摘要：利用圖形法和EXCEL電子表格編程,對冷卻塔冷卻效率作出簡單直觀的判斷,既方便又準确,大大簡化了計算程序。 
 

關鍵詞：冷卻塔 冷卻效率 電子表格編程

1前言

冷卻塔的熱力計算相當複雜，手算程序尤其繁瑣，并且還涉及到查表，而目前市場上雖然有一些商業性的軟件，但大部分是針對小型玻璃鋼冷卻塔設計的，對于大型的工業冷卻塔而言，計算起來誤差較大，并且使用起來不方便，圖形法分析能省去計算，但存在隻能定性分析而不能定量分析等缺陷，考慮到焓差法計算是冷卻塔熱力計算的基礎理論，結合冷卻塔工藝熱平衡圖，筆者采用EXCEL電子表格設計了熱力計算程序，隻需具備EXCEL編輯公式的能力就可直接操作，操作簡單，方便實用。非常适合于從事冷卻塔設計和運行管理的工程技術人員使用。

2理論分析

………….(1)

Q：冷卻水量，m³/h

β_xv:容積散質系數，kg/m³h

k:蒸發水量散熱系數

i,i”空氣焓值，飽和焓值，kJ/kg

Cw:水的比熱，kJ/kg℃

式(1)中右邊表示冷卻塔的冷卻任務的大小,稱冷卻數或交換數。與設計的進出水水溫、溫差以及大氣氣象條件決定的,左邊為選定的淋水填料所具有的冷卻能力，稱冷卻特性數,與選擇填料的熱力性能和氣水比有關,對于給定的冷卻任務而言,可以選擇适當的填料以及填料體積來滿足冷卻任務。（1）式右邊可用1所示的冷卻塔工藝熱平衡形象地表述水與空氣之間的關系及焓差推動力。

圖1:冷卻塔工藝熱平衡

圖1中AB線為飽和焓曲線，與進出水溫度t₁和t₂有關，CD線為空氣操作線，C點對應為進塔空氣焓，D點對應為出塔空氣焓， CD線與取決于大氣條件、氣水比λ以及溫差。其中,t_m為平均溫度，。

3 評價

結合圖1的原理，利用EXCEL編程計算冷卻效率，可以簡化查表步驟，既方便又快捷。

圖6：冷卻塔冷卻數計算表格的表頭制作

首先設計如圖6所示的表頭，圖中B～H項為設計者直接填入數值,I～X項為計算機自動顯示值處,下面分步介紹自動計算表格的設計。

1).飽和水蒸汽壓力的計算

計算飽和水蒸汽壓力

式中T=273+θ（θ為空氣溫度℃）

Pq?=98.065×10^E（kpa）

則相當于濕球溫度τ的水蒸氣壓力編寫方法是用鼠标單擊K6處，然後在如圖所示的編輯輸入=98.065*10^(0.014196-3.142305*(1000/(273+D6)-1000/373.16)+8.2*Lg(373.16/(273+D6))-0.0024804*(373.16-(273+D6))),輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵，此時相當于濕球溫度τ水蒸氣壓力公式編輯完畢。同理，相當于幹球溫度θ的水蒸氣壓力編寫方法是用鼠标單擊L6處，将上式中的D6改為E6即可。

2）.相對濕度的計算

相對濕度可按

進行計算，

則相對濕度的編寫方法是用鼠标單擊M6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入=（K6-0.0006628*F6*(E6-D6)）/L6,輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵，此時相對濕度的公式編輯完畢。

3)濕空氣容重的計算

濕空氣容重可按

進行計算，

則濕空氣容重編寫方法是用鼠标單擊N6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= (F6-M6*L6)/0.287/(273+E6)+M6*L6/0.4615/(273+E6)，輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵，此時濕空氣容重公式編輯完畢。

4）氣水比的計算

氣水比按

進行計算，

則氣水比編寫方法是用鼠标單擊O6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= N6*H6/1000/G6，輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵，此時氣水比公式編輯完畢。

5）飽和空氣焓的計算

為方便統一的公式編輯，同時省去查表的步驟，可引入内田秀雄^[1]給出飽和焓與溫度的關系式: ,即圖中的AB線，此關系式在20～40℃誤差僅為1%，因此t₁對應的飽和空氣焓的編寫方法是鼠标單擊P6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= 8.265-0.24*B6+0.0254*B6^2，輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵，此時t1對應的飽和焓公式編輯完畢。t₂、t_m對應的飽和焓編寫方法同t₁對應的飽和空氣焓的編寫方法，将上式中的B6改為C6、J6即可。

6）進出塔空氣焓值的計算

由圖1可以看出進塔空氣焓可近似等于濕球溫度τ對應的飽和空氣焓，因此i₁編寫方法同t₁對應的飽和焓，隻是将上式中的B6改為D6。空氣操作線CD上任意一點可用求出。因此i₂編寫方法是鼠标單擊T6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= S6+I6/O6，輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵，i_m編寫方法是鼠标單擊u6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= (S6+t6)/2。

7）逆流塔冷卻數的計算

考慮到計算精度，逆流塔冷卻數的計算積分采用辛普遜（Simpson）二段公式作簡化計算：

則Ω編寫方法是鼠标單擊V6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= I6/6*(1/(P6-T6)+4/(R6-U6)+1/(Q6-S6))，輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵。

8）橫流塔冷卻數的計算

先按求逆流塔冷卻數的方法求出Ωn,再除以修正系數F₀。

F₀的編寫方法是鼠标單擊W6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= 1-0.106*(1-(Q6-T6)/(P6-S6))^3.5，輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵。Ω_H的編寫方法是鼠标單擊X6處，然後在如圖所示的編輯欄輸入= V6/W6，輸完之後單擊編輯欄右側的等于号，待屏幕彈出對話框，再單擊“Enter”鍵。此時整個計算程序編寫完畢。用此程序校驗手算值（上海科學技術出版社1981年出版的《冷卻塔》及中國建築出版社1986年出版的《給水排水設計手冊》第4冊書中的例題（見表1）。

表1：手算和電算結果對照表

從表1可以看出手算和電算值結果相差不大（1.76%～5.56%）,因此采用此程序可信度較高。

下面結合某橫流塔幾種不同的測試工況，利用此EXCEL程序對其判斷（見圖7）。

表2：某大型橫流塔設計及測試情況

圖7：某橫流塔冷卻數計算結果值

将測試的三個工況的B～F項直接填入表格中,然後用鼠标單擊I6處,按住鼠标,按住鼠标左鍵不放,将鼠标拖至X6處,将鼠标移至X6右下角,待光标變成小“+”時,按住鼠标左鍵不放,将鼠标移至第9行,就可完成複制工作,在7、8、9行處計算機可以自動顯示數值，測試工況1冷卻數計算值大于設計值，填料的容積散質系數比設計值大,能滿足冷卻任務,而測試工況2、3均低于設計值(工況2是在該冷卻塔運行六年後進行測試的，工況3是該冷卻塔在更換填料後進行測試的)，尤其是運行六年後，填料的容積散質系數下降幅度較大，已不能滿足冷卻任務的需要。而改造後也未達到設計任務的要求，因此還存在着改造的缺陷。單純從冷卻數的大小不容易看出冷卻效率降低多少，可以将不同工況下的冷卻數修正到設計條件下，求出出水溫度或水量。具體操作步驟見圖8、圖9。

圖8：修正至設計條件下出水水溫校核圖

将設計條件下的工況複制至第10行處，然後保持水量不變，将出水溫度空出，再在空欄處填入出水溫度，直至填入的溫度滿足測試工況條件下的冷卻數值。由圖可以看出，修正到設計條件下，出水

圖9：修正至設計條件下出水水溫值

水溫為32.5℃時，滿足要求，因此該塔的冷卻效率為（43-32.5）/（43-33）×100%=105%，同理可将工況2、3修正到設計條件下得到出水溫度為33.9℃和33.2℃，因此冷卻塔效率分别為91%和98%。分析其改造不成功的原因主要有：

① 填料片間距過大，水力停留時間短

② 由于橫流塔百葉窗的安裝角度不合理，同時由于橫流塔支撐架多，在安裝過程中不可避免地在原百葉窗上開孔，如果對有孔部位不進行修補，橫流塔濺水相當厲害，尤其在不開風機時加劇，造成冬季百葉窗易結冰，導緻百葉窗及擋水闆變形，向外凸出，水直接沖擊邊層填料，形成水幕，并且自上而下越來越密，無形中增加了風機的運行阻力，減少了風量，同時水幕對邊層填料具有沖擊破壞作用，加劇了填料的部分垮塌。因此在改造過程中不可忽視，在擋水闆凸出處再插入新的擋水闆。

③未綜合考慮整個氣室的配風均勻性，填料安裝沒有按照上密下疏的原則，同時填料安裝并未交錯安裝，影響了填料的熱力性能。

④由于橫流塔内部結構本身複雜，填料支撐架過多，同時每層填料間安裝了填料框，無疑這些增加了風機的阻力，對于鋼筋支撐架而言，要改造已很困難，但可以撤消填料框架，用相同材質的PVC闆代替填料框架。減少風機的運行阻力。

⑤由于風機的抽吸作用，有部分水飄落在收水器與填料之間，未經過充分換熱，由上自下逐漸增加，因此可考慮略微增加原底部1～2層填料深度，以保證充分換熱。

當然單憑某一工況的測試就對冷卻塔的熱力效率作出評價，不是非常嚴謹的，如要對冷卻塔作出科學合理的判斷，按照NDGJ89-89《工業冷卻塔測試技術規定》要求，需對冷卻塔進行全面測試，測試項目包括大氣參數，進出水溫，進塔空氣量，出塔空氣幹濕球溫度，塔各部分風阻，風機全壓，至少測出15個不同的工況，然後在不同工況下，計算出冷卻數Ω及容積散質系數，用最小二乘法，得出式（2）和式（3）

…………（2）

…….（3）

λ：氣水比，kg/kg

g:通風密度，kg/m²s

q:淋水密度，kg/m²s

A.B：試驗常數

m.n:試驗指數

根據此關系校核在設計條件下的出水水溫或水量，然後對冷卻塔效率高低作一評價。同樣可以采取EXCEL方法對其進行編輯,在此不再贅述。

4.結束語

采用EXCEL表格對冷卻塔冷卻效率進行編程，使得煩瑣的計算變得輕松，工作效率大大提高，需要幾個工作日時間隻需幾分鐘就可完成，為冷卻塔計算提供了方便，對冷卻塔的運行狀況做到心中有數,為冷卻塔改造和開發提供可信的依據。