逆流式冷卻塔的熱力計(jì)算研究與紅外熱像溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 揚(yáng)，陳 成，華桑暾，邱亞峰

逆流式冷卻塔的熱力計(jì)算研究與紅外熱像溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 揚(yáng)，陳 成，華桑暾，邱亞峰

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

以冷卻塔紅外熱像溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為目的，根據(jù)水電混合動(dòng)力冷卻塔的結(jié)構(gòu)特性，基于冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)交換平衡方程及Merkel數(shù)學(xué)模型建立水電混合動(dòng)力冷卻塔熱力計(jì)算理論模型。運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)建立逆流式冷卻塔熱力性能監(jiān)測(cè)模型，完成冷卻塔的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并分析冷卻塔溫控系統(tǒng)溫控精度誤差產(chǎn)生原因。通過(guò)使用手持式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了熱力計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和其應(yīng)用于冷卻塔溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

紅外熱成像；熱力計(jì)算理論模型；溫控系統(tǒng)

0 引言

在化工、冶金、火電等工業(yè)項(xiàng)目以及一些制冷相關(guān)系統(tǒng)的民用項(xiàng)目中，都存在著需要對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)部溫度進(jìn)行控制的環(huán)節(jié)，以保證項(xiàng)目?jī)?nèi)部的溫度符合工業(yè)或民用需求。此外，為了節(jié)約水資源，項(xiàng)目中常采用循環(huán)水冷卻系統(tǒng)作為制冷系統(tǒng)。這種循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)于系統(tǒng)中換熱器、管路、冷卻塔布水器以及水泵處都留有2%～5%的壓力余能（水頭）[1-2]，系統(tǒng)中這些壓力余能累積就有相當(dāng)可觀的剩余能量。因此，在此理論基礎(chǔ)上，多位工程師成功研制出純水動(dòng)力冷卻塔以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

然而，由于水動(dòng)力冷卻塔是通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)中的余壓進(jìn)行工作所以相較于電動(dòng)力冷卻塔而言工作情況更復(fù)雜，而且，運(yùn)行過(guò)程中水輪機(jī)整機(jī)性能也會(huì)一直受到富余水頭變化情況的影響。因此為了避免由水循環(huán)系統(tǒng)中富余水頭變化帶來(lái)的冷卻塔制冷功率變化，可在純水動(dòng)力冷卻塔的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出水電混合動(dòng)力冷卻塔，同時(shí)基于熱學(xué)成像原理設(shè)計(jì)出適用于水電混合動(dòng)力冷卻塔的溫控系統(tǒng)，以保證在任何情況下冷卻塔都能有效地完成工作。在設(shè)計(jì)冷卻塔時(shí)，需構(gòu)建冷卻塔熱力計(jì)算模型進(jìn)行熱力計(jì)算。本文將根據(jù)逆流式冷卻塔熱交換的基本原理以及水電混合動(dòng)力冷卻塔的結(jié)構(gòu)特性，基于Merkel方程構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行熱力計(jì)算。同時(shí)，為了能夠正確地識(shí)別冷卻塔所在的瞬時(shí)工況并判斷其是否需要接入電機(jī)以進(jìn)行動(dòng)力補(bǔ)償工作，使冷卻塔能夠完成冷卻目標(biāo)，本文也基于冷卻塔的工作環(huán)境進(jìn)行了用于冷卻塔的紅外熱像溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并通過(guò)設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)所建立熱學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 冷卻塔熱力計(jì)算模型

逆流式水電混合動(dòng)力冷卻塔內(nèi)，溫度較高的循環(huán)水在經(jīng)由進(jìn)水管導(dǎo)入水輪機(jī)做功后由尾水管導(dǎo)出至灑水機(jī)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)噴頭由上至下經(jīng)過(guò)噴灑區(qū)、填料區(qū)以及雨區(qū)[3]。其中，在噴灑區(qū)和雨區(qū)中，水以水滴的形式通過(guò)，在中間的薄膜式填料區(qū)內(nèi)，水以水流的形式通過(guò)。冷卻塔內(nèi)空氣的方向則與水流方向相反，自下而上，依次在雨區(qū)、填料區(qū)和噴灑區(qū)內(nèi)部與水進(jìn)行熱質(zhì)交換，整個(gè)熱力交換過(guò)程如圖1所示。

圖1 冷卻塔熱力交換示意圖

為了便于計(jì)算，將圖1中的冷卻塔內(nèi)部熱力交換過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立冷卻塔熱力計(jì)算模型示意圖，如圖2所示。

如圖2所示，循環(huán)水系統(tǒng)中冷卻水自上而下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)口和出口處的水溫和水質(zhì)量流率分別為w、w－dw和w、w－dw，空氣自下而上運(yùn)動(dòng)，空氣焓、空氣溫度、空氣含濕量以及空氣質(zhì)量流率在進(jìn)口和出口處分別為、＋d，a、a＋da，、＋d以及a、a＋da。

由此根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可基于循環(huán)水量的變化等于空氣含濕量的變化的原理建立空氣含濕量的變化方程：

d＝dw＝xv(2－)d(1)

式中：為初始空氣含濕量；2為飽和空氣含濕量，kg[水]/kg[空氣]；xv為填料容積散質(zhì)系數(shù)，kg[水]/m3；d為填料微元體積，m3；w為水質(zhì)量流率，kg/s。

圖2 冷卻塔熱力計(jì)算模型示意圖

在冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)交換過(guò)程中，空氣溫度升高，濕度變大，依靠風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力差驅(qū)動(dòng)源源不斷地流入塔內(nèi)。由于冷卻塔內(nèi)水和空氣之間相對(duì)溫差較小，因此可將輻射傳熱忽略，兩者之間只考慮接觸傳熱和蒸發(fā)傳熱的存在，其傳熱過(guò)程主要發(fā)生于填料區(qū)，故可從填料體積微元d內(nèi)的質(zhì)量和能量守恒方程建立冷卻塔的基本熱力計(jì)算理論模型[4]，即Merkel模型。

在冷卻塔填料體積微元d內(nèi)，熱量交換方程可分為由水汽化傳遞的熱量方程(2)和循環(huán)水降溫傳遞的熱量方程(3)兩部分：

式中：為水的汽化熱，kJ/kg[水]；為水的散熱系數(shù)，kJ/(m3×℃)；為當(dāng)前水溫，℃；為當(dāng)前濕空氣溫度，℃。

綜上式(2)、式(3)，可得出冷卻塔內(nèi)部交換的總熱量為：

同時(shí)，根據(jù)質(zhì)量與能量守恒定律可得循環(huán)水在熱交換過(guò)程中散發(fā)的總熱量：

式中：w為水的比熱容，kJ/(kg×℃)；d為填料體積微元d中循環(huán)水的溫降，℃。

式(5)為逆流式冷卻塔內(nèi)部熱交換的基本方程。

在式(5)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Merkel方程熱力計(jì)算模型[5]引入焓概念的理論基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)化，獲得Merkel數(shù)（冷卻數(shù)）Me：

式中：1、2分別表示冷卻塔內(nèi)循環(huán)水的進(jìn)塔和出塔水溫；2為水溫℃時(shí)飽和濕空氣的比焓；為濕空氣溫度℃時(shí)飽和濕空氣的比焓。

最終，根據(jù)上文建立的冷卻塔熱力計(jì)算模型可獲得冷卻塔出口空氣溫度2：

式中：1為進(jìn)口空氣溫度，℃；為氣水比。

2 運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)建立冷卻塔溫控系統(tǒng)

2.1 冷卻塔溫控系統(tǒng)的構(gòu)建

紅外熱成像技術(shù)是將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)圖像的技術(shù)，利用這一技術(shù)研制的裝置統(tǒng)稱為紅外熱成像裝置或紅外熱像儀。紅外熱像儀的主要特點(diǎn)為：①為非接觸式測(cè)量，能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、微小目標(biāo)及帶電目標(biāo)溫度[6]；②測(cè)溫范圍廣：高于－273.15℃絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外產(chǎn)生紅外輻射能，所以理論上講，紅外輻射測(cè)溫是沒(méi)有上限的，具有寬廣的測(cè)溫范圍[7]；③溫度分辨率高，可準(zhǔn)確區(qū)分較小溫差，獲取精確溫度值；④數(shù)據(jù)輸出方式主要為灰度或彩色云圖，目標(biāo)各點(diǎn)溫度值讀取方便；⑤可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理，便于自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)上文所建冷卻塔熱力計(jì)算模型，設(shè)計(jì)出如圖3所示的逆流式冷卻塔熱力性能監(jiān)測(cè)模型，將實(shí)時(shí)測(cè)量獲得的環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、電參數(shù)代入監(jiān)測(cè)計(jì)算模型，求解方程結(jié)果，實(shí)現(xiàn)冷卻塔工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

圖3 逆流式冷卻塔熱力性能監(jiān)測(cè)模型

在設(shè)計(jì)冷卻塔溫控系統(tǒng)時(shí)，可利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行冷卻塔出口空氣溫度的采集，并將所獲取數(shù)據(jù)反饋至控制器中進(jìn)行分析，判斷冷卻塔所需風(fēng)量是否滿足需求，最終通過(guò)控制器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，形成溫控系統(tǒng)閉環(huán)，溫控系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

2.2 冷卻塔溫控系統(tǒng)溫控精度誤差分析

紅外熱成像儀通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)采集被測(cè)物體產(chǎn)生的紅外輻射，經(jīng)傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)放大電路及補(bǔ)償電路處理后，并最終由系統(tǒng)終端輸出結(jié)果，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1 The cooling tower；2 Thermal infrared imager；3 The controller；4 Environmental parameter sensor

圖5 紅外熱成像儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于紅外熱成像儀為非接觸式測(cè)量?jī)x器，其測(cè)量精度較低，根據(jù)其技術(shù)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以推斷出，紅外熱成像儀的測(cè)量誤差主要為光學(xué)系統(tǒng)造成的誤差。光學(xué)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的因素較復(fù)雜：①發(fā)射率，被測(cè)物體的材料形狀、表面粗糙度及凹凸度均可影響物體的發(fā)射率，而紅外熱成像儀能從物體上接受的輻射能量大小與其發(fā)射率成正比，因此，當(dāng)紅外熱成像儀對(duì)形狀怪異以及表面質(zhì)量較差的物體進(jìn)行測(cè)溫時(shí)測(cè)量精度較低，測(cè)量誤差較大。②被測(cè)物體尺寸，當(dāng)被測(cè)物體小于等于紅外熱成像儀的測(cè)溫視場(chǎng)時(shí)，儀器會(huì)受到測(cè)量區(qū)域以外的環(huán)境影響，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。③被測(cè)物體與紅外成像儀之間的距離，當(dāng)熱成像儀與被測(cè)物體之間的距離過(guò)大時(shí)，熱成像儀的分辨率越低，測(cè)量精度越差。④環(huán)境因素，由于紅外熱成像儀時(shí)非接觸式測(cè)量，因此被測(cè)物體與熱成像儀之間存在其它物質(zhì)，這些物質(zhì)不僅會(huì)和被測(cè)物體產(chǎn)生熱交換，也會(huì)吸收被測(cè)物體產(chǎn)生的紅外線輻射能量并將其轉(zhuǎn)變成其它形式的能量，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

綜上因素所產(chǎn)生的紅外熱成像儀中光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量誤差最終會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器變?yōu)殡娦盘?hào)后，并通過(guò)熱成像儀內(nèi)部的信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)處理后由終端輸出至冷卻塔溫控系統(tǒng)中的控制器中影響整個(gè)溫控系統(tǒng)的溫控精度。

由圖6可以得知，由紅外熱成像儀的終端輸出的出口空氣溫度是冷卻塔溫控系統(tǒng)運(yùn)行的重要依據(jù)之一，因此紅外熱成像儀的測(cè)量精度誤差是影響冷卻塔溫控系統(tǒng)精度的重要原因。相較之下，溫控系統(tǒng)中的其它傳感器均為接觸式傳感器，測(cè)量精度高，對(duì)溫控系統(tǒng)的溫控精度誤差影響小。最終，根據(jù)紅外熱成像儀測(cè)量精度1、出口水溫溫度傳感器測(cè)量精度2、環(huán)境參數(shù)傳感器測(cè)量精度3以及安全系數(shù)設(shè)定冷卻塔溫控系統(tǒng)溫控精度：

＝{1－[(1－1)×(1－2)×(1－3)]}××100% (8)

圖6 溫控系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3 利用手持式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證冷卻塔熱力計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，本應(yīng)該利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)冷卻塔工作過(guò)程進(jìn)行溫度監(jiān)控，根據(jù)紅外特性判別冷卻塔出口處空氣溫度，如圖7所示。

然而由于紅外溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造周期長(zhǎng)，故將實(shí)驗(yàn)中的探測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)化，特采用手持式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行真機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

1）實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖7 紅外熱像溫控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)圖

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2）實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)

冷卻塔參數(shù)：流量＝100t/h，工作水頭＝10m，塔高＝3.1m，水輪機(jī)效率＝0.85，風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速＝360r/min，風(fēng)機(jī)額定功率＝5kW，風(fēng)機(jī)葉片直徑＝1.8m。

手持式紅外測(cè)溫儀參數(shù)：測(cè)溫范圍：－32℃～330℃，測(cè)量精確度±2%，分辨率：0.1℃。

3）實(shí)驗(yàn)步驟

①通過(guò)溫度計(jì)獲得實(shí)驗(yàn)當(dāng)?shù)乜諝飧汕驕囟?9.6℃，濕球溫度23.3℃，相對(duì)濕度70.9%。

②預(yù)設(shè)冷卻塔進(jìn)塔水溫，根據(jù)冷卻塔熱力計(jì)算模型以及文獻(xiàn)[8]獲得理論出塔空氣溫度。

③根據(jù)預(yù)設(shè)進(jìn)塔水溫進(jìn)行真機(jī)實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)際出塔空氣溫度并將其與理論出塔空氣溫度進(jìn)行對(duì)比分析。

④現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比圖

從圖中可以明顯地看出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算模型得出的數(shù)據(jù)之間存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，成功驗(yàn)證了上文所建立的冷卻塔熱力計(jì)算模型的正確性，同時(shí)也能證明手持式紅外測(cè)溫儀的參數(shù)能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

根據(jù)水電混合動(dòng)力冷卻塔的結(jié)構(gòu)特性，基于熱質(zhì)平衡方程可成功建立適用于冷卻塔溫控系統(tǒng)的熱力計(jì)算模型。由于實(shí)驗(yàn)條件難以實(shí)現(xiàn)，故將實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)化，使用手持式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行真機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。雖然手持式紅外測(cè)溫儀的分辨率較低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)據(jù)之間有所偏差，但從獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比圖中可以看出，數(shù)據(jù)之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，可成功驗(yàn)證冷卻塔熱力計(jì)算模型的正確性以及該模型應(yīng)用于冷卻塔溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。未來(lái)實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，可采用紅外熱像技術(shù)進(jìn)行真機(jī)實(shí)驗(yàn)，在提高設(shè)備分辨率的前提下獲得更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。

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Thermal Calculation of Countercurrent Cooling Tower and Design of Infrared Thermal Image Temperature Control System

HU Yang，CHEN Cheng，HUA Sangtun，QIU Yafeng

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In this study, a temperature control system was designed based on an infrared thermal image of a hydroelectric hybrid cooling tower. A theoretical model of a cooling tower thermal calculation was deduced based on the structural characteristics of a hydroelectric hybrid cooling tower, as well as the balance equation of heat and mass exchange in a cooling tower and the Merkel mathematical model. A thermal performance monitoring model of a countercurrent cooling tower was first developed using infrared thermal imaging technology, and then the temperature control system for a cooling tower was designed.The causes of temperature control precision errors in the cooling tower temperature control system were analyzed. The accuracy of the thermal calculation model and the feasibility of using a hand-held infrared thermometer for designing the temperature control system of a cooling tower were verified by field experiments.

infrared thermal image, theoretical model of thermal calculation, temperature control system

TN219

A

1001-8891(2021)03-0225-05

2020-05-06；

2020-12-31.

胡揚(yáng)（1996-），男，碩士研究生，研究方向是熱學(xué)分析與紅外技術(shù)。E-mail：wshy990@qq.com。

邱亞峰（1966-），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)楣怆娮游锢砼c技術(shù)。E-mail：njlghcn@sina.com。