沈仲韜
海口市節(jié)約用水辦公室

一 前言

　　有關(guān)冷卻塔熱力計算的理想方法目前均建立在麥克爾（Merkel）1925年提出的“焓差動力”法及別爾曼的“壓差動”法的基礎(chǔ)上。為了從數(shù)量上來計算各種塔型和各種填料中的熱交換與質(zhì)交換過程的強度，以實現(xiàn)對冷卻的預(yù)測、控制和檢驗，實際計算中都是采用經(jīng)驗公式N=Aλ^M來表征蒸發(fā)冷卻過程及描述冷卻塔填料的特性。但長期實踐中，人們已發(fā)現(xiàn)影響蒸發(fā)冷卻的因素很多，因子間制約的關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的經(jīng)驗方程在使用中受到局限，探討新的冷卻特性方程，以適應(yīng)較寬工況區(qū)間的需要，進而求得更全面、更精確地表述冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)交換本質(zhì)，已成為大家共同關(guān)心的問題。本文通過試驗，采取“正交試驗”方法安排工況，應(yīng)用“概率統(tǒng)計”原理建立了包括重量風(fēng)速、淋水密度、進塔水溫和環(huán)境濕球等參數(shù)變量在內(nèi)的指數(shù)乘積形式的多因素特性方程式，并和傳統(tǒng)經(jīng)驗關(guān)系式比較，用相關(guān)分析和誤差理論證實新方程的科學(xué)性和合理性。

二、試驗裝置及參數(shù)測量

　　（一）試驗裝置
　　試驗在東方冷卻水處理技術(shù)開發(fā)中心第一試驗室內(nèi)的逆流模擬塔上進行。試驗裝置及測點布置如圖1所示。

　　試驗裝置由試驗塔體、空調(diào)箱、送回管、回風(fēng)管、風(fēng)機、水泵及水池等系統(tǒng)組成。試驗塔為抽風(fēng)式，塔體試驗段高3.4M，試驗塔段截面積為1.0M×1.0M=1.0m²，最大尾高1.2M，水泵為3BA——9型，風(fēng)機為03-11-8軸流式，送風(fēng)管直徑為6620mm；水池容積為27m³。
　　（二）試驗參數(shù)測量
　　進出塔空氣干濕球溫度及進出塔水溫均采用日本產(chǎn)型號為YODAC——3858型50點精密溫度記錄儀測量，并打印數(shù)據(jù)。風(fēng)量測定采用標(biāo)準(zhǔn)畢托管和DJM9型補償式微壓儀；填料阻力測定采用全壓管配合DJM9型補償式微壓儀。

三、試驗方案

　　（一）試驗填料
　　試驗選用目前國內(nèi)普遍使用的斜交錯（35×15×60°）和折波二種填料，取填料高度為1M。
　　（二）試驗方案
　　1、正交試驗
　　采用Lp（3⁴）正交表，并以λ、q、t1、τ1四個參數(shù)作為考察因子，每個因子設(shè)三個水平。每個工況采集三次數(shù)據(jù)，共計54個個試驗點參與資料整理。正交試驗工況各因子水平為：

　　λ（0.6、0.9、1.2）、q（8、11、14）
　　t1（35、42、50）、τ1（22、25、28）（ 取70%）
　　（2）單因素試驗
　　當(dāng)進行某一因素試驗時，其它參數(shù)分別取λ=0.9，q=11M³h.M²、t₁=42℃,τ₁=25℃。各單因素變化試驗值為：
　　λ（0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、1.4)
　　q（6、8、10、12、14）
　　t1（35、37、39、41、43、45、47、49）
τ1（18、20、22、24、26、28）
（取70%）
　　單因素工況共計50個，150個數(shù)據(jù)點。
　　（3）標(biāo)準(zhǔn)工況點試驗
　　為了對多因素行性方程進行檢驗，本試驗還進行了四檔常見溫差的16個設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工況試驗，共計32個工況、96個數(shù)據(jù)點。
　　其標(biāo)準(zhǔn)工況安排為：
　　　　　　　　　　 τ1-t1-t2
　　 △t=5℃　　 28-37-32
　　 △t=8℃　　 28-40-32
　　 △t=10℃ 38-43-33
　　 △t=20℃ 28-55-35
　　 （變化參數(shù)q=8、10、12、14）

四、資料整理方法

　　（一）傳統(tǒng)經(jīng)驗方程式
　　　　　　　　 N=Aλ^m
　　　　　　　　 KA=Ag^mqⁿ
　　　　　　　　 M=Aλ^mqn
　　　　　　　　 △h/r=AV^m

　　通過回歸求相應(yīng)的A、m、n等常數(shù)項和指數(shù)項。
　　（二）多因素?zé)崃Γ枇μ匦苑匠淌降慕?BR>　　其數(shù)學(xué)模式采用指數(shù)乘積形式：
　　　　　　　　N=Ag^mq^n-1t₁^pτ₁⁸
　　　　　　　　KA=Ag^mqⁿt₁^pτ₁⁸
　　　　　　　　M=Ag^mqⁿt₁^pτ₁⁸
　　　　　　　　Δh/r=AV^mqⁿ
　　通過回歸求得相應(yīng)的A、m、n、p、s
　　（三）相關(guān)分析和誤差分析
　　1、相關(guān)分析和誤差分析
　　相關(guān)系數(shù)：
　　R=(S_回/L_yy)^0.5
　　只有當(dāng)│R│大至一定程度時，才能認(rèn)為自變量與因變量之間存在相關(guān)關(guān)系，同時必須對相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗。
　　2、標(biāo)準(zhǔn)離差檢驗
　　標(biāo)準(zhǔn)離差系數(shù)：
　　Sy=(S_殘/(n-m+1))^0.5
　　剩余標(biāo)準(zhǔn)差Sy可用來刻畫隨機誤差的大小。Sy越大，數(shù)據(jù)越分散；反之?dāng)?shù)據(jù)越集在平均值附近。

五、試驗成果分析

　　驗數(shù)據(jù)采用焓差法計算得N、N、M、_△h/r，再應(yīng)用概率統(tǒng)計方法進行方程的多元線性回歸整理，輸入PC-1500電腦，得出二種填料的多因素特性方程式和相關(guān)系數(shù)R及標(biāo)準(zhǔn)差Sy，見表3。
　　1、實測工況點的分析
　　取折波填料多因素特性方程式為例，列表1分析如下：
　　多因素回歸式：N=38.53g^0.44q^-0.95t1^-0.97τ1^0.56傳統(tǒng)經(jīng)驗式：N=1.13λ^0.57
　　從表1中可以看出，多因素回歸式的計算精度較高，而傳統(tǒng)經(jīng)驗式由于未考慮g、q、t₁、τ₁諸參數(shù)的影響，因而計算值與試驗實測值誤差甚大。

　　2、標(biāo)準(zhǔn)工況點的校核
　　這里取斜交錯填料為例，列表2分析。多元回歸式為：
　　　　　　　　 N=2.91g^0.69q^-0.79t1^-0.21τ1^0.37
　　　　　　　　 M=0.08g^0.47q^-0.55t1^0.33τ1^0.52
　　由表看到，多因素回歸式的計算值與標(biāo)準(zhǔn)工況實測值二者甚接近，誤差小。
　　3、相關(guān)分析和誤差分析看方程精度
　　從表3中可明顯得知，多元回歸式的相關(guān)系數(shù)R值比傳統(tǒng)經(jīng)驗式的大；而其標(biāo)準(zhǔn)離差值Sy卻小得多。表明多元特性方程相關(guān)性好，離散程度小，方程的可靠性明顯提高。
　　4、從單因素試驗觀察結(jié)果分析
　　1）隨著進水溫度的增加，由于受到“熱水溫度效應(yīng)”的影響，N（KA）值逐漸降化。
　　2）隨著進塔濕球溫度的遞增，N（KA）值亦逐漸增加。
　　3）選定淋水密度q和進水溫度t1，改變氣水比λ，我們發(fā)現(xiàn)，t2隨λ的增加而降低；當(dāng)τ₁不變，不難看到t2-τ1隨λ的增加而減小，規(guī)律性很好。
　　4）當(dāng)選定q、λ、t1，而改變τ1，可以看到，隨意冷卻幅高的加大，KA將逐漸減小。這說明，冷卻特性并不完全獨立于冷卻任務(wù)而僅與塔的構(gòu)造等條件有關(guān)，它和該冷卻塔的熱力運行段關(guān)系很密切。
　　5）與此同時，還觀察到KA值隨冷卻幅寬t2——τ1的增加而減小。
　　試驗研究表明，影響冷卻塔特征數(shù)N的不僅是λ，傳統(tǒng)經(jīng)驗式只有一個主要參變量及常數(shù)項A和指數(shù)m，雖簡潔地包括了所有的試驗邊界條件，但是也正因為其概括面過寬，因而其針對性就明顯減弱了。使特性方程失去其代表性和實用價值。從試驗成果清楚地看到，所建立的包括重量風(fēng)速、淋水密度，進塔水溫和濕球溫度等參變量在內(nèi)的多因素特性方程式，具有較高的計算精度和可信度，適用的運行區(qū)間較寬，對冷卻塔優(yōu)化設(shè)計及優(yōu)化運行管理創(chuàng)造了條件。

六、結(jié)語

　　（一）冷卻塔多因素特性方程式，由于其比傳統(tǒng)經(jīng)驗式更符合冷卻塔運行時水氣熱質(zhì)交換的真實過程，因而具有更高的計算精度，對冷卻塔設(shè)計與運行管理將更具有指導(dǎo)意義。
　　（二）新方程將諸因素影響顯式化，因而在使用上具有更寬的適應(yīng)區(qū)間，有利于進行冷卻塔設(shè)計的優(yōu)化。同時，也有助于冷卻塔內(nèi)交換規(guī)律的深刻理解。
　　（三）正交試驗在可控制因素試驗中，能適應(yīng)多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)情況，能安排不同的不同的水平組合，能較好地保持試驗因子組合關(guān)系的均衡性。試驗結(jié)構(gòu)分析的可靠性較高，且只需少量試驗就可取得足夠的精度和可信度。是一種科學(xué)的試驗方法。

參考文獻(xiàn)

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