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在冷却塔热力计算中Delphi7.0的应用分析
摘要：本文介绍了用Delphi软件编制求解冷却塔设计计算和校核计算两类问题的可视化应用程序。并结合工程实际对该算法进行验证，论证了该算法可用于冷却塔向空气中放热及从空气中吸热两种工作情况。
关键词 ：冷却塔，能效比，冷却数，气水比
0 引言
冷却塔的热力计算在我们进行工程设计选型及工程运行状况验证、检测中有着非常重要的意义。其热力计算的特点一是公式多且计算繁琐，二是在热力学基本方程中求冷却数的积分公式需采用数值积分算法求解，三是整个计算过程需要重复多次应用热力公式和数值运算，工作量相当大。鉴于以上几点, 应用微机作辅助计算是十分必要的。冷却塔热力计算的核心问题是计算冷却数[1]。抓住了这一关键, 各种热力计算的算法设计就迎刃而解了。
文献[2] 介绍了采用薄膜模型进行冷却塔热力计算，并推导出了冷却塔热力计算基本方程式。本文对冷却塔热力计算的两类问题，即设计计算和校核计算进行分析。采用Delphi7.0软件编制求解该两类问题的可视化应用程序。该程序可以很直观的进行冷却塔热力计算。
冷却塔在传统工程的中，主要是用于冷却系统的循环水。但在广西大学自主开发的土壤换热器与冷却塔并联混合型地源热泵系统中，有冷却塔从空气中吸收热量的工作情况。那么常用的冷却塔热力计算方法能否用于这种工作情况呢？本文将通过工程实例来验证所选的算法可以用于冷却塔向空气中散热及吸热两种工作情况。
1冷却塔热力计算
1.1热力计算基本方程式
根据文献[2]可知，空气与水表面之间的热质交换基本方程的推导是基于以下三个条件：第一、采用薄膜模型；第二、在空调范围内，空气与水表面之间的传质速率比较小，因此可以不考虑传质对传热的影响；第三、在空调范围内，认为路易斯关系成立，即Le=1。
根据以上基本条件，可以推导出逆流冷却塔热力计算的基本方程式：
（1）
式中： ——容积散质系数；V——冷却塔体积； ——冷却水量(m3/h)； ——水的比热； ——考虑蒸发水量的流量系数； ——进水水温； ——出水水温； ——水温； ——某一水温下的饱和空气焓； ——某一水温下的空气焓。
通常将右端项定义为冷却数：
（2）
N表征冷却任务的大小。又将式(17)左端定义为特性数：
（3）
它表示冷却塔具有的冷却能力。对不同的填料进行热力实验，发现特性数 与运行的气水比 可以采用下面的公式进行并联：
（4）
其中A和p为试验常数。
表1 几种冷却塔的特性数表达式
填料名称 特性数 的表达式
复合波
全梯波
双斜波
正弦波
台阶波
说明： 实验填料高度均为1m。当填料高度大于0.5m时，其高度对容积散质系数的影响很小。
1.2冷却塔热力计算的核心模块-------求冷却数
某一水温下的饱和空气焓和该水温下的空气焓： 、 均为水温 的函数，由以下各式计算：
（5）
(T= +273.15) （6）
（7）
式中： ——饱和的蒸汽压 (Pa)；P——当地大气压 (Pa)； ——空气进口处的空气焓，它相当于在湿球温度 时的饱和空气焓，即 = ( ) 。
求冷却数N通常采用精度较高的数值积分方法是Simpson方法[3]、 [4]。参照文献[7]我们可以借助计算机进行冷却塔热力计算。
1.3两类问题求解方法
冷却塔热力计算有两类问题，即新塔选型设计计算和对已有塔的校核计算。仔细分析这两类问题的算法发现，其计算内核都是求冷却数N。而算法的差别在于：新塔选用计算是在已知条件( , , , P)下，设定不同的气水比 ，重复调用求冷却数的程序，求出对应的N值，得出N~ 关系。再利用特性数 ~ 关系式(20)，求N= 时两曲线交点处的气水比 值，即可选定工程所需的冷却塔了。
冷却塔的校核计算是在已知条件 下设定不同的出水水温 ，重复调用求冷却数程序，求得对应的N值，得出 关系。由于 ，用式(20)可求出N，于是可以在 曲线上找到对应的需作验证的冷却塔出水水温 。本人根据文献[1]提供的算法，用Delphi7.0软件编制求解冷却塔两类问题的可视化应用程序。
下面我们给出了用Delphi7.0编制的对已有塔的校核计算的代码：
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
T1,T2,TS,P,U,L,S,K,x,Tj,X1,X2,n,bb,cc,min,mm,ww: Currency;
j,i,ii,iii,iiii:Integer;
aa:array[1..300] of Currency;
dd:array[1..300] of Currency;
function ps(var T: Currency): Currency;
begin
Tj:=T+273.15;
x:=33.590624-3142.305/Tj-8.2*log10(Tj)
+0.0024804*Tj ;
ps:=power(10,x)/1000 ;
end;
function hw(var TX: Currency): Currency;
begin
hw:=TX+(1555+1.14448*TX)*ps(TX)/(P-ps(TX));
end;
function h(var TY: Currency): Currency;
var
a1:Comp;
begin
a1:=4.1868*(TY-T2)/(K*U);
h:=hw(TS)+a1;
end;
function Y(var TZ: Currency): Currency;
var
a2,a3:Currency;
begin
a2:=hw(TZ)-h(TZ);
if a2=0 then
begin
Exit;
end
else
a3:=1/(hw(TZ)-h(TZ));
Y:=a3;
end;
begin
T1:=strtofloat(Edit1.Text);
TS:=strtofloat(Edit2.Text);
P:=strtofloat(Edit3.Text);
U:=strtofloat(Edit4.Text);
T2:=14;
for i:=1 to 300 do
begin
K:=1-T2/(586-0.56*(T2-20));
L:=(T1-T2)/8;
S:=(Y(T2)-Y(T1))/2 ;
FOR j:=1 to 8 do
begin
X1:=T2+(j-0.5)*L;
X2:=T2+j*L;
S:=S+2*Y(X1)+Y(X2);
end;
n:=4.1868*S*L/K/3;
aa[i]:=n ;
T2:=T2+0.1 ;
end;
cc:=-0.57;
bb:=1.78*power(U,cc);
bb:=0.7281;
for ii:=1 to 300 do
begin
dd[ii]:=abs(aa[ii]-bb);
end;
min:=dd[1];
for iii:=2 to 300 do
begin
if min > dd[iii] then
min:=dd[iii];
end;
for iiii:=1 to 300 do
begin
mm:=iiii;
if min= dd[iiii] then
break;
end;
ww:=14+mm*0.1-0.1;
Edit6.text:=floattostr(ww);
end;
新塔设计计算的代码与此类似，在这里不再列出。所编程序界面如下：
图1 冷却塔热力计算程序界面
2工程实例分析
我们分别对单独使用冷却塔吸收空气中热量和向空气中释放热量的工作情况进行测量，并针对测量的数据用可视化应用程序进行计算，可得出冷却塔进口水温、测量出口水温与计算出口水温几组数据。利用这些数据我们可以绘制出测量出口水温与计算出口水温的比较曲线图。从图中我们可以看出两条曲线非常接近。由此可见，我们所选用这种冷却塔热力模型所编制的计算程序是可以应用于冷却塔吸热及放热两种工作情况的实际工程上。
图2从空气吸热时冷却塔测量出口温度与计算出口温度随进口温度变化而变化的比较图
图3向空气放热时冷却塔测量出口温度与计算出口温度随进口温度变化而变化的比较图
3 结论
以上算法可以应用于现有工程的校核和新工程的设计选型。校核时，可根据测量的当地空气湿球温度、冷却塔进口温度，利
关键词 ：冷却塔，能效比，冷却数，气水比
0 引言
冷却塔的热力计算在我们进行工程设计选型及工程运行状况验证、检测中有着非常重要的意义。其热力计算的特点一是公式多且计算繁琐，二是在热力学基本方程中求冷却数的积分公式需采用数值积分算法求解，三是整个计算过程需要重复多次应用热力公式和数值运算，工作量相当大。鉴于以上几点, 应用微机作辅助计算是十分必要的。冷却塔热力计算的核心问题是计算冷却数[1]。抓住了这一关键, 各种热力计算的算法设计就迎刃而解了。
文献[2] 介绍了采用薄膜模型进行冷却塔热力计算，并推导出了冷却塔热力计算基本方程式。本文对冷却塔热力计算的两类问题，即设计计算和校核计算进行分析。采用Delphi7.0软件编制求解该两类问题的可视化应用程序。该程序可以很直观的进行冷却塔热力计算。
冷却塔在传统工程的中，主要是用于冷却系统的循环水。但在广西大学自主开发的土壤换热器与冷却塔并联混合型地源热泵系统中，有冷却塔从空气中吸收热量的工作情况。那么常用的冷却塔热力计算方法能否用于这种工作情况呢？本文将通过工程实例来验证所选的算法可以用于冷却塔向空气中散热及吸热两种工作情况。
1冷却塔热力计算
1.1热力计算基本方程式
根据文献[2]可知，空气与水表面之间的热质交换基本方程的推导是基于以下三个条件：第一、采用薄膜模型；第二、在空调范围内，空气与水表面之间的传质速率比较小，因此可以不考虑传质对传热的影响；第三、在空调范围内，认为路易斯关系成立，即Le=1。
根据以上基本条件，可以推导出逆流冷却塔热力计算的基本方程式：
（1）
式中： ——容积散质系数；V——冷却塔体积； ——冷却水量(m3/h)； ——水的比热； ——考虑蒸发水量的流量系数； ——进水水温； ——出水水温； ——水温； ——某一水温下的饱和空气焓； ——某一水温下的空气焓。
通常将右端项定义为冷却数：
（2）
N表征冷却任务的大小。又将式(17)左端定义为特性数：
（3）
它表示冷却塔具有的冷却能力。对不同的填料进行热力实验，发现特性数 与运行的气水比 可以采用下面的公式进行并联：
（4）
其中A和p为试验常数。
表1 几种冷却塔的特性数表达式
填料名称 特性数 的表达式
复合波
全梯波
双斜波
正弦波
台阶波
说明： 实验填料高度均为1m。当填料高度大于0.5m时，其高度对容积散质系数的影响很小。
1.2冷却塔热力计算的核心模块-------求冷却数
某一水温下的饱和空气焓和该水温下的空气焓： 、 均为水温 的函数，由以下各式计算：
（5）
(T= +273.15) （6）
（7）
式中： ——饱和的蒸汽压 (Pa)；P——当地大气压 (Pa)； ——空气进口处的空气焓，它相当于在湿球温度 时的饱和空气焓，即 = ( ) 。
求冷却数N通常采用精度较高的数值积分方法是Simpson方法[3]、 [4]。参照文献[7]我们可以借助计算机进行冷却塔热力计算。
1.3两类问题求解方法
冷却塔热力计算有两类问题，即新塔选型设计计算和对已有塔的校核计算。仔细分析这两类问题的算法发现，其计算内核都是求冷却数N。而算法的差别在于：新塔选用计算是在已知条件( , , , P)下，设定不同的气水比 ，重复调用求冷却数的程序，求出对应的N值，得出N~ 关系。再利用特性数 ~ 关系式(20)，求N= 时两曲线交点处的气水比 值，即可选定工程所需的冷却塔了。
冷却塔的校核计算是在已知条件 下设定不同的出水水温 ，重复调用求冷却数程序，求得对应的N值，得出 关系。由于 ，用式(20)可求出N，于是可以在 曲线上找到对应的需作验证的冷却塔出水水温 。本人根据文献[1]提供的算法，用Delphi7.0软件编制求解冷却塔两类问题的可视化应用程序。
下面我们给出了用Delphi7.0编制的对已有塔的校核计算的代码：
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
T1,T2,TS,P,U,L,S,K,x,Tj,X1,X2,n,bb,cc,min,mm,ww: Currency;
j,i,ii,iii,iiii:Integer;
aa:array[1..300] of Currency;
dd:array[1..300] of Currency;
function ps(var T: Currency): Currency;
begin
Tj:=T+273.15;
x:=33.590624-3142.305/Tj-8.2*log10(Tj)
+0.0024804*Tj ;
ps:=power(10,x)/1000 ;
end;
function hw(var TX: Currency): Currency;
begin
hw:=TX+(1555+1.14448*TX)*ps(TX)/(P-ps(TX));
end;
function h(var TY: Currency): Currency;
var
a1:Comp;
begin
a1:=4.1868*(TY-T2)/(K*U);
h:=hw(TS)+a1;
end;
function Y(var TZ: Currency): Currency;
var
a2,a3:Currency;
begin
a2:=hw(TZ)-h(TZ);
if a2=0 then
begin
Exit;
end
else
a3:=1/(hw(TZ)-h(TZ));
Y:=a3;
end;
begin
T1:=strtofloat(Edit1.Text);
TS:=strtofloat(Edit2.Text);
P:=strtofloat(Edit3.Text);
U:=strtofloat(Edit4.Text);
T2:=14;
for i:=1 to 300 do
begin
K:=1-T2/(586-0.56*(T2-20));
L:=(T1-T2)/8;
S:=(Y(T2)-Y(T1))/2 ;
FOR j:=1 to 8 do
begin
X1:=T2+(j-0.5)*L;
X2:=T2+j*L;
S:=S+2*Y(X1)+Y(X2);
end;
n:=4.1868*S*L/K/3;
aa[i]:=n ;
T2:=T2+0.1 ;
end;
cc:=-0.57;
bb:=1.78*power(U,cc);
bb:=0.7281;
for ii:=1 to 300 do
begin
dd[ii]:=abs(aa[ii]-bb);
end;
min:=dd[1];
for iii:=2 to 300 do
begin
if min > dd[iii] then
min:=dd[iii];
end;
for iiii:=1 to 300 do
begin
mm:=iiii;
if min= dd[iiii] then
break;
end;
ww:=14+mm*0.1-0.1;
Edit6.text:=floattostr(ww);
end;
新塔设计计算的代码与此类似，在这里不再列出。所编程序界面如下：
图1 冷却塔热力计算程序界面
2工程实例分析
我们分别对单独使用冷却塔吸收空气中热量和向空气中释放热量的工作情况进行测量，并针对测量的数据用可视化应用程序进行计算，可得出冷却塔进口水温、测量出口水温与计算出口水温几组数据。利用这些数据我们可以绘制出测量出口水温与计算出口水温的比较曲线图。从图中我们可以看出两条曲线非常接近。由此可见，我们所选用这种冷却塔热力模型所编制的计算程序是可以应用于冷却塔吸热及放热两种工作情况的实际工程上。
图2从空气吸热时冷却塔测量出口温度与计算出口温度随进口温度变化而变化的比较图
图3向空气放热时冷却塔测量出口温度与计算出口温度随进口温度变化而变化的比较图
3 结论
以上算法可以应用于现有工程的校核和新工程的设计选型。校核时，可根据测量的当地空气湿球温度、冷却塔进口温度，利
