关于逆流式机械通风冷却塔的几点探讨

韩卫国
洛阳石化工程公司给排水专业，洛阳 471003

　　摘　要：逆流式机械通风冷却塔在理论计算的概念、计算公式方面存在一些模糊之处。本文在计算概念公式方面；塔芯材料运用性方面；在完善塔型研究方面存在的问题进行了探讨并提出改进设想。
　　关键词：冷却塔；热力；阻力；计算
　　中图分类号：TU991．42
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009－2455（2000)02－0039-03

　　冷却塔是循环冷却水系统必不可少的构筑物，其设计开发也建立起了较为完善的理论体系、积累了丰富的试验和运行经验。但是，在实际设计过程中，往往由于人们理解和认识的差异而使冷却塔在运行中达不到预期效果。本文试从以下几个方面分析造成这种状况的原因。

1 正确理解冷却塔计算理论的概念

　　冷却塔的计算包括热力计算和空气动力计算。
1．1 热力计算
　　热力计算通常使用焓差法或经验法。根据淋水装置的散热过程和湿空气的吸热过程，建立热平衡方程，可推导出特性数方程和冷却数（交换数）方程，求得冷却数和气水比。
　　冷却数方程可利用Simpson积分法计算，其气水比对应于空气，即λ干；而特性数方程是填料试验结果，试验资料一般不明确人所对应空气状态，分析认为，填料试验得到的特性系数方程N＝Aλm中的人是对应进塔湿空气而言，可见，两公式中的气水比的含意不同。建议在实验资料整理时使用λ千或利用修正公式把 N＝Mλm中气水比转化为人λ干。
　　修正公式：N＝A（λ干／λ湿）mλm
1．2 阻力计算
　　冷却塔阻力应包括沿程阻力和局部阻力。阻力计算往往忽略沿程阻力而只考虑局部阻力。
　　局部阻力是气流变化引起负压造成的比较集中的能量损失。目前一般采用同型塔实测的总阻力系数或利用各部件阻力叠加的方法来进行阻力计算。采用叠加法计算时，存在一些模糊之处。
1．2．1 导风装置阻力系数计算
　　　　　　　　ζ₂=（0．1+0．025q）L
　　依法求出的阻力为气流水平方向穿过雨区的阻力，不包括垂向流动的阻力；有些计算仅把L当作导风板长度，认为当不设导风板时L＝0、ζ2=0。
1.2.2 风筒阻力计算
　　风筒扩散段阻力在风机全压中占有较大比例，而对其计算的认识差别较大。笔者认为宜按《中小型冷却塔设计与计算》进行计算，即：
　　　　ζ₁₀=（1+δ）ζp
　　δ——风筒内速度分布不均匀影响的修正系数；
　　ζp——由风筒结构尺寸决定的阻力系数；
　　但是，在计算过程中还存在三个问题：
　　①占取值问题：一般可按图1查出。有些计算误把横坐标中的 L／D。当作0.2、0.4、0.6、0.8、1.0来查δ值，例某计算L／D0＝0.46时，取δ=0．25；某￠8．0m风机冷却塔设计计算中：L／D0=0.6，δ=0．2。

　　②ζp取值问题：大部分参考资料介绍查表法，并在例题中给出厂ζp值；但是，数据表中L／D0≥1，而一般设计L／D0＜1，根本无法直接查出ζp来。
　　③ζ10对应风速问题：《给水排水设计手册》第四册扩散段阻力是按风机风筒出口速度来考虑的；
　　《给水工程》(下册)扩散段阻力仅考虑了风机风筒出口动压而未考虑风筒内阻力；
　　《冷却塔》按风机风筒喉部风速及理想扩散管阻力来考虑；
　　《中小型冷却塔设计与计算》指出扩散段阻力系数是“由风机出口收缩部分气流速度决定的阻力系数”，不过，其例题中风筒为直出口型。
　　解决上述三个问题的办法是：首先，可将δ－L/D₀曲线回归成方程式：δ＝0.5-L/(20D₀)。其次，参考流体力学，扩散段阻力是由风机出口收缩部分气流速度决定的。第三，可采用下列方法确定ζp值、计算扩散段阻力：
　　① 图解法：笔者参考一些资料并根据实践经验，对不同扩散角α作阻力曲线分析发现：当(20＜1时，一定扩散角范围内，ζ_p随扩散角α的增大而缩小，且ζ_p≤1.0。
　　例题　某塔：(20＝0.5，Ｄ0＝9.21 m，α＝14.92°?V₀＝12.0 m／s，V₁＝9.38 m/s。
　　查图：ζ_p＝0.65
　　δ＝0.5－L／(20D₀)＝0.475
　　ζ₁₀＝(1＋δ)ζ_p＝0.9587
　　则扩散段阻力：
　　△h／γ＝ζ₁₀V₀²／2ｇ＝7.04 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　② 公式法：
　　ζ_p＝ζ_扩＋ζ_出
　　ζ_出＝(F_喉／F_出)²ζ_扩＝λ{[1-(F_喉-F_出)²]+K[(F_喉／F_出)-1]²}/8(sinα/2)
　　式中Ｋ为渐扩缓冲系数，查表计算得：
　　按上例条件计算：
　　ζ_出＝0.61127?ζ_扩＝0.0278?ζ_p＝ζ_扩＋ζ_出＝0.64
　　ζ₁₀＝(1＋δ)?　ζ_p＝0.944
　　则扩散段阻力：
　　△h／γ＝ζ₁₀V₀²＝6.93 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　③ 分算法：所谓分算法即分别计算风筒局部阻力和风筒出口动压，并进行风筒内风速分布不均匀调整。仍以上例计算说明：
风筒局部阻力：即渐扩引起的阻力：
　　其中：ζ₁＝0.03328
　　△h₁／γ＝ζ₁V0²／2g＝0.244 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　风筒出口动压损失：
　　△h₂／γ＝V₁²／2g＝4.486 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　风筒扩散段总压损失：
　　△h／γ＝(△h₁／γ＋△h₂／γ)(1＋δ)＝6.98 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　由以上计算可以看出，三种方法的最终结果基本相同，所以，在计算过程中应正确理解理论概念和计算方法的每一细节，才能保证计算结果的正确。

2　塔芯材料存在的问题

2.1　填料
　　国内大部分填料是为自然通风冷却塔而开发的，与机械通风冷却塔相比，存在着塔内风速、淋水密度等使用条件上的差异，大大限制了机械通风冷却塔潜力的发挥。
2.1.1　使用条件与试验条件的不一致
　　使用条件与试验条件存在一定差别（参见表1），虽然设计计算时进行了一定的折减，但这些折减系数仅能满足自然通风冷却塔因使用条件与试验条件不同所造成的误差；而不一定满足机械通风冷却塔。例：T25－60°PVC梯形淋水填料?H＝1500mm，其阻力特性方程为：

表1 填料试验工况比较 项目 标准工况 试验工况 类别 大气压/kPa 100 96-98 　 干球温度/℃ 33 29-34 　 湿球温度/℃ 28 23-27 　 进塔水温/℃ 42 40-43 　 出塔水温/℃ 32 26-36 　 淋水密度/（m³.m^-2.h^-1) 12-15 6-14 机械塔 　 6-8 　 自然塔 塔内风速/（m.s^-1) 2-3 0.8-2.5 机械塔 　 0.8-1.2 　 自然塔

　　△h／γ＝V_cp^m＝4.486　(mmH₂O／(kg／m³))
　　其中：A＝0.00133q²＋0.00713q＋0.82502
　　m＝0.00461q²＋0.05654q＋2.09412
　　当风速和淋水密度增大到某值后，阻力出现下降，这说明已超出了公式的适用范围?试验报告取值q≤12m³／(m²·h)?，
υ≤2.0m／s，试验与实际使用误差偏大。因此，有必要开发逆流式机械通风冷却塔专用填料，并宜模拟标准工况条件来进行性能试验。
2.1.2　逆流式机械通风冷却塔专用填料的设想
　　逆流式机械通风冷却塔填料应为大比表面积、高热低阻、适应高淋水密度和大风速。
　　现就T25－60⁰－1500和35×15×60⁰－1200作以说明，见表2。

表2 T25-60°-1500和35×15×60°-1200 项目 T25-60°-1500 35×15×60°-1200 试验性能方程 N=2.2λ^0.5 N=2.44λ^0.37 标准工况下气水比 λ=0.7925 λ=0.72 填料阻力/ △h/r=7.61 △h/γ=3.7(V=2,q=16) （mmH₂O/(kg/m³) (V=2.5,1=12) △h/γ=4.3(V=2.5,q=16) 　 　 △h/γ=5.0(V=3,q=16)

　　对比可知，仅考虑高风速、大淋水密度时35×15×60⁰－1200比T25－60⁰－1500更适合于逆流式机械通风冷却塔。因此，开发大比表面积，提高热力性能是完全可能的。
2.2　其它塔芯材料
　　弧形收水器、反射型喷头等都是为自然通风冷却塔开发的，用于逆流式机械通风冷却塔存在着收水效率和通风阻力不理想、中空、底盘易脱落、不耐高压冲击等缺点。近两年虽然出现了一些新的型号，但都只是为解决某一单一缺点而进行的改进，还不是最全面、最完善的。

3　塔型研究

　　塔型研究最多的是进风口与冷却塔各种部件的关系。斜结构塔、阶梯形填料安装、吊装填料安装等都是为优化进风口气流流线而采取的措施，以达到塔内压力均衡。
　　水科院通过塔型试验研究认为F₁/F_cp＝0.5为宜；上海建筑工业设计院试验提出F₁/F_cp＝0.58～0.64；《中小型冷却塔设计与计算》则推荐F₁/F_cp＝0.35～0.45。三组数据的差异笔者认为是由于试验气象条件和模拟塔塔型不同引起的，也与设不设导风装置等有密切关系。
　　首先，上述数据是试验结果的一种量化，由于我国南北地区气象条件相差较大，若均按此比例关系显然是不太合理的；Marly公司曾引入了压力比的概念，实质上是通过填料等塔芯材料的整流作用来考虑进风的，与其塔型有密切关系，缺乏一定的直观性、普遍性.笔者认为以风速的概念来衡量更为合理直观，可引入“涡流指数”的概念并建立数学关系式：
　　σ＝F_涡／F_cp＝βｖ^m
　　式中：σ—涡流指数，反映填料层低风速区的相对多少?％
　　　　　υ—进风口水平方向平均风速m／s；
　　　　　β—塔型影响综合系数，试验值（包括填料安装高度、型式，钢筋混凝土柱、梁宽度等）（无量纲）；
　　　　　m—试验值（无量纲）。
　　针对不同的塔型，通过试验或测试可得到β、m值，求得不同风速对应的σ值，求得不同风速对应的σ值。当σ≤10～15时，可不设导风板；30≥σ＞15时，应设导风板；当σ＞30时，说明进风口面积不合理，即使设导风板也难保证冷却塔的性能。
　　另一方面，设导风板时进风口高度的取值宜通过比较来确定，保证设导风板后总阻力降量大于进风口高度降低而引起的总阻力增量。
　　对某型号塔在一定气象条件时进行总阻力曲线分析结果如图2。

　　由图可以看出：
　　F₁/F_cp＝0.35～0.45时，设导风板后总阻力降量大于进风口面积Ｆ1缩小而引起的总阻力增量，F₁/F_cp＝0.45时二者之差接近最大；F₁/F_cp≥0.45后该差值逐渐变小至零、甚至为负值，即设导风板的作用逐渐变小、甚至不如不设。
　　此外，实测同型塔（F₁/F_cp＝0.5且无导风板）进风口方向填料顶面出现16％～22％的低风速区。
　　因此只有通过整塔实验，尤其利用同型塔实测结果分析流场分布，建立合理的塔型，使气水热交换接近理想限度，才能提高冷却塔的处理能力。
　　文中观点不足之处欢迎业内同行批评指正。

参考文献：
　?1?赵振国.冷却塔[M].北京：水利电力出版社，1997.
　?2?王大哲.冷却塔计算中的符号名称及单位[J].化工给水排水设计，1997，(3)：36－38.
　?3?韩玲，潘椿.逆流式机械通风冷却塔空气动力计算及通风机选用计算探讨[J].化工给水排水设计，1997，(3)：39－47.

作者简介：
　　韩卫国?(1970－)，男，1993年毕业于西安冶金建筑学院，给排水专业工程师