逆流机力通风冷却塔设计选型的探讨

高金城(中化工程沧州冷却技术有限公司，河北 沧州 061000)

1 逆流冷却塔冷却机理

冷却塔是循环水场核心设备，是通过空气与水接触，进行热、质传递，将水冷却的设备。按通风方式分自然通风冷却塔、机械通风冷却塔和混合通风冷却塔；按水和空气流动方向分逆流式冷却塔、横流式冷却塔和混流式冷却塔。

2 冷却塔计算

一般我们在冷却塔设计选型前，首先确定的条件是：气象。参数：进塔干球温度：θ1，进塔湿球温度：τ1，进塔空气大气压：P。工艺条件：进塔水温：t1，出塔水温：t2，单塔设计水量：Q。

我们所做的工作就是通过计算论证，最终确定合理的塔型能满足以上条件，如图1所示。

图1 冷却塔工艺计算过程

2.1 热力计算

方程式左边为冷却数Ω：表示冷却任务的大小，与气象条件有关，而与冷却塔的构造无关；方程式右边为冷却塔的特性数Ω’：表示在一定淋水填料及塔型下冷却塔所具有的冷却能力，它与淋水填料的特性、构造、几何尺寸、冷却水量有关。

一般采用simpson近似积分法对方程求解。冷却塔的热力计算，数学上表现为求冷却任务曲线Ω=f(θ1，τ1，P，t1，t2)(Condition曲线)和特定塔型热力特性曲线Ω’=Aλm(Characteristic曲线)的交点，以确定冷却塔的工作气水比λc。

2.2 动力计算

根据热力计算确定了的气水比λc，设定不同的进塔风量G1(风速)，计算全塔的阻力H1，并将G1、H1换算到风机的标准工况下(G0、H0)，与该风量在标准工况下所对应的风机全压HF(由风机特性曲线确定)比较，直至H0=HF，如果H0、HF无法相等，应调整风机叶角甚至风机型号，或调整塔的结构尺寸、填料形式高度等改变塔的阻力特性，以保证风机工作的平衡点在高效区。

这一过程，数学形式上表现为求风量—风机全压关系曲线(G0—HF关系曲线)与风量—全塔阻力关系曲线(G0—H0关系曲线)的交点。

计算机软件计算过程如下：

计算结果(风机工作点)如下：(1)在标准工况下：风机工作风量G0，风机工作全压H0；(2)在实际工况下：进塔空气量G1，全塔阻力H1，风机全压Hfan= H1。

2.3 冷却塔工作点参数

由上述热力计算和空气动力计算可知冷却塔的冷却水量如下：

如果Q与设计水量不符，需对冷却塔配置重新调整，直到符合设计水量为止。

2.4 配套电机功率核算

风机轴功率Pt按下式计算：

式中：G为实际出塔空气量，G=G2=G0(m3/h)；H′为风机在实际工况下的全压，H′=H1；ηt为风机全压效率。电动机功率N按下式选用：

式中：K为功率储备系数；ηc为风机总机械效率。

3 冷却塔配风

多年来我国给排水工程技术人员习惯的做法是用填料的热力特性乘以一个折减系数来作为塔的热力特性的设计依据。往往忽略了在塔的热力特性中塔体结构(塔型)所起的决定作用。其实填料的热力特性和塔的热力特性完全是两码事，两者不存在哪怕是近似的等量替代关系，实际上的情况是：

对于冷却塔热力特性来说，塔体结构与配水、填料、填料下雨区相比，是占第一位的。

3.1 塔体结构影响塔的性能好坏

塔体结构是影响塔的性能好坏的第一因素。这是因为一个设计良好的冷却塔促使进塔空气和热水的最充分接触，然而在实塔应用中做不到这一点，因为进塔风量分有效风量与无效风量。怎么才能做到气水的充分接触呢？必须在塔体结构上做文章。最大可能减少消耗于塔体不合理结构的无效风量，使之转化为有效风量。

3.2 逆流冷却塔的阻力

实践证明逆流塔中有些阻力是必要阻力，如进风口阻力、填料和喷水区阻力、除水区阻力。有的阻力是不必要阻力，如梁柱的阻力、托架的阻力。对这两类阻力我们区分为有用阻力和无用阻力。克服有用阻力的进塔风我们叫有效风量，克服无用阻力的进塔风我们叫无效风量。无用阻力对进塔风产生的阻力特别是梁柱、托架对进塔风的障碍，使进塔风的相当一部分(15%～30%左右)以涡流的形式被消耗，没有参与热交换，成为无效风量，这就是给排水界所谓的丢风现象。进塔风的70%～85%左右参与了热交换而成为有效风量。由于无用阻力太大，有效风量太小是我国冷却塔出力难以提高的根本原因。

有用阻力主要来自下淋水和填料，正是因为有用阻力的存在才使风机的运转显的“沉缓”，使进塔风通过下淋水和填料段时有一定的滞留时间，与水进行充分的热交换。风机克服有用阻力的过程，就是热交换进行的过程。因此有用阻力不能太小。太小了风机会“发飘”，进塔风由于阻力太小滞留时间不足，穿塔而过，来不及与水进行充分的热交换，G很大，实际上冷却数并不高。

4 冷却塔配水

对逆流冷却塔热力特性的影响，如果说塔体结构是第一位的，那么配水就占第二位。发达国家的冷却塔专家，对冷却塔的配水非常重视，他们把风、水、填料三大要素总结为一句话“配水、配水、配水”，可见他们对配水重视到什么程度。

4.1 配水均匀

冷却塔配水系统的作用是把热水均匀洒到整个填料面积上。若淋洒不匀，从而使淋水密集部分通风阻力增大，空气流量减小，热负荷集中，冷却条件恶化，降低冷效；而在水量较小部分造成大量的气流从阻力较小、热负荷低的地方通过，使大量空气未被充分利用而白白逸出塔外，降低了冷却塔运行的经济性。

逆流塔配水三原则：一是喷嘴必须实心喷洒，不能中空；二是管下梁下配水；三是配水系统最低位配水。逆流冷却塔采用管式配水时，热水通过水嘴喷出，热水离开水嘴下落到填料顶面的空间称喷淋室。一般说来，在冷却塔喷淋室内不允许有任何构件存在。迄今为止，我国设计的喷嘴有相当都是中空喷洒，“实心喷洒”与“中空喷洒”的区别是：(1)实心喷洒不存在“灯下黑”现象，中空喷洒存在；(2)实心喷洒为点滴喷洒，中空喷洒为水膜喷洒，水膜会对上升的热气流形成较大阻力；(3)中空喷洒的喷嘴喷射投影面圆心相切布置，或梅花，或方格，“务使喷出水滴相互交叉，布满平面”，这里强调交叉。实心喷洒则不然，由于每个水嘴喷洒出的是满布喷洒半径圆面的均匀的水滴，因此就能在最小的喷洒交叉面甚至在接近喷洒边界时即可保证布水均匀。所以实心喷洒时不强调喷嘴喷洒时投影面圆心相切布置，这时实心喷洒与中空喷洒的一个显著区别。

4.2 合理的淋水密度

冷却塔的结构对冷却塔的淋水密度有着严格的限制，这一被国内外冷却塔的应用实践所证实。以下是我国相关规范对淋水密度的约定：

SH 3031—2013《石油化工逆流式机械通风冷却塔结构设计规范》柱网布置，如表1所示。

表1 SH 3031—2013《石油化工逆流式机械通风冷却塔结构设计规范》柱网布置

4.3 GB/T50392—2016《机械通风冷却塔工艺设计规范》中的规定

逆流式冷却塔的淋水密度和塔内风速宜按下列范围取值。寒冷地区淋水密度宜取大值：(1)大中型冷却塔：淋水密度宜为10～16m3/(m2·h)；塔内风速宜为2.0～2.5m/s；(2)小型冷却塔：淋水密度宜为12～16m3/(m2·h)；塔内风速宜为2.0～2.5m/s。

随着近几年市场竞争的激烈加剧，个别冷却塔供应商为了达到自己中标的目的，随意突破临界淋水密度，采取了一种违反科学的不负责任的态度，尽量缩小塔体尺寸，导致冷却塔实际运行中难以达到设计要求。淋水密度既是冷却塔领域的常识，也是设计时非常重要的指标之一，与冷却塔的建设投资密切相关，不可小觑。

5 结语

通过以上论述，在冷却塔设计选型时，应尽量建立合理的塔型，具体要做到如下几点：(1)结构合理。塔体结构在安全可靠前提下，应满足配风均匀、流场优化的要求，阻风面积要小，对气流扰动要小，涡流紊流少，应确保冷却塔具备良好的空气动力特性，降低风机能耗；(2)配水均匀。应选择布置合理、内壁光滑、沿程损失小、不中空、不堵塞的下喷溅自动稳压管式配水系统，确保全塔各处水量分布均匀均衡；(3)采用高效部件。应选择高性能的淋水填料、喷头、收水器、风筒，构成高效率的水气热交换系统，保证冷却塔具备良好的热工性能。