高金城(中化工程滄州冷卻技術(shù)有限公司，河北 滄州 061000)

1 逆流冷卻塔冷卻機(jī)理

冷卻塔是循環(huán)水場核心設(shè)備，是通過空氣與水接觸，進(jìn)行熱、質(zhì)傳遞，將水冷卻的設(shè)備。按通風(fēng)方式分自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔和混合通風(fēng)冷卻塔；按水和空氣流動(dòng)方向分逆流式冷卻塔、橫流式冷卻塔和混流式冷卻塔。

2 冷卻塔計(jì)算

一般我們?cè)诶鋮s塔設(shè)計(jì)選型前，首先確定的條件是：氣象。參數(shù)：進(jìn)塔干球溫度：θ1，進(jìn)塔濕球溫度：τ1，進(jìn)塔空氣大氣壓：P。工藝條件：進(jìn)塔水溫：t1，出塔水溫：t2，單塔設(shè)計(jì)水量：Q。

我們所做的工作就是通過計(jì)算論證，最終確定合理的塔型能滿足以上條件，如圖1所示。

圖1 冷卻塔工藝計(jì)算過程

2.1 熱力計(jì)算

方程式左邊為冷卻數(shù)Ω：表示冷卻任務(wù)的大小，與氣象條件有關(guān)，而與冷卻塔的構(gòu)造無關(guān)；方程式右邊為冷卻塔的特性數(shù)Ω’：表示在一定淋水填料及塔型下冷卻塔所具有的冷卻能力，它與淋水填料的特性、構(gòu)造、幾何尺寸、冷卻水量有關(guān)。

一般采用simpson近似積分法對(duì)方程求解。冷卻塔的熱力計(jì)算，數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為求冷卻任務(wù)曲線Ω=f(θ1，τ1，P，t1，t2)(Condition曲線)和特定塔型熱力特性曲線Ω’=Aλm(Characteristic曲線)的交點(diǎn)，以確定冷卻塔的工作氣水比λc。

2.2 動(dòng)力計(jì)算

根據(jù)熱力計(jì)算確定了的氣水比λc，設(shè)定不同的進(jìn)塔風(fēng)量G1(風(fēng)速)，計(jì)算全塔的阻力H1，并將G1、H1換算到風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工況下(G0、H0)，與該風(fēng)量在標(biāo)準(zhǔn)工況下所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)全壓HF(由風(fēng)機(jī)特性曲線確定)比較，直至H0=HF，如果H0、HF無法相等，應(yīng)調(diào)整風(fēng)機(jī)葉角甚至風(fēng)機(jī)型號(hào)，或調(diào)整塔的結(jié)構(gòu)尺寸、填料形式高度等改變塔的阻力特性，以保證風(fēng)機(jī)工作的平衡點(diǎn)在高效區(qū)。

這一過程，數(shù)學(xué)形式上表現(xiàn)為求風(fēng)量—風(fēng)機(jī)全壓關(guān)系曲線(G0—HF關(guān)系曲線)與風(fēng)量—全塔阻力關(guān)系曲線(G0—H0關(guān)系曲線)的交點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算過程如下：

計(jì)算結(jié)果(風(fēng)機(jī)工作點(diǎn))如下：(1)在標(biāo)準(zhǔn)工況下：風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量G0，風(fēng)機(jī)工作全壓H0；(2)在實(shí)際工況下：進(jìn)塔空氣量G1，全塔阻力H1，風(fēng)機(jī)全壓Hfan= H1。

2.3 冷卻塔工作點(diǎn)參數(shù)

由上述熱力計(jì)算和空氣動(dòng)力計(jì)算可知冷卻塔的冷卻水量如下：

如果Q與設(shè)計(jì)水量不符，需對(duì)冷卻塔配置重新調(diào)整，直到符合設(shè)計(jì)水量為止。

2.4 配套電機(jī)功率核算

風(fēng)機(jī)軸功率Pt按下式計(jì)算：

式中：G為實(shí)際出塔空氣量，G=G2=G0(m3/h)；H′為風(fēng)機(jī)在實(shí)際工況下的全壓，H′=H1；ηt為風(fēng)機(jī)全壓效率。電動(dòng)機(jī)功率N按下式選用：

式中：K為功率儲(chǔ)備系數(shù)；ηc為風(fēng)機(jī)總機(jī)械效率。

3 冷卻塔配風(fēng)

多年來我國給排水工程技術(shù)人員習(xí)慣的做法是用填料的熱力特性乘以一個(gè)折減系數(shù)來作為塔的熱力特性的設(shè)計(jì)依據(jù)。往往忽略了在塔的熱力特性中塔體結(jié)構(gòu)(塔型)所起的決定作用。其實(shí)填料的熱力特性和塔的熱力特性完全是兩碼事，兩者不存在哪怕是近似的等量替代關(guān)系，實(shí)際上的情況是：

對(duì)于冷卻塔熱力特性來說，塔體結(jié)構(gòu)與配水、填料、填料下雨區(qū)相比，是占第一位的。

3.1 塔體結(jié)構(gòu)影響塔的性能好壞

塔體結(jié)構(gòu)是影響塔的性能好壞的第一因素。這是因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)計(jì)良好的冷卻塔促使進(jìn)塔空氣和熱水的最充分接觸，然而在實(shí)塔應(yīng)用中做不到這一點(diǎn)，因?yàn)檫M(jìn)塔風(fēng)量分有效風(fēng)量與無效風(fēng)量。怎么才能做到氣水的充分接觸呢？必須在塔體結(jié)構(gòu)上做文章。最大可能減少消耗于塔體不合理結(jié)構(gòu)的無效風(fēng)量，使之轉(zhuǎn)化為有效風(fēng)量。

3.2 逆流冷卻塔的阻力

實(shí)踐證明逆流塔中有些阻力是必要阻力，如進(jìn)風(fēng)口阻力、填料和噴水區(qū)阻力、除水區(qū)阻力。有的阻力是不必要阻力，如梁柱的阻力、托架的阻力。對(duì)這兩類阻力我們區(qū)分為有用阻力和無用阻力。克服有用阻力的進(jìn)塔風(fēng)我們叫有效風(fēng)量，克服無用阻力的進(jìn)塔風(fēng)我們叫無效風(fēng)量。無用阻力對(duì)進(jìn)塔風(fēng)產(chǎn)生的阻力特別是梁柱、托架對(duì)進(jìn)塔風(fēng)的障礙，使進(jìn)塔風(fēng)的相當(dāng)一部分(15%～30%左右)以渦流的形式被消耗，沒有參與熱交換，成為無效風(fēng)量，這就是給排水界所謂的丟風(fēng)現(xiàn)象。進(jìn)塔風(fēng)的70%～85%左右參與了熱交換而成為有效風(fēng)量。由于無用阻力太大，有效風(fēng)量太小是我國冷卻塔出力難以提高的根本原因。

有用阻力主要來自下淋水和填料，正是因?yàn)橛杏米枇Φ拇嬖诓攀癸L(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)顯的“沉緩”，使進(jìn)塔風(fēng)通過下淋水和填料段時(shí)有一定的滯留時(shí)間，與水進(jìn)行充分的熱交換。風(fēng)機(jī)克服有用阻力的過程，就是熱交換進(jìn)行的過程。因此有用阻力不能太小。太小了風(fēng)機(jī)會(huì)“發(fā)飄”，進(jìn)塔風(fēng)由于阻力太小滯留時(shí)間不足，穿塔而過，來不及與水進(jìn)行充分的熱交換，G很大，實(shí)際上冷卻數(shù)并不高。

4 冷卻塔配水

對(duì)逆流冷卻塔熱力特性的影響，如果說塔體結(jié)構(gòu)是第一位的，那么配水就占第二位。發(fā)達(dá)國家的冷卻塔專家，對(duì)冷卻塔的配水非常重視，他們把風(fēng)、水、填料三大要素總結(jié)為一句話“配水、配水、配水”，可見他們對(duì)配水重視到什么程度。

4.1 配水均勻

冷卻塔配水系統(tǒng)的作用是把熱水均勻?yàn)⒌秸麄€(gè)填料面積上。若淋灑不勻，從而使淋水密集部分通風(fēng)阻力增大，空氣流量減小，熱負(fù)荷集中，冷卻條件惡化，降低冷效；而在水量較小部分造成大量的氣流從阻力較小、熱負(fù)荷低的地方通過，使大量空氣未被充分利用而白白逸出塔外，降低了冷卻塔運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

逆流塔配水三原則：一是噴嘴必須實(shí)心噴灑，不能中空；二是管下梁下配水；三是配水系統(tǒng)最低位配水。逆流冷卻塔采用管式配水時(shí)，熱水通過水嘴噴出，熱水離開水嘴下落到填料頂面的空間稱噴淋室。一般說來，在冷卻塔噴淋室內(nèi)不允許有任何構(gòu)件存在。迄今為止，我國設(shè)計(jì)的噴嘴有相當(dāng)都是中空噴灑，“實(shí)心噴灑”與“中空噴灑”的區(qū)別是：(1)實(shí)心噴灑不存在“燈下黑”現(xiàn)象，中空噴灑存在；(2)實(shí)心噴灑為點(diǎn)滴噴灑，中空噴灑為水膜噴灑，水膜會(huì)對(duì)上升的熱氣流形成較大阻力；(3)中空噴灑的噴嘴噴射投影面圓心相切布置，或梅花，或方格，“務(wù)使噴出水滴相互交叉，布滿平面”，這里強(qiáng)調(diào)交叉。實(shí)心噴灑則不然，由于每個(gè)水嘴噴灑出的是滿布噴灑半徑圓面的均勻的水滴，因此就能在最小的噴灑交叉面甚至在接近噴灑邊界時(shí)即可保證布水均勻。所以實(shí)心噴灑時(shí)不強(qiáng)調(diào)噴嘴噴灑時(shí)投影面圓心相切布置，這時(shí)實(shí)心噴灑與中空噴灑的一個(gè)顯著區(qū)別。

4.2 合理的淋水密度

冷卻塔的結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻塔的淋水密度有著嚴(yán)格的限制，這一被國內(nèi)外冷卻塔的應(yīng)用實(shí)踐所證實(shí)。以下是我國相關(guān)規(guī)范對(duì)淋水密度的約定：

SH 3031—2013《石油化工逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》柱網(wǎng)布置，如表1所示。

表1 SH 3031—2013《石油化工逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》柱網(wǎng)布置

4.3 GB/T50392—2016《機(jī)械通風(fēng)冷卻塔工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定

逆流式冷卻塔的淋水密度和塔內(nèi)風(fēng)速宜按下列范圍取值。寒冷地區(qū)淋水密度宜取大值：(1)大中型冷卻塔：淋水密度宜為10～16m3/(m2·h)；塔內(nèi)風(fēng)速宜為2.0～2.5m/s；(2)小型冷卻塔：淋水密度宜為12～16m3/(m2·h)；塔內(nèi)風(fēng)速宜為2.0～2.5m/s。

隨著近幾年市場競爭的激烈加劇，個(gè)別冷卻塔供應(yīng)商為了達(dá)到自己中標(biāo)的目的，隨意突破臨界淋水密度，采取了一種違反科學(xué)的不負(fù)責(zé)任的態(tài)度，盡量縮小塔體尺寸，導(dǎo)致冷卻塔實(shí)際運(yùn)行中難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。淋水密度既是冷卻塔領(lǐng)域的常識(shí)，也是設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的指標(biāo)之一，與冷卻塔的建設(shè)投資密切相關(guān)，不可小覷。

5 結(jié)語

通過以上論述，在冷卻塔設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)盡量建立合理的塔型，具體要做到如下幾點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)合理。塔體結(jié)構(gòu)在安全可靠前提下，應(yīng)滿足配風(fēng)均勻、流場優(yōu)化的要求，阻風(fēng)面積要小，對(duì)氣流擾動(dòng)要小，渦流紊流少，應(yīng)確保冷卻塔具備良好的空氣動(dòng)力特性，降低風(fēng)機(jī)能耗；(2)配水均勻。應(yīng)選擇布置合理、內(nèi)壁光滑、沿程損失小、不中空、不堵塞的下噴濺自動(dòng)穩(wěn)壓管式配水系統(tǒng)，確保全塔各處水量分布均勻均衡；(3)采用高效部件。應(yīng)選擇高性能的淋水填料、噴頭、收水器、風(fēng)筒，構(gòu)成高效率的水氣熱交換系統(tǒng)，保證冷卻塔具備良好的熱工性能。