逆流機力通風冷卻塔設計選型的探討

高金城(中化工程滄州冷卻技術有限公司，河北 滄州 061000)

1 逆流冷卻塔冷卻機理

冷卻塔是循環水場核心設備，是通過空氣與水接觸，進行熱、質傳遞，將水冷卻的設備。按通風方式分自然通風冷卻塔、機械通風冷卻塔和混合通風冷卻塔；按水和空氣流動方向分逆流式冷卻塔、橫流式冷卻塔和混流式冷卻塔。

2 冷卻塔計算

一般我們在冷卻塔設計選型前，首先確定的條件是：氣象。參數：進塔干球溫度：θ1，進塔濕球溫度：τ1，進塔空氣大氣壓：P。工藝條件：進塔水溫：t1，出塔水溫：t2，單塔設計水量：Q。

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

圖1 冷卻塔工藝計算過程

2.1 熱力計算

方程式左邊為冷卻數Ω：表示冷卻任務的大小，與氣象條件有關，而與冷卻塔的構造無關；方程式右邊為冷卻塔的特性數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、構造、幾何尺寸、冷卻水量有關。

一般采用simpson近似積分法對方程求解。冷卻塔的熱力計算，數學上表現為求冷卻任務曲線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，以確定冷卻塔的工作氣水比λc。

2.2 動力計算

根據熱力計算確定了的氣水比λc，設定不同的進塔風量G1(風速)，計算全塔的阻力H1，并將G1、H1換算到風機的標準工況下(G0、H0)，與該風量在標準工況下所對應的風機全壓HF(由風機特性曲線確定)比較，直至H0=HF，如果H0、HF無法相等，應調整風機葉角甚至風機型號，或調整塔的結構尺寸、填料形式高度等改變塔的阻力特性，以保證風機工作的平衡點在高效區。

這一過程，數學形式上表現為求風量—風機全壓關系曲線(G0—HF關系曲線)與風量—全塔阻力關系曲線(G0—H0關系曲線)的交點。

計算機軟件計算過程如下：

計算結果(風機工作點)如下：(1)在標準工況下：風機工作風量G0，風機工作全壓H0；(2)在實際工況下：進塔空氣量G1，全塔阻力H1，風機全壓Hfan= H1。

2.3 冷卻塔工作點參數

由上述熱力計算和空氣動力計算可知冷卻塔的冷卻水量如下：

如果Q與設計水量不符，需對冷卻塔配置重新調整，直到符合設計水量為止。

2.4 配套電機功率核算

風機軸功率Pt按下式計算：

式中：G為實際出塔空氣量，G=G2=G0(m3/h)；H′為風機在實際工況下的全壓，H′=H1；ηt為風機全壓效率。電動機功率N按下式選用：

式中：K為功率儲備系數；ηc為風機總機械效率。

3 冷卻塔配風

多年來我國給排水工程技術人員習慣的做法是用填料的熱力特性乘以一個折減系數來作為塔的熱力特性的設計依據。往往忽略了在塔的熱力特性中塔體結構(塔型)所起的決定作用。其實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系，實際上的情況是：

對于冷卻塔熱力特性來說，塔體結構與配水、填料、填料下雨區相比，是占第一位的。

3.1 塔體結構影響塔的性能好壞

塔體結構是影響塔的性能好壞的第一因素。這是因為一個設計良好的冷卻塔促使進塔空氣和熱水的最充分接觸，然而在實塔應用中做不到這一點，因為進塔風量分有效風量與無效風量。怎么才能做到氣水的充分接觸呢？必須在塔體結構上做文章。最大可能減少消耗于塔體不合理結構的無效風量，使之轉化為有效風量。

3.2 逆流冷卻塔的阻力

實踐證明逆流塔中有些阻力是必要阻力，如進風口阻力、填料和噴水區阻力、除水區阻力。有的阻力是不必要阻力，如梁柱的阻力、托架的阻力。對這兩類阻力我們區分為有用阻力和無用阻力。克服有用阻力的進塔風我們叫有效風量，克服無用阻力的進塔風我們叫無效風量。無用阻力對進塔風產生的阻力特別是梁柱、托架對進塔風的障礙，使進塔風的相當一部分(15%～30%左右)以渦流的形式被消耗，沒有參與熱交換，成為無效風量，這就是給排水界所謂的丟風現象。進塔風的70%～85%左右參與了熱交換而成為有效風量。由于無用阻力太大，有效風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，正是因為有用阻力的存在才使風機的運轉顯的“沉緩”，使進塔風通過下淋水和填料段時有一定的滯留時間，與水進行充分的熱交換。風機克服有用阻力的過程，就是熱交換進行的過程。因此有用阻力不能太小。太小了風機會“發飄”，進塔風由于阻力太小滯留時間不足，穿塔而過，來不及與水進行充分的熱交換，G很大，實際上冷卻數并不高。

4 冷卻塔配水

對逆流冷卻塔熱力特性的影響，如果說塔體結構是第一位的，那么配水就占第二位。發達國家的冷卻塔專家，對冷卻塔的配水非常重視，他們把風、水、填料三大要素總結為一句話“配水、配水、配水”，可見他們對配水重視到什么程度。

4.1 配水均勻

冷卻塔配水系統的作用是把熱水均勻灑到整個填料面積上。若淋灑不勻，從而使淋水密集部分通風阻力增大，空氣流量減小，熱負荷集中，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，降低了冷卻塔運行的經濟性。

逆流塔配水三原則：一是噴嘴必須實心噴灑，不能中空；二是管下梁下配水；三是配水系統最低位配水。逆流冷卻塔采用管式配水時，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，在冷卻塔噴淋室內不允許有任何構件存在。迄今為止，我國設計的噴嘴有相當都是中空噴灑，“實心噴灑”與“中空噴灑”的區別是：(1)實心噴灑不存在“燈下黑”現象，中空噴灑存在；(2)實心噴灑為點滴噴灑，中空噴灑為水膜噴灑，水膜會對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，“務使噴出水滴相互交叉，布滿平面”，這里強調交叉。實心噴灑則不然，由于每個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即可保證布水均勻。所以實心噴灑時不強調噴嘴噴灑時投影面圓心相切布置，這時實心噴灑與中空噴灑的一個顯著區別。

4.2 合理的淋水密度

冷卻塔的結構對冷卻塔的淋水密度有著嚴格的限制，這一被國內外冷卻塔的應用實踐所證實。以下是我國相關規范對淋水密度的約定：

SH 3031—2013《石油化工逆流式機械通風冷卻塔結構設計規范》柱網布置，如表1所示。

表1 SH 3031—2013《石油化工逆流式機械通風冷卻塔結構設計規范》柱網布置

4.3 GB/T50392—2016《機械通風冷卻塔工藝設計規范》中的規定

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

隨著近幾年市場競爭的激烈加劇，個別冷卻塔供應商為了達到自己中標的目的，隨意突破臨界淋水密度，采取了一種違反科學的不負責任的態度，盡量縮小塔體尺寸，導致冷卻塔實際運行中難以達到設計要求。淋水密度既是冷卻塔領域的常識，也是設計時非常重要的指標之一，與冷卻塔的建設投資密切相關，不可小覷。

5 結語

通過以上論述，在冷卻塔設計選型時，應盡量建立合理的塔型，具體要做到如下幾點：(1)結構合理。塔體結構在安全可靠前提下，應滿足配風均勻、流場優化的要求，阻風面積要小，對氣流擾動要小，渦流紊流少，應確保冷卻塔具備良好的空氣動力特性，降低風機能耗；(2)配水均勻。應選擇布置合理、內壁光滑、沿程損失小、不中空、不堵塞的下噴濺自動穩壓管式配水系統，確保全塔各處水量分布均勻均衡；(3)采用高效部件。應選擇高性能的淋水填料、噴頭、收水器、風筒，構成高效率的水氣熱交換系統，保證冷卻塔具備良好的熱工性能。