韓衛(wèi)國
洛陽石化工程公司給排水專業(yè)，洛陽 471003

　　摘　要：逆流式機械通風(fēng)冷卻塔在理論計算的概念、計算公式方面存在一些模糊之處。本文在計算概念公式方面；塔芯材料運用性方面；在完善塔型研究方面存在的問題進行了探討并提出改進設(shè)想。
　　關(guān)鍵詞：冷卻塔；熱力；阻力；計算
　　中圖分類號：TU991．42
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009－2455（2000)02－0039-03

　　冷卻塔是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)必不可少的構(gòu)筑物，其設(shè)計開發(fā)也建立起了較為完善的理論體系、積累了豐富的試驗和運行經(jīng)驗。但是，在實際設(shè)計過程中，往往由于人們理解和認識的差異而使冷卻塔在運行中達不到預(yù)期效果。本文試從以下幾個方面分析造成這種狀況的原因。

1 正確理解冷卻塔計算理論的概念

　　冷卻塔的計算包括熱力計算和空氣動力計算。
1．1 熱力計算
　　熱力計算通常使用焓差法或經(jīng)驗法。根據(jù)淋水裝置的散熱過程和濕空氣的吸熱過程，建立熱平衡方程，可推導(dǎo)出特性數(shù)方程和冷卻數(shù)（交換數(shù)）方程，求得冷卻數(shù)和氣水比。
　　冷卻數(shù)方程可利用Simpson積分法計算，其氣水比對應(yīng)于空氣，即λ干；而特性數(shù)方程是填料試驗結(jié)果，試驗資料一般不明確人所對應(yīng)空氣狀態(tài)，分析認為，填料試驗得到的特性系數(shù)方程N＝Aλm中的人是對應(yīng)進塔濕空氣而言，可見，兩公式中的氣水比的含意不同。建議在實驗資料整理時使用λ千或利用修正公式把 N＝Mλm中氣水比轉(zhuǎn)化為人λ干。
　　修正公式：N＝A（λ干／λ濕）mλm
1．2 阻力計算
　　冷卻塔阻力應(yīng)包括沿程阻力和局部阻力。阻力計算往往忽略沿程阻力而只考慮局部阻力。
　　局部阻力是氣流變化引起負壓造成的比較集中的能量損失。目前一般采用同型塔實測的總阻力系數(shù)或利用各部件阻力疊加的方法來進行阻力計算。采用疊加法計算時，存在一些模糊之處。
1．2．1 導(dǎo)風(fēng)裝置阻力系數(shù)計算
　　　　　　　　ζ₂=（0．1+0．025q）L
　　依法求出的阻力為氣流水平方向穿過雨區(qū)的阻力，不包括垂向流動的阻力；有些計算僅把L當作導(dǎo)風(fēng)板長度，認為當不設(shè)導(dǎo)風(fēng)板時L＝0、ζ2=0。
1.2.2 風(fēng)筒阻力計算
　　風(fēng)筒擴散段阻力在風(fēng)機全壓中占有較大比例，而對其計算的認識差別較大。筆者認為宜按《中小型冷卻塔設(shè)計與計算》進行計算，即：
　　　　ζ₁₀=（1+δ）ζp
　　δ——風(fēng)筒內(nèi)速度分布不均勻影響的修正系數(shù)；
　　ζp——由風(fēng)筒結(jié)構(gòu)尺寸決定的阻力系數(shù)；
　　但是，在計算過程中還存在三個問題：
　　①占取值問題：一般可按圖1查出。有些計算誤把橫坐標中的 L／D。當作0.2、0.4、0.6、0.8、1.0來查δ值，例某計算L／D0＝0.46時，取δ=0．25；某￠8．0m風(fēng)機冷卻塔設(shè)計計算中：L／D0=0.6，δ=0．2。

　　②ζp取值問題：大部分參考資料介紹查表法，并在例題中給出廠ζp值；但是，數(shù)據(jù)表中L／D0≥1，而一般設(shè)計L／D0＜1，根本無法直接查出ζp來。
　　③ζ10對應(yīng)風(fēng)速問題：《給水排水設(shè)計手冊》第四冊擴散段阻力是按風(fēng)機風(fēng)筒出口速度來考慮的；
　　《給水工程》(下冊)擴散段阻力僅考慮了風(fēng)機風(fēng)筒出口動壓而未考慮風(fēng)筒內(nèi)阻力；
　　《冷卻塔》按風(fēng)機風(fēng)筒喉部風(fēng)速及理想擴散管阻力來考慮；
　　《中小型冷卻塔設(shè)計與計算》指出擴散段阻力系數(shù)是“由風(fēng)機出口收縮部分氣流速度決定的阻力系數(shù)”，不過，其例題中風(fēng)筒為直出口型。
　　解決上述三個問題的辦法是：首先，可將δ－L/D₀曲線回歸成方程式：δ＝0.5-L/(20D₀)。其次，參考流體力學(xué)，擴散段阻力是由風(fēng)機出口收縮部分氣流速度決定的。第三，可采用下列方法確定ζp值、計算擴散段阻力：
　　① 圖解法：筆者參考一些資料并根據(jù)實踐經(jīng)驗，對不同擴散角α作阻力曲線分析發(fā)現(xiàn)：當(20＜1時，一定擴散角范圍內(nèi)，ζ_p隨擴散角α的增大而縮小，且ζ_p≤1.0。
　　例題　某塔：(20＝0.5，Ｄ0＝9.21 m，α＝14.92°?V₀＝12.0 m／s，V₁＝9.38 m/s。
　　查圖：ζ_p＝0.65
　　δ＝0.5－L／(20D₀)＝0.475
　　ζ₁₀＝(1＋δ)ζ_p＝0.9587
　　則擴散段阻力：
　　△h／γ＝ζ₁₀V₀²／2ｇ＝7.04 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　② 公式法：
　　ζ_p＝ζ_擴＋ζ_出
　　ζ_出＝(F_喉／F_出)²ζ_擴＝λ{[1-(F_喉-F_出)²]+K[(F_喉／F_出)-1]²}/8(sinα/2)
　　式中Ｋ為漸擴緩沖系數(shù)，查表計算得：
　　按上例條件計算：
　　ζ_出＝0.61127?ζ_擴＝0.0278?ζ_p＝ζ_擴＋ζ_出＝0.64
　　ζ₁₀＝(1＋δ)?　ζ_p＝0.944
　　則擴散段阻力：
　　△h／γ＝ζ₁₀V₀²＝6.93 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　③ 分算法：所謂分算法即分別計算風(fēng)筒局部阻力和風(fēng)筒出口動壓，并進行風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速分布不均勻調(diào)整。仍以上例計算說明：
風(fēng)筒局部阻力：即漸擴引起的阻力：
　　其中：ζ₁＝0.03328
　　△h₁／γ＝ζ₁V0²／2g＝0.244 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　風(fēng)筒出口動壓損失：
　　△h₂／γ＝V₁²／2g＝4.486 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　風(fēng)筒擴散段總壓損失：
　　△h／γ＝(△h₁／γ＋△h₂／γ)(1＋δ)＝6.98 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　由以上計算可以看出，三種方法的最終結(jié)果基本相同，所以，在計算過程中應(yīng)正確理解理論概念和計算方法的每一細節(jié)，才能保證計算結(jié)果的正確。

2　塔芯材料存在的問題

2.1　填料
　　國內(nèi)大部分填料是為自然通風(fēng)冷卻塔而開發(fā)的，與機械通風(fēng)冷卻塔相比，存在著塔內(nèi)風(fēng)速、淋水密度等使用條件上的差異，大大限制了機械通風(fēng)冷卻塔潛力的發(fā)揮。
2.1.1　使用條件與試驗條件的不一致
　　使用條件與試驗條件存在一定差別（參見表1），雖然設(shè)計計算時進行了一定的折減，但這些折減系數(shù)僅能滿足自然通風(fēng)冷卻塔因使用條件與試驗條件不同所造成的誤差；而不一定滿足機械通風(fēng)冷卻塔。例：T25－60°PVC梯形淋水填料?H＝1500mm，其阻力特性方程為：

表1 填料試驗工況比較 項目 標準工況 試驗工況 類別 大氣壓/kPa 100 96-98 　 干球溫度/℃ 33 29-34 　 濕球溫度/℃ 28 23-27 　 進塔水溫/℃ 42 40-43 　 出塔水溫/℃ 32 26-36 　 淋水密度/（m³.m^-2.h^-1) 12-15 6-14 機械塔 　 6-8 　 自然塔 塔內(nèi)風(fēng)速/（m.s^-1) 2-3 0.8-2.5 機械塔 　 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
　　當風(fēng)速和淋水密度增大到某值后，阻力出現(xiàn)下降，這說明已超出了公式的適用范圍?試驗報告取值q≤12m³／(m²·h)?，
υ≤2.0m／s，試驗與實際使用誤差偏大。因此，有必要開發(fā)逆流式機械通風(fēng)冷卻塔專用填料，并宜模擬標準工況條件來進行性能試驗。
2.1.2　逆流式機械通風(fēng)冷卻塔專用填料的設(shè)想
　　逆流式機械通風(fēng)冷卻塔填料應(yīng)為大比表面積、高熱低阻、適應(yīng)高淋水密度和大風(fēng)速。
　　現(xiàn)就T25－60⁰－1500和35×15×60⁰－1200作以說明，見表2。

表2 T25-60°-1500和35×15×60°-1200 項目 T25-60°-1500 35×15×60°-1200 試驗性能方程 N=2.2λ^0.5 N=2.44λ^0.37 標準工況下氣水比 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)

　　對比可知，僅考慮高風(fēng)速、大淋水密度時35×15×60⁰－1200比T25－60⁰－1500更適合于逆流式機械通風(fēng)冷卻塔。因此，開發(fā)大比表面積，提高熱力性能是完全可能的。
2.2　其它塔芯材料
　　弧形收水器、反射型噴頭等都是為自然通風(fēng)冷卻塔開發(fā)的，用于逆流式機械通風(fēng)冷卻塔存在著收水效率和通風(fēng)阻力不理想、中空、底盤易脫落、不耐高壓沖擊等缺點。近兩年雖然出現(xiàn)了一些新的型號，但都只是為解決某一單一缺點而進行的改進，還不是最全面、最完善的。

3　塔型研究

　　塔型研究最多的是進風(fēng)口與冷卻塔各種部件的關(guān)系。斜結(jié)構(gòu)塔、階梯形填料安裝、吊裝填料安裝等都是為優(yōu)化進風(fēng)口氣流流線而采取的措施，以達到塔內(nèi)壓力均衡。
　　水科院通過塔型試驗研究認為F₁/F_cp＝0.5為宜；上海建筑工業(yè)設(shè)計院試驗提出F₁/F_cp＝0.58～0.64；《中小型冷卻塔設(shè)計與計算》則推薦F₁/F_cp＝0.35～0.45。三組數(shù)據(jù)的差異筆者認為是由于試驗氣象條件和模擬塔塔型不同引起的，也與設(shè)不設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置等有密切關(guān)系。
　　首先，上述數(shù)據(jù)是試驗結(jié)果的一種量化，由于我國南北地區(qū)氣象條件相差較大，若均按此比例關(guān)系顯然是不太合理的；Marly公司曾引入了壓力比的概念，實質(zhì)上是通過填料等塔芯材料的整流作用來考慮進風(fēng)的，與其塔型有密切關(guān)系，缺乏一定的直觀性、普遍性.筆者認為以風(fēng)速的概念來衡量更為合理直觀，可引入“渦流指數(shù)”的概念并建立數(shù)學(xué)關(guān)系式：
　　σ＝F_渦／F_cp＝βｖ^m
　　式中：σ—渦流指數(shù)，反映填料層低風(fēng)速區(qū)的相對多少?％
　　　　　υ—進風(fēng)口水平方向平均風(fēng)速m／s；
　　　　　β—塔型影響綜合系數(shù)，試驗值（包括填料安裝高度、型式，鋼筋混凝土柱、梁寬度等）（無量綱）；
　　　　　m—試驗值（無量綱）。
　　針對不同的塔型，通過試驗或測試可得到β、m值，求得不同風(fēng)速對應(yīng)的σ值，求得不同風(fēng)速對應(yīng)的σ值。當σ≤10～15時，可不設(shè)導(dǎo)風(fēng)板；30≥σ＞15時，應(yīng)設(shè)導(dǎo)風(fēng)板；當σ＞30時，說明進風(fēng)口面積不合理，即使設(shè)導(dǎo)風(fēng)板也難保證冷卻塔的性能。
　　另一方面，設(shè)導(dǎo)風(fēng)板時進風(fēng)口高度的取值宜通過比較來確定，保證設(shè)導(dǎo)風(fēng)板后總阻力降量大于進風(fēng)口高度降低而引起的總阻力增量。
　　對某型號塔在一定氣象條件時進行總阻力曲線分析結(jié)果如圖2。

　　由圖可以看出：
　　F₁/F_cp＝0.35～0.45時，設(shè)導(dǎo)風(fēng)板后總阻力降量大于進風(fēng)口面積Ｆ1縮小而引起的總阻力增量，F(xiàn)₁/F_cp＝0.45時二者之差接近最大；F₁/F_cp≥0.45后該差值逐漸變小至零、甚至為負值，即設(shè)導(dǎo)風(fēng)板的作用逐漸變小、甚至不如不設(shè)。
　　此外，實測同型塔（F₁/F_cp＝0.5且無導(dǎo)風(fēng)板）進風(fēng)口方向填料頂面出現(xiàn)16％～22％的低風(fēng)速區(qū)。
　　因此只有通過整塔實驗，尤其利用同型塔實測結(jié)果分析流場分布，建立合理的塔型，使氣水熱交換接近理想限度，才能提高冷卻塔的處理能力。
　　文中觀點不足之處歡迎業(yè)內(nèi)同行批評指正。

參考文獻：
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　?2?王大哲.冷卻塔計算中的符號名稱及單位[J].化工給水排水設(shè)計，1997，(3)：36－38.
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作者簡介：
　　韓衛(wèi)國?(1970－)，男，1993年畢業(yè)于西安冶金建筑學(xué)院，給排水專業(yè)工程師