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冷却塔设计计算的基础资料(总)

发布日期:2017-01-20   点击数: 828

冷却水量

冷却水量Q 是设计的主要资料之一和设计的主要对象,决定冷却塔塔体的大小,因此应尽可能地统计准确。按要求,一般为±5 %,但多数是留有适当余地,以适应水量增加的需要。

冷却水温(Δt )

进冷却塔的热水温度为t 1 ,经冷却后的出塔水温为t 2 ,则水的冷却温度Δt =t 1 -t 2 。Δt 的大小决定于塔的形式和大小、采用的通风方式和填料等。应由生产工艺根据水所冷却的设备和产品的特性,经热工计算后确定。最重要的是确定生产工艺过程的最佳温度t 0和冷却塔出水温度t 2 ,如果t 0 确定后,选择较低的t 2 值,则可使热交换设备尺寸减小,而使冷却塔尺寸增大;如果增大t 2 值或t 2 值不变,增大t 0 -t 2 值,则使t 0 值升高,对生产或产品造成不利影响。

气象参数

1. 干球温度θ(℃)。

2. 湿球温度τ(℃)或相对湿度 。

3. 大气压力P (m m H g 或atm )。

4. 风速(m/s)、风向。

5. 冬季最低气温。

空气干、湿球温度是冷却塔热力计算的主要依据之一,各地的气象参数不同(却θ与τ不同)。故按不同的地方(区)冷却塔设计采用的θ和τ也不同。相同的是:θ与τ均以近期连续不少于5 年,每年最热时间的3 个月频率为5 %~10 %的昼夜平均θ与τ作为依据。


冷却塔淋水填料的试验与运行资料

主要是淋水填料的热力特性和阻力特性,以便按经验公式(或图表)计算容积散质系

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这些计算公式及符号在前几章中已详细阐述,这里不重述。

冷却塔设计计算内容


冷却塔的设计计算内容应包括热力计算、配水系统水力计算、通风阻力计算及塔体结构计算等。由于塔体结构(主要是钢结构)专门由搞结构工程技术人员设计计算,故这里不进行讨论。以下进行分别论述。

热力计算

冷却塔热力计算的任务

1. 已知水负荷和热负荷,在特定的气象条件下,根据冷却要求,确定冷却塔的淋水面积及所需要的淋水装置的冷却表面积或一定结构的淋水装置容积。

2. 已知冷却塔的各项条件,验收在给定的水负荷、热负荷及气象条件下,冷却后水的温度或淋水密度。

热力计算的基本方法

热力计算分为理论计算法和经验计算法两种。理论计算法按冷却过程方程式求解,方法有:近似积分法、梯形近似积分法、抛物线积分法和平均焓差法。主要是近似积分法和平均焓差法。如第6 章所述,这两种热力计算方法已作了较为详细的论述,包括横流塔的平均焓差法热力计算方程,并附有热力计算实例。在水温差Δt < 15 ℃时,可采用平均焓差法计算,当Δt ≥ 15 ℃时,为满足精度,可采用近似积分法计算。

理论计算法中的热力学基本方程式及干、湿空气焓、热量系数K 等计算公式,在第5 、6 章中已进行了详细论述,这里不再重述。

经验计算方法是根据实际的试验资料,主要是各种淋水装置(填料)的热力特性和阻力特性,编制成经验冷却曲线及公式进行计算,亦在第5 、6 章中已论述。

理论计算与经验计算的过程和计算公式的应用,本章中将结合设计计算例子展开。

通风阻力计算

通风阻力计算的目的是根据设计风量和风压,以确定风筒内高度或选用适当的风机。

在冷却塔的工作条件下,风机的通风量决定于冷却塔的全部空气动力阻力,而这一阻力等于风机的全风压。风机的工作点可用风机的特性曲线与冷却塔的空气动力阻力性能曲线的交点来表示。

通风阻力计算的方法有:按经验公式计算和采用同型塔实测数据计算。

经验公式

经验法是将塔内各部件进行单独计算阻力,各部件阻力之和为全塔总阻力,在此计算中没有考虑各部件之间的相互影响。但实际上,塔内各部件紧密相关,互有影响,因此必然会造成计算上的误差,使计算的总阻力往往偏小,按这样计算结果选用风机,在实际运行中,风量往往达不到设计要求。在新塔设计时,应尽可能采用相似同型塔的实测总阻力系数或进行专门的模型试验以求得较精确的数据来进行新塔的空气动力设计。

经验公式通风阻力计算分机械通风冷却塔和风筒式(自然通风)冷却塔,后者关系不密切,故这里主要讨论机械通风冷却塔的阻力计算。

1. 通风阻力 机械通风冷却塔内通风总阻力等于塔内各部件阻力的总和。

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式中 hi ———各部件的气流阻力(kg/m2 或mm H2O );

ξi ———各部件的阻力系数;

W i ———气流通过冷却塔各部件的风速(m/s );

γm ———冷却塔内湿空气的平均密度(kg/m3 ),γm =0.98γ1 ;

γ1 ———进入冷却塔的空气密度(kg/m3 );

g ———重力加速度(9.81m/s2 )。

m m H 2 O 与压力之间的关系为:1 个工程大气压=1kg/cm2 =10000kg/m2 ,压力的单位常可用水柱或水银柱高度表示,10m H2O 高度=1个工程大气压=1kg/cm2 或1m m H2O=1kg/m2 。则1 个大气压=760m m H g =10000 ×760/735.5 =10333kg/m2 =1.0333 kg/cm2 =1.0333 工程大气压。则通风的总阻力用压力表示为:

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式中符号同式(7-1 )。

机械通风冷却塔各部件的局部阻力系数ξi 的计算公式如下:

塔进风口阻力系数:ξ1 =0155 。

导风装置:

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式中 q ———淋水密度(m3/(m2 ·h ));

l ———导风装置长度(m )。

淋水填料处气流转弯:

ξ3 =0.5 淋水填料支撑梁的阻力系数:

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式中 F0 ———淋水填料中气流通过的有效面积(m2 );

F5 ———气流通过的淋水填料支撑梁处净通流面积(m2 );

淋水填料进口突然收缩:

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式中 F1 ———淋水填料的截面积,等于塔体内横截面积(m2 );

淋水填料:

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式中 ξ0 ———单位高度淋水填料阻力系数;

kq ———系数,查“各种淋水填料阻力系数ξ的试验数据表(给水排水设计手册4 ,附表3 );

h1 ———淋水填料高度(m ),一般采用试验资料(已包括进口突然收缩和出口突然放大的阻力);

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风机进风口渐缩管形,按不同进口条件计算,见图7-2 中(a )、(b )、(c )三种条件。锥形收缩的阻力系数ξ10 可查表7-1 :塔顶圆弧收缩与风筒相接ξ10 可查表7-2 ;塔体与风筒圆弧光滑曲线连续阻力系数按下式(7-10 )计算:

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水填料支架的阻力系数。

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(4 )公式(7-10 )适用于塔体与风筒圆弧光滑曲线连接(多用于玻璃钢冷却塔),当塔顶圆弧收缩与风筒相接时,可通过查表7-1、 7-2 得ξ10。

2. 冷却塔的风速

冷却塔中的风速是影响冷却塔设计的主要因素之一。风速过大,虽然可增加热交换强度,但相应增大了通风阻力。风速与阻力应进行统一考虑与平衡,使之达到较好的技术和经济效果。

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机械通风冷却塔的风速,可由下式(7-13 )计算确定。

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式中 G——空气量(m3/h ),由风机特性曲线高效区查得;

Fi ——气流通过冷却塔各部件的截面积(m2 )。

在未确定通风机型号时,通过冷却塔填料内的风速一般为:

喷水式或点滴为:1.3~2.0m/s ;

薄膜式为:2.0~3.0m/s 。

采用同类塔的经验数据

实践表明,采用经验公式计算有一定误差,而采用圆形冷却塔的实测总阻力系数则较为合理。但只有当新设计的冷却塔的结构与实际使用的冷却塔近似时,采用实测数据作为参考才有一定精度。若干冷却塔的实测数据见表7-4 ,可供参考。通风阻力公式为:

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式中 ξ——总阻力系数;

其余符号同前。

【例】求机械抽风逆流式冷却塔的空气动力阻力。已知条件以下:

冷却塔面积F 1 =8 ×8 =64m2 ,采用斜波交错淋水填料,填料高度1.5m ;

淋水密度q =10m3/(m2· h );

湿空气平均密度γm =1.15kg/m3 ;

导风装置长度L =4m (取1/2 塔的长度);

进风口断面面积Fz =32m2 ;

配水装置中气流通过有效截面面积F3 =51.4m2 ;

除水器中气流通过有效截面面积F2 =40.7m2 ;

风筒收缩后截面积F4 =17.35m2 ;

风机为03-11NO47 型;

空气(风)量G =120m3/s。

【解】计算的通风阻力见表7-5 。

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通风机的选择

1. 使用工况(温度、大气压、介质表观密度)

当在非标准状态时,风机所产生的风压、风量和轴功率等均应按表7-6 中的公式换算。

7-6 式(7-16 )~式(7-20 )的符号为:

G——空气流量(m3/h );

H——全压(mmH2O);

N——轴功率(k W );

n——转数(r/min );

t ——温度(℃);

P ——大气压力(mmHg );

γ——表观密度(kg/m3 )。

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2. 电动机的轴功率。

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式中 G——空气流量(m3/h );

H——全压(mm H2O );

η——全压效率;

ηs ——机械效率,电机直接驱动ηs =1 ;

联轴器驱动ηs =0.98 ;

三角皮带传动ηs =0.95 ;

K——电机表观密度安全系数,0.5k W 以下K =1.5;

0.5~1.0k W ,K =1.4 ;

1~ 2k W,K =1.3;

2~5k W ,K =1.2 ;

75k W 以上,K =1.15。

3. 选择风机注意要点:

1 )根据空气性质,工作环境条件(如易燃、易爆、腐蚀性气与水、潮湿等),选取不同性质符合要求的风机,如防腐蚀可选用玻璃钢风机。

2 )根据所需的风量、风压(包括系统中的阻力特性)确定风机的类型、性能曲线及特征数据,选用所需要的风机。

3 )选择风机时,如系统连接不够严密,会造成漏风,或阻力计算不够严密,则计算空气量必须考虑安全系数,一般取5 %~10 %。

4 )工程中对噪声有一定要求的,应选用低噪声风机。 (5 )在满足设计风量的前提下,尽可能选用重量轻、转速低、耐水滴冲刷、安装角度调幅大等的风机。

配水系统

管式配水

1. 固定式管式配水

1 )配水管起始断面的流速一般不大于1~1.5m/s,配水系统水流总阻力不宜大于0.5m 。

2 )尽可能利用支管使配水管连通成环网。环形布置配水管道水压较均衡,配水均匀性相对较好。

3 )配水干管的末端必要时应设排污及放空管。

4 )喷嘴应选用结构合理、流量系数大、喷溅均匀和不易堵塞的形式。喷嘴的布置和工作压力,除应满足淋水填料的配水要求外,并应考虑尽量减少壁流并降低循环水泵的供水水头。喷嘴的规格及性能见表7-7 。每个喷嘴的出水量可按下式计算:

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式中 H——喷嘴前水压(m );

Au——流量系数,见表7-7 。

单旋流直流式、双旋流直流式、反射式、靶式、固定溅水碟等喷嘴前水压一般宜采用4~7m 。尽可能避免槽式配水,因配水槽占用冷却塔断面积较大,则不仅阻力大,而且使塔内气流不均匀。

单旋流直流式喷嘴布水均匀,中空现象少,这种喷嘴现有产品有4 种规格,见表7-8 ,流量特性见图7-5 。 反射型喷嘴基本型号有反射Ⅰ 型、反射Ⅱ 型和反射Ⅲ 型。Ⅰ 型主要用于横流式冷却塔池式配水,也可用于逆流式冷却塔管式配水。Ⅱ 型主要用于逆流式冷却塔槽式和管式配水。反射Ⅰ 型和Ⅱ 型喷嘴流量及水压特性见图7-6 ,这两种喷嘴布水均匀性较好,安装方便,要求水压低。这种形式喷嘴的喷口与溅水碟距离加长后有反射Ⅰ-1 型、反射Ⅱ-1 型两种喷嘴,其喷嘴流量及水压特性曲线见图7-7 。

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反射Ⅰ-1 型、反射Ⅱ-1 型喷嘴流量特性式为:

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式中 ——喷嘴出口直径(m m );

H——喷嘴出口截面水深(m )。

该喷嘴流量特性也可由图7-7 查得。

靶式喷嘴造型工艺较简单,水力特性也较差,在靶下直径近200 mm 处中空无水,其水力特性见图7-8 。套管 22 靶式喷嘴水力特性见图7-9 。固定溅水碟式喷嘴有大喷嘴( 28、 30、 32 mm )和小喷嘴( 20、 22、 24 mm )两种。大喷嘴套管较短、管径较大,适用于高水压管式配水;小喷嘴套管较长,管径较小,适用于低水压及槽式配水。

这种喷嘴的水力特性为:

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2. 旋转式管式配水

1 )计算步骤:

1 )根据配水流量和假定开孔(或缝)的孔径和孔距计算孔口前水压。

2 )计算水平推力和旋转力矩。

3 )计算配水管末端(最大)线速度和旋转速度。

旋转配水管系统由接管(连接进水管及安装轴承)、轴承(承受配水器全部重量,由轴承箱和两个锥形轴承及盖板组成)、密封箱(用以连接配水器旋转部件与固定部件的密封作用)和配水管组成。冷却水通过进水管引入接管内,流入配水管,然后通过配水管上的缝隙形成水帘或经配水管的管嘴形成股流,喷在溅水板上或水帘,洒于冷却塔内填料上。

2 )计算:

1 )旋转管布水孔口前的水压力H :

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3 )为使整个冷却塔断面上获得均匀配水,旋转管上的配水孔一般可用不等间距开孔布置,越接近于旋转管末端,孔眼间距越小,也可以采用不同宽度的斜长条形喷水口。目的是使旋转布水器的转速和孔口设计在塔的整个填料断面上形成均匀连续的配水。转速过低,对配水的均匀性不利,而转速过高,水滴会向四周飞溅,造成壁流,影响冷却效果。配水管根数,小塔一般为4~6 根,大塔为6~12 根,为偶数组合。 (4 )配水器的转速也可通过旋转配水管上出水孔的角度进行调节。

5 )在圆形逆流式玻璃钢冷却塔中,有在旋转布水器水管上加装溅水板,溅水板的作用为:

1 )使配水管喷水成片状均匀分布。

2 )收集部分喷溅在淋水填料面上的水滴。 加溅水板后,所需水压比不加溅水板约大3 倍左右。就是说,在相同水压力作用下,加溅水板后,配水器的转速降低了。

6 )旋转布水方式多用于逆流式小型圆塔,由于喷口口径较小,应注意采用措施以预防阻塞。

槽式配水

配水槽计算一般按照流速确定水槽断面,计算槽中水力坡度。

1. 水槽流速 主水槽起始断面流速为0.8m/s 左右,槽内流速一般为0.8~1.2m/s ;配水槽起始断面流速0.5m/s 左右,槽内流速一般为0.5~0.8m/s 。

2. 水槽尺寸

1 )当进入冷却塔的流量为设计流量时,配水槽内的水深应大于溅水喷嘴内径的6倍,且不得小于0.15m 。 (2 )当进入冷却塔的流量为60 %设计水量时,配水槽内的水深应大于0.05m 。

3 )在可能出现超过设计水量的情况下(一般按110 %设计水量计),配水槽不应产生溢流。在设计水量时,槽壁超高不应小于0.10m 。

4 )配水槽的断面净宽不应小于0.12m 。

5 )为施工方便计,主水槽和配水槽底均宜水平设置。

水槽连接处应圆滑,水流转弯角应合理。一般不大于90°。按上述流速确定的水槽断面,运行中水槽的水位差一般仅为0.05m 左右,靠水面坡降可正常运行。

3. 水力坡度

槽内阻力损失

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池式配水

1. 池式配水应符合以下要求:

1 )池内水流平稳,在设计水量时,配水池内的水深应大于溅水喷嘴内径或配水底孔直径的6 倍,且不得小于0.15m 。

2 )池壁超高不宜小于0.1m ,在可能出现的超过设计水量情况下(一般按110 %设计水量)不会产生溢流。

3 )池底宜水平设置,池顶宜设盖板或采取防止光照下滋长菌藻的措施。

2. 通过孔口或喷嘴的流量计算

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3. 配水池的孔口数:

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式中 Q——配水量(m3/h )。

在中小型横流式冷却塔中多采用孔板配水系统。孔板配水系统的关键是合理地选择布水孔孔径和池中有稳定的水位,一般在配水池中设有稳压箱保持孔板上有稳定水面。要使配水均匀,最好孔数多些;但孔数过多,孔径过小则热变形影响大、容易堵塞和加工麻烦。

设计计算举例

冷却塔符号说明(名称及单位)

这里列出的符号是按习惯形成和长期延用的统一符号。实际上符号是人为定的,不同的名称可用各种符号来代替,但为便于识别和运用,尽可能予以统一。常用的有关冷却塔设计计算的符号与名称大致如下:

t 1——进冷却塔水温(℃);

t 2——出冷却塔水温(℃);

Δt——进、出冷却塔水温差(℃),即Δt =t 1 -t 2 ;

t m——平均水温(℃),t m =(t 1 -t 2 )/2 ;

T——绝对温度(城),T =273 +ti ;

θ——空气干球温度(℃);

τ——空气湿球温度(℃);

t 2 –τ——冷幅高(℃),此值越小,冷却效率越高;

θ1 ——进冷却塔空气的干球温度(℃);

θ2 ——出冷却塔空气的干球温度(℃);

τ1 ——进冷却塔空气的湿球温度(℃);

τ2 ——出冷却塔空气的湿球温度(℃);

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P a——大气压力(m m H g ),P a =P g +P q ;

P g——空气中干空气的分压力(kg/cm2 ,或m m H g );

P q——空气中水蒸气的分压力(kg/cm2 ,或m m H g );

P ″τ1——进冷却塔空气温度为湿球温度τ1 时饱和空气中水蒸气分压力(kg/cm2 ,或m m H g ); P ″θ1——进冷却塔空气温度为干球温度θ1 时饱和空气中水蒸气分压力(kg/cm2 ,或m m H g ); P ″——饱和空气中水蒸气分压力(kg/cm2 ,或m m H g );

P ″t1——空气为进冷却塔水温t 1 时饱和水蒸气分压力(kg/cm2 ,或m m H g );

P ″t2——空气为出冷却塔水温t 2 时饱和水蒸气分压力(kg/cm2 ,或m m H g );

P ″tm——平均水温时饱和水蒸气压力(kg/cm2 ,或m m H g );

Q——冷却塔冷却水量(m3/h 或kg/h );

q——冷却塔淋水密度(m3/(m2· h ));

G ——进冷却塔的空气量,即风量(m3/h 或kg/h );

g ——进冷却塔空气重量速度(kg/(m2·h )或kg/(m2 ·s ));

有时表示重力加速度(m/s2 );

V——外界风速风向(m/s);

i 1 ——进塔空气的焓(kcal/kg );

i 2 ——出塔空气的焓(kcal/kg );

i m ——平均温度时空气的焓(kcal/kg );

i″1 ——空气温度为进塔水温t 1 时的饱和空气焓(kcal/kg );

i″2 ——空气温度为出塔水温t 2 时的饱和空气焓(kcal/kg );

i″m ——空气温度为进、出塔水温的平均温度t m 时的饱和空气焓(kcal/kg );

γg——空气的密度(比重)(kg/m3 );

γ——水的汽化热(kcal/kg );

λ——气、水比(无量纲);

K——蒸发水量带走的热量系数(无量纲);

βxv ——以焓差为基准的容积散质系数(kg/(m 3·h ));

V m——塔内平均风速(m/s);

Z ——淋水填料装置高度(m );

Z g ——淋水填料装置尾部高度(m );

F——冷却塔内断面积(m2 );

V——淋水填料装置有效容积(m3 ):(注:有时表示水流或气流速度,m/s);

N (或Ω )——以温度进行积分的交换数(无量纲);

Σhi——空气总阻力(mmH2O);

hi ——进塔空气各部分的阻力(mmH2O);

D N——水管子内径(m m );

L——管子长度(m );

n——有时表示转速(r/min );

有时表示根数;有时表示孔眼数;

ηi——表示电机、风机、传动装置等效率(%);

ξi——流体(水或空气)有关阻力系数。

还有其他一些符号,这里不作陈述。

100T/h 机械通风玻璃钢冷却塔设计计算

1. 设计的主要参数 设计的气象参数按上海频率为5 %的昼夜平均干、 湿球温度作为依据。

干球温度:θ=31.5 ℃;

湿球温度:τ=28 ℃;

大气压力:P a =753m m H g ;

进塔水温:t 1 =37 ℃;

出塔水温:t 2 =32 ℃;

进、出塔水温差:Δt =5 ℃,为标准型低温塔;

冷却水量:Q =100m3/h ;

噪声:≤ 62dB (A 声级);

冷幅高:t 2 -τ=32 ℃-28 ℃=4 ℃;

冷却热负荷:冷却1kg 水降低1 ℃水温,放出1kcal 热量(即空气吸收1kcal 热量),则100m3/h 水降低5 ℃放出的热量总量为5 ×105kcal/h ,就是说提供的风量(空气量)G应吸收5 ×105kcal/h 热量。 2. 热力计算:

1 )计算相对湿度:

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式中可见:知道风量G 可求气水比λ 值,或知道λ值可求G 值。在冷却塔测试中,风量G 是实测得到的,故可直接求得λ值;在冷却塔设计中,空气与水的重量比λ值,对于t 1 -t 2 =Δt =5 ℃的低温塔来,一般λ在0.5~0.9 之间,常规、常温(低温)冷却塔根据设计经验为0.70 左右。λ值也常用下式计算:

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βxv 的物理意义在第4 章中已阐述,表示单位容积淋水填料(V )在单位焓差(Δi m )的推动力作用下所能散发的热量。在冷却塔其他因素不变的条件下,βxv 越大,冷却塔散热能力越大,塔的体积可小;或者塔的体积不变,则冷却水量可增加。

我国设计的冷却塔,其βxv 值一般均≥ 10000kg/(m3 ·h ),少数接近于10000kg/(m3 ·h )。日本设计的塔,βxv 值较小,仅要求βxv > 8000kg/(m3· h )。因此,严格来说,日本的标准和要求比我国低。这里计算所得的βxv =12841kg/(m3·h )偏高,此塔的热力性能是较好的。

在一定的淋水填料和塔形条件下,冷却塔本身具有的冷却能力,称为冷却塔的特性数,常用N′(或Ω′)表示。在冷却塔设计中,还应计算冷却塔本身具有的特性数,来校核是否满足理论计算值的要求。

N′(或Ω′)=βxv ·V /Q

它与淋水填料的特性、几何尺寸、散热性能以及气水比等有关。特性数N′(或Ω′)越大,则塔的性能越好。冷却塔热力性能的计算,就是要使生产上要求的冷却任务N(或Ω)与设计的冷却塔的冷却能力N′(Ω′ )相等,即为:

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此式中的βxv 值并不是前述的计算所得,是与含湿量差有关的淋水填料的容积散质系数表达式,国内外均采用下式计算:

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按此式计算所得的βxv 值再代入N′ =βxv ·V /Q 中。

式中 g——空气流量密度(kg/(m3 ·h ));

q——淋水密度(kg/(m2·h ));

A、m、n——试验常数,不同填料其值不同。

淋水填料试验所得的特性数为:

N′(Ω′)=A′·λ m A′、m——不同填料所得的试验常数。

采用塑料斜波交错(简称“斜交错”)淋水填料,规格为55 ×1215 ×60°-1000 型,其试验所得参(常)数为: A′=1.55、m =0.47、气水比λ=017 代入得: N′(Ω′)=1.55 ×0.700.47 =1.31 则N′=1.31 > N =1.0322 ,实际的交换数大于设计计算的交换数,故是安全的,能保证设计所要求的冷却效果。 Q =100000kg、V =0.785 ×D2 ×H =0.785 ×3.22 ×1 =8m3 。则:

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=16385kg/(m3 ·h )> 设计计算值12841kg/(m3·h )

上述计算结果,冷却塔本身具有的冷却能力远大于设计值,故是安全和符合要求的。但试验塔所得的A′、m 等数受试验条件的影响(如试验装置中空气和水的分布比较均匀等),其值稍高于设计的实际使用冷却塔,故特性数N′(Ω′)和βxv 值应高于设计计算值。但如果高得太多,则可适当调整设计参数,重新设计计算或另选淋水填料。

4. 通风阻力计算

通风阻力计算的目的是根据设计风量和风压,确定风筒高度或选用风机。在冷却塔的工作条件下,风机的风量决定于冷却塔的全部空气动力阻力,而这一阻力等于风机的全风压。风机的工作点以风机的特性曲线与冷却塔的空气动力阻力性能曲线的交点来表示。

通风阻力计算分经验公式和同型塔实测数据计算两种。在冷却塔设计计算中,基本上均采用经验公式计算。机械通风冷却塔内通风总阻力等于各部件阻力的总和按式(7-1 )计算。

各部件的阻力计算以下:

1 )进风口阻力H 1

设进口平均风速为:V 1 =2150m/s , 总进风量(空气量) 为G =62000m3/h =17.22m3/s 。 阻力系数ξ1 =0.55 ,空气表观密度γg =1.134kg/m3

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上述得: H =ΣH i =0.2 +0.06 +0.133 +0.0074 +4.65 +0.0073 +0.143 +0.74 +0.351 +2.12 =8.412mm H2O

按风量G =62000m3/h 和计算所得的通风阻力为H =8.412mmH2O ,风机直径 =2000mm ,选择有关风机(玻璃钢风机或铝合金风机等)。按式(7-21 )计算电动机额定功率(k W )。

5. 配水系统设计计算

配水系统的设计,要求达到冷却水在整个淋水填料面积上配水均匀,以达到较好的冷却效果。

本例题的冷却水量仅为100m3/h ,故采用管式配水中的旋转管布水进行设计计算,设计计算的步骤为:

1 )根据配水流量和开孔孔径及孔距计算孔口前水压;

2 )计算水平推力和旋转力矩;

3 )计算配水管末端线速度与旋转速度。

1 )基本数据:

流量:Q =100m3/h

旋转布水器直径(长):D =3100mm

布水旋转管根数:n =6 根,每根DN =65m m

2 )配水管设计

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沿水平方向在旋转管上开孔,孔口与水平呈45°角(向下倾角),孔口中心距为150m m ,孔口直径 为=17m m ,单孔面积为f =0.785 ×(0.017 )2 =0.000226856m2 ,单孔流量为q =Q/n =0.0277/60 =0.000462963m3/s ,孔口流速V =q /f =0.000462963/0.000226856 =2.041m/s 。

开孔总面积为:F =0.000226856 ×60 =0.0136119m2 。

3 )喷前管内水压计算

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61 冷却塔基本尺寸的确定:

塔体内径:Φ =3200m m ;

风筒内径:Φ2 =2100m m ;

进风口(窗)高度:h 1 =700m m ;

填料高度:h 2 =1000m m ;

填料顶至配水管下缘:h 3 =300m m ;

配水管下缘至收缩段:h 4 =300m m ,其中包括12.5m m 的除(收)水器高度。

收缩段高:h 5 =700m m ;

风筒高:h 6 =600m m ;

塔体总高度:H =Σhi =4650m m 。

淋水填料及收(除)水器:

采用塑料斜波交错填料,规格为55 ×1215 ×60°-1000 型,片厚为δ=0.2~0.3m m ,比表面积为330m2/m3 ,空隙率为0.96~0.95 , 波纹倾角60°, 每层高为250mm (25cm ),共4 层为1000m m 。

除水器选用普遍采用的单(或双)波塑料(或玻璃钢)收水器,用钢筋穿孔、螺母固定连接。

进、出塔水管:

选用钢管或球墨铸铁管,进水管直径为D N =150m m ,则过水断面积为0.785 ×(0.15)2 =0.017663m2 ,Q =0.0277m3/s,得管内流速V1 =Q/f =0.0277/0.017663 =1.573m/s 。

出塔管可选用与进塔管直径相同,如选用DN =200m m ,则过水断面积为0.0314m2 ,管内流速V 2 =0.885m/s 。

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7. 水泵需要的压力(扬程)H :

水泵所需要的扬程(压力)有以下部分组成: H =H 0 +Σ h s +Σh d +h (7-35 )

式中 (1 )H 0 是热水池最低水位至塔内配水管的净高度,称净扬程;

2 )Σh s 是从水泵吸水管至压水管整个管路长度沿程水头(压力)损失的总和;

3 )Σh α 是指水泵吸水管及压水管上底阀、单向阀、闸阀、弯头、三通、渐缩管等局部压力损失的总和;

4 )h 是富余水头(压力),中、小型塔一般考虑4~6m 。

现假定条件与有关参数以下:

设地面标高为±0.00 ,水泵在热水池吸水的最低水位为-3.50m ,冷却塔设在二楼平顶上,平顶标高为+6.60m ;管路长度见平、立图中标出的尺寸(图7-14 ),按管路总长度计算沿程水头损失;局部阻力损失依序为吸水管底阀、阀门、单向阀、四只90°弯头、分配管入口、孔眼出口等。现分别计算以下:

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1 )净扬程H 0 : 最低水位距地面为3.5m ,地面至二楼顶为6.6m ,二楼顶至配水管高度为(1 +0.7 +1 +0.3 )=3.0m ,则得净扬程为: H 0 =3.5 +6.6 +3.0 =13.1m

2 )沿程水头(压力)损失h s : 假设水泵吸水管径与压(出)水管管径相同,均为D N =150m m ,则沿程管径、流量、流速均没有变化,就不存在分段计算,就简便了。 按平、立图计,管路的总长为: L =Σl =4.0 +6.5 +7.5 +7.0 +3.0 =28m

其水力坡度计算水头损失的计算公式为:

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按式(7-40 )、(7-41 )公式计算已制成钢管、铸铁管水力计算表;按式(7-42 )公式计算已制成钢管、铸铁管A 值表。一般设计计算时,不按上述公式进行计算,而是根据Q、 DN、V 查水力计算表得1000i 换算而得。

Q =100m 3/h =27.778L/s

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式中 ξ——局部阻力系数(查表)。其他符号同前。

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4 )水泵入口hd4 : 水泵入口ξ=110 ,因入口DN 小1~2 档,以DN =100 计,V 1 =0.02778/0.785 ×(0.1 )2 =3.54m/s


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根据上述计算得hd 为: h d =Σh di =0.76 +0.025 +0.95 +0.64 +0.363 +0.067 +1.25 =4.055m 考虑管道系统的腐蚀、结垢等使粗糙系数n 值增大及计算漏项等误差,故选择泵时考虑安全富余水头为4m ,则水泵所需要的扬程(压力)为: H =H 0 +Σh s +Σ h α +4 =13.1 +1 +4.055 +4 ≈ 22.2m 即为2.22kg/cm2 。

选用IS100 -80 -100A ,单级单吸悬臂式离心泵,其主要参数为:在高效段范围内,Q =58~112m3/h ,H =27~22m ,当Q =100m 3/h ,H =23m 。

电机功率:N =11k W ,型号:Y160 M1-2 η=77 %,转速n =2900r/min 。

5 )风机电机功率计算:

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采用水轮机推动风机转动,则可节省2.2k W 。计算得N =2.2k W ,则选用电动机功率应N > 2.5k W 。

大型机械通风冷却塔设计计算

1. 设计的主要参数(按当地气象参数)

干球温度:θ=25.7 ℃;

湿球温度:τ=22.8 ℃;

大气压力:P a =745m m H g ;

进塔水量:Q =4560m 3/h =1.2667m 3/s ;

进塔水温:t 1 =40.2 ℃;

出塔水温:t 2 =32 ℃;

进、 出塔温差:Δt =40.2 ℃-32 ℃=8.2 ℃;

冷幅高:Δt′=32 ℃-22.8 ℃=9.2 ℃;

冷却热负荷:4560 ×1000 ×8.2 =3.7392 ×107 kcal/h ,即提供的风量应吸收3.7392 ×107 (冷却能力)kcal/h 的热量。

2. 热力计算:

1 )计算交换数N 值:

Δt =8.2 ℃;t m =(40.2 ℃+32 ℃)/2 =36.1 ℃,查第6 章中图6-2“K 值与冷却水温t 2 关系图”,当t 2 =32 ℃时,得K =0.94 。 由第5 章中图5-3“空气含热量曲线图”查得饱和空气焓为:

t 1 =40.2 ℃时,i″1 =40.8kcal/kg ;

t m =36.1 ℃时,i″m =33.1kcal/kg ;

t 2 =32 ℃时,i″1 =26.8kcal/kg ;

进塔空气θ=25.7 ℃时,其焓i 1 =20.6kcal/kg 。

按水气比Q /G 值,分3 个假定数求交换数(冷却数)N ,Q /G =2 ,Q /G =1.7 ,Q /G =1.1 。按第5 章阐述的塔内任一点温度为t 的相应空气焓的计算式为:i =i 1 +(t -t 2 )λ,分别计算3 个Q /G 值时的i 2 和i m 值。

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按焓差法近似积分法,当Δt < 15 ℃时,可用下式简化计算交换数N 值:

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式中 Δt——进、出水塔水温差(℃);

i″1 -i 2——进塔水温下饱和空气焓与出塔空气焓i 2 的差(kcal/kg );

i″m -i m——进出塔平均水温下的饱和空气焓与出塔的平均空气焓的差(kcal/kg );

i″2 -i 1——出塔水温下的饱和空气焓与进塔空气焓的差(kcal/kg )。

计算结果见表7-9 。

Q /G =2 时N 值:

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2 )求气水比及计算风量G

将表7-9 中3 个N 值在图7-15 上按G /Q 值找到3 个点,绘成N、G /Q 曲线。采用的填料为蜂窝填料d20 ,Z =10 ×100m m 特性数曲线绘在同一图上交于P 点,得气水比λ=0.77 。按P 点水气比Q /G =1/0.77 ≈ 1.3 。按水气比为1.3 求交换(冷却)数得N =1.134 (计算略)。 G =λ·Q =0.77 ×4560 =3511.2t/h

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式中1.145 为进塔空气表观密度,由湿空气焓湿图查得相对湿度Ф=0.8 ,再查湿空气表观密度计算图得γ=1.145kg/m3 。

3 )冷却塔横截面(断面)面积估算

通过冷却塔填料内的风速一般为:

喷水式或点滴式:1.3~2.0m/s 。

薄膜式:2.0~3.0m/s 。

现采用六角蜂窝填料,基本上薄膜式,故塔内风速为V =2.2m/s,则塔所需要的面积为:

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塔内湿空气的密度=0.98 ×1.145 =1.13kg/m3 (0.98 是考虑空气进入塔内,温度升高及分布不均匀等的系数)。

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式中 δ——风筒出口速度分布不均匀系数;

ξP—— 出风口阻力系数。

L /D 0 < 1 ,查有关图表得δ=0.48 ,ξ=1

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总阻力H =0.285 +0.24 +0.131 +3.3 +0.314 +2.444 +1.56 +2.305

=10.579 ≈ 10.6mmH2O

4. 选用风机:

G =2.3m3/s 换算成表观密度为1.2kg/m3 空气流量:

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根据H =10.6mmH2O ,风量G =201m3/s ,选用30E2-11-NO47 铝合金轴流风机,其主要参数为:

叶片个数:4 片;

安装角度:10~25°;

减速机:蜗轮蜗杆;

联轴节:弹性联轴节;

效率:50 %~70 %;

风量:50~230m3/s;

风压:6~21 (kg/m2 );

转速:n =190r/min 。

本题风机安装角度为α=21°;

η1 =66 %;η2 =90 %;K =1.15 ;G =201m3/s ;

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采用N > 45k W 的电机。 采用管式固定式或槽式配水,计算略。

冷却塔尺寸的选择

根据前人对一系列冷却塔空气动力特性的模型试验和塔实体试验,并根据一些文献资料,可确定冷却塔及其部件尺寸的比例,用于冷却塔的设计中。

冷却塔塔体形状对风阻力的影响

试验证明:单只(台)冷却塔平面图形较合理的是圆形塔或接近于圆的多边形塔,多格(台)组合冷却塔可采用正方形或矩形,其边长比不大于4 ∶3 。在此情况下单格冷却塔的气体动力阻力与多格的相比,在其他条件相同时,要小10 %~20 %。对于同样面积的冷却塔,其平面形状对阻力系数的影响见表7-10 。其中8 边形冷却塔的阻力系数取100 %为相对值计。

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冷却塔进风口尺寸

进风口的尺寸可由风口面积FW 与塔内横断面面积F 的比值来求得(KW =F/FW )。为确保淋水装置下的截面处的空气均匀分布,以及降低进风口的气体动力阻力,同时考虑到技术经济的因素,机械通风冷却塔KW 不宜小于0.5 ,风筒式冷却塔不宜小于0.4 。进风口高度H W 的确定为: 对于单格(台)直径为D 的圆形塔,按下式计算:

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对于分格的边长为a ×b ,双面进风的矩形塔,进风口高度为:

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冷却塔填料装置高度

淋水填料装置的高度,在每台塔具体情况下均在技术经济核算的基础上选用确定,而技术经济核算是按不同淋水填料装置的试验数据或按热力计算的结果而定。

在相同气象参数、相同冷却水量和相同进出塔水温条件下,不同填料其安装高度也不同;相同条件下,横流塔与逆流塔的安装高度也不同。决定填料高度的主要因素是冷却水温差(即Δt =t 1 -t 2 ),对于圆形逆流式冷却塔、采用塑料斜波交错填料来说,一般为:

Δt =5 ℃塔 填料高度=1000m m (4 ×250m m )

Δt =10 ℃塔 填料高度=1250m m (5 ×250m m )

Δt =20 ℃塔 填料高度=1500m m (6 ×250m m )

冷却塔淋水装置与配水系统间的距离

淋水填料与配水系统之间的高度(距离)主要要满足和达到均匀配水。不同的配水系统和配水方法,距淋水填料高度各不相同;另外大塔与中小型塔也不同,大塔因维护、修理等,该距离远大于小塔。

对于管式配水来说,用于小型冷却塔的旋转式管式配水,距淋水填料距离一般为300~ 400m m (0.3~0.4m );对于固定式管式配水,喷嘴出口至淋水装置面为500~800mm (0.5~0.8m )。对于槽式配水,管嘴距溅水碟的距离一般为0.5~0.8m ;为保证喷嘴喷水的最大直径,喷嘴至淋水填料的距离可取0.8~1.0m 。

冷却塔收水器与配水系统的距离

逆流式机械通风冷却塔采用管式配水时,收水器安装在配水管之上;当采用槽式配水系统时,可将收水器设置在配水槽中间或配水槽之上。收水器的安装高度主要决定于收水效果,距配水装置的距离并没有明确的要求。对于偏小型的圆形逆流式机械通风冷却塔,收水器至配水装置的距离一般为≥ 0.3m (300m m );对于大型机械通风冷却塔,收水器较合理的布置是在配水装置以上2m ,主要是便于维护和修理,特别便于清洗及更换喷嘴时能自由通过。

冷却塔收水器与风机的距离

风机一般安装在风筒的始端,收水器可安装在收缩段下端或收缩段中,设在收缩段以下,通过收水器的风速相对较小,则风的阻力也小;设在收缩段时,通风断面积减小,风速增大(因风量G 值没有变),不仅风的阻力增大,而且收水效果也差。故收水器尽可能设在收缩段以下。

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冷却塔收缩段的高度

塔体与风筒之间,目前有塔顶盖板为平板(如组合方塔)和收缩段两种设计,试验和研究表明:收缩式(段)盖板比平顶盖板有较好的空气动力条件。无论塔顶平板距淋水填料高度有多高、多大,塔的上部均会造成涡流及滞流区。而收缩式的塔顶能保证空气流平稳地被压缩而进入风筒,故应采用收缩段为妥。

冷却塔收缩段的顶角一般采用90°~110°,同时收缩段的高度与其底面直径(塔体内径)之比为0.2 或稍大。在实际计算时,在给定的顶角Ф,收缩段高度H s 可按式(7-47 )计算:

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式中 D ——单格(台)塔内径(m m 或m );

Db ——风机直径(m m 或m );

Ф——收缩段顶角(度)。

收缩段与风机壳体(风筒)的连接,较好的是采用导流圈的形式,能使气流平稳地进入风机壳体。但实际上采用式(7-48 )计算r 为半径的圆弧连接线描绘导流圈,已能得到足够均匀的速度场。

r =(0.15~0.2 )Db (7-48)

导流圈高度可按式(7-49 )计算:

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冷却塔风筒或扩散筒高度

1. 风筒高度:

风筒分垂直式的和扩散式的两种,垂直式的直圆风筒高度没有一个统一的标准,由环境条件、出风气流对进风口环流的影响及风机噪声对周围环境的影响等因素决定。当采用圆弧形或近似直角形的大型塔的风机进风口来说,风筒高度为1.5~3.0m 的直圆筒。通常风筒高度不小于风机直径的20 %~30 %(即> 0.2Db~0.3Db ),如前面设计计算的100m3/h 逆流式冷却塔,直圆形风筒高为600 +50 =650mm、风机直径为2100m m ,则风筒高度占风机直径的30.95 %≈ 31 %。

2. 扩散筒高度

设扩散筒的基本作用是减少空气从塔中流出时,因撞击引起的阻力损失,防止从风筒流出的湿热空气回流到进风口和减少风机噪声。因扩散筒会影响风机的效率,因此,选择扩散筒尺寸时要进行风机的空气动力计算。

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设扩散筒的风筒高度由两部分组成:一部分是安装风机的直圆筒,另一部分是扩散筒。安装风机的直圆筒部分高度,按风机说明书确定。设计时如无说明书,这部分高度可取0.16D b (以能在筒体内布置风机叶片并能调整风机叶片前的风速分布为前提); 扩散筒的圆锥角( 亦称中心展开角)为10°~18°(见图7-16 ),其高度不宜小于风机的半径, 常采用0.7Db ( 风机直径)。按公式计算为:

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此式基本上与式(7-48 )相同,式中符号尺寸不同: D1——风机处风筒直径(m );

D0——扩散筒出口直径(m );

α——扩散筒圆锥角;

L ——扩散筒高度。




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