冷却塔设计计算参考方法

　　本文简述了 冷却塔 、冷却塔的选型，校核计算，模拟计算方法等，供大家参考。

　　一、简述

　　如上图，冷却塔放于层间，运行时冷却塔进 / 排风大致可分为 6 个区间（图中箭头表示风向，其长度表示风量大小）；它们分别是：

　　a  区 —— 冷却塔在 A 轴方向的主要进风面，该处装有 1250mm 高百叶 3 层。

　　b1/b2—— 冷却塔入风回流区，在这两个区很可能出现负压；回流在 b2 区会较多出现。

　　c  区 —— 冷却塔高速排风区。

　　d  区 —— 冷却塔在 1/A 轴方向通风区，该区为负压区，风速较 a 区高，且以乱流出现居多。

　　e  区 —— 热风扩散区；冷却塔排风经过一段距离（冷却塔排风口到建筑顶部百叶约 4000mm ）后，动压明显下降，静压上升，该区属正压区，其间大部分热风经建筑顶部百叶排入大气，少部分弥散后排风受阻会滞留一段时间，但，由于上下（ e  区 ~b 区）空间随机存在着压差，使得部分 e 区弥散的热风回流。

　　二、冷却塔的选型

　　1 、设计条件

　　温度： 38 ℃ 进水， 32 ℃ 出水， 27.9 ℃ 湿球；

　　水量： 1430M³/H ；水质：自来水；

　　耗电比： ≤60Kw/ 台， ≤0.04Kw/M³·h ，

　　场地： 23750mm×5750mm ；

　　通风状况：一般。

　　2 、冷却塔选型

　　符合以上条件的冷却塔为： LRCM-H-200SC8×1 台。

　　（冷却塔 [ 设计基准 ]37-32-28 ℃ ，此条件下冷却塔处理水量为名义处理水量）

　　其中， LRC 表示良机方形低噪声冷却塔， M 表示大陆性气候适用， H 表示加高型， 200 表示冷却塔单元名义处理水量 200M³/H ， S 表示该机型区别于一般冷却塔， C8 表示该塔共由 8 个单元并联组合而成，即名义处理总水量为 1600M³/H 。

　　冷却塔的外观尺寸为： 22630×3980×4130 。

　　冷却塔配电功率： 7.5Kw×8=60Kw ，耗电比为 60÷1600=0.0375Kw/M³·h 。

　　三、校核计算

　　1 、已知条件：

　　冷却塔 LRCM-H-200SC8 在 37-32-28 ℃ 温度条件下单元名义处理水量 L=200 M³/H ；

　　冷却塔风量 G=1690M³/min 。

　　2 、设计条件：

　　热水温度： T1=38 ℃ ；

　　冷水温度： T2=32 ℃ ；

　　外气湿球温度： T w =27.9 ℃ ；

　　大气压： Pa=76mmHg ；

　　处理水量： L=179 M³/min ；

　　水气比： L/G=1.605 ；

　　热负荷： Q=1074000Kcal/h ；

　　组合单元数： N=8 。

　　3 、冷却塔特性值

　　依照 CTI 标准所给出的计算公式

　　Ka·V/L=

　　近似计算为

　　Ka·V/L= ×

　　代入数据得， Ka·V/L=1.251 。

　　其中

　　当 T x =T 1 -0.1× （ T 1 -T 2 ）时， dh 1 = （ h w  –h a ）；

　　当 T x =T 1 -0.4× （ T 1 -T 2 ）时， dh 2 = （ h w  –h a ）；

　　当 T x =T 2 +0.4× （ T 1 -T 2 ）时， dh 3 = （ h w  –h a ）；

　　当 T x =T 2 +0.1× （ T 1 -T 2 ）时， dh 4 = （ h w  –h a ）；

　　　 水温度℃ 湿球温度℃

　　T 1 　 　 　 　 T 2 T w

　　38.0 37.4 35.6 34.4 32.6 32.0 27.9

　　焓值 35.861 34.792 31.762 29.880 27.247 26.416 21.307

　　焓值单位为 Kcal/Kg 。

　　随水气比的变化可得到以下数据：

　　L/G 1.100 1.300 1.500 1.605 1.700 1.900 2.10

　　Ka·V/L 0.967 1.058 1.175 1.251 1.333 1.566 1.963

　　由上表数值可以求得冷却塔特性曲线，再按斜率 K=-0.6 交于设计点（见曲线图）。

　　4 、冷却塔冷却能力比较

　　由上列数值绘出设计条件之特性曲线，然后由设计点（ L/G ，  Ka·V/L ）绘出水塔特性斜线与 37-32-28 ℃ 标准特性曲线相交得到 L’/G=1.769 。

　　即，设计条件转换到 37-32-28 ℃ 标准条件下之当量水量

　　L’= （ L’/G ） *G

　　代入数据， L’=1.769×1690×60×1.1=197.3M³/h 。

　　而 LRCM-H-200S 之名义处理水量 L=200 M³/h ，可以满足设计条件。

　　5 、结果

　　LRCM-H-200S 名义处理水量 200 M³/h 大于设计当量水量 197.3M³/h ，所以，此机型能满足使用要求。

　　四、模拟运行计算

　　1 、建立数学模型

　　冷却塔实际运行中，各参数的变化是很复杂的，无论何种形式，在表示其热工特性的重要参数上，有，以焓为基准的总容积传热系数（ Ka·V/L ）与填料的材质特性（ Ka ）、冷却塔的结构形式、淋水密度（ L/A l ）、水气比（ L/G ）、塔体断面通风风速或风负荷（ G/A g ） …… 等诸多因素；再综合冷却塔的运行环境等因素，可以设定以下条件：

　　1 ）冷却塔风机静压 P s 恒定；

　　2 ）冷却塔循环水量 L 一定（此处不计偏差）；

　　3 ）冷却塔热容量 Q 一定（按主机最大负荷计），且入水温度 t 1 为一定；

　　4 ）冷却塔放置位置不变；

　　5 ）冷却塔结构形式不变。

　　于是，可以知道变化的主要参数有：

　　1 ）冷却塔风机的风量 G ；

　　2 ）冷却塔风机的出水温度 t 2 ；

　　3 ）环境湿球温度 t w ；

　　我们可以抽象出以下方法对冷却塔的实际运行进行简化模拟：

　　A ．对冷却塔 a 区进风

　　冷却塔进风动力源于风机所产生的静压 P s 与塔体入风口静压 P a 之差 P s 。

　　v a = ；  ………… ①

　　设定 A 轴百叶开启角度 ≤20° ，再考虑塔体入风百叶影响，取 =1.12 。

　　B ．   对冷却塔 d 区通风

　　只有塔体入风百叶，取 =1.05 。

　　C ．对冷却塔 b 区通风

　　b 1 区靠 A 轴百叶仅 150mm 左右，通风量按它与进风口高度之百分比计约为 4% ；

　　b 1 区靠 1/A 轴距离约 1650mm 左右，通风量按它与进风口高度之百分比计约为 58% 。

　　D ．对冷却塔 c 区排风

　　c 区为冷却塔高速排风区，在空间上，它近似于有限空间射流，射流的外形象橄榄。

　　………… ②

　　式中

　　v x —— 射程 x 处的射流轴心速度；

　　v 0 —— 射流出口处的初平均速度；

　　x—— 出口至计算断面的距离；

　　d 0 —— 送 / 排风口直径；

　　a—— 送 / 排风口的紊流系数；

　　上式是自由射流，它可以大致绘出射流的具体形状（如射程、最大射流断面）。但，在受限空间，排风口的速度衰减估算一般采用下式。

　　………… ⑶

　　受限空间射流的压力场是不均匀的，各断面的静压随射程的增加而增加；同时，由于射流速度场的相似性，必然有温度场的相似性。

　　………… ⑷

　　此处简化计算为平均值。

　　式中，

　　⊿ Tx—— 射流 x 处与周围空气的温度差；

　　⊿ T0—— 射流出口处与周围空气的温度差。

　　E ．对冷却塔 e 区滞留热空气

　　射流上部受栅栏影响，部分空气流向分散；以及射流过程中排风热空气与周围空气进行热能与动量的交换，其结果导致周围空气温湿度升高，焓值升高的空气一部分上升，另一部分滞留于栅栏下部空间。这两部分一起形成了 e 区的滞留热空气。

　　通过以上建模分析可知，此环境中运行的冷却塔要克服的问题是：

　　b 区回流高温高湿空气；

　　d 区负压值过大，风量可能不足；

　　c 区滞留热空气。

　　2 、参数估算

　　1 ）已知

　　冷却塔入风口尺寸： 7.45×2=14.9m²

　　冷却风机直径： 2000mm

　　冷却风机的总静压： 110Pa

　　冷却风机的名义风量： 28.17 m³/s

　　塔体风阻力： 90 Pa

　　冷却塔设计处理水量： 179m³/h

　　冷却塔有效散水面积： 6.1m²

　　冷却塔填料容积： 14.63m³

　　冷却塔进水温度： 38 ℃

　　环境湿球温度： 27.9 ℃

　　A 轴百叶面积： ≤11.25 m²

　　易得，

　　冷却塔水负荷 (L/A l ) ： 29.36 m³/ m²·h

　　冷却塔填料特性值 (Ka) ： 15306

　　冷却塔出风口风速 (v 0 ) ： 8.98 m/s

　　冷却塔出风口动压（ Pv ）： 18.3Pa

　　A 轴百叶面通风风速： 2.81 m/s

　　（注：冷却塔基础墩高度 750mm ）

　　2 ）计算

　　冷却塔通风遵循进出风量相等原则，可知， a 区通风量与 e 区排风量相等。

　　A ．在 c~e 区，计算 e 区的静压与温度

　　设从风机排出的空气与水热交换 100% ，即排风口饱和湿空气焓

　　h a2 =h a1 +L/G （ T 1 -T 2 ） ………… ⑸

　　e 区排风动压 P ve

　　v e = v 0 ×  ………… ⑹

　　当 x/d=2 时， v e =1.98m/s ，即排风到达顶部栅栏时，动压基本转化为静压，

　　P s ≈16.1Pa

　　排风空气在此处静压呈正态分布，热风被排出。

　　e 区空气温度差

　　⊿ T e = （ 38-27.9 ） ×

　　=0.87 ℃

　　说明 e 区排风（非饱和湿空气）与周围空气之温度比较接近。

　　e 区弥散的热空气的湿球温度近似为：

　　tw e =27.9+0.87=28.77 ℃

　　B ．在 b~d 区

　　其中，冷却塔进风两侧，一面临 A 轴，一面临 1/A 轴。假定，两面进风量相同，则冷却塔进风面风速约为 1.89 m/s ，每面进风量约 14.08m³/s 。

　　冷却塔进风临 A 轴侧，由于靠近百叶，所以风量视为足够；

　　对临 1/A 轴侧， d 区可分上、下两部分通风，其中上部通风约 58% ；同理，下部通风约 38% ；即是说，由于下部通风量的不足，上部热风回流大部分弥补了 1/A 轴侧通风量的不足，同时也造成 d 区负压过大。

　　由式 ⑴ ，

　　因为 G=V·A ，冷却塔通风面积一定。

　　所以， ⊿ Ps=

　　代入数据， ⊿ Ps= ×(1-0.8836)

　　=0.3Pa

　　超出的负压，使得 d 区通风恶化，上部热风更多从 b2 区流向 d 区，即实际上部通风量应为： 58%+4%=62% ， d 区上、下两部分空气混合而成 1/A 侧冷却塔的进风，混合后的湿球温度 t w ’(A 轴空气湿球温度 t w =27.9 ℃ ) 。

　　………… ⑺

　　代入数据，求得 hw’=21.94Kcal/kg

　　按空调二类地区换算，可得混合后的空气湿球温度： t w ’=28.3 ℃ 。它说明 1/A 轴侧冷却塔的进风湿球温度要比 A 轴侧的高出 0.4 ℃ 。

　　按 ⑸ 式可以得出塔热空气的焓 h2 ：

　　h2=21.307+1.605×(38-32)

　　=30.937 Kcal/kg

　　( 注：如果按 38 ℃ 排风温度，出塔热空气的焓应为 35.848 Kcal/kg)

　　依照上述结果推算，

　　1/A 轴侧冷却水出水温度 T2’ ：

　　T2’=38-

　　=32.4 ℃

　　到此，计算完成。

　　3 ）评述与结论

　　以上结果是在抽象简化后计算得出，鉴于冷却塔在现场运行时情况更为复杂，例如，风机静压的影响，环境的蓄热量，分水均匀度，风叶片的安装角度等等，但，总的说来，冷却塔出水温度偏差应在 0.4~0.7 ℃ 内。

　　五、可选改善方案与建议

　　1 ）可选改善方案

　　为使冷却塔的运行效果更好，可在冷却塔的出风口加装 1500mm~2000 高的直立导风筒，以防排风动压下降过快。

　　同时，冷却塔在设计时充分考虑余量，以缓减环境湿球升高的影响。

　　2 ）建议

　　由于冷却塔所在空间的空气湿度较大，所以建议作好建筑的防潮与防水工作。