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      冷卻塔設計計算舉例

      發布日期:2017-01-17   點擊數: 8609

      冷卻塔符號說明(名稱及單位)

      這里列出的符號是按習慣形成和長期延用的統一符號。實際上符號是人為定的,不同的名稱可用各種符號來代替,但為便于識別和運用,盡可能予以統一。常用的有關冷卻塔設計計算的符號與名稱大致如下:

      t 1——進冷卻塔水溫(℃);

      t 2——出冷卻塔水溫(℃);

      Δt——進、出冷卻塔水溫差(℃),即Δt =t 1 -t 2 ;

      t m——平均水溫(℃),t m =(t 1 -t 2 )/2 ;

      T——絕對溫度(城),T =273 +ti ;

      θ——空氣干球溫度(℃);

      τ——空氣濕球溫度(℃);

      t 2 –τ——冷幅高(℃),此值越小,冷卻效率越高;

      θ1 ——進冷卻塔空氣的干球溫度(℃);

      θ2 ——出冷卻塔空氣的干球溫度(℃);

      τ1 ——進冷卻塔空氣的濕球溫度(℃);

      τ2 ——出冷卻塔空氣的濕球溫度(℃);

      P a——大氣壓力(m m H g ),P a =P g +P q ;

      P g——空氣中干空氣的分壓力(kg/cm2 ,或m m H g );

      P q——空氣中水蒸氣的分壓力(kg/cm2 ,或m m H g );

      P ″τ1——進冷卻塔空氣溫度為濕球溫度τ1 時飽和空氣中水蒸氣分壓力(kg/cm2 ,或m m H g ); P ″θ1——進冷卻塔空氣溫度為干球溫度θ1 時飽和空氣中水蒸氣分壓力(kg/cm2 ,或m m H g ); P ″——飽和空氣中水蒸氣分壓力(kg/cm2 ,或m m H g );

      P ″t1——空氣為進冷卻塔水溫t 1 時飽和水蒸氣分壓力(kg/cm2 ,或m m H g );

      P ″t2——空氣為出冷卻塔水溫t 2 時飽和水蒸氣分壓力(kg/cm2 ,或m m H g );

      P ″tm——平均水溫時飽和水蒸氣壓力(kg/cm2 ,或m m H g );

      Q——冷卻塔冷卻水量(m3/h 或kg/h );

      q——冷卻塔淋水密度(m3/(m2· h ));

      G ——進冷卻塔的空氣量,即風量(m3/h 或kg/h );

      g ——進冷卻塔空氣重量速度(kg/(m2·h )或kg/(m2 ·s ));

      有時表示重力加速度(m/s2 );

      V——外界風速風向(m/s);

      i 1 ——進塔空氣的焓(kcal/kg );

      i 2 ——出塔空氣的焓(kcal/kg );

      i m ——平均溫度時空氣的焓(kcal/kg );

      i″1 ——空氣溫度為進塔水溫t 1 時的飽和空氣焓(kcal/kg );

      i″2 ——空氣溫度為出塔水溫t 2 時的飽和空氣焓(kcal/kg );

      i″m ——空氣溫度為進、出塔水溫的平均溫度t m 時的飽和空氣焓(kcal/kg );

      γg——空氣的密度(比重)(kg/m3 );

      γ——水的汽化熱(kcal/kg );

      λ——氣、水比(無量綱);

      K——蒸發水量帶走的熱量系數(無量綱);

      βxv ——以焓差為基準的容積散質系數(kg/(m 3·h ));

      V m——塔內平均風速(m/s);

      Z ——淋水填料裝置高度(m );

      Z g ——淋水填料裝置尾部高度(m );

      F——冷卻塔內斷面積(m2 );

      V——淋水填料裝置有效容積(m3 ):(注:有時表示水流或氣流速度,m/s);

      N (或Ω )——以溫度進行積分的交換數(無量綱);

      Σhi——空氣總阻力(mmH2O);

      hi ——進塔空氣各部分的阻力(mmH2O);

      D N——水管子內徑(m m );

      L——管子長度(m );

      n——有時表示轉速(r/min );

      有時表示根數;有時表示孔眼數;

      ηi——表示電機、風機、傳動裝置等效率(%);

      ξi——流體(水或空氣)有關阻力系數。

      還有其他一些符號,這里不作陳述。

      100T/h 機械通風玻璃鋼冷卻塔設計計算


      1. 設計的主要參數 設計的氣象參數按上海頻率為5 %的晝夜平均干、 濕球溫度作為依據。

      干球溫度:θ=31.5 ℃;

      濕球溫度:τ=28 ℃;

      大氣壓力:P a =753m m H g ;

      進塔水溫:t 1 =37 ℃;

      出塔水溫:t 2 =32 ℃;

      進、出塔水溫差:Δt =5 ℃,為標準型低溫塔;

      冷卻水量:Q =100m3/h ;

      噪聲:≤ 62dB (A 聲級);

      冷幅高:t 2 -τ=32 ℃-28 ℃=4 ℃;

      冷卻熱負荷:冷卻1kg 水降低1 ℃水溫,放出1kcal 熱量(即空氣吸收1kcal 熱量),則100m3/h 水降低5 ℃放出的熱量總量為5 ×105kcal/h ,就是說提供的風量(空氣量)G應吸收5 ×105kcal/h 熱量。 2. 熱力計算:

      1 )計算相對濕度:

      式中可見:知道風量G 可求氣水比λ 值,或知道λ值可求G 值。在冷卻塔測試中,風量G 是實測得到的,故可直接求得λ值;在冷卻塔設計中,空氣與水的重量比λ值,對于t 1 -t 2 =Δt =5 ℃的低溫塔來,一般λ在0.5~0.9 之間,常規、常溫(低溫)冷卻塔根據設計經驗為0.70 左右。λ值也常用下式計算:

      βxv 的物理意義在第4 章中已闡述,表示單位容積淋水填料(V )在單位焓差(Δi m )的推動力作用下所能散發的熱量。在冷卻塔其他因素不變的條件下,βxv 越大,冷卻塔散熱能力越大,塔的體積可;或者塔的體積不變,則冷卻水量可增加。

      我國設計的冷卻塔,其βxv 值一般均≥ 10000kg/(m3 ·h ),少數接近于10000kg/(m3 ·h )。日本設計的塔,βxv 值較小,僅要求βxv > 8000kg/(m3· h )。因此,嚴格來說,日本的標準和要求比我國低。這里計算所得的βxv =12841kg/(m3·h )偏高,此塔的熱力性能是較好的。

      在一定的淋水填料和塔形條件下,冷卻塔本身具有的冷卻能力,稱為冷卻塔的特性數,常用N′(或Ω′)表示。在冷卻塔設計中,還應計算冷卻塔本身具有的特性數,來校核是否滿足理論計算值的要求。

      N′(或Ω′)=βxv ·V /Q

      它與淋水填料的特性、幾何尺寸、散熱性能以及氣水比等有關。特性數N′(或Ω′)越大,則塔的性能越好。冷卻塔熱力性能的計算,就是要使生產上要求的冷卻任務N(或Ω)與設計的冷卻塔的冷卻能力N′(Ω′ )相等,即為:

      此式中的βxv 值并不是前述的計算所得,是與含濕量差有關的淋水填料的容積散質系數表達式,國內外均采用下式計算:

      按此式計算所得的βxv 值再代入N′ =βxv ·V /Q 中。

      式中 g——空氣流量密度(kg/(m3 ·h ));

      q——淋水密度(kg/(m2·h ));

      A、m、n——試驗常數,不同填料其值不同。

      淋水填料試驗所得的特性數為:

      N′(Ω′)=A′·λ m A′、m——不同填料所得的試驗常數。

      采用塑料斜波交錯(簡稱“斜交錯”)淋水填料,規格為55 ×1215 ×60°-1000 型,其試驗所得參(常)數為: A′=1.55、m =0.47、氣水比λ=017 代入得: N′(Ω′)=1.55 ×0.700.47 =1.31 則N′=1.31 > N =1.0322 ,實際的交換數大于設計計算的交換數,故是安全的,能保證設計所要求的冷卻效果。 Q =100000kg、V =0.785 ×D2 ×H =0.785 ×3.22 ×1 =8m3 。則:

      =16385kg/(m3 ·h )> 設計計算值12841kg/(m3·h )

      上述計算結果,冷卻塔本身具有的冷卻能力遠大于設計值,故是安全和符合要求的。但試驗塔所得的A′、m 等數受試驗條件的影響(如試驗裝置中空氣和水的分布比較均勻等),其值稍高于設計的實際使用冷卻塔,故特性數N′(Ω′)和βxv 值應高于設計計算值。但如果高得太多,則可適當調整設計參數,重新設計計算或另選淋水填料。

      4. 通風阻力計算

      通風阻力計算的目的是根據設計風量和風壓,確定風筒高度或選用風機。在冷卻塔的工作條件下,風機的風量決定于冷卻塔的全部空氣動力阻力,而這一阻力等于風機的全風壓。風機的工作點以風機的特性曲線與冷卻塔的空氣動力阻力性能曲線的交點來表示。

      通風阻力計算分經驗公式和同型塔實測數據計算兩種。在冷卻塔設計計算中,基本上均采用經驗公式計算。機械通風冷卻塔內通風總阻力等于各部件阻力的總和按式(7-1 )計算。

      各部件的阻力計算以下:

      1 )進風口阻力H 1

      設進口平均風速為:V 1 =2150m/s , 總進風量(空氣量) 為G =62000m3/h =17.22m3/s 。 阻力系數ξ1 =0.55 ,空氣表觀密度γg =1.134kg/m3

      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

      按風量G =62000m3/h 和計算所得的通風阻力為H =8.412mmH2O ,風機直徑 =2000mm ,選擇有關風機(玻璃鋼風機或鋁合金風機等)。按式(7-21 )計算電動機額定功率(k W )。

      5. 配水系統設計計算

      配水系統的設計,要求達到冷卻水在整個淋水填料面積上配水均勻,以達到較好的冷卻效果。

      本例題的冷卻水量僅為100m3/h ,故采用管式配水中的旋轉管布水進行設計計算,設計計算的步驟為:

      1 )根據配水流量和開孔孔徑及孔距計算孔口前水壓;

      2 )計算水平推力和旋轉力矩;

      3 )計算配水管末端線速度與旋轉速度。

      1 )基本數據:

      流量:Q =100m3/h

      旋轉布水器直徑(長):D =3100mm

      布水旋轉管根數:n =6 根,每根DN =65m m

      2 )配水管設計

      沿水平方向在旋轉管上開孔,孔口與水平呈45°角(向下傾角),孔口中心距為150m m ,孔口直徑 為=17m m ,單孔面積為f =0.785 ×(0.017 )2 =0.000226856m2 ,單孔流量為q =Q/n =0.0277/60 =0.000462963m3/s ,孔口流速V =q /f =0.000462963/0.000226856 =2.041m/s 。

      開孔總面積為:F =0.000226856 ×60 =0.0136119m2 。

      3 )噴前管內水壓計算

      61 冷卻塔基本尺寸的確定:

      塔體內徑:Φ =3200m m ;

      風筒內徑:Φ2 =2100m m ;

      進風口(窗)高度:h 1 =700m m ;

      填料高度:h 2 =1000m m ;

      填料頂至配水管下緣:h 3 =300m m ;

      配水管下緣至收縮段:h 4 =300m m ,其中包括12.5m m 的除(收)水器高度。

      收縮段高:h 5 =700m m ;

      風筒高:h 6 =600m m ;

      塔體總高度:H =Σhi =4650m m 。

      淋水填料及收(除)水器:

      采用塑料斜波交錯填料,規格為55 ×1215 ×60°-1000 型,片厚為δ=0.2~0.3m m ,比表面積為330m2/m3 ,空隙率為0.96~0.95 , 波紋傾角60°, 每層高為250mm (25cm ),共4 層為1000m m 。

      除水器選用普遍采用的單(或雙)波塑料(或玻璃鋼)收水器,用鋼筋穿孔、螺母固定連接。

      進、出塔水管:

      選用鋼管或球墨鑄鐵管,進水管直徑為D N =150m m ,則過水斷面積為0.785 ×(0.15)2 =0.017663m2 ,Q =0.0277m3/s,得管內流速V1 =Q/f =0.0277/0.017663 =1.573m/s 。

      出塔管可選用與進塔管直徑相同,如選用DN =200m m ,則過水斷面積為0.0314m2 ,管內流速V 2 =0.885m/s 。

      7. 水泵需要的壓力(揚程)H :

      水泵所需要的揚程(壓力)有以下部分組成: H =H 0 +Σ h s +Σh d +h (7-35 )

      式中。1 )H 0 是熱水池最低水位至塔內配水管的凈高度,稱凈揚程;

      2 )Σh s 是從水泵吸水管至壓水管整個管路長度沿程水頭(壓力)損失的總和;

      3 )Σh α 是指水泵吸水管及壓水管上底閥、單向閥、閘閥、彎頭、三通、漸縮管等局部壓力損失的總和;

      4 )h 是富余水頭(壓力),中、小型塔一般考慮4~6m 。

      現假定條件與有關參數以下:

      設地面標高為±0.00 ,水泵在熱水池吸水的最低水位為-3.50m ,冷卻塔設在二樓平頂上,平頂標高為+6.60m ;管路長度見平、立圖中標出的尺寸(圖7-14 ),按管路總長度計算沿程水頭損失;局部阻力損失依序為吸水管底閥、閥門、單向閥、四只90°彎頭、分配管入口、孔眼出口等,F分別計算以下:

      1 )凈揚程H 0 : 最低水位距地面為3.5m ,地面至二樓頂為6.6m ,二樓頂至配水管高度為(1 +0.7 +1 +0.3 )=3.0m ,則得凈揚程為: H 0 =3.5 +6.6 +3.0 =13.1m

      2 )沿程水頭(壓力)損失h s : 假設水泵吸水管徑與壓(出)水管管徑相同,均為D N =150m m ,則沿程管徑、流量、流速均沒有變化,就不存在分段計算,就簡便了。 按平、立圖計,管路的總長為: L =Σl =4.0 +6.5 +7.5 +7.0 +3.0 =28m

      其水力坡度計算水頭損失的計算公式為:

      按式(7-40 )、(7-41 )公式計算已制成鋼管、鑄鐵管水力計算表;按式(7-42 )公式計算已制成鋼管、鑄鐵管A 值表。一般設計計算時,不按上述公式進行計算,而是根據Q、 DN、V 查水力計算表得1000i 換算而得。

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

      式中 ξ——局部阻力系數(查表)。其他符號同前。


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



      根據上述計算得hd 為: h d =Σh di =0.76 +0.025 +0.95 +0.64 +0.363 +0.067 +1.25 =4.055m 考慮管道系統的腐蝕、結垢等使粗糙系數n 值增大及計算漏項等誤差,故選擇泵時考慮安全富余水頭為4m ,則水泵所需要的揚程(壓力)為: H =H 0 +Σh s +Σ h α +4 =13.1 +1 +4.055 +4 ≈ 22.2m 即為2.22kg/cm2 。

      選用IS100 -80 -100A ,單級單吸懸臂式離心泵,其主要參數為:在高效段范圍內,Q =58~112m3/h ,H =27~22m ,當Q =100m 3/h ,H =23m 。

      電機功率:N =11k W ,型號:Y160 M1-2 η=77 %,轉速n =2900r/min 。

      5 )風機電機功率計算:

      采用水輪機推動風機轉動,則可節省2.2k W 。計算得N =2.2k W ,則選用電動機功率應N > 2.5k W 。

      大型機械通風冷卻塔設計計算

      1. 設計的主要參數(按當地氣象參數)

      干球溫度:θ=25.7 ℃;

      濕球溫度:τ=22.8 ℃;

      大氣壓力:P a =745m m H g ;

      進塔水量:Q =4560m 3/h =1.2667m 3/s ;

      進塔水溫:t 1 =40.2 ℃;

      出塔水溫:t 2 =32 ℃;

      進、 出塔溫差:Δt =40.2 ℃-32 ℃=8.2 ℃;

      冷幅高:Δt′=32 ℃-22.8 ℃=9.2 ℃;

      冷卻熱負荷:4560 ×1000 ×8.2 =3.7392 ×107 kcal/h ,即提供的風量應吸收3.7392 ×107 (冷卻能力)kcal/h 的熱量。

      2. 熱力計算:

      1 )計算交換數N 值:

      Δt =8.2 ℃;t m =(40.2 ℃+32 ℃)/2 =36.1 ℃,查第6 章中圖6-2“K 值與冷卻水溫t 2 關系圖”,當t 2 =32 ℃時,得K =0.94 。 由第5 章中圖5-3“空氣含熱量曲線圖”查得飽和空氣焓為:

      t 1 =40.2 ℃時,i″1 =40.8kcal/kg ;

      t m =36.1 ℃時,i″m =33.1kcal/kg ;

      t 2 =32 ℃時,i″1 =26.8kcal/kg ;

      進塔空氣θ=25.7 ℃時,其焓i 1 =20.6kcal/kg 。

      按水氣比Q /G 值,分3 個假定數求交換數(冷卻數)N ,Q /G =2 ,Q /G =1.7 ,Q /G =1.1 。按第5 章闡述的塔內任一點溫度為t 的相應空氣焓的計算式為:i =i 1 +(t -t 2 )λ,分別計算3 個Q /G 值時的i 2 和i m 值。

      按焓差法近似積分法,當Δt < 15 ℃時,可用下式簡化計算交換數N 值:

      式中 Δt——進、出水塔水溫差(℃);

      i″1 -i 2——進塔水溫下飽和空氣焓與出塔空氣焓i 2 的差(kcal/kg );

      i″m -i m——進出塔平均水溫下的飽和空氣焓與出塔的平均空氣焓的差(kcal/kg );

      i″2 -i 1——出塔水溫下的飽和空氣焓與進塔空氣焓的差(kcal/kg )。

      計算結果見表7-9 。

      Q /G =2 時N 值:

      2 )求氣水比及計算風量G

      將表7-9 中3 個N 值在圖7-15 上按G /Q 值找到3 個點,繪成N、G /Q 曲線。采用的填料為蜂窩填料d20 ,Z =10 ×100m m 特性數曲線繪在同一圖上交于P 點,得氣水比λ=0.77 。按P 點水氣比Q /G =1/0.77 ≈ 1.3 。按水氣比為1.3 求交換(冷卻)數得N =1.134 (計算略)。 G =λ·Q =0.77 ×4560 =3511.2t/h

      式中1.145 為進塔空氣表觀密度,由濕空氣焓濕圖查得相對濕度Ф=0.8 ,再查濕空氣表觀密度計算圖得γ=1.145kg/m3 。

      3 )冷卻塔橫截面(斷面)面積估算

      通過冷卻塔填料內的風速一般為:

      噴水式或點滴式:1.3~2.0m/s 。

      薄膜式:2.0~3.0m/s 。

      現采用六角蜂窩填料,基本上薄膜式,故塔內風速為V =2.2m/s,則塔所需要的面積為:

      塔內濕空氣的密度=0.98 ×1.145 =1.13kg/m3 (0.98 是考慮空氣進入塔內,溫度升高及分布不均勻等的系數)。

      式中 δ——風筒出口速度分布不均勻系數;

      ξP—— 出風口阻力系數。

      L /D 0 < 1 ,查有關圖表得δ=0.48 ,ξ=1

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

      =10.579 ≈ 10.6mmH2O

      4. 選用風機:

      G =2.3m3/s 換算成表觀密度為1.2kg/m3 空氣流量:

      根據H =10.6mmH2O ,風量G =201m3/s ,選用30E2-11-NO47 鋁合金軸流風機,其主要參數為:

      葉片個數:4 片;

      安裝角度:10~25°;

      減速機:蝸輪蝸桿;

      聯軸節:彈性聯軸節;

      效率:50 %~70 %;

      風量:50~230m3/s;

      風壓:6~21 (kg/m2 );

      轉速:n =190r/min 。

      本題風機安裝角度為α=21°;

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

      采用N > 45k W 的電機。 采用管式固定式或槽式配水,計算略。













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