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      冷卻塔設計計算的基礎資料(總)

      發布日期:2017-01-20   點擊數: 1927

      冷卻水量

      冷卻水量Q 是設計的主要資料之一和設計的主要對象,決定冷卻塔塔體的大小,因此應盡可能地統計準確。按要求,一般為±5 %,但多數是留有適當余地,以適應水量增加的需要。

      冷卻水溫(Δt )

      進冷卻塔的熱水溫度為t 1 ,經冷卻后的出塔水溫為t 2 ,則水的冷卻溫度Δt =t 1 -t 2 。Δt 的大小決定于塔的形式和大小、采用的通風方式和填料等。應由生產工藝根據水所冷卻的設備和產品的特性,經熱工計算后確定。最重要的是確定生產工藝過程的最佳溫度t 0和冷卻塔出水溫度t 2 ,如果t 0 確定后,選擇較低的t 2 值,則可使熱交換設備尺寸減小,而使冷卻塔尺寸增大;如果增大t 2 值或t 2 值不變,增大t 0 -t 2 值,則使t 0 值升高,對生產或產品造成不利影響。

      氣象參數

      1. 干球溫度θ(℃)。

      2. 濕球溫度τ(℃)或相對濕度 。

      3. 大氣壓力P (m m H g 或atm )。

      4. 風速(m/s)、風向。

      5. 冬季最低氣溫。

      空氣干、濕球溫度是冷卻塔熱力計算的主要依據之一,各地的氣象參數不同(卻θ與τ不同)。故按不同的地方(區)冷卻塔設計采用的θ和τ也不同。相同的是:θ與τ均以近期連續不少于5 年,每年最熱時間的3 個月頻率為5 %~10 %的晝夜平均θ與τ作為依據。


      冷卻塔淋水填料的試驗與運行資料

      主要是淋水填料的熱力特性和阻力特性,以便按經驗公式(或圖表)計算容積散質系

      這些計算公式及符號在前幾章中已詳細闡述,這里不重述。

      冷卻塔設計計算內容


      冷卻塔的設計計算內容應包括熱力計算、配水系統水力計算、通風阻力計算及塔體結構計算等。由于塔體結構(主要是鋼結構)專門由搞結構工程技術人員設計計算,故這里不進行討論。以下進行分別論述。

      熱力計算

      冷卻塔熱力計算的任務

      1. 已知水負荷和熱負荷,在特定的氣象條件下,根據冷卻要求,確定冷卻塔的淋水面積及所需要的淋水裝置的冷卻表面積或一定結構的淋水裝置容積。

      2. 已知冷卻塔的各項條件,驗收在給定的水負荷、熱負荷及氣象條件下,冷卻后水的溫度或淋水密度。

      熱力計算的基本方法

      熱力計算分為理論計算法和經驗計算法兩種。理論計算法按冷卻過程方程式求解,方法有:近似積分法、梯形近似積分法、拋物線積分法和平均焓差法。主要是近似積分法和平均焓差法。如第6 章所述,這兩種熱力計算方法已作了較為詳細的論述,包括橫流塔的平均焓差法熱力計算方程,并附有熱力計算實例。在水溫差Δt < 15 ℃時,可采用平均焓差法計算,當Δt ≥ 15 ℃時,為滿足精度,可采用近似積分法計算。

      理論計算法中的熱力學基本方程式及干、濕空氣焓、熱量系數K 等計算公式,在第5 、6 章中已進行了詳細論述,這里不再重述。

      經驗計算方法是根據實際的試驗資料,主要是各種淋水裝置(填料)的熱力特性和阻力特性,編制成經驗冷卻曲線及公式進行計算,亦在第5 、6 章中已論述。

      理論計算與經驗計算的過程和計算公式的應用,本章中將結合設計計算例子展開。

      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,以確定風筒內高度或選用適當的風機。

      在冷卻塔的工作條件下,風機的通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。風機的工作點可用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。

      通風阻力計算的方法有:按經驗公式計算和采用同型塔實測數據計算。

      經驗公式

      經驗法是將塔內各部件進行單獨計算阻力,各部件阻力之和為全塔總阻力,在此計算中沒有考慮各部件之間的相互影響。但實際上,塔內各部件緊密相關,互有影響,因此必然會造成計算上的誤差,使計算的總阻力往往偏小,按這樣計算結果選用風機,在實際運行中,風量往往達不到設計要求。在新塔設計時,應盡可能采用相似同型塔的實測總阻力系數或進行專門的模型試驗以求得較精確的數據來進行新塔的空氣動力設計。

      經驗公式通風阻力計算分機械通風冷卻塔和風筒式(自然通風)冷卻塔,后者關系不密切,故這里主要討論機械通風冷卻塔的阻力計算。

      1. 通風阻力 機械通風冷卻塔內通風總阻力等于塔內各部件阻力的總和。

      式中 hi ———各部件的氣流阻力(kg/m2 或mm H2O );

      ξi ———各部件的阻力系數;

      W i ———氣流通過冷卻塔各部件的風速(m/s );

      γm ———冷卻塔內濕空氣的平均密度(kg/m3 ),γm =0.98γ1 ;

      γ1 ———進入冷卻塔的空氣密度(kg/m3 );

      g ———重力加速度(9.81m/s2 )。

      m m H 2 O 與壓力之間的關系為:1 個工程大氣壓=1kg/cm2 =10000kg/m2 ,壓力的單位?捎盟蛩y柱高度表示,10m H2O 高度=1個工程大氣壓=1kg/cm2 或1m m H2O=1kg/m2 。則1 個大氣壓=760m m H g =10000 ×760/735.5 =10333kg/m2 =1.0333 kg/cm2 =1.0333 工程大氣壓。則通風的總阻力用壓力表示為:

      式中符號同式(7-1 )。

      機械通風冷卻塔各部件的局部阻力系數ξi 的計算公式如下:

      塔進風口阻力系數:ξ1 =0155 。

      導風裝置:

      式中 q ———淋水密度(m3/(m2 ·h ));

      l ———導風裝置長度(m )。

      淋水填料處氣流轉彎:

      ξ3 =0.5 淋水填料支撐梁的阻力系數:

      式中 F0 ———淋水填料中氣流通過的有效面積(m2 );

      F5 ———氣流通過的淋水填料支撐梁處凈通流面積(m2 );

      淋水填料進口突然收縮:

      式中 F1 ———淋水填料的截面積,等于塔體內橫截面積(m2 );

      淋水填料:

      式中 ξ0 ———單位高度淋水填料阻力系數;

      kq ———系數,查“各種淋水填料阻力系數ξ的試驗數據表(給水排水設計手冊4 ,附表3 );

      h1 ———淋水填料高度(m ),一般采用試驗資料(已包括進口突然收縮和出口突然放大的阻力);

      風機進風口漸縮管形,按不同進口條件計算,見圖7-2 中(a )、(b )、(c )三種條件。錐形收縮的阻力系數ξ10 可查表7-1 :塔頂圓弧收縮與風筒相接ξ10 可查表7-2 ;塔體與風筒圓弧光滑曲線連續阻力系數按下式(7-10 )計算:

      水填料支架的阻力系數。

      (4 )公式(7-10 )適用于塔體與風筒圓弧光滑曲線連接(多用于玻璃鋼冷卻塔),當塔頂圓弧收縮與風筒相接時,可通過查表7-1、 7-2 得ξ10。

      2. 冷卻塔的風速

      冷卻塔中的風速是影響冷卻塔設計的主要因素之一。風速過大,雖然可增加熱交換強度,但相應增大了通風阻力。風速與阻力應進行統一考慮與平衡,使之達到較好的技術和經濟效果。

      機械通風冷卻塔的風速,可由下式(7-13 )計算確定。

      式中 G——空氣量(m3/h ),由風機特性曲線高效區查得;

      Fi ——氣流通過冷卻塔各部件的截面積(m2 )。

      在未確定通風機型號時,通過冷卻塔填料內的風速一般為:

      噴水式或點滴為:1.3~2.0m/s ;

      薄膜式為:2.0~3.0m/s 。

      采用同類塔的經驗數據

      實踐表明,采用經驗公式計算有一定誤差,而采用圓形冷卻塔的實測總阻力系數則較為合理。但只有當新設計的冷卻塔的結構與實際使用的冷卻塔近似時,采用實測數據作為參考才有一定精度。若干冷卻塔的實測數據見表7-4 ,可供參考。通風阻力公式為:

      式中 ξ——總阻力系數;

      其余符號同前。

      【例】求機械抽風逆流式冷卻塔的空氣動力阻力。已知條件以下:

      冷卻塔面積F 1 =8 ×8 =64m2 ,采用斜波交錯淋水填料,填料高度1.5m ;

      淋水密度q =10m3/(m2· h );

      濕空氣平均密度γm =1.15kg/m3 ;

      導風裝置長度L =4m (取1/2 塔的長度);

      進風口斷面面積Fz =32m2 ;

      配水裝置中氣流通過有效截面面積F3 =51.4m2 ;

      除水器中氣流通過有效截面面積F2 =40.7m2 ;

      風筒收縮后截面積F4 =17.35m2 ;

      風機為03-11NO47 型;

      空氣(風)量G =120m3/s。

      【解】計算的通風阻力見表7-5 。

      通風機的選擇

      1. 使用工況(溫度、大氣壓、介質表觀密度)

      當在非標準狀態時,風機所產生的風壓、風量和軸功率等均應按表7-6 中的公式換算。

      7-6 式(7-16 )~式(7-20 )的符號為:

      G——空氣流量(m3/h );

      H——全壓(mmH2O);

      N——軸功率(k W );

      n——轉數(r/min );

      t ——溫度(℃);

      P ——大氣壓力(mmHg );

      γ——表觀密度(kg/m3 )。

      2. 電動機的軸功率。

      式中 G——空氣流量(m3/h );

      H——全壓(mm H2O );

      η——全壓效率;

      ηs ——機械效率,電機直接驅動ηs =1 ;

      聯軸器驅動ηs =0.98 ;

      三角皮帶傳動ηs =0.95 ;

      K——電機表觀密度安全系數,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. 選擇風機注意要點:

      1 )根據空氣性質,工作環境條件(如易燃、易爆、腐蝕性氣與水、潮濕等),選取不同性質符合要求的風機,如防腐蝕可選用玻璃鋼風機。

      2 )根據所需的風量、風壓(包括系統中的阻力特性)確定風機的類型、性能曲線及特征數據,選用所需要的風機。

      3 )選擇風機時,如系統連接不夠嚴密,會造成漏風,或阻力計算不夠嚴密,則計算空氣量必須考慮安全系數,一般取5 %~10 %。

      4 )工程中對噪聲有一定要求的,應選用低噪聲風機。 (5 )在滿足設計風量的前提下,盡可能選用重量輕、轉速低、耐水滴沖刷、安裝角度調幅大等的風機。

      配水系統

      管式配水

      1. 固定式管式配水

      1 )配水管起始斷面的流速一般不大于1~1.5m/s,配水系統水流總阻力不宜大于0.5m 。

      2 )盡可能利用支管使配水管連通成環網。環形布置配水管道水壓較均衡,配水均勻性相對較好。

      3 )配水干管的末端必要時應設排污及放空管。

      4 )噴嘴應選用結構合理、流量系數大、噴濺均勻和不易堵塞的形式。噴嘴的布置和工作壓力,除應滿足淋水填料的配水要求外,并應考慮盡量減少壁流并降低循環水泵的供水水頭。噴嘴的規格及性能見表7-7 。每個噴嘴的出水量可按下式計算:

      式中 H——噴嘴前水壓(m );

      Au——流量系數,見表7-7 。

      單旋流直流式、雙旋流直流式、反射式、靶式、固定濺水碟等噴嘴前水壓一般宜采用4~7m 。盡可能避免槽式配水,因配水槽占用冷卻塔斷面積較大,則不僅阻力大,而且使塔內氣流不均勻。

      單旋流直流式噴嘴布水均勻,中空現象少,這種噴嘴現有產品有4 種規格,見表7-8 ,流量特性見圖7-5 。 反射型噴嘴基本型號有反射Ⅰ 型、反射Ⅱ 型和反射Ⅲ 型。Ⅰ 型主要用于橫流式冷卻塔池式配水,也可用于逆流式冷卻塔管式配水。Ⅱ 型主要用于逆流式冷卻塔槽式和管式配水。反射Ⅰ 型和Ⅱ 型噴嘴流量及水壓特性見圖7-6 ,這兩種噴嘴布水均勻性較好,安裝方便,要求水壓低。這種形式噴嘴的噴口與濺水碟距離加長后有反射Ⅰ-1 型、反射Ⅱ-1 型兩種噴嘴,其噴嘴流量及水壓特性曲線見圖7-7 。

      反射Ⅰ-1 型、反射Ⅱ-1 型噴嘴流量特性式為:

      式中 ——噴嘴出口直徑(m m );

      H——噴嘴出口截面水深(m )。

      該噴嘴流量特性也可由圖7-7 查得。

      靶式噴嘴造型工藝較簡單,水力特性也較差,在靶下直徑近200 mm 處中空無水,其水力特性見圖7-8 。套管 22 靶式噴嘴水力特性見圖7-9 。固定濺水碟式噴嘴有大噴嘴( 28、 30、 32 mm )和小噴嘴( 20、 22、 24 mm )兩種。大噴嘴套管較短、管徑較大,適用于高水壓管式配水;小噴嘴套管較長,管徑較小,適用于低水壓及槽式配水。

      這種噴嘴的水力特性為:

      2. 旋轉式管式配水

      1 )計算步驟:

      1 )根據配水流量和假定開孔(或縫)的孔徑和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(最大)線速度和旋轉速度。

      旋轉配水管系統由接管(連接進水管及安裝軸承)、軸承(承受配水器全部重量,由軸承箱和兩個錐形軸承及蓋板組成)、密封箱(用以連接配水器旋轉部件與固定部件的密封作用)和配水管組成。冷卻水通過進水管引入接管內,流入配水管,然后通過配水管上的縫隙形成水簾或經配水管的管嘴形成股流,噴在濺水板上或水簾,灑于冷卻塔內填料上。

      2 )計算:

      1 )旋轉管布水孔口前的水壓力H :

      3 )為使整個冷卻塔斷面上獲得均勻配水,旋轉管上的配水孔一般可用不等間距開孔布置,越接近于旋轉管末端,孔眼間距越小,也可以采用不同寬度的斜長條形噴水口。目的是使旋轉布水器的轉速和孔口設計在塔的整個填料斷面上形成均勻連續的配水。轉速過低,對配水的均勻性不利,而轉速過高,水滴會向四周飛濺,造成壁流,影響冷卻效果。配水管根數,小塔一般為4~6 根,大塔為6~12 根,為偶數組合。 (4 )配水器的轉速也可通過旋轉配水管上出水孔的角度進行調節。

      5 )在圓形逆流式玻璃鋼冷卻塔中,有在旋轉布水器水管上加裝濺水板,濺水板的作用為:

      1 )使配水管噴水成片狀均勻分布。

      2 )收集部分噴濺在淋水填料面上的水滴。 加濺水板后,所需水壓比不加濺水板約大3 倍左右。就是說,在相同水壓力作用下,加濺水板后,配水器的轉速降低了。

      6 )旋轉布水方式多用于逆流式小型圓塔,由于噴口口徑較小,應注意采用措施以預防阻塞。

      槽式配水

      配水槽計算一般按照流速確定水槽斷面,計算槽中水力坡度。

      1. 水槽流速 主水槽起始斷面流速為0.8m/s 左右,槽內流速一般為0.8~1.2m/s ;配水槽起始斷面流速0.5m/s 左右,槽內流速一般為0.5~0.8m/s 。

      2. 水槽尺寸

      1 )當進入冷卻塔的流量為設計流量時,配水槽內的水深應大于濺水噴嘴內徑的6倍,且不得小于0.15m 。 (2 )當進入冷卻塔的流量為60 %設計水量時,配水槽內的水深應大于0.05m 。

      3 )在可能出現超過設計水量的情況下(一般按110 %設計水量計),配水槽不應產生溢流。在設計水量時,槽壁超高不應小于0.10m 。

      4 )配水槽的斷面凈寬不應小于0.12m 。

      5 )為施工方便計,主水槽和配水槽底均宜水平設置。

      水槽連接處應圓滑,水流轉彎角應合理。一般不大于90°。按上述流速確定的水槽斷面,運行中水槽的水位差一般僅為0.05m 左右,靠水面坡降可正常運行。

      3. 水力坡度

      槽內阻力損失



      池式配水

      1. 池式配水應符合以下要求:

      1 )池內水流平穩,在設計水量時,配水池內的水深應大于濺水噴嘴內徑或配水底孔直徑的6 倍,且不得小于0.15m 。

      2 )池壁超高不宜小于0.1m ,在可能出現的超過設計水量情況下(一般按110 %設計水量)不會產生溢流。

      3 )池底宜水平設置,池頂宜設蓋板或采取防止光照下滋長菌藻的措施。

      2. 通過孔口或噴嘴的流量計算

      3. 配水池的孔口數:


      式中 Q——配水量(m3/h )。

      在中小型橫流式冷卻塔中多采用孔板配水系統?装迮渌到y的關鍵是合理地選擇布水孔孔徑和池中有穩定的水位,一般在配水池中設有穩壓箱保持孔板上有穩定水面。要使配水均勻,最好孔數多些;但孔數過多,孔徑過小則熱變形影響大、容易堵塞和加工麻煩。

      設計計算舉例

      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。

      冷卻塔尺寸的選擇

      根據前人對一系列冷卻塔空氣動力特性的模型試驗和塔實體試驗,并根據一些文獻資料,可確定冷卻塔及其部件尺寸的比例,用于冷卻塔的設計中。

      冷卻塔塔體形狀對風阻力的影響

      試驗證明:單只(臺)冷卻塔平面圖形較合理的是圓形塔或接近于圓的多邊形塔,多格(臺)組合冷卻塔可采用正方形或矩形,其邊長比不大于4 ∶3 。在此情況下單格冷卻塔的氣體動力阻力與多格的相比,在其他條件相同時,要小10 %~20 %。對于同樣面積的冷卻塔,其平面形狀對阻力系數的影響見表7-10 。其中8 邊形冷卻塔的阻力系數取100 %為相對值計。

      冷卻塔進風口尺寸

      進風口的尺寸可由風口面積FW 與塔內橫斷面面積F 的比值來求得(KW =F/FW )。為確保淋水裝置下的截面處的空氣均勻分布,以及降低進風口的氣體動力阻力,同時考慮到技術經濟的因素,機械通風冷卻塔KW 不宜小于0.5 ,風筒式冷卻塔不宜小于0.4 。進風口高度H W 的確定為: 對于單格(臺)直徑為D 的圓形塔,按下式計算:

      對于分格的邊長為a ×b ,雙面進風的矩形塔,進風口高度為:

      冷卻塔填料裝置高度

      淋水填料裝置的高度,在每臺塔具體情況下均在技術經濟核算的基礎上選用確定,而技術經濟核算是按不同淋水填料裝置的試驗數據或按熱力計算的結果而定。

      在相同氣象參數、相同冷卻水量和相同進出塔水溫條件下,不同填料其安裝高度也不同;相同條件下,橫流塔與逆流塔的安裝高度也不同。決定填料高度的主要因素是冷卻水溫差(即Δt =t 1 -t 2 ),對于圓形逆流式冷卻塔、采用塑料斜波交錯填料來說,一般為:

      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 )

      冷卻塔淋水裝置與配水系統間的距離

      淋水填料與配水系統之間的高度(距離)主要要滿足和達到均勻配水。不同的配水系統和配水方法,距淋水填料高度各不相同;另外大塔與中小型塔也不同,大塔因維護、修理等,該距離遠大于小塔。

      對于管式配水來說,用于小型冷卻塔的旋轉式管式配水,距淋水填料距離一般為300~ 400m m (0.3~0.4m );對于固定式管式配水,噴嘴出口至淋水裝置面為500~800mm (0.5~0.8m )。對于槽式配水,管嘴距濺水碟的距離一般為0.5~0.8m ;為保證噴嘴噴水的最大直徑,噴嘴至淋水填料的距離可取0.8~1.0m 。

      冷卻塔收水器與配水系統的距離

      逆流式機械通風冷卻塔采用管式配水時,收水器安裝在配水管之上;當采用槽式配水系統時,可將收水器設置在配水槽中間或配水槽之上。收水器的安裝高度主要決定于收水效果,距配水裝置的距離并沒有明確的要求。對于偏小型的圓形逆流式機械通風冷卻塔,收水器至配水裝置的距離一般為≥ 0.3m (300m m );對于大型機械通風冷卻塔,收水器較合理的布置是在配水裝置以上2m ,主要是便于維護和修理,特別便于清洗及更換噴嘴時能自由通過。

      冷卻塔收水器與風機的距離

      風機一般安裝在風筒的始端,收水器可安裝在收縮段下端或收縮段中,設在收縮段以下,通過收水器的風速相對較小,則風的阻力也;設在收縮段時,通風斷面積減小,風速增大(因風量G 值沒有變),不僅風的阻力增大,而且收水效果也差。故收水器盡可能設在收縮段以下。

      冷卻塔收縮段的高度

      塔體與風筒之間,目前有塔頂蓋板為平板(如組合方塔)和收縮段兩種設計,試驗和研究表明:收縮式(段)蓋板比平頂蓋板有較好的空氣動力條件。無論塔頂平板距淋水填料高度有多高、多大,塔的上部均會造成渦流及滯流區。而收縮式的塔頂能保證空氣流平穩地被壓縮而進入風筒,故應采用收縮段為妥。

      冷卻塔收縮段的頂角一般采用90°~110°,同時收縮段的高度與其底面直徑(塔體內徑)之比為0.2 或稍大。在實際計算時,在給定的頂角Ф,收縮段高度H s 可按式(7-47 )計算:

      式中 D ——單格(臺)塔內徑(m m 或m );

      Db ——風機直徑(m m 或m );

      Ф——收縮段頂角(度)。

      收縮段與風機殼體(風筒)的連接,較好的是采用導流圈的形式,能使氣流平穩地進入風機殼體。但實際上采用式(7-48 )計算r 為半徑的圓弧連接線描繪導流圈,已能得到足夠均勻的速度場。

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

      導流圈高度可按式(7-49 )計算:

      冷卻塔風筒或擴散筒高度

      1. 風筒高度:

      風筒分垂直式的和擴散式的兩種,垂直式的直圓風筒高度沒有一個統一的標準,由環境條件、出風氣流對進風口環流的影響及風機噪聲對周圍環境的影響等因素決定。當采用圓弧形或近似直角形的大型塔的風機進風口來說,風筒高度為1.5~3.0m 的直圓筒。通常風筒高度不小于風機直徑的20 %~30 %(即> 0.2Db~0.3Db ),如前面設計計算的100m3/h 逆流式冷卻塔,直圓形風筒高為600 +50 =650mm、風機直徑為2100m m ,則風筒高度占風機直徑的30.95 %≈ 31 %。

      2. 擴散筒高度

      設擴散筒的基本作用是減少空氣從塔中流出時,因撞擊引起的阻力損失,防止從風筒流出的濕熱空氣回流到進風口和減少風機噪聲。因擴散筒會影響風機的效率,因此,選擇擴散筒尺寸時要進行風機的空氣動力計算。

      設擴散筒的風筒高度由兩部分組成:一部分是安裝風機的直圓筒,另一部分是擴散筒。安裝風機的直圓筒部分高度,按風機說明書確定。設計時如無說明書,這部分高度可取0.16D b (以能在筒體內布置風機葉片并能調整風機葉片前的風速分布為前提); 擴散筒的圓錐角( 亦稱中心展開角)為10°~18°(見圖7-16 ),其高度不宜小于風機的半徑, 常采用0.7Db ( 風機直徑)。按公式計算為:

      此式基本上與式(7-48 )相同,式中符號尺寸不同: D1——風機處風筒直徑(m );

      D0——擴散筒出口直徑(m );

      α——擴散筒圓錐角;

      L ——擴散筒高度。




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