冷却塔的热力计算

冷却塔的热力计算冷却塔的任务是将一定水量Q，从水温t1冷却到t2，或者冷却△t＝t1－t2。因此，要设计出规格合适的冷却塔，或核算已有冷却塔的冷却能力，我们必须做冷却塔的热力计算。为了便于计算，我们对冷却塔中的热力过程作如下简化假设：（1）散热系数，散质系数v，以及湿空气的比热c，在整个冷却过程被看作是常量，不随空气温度及水温变化。(2)在冷却塔内由于水蒸气的分压力很小，对塔内压力变化影响也很小，所以计算中压力取平均大气压力值。（3）认为水膜或水滴的表面温度与内部温度一致，也就是不考虑水侧的热阻。(4)在热平衡计算中，由于蒸发水量不大，也可以将蒸发水量忽略不计。(5)在水温变化不大的范围内，可将饱和水蒸汽分压力及饱和空气与水温的关系假定为线性关系。冷却塔的热力计算方法有焓差法、湿差法和压差法等，其中最常用的是麦克尔提出的焓差法，以下简要介绍冷却塔的焓差法热力计算。麦克尔提出的焓差法把过去由温度差和浓度差为动力的传热公式，统一为一个以焓差为动力的传热公式。在方程式中，麦克尔引进入刘易斯关系式，导出了以焓差为动力的散热方程式。dVhhdHtxvq0（1）式中：qdH——水散出热量；xv——以含湿差为基准的容积散质系数kgkgsmkg//3；th——温度为水温t时饱和空气比焓(kgkJ/)；0h——空气比焓(kgkJ/)。将式（1）代入冷却塔内热平衡方程：nwwqtdQcQdtcdH（2）式中：qdH——水散出热量；wc——水的比热C/Jokgk；Q——冷却水量(s/gk)；uQ——蒸发水量(s/gk)t——水温度（℃）并引入系数K：mwumuwrtcQrtQcK2211式中mr——塔内平均汽化热（kgkJ/）经整理，并积分后，可得冷却塔热力计算的基本方程式：120tttwxvhhdtcQvK（3）上式的左端表示在一定淋水填料及格型下冷却塔所具有的冷却能力，它与淋水填料的特性、构造、几何尺寸、冷却水量有关，称冷却塔的特性数，以符号愿'表示，即：QVKxv'（3）式的右端表示冷却任务的大小，与气象条件有关，而与冷却塔的构造无关，称为冷却数(或交换数)，以符号'表示，也即：120tttwhhdtc由于水温不是空气焓的直接函数，直接积分有困难，所以，在求解冷却数的时候，一般均采用近似积分方法。积分的方法很多，有辛普逊积分法、平均推动力法、切比雪夫积分法、对数及算术平均焓差法，以及不少的经验曲线与图表，这里只介绍美国冷却塔协会(CTI)所推荐的切比雪夫积分法。切比雪夫积分法为美国冷却塔协会(CTI)所推荐，在美国及日本均被采用。这种积分方法是将积分式baydx，在x轴上a到b之间求出几个预定的y值，某y值的总和乘恒定值b－a，便为所求的积分值。其分点为b－a的0.102673倍、0.406204倍、0.593796倍及0.897327倍。求其4个分点相应的y值。为计算简化，小数点后取一位，则为b－a的0.1倍，0.4倍，0.6倍及0.9倍。其计算公式为：12tttwhhdtc432111114hhhhtcw如果温差较小时，其分点也可以不按上述倍数划分，可将水温差t四等分，求各份中点的焓差，然后代入公式计算。如果按倍数划分时，各分点相应的焓差如下表所示。上述即为一个完整的冷却塔热力计算过程，它既可用于冷却塔的设计计算，也可用于现有冷却塔的核算。在核算已有冷却塔时，已知塔的尺寸及内部部件，水量Q，进水温度t1，大气压力pa，干球温度θ1，湿球温度τ1。则要求计算：出水温度t2，通气量G，出塔空气干球温度θ2，出塔空气湿球温度τ2。冷却塔的设计是一个试算过程，即根据给定条件，选定塔的尺寸及内部部件，然后计算水温t2，使其满足设计要求。因此冷却塔的热力计算即为计算出塔水温t2，同时也计算通气量及排气温度。冷却塔的通风阻力计算在设计新的冷却塔时，首先要选定冷却塔的型式，根据给定的工作条件决定冷却塔的基本尺寸和结构，其中包括淋水装置的横截面面积和填料高度、冷却塔的进风口、导风装置、收水器、配水器等，并选定风机的型号和风量、风压，这样就需要对冷却塔内气流通风阻力作比较准确的计算。1.冷却塔的通风阻力构成冷却塔的通风阻力,即空气流动在冷却塔内的压力损失，为沿程摩阻和局部阻力之和。通常把冷却塔的全部通风阻力从冷却塔的进口到风机出口分为10个部分进行计算，如图所示：1p——进风口的阻力；2p——导风装置的阻力；3p——空气流转弯的阻力；4p——淋水装置进口处突然收缩的阻力；5p——空气流过淋水装置的阻力(摩擦阻力和局部阻力)；6p——淋水装置出口处突然膨胀的阻力；7p——配水装置的阻力；8p——收水器的阻力；9p——风机进口的阻力；10p——风机风筒出口的阻力。冷却塔的通风总阻力:izp（1）2.冷却塔的局部通风阻力计算如前所述，冷却塔总的局部阻力包括进风口、导流设施、淋水装置、配水系统、收水器以及风筒阻力(包括风机进出口)、气流的收缩、扩大、转弯等部分。各局部阻力可按下述公式来计算：gvPiii22i(毫米水柱)（2）式中：i——各局部阻力系数；iv——相应部位的空气流速(米／秒)；i——相应部位的空气比重(公斤／米3)；g——重力加速度。而冷却塔的总局部阻力可写成：gvPhiii22i(毫米水柱)由于气流密度在冷却塔内变化很小，所以在球求解时，各处的密度值均取冷却塔进、出口的几何平均值。气流通过冷却塔各种部件处的速度，可先根据风机特性曲线及热力计算时确定的气水比选择风量G(公斤／时)后，由下式确定：10...3,2,110...3,2,13600FGv冷却塔各部件处局部阻力系数3,2,1值的确定：(1)进风口55.01(2)导风装置式中：Lq25.01.02q——淋水密度(米3／米2·小时)；L——导风装置长度(米)。(3)进入淋水装置处气流转弯：5.03(4)淋水装置进口处突然收缩：cpFF0415.0cpF——淋水装置的截面(m2)。(5)淋水装置ZKqe15式中：e——单位高度淋水装置的阻力系数；K——系数；Z——淋水装置高度(m)。淋水装置的阻力亦可以从试验资料直接查得，若需改变形水装置的尺度时，其阻力降的近似值计算可参阅资料。(6)淋水装置出口突然膨胀2061cpFF(7)配水装置323713.15.0FFFFcpcp式中：3F——配水装置中气流通过的有效截面积(米2)cpF——塔壁内的横截面积(米2)。(8)收水器式中：22228125.0FFFFcpcp式中：2F——收水器中气流通过的有效截面积(米2)；cpF——塔壁内的横截面积(米2)。(9)风机进口9可根据下式确定：cpFF40910——根据0Dl查表取值；4F——收缩后的截面积(㎡)；cpF——收缩前的截面积(㎡)；2sin8124cpFF式中：—摩擦系数；可采用0.03。(10)风机凤筒出口(扩散筒)p110式中：—－风筒速度分布不均匀而影响修正系数，根据0/lD；p——根据0Dl查表取值。由上述计算，我们得到冷却塔的总通风阻力，然后再确认它是否与风机的额定风量下所能提供的风压相适应。如果相适应且又能满足热力性能要求，则该冷却塔的设计计算完成。若不适应就要选用另外的风机或改变冷却塔部件的结构尺寸，重新计算空气的流动阻力，经过多次反复直到既满足风机的风压要求又满足热力性能时为止。冷却塔性能的评价通过冷却塔验收试验或性能试验整理出结果，应对该冷却塔的性能作出评价。评价的指标，决定于所采用的评价方法，有以冷却出水温度2t，或以冷却能力(实测经修正后的气水比与设计时气水比的比值)作为评价指标，也有用其它的评价指标。下面介绍几种目前国内外常用的冷却塔性能评价方法。1.按计算冷却水温评价根据冷却数方程式表示的热力特性和阻力特性，可以综合计算得到设计或其它条件下的冷却水温2t。根据设计条件及实测的热力、阻力特性，计算出冷却水温2t，与设计的2t进行比较，如前者的2t值等于或低于后者的2t值，则该冷却塔的冷却效果达到或优于设计值。2.按实测冷却水温评价通过验收试验，测得一组工况条件下的出塔冷却水温2t，由于试验条件与设计条件的差异，需通过换算方可比较，其比较的方法是：将实测的工况条件代入设计时提供的tqft,,,112性能曲线或设计采用的计算方法和公式，计算出冷却水温2t，如果比实测的2t高，则说明新建或改建的冷却塔实际冷却效果要比设计的好，反之则说明冷却塔效果差。这种用实测冷却水温的评价方法，计算简便，评价结果直感，试验时不需测量进塔风量，易保证测试结果的精度，但需设计单位提供一套tqft,,,112性能曲线(操作曲线)或计算公式。3.特性曲线评价法3.1性能评价应用公式ctddcGQQQ1式中——实测冷却能力；cQ——修正到设计条件下的冷却水量(hkg/)；dQ——设计冷却水量(hkg/)；tG——试验条件下的实测风量(hkg/)；c——修正到设计工况条件下的气水比，由于试验条件与设计条件存在差异，故需将试验条件下所测之数据，修正到设计条件下进行评价。3.2设计工况点的决定在作设计时，根据选定的塔型及淋水填料，可获得该冷却塔的热力特性mA，在双对数坐标纸上便可获得一条f的设计特性曲线，如下图中直线1。根据给定的冷却任务（2111,,,,,ttQp）假设不同的气水比，可获得不同的，将其描绘在图上，便可得冷却塔的工作特性曲线，如上图中曲线2，直线1和曲线2的交点。即为满足设计要求的工况点。3.3试验条件的工况向设计条件修正冷却塔进行验收试验或性能试验时，由于实测进塔空气量G，和设计空气量不可能完全相同，所以获得的直线和上图中的直线1不可能完全相同，而是另外一条和直线1平行的直线3。直线3和曲线2的交点c则表示修正到设计条件下的工作点，C点对应的气水比即为修正到设计工况条件下的气水比c。c点的获得，可由试验得到的冷却数和气水比点绘到冷却塔设计特性曲线图上，得试验点b，过b点作直线3平行于直线1，从而可得到直线3和曲线2交点c。根据试验实测的空气量tG及修正后c点的气水比c，便可得到修正后的冷却水量cQ，即：ctcGQ/将上式代入ctddcGQQQ1便可求得实测冷却能力。如大于90％或95％，应视为达到设计要求；大于100％，应视为超过设计要求。4.美国CTI机械通风冷却塔特性曲线评价法此评价方法与上述的冷却塔性能评价方法基本相同，亦是以实测冷却能力表示的，即：ctddcGQQQ'1所不同的是上式中进塔风量tG'不是直接测定的，而是测定机械通风冷却塔的风机功率，根据风机功率再计算进塔风量。计算公式为：31'dtdtNNGG（kg/h）式中tG'——通过实测风机功率换算的风量(hkg/)；dG——设计风量hkg/)；tN——实测风机功率(kw)；dN——设计风机功率(kw)。风量tG'求得后，其它计算方法均与前所述相同。5.美国CTI机械通风冷却塔操作曲线评价法(1)本法是由试验数据利用操作曲线评价机械通风冷却塔性能的方法，计算结果是以冷却能力表示。(2)设计单位应提供相当于设计冷却水量的90％、100％、110％三组曲线组成的操作曲线图。每组曲线以湿球温度1为横坐标，出塔水温2t为纵坐标，冷却幅宽火力参变数的列线图，如图（系列）所示。冷却幅宽曲线的变量至少要包括设计值，80％设计值和120％设计值三条冷却幅宽曲线。设计点应在曲线图上表示。(3)冷却塔能力的确定。将设计单位提供的性能曲线转化绘制成在试