韓衛國
洛陽石化工程公司給排水專業，洛陽 471003

　　摘　要：逆流式機械通風冷卻塔在理論計算的概念、計算公式方面存在一些模糊之處。本文在計算概念公式方面；塔芯材料運用性方面；在完善塔型研究方面存在的問題進行了探討并提出改進設想。
　　關鍵詞：冷卻塔；熱力；阻力；計算
　　中圖分類號：TU991．42
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009－2455（2000)02－0039-03

　　冷卻塔是循環冷卻水系統必不可少的構筑物，其設計開發也建立起了較為完善的理論體系、積累了豐富的試驗和運行經驗。但是，在實際設計過程中，往往由于人們理解和認識的差異而使冷卻塔在運行中達不到預期效果。本文試從以下幾個方面分析造成這種狀況的原因。

1 正確理解冷卻塔計算理論的概念

　　冷卻塔的計算包括熱力計算和空氣動力計算。
1．1 熱力計算
　　熱力計算通常使用焓差法或經驗法。根據淋水裝置的散熱過程和濕空氣的吸熱過程，建立熱平衡方程，可推導出特性數方程和冷卻數（交換數）方程，求得冷卻數和氣水比。
　　冷卻數方程可利用Simpson積分法計算，其氣水比對應于空氣，即λ干；而特性數方程是填料試驗結果，試驗資料一般不明確人所對應空氣狀態，分析認為，填料試驗得到的特性系數方程N＝Aλm中的人是對應進塔濕空氣而言，可見，兩公式中的氣水比的含意不同。建議在實驗資料整理時使用λ千或利用修正公式把 N＝Mλm中氣水比轉化為人λ干。
　　修正公式：N＝A（λ干／λ濕）mλm
1．2 阻力計算
　　冷卻塔阻力應包括沿程阻力和局部阻力。阻力計算往往忽略沿程阻力而只考慮局部阻力。
　　局部阻力是氣流變化引起負壓造成的比較集中的能量損失。目前一般采用同型塔實測的總阻力系數或利用各部件阻力疊加的方法來進行阻力計算。采用疊加法計算時，存在一些模糊之處。
1．2．1 導風裝置阻力系數計算
　　　　　　　　ζ₂=（0．1+0．025q）L
　　依法求出的阻力為氣流水平方向穿過雨區的阻力，不包括垂向流動的阻力；有些計算僅把L當作導風板長度，認為當不設導風板時L＝0、ζ2=0。
1.2.2 風筒阻力計算
　　風筒擴散段阻力在風機全壓中占有較大比例，而對其計算的認識差別較大。筆者認為宜按《中小型冷卻塔設計與計算》進行計算，即：
　　　　ζ₁₀=（1+δ）ζp
　　δ——風筒內速度分布不均勻影響的修正系數；
　　ζp——由風筒結構尺寸決定的阻力系數；
　　但是，在計算過程中還存在三個問題：
　　①占取值問題：一般可按圖1查出。有些計算誤把橫坐標中的 L／D。當作0.2、0.4、0.6、0.8、1.0來查δ值，例某計算L／D0＝0.46時，取δ=0．25；某￠8．0m風機冷卻塔設計計算中：L／D0=0.6，δ=0．2。

　　②ζp取值問題：大部分參考資料介紹查表法，并在例題中給出廠ζp值；但是，數據表中L／D0≥1，而一般設計L／D0＜1，根本無法直接查出ζp來。
　　③ζ10對應風速問題：《給水排水設計手冊》第四冊擴散段阻力是按風機風筒出口速度來考慮的；
　　《給水工程》(下冊)擴散段阻力僅考慮了風機風筒出口動壓而未考慮風筒內阻力；
　　《冷卻塔》按風機風筒喉部風速及理想擴散管阻力來考慮；
　　《中小型冷卻塔設計與計算》指出擴散段阻力系數是“由風機出口收縮部分氣流速度決定的阻力系數”，不過，其例題中風筒為直出口型。
　　解決上述三個問題的辦法是：首先，可將δ－L/D₀曲線回歸成方程式：δ＝0.5-L/(20D₀)。其次，參考流體力學，擴散段阻力是由風機出口收縮部分氣流速度決定的。第三，可采用下列方法確定ζp值、計算擴散段阻力：
　　① 圖解法：筆者參考一些資料并根據實踐經驗，對不同擴散角α作阻力曲線分析發現：當(20＜1時，一定擴散角范圍內，ζ_p隨擴散角α的增大而縮小，且ζ_p≤1.0。
　　例題　某塔：(20＝0.5，Ｄ0＝9.21 m，α＝14.92°?V₀＝12.0 m／s，V₁＝9.38 m/s。
　　查圖：ζ_p＝0.65
　　δ＝0.5－L／(20D₀)＝0.475
　　ζ₁₀＝(1＋δ)ζ_p＝0.9587
　　則擴散段阻力：
　　△h／γ＝ζ₁₀V₀²／2ｇ＝7.04 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　② 公式法：
　　ζ_p＝ζ_擴＋ζ_出
　　ζ_出＝(F_喉／F_出)²ζ_擴＝λ{[1-(F_喉-F_出)²]+K[(F_喉／F_出)-1]²}/8(sinα/2)
　　式中Ｋ為漸擴緩沖系數，查表計算得：
　　按上例條件計算：
　　ζ_出＝0.61127?ζ_擴＝0.0278?ζ_p＝ζ_擴＋ζ_出＝0.64
　　ζ₁₀＝(1＋δ)?　ζ_p＝0.944
　　則擴散段阻力：
　　△h／γ＝ζ₁₀V₀²＝6.93 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　③ 分算法：所謂分算法即分別計算風筒局部阻力和風筒出口動壓，并進行風筒內風速分布不均勻調整。仍以上例計算說明：
風筒局部阻力：即漸擴引起的阻力：
　　其中：ζ₁＝0.03328
　　△h₁／γ＝ζ₁V0²／2g＝0.244 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　風筒出口動壓損失：
　　△h₂／γ＝V₁²／2g＝4.486 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　風筒擴散段總壓損失：
　　△h／γ＝(△h₁／γ＋△h₂／γ)(1＋δ)＝6.98 ?(mmH₂O／(kg／m³))
　　由以上計算可以看出，三種方法的最終結果基本相同，所以，在計算過程中應正確理解理論概念和計算方法的每一細節，才能保證計算結果的正確。

2　塔芯材料存在的問題

2.1　填料
　　國內大部分填料是為自然通風冷卻塔而開發的，與機械通風冷卻塔相比，存在著塔內風速、淋水密度等使用條件上的差異，大大限制了機械通風冷卻塔潛力的發揮。
2.1.1　使用條件與試驗條件的不一致
　　使用條件與試驗條件存在一定差別（參見表1），雖然設計計算時進行了一定的折減，但這些折減系數僅能滿足自然通風冷卻塔因使用條件與試驗條件不同所造成的誤差；而不一定滿足機械通風冷卻塔。例：T25－60°PVC梯形淋水填料?H＝1500mm，其阻力特性方程為：

表1 填料試驗工況比較 項目 標準工況 試驗工況 類別 大氣壓/kPa 100 96-98 　 干球溫度/℃ 33 29-34 　 濕球溫度/℃ 28 23-27 　 進塔水溫/℃ 42 40-43 　 出塔水溫/℃ 32 26-36 　 淋水密度/（m³.m^-2.h^-1) 12-15 6-14 機械塔 　 6-8 　 自然塔 塔內風速/（m.s^-1) 2-3 0.8-2.5 機械塔 　 0.8-1.2 　 自然塔

　　△h／γ＝V_cp^m＝4.486　(mmH₂O／(kg／m³))
　　其中：A＝0.00133q²＋0.00713q＋0.82502
　　m＝0.00461q²＋0.05654q＋2.09412
　　當風速和淋水密度增大到某值后，阻力出現下降，這說明已超出了公式的適用范圍?試驗報告取值q≤12m³／(m²·h)?，
υ≤2.0m／s，試驗與實際使用誤差偏大。因此，有必要開發逆流式機械通風冷卻塔專用填料，并宜模擬標準工況條件來進行性能試驗。
2.1.2　逆流式機械通風冷卻塔專用填料的設想
　　逆流式機械通風冷卻塔填料應為大比表面積、高熱低阻、適應高淋水密度和大風速。
　　現就T25－60⁰－1500和35×15×60⁰－1200作以說明，見表2。

表2 T25-60°-1500和35×15×60°-1200 項目 T25-60°-1500 35×15×60°-1200 試驗性能方程 N=2.2λ^0.5 N=2.44λ^0.37 標準工況下氣水比 λ=0.7925 λ=0.72 填料阻力/ △h/r=7.61 △h/γ=3.7(V=2,q=16) （mmH₂O/(kg/m³) (V=2.5,1=12) △h/γ=4.3(V=2.5,q=16) 　 　 △h/γ=5.0(V=3,q=16)

　　對比可知，僅考慮高風速、大淋水密度時35×15×60⁰－1200比T25－60⁰－1500更適合于逆流式機械通風冷卻塔。因此，開發大比表面積，提高熱力性能是完全可能的。
2.2　其它塔芯材料
　　弧形收水器、反射型噴頭等都是為自然通風冷卻塔開發的，用于逆流式機械通風冷卻塔存在著收水效率和通風阻力不理想、中空、底盤易脫落、不耐高壓沖擊等缺點。近兩年雖然出現了一些新的型號，但都只是為解決某一單一缺點而進行的改進，還不是最全面、最完善的。

3　塔型研究

　　塔型研究最多的是進風口與冷卻塔各種部件的關系。斜結構塔、階梯形填料安裝、吊裝填料安裝等都是為優化進風口氣流流線而采取的措施，以達到塔內壓力均衡。
　　水科院通過塔型試驗研究認為F₁/F_cp＝0.5為宜；上海建筑工業設計院試驗提出F₁/F_cp＝0.58～0.64；《中小型冷卻塔設計與計算》則推薦F₁/F_cp＝0.35～0.45。三組數據的差異筆者認為是由于試驗氣象條件和模擬塔塔型不同引起的，也與設不設導風裝置等有密切關系。
　　首先，上述數據是試驗結果的一種量化，由于我國南北地區氣象條件相差較大，若均按此比例關系顯然是不太合理的；Marly公司曾引入了壓力比的概念，實質上是通過填料等塔芯材料的整流作用來考慮進風的，與其塔型有密切關系，缺乏一定的直觀性、普遍性.筆者認為以風速的概念來衡量更為合理直觀，可引入“渦流指數”的概念并建立數學關系式：
　　σ＝F_渦／F_cp＝βｖ^m
　　式中：σ—渦流指數，反映填料層低風速區的相對多少?％
　　　　　υ—進風口水平方向平均風速m／s；
　　　　　β—塔型影響綜合系數，試驗值（包括填料安裝高度、型式，鋼筋混凝土柱、梁寬度等）（無量綱）；
　　　　　m—試驗值（無量綱）。
　　針對不同的塔型，通過試驗或測試可得到β、m值，求得不同風速對應的σ值，求得不同風速對應的σ值。當σ≤10～15時，可不設導風板；30≥σ＞15時，應設導風板；當σ＞30時，說明進風口面積不合理，即使設導風板也難保證冷卻塔的性能。
　　另一方面，設導風板時進風口高度的取值宜通過比較來確定，保證設導風板后總阻力降量大于進風口高度降低而引起的總阻力增量。
　　對某型號塔在一定氣象條件時進行總阻力曲線分析結果如圖2。

　　由圖可以看出：
　　F₁/F_cp＝0.35～0.45時，設導風板后總阻力降量大于進風口面積Ｆ1縮小而引起的總阻力增量，F₁/F_cp＝0.45時二者之差接近最大；F₁/F_cp≥0.45后該差值逐漸變小至零、甚至為負值，即設導風板的作用逐漸變小、甚至不如不設。
　　此外，實測同型塔（F₁/F_cp＝0.5且無導風板）進風口方向填料頂面出現16％～22％的低風速區。
　　因此只有通過整塔實驗，尤其利用同型塔實測結果分析流場分布，建立合理的塔型，使氣水熱交換接近理想限度，才能提高冷卻塔的處理能力。
　　文中觀點不足之處歡迎業內同行批評指正。

參考文獻：
　?1?趙振國.冷卻塔[M].北京：水利電力出版社，1997.
　?2?王大哲.冷卻塔計算中的符號名稱及單位[J].化工給水排水設計，1997，(3)：36－38.
　?3?韓玲，潘椿.逆流式機械通風冷卻塔空氣動力計算及通風機選用計算探討[J].化工給水排水設計，1997，(3)：39－47.

作者簡介：
　　韓衛國?(1970－)，男，1993年畢業于西安冶金建筑學院，給排水專業工程師