（环境工程专业论文）逆流机力通风冷却塔工艺性能的研究.pdf

摘要 随着水资源危机意识的日益提升，节水已成为中国乃至世界的战略目标。水 的循环使用是节水的重要途径，关键设备冷却塔的研究越来越受到重视。笔者在 学期间，深入研究冷却塔理论，查阅和收集了大量中外冷却塔文献，通过对积累 的数据与工业塔实测的结果系统地分析，对影响冷却塔的效率与投资的关键点一 一配水、气动与热工等多方面提出自己观点，以此为依据研究和提出冷却塔优化 的架构，并在工程实践中得以成功地应用和验证。 在冷却塔配水设计方面：配水计算上引入更符合冷却塔配水模式的分流公 式，以均匀配水沿程阻力计算法、叉管分流的阻力系数计算法和伯努力方程的动 静压转换理论为基础，提出冷却塔管式配水计算的数学模型，实现了配水管径、 逐个喷头压力和流量的计算，使配水喷头最大最小流量差设计可控，从而实现冷 却塔均匀配水和准确确定配水压力的目的。 在冷却塔气动方面：全面分析构成冷却塔各部件的气动特性，给出各部件更 符合实际的定性认识和定量计算的公式，对规范与手册等相关资料中遗漏或忽略 的部位予以拾遗补缺，给出了计算冷却塔阻力的气动方程；分析风机特性曲线特 点，给出适合其特点的曲线拟合方法一拉格朗日一元三点插值法，拟合出冷却 塔风机特性气动方程。通过对上述两个气动方程组的联立求解，准确完成冷却塔 的气动计算，为冷却塔气动措施的优化提供理论基础。 在冷却塔热工方面：分析影响冷却塔热工性能的各种因素，界定常规填料热 工性能表示方法所包含的因素，对于未包含在内的影响因素给出计算方法，对使 用条件与测试条件不同时对其热工性能方程提出需进行修正的观点和修正的原 则，并给出修正方法，提出了填料高度与热力性能、阻力性能的关系式，为冷却 塔热工性能优化提供理论基础。 以气动、热工和配水的理论分析与研究为基础，提出切实可行的冷却塔设计、 运行的优化措施，建立冷却塔优化模型，编制算法精确的冷却塔计算程序，实现 冷却塔高效、节能、节水和安全可靠的设计与运行的目标。对行业中普遍关心的 调速、变频及北方地区的防冻化冰等问题提出笔者的观点。希冀在建立节约型社 会过程中，冷却塔技术能在效益、节能、保护环境等方面，发挥更大的作用。 关键词：冷却塔配水均匀性气动性能热工性能节能优化模型 a bs t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ga w a r e n e s so fw a t e rr e s o u r c e sc r i s i s , w a t e r - s a v i n gh a s b e c o m ec h i n aa l s ot h ew o r l d ss t r a t e g i co b j e c t i v e s w a t e rr e c y c l i n g i sa n i m p o r t a n tw a yo fs a v i n gw a t e r k e ye q u i p m e n t , c o o l i n gt o w e r i sr e c e l v l n g i n c r e a s i n ga t t e n t i o nt ot h es t u d y i nt h el e a r n i n gp e r i o d ，t h ea u t h o rs t u d y e d t h e c o o l i n gt o w e rt h e o r yd e e p l y , i n s p e c t e da n dc o l l e c t e dal a r g en u m b e r o fc o o l i n g t o w e ro fc h i n e s ea n df o r e i g nl i t e r a t u r e ，a n a l y s e do fc u m u l a t ed a t aa n dt h e m e a s u r e dr e s u i to ft h ei n d u s t r i a lt o w e rs y s t e m l ya n dp u tf o r w a r d h i sp o i n to f v i e wo nt h ek e yp o i n ta b o u tt h et o w e re f f i c i e n c y a n di n v e s t m e n t - 一w a t e r d i s t r i b u t i o n ，a e r o d y n a m i c s ，p y r o l o g y t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r eo ft h ec o o l i n g t o w e r sw a sp u tf o r w a r da n di th a sb e e nv e r i f i e ds u c c e s s f u l l yi ne n g i n e e r i n g p r a c t i c e w a t e rd i s t r i b u t i o ni nt h ec o o l i n gt o w e rd e s i g n ：o nt h ec a l c u l a t i o no fw a t e r d i s t r i b u t i o nt h ed i s t r i b u t a r yf o r m u l aw a si n t r o d u c e dw h i c ha c c o r d sd e t t e rw i t h t h ec o o l i n gt o w e r w a t e r d i s t r i b u t i o np a t t e r n s t h ec o o l i n g t o w e r so f w a t e r a l l o c a 戗o nm e t h o dw a sg i v e nb a s e do nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e r e s i s t a n c ea l a n gt h ew a yi nu n i f o r mw a t e rd i s t r i b u t i o n ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ed i s t r i b u t a r yr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n dt h ep r e s s u r ec o n v e r s i o nt h e o r y o f d a n i db e r n o u l l ie q u a t i o n i tc a na c c u r a t e l y c a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o np i p e d i a m e t e r 。c a nc a l c u l a t et h ep r e s s u r ea n df l o wb e f o r ee a c hn o z z l eo n eb yo n e s o t h el a r g e s ta n dm i n i m u mf l o wo fn o z z l e s c a nb ec o n t r o l l e d ，t h eu n i f o r m d i s t r i b u t i o na n dw a t e rd i s t r i b u t i o np r e s s u r ec a nb ea c h i e v e t h ea e r o d y n a m i c si nt h ec o o l i n gt o w e r ：a f t e rac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f t h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa l lc o m p o n e n t so ft h ec o o l i n gt o w e r s , t h e q u a n t i t a t i v ef o r m u l aa n dt h eq u a l i t a t i v ec o g n i t i o nw h i c hi sm o r er e a l i s t i cw a s g i v e n t h ea e r o d y n a m i c sc a l c u l a t i o nf o r m u l aw a sp u t f o r w a r dw h e r et h en o r m s a n dm a n u a l sa n do t h e rr e l e v a n ti n f o r m a t i o no m i to rn e g l e c t w i t ht h ea n a l y s i s o ff a nc h a r a c t e r i s t i cc u r v ef e a t u r e s ，t h ec u r v ef i t t i n gw a y w h i c hi ss u i t e dt oi t s c h a r a c t e r i s t i c sw a sg i v e na n di t c a l la c c u r a t e l yc o m p l e t et h ea e r o d y n a m i c c a i c u l a t i o na n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no fa e r o d n a m i c m e a s u r e so ft h ec o o l i n gt o w e r s t h ep y r o l o g yi nt h ec o o l i n gt o w e r s ：t h ea u t h o ra n a l y s e dt h ei m p a c to f v a r i o u sf a c t o r sf o rt h ec o o l i n gt o w e r , d e f i n e dt h ef a c t o r st h a tt h e r m a lm e t h o d s o fg e n e r a lf i l l i n g i n c l u d e ，p r e s e n t e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o dw h i c hi s n o t i n c l u d e dt h ef a c t o r s ，p r o p o s e da m e n d m e n t sr e q u i r e di nt h ep y r o l o g ye q u a t i o n w h e nu s i n gc o n d i t i o n sa n dt e s tc o n d i t i o n sa r ed i f f e r e n ta n da tt h es a m et i m e p r o p o s e dt h ea m e n d m e n tp r i n c i p l ea n dm e t h o d t h ea u t h o ra l s or a i s e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e i g h to ft h ef i l l i n ga n dt h et h e r m a lp r o p e r t i e s ，t h e r e s i s t a n c e , p r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rp y r o l o g yp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no f t h ec o o l i n gt o w e r b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fa e r o d y n a m i c s ，p y r o l o g ya n dw a t e r d i s t r i b u t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o nm e a s u r e sw a sp r e s e n t e do np r a c t i c a lc o o l i n gt o w e r d e s i g n ，o p e r a t i o na n dt h ep r e c i s ec o o l i n gt o w e rp r o g r a mw a sw o r k e do u tt o a c h i e v et h eo b j e c t i v eo fh i g he f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n g , w a t e r - s a v i n ga n ds e c u r e t h ea n t h o ri s s u e sh i ev i e wa b o u tt h e t i m i n g ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n d p r e v e n t i n gf r o s t b i t ew h i c ha r eg e n e r a l l yc o n c e r n e di nn o r t h e r na r e a s h o p e t h ec o o l i n gt o w e rt e c h n o l o g yp l a yab i g g e rr o l ei nt h ee s t a b l i s h m e n to fas a v i n g s o c i e t y ，i ne f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e yw o r d s ： c o o l i n g t o w e ru n i f o r mw a “i rd i s t r i b u t i o n a e r o d y n a m i c s p y r o l o g ye n e r g ys a v i n go p t i m i z a t i o nm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 却操 i 签字日期：撕g年，z 月刃日 学位论文版权使用授权二捧 本学位论文作者完全了解醴太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 卸亨薏 新虢渤警 签字日期：狮g 年，2 月z o 日签字日期：g 年2 - 月厂同 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 水，特别是淡水，是人类生存、社会活动的基础性自然资源及战略型经济资 源，是经济可持续发展极为重要的保证。淡水具有如下特性：数量有限、不可替 代、时空分布不均匀、与生态环境相互依存制约。我国是淡水资源极为匮乏的国 家，人均淡水资源仅为世界人均量的四分之一。严重稀缺的水资源，相当脆弱的 水生态环境，却支撑着人类历史上最大规模的生存与经济活动，水和能源的危机 日趋严峻，缺水引起的生态环境退化、人居环境恶化等问题目益突出，已成为制 约我国经济发展的瓶颈，直接影响到我国全面建设小康社会的进程。不久的将来， 水对中国g d p 增长的影响必将超过能源的影响。解决水资源和能源的短缺，立 足点必须放在优化使用模式和节约上。发展节水节能型工业及农业、建设节水节 能型社会，是我国目前及今后很长一段时间内极为重要的战略任务。构建资源节 约的循环经济是我国国民经济和社会发展的总体规划。在全球日益关注水资源和 能源问题的今天，工业节水与节能已经成为全球共识。 工业节水的重要途径是水的循环使用，它是最直接、最易行、见效最快的节 水措施。国外发达国家，水的重复使用率达7 5 , - - 8 5 。同国际水平相比，我国 还有很大差距，工业用水重复利用率只有2 0 , - - 3 0 ，特别是五大高用水工业( 火 力发电、钢铁、石化、造纸、纺织) 水的循环使用率不高，尚有进一步提升的很 大空间。 要提高循环使用率，除国家制定一系列节水政策外，应进一步深入研究循环 水系统中的节水技术与设备。循环冷却水在工业水循环使用中作为主体，占9 0 以上的权重，余下部分也常常会涉及循环冷却水系统，如污水深度处理回用也常 常用做循环水补充水。冷却塔是循环冷却水系统中的关键设备，其耗能是循环冷 却水系统耗能的重要组成部分，深入研究冷却塔设计工艺，使其技术先进、经济 合理、高效低耗，是提高水的循环使用效率的行之有效的具体举措，具有重要的 社会意义和经济价值。 第一章绪论 我国冷却塔的研究工作从上世纪七十年代末开始，到八十年代初达到高潮， 在此期间，我国的冷却塔技术的理论与实践的基础得以奠定并迅速发展。然而， 在全球日益关注水资源和能源问题的今天，人类己如履薄冰般生存在生态资源危 机的边缘，迫切需要深入研究解决与此危机相关的技术时候，国力已日渐强大的 今天，对冷却塔的研究却远不如经济萧条的困难时期。我国冷却塔业的现状是基 础研究环节薄弱，市场竞争无序、评标规范及标准缺失、无法定检测与评价中心， 为追逐短期利益，使冷却塔技术长期停滞不前，由此引发的更深层危机尚未被意 识到。 本文是在查阅了大量中外冷却塔文献的基础上，在导师赵新华的指导下，冷 却塔行业老专家王敬的帮助下，将积累的数据、设计经验与工业塔实测的资料进 行系统地整理和研究的结果，这些结果均在工程实践中得到验证。 1 2 冷却塔简介 在工业生产或制冷工艺过程中，为了获得生产产品，需用水对其进行冷凝或 冷却，水在此过程中被加热而失去再利用的功能，直接排放就是直流冷却。直流 冷却的耗水量极大，在水资源极为紧张、环保要求严格的今天，往往是不允许的， 水必须循环使用。为了使水能够循环使用，首先应对水进行冷却，使其温度降低， 以满足工艺生产对水温的要求。对水进行冷却的设备通常是冷却塔，通过冷却塔 使水和空气进行热交换与质交换，最终将水中的热量传入大气中。 无疑冷却塔的冷却过程需要提供数量充足、温度和湿度适宜的空气。因此， 冷却塔按通风动力的型式分为自然通风冷却塔与机械通风冷却塔，自然通风冷却 塔通常建成双曲线型混凝土结构冷却塔，由于自然塔投资较高、建设周期长、水 温差较小和占地面积大等因素，只在电力行业使用( 见图1 3 ) ( 参见6 2 节) ， 因此本研究不对其进行过多的探讨。机械通风冷却塔中又分为逆流式与横流式冷 却塔，两种塔型比较，逆流塔在很多方面优于横流塔( 参见1 4 节) ，因此目前 逆流塔是机械通风冷却塔的主流。另外冷却塔由于用途的不同又分为民用冷却塔 和工业冷却塔，此分类虽不够严谨，但由于服务的对象及使用的工况条件不同， 又都有各自的特点，民用冷却塔主要用于公用建筑( 宾馆、剧院、会议中心等) 和高档住宅等的空调，其冷却负荷较低、规模较小，但对噪声及外观要求的更高 2 第一章绪论 些，工业冷却塔的侧重点则正好相反。 本研究侧重于工业用逆流式机械通风冷却塔，对其配水、气动和热工等三个 方面进行深入的探讨，提出优化的具体措施和节能的思路，建立系统的优化模型， 并对于建设在寒冷地区的冷却塔的防冻化冰等问题的处理技术也进行概要地探 讨。 1 3 冷却塔的作用与冷却机理 很多工业产品的生产中多有热加工的过程或反应热的发生，带有这些热量的 部分产品无法进入下一道工序或储存，这部分热量就成为废热，去掉这些废热通 常采用的介质为水，水在此换热过程中除了热量增加外，水质并未发生大的变化， 这样的水排掉会造成水资源的巨大浪费，需去掉水中的废热以便水的循环使用。 冷却塔就是通过水与空气热交换完成水中废热去除的装置，带走热量的介质是空 气。 水与空气热交换的过程即水冷却的过程，热量的传递有三种形式：一是接触 散热；二是蒸发散热；三是辐射散热，在冷却塔中辐射散热与前两种散热相比， 所占比重甚小，热力计算中通常忽略不计。接触散热是两种不同热量( 温度) 的 介质接触时，热量由温度高的一方向温度低的一方传递的方式，低气温季节时接 触散热在冷却塔热交换中尚有一定作用。在炎热的夏季，水被冷却的过程中，蒸 发散热占主导地位。由于水中的水分子一直处于无规则的热运动中，蒸发是由于 水滴或水膜表面的水分子热运动所引起的，一部分水分子具有足够克服内聚力的 动能，可以从自由液面上的液体层逸入空气中，使其余水分子的平均动能减少， 热量随着蒸发的水分子带到空气中，表现为水体温度的下降，这就是水冷却的机 理。 1 4 横流塔与逆流塔的比较 机械通风冷却塔，按水与空气相对流动的方向分为逆流冷却塔和横流冷却塔 两种。逆流塔是水自上而下通过配水装置淋洒在淋水填料上，被填料切割分散成 水膜或水滴，在重力作用下自上向下流动，空气在风机的作用下自下而上通过淋 第一章绪论 水填料，空气与水流相逆而行，故称逆流式冷却塔；横流塔是水自上而下通过淋 水填料，而空气则水平流动进入淋水填料，水与空气流动呈垂直相交的状态，因 此命名为横流塔或交流塔。 逆流塔与横流塔孰优孰劣，在学术界争论不休，这种争论有力地促进了冷却 塔技术的发展，在争论中各自扬长避短，使冷却塔技术不断完善，向节能降耗， 提高效率，降低投资等目标不断技术进步。 就目前冷却塔技术的现状而言，由于薄膜填料的出现，使淋水填料高度降低 到点滴填料高度的1 4 一- 1 3 ，降低了逆流塔的总体高度和配水高度，填料的比表 面积成倍增加，使逆流塔在很多方面优于横流塔。将逆流塔与横流塔的比较归纳 如下： 从热交换的角度看逆流塔的热交换更合理、更充分。 逆流塔中由于水与空气逆向流动，在塔的全部淋水断面内，都是新进入塔内 的冷空气与自上而下处于热交换末端、温度较低的水接触，高温水则与被加热加 湿的空气接触，因此在热交换的全过程中能保持稳定的水蒸汽分压力差和焓差， 热交换的能动势可维持在一个稳定的合理区间，因此能得到较低的冷水温度，整 个淋水面积下的冷水温度相差无几；而横流塔仅在进风百叶窗处，水与新鲜空气 接触，能得到较低的冷水温度，空气由外向塔内流动的过程中已被加热加湿，热 交换的能动势则趋弱，导致水温由塔边向塔内愈来愈高，而进风口处的热交换又 受冷却极限的限制( 冷却极限是冷水温度= 空气的湿球温度) ，不可能无限进行， 因此其平均温度不可能很低。 逆流塔比横流塔更经济 横流塔的塔内有一个很大的空气室，是气流转弯必需的一个通道，逆流塔是 将热交换场所作为气流通道，因此横流塔的框架体积比逆流塔多4 0 左右；由于 逆流塔热交换过程合理，效率高，若采用同比表面积的淋水填料，达到同样的冷 却能力，横流塔所用的填料与除水器比逆流塔多4 0 5 0 。综合这两方面的因素 估算，横流塔投资约比逆流塔高3 0 以上。 逆流塔比横流塔配水高度低，因而节能。 在采用薄膜式淋水填料、低压配水喷头等同样条件下，逆流塔供水压力比横 流塔供水压力低2 - 3 m ，有些甚至还多。如由9 1 4 0 风机冷却塔，在标准工况下， 4 第章绪论 处理水量4 0 0 0 m 3 h ，逆流塔配水高度( 从水池项算起) 一般不大于7 5 米，配水 水压不超过9 米；而横流塔配水高度不低于1 2 米，配水水压不低于1 3 米。冷却 塔是循环给水泵压力输送的终点，冷却塔的配水高度，就是循环给水泵的供水几 何高程，这个高度直接影响水泵的供水压力。由于供水水压差4 米( o 0 4 m p 。) ， 每l m 的循环水电负荷差0 0 1 3 k w ，4 0 0 0 m 3 h 处理水量全年相差4 7 万度的电 耗。 气温低的季节停开风机时间长短不同，耗电也不同 逆流塔风筒出口离进风口距离较大( 风筒高度+ 气流收缩短+ 配水段+ 填料 段) ，见图1 2 ，而横流式冷却塔风筒出口离进风口较近( 风筒高度+ 较短的配水 段) ，见图1 1 ，一般相差一倍，对空气能够形成的自然抽力也不同。 在室外湿球温度5 以下逆流塔可以全部停开风机，而横流塔则要在室外湿 球温度5 以下方可以全部停开风机。以北京地区为例，地区全年平均温度5 c 5 累计出现时间为2 8 0 0 小时，逆流塔风机可全部停开；而在一个多台塔的循 环水场内，在5 - - 一2 0 范围内可停开部分风机。 湿气回流影响效率 由于横流塔风筒出口离进风口较近，湿气回流比逆流塔严重，所以横流塔设 计进塔空气湿球温度比逆流塔高0 2 0 3 ，直接影响冷却塔的效率。 逆流塔比横流塔容易检修。 逆流塔从风机检修平台或塔顶平台可以很方便地到达填料层，而横流塔的上 层填料只能靠搭设脚手架方能实现更换和检修，因此逆流塔维修费用较低。 逆流塔配水系统不易堵塞 逆流塔为压力配水，配水管道和配水喷头均置于塔内，管道流速与喷头流速 均较高、密闭输送，既不易被管外污物污染，也不易被水中杂物堵塞，便于维修； 横流塔一般为槽式配水，流速较低，易被槽内滋生的菌藻堵塞或外界污染。 逆流塔淋水填料片易保持清洁、不易老化 逆流塔淋水填料片全部置于塔内，不受阳光直接照射，完全避开紫外线造成 的老化，进塔空气先经过淋水填料下雨区洗涤，与填料接触的是洗去灰尘的干净 空气，沉积、污染淋水填料表面的机会少：横流塔外侧填料可被阳光直接照射， 易老化，且外侧填料直接与空气接触，空气中的粉尘沉积在填料上，易污染和堵 第一章绪论 塞填料。 逆流塔的防冻化冰问题比横流塔更容易解决 由于冬季运行不开风机，横流塔外溅的水滴在进风百叶窗上很容易结冰严 重时以致封堵进风口。而逆流塔一般淋水密度大于6 m 3 h 的情况下不会结冰，在 淋水密度小于6 m 时可能结冰，如果及时以热水幕化冰和预热冷空气，是较容 易解决和预防冰冻问题的，防冻化冰在北方地区是很突出的问题。 嘴e ： 图1 i 机械通风逆流培 图12 机械通风逆流塔 图1 3自然通风双曲线冷却塔 图1 4 机械通风逆流塔 图1 5 机械通风横流塔 第一章绪论 1 5 冷却塔技术的发展过程及现状 冷却塔从产生到现在不足一百年的历史，1 9 1 2 年荷兰在一个矿上建成了世 界上第一个冷却塔，这个塔是简单的自然通风冷却塔。而冷却塔理论的建立是 1 9 2 5 年麦克尔( m e r k e l ) 以焓差做为传热推动力，第一个提出热焓平衡及焓差 方程式，为冷却塔的热力计算奠定了理论基础。第二次世界大战后，随着工业恢 复发展，冷却塔也相应地得到迅速发展，麦克尔理论与公式也受到了相应的重视。 在不到一百年的时间里冷却塔技术一直处于持续发展状态：理论上不断完 善，新材料的不断涌现，气动和风机技术的不断进步及节水、节能、环保、噪声 要求的不断提高，都促进了冷却塔技术及其产业的不断发展。 我国第一台冷却塔是1 9 3 1 年建在辽宁抚顺发电厂的自然通风冷却塔，于 1 9 7 6 年海城地震时震垮，整整服役4 0 余年。共和国成立后，与其他行业一样， 冷却塔也全面引进了前苏联的技术。当时的机力通风冷却塔绝大多数是木制点滴 填料横流塔，池式配水，磁质有棱角的溅水碟与管嘴，风机是1 b r 型( 前苏联制 造) ，采用3 0 年代英国皇家学会的叶型，叶片材质为铝合金，蜗轮蜗杆减速机， 电机是双速电机。用现在的观点看，这种冷却塔在技术上是很落后的，效率低、 处理水量少、夏季配水池内藻类生长严重，冬季防冰、化冰困难。这个期间我国 的冷却塔工作者是处在学习阶段，可查找的冷却塔文献也极少，更谈不上计算， 处理水量也只是查阅苏联的冷却塔选用曲线，知其然不知所以然。经过探索思考， 到六十年代，一些有关冷却塔的文章、著作出现，如胡伦帧等翻译的别尔曼( 苏 联) 的循环水的蒸发冷却、中小型冷却塔通用设计编制组编写的中小型冷 却塔设计与计算，对冷却塔技术与产业的发展起到了极大的推动作用。与此同 时出现了3 6 m 2 、6 4 m 2 逆流式机械抽风点滴填料冷却塔、1 6 m 2 、6 0 m 2 机械鼓风逆 流式点滴填料冷却塔，但由于受材料与通风设备的限制，其技术水平仍很低，淋 水填料、收水器只能用水泥板条或石棉水泥板条，热工效率低、阻力大，填料高 度高，配水喷头只是溅水碟( 池式配水) 、杯式或瓶式( 管式配水) ，配水压力高， 中空严重，极不均匀。之后，1 9 6 6 年，在上海出现了塑料点波填料，在抚顺出 现了聚乙烯塑料格网板，终因当时的中国缺少聚氯乙烯、聚乙烯等基本有机化工 2 第一章绪论 原料，而不能推广应用。为适应中国国情、取材于本土，当时研制出了完全中国 化的淋水填料一水泥格网板填料并在唐山发电厂得到成功应用，成为六十年代 末七十年代初冷却塔的主流淋水填料。其间，水泥格网板技术迅速发展，制 造方法不断创新从最初的蜡模，发展到铝模，后来又出现了塑料插楦模，生 产效率大大提高，产量迅速增加，使冷却塔生产周期大大缩短。设计与实验技术 也飞速发展，东北电力设计院、西安热工所、水科院冷却水所，都开展了大量实 验研究工作，从模拟塔到工业塔，进行了大量实验研究，积累了很多数据，摸清 了水泥格网板的气动与热工性能，使水泥格网板从层间距2 5 0 m m 、1 2 层，发展 到层间距5 0 m m 、1 6 层，热工效率也相应提高了4 0 ，配水压力降低2 m 。水泥 格网板成为七十年代冷却塔的主打淋水填料。 同时七十年代初，随着十三套大化肥( 3 0 万吨年合成氨装置) 装置的引进， 分别从美国、日本、法国引进了冷却塔技术，为了研究国外冷却塔技术，当时石 化部组织对十三套化肥进口的冷却塔进行测试在四川化工厂测试了日本东 洋公司的冷却塔，在安庆测试了法国赫尔梯公司的冷却塔，在云天化测试了美国 马利公司的冷却塔。经测试表明，除美国m a r l e y 6 0 0 型冷却塔达到设计处理能 力外，其余均未达到设计处理量。因法国赫尔提公司的冷却塔处理能力仅为设计 处理能力的7 0 ，并据此测试结果向其索赔成功，这也是国内外冷却塔技术的 一次较量。通过这次有组织的冷却塔测试与索赔，对我国冷却塔技术的发展起到 了很大的激励作用，锻炼了人才，丰富了经验，增长了才干。七十年代末我国冷 却塔技术进入了发展的黄金期，与国外交流的开展，了解了国外冷却塔技术，随 着化工、石化工业的发展，国产的塑料淋水填料也应运而生，1 9 7 5 年，由建设 部召集，召开了全国冷却塔第一次研究会议，全国冷却塔专家云集一堂，讨论冷 却塔的各种技术问题，会议决定筹建冷却塔实验装置并尽快开展冷却塔实验研究 工作，编写冷却塔测试方法，1 9 7 7 年在广州、1 9 7 8 年在北京又召开了第二、第 三次冷却塔会议，会上冷却塔试验研究小组汇报了实验研究成果，讨论了工业冷 却塔测试方法送审稿。这三次全国冷却塔会议对冷却塔的技术发展、理论上的提 高、冷却塔队伍的壮大和冷却塔产业大发展，起到了极大地推动作用。 到了八十年代冷却塔作为一种产业全面进入商品市场。冷却塔科研成果不断 涌现，著述层出不穷，冷却塔专用风机也应运而生，八十年代末九十年代初期， 第一章绪论 冷却塔业已经成为一个令人羡慕的朝阳产业，其技术与产品可谓百花齐放、争相 斗艳。工业对冷却塔的大量需求和中国农村大量廉价劳动力相结合，乡镇企业， 纷纷建起了冷却塔生产厂，冷却塔产业解决了几百万农民的就业问题，国外冷却 塔公司开始在中国建厂。冷却塔技术鉴定，几乎每月都有，季季都有新产品问世， 此时中国的冷却塔产业进入了鼎盛时期。 然而好景不长，到了九十年代末，市场经济的大潮冲袭着社会的每个角落， 不重视知识产权、不尊重技术人才，冷却塔研发人员得不到应有的待遇，受不到 应有的尊敬，知识产权得不到应有的保护，冷却塔这个敏感的行业很快进入了市 场无序竞争与恶性竞争的阶段，竞争中廉价成了硬道理，无人关心技术进步，仿 冒伪劣、以次充好、公关行贿是取胜的重要手段，冷却塔技术在刚刚起步发展， 一些科研成果尚未来得及全面推广之时就开始步入衰退期，这是国家创新体制与 社会经济体制尚不健全的结果，也是冷却塔行业无奈的悲哀，目前国内冷却塔研 究已经成为个别有良知学者的业余爱好。 在我国冷却塔技术发展达到鼎盛的九十年代中末期，我国的技术水平与国外 先进技术是不分伯仲的，甚至有些方面是领先的，从九十年代末起至今，当我们 停滞不前，冷却塔技术研究成为国内科技工作的鸡肋时，国外冷却塔技术仍在稳 步发展，虽然理论上的突破与跨跃性的差距还没有出现，但在气动的动态模拟、 海水冷却、填料的热工性能的改善、风机的性能优化及新型配水等方面，国外多 家冷却塔集团公司做了大量的有益尝试和研究，如美国马利冷却塔公司的压力比 概念降低了冷却塔进风口的高度，回绕型风筒降低了冷却塔风筒扩散筒的高度， 这些理念均降低了冷却塔的制造成本；新型淋水填料、新型配水喷头都有力地提 高了冷却塔的效率；新材料在冷却塔上的使用，提高了冷却塔的设计强度、刚度， 减少了腐蚀，延长了冷却塔使用年限等等；以高效、节能、环保、降低成本为目 标，不断有新成果、新技术出现。此外，国外在海水冷却塔的应用上也做了一些 有益的尝试，扩大了冷却塔的应用范围，减少了淡水资源缺乏的压力。如果我们 继续麻木与漠视这种现状，冷却塔产业的技术奴役与技术乞讨就是我们明天的宿 命。 4 第一章绪论 1 6 研究的主要内容 冷却塔的配水、气动性能、热工性能是冷却塔技术开发与工艺设计三大技术 关键，直接关系到冷却塔的投资、能耗。高效低耗、节能、节水与环保是建立能 源节约、资源节约、环境友好的现代社会的时代要求，也是冷却塔研究义不容辞 的责任和科研方向。笔者根据本人对冷却塔设计、开发与实践经历，结合诸位前 辈同仁的冷却塔测试数据，研究国内外冷却塔文献，就这些热点问题，进行逐一 探讨。 1 6 1 冷却塔的配水 冷却塔气动与热力计算理论建立的基本假设条件之一即是配水均匀，可见均 匀配水的重要性。研究冷却塔配水就是为了解决配水均匀性的问题，也是冷却塔 设计的关键环节，直接关系到冷却塔效率、能耗与投资，但迄今中外冷却塔文献 中均无系统、全面、准确的计算方法，很多设计所追求的配水均匀、合理的配水 管径确定基本靠经验与试验。本文通过对配水的实质特性分析，引入g a r d e l 公 式，给出每个喷头前作用压力的计算，分析工程要求的喷头配水流量差控制值和 推导差值计算的数学模型，实现了满足工程要求的配水均匀性、配水管径和配水 压力的准确计算。 1 6 2 冷却塔的气动性能 综合各文献资料，结合笔者的实践经验，分析各部件的气动特性，给出各部 件气动阻力的计算方法，对文献中有争议、易混淆或不明确的部位，如进风口、 及填料支梁等部位的阻力，尤其是被多数文献遗漏的实际影响很大的雨区阻力计 算，规范中表达不明确及与实测差距较大的总阻力计算方法和收缩段的阻力计 算，给出笔者明确的提法与阻力计算的气动方程。对风机气动性能给出经实践验 证的更佳的拟合方法一元三点插值法，拟合出冷却塔风机特性气动方程。 1 6 3 冷却塔的热工性能 从功能上讲冷却塔就是一种特殊的换热器，因此其热工性能是冷却塔最重要 的特性。研究冷却塔的热工性能是为了正确认识影响其热工性能的因素，对于未 5 第一章绪论 包含在内的影响因素给出计算方法，对使用条件与测试条件不同时其热工性能方 程提出修正的原则并给出修正方法，用实例分析了复化辛普逊积分法与简化辛普 逊积分法的误差，说明了采用复化辛普逊积分法进行热工计算的必要性及可能 性，给出热工性能与填料高度的关系式，为冷却塔热工性能优化提供理论基础。 1 6 4 冷却塔优化措施的探讨 冷却塔是由诸多气动构件组成，功能各异，相互依存，构成一个完整的气流 通道，本文对冷却塔阻力影响较大的气动构件的具体优化措施进行逐一探讨，以 期降低气流阻力；分析风筒出口气流流态，定性认识并提出扩散角扩大的理论根 据，给出风机叶片尖端与风筒喉部的合理间隙；在热工性能方面探讨淋水填料材 质、性能与水质水温匹配的问题，淋水填料型号、高度如何确定与优化等问题； 探讨配水与除水器优化的可能并给出具体的优化措施，力求解决一些工程实际问 题。 1 6 5 冷却塔节能与冷却塔的防冻化冰 冷却塔是循环水场第二大耗电设备，是企业的耗能大户和节能的关注点。本 文就对冷却塔节能影响较大的冷却塔设计工况参数( 冷水温度) 的确定、运行控 制模式与管理模式、本体优化设计等方面进行探讨。深入分析近些年冷却塔行业 普遍关心的变频问题，并给出变频控制指令源设计的方法。严寒地区冬季冷却塔 经常结冰，不仅影响环境，也影响操作，对冷却塔自身的安全也是一种威胁，如 何防止冷却塔结冰及结冰后的化冰是冷却塔设计与管理的又一关注点，文中分析 了冷却塔结冰成因，提出笔者对防冻化冰的一些看法。 ， 1 6 6 优化模型的建立 以配水、气动及热工等各方面研究结果为前提，以建立的均匀配水、气动、 热工等计算的数学模型为基础，以各项优化措施的探讨为契机，以精确的计算程 序为手段，以综合费用最低为目标函数，建立科学的优化模型，系统、全面、深 入地分析各项优化措施与优化方案，确定冷却塔优化的技术路线。 6 第一章绪论 1 7 研究的方法与技术路线 笔者查阅和收集了大量中外冷却塔资料，以解决实践中遇到的问题( 提高效 率、降低能耗、保护环境与生态、降低成本、延长寿命、安装与使用方便等) 为 目标，以冷却塔实测数据为基本素材，在对国内外冷却塔文献的研究的基础上， 对冷却塔配水的计算提出更适合的方法，明确工程中均匀配水的含义和实现的方 法；对气动各部件的阻力计算提出自己的观点，着重提出雨区阻力的计算方法， 对风筒出流的流态定性分析，得出回绕型风筒的理论根据；分析影响热工性能的 各项因素，着重提出雨区对热工性能的影响和填料高度变化与热力性能的关系； 以上述分析为基础提出冷却塔配水、气动、热工优化的具体措施，建立冷却塔优 化模型，科学地指导优化的具体实施。见图1 8 。 【国内夕 文献冷却塔的研制与开发的经验的积雾冷却塔实测数据 j 研_ 冤易一析 jjj 配水气动 二 t ，j l 上 水力学认识空气动力学认识热力学认识 阻力计算万法气动阻力的全分析与计算万法的研究影响因孝与热力性能的分析 均钿己水 新十算万法的提出与分析建丑参数与性能受化的关署式 配水优7也措施气动优化措施热工优化措施 j 建互优化模型 l 提出科竽优化万秉 优化效果分析 图1 - 6 研究技术路线框图 7 第二章冷却塔的配水 第二章冷却塔的配水 配水均匀是冷却塔设计的关键环节之一，直接关系到冷却塔效率、能耗与投 资。但冷却塔的配水问题并没有得到普遍重视，缺乏系统的理论研究，因此配水 成为冷却塔设计中被弱视的一个环节。 实测表明，在配水不均匀的情况下，最大与最小淋水密度之差达2 - - 4 倍， 由于配水不均导致的水温差达4 - - 5 的现象也曾有过。因此研究冷却塔的配水 均匀性问题，不仅有技术意义而且有经济和现实意义。但是国内外尚没有明确的 冷却塔管式配水压力降和配水均匀性计算方法，本文将从理论分析入手，对其计 算方法进行探讨，给出明确实用的管式配水压力降和配水均匀性计算方法。 冷却塔配水均匀问题由两方面问题组成，一是配水喷头的选择与布置，二是 配水管道的布置与水力计算。前者要解决的是单个喷头喷溅范围内喷洒在淋水填 料上的水量均匀与否的问题，后者要解决的是淋水面积内全部喷头的出水量是否 趋同的问题。二者是相辅相成，缺一不可的，两者都处理好才能达到配水均匀的 目的。 2 1 配水喷头的选择 配水喷头的种类很多，但经过近几年的不断发展，大型工业冷却塔用的配水 喷头基本倾向于低压冲击喷溅式喷头，如反射型系列喷头、三盘式喷头、多层流 式喷头等等。 配水喷头的水力学特性主要从三个方面进行表述，即：喷头出水流量、喷洒 范围、配水均匀性。 2 1 1 配水喷头的流量特性 配水喷头的流量特性是指配水喷头的出水量与喷嘴面积、作用压力的内在 关系，即：q = 橱 ( 2 1 ) 式中：g 配水喷头的出水量，m 3 s ； 8 第二章冷却塔的配水 吐卜一配水喷头管嘴出口的过流面积，m 2 ； p 配水喷头流量系数，通过试验确定； 厅喷头的作用水头，m 水柱； g 重力加速度，9 8 1 m s 2 。 应用上式，在配水喷头形式确定的条件下其喷嘴面积、流量系数即为确定因 素，当确定了喷头前的作用水头，即可计算配水喷头的出水量；或已知配水喷头 的出水量，即可计算配水喷头前的作用水头。 2 1 2 配水喷头的喷洒范围( 喷洒半径) 配水喷头的喷洒范围是指配水喷头的出水在淋水填料上的喷洒面积，用配 水喷头的喷洒半径表示。以低压冲击喷溅式喷头为例，喷头喷溅出水滴的运行轨 迹为抛物线： y x = v tc o ；n s 汐1 9 一圭： 式中：v = 州莎； 矿流速系数： 刚办( + 焉 ( 2 3 ) 式中：配水喷头的喷嘴与淋 水填料顶面的距离( m