冷水塔设计计算

第一章 冷水塔设计计算 第一节 冷水塔的类型和构造 冷却过程是工业生产全过程的一部分，它的各项参数是根据全过程来确定 的。随着工业的发展，对冷却水的需要也在增长。据有关资料统计，一个十万干 瓦的热力发电厂，冷却水量需达 ! """# $ %左右；一个年产 & ’""#聚丙烯的化工设 备，冷却水用量达 & """# $ %左右。一些大型化工企业的用水量甚至超过一些大城 市的用水量。由此可见为了节省水源，对冷却水进行循环利用的重要性。对缺水 地区，这一点尤为重要。 冷却水循环利用的关键在于它的温度。例如热力发电厂汽轮机效率的提高， 与循环水温的下降成正比。使用固体燃料发电厂的中压机组，温度每降低 ()能 提高效率 "*+,-，高压机组能提高 "*&’-，使用核燃料的电厂约为 "*,-。由此可 见，精心设计冷水塔，保证良好的冷却效果有着重要意义。 冷水塔有很多种类，根据循环水在塔内是否与空气直接接触，可分成千式、湿 式。干式冷水塔是把循环水送到安装于冷却塔中的散热器内被空气冷却，这种塔 多用于水源奇缺而不允许水分散失或循环水有特殊污染的情况。湿式冷水塔则 让水与空气直接接触，把水中的热传给空气，在这种塔中，水因蒸发而造成损耗， 蒸发又使循环的冷却水含盐度增加，为了稳定水质，必须排放掉一部分含盐度较 高的水，补充一定的新水，因此湿式冷水塔要有补给水源。 图 ( . (示出了湿式冷水塔的各种类型。在开放式冷水塔中，利用风力和空 —(/&— 第一章 冷水塔设计计算 气的自然对流作用使空气进入冷水塔，其冷却效果要受到风力及风向的影响，水 的散失比其他型式的冷水塔大。在风筒式自然通风冷水塔中，利用较大高度的风 筒，空气形成的自然对流使空气流过塔内与水接触进行传热，其特点是冷却效果 比较稳定。在机械通风冷水塔中，空气以鼓风机送入（如图 ! " !中的 #）或以抽风 机吸入（如图 ! " !中的 $），所以它具有冷却效果好和稳定可靠的特点，它的淋水 密度（指单位时间内通过冷水塔的单位截面积的水量）可远高于自然通风冷水塔。 图 ! " ! 各种湿式冷水塔示意图 !—配水系统；%—淋水装置；&—百叶窗；’—集水池；(—空气分配区；)—风机；*—风筒；+—收水器 按照热质交换区段水和空气两者流动方向的不同，方向相反的为逆流塔，方 向垂直交叉的为横流塔（如图 ! " !中的 ,）。 各种型式的冷水塔，一般包括如下几个主要部分。 一、淋水装置 淋水装置又称填料，其作用在于将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水 膜，以增加水和空气的接触面积，延长接触时间，增进水气之间的热质交换。在选 用淋水装置的型式时，要求它能提供较大的接触面积并具有良好的亲水性能，制 造简单而又经久耐用，安装检修方便，价格便宜等。淋水装置可根据水在其中所 —%+&— 第四篇 混合式热交换器设计计算 呈现的形状分为点滴式、薄膜式及点滴薄膜式三种。 （!）点滴式 这种淋水装置通常用水平的或倾斜布置的三角形或矩形板条按 一定间距排列而成，如图 ! " #所示。在这里，以水滴下落过程中水滴 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的散热 以及在板条上溅散而成的许多小水滴表面的散热为主，约占散热量的 $%& ’ ()&，而沿板条形成的水膜的散热只占总散热量的 #)& ’ *%&。一般来说，减小 板条之间的距离 !!、!# 可增大散热面积，但会增加空气阻力，减小溅散效果。通 常取 !!为 !)%++，!#为 *%%++。风速的高低也对冷却效果产生影响，适当增加风 速，使水滴降落速度减慢，增加接触时间，提高传热效果，增大填料散热能力；风速 过大，使小水滴互相聚结的机会增大，反而降低传热效果，且增加电耗，还会使水 滴带出，使水量损失增加。一般在点滴式机械通风冷水塔中可采用 !,* ’ #+ - .，自 然通风冷水塔中采用 %,) ’ !,)+ - .。 图 ! " # 点滴式淋水装置板条布置方式 （#）薄膜式 这种淋水装置的特点是利用间隔很小的平膜板或凹凸形波板、 网格形膜板所组成的多层空心体，使水沿着其表面形成缓慢的水流，而空气则经 多层空心体间的空隙，形成水气之间的接触面。水在其中的散热主要依靠表面水 膜、格网间隙中的水滴表面和溅散而成的水滴的散热等三个部分，而水膜表面的 散热居于主要地位，约占 (%&。图 ! " *中示出了其中四种薄膜式淋水装置的结 构。对于斜波交错填料，安装时可将斜波片正反叠置，水流在相邻两片的棱背接 触点上均匀地向两边分散。其规格的表示方法为“波矩 / 波高 / 倾角—填料总 高”，以 ++为单位。蜂窝淋水填料是用浸渍绝缘纸制成毛坯在酚醛树脂溶液中浸 胶烘干制成六角形管状蜂窝体构成，以多层连续放于支架上，交错排列而成。它 —*0*— 第一章 冷水塔设计计算 的孔眼的大小以正六边形内切圆的直径 ! 表示。其规格的表示方法为：!（直径）， 总高 " !层数 "每层高 #层距，例如：!$%，" ! &$ " &%% # % ! & $%%’’。 图 & # ( 薄膜式淋水装置的四种结构 （(）点滴薄膜式 铅丝水泥网格板是点滴薄膜式淋水装置的一种（图 & # )）， 它是以 &* + &,!铅丝作筋制成的 -% " -% " -%’’方格孔的网板，每层之间留有 -%’’左右的间隙，层层装设而成的。热水以水滴形式淋洒下去，故称点滴薄膜 式，其表示方法：# 层数 "网孔 #层距 ’’。例如 #&* " -% # -%。 二、配水系统 配水系统的作用在于将热水均匀地分配到整个淋水面积上，从而使淋水装置 发挥最大的冷却能力。常用的配水系统有槽式、管式和池式三种。 —),(— 第四篇 混合式热交换器设计计算 图 ! " # 铅丝水泥网 板淋水装置（单位：$$） 槽式配水系统通常由水槽、管嘴及溅水碟组成，热水从管嘴落到溅水碟上，溅 成无数小水滴射向四周，以达到均匀布水的目的（图 ! " %）。 图 ! " % 槽式配水系统 管式配水系统的配水部分由干管、支管组成，它可采用不同的布水结构，只要 布水均匀即可。图 ! " &所示为一种旋转布水管系的平面图。 图 ! " & 旋转布水的管式配水系统 —%’(— 第一章 冷水塔设计计算 池式配水系统的配水池建于淋水装置正上方，池底均匀地开有 ! " #$%%孔口 （或者装喷嘴、管嘴），池内水深一般不小于 #$$%%，以保证洒水均匀。其结构示于 图 # & ’中。 图 # & ’ 池式配水系统 三、通风筒 通风筒是冷水塔的外壳，气流的通道，其作用在于创造良好的空气动力条件， 并将排出冷却塔的湿热空气送往高空，减少或避免湿热空气回流。自然通风冷水 塔一般都很高。有的达 #($%以上，而机械通风冷水塔一般在 #$%左右的高度。 包括风机的进风口和上部的扩散筒，如图 # & )所示。为了保证进、出风的平缓性 和清除风筒口的涡流区，风筒的截面一般用圆锥形或抛物线形。 图 # & ) 通风筒 #—布水器；*—填料；+—隔墙；!—集水池；(—进风口；,—风机； ’—风筒；)—收水器，-—导风伞；#$—塔体；##—导风板 在机械通风冷水塔中，若鼓风机装在塔的下部地区，操作比较方便，这时由于 它送的是较冷的干空气，而不像装在塔顶的抽风机那样用于排除受热而潮湿的空 气，因此鼓风机的工作条件较好。但是，采用鼓风机时，从冷水塔排出的空气流 —,)+— 第四篇 混合式热交换器设计计算 速，仅有 !"# $ %"&’ ( )左右，而且由于这种塔的高度不大，只要有微风吹过，就有可 能将塔顶排出的热而潮湿的空气吹向下部，以至被风机吸入，造成热空气的局部 循环，恶化了冷却效果。 第二节 冷水塔的工作原理 冷水塔内水的降温主要是由于水的蒸发散热和气水之间的接触传热。因为 冷水塔多为封闭形式，且水温与周围构件的温度都不很高，故辐射传热量可不予 考虑。 根据气体动力学理论，处于无规则状态中的水分子，其运动速度差别很大，速 度大的分子动能也大，它们能克服内聚力的束缚冲出水面，成为自由蒸汽分子。 这些分子中的一部分与空气分子碰撞后可能重新回到水面被水吸收（冷凝），而另 一部分可由于扩散和对流的作用进入空气的主流，成为空气中的水分子。上述这 种水分子在常温下逸出水面成为自由蒸汽分子的传质现象称为水的表面蒸发。 由于逸出水分子的平均动能比其余没有逸出水面的分子大，因而蒸发的结果会使 水温下降。 单位面积水面上的表面蒸发速度（*+ ( ’%·,）与水温和蒸汽分子向空气中扩散 的速度有关。水温之所以有关是因为它标志着水分子的平均动能以及冲破内聚 力的束缚而逸出水面的几率；而蒸汽分子向空气中扩散的速度之所以有关是因为 空气中水分子返回水面的速度与空气中的水分浓度成比例。当空气中的水分子 浓度达到某个数值时，会出现水分子逸出水面的速度与空气中水分子返回水面的 速度相等的情况，这时空气中水分子含量达到饱和，蒸发散热就将减弱甚至停止。 故在一定温度下，蒸发速度取决于水分子由水面附近向空气深处的扩散速度。 于是，一般认为当未饱和空气与水接触时，在水与气的分界面上存在极薄的 一层饱和空气层，水首先蒸发到饱和气层中，然后再扩散到空气中去。 —-./— 第一章 冷水塔设计计算 设水面温度为 !，紧贴水面的饱和空气层的温度与它相同，但其饱和水蒸汽的 分压力为 "!，而远离水面空气流的温度为!，它的蒸汽分压力是空气相对湿度! 和空气温度"时的饱和蒸汽压力 "#!的乘积，即 " "!"!" 式中 "———温度为"#的空气层中的蒸汽分压力，$%； !———空气的相对湿度； "!"———空气温度"#时的饱和蒸汽压力，$%。 于是在水面饱和气层和空气流之间就形成了分压力差 #" " "! & "，$% 它是水分子向空气中蒸发扩散的推动力。只要 "! ’ "，水的表面就会产生蒸发，而 与水面温度 ! 高于还是低于水面上的空气温度"无关。在冷水塔的工作条件下， 总是符合 "! ’ " 的，因此不论水温高于还是低于周围空气温啡，"" 总是正数，故 在冷水塔中总能进行水的蒸发，蒸发所消耗的热量总是由水传给空气，其值可表 示为 $$"#$%（%! & %）& （( & (） 式中 $$———由蒸发产生的传热量，)*； %———汽化潜热，)+ , )-； $"———以分压差表示的传质系数，)- ,（. /·0·$%）。 水和空气温度不等导致接触传热是引起水温变化的另一个原因，接触传热的 推动力为两者的温差（ ! &"），接触传热的热流方向可从空气流向水，也可从水流 向空气，这要看两者的温度以何者为高，其值为 $% "%（ ! &"）& （( & /） 式中 $%———水气间的接触传热量，)*； %———接触传热时的换热系数，)*,（./·#）。 在冷水塔中，一般空气量很大，空气温度变化较小。当水温高于气温时，蒸发 —112— 第四篇 混合式热交换器设计计算 散热和接触传热都向同一方向（即由水向空气）传热，因而由水放出的总热量为 ! ! !!" !" 其结果是使水温下降。当水温下降到等于空气温度时，接触传热量 !"! #。这时 ! ! !" 故蒸发散热仍在进行。而当水温继续下降到低于气温时，接触传热量 !$ 的热流 方向从空气流向水，与蒸发散热的方向相反，于是由水放出的总热量为 ! ! !!% !" 如果 !!& !"，水温仍将下降。但是 !!渐趋减小，而 !"渐趋增加，于是当水温下 降到某一程度时，由空气传向水的接触传热量等于由水传向空气的蒸发散热量， 这时 ! ! !!% !"! # 从此开始，总传热量等于零，水温也不再下降，这时的水温为水的冷却极限。对于 一般的水的冷却条件，此冷却极限与空气的湿球温度近似相等。因而湿球温度代 表着在当地气温条件下，水可能冷却到的最低温度。水的出口温度越接近于湿球 温度（#）时，所需冷却设备越庞大，故在生产中要求冷却后的水温比#高 ’ ( )*。 当然，在水温 " !#时，两种传热量之间的平衡具有动态平衡的特征，这是因 为不论是水的蒸发或是水气间的接触传热都没有停止，只不过由接触传热传给水 的热量全部都被消耗在水的蒸发上，这部分热量又由水蒸汽重新带回到空气中。 从而可见，蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷却到比用以冷却它 的空气的最初温度还要低的程度，这是蒸发冷却所特有的性质。 当水温被冷却到冷却极限#时，!"和 !!之间的平衡关系可用下式表示： "（$%#）# !!"$（$+#% $）# 式中 #———湿球温度，*； $+#———温度为#时的饱和水蒸汽压力，,$； #———水气接触面积，-.。 —/0’— 第一章 冷水塔设计计算 为了推导和计算的方便，式（! " !）中的分压力差也可用含湿量差代替，但其 中的!! 应以含湿量差表示的传质系数!" 代替，故式（! " !）可写成 #!#!""（"$ " "）$ （! " %） 而 #"和 #!间的平衡关系 "（#"$）$ #!""（"$$" "）$ 式中 !"———以含湿量差表示的传质系数，&’ (（) *·+）； "$$———与$相应的饱和空气含湿量，&’ ( &’； "———空气的含湿量，&’ ( &’。 关于水在塔内的接触面积 $，在薄膜式中，它取决于填料的表面积。而在点 滴式淋水装置中，则取决于流体的自由表面积。然而具体确定此值是十分困难 的，对某种特定的淋水装置而言，一定量的淋水装置体积相应具有一定量的面积， 称为淋水装置（填料）的比表面积，以"（)* ( )*）表示。因此实际计算中就不用接触 面积而改用淋水装置（或填料）体积以及与体积相应的传质系数""%和换热系数 #%，于是 ""% #""#，&’ (（) %·+）；#% ##·#，,(（)%·-）。 而总传热量为 # ##%（ & "$）% .!""%（"’ " "）% （* " /） 第三节 冷水塔的热力计算 冷水塔的热力计算，逆流式与横流式有所不同。由于塔内热量、质量交换的 复杂性，影响因素很多，很多研究者提出了多种计算方法。在逆流塔中，水和空气 参数的变化仅在高度方向，而横流式冷却塔的淋水装置中，在垂直和水平两个方 向都有变化，情况更为复杂。下面仅对逆流式冷水塔计算中的焓差法作一介绍。 —01%— 第四篇 混合式热交换器设计计算 一、迈克尔焓差方程 !"#$年，迈克尔（%&’(&)）首先引用了热焓的概念建立了冷水塔的热焓平衡方 程式。利用迈克尔焓差方程和水气的热平衡方程，可比较简便地求解水温 ! 和热 焓 "，因而至今仍是对冷水塔进行热力计算时所采用的主要方法，称为焓差法，其 要点如下： 取逆流塔中某一微段 *#（见图 ! + "），设该微段内的水气分布均匀，进入该微 段的总水量为 $，其水温为 ! , * !，经过该微段的热质交换，出水温度为 !，蒸发掉 的水量为 %$。进入该微段的空气量为 &，气温为!，含湿量为 ’，焓为 "，与水进行 热交换后 *# 段的温度、含湿量及焓分别为!, *!、’ , *’、" , * "。 在微段内接触传热量与蒸发散热量之和为 *( -"（ ! +!）")*# ,#$’（’* + ’）+)*# （! + $） 或 *( -［!.$’! , ,’*）+（" -$’!, ,’）］$’")*# 式中 "———填料的比表面积，/# . /0； )———塔的横截面积，/#； #———塔内填料高度，/； ’1、’———与水温 ! 相应的饱和空气含湿量以及与水相接触的空气的含湿 量，23 . 23。 将路易斯（$./"0）关系式 " -$’ - 1’（ 1’ 为湿空气比热） 及含湿量为 ’ 的湿空气的焓 "’ - 1’!, ,’， 水面饱和空气层（其温度等于水温 !）的焓 "* - 1’! , ,’*，代入式（45$）则得 %( -$’（ "* + "）")*# （! + 6） 此即迈克尔焓差方程，它表明塔内任何部位水、气之间交换的总热量与该点 水温下饱和空气焓广与该处空气焓 " 之差成正比。该方程可视为能量扩散方程， —!"0— 第一章 冷水塔设计计算 图 ! " # 逆流式冷水 塔中的冷却过程 焓差正是这种扩散的推动力。但应指出，路易斯关系式只是在特定的绝热蒸发的 条件下才是一个常数，因而迈克尔方程存在一定的近似性。 二、水气热平衡方程 在没有热损失的情况下，水所放出的热量应当等于空气增加的热量。在微段 !" 内水所放出的热为 $# % $%（ & & $ &）"（$ " $$）%& %（$$ & & &$$）% （! " ’） 其中 % 为水的比热。而空气在该微段吸收的热为 $# % ’$ ( （! " (） 因而 ’$ ( % %（$$ & & &$$） （! " #） 式中等号右边第一项为水温降低山放出之热，第二项为由于蒸发了 $$ 水量所带 走的热，此项数值与第一项比相对较小，为简化计算，将其影响考虑到第一项中， 将第一项乘以系数 ! ) )，因而得 ’$ ( % !)%$$ & （! " !*） —+#,— 第四篇 混合式热交换器设计计算 此即该微段的热平衡方程。 此处有必要对系数 ! 作一些说明： !从上引出系数 ! 的过程可知，它是一个与蒸发水量有关的系数，它应当小 于 !； "将式（! " !#）代入式（! " $），有 "% # & !"% # ’ $%%& 整理后成为 ! & ! " $%%&"% # （! " !!） 其中的 $%%& 值（即蒸发散热量）只占总传热量的百分之几，因而 !!!； "（ #( " #!）& $& !（ %! " %(） 或 ! & $&（ %! " %(） "（ #( " #!      ） （! " !(） 又在淋水装置全程内，水气之间有如下热平衡： $&%! "（& "!&）$%( & "（ #( " #!） 或 $&（ %! " %(） "（ #( " #!） & ! " $!&%( "（ #( " #!） （! " !)） 将式（! " !(）和式（! " !)）比较后可知： ! & ! " $!&%( "（ #( " #!） （! " !*） 其中 "（ #( " #!）& ’" ’ ’#，!& & ’# ( ) 可得 ! & ! " ’# ) $% ( ’" ’ ’# & ! " +,( - "（! ’ .# .$ ） （! " !/） 在炎热的夏季，接触传热量 ’"。小，故 ’" ’# !#，所以 ! & ! " $%( ) （! " !0） 其中的汽化潜热 ) 应取淋水装置中与水平均温度相应的数值，但它在一般的水冷 —)$)— 第一章 冷水塔设计计算 却条件下变化不大，故实际计算中可用 !! 时的汽化潜热。从上式可见，" 是出口 水温 !!的函数，此关系示于图 " # "$。 图 " # "$ "值与 冷却水温 !!的关系 三、计算冷水塔的基本方程 综合式（" # %）和式（" # "$），可得 !#（ $% # $）"&&’ ’ " "()& ! （" # "(） 对此进行变量分离并加以积分： "& ) &’ ’!# "&’ ) （" # ")） 式（*+")）是在迈克尔方程基础上以焓差为推动力进行冷却时，计算冷水塔的 基本方程，若以 *代表该式的左边部分，即 * + ("! !" !! & ! $% , $ （" # ",） 称 *为按温度积分的冷却数，简称冷却数，它是一个无量纲数。 再以 *-表示式（" # ")）右边部分，即 *- ’!# "&’ ) 需淋水装置的体积越大。特性数中的!# 反映了淋水装置的散热能力，因而特性数反映了淋水塔所具有的冷却能力，它与淋水装置的构造尺寸、散热性能及水、气流量 冷水塔的设计计算问题，就是要求冷却任务与冷却能力相适应，因而在设计 —*,-— 第四篇 混合式热交换器设计计算 中应保证 ! ! !"，以保证冷却任务的完成。 四、冷却数的确定 冷却数实际上就是焓差的倒数求积分，上限为进水温度 #"，下限为出水温度 ##。但在冷却数定义式中，（ $% $ $）与水温：之间的关系极为复杂，一般只能近似求 解，这里介绍各种近似解法中的辛普逊（%&’()*+）近似积分法。此法系将冷却数的 积分式分项计算求得近似解。按辛普逊积分法的要求，将积分区间分成偶数个小 段，设段数为”，每个小段的水温变化值为!# & ’，从而可知各小段的水温。与每个 水温相应的饱和焓广可在湿空气的温湿图（附录 ,）或湿空气表（附录 -）上查到， 与每个水温相应的空气的焓 $，也可由。式（" $ "#）写成 $# ! $" . () *+（ #" $ ##） （" $ #"）的形式，把它计算出来。 图 " $ "" 辛普逊 积分法求冷却数 于是，就可得到与每个水温相对应的 " /（&0 $ &）值，并将它们绘成以 1为横坐 标，以 " /（&0 $ &）为纵坐标的点，然后以每三个点即 2、"、#，#、3、4，4、5、6，⋯等抛物 线连接（如图 " $ ""），于是用辛普逊积分的结论，可得出 ## $ 2 $ "2 $ #" 所包围的 面积为 ! #" ## 7 # $% , $ - !# 3’（ " "$2 . 4 "$" . # "$# . 4 "$3 . # "$4 . 4 "$5 . ⋯ . #"$’,# . 4"$’,# . ""$’ ） —583— 第一章 冷水塔设计计算 而冷却数为 ! ! "!#"$%（ # "&$ % & "&# % ’ "&’ %⋯ % # "&$ ） （# ( ’’） 由式（# ( ’#）可知，后一个等分的 &$ 与前一个等分的 &$ ( #值的关系为 &) ( &$ ( # ! "% ’(（ ## ( #’ $ ） （# ( ’"） 在计算时，应从淋水装置底层开始，先算出该层的 & 值，再逐步往上算出以上 各段的 & 值。各段的 ’ 值也应根据相应段的水温按式（# ( #*）计算。 若对精度要求不高，且!# + #,)时，常用下列两段公式简化计算： ! ! "!#*’（ # &*# ( &# % &&*- ( &- % #&.’ ( &’ ） （# ( ’&） 式中 &*#、&*’、&*-———与水温 #’、##、#- ! ## % #’ ’ 对应的饱和空气焓，/0 1 /2； &#、&’———分别为空气进口、出口处的焓，/0 1 /2； !#———水在塔内的温降，3。 而 &- ! &# % &’ ’ 。 五、特性数的确定 为使实际应用方便，常将式（# ( ’$）定义的特性数改写成 !4 !#+, , % （# ( ’,） 式中 #+-———容积传质系数，#+- !#+$，/2 1（- "·5!6）； 7———填料体积，-"。 可见特性数取决于容积传质系数、冷水塔的构造及淋水情况等因素。 六、换热系数与传质系数的计算 在计算冷水塔时要求确定换热系数和传质系数。假定热交换和质交换的共 —*8"— 第四篇 混合式热交换器设计计算 同过程是在两者之间的类比条件得到满足的情况下进行，由相似理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，换热 系数和传质系数之间应保持一定的比例关系。此比例关系与路易斯关系式的结 果一致。 ! "! ! "! 在冷水塔计算中，"! 一般采用 "#$%&’ (（&)·*）。 由此可得到一个重要结论：即当液体蒸发冷却时，在空气温度及含湿量的实 用范围变化很小时，换热系数和传质系数之间必须保持一定的比例关系，条件的 变化可使某一个增大或减小，从而导致其他一个也相应地发生同样的就化。因 而，当缺乏直接的实验资料时就可根据上述比例关系予以近似估计。 可以说直到现在为止，还没有一个通用的方程式可以计算水在冷水塔中冷却 时的换热系数和传质系数，因此更有意义的是针对具体淋水装置进行实验，取得 资料。图 " + ",和图 " + "-示出了由试验得到的两种填料的"./曲线。图 " + "0则 是已经把不同气水比（空气量与水量之比，以#表示）整理成与特性数之间的关系 曲线，图中示出了两种填料的特性。 图 " + ", 塑料斜波 %% 1 ",#% 1 2$3—"$$$型容积传质系数曲线 —45-— 第一章 冷水塔设计计算 图 ! " !# 纸质蜂窝 !$%，" & !% ’ !%% & !%%%型容积传质系数曲线 图 ! " !( 两种填料的特性曲线 七、气水比的确定 气水比是指冷却每公斤水所需的空气公斤数，气水比越大，冷水塔的冷却能 力越大，一般情况下可选!& %)* + !),。 由于空气的焓 -与气水比有关，因而冷却数也与气水比有关。同时特性数也 与气水比有关，因此要求被确定的气水比能使 . & .#。为此，可用牛顿迭代法上 机计算或者在设计计算中假设几个不同的气水比算出不同的冷却数 $，作如图 ! " !,所示的 $ +!曲线。再在同一图上作出填料特性曲线 $/ +!曲线，这两条曲 线的交点 % 所对应的气水比!% 就是所求的气水比。% 点称为冷水塔的工作点。 —*0#— 第四篇 混合式热交换器设计计算 图 ! " !# 气水比及冷却数的确定 第四节 冷水塔的通风阻力计算 通风阻力计算的目的是在求得阻力之后选择适当的风机（对机械通风冷却 塔）或确定自然通风冷却塔的高度。 一、机械通风冷却塔 空气流动阻力包括由空气进口之后经过各个部位的局部阻力。各部位的阻 力系数常采用试验数值或利用经验公式计算。表 ! " !列出了局部阻力系数的计 算公式，在有关中列出了多种填料的阻力特性曲线，可查阅。 表 ! " ! 冷水塔各部位的局部阻力系数 部位名称 局部阻力系数 说 明 进风口 !! $ %&## 导风装置 !’ $（%&! ( %&%%%%’#!)）" !#———淋水密度；*+（*’ & ,）， " ———导风装置长度，$，对逆流塔取其 长度的一半，对横流塔取总长。 淋水装置处气 流转弯 !+ $ %&# —--+— 第一章 冷水塔设计计算 部位名称 局部阻力系数 说 明 淋水装置进口 气流突然收缩 !! " #$%（& ’ !# !" ） !#———淋水装置有效截面积，()； !"———淋水装置总截面积，()。 淋水装置 !% "!#（& * #"$%）& !#———单位高度淋水装置阻力系数； #"———系数，可查有关手册； &———淋水装置高度，(。 淋水装置进口 气流突然扩大 !+ " & ’ !# !( )" ) 配水装置 !, "［#$% * &$- & ’ !./ !( )" )］· !"!( )./ ) !./———配水装置中气流通过的有效截面积，()。 收水器 !0 "［#$% * ) & ’ !’ !( )( )］· !’!( )( ) !’———收水器有效截面积，( )； !(———收水器的总面积，()。 风机进风口（渐 缩管形） !1 可查文献 风机扩散口 !&# 可查文献 气流出口 !&& 塔的总阻力为各局部阻力之和，根据总阻力和空气的容积流量，即可选择风 机。 二、自然通风冷水塔 自然通风冷水塔的阻力必须等于它的抽力，由此原则可确定空气流速和塔筒 高度。 抽力的计算公式为 & " )#2（"& ’")），34 （& ’ )+） 阻力计算公式为 #* "! "(% )( ) 34 （& ’ ),） 以上两式中： —##!— 第四篇 混合式热交换器设计计算 !!、!"———分别为塔外的和填料上部的空气密度，#$ % & ’； !(———通风筒的有效高度，&；见图 ! ) !*，!( + "! , (-."#； 图 ! ) !* 自然通风冷却塔计算 "$———淋水装置上的配水槽水面到塔顶高度，&； "#———淋水装置底到配水槽水面高度，&； !&———淋水装置中的平均空气密度，#$ % & ’，!&+（!! ,!"）% "； %&———淋水装置中的平均风速，&% /。 总阻力系数"等于各部位局部阻力系数之和，一般可用下式计算： "+ "-. 0!1( )2 " , (-’"& ,（ ’淋 ’ ） " ,"# （! ) "3） 式中 !1———进风口高度，&； &———进风口处塔的直径，&； ’淋———淋水装置横截面积，&"； ’———塔的出风口横截面积，&"； "#———淋水装置及其进、出口的阻力系数。 若已知塔型，可根据$( + ) 用式（! ) "*）和式（! ) "4）确定风速 %&。 %& + "!($（!! )!"）%"!! &，&% / （! ) "5） 或已知风速亦可求出冷水塔有效高度 !(。 —!(0— 第一章 冷水塔设计计算 关于出塔空气的状态，除了可以从式（! " #!）求出 !#之外，还要求得!#或"#。 而出塔空气的相对湿度"#，在气水比小于或等于理论气水比!理 的情况下，它应 当等于 !。这里的理论气水比指的是出塔空气的含湿量恰好达到饱和（" $ !）时 的气水比。由式（! " !#）可得 !理 $ "## $（ !# " !!） （! " %&） 根据实测，!$ &’( ) !’*的范围内，出塔空气的相对湿度"# $ !’&。由此则可 根据 !#及"# $ !’&从焓湿图上查得"#，并从附录 +查取与"#相对应的饱和蒸气压 力 %,汽，再由下式算出出塔空气的密度## ## $#汽 -#干 $ %,汽 *(!’.（#/% -"#） - !&!%#. " %,汽 #0/（#/% -"#） ，12 3 4% （! " %!） 第五节 冷水塔的设计计算 前已提到，水能被冷却的理论极限温度是空气的湿球温度$，水出口温度越接 近$时，冷却效果越好，但冷却塔的尺寸越大。虽冷却温差（即冷却前后水温之 差）、冷却水量均影响塔的尺寸，但（ ## "$）值（称为冷幅）的大小却居主要地位。因 而生产上一般要求 ##要比$高 % ) .5。由于冷水塔常按夏季不利气象条件计算， 如果采用外界空气最高温度和最高湿度显然是不合适的，因为在水负荷或热负荷 一定的情况下，空气的计算温度和湿球温度越高，塔的尺寸就越大，且在其余时间 里，冷水塔不能充分发挥作用；反之，如采用较低的温度和湿球温度，塔体是小了， 但可能使得在炎热季节中冷水塔的实际出水温度长期超过所要求的温度 ##。由 此可见，选择适当的$具有重要意义。具体选择时一般用保证率作为衡量依据。 一般可根据夏季每年最热的 !&天排除在外的最高日平均干、湿球温度（气象资料 不少于 . ) !&年）进行计算，例如，某地的日平均干球温度 %&’!5超过 !&天，日平 均湿球温度 #.’(5超过 !&天，就以 %&’!5和 #.’(5作为干、湿球温度进行设计。 —#&*— 第四篇 混合式热交换器设计计算 这样在夏季三个月（! " #月）的 $%天中，能保证冷却效果的时间（称为!的保证 率）有 #% & $% ’ #$()*，而不能保证时间为 )+ & $% ’ )+($*。我国电力部门冷却水的 最高温度按历年最炎热时期（,个月）保证率为 $+*的平均气象条件计算；石油、 化工、机械、冶金部门以每年不超过 -个最热天的日平均干、湿球温度的当年平均 值作为气象条件的最高计算值。 冷水塔的具体计算通常要遇到两类不同的问题： 第一类问题是在规定的冷却任务下，即已知冷却水量 !，冷却前后的水温 ")、 "%，当地气象资料（")，!，#，# 等）选择淋水装置型式，通过热力计算、空气动力计 算，确定冷水塔的结构尺寸等。 如果已经选定塔型，则结合当地气象参数，确定冷却曲线与特性曲线的交点 （工作点）#，从而求得所要的气水比$.，最后确定冷却塔的总面积、段数等。 第二类问题是在气量、水量、塔总面积、进水温度、空气参数、填料种类均已知 的条件下，校核水的出口温度 "%是否符合要求。 ［例 ) / )］ 要求将流量为 0 -++1 & 2、温度为 0+3的热水降温至 ,%3，已知当 地的干球温度"’ %-(43，湿球温度!’ %%(#3，大气压力 # ’ )+)(,5.6，试计算机 械通风冷却塔所需要的淋水面积。 ［解］ )）冷却数计算 水的进出口温差 ") / "% ’ 0+ / ,% ’ #3 水的平均温度 "7 ’（0+ 8 ,%）& % ’ ,!3 由附录 9查得： 与进口水温 ") ’ 0+3相应的饱和空气焓 $!% ’ )!-(#5: & 5; 与平均水温 "7 ’ ,!3相应的饱的空气焓 $!7 ’ ),-(!-5: & 5; 与出口水温 "% ’ ,%3相应的饱的空气焓 $!) ’ ))+，))5: & 5; 进口空气的焓 $)，近似等于湿球温度!’ %%(#3时的焓，查得该 $) ’ !4()5: & —,+0— 第一章 冷水塔设计计算 !"。 由于水的进出口温差（ !# $ !%）& #’(，故可用辛普逊积分法的两段公式（式 # $ %)）计算冷却数。由 !% * +%(查图 # $ ##得系数 " * ,-.))，求冷却数的过程列 于表 # $ %。 表 # $ % 冷却数的计算 项目及符号 单位 计算公式 数值 气水比，# / $ 假设 ,-’ ,-0%’ # 出口空气焓，%% !1 / !" 按式（# $ %#） #+2-# #%+-. #,%-0 空气进出口焓平均值，%3 !1 / !" （ %4# 5 %%）/ % #,%-0 .’-’ 2# $ . !%% !1 / !" %4% $ %% %6-6 )#-. 0+-% !%# !1 / !" %4# $ %# )+-# )+-# )+-# !%3 !1 / !" %43 $ %3 ++ ),-% ’,-2 冷却数，& 按式（# $ %)） #-,# ,-206 ,-0.6 %）求气水比，计算空气流量 将表 # $ %所示不同气水比时的冷却数作于图 # $ #6上。 选择 ’%,，( * #, 7 #,, * # ,,,33的蜂窝式填料，将此种填料的特性曲线（见图 # $ #)）也绘到图 # $ #6上，则两曲线交点 ) 的气水比"8 * ,-0#，相应的冷却数 &9 * ,-20。故当 $ * ) ’,,: / ;时，空气流量 # * ,-0# 7 ) ’,, * % 6)’ : / ;。由#* %’-6( 及 %# * 06-#!1 / !"，查得进口空气的比容 * * ,-202 .3+ / !"，故其密度$* #-#’!" / 3 +， 空气的容积流量 #< * % 6)’ 7 # ,,, /（+ 0,, 7 #。#’）* 00+3+ / =。 +）选择平均风速，确定塔的总面积： 选取塔内平均风速，+3 * %3 / =。则塔的总截面积 , * #< / +3，* 00+ / % * —),)— 第四篇 混合式热交换器设计计算 图 ! " !# 例 ! " !的 ! " " $ #曲线 %%!&’()。若采用四格 * + *的冷水塔，减去柱子所占面积，可认为其平均断面积为 ,-()，因此塔的有效设计面积为 . + ,- / %)- ()。 从而淋水密度为 $0 / . ’-- $ %)- / !.&!(% $（() &1）， 每格塔的进风量为 22% $ . / !2’&#’(% $ 3。 —’-.— 第一章 冷水塔设计计算