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。

dHqxvhth0dV （1）

\"式中：dHq —— 水散出热量；

xv —— 以含湿差为基准的容积散质系数kg/m3skg/kg ；

ht —— 温度为水温t时饱和空气比焓 (kJ/kg)； h0 —— 空气比焓 (kJ/kg)。

\"将式（1）代入冷却塔内热平衡方程：

dHqcwQdtcwtdQn （2）

式中：dHq —— 水散出热量；

cw —— 水的比热kJ/kgoC ；

Q —— 冷却水量 (kg/s)； Qu —— 蒸发水量 (kg/s) t —— 水温度 （℃）

并引入系数K：

式中 rm——塔内平均汽化热（kJ/kg）

经整理，并积分后，可得冷却塔热力计算的基本方程式：

t1cdtKxvv\"w （3） t2Qhth0 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：

（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：

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。

b这种积分方法是将积分式ydx，在x轴上a到b之间求出几个预定的y值，某

ay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：

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： p1——进风口的阻力； p2——导风装置的阻力； p3——空气流转弯的阻力；

p4——淋水装置进口处突然收缩的阻力；

p5——空气流过淋水装置的阻力(摩擦阻力和局部阻力)； p6——淋水装置出口处突然膨胀的阻力； p7——配水装置的阻力； p8——收水器的阻力；

p9——风机进口的阻力； p10——风机风筒出口的阻力。

冷却塔的通风总阻力 : pz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：

 （1）

iPiiivi22g(毫米水柱) （2）

式中： i ——各局部阻力系数；

vi——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

——重力加速度。 g

而冷却塔的总局部阻力可写成：hPiiivi22g(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：

冷却塔各部件处局部阻力系数1,2,3值的确定： (1)进风口 10.55

(2)导风装置式中：20.10.25qL

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：30.5

(4)淋水装置进口处突然收缩： 40.51 Fcp——淋水装置的截面(m)。

2

F0 Fcp(5)淋水装置 5e1KqZ

式中：e——单位高度淋水装置的阻力系数； K——系数；

——淋水装置高度(m)。 Z

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。

F0 (6)淋水装置出口突然膨胀61Fcp2

2FF3cp (7)配水装置70.51.31FFcp3式中：F3——配水装置中气流通过的有效截面积(米)

2

Fcp——塔壁内的横截面积(米2)。

2F2Fcp(8)收水器式中：80.5212 FcpF2式中：F2——收水器中气流通过的有效截面积(米)；

2

Fcp——塔壁内的横截面积(米2)。

(9)风机进口

F4 9可根据下式确定：901Fcp0——根据lD0查表取值；

F4——收缩后的截面积(㎡)；

Fcp——收缩前的截面积(㎡)；

式中：—摩擦系数；可采用0.03。

(10)风机凤筒出口(扩散筒) 101p

式中： —－风筒速度分布不均匀而影响修正系数，根据l/D0 ； p——根据lD0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t2，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t2。

根据设计条件及实测的热力、阻力特性，计算出冷却水温t2，与设计的t2进行比较，如前者的t2值等于或低于后者的t2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t2，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

t2f1,1,q,t性能曲线或设计采用的计算方法和公式，计算出冷却水温t2，如果比

实测的t2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t2f1,1,q,t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

式中——实测冷却能力；

Qc——修正到设计条件下的冷却水量(kg/h)； Qd——设计冷却水量(kg/h)； Gt——试验条件下的实测风量(kg/h)； 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A，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（1,1,p,Q,t1,t2）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Gt及修正后c点的气水比c，便可得到修正后的冷却水量Qc，即： QcGt/c

m 将上式代入Qc1Gt便可求得实测冷却能力。如大于90％或95％，应视QdQdc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：

Qc1G't QdQdc所不同的是上式中进塔风量G't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：G'tGdNtNd （kg/h） 13式中 G't——通过实测风机功率换算的风量(kg/h)； Gd——设计风量kg/h)； Nt——实测风机功率(kw)； Nd——设计风机功率(kw)。

风量G't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t2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验条件下确定冷却

塔能力的列线图。其步骤首先以试验湿球温度1为基础，绘制一组以冷却幅宽t为横坐标，出塔水温t2为纵坐标，冷却水量Q为参变数的曲线(下图)。然后，由此组曲线，根据试验冷却幅宽t绘制一条出塔水温t2和冷却水量Q关系曲线(下图)，这样在试验出塔水温下就可查得预计保证的冷却水量Qp，将试验的冷却水量再进行风机功率的修正。修正后的水流量与预计的水流量之比即可确定冷却塔冷却能力，亦即利用下列公式计算：

 冷却塔的设计和选用中，可以参考下表 1 2 3

进出水温差 △t=5℃ △t=10℃ △t=25℃(60-35) 填料高度 H=0.8-1.0m H=1.25m H=1.5m 淋水密度 q=15 q=12-13 q=9-10