逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔布水壁流探討

曹麗穎， 王建軍

（中冷環(huán)境科技有限公司， 河北 滄州 061000）

逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔（以下簡(jiǎn)稱冷卻塔）配水層的主要功能是為冷卻塔提供均勻的布水［1］， 使進(jìn)入填料的循環(huán)水能按填料中已經(jīng)設(shè)置的流道平穩(wěn)流動(dòng)， 并與進(jìn)入填料的空氣進(jìn)行熱交換［2-3］。 冷卻塔常采用管式配水和噴頭布水， 當(dāng)塔內(nèi)的噴頭布置為方格形或梅花形時(shí)［4］， 在矩形冷卻塔的墻體、 梁柱上易產(chǎn)生冷卻水壁流現(xiàn)象。 壁流水沒(méi)有經(jīng)過(guò)填料的熱交換， 直接進(jìn)入集水池， 雖然水量相對(duì)較小， 但同樣會(huì)影響到整個(gè)冷卻塔的熱力性能， 不應(yīng)該被忽略。 因此， 探討影響冷卻塔壁流的因素， 如何采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減少壁流的影響， 確保冷卻塔的冷卻效率十分必要。

冷卻塔壁流是指由系統(tǒng)的布水噴頭直接噴灑循環(huán)水在冷卻塔的墻體和梁柱上， 使循環(huán)水沒(méi)有經(jīng)過(guò)填料的熱交換路徑， 只在塔內(nèi)附壁上流動(dòng)的冷卻水。 壁流水的溫度只和塔壁及梁柱的溫度相關(guān)。 在隔熱系統(tǒng)中， 壁流水的溫度高于經(jīng)過(guò)填料熱交換后的冷卻水。 在壁流水到達(dá)集水池和冷卻水混合時(shí)，就會(huì)提高水池水的溫度［5］。 冷卻塔的壁流由兩部分組成， 一是由布水系統(tǒng)直接將冷卻水噴灑在塔壁上形成， 二是由填料中冷卻水分流到塔壁所致。 關(guān)于填料分流影響的壁流問(wèn)題， 因?yàn)楹吞盍喜ㄐ蜗嚓P(guān)，不屬于布水壁流范圍， 本文就布水系統(tǒng)直接布水產(chǎn)生的沿塔壁和柱壁流動(dòng)的壁流對(duì)冷卻塔冷卻效率的影響問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 布水壁流的四種形態(tài)

冷卻塔布水系統(tǒng)產(chǎn)生的壁流是由噴頭直接布水到墻、 柱上而形成。 根據(jù)墻、 柱遮擋布水面積可以分成墻體形態(tài)、 角柱形態(tài)、 中柱形態(tài)、 邊柱形態(tài)等4 種壁流形態(tài)。

1.1 墻體形態(tài)

圖1 為墻體形態(tài)布水遮擋面積示意。 圖中弓形（剖面線面積）表示為布水被墻體遮擋的部分， 其面積為：

布水半徑滿足不留空隙的最小要求為：

圖1 墻體遮擋面積示意Fig. 1 Block area of wall

1.2 角柱形態(tài)

圖2 角柱遮擋面積示意Fig. 2 Block area of corner column

由圖2 可見(jiàn)， 這個(gè)遮擋面積約為2 個(gè)相同的墻體弓形面積和一個(gè)正方形面積減掉一個(gè)小三角形的面積所組成S2， 即：

1.3 中柱形態(tài)

圖3 為單個(gè)噴頭中柱形態(tài)布水被遮擋面積示意。 圖中剖面線面積表示單個(gè)噴頭布水被柱子遮擋部分的面積S3：

圖3 中柱遮擋面積示意Fig. 3 Block area of middle column

1.4 邊柱形態(tài)

圖4 邊柱遮擋面積示意Fig. 4 Block area of side column

由圖4 可見(jiàn)， 這個(gè)被遮擋面積由一個(gè)墻體形態(tài)和一個(gè)中柱形態(tài)的面積疊加并扣除重復(fù)遮擋的一個(gè)小曲面三角形而得。 其中曲面三角形的坐標(biāo)示意見(jiàn)圖5。

曲邊三角形面積為：

圖5 曲面三角形坐標(biāo)Fig. 5 Triangular coordinates

2 壁流水量的估算

以冷卻塔布水壁流的4 種形態(tài)為計(jì)算模型。 為了使探討的問(wèn)題簡(jiǎn)單量化， 估算時(shí)不考慮冷卻塔塔壁對(duì)壁流水溫度的影響， 假設(shè)冷卻塔內(nèi)的布水是均勻的， 即淋水密度是一個(gè)定值［6］。

2.1 估算方法

估算步驟如下：

（1） 根據(jù)冷卻塔熱負(fù)荷的要求， 通過(guò)熱力計(jì)算， 確定塔體的軸線尺寸L 和淋水密度q。 確定塔體結(jié)構(gòu)柱的數(shù)量、 分布和柱截面a×a 尺寸。

（2） 根據(jù)水質(zhì)和流量的情況， 確定噴頭的型號(hào)和數(shù)量。 確定沿墻單邊噴頭數(shù)n。

（3） 計(jì)算噴頭的間距l(xiāng) 和角柱噴頭到軸線的距離L／（2n）。

（4） 由布水邊界曲線的凹點(diǎn)和墻體內(nèi)側(cè)直線重合來(lái)確定噴頭最小布水半徑R。

（5） 確定墻內(nèi)側(cè)到軸線的距離c。

（6） 利用公式（1）、 （2）、 （3）、 （4）計(jì)算4 種形態(tài)的遮擋面積S1、 S2、 S3、 S4。

（7） 把計(jì)算的各個(gè)形態(tài)的面積乘以淋水密度q， 得到各形態(tài)的布水壁流量。

（8） 疊加塔內(nèi)所有產(chǎn)生壁流點(diǎn)的流量得到整塔的布水壁流量。

2.2 壁流水量的估算

本文冷卻塔采用均濺式噴頭和方格形布置來(lái)估算布水壁流。

估算條件： 噴頭間距l(xiāng) ＝750 mm 布置； 噴頭到最近軸線距離為375 mm； 布水壓力為0.07 kPa；結(jié)構(gòu)柱截面尺寸a×a ＝500 mm×500 mm； 軸線到墻體內(nèi)壁的距離c ＝50 mm。

由于受鋼筋混凝土材料強(qiáng)度的限制， 冷卻塔500 mm×500 mm 截面柱子的跨距在6 m 以下是合理而經(jīng)濟(jì)的。 跨距超過(guò)6 m 時(shí)一般采用增加結(jié)構(gòu)柱的方式或增大結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸的辦法來(lái)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要。 本文采用增加結(jié)構(gòu)柱方式解決大跨距問(wèn)題。

將塔體結(jié)構(gòu)分成9 柱結(jié)構(gòu)和25 柱結(jié)構(gòu)2 種［7］。

2.2.1 9 柱結(jié)構(gòu)冷卻塔的壁流

9 柱結(jié)構(gòu)冷卻塔的壁流噴頭分布位置如圖6 所示。 其中角柱噴頭4 個(gè)， 邊柱噴頭8 個(gè)， 中柱噴頭4 個(gè)， 墻體噴頭4×（L／l－4）個(gè)。

圖6 9 柱結(jié)構(gòu)噴頭布置示意Fig. 6 9-column structure sprinkler layout

冷卻塔淋水密度為q 時(shí)， 墻體噴頭產(chǎn)生的壁流量為：

可見(jiàn)， 壁流水量是隨淋水密度的變化而變化，但是占總量百分比不變。

2.2.2 25 柱結(jié)構(gòu)冷卻塔

25 柱結(jié)構(gòu)冷卻塔的壁流噴頭分布位置如圖7所示。 其中角柱噴頭4 個(gè)， 邊柱噴頭24 個(gè)， 中柱噴頭36 個(gè)， 墻體噴頭4×（L／l－8）個(gè)。

圖7 25 柱結(jié)構(gòu)噴頭布置示意Fig. 7 25-column structure sprinkler layout

冷卻塔淋水密度為q 時(shí)， 墻體噴頭產(chǎn)生的壁流水量為：

根據(jù)以上計(jì)算式， 結(jié)合冷卻塔尺寸和淋水密度的不同， 分別計(jì)算9 柱和25 柱結(jié)構(gòu)冷卻塔的壁流水量， 結(jié)果如表1 和表2 所示。

3 問(wèn)題探討和對(duì)策

3.1 問(wèn)題探討

經(jīng)過(guò)上述的簡(jiǎn)單量化數(shù)據(jù)可以說(shuō)明以下幾點(diǎn)：

（1） 目前矩形逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的布水系統(tǒng)在使用圓形噴頭的情況下是不完美的， 主要原因是塔體為矩形而噴頭布水是圓形。 要讓圓形的布水覆蓋滿矩形的塔體需要圓形的覆蓋面積大于矩形面積， 才可以使布水區(qū)域均勻有水， 而這個(gè)大于矩形面積的部分就會(huì)產(chǎn)生布水壁流。

由于壁流水沒(méi)有經(jīng)過(guò)填料的換熱而冷卻， 而是沿墻壁或柱子直接流入水池和雨區(qū)冷卻水混合。 壁流水的溫度高于經(jīng)過(guò)填料熱交換后的冷卻水， 因此提高了冷卻塔的出水水溫。

表1 9 柱結(jié)構(gòu)冷卻塔的壁流水量計(jì)算數(shù)據(jù)Tab. 1 Calculation data of wall flow water quantity of 9-column cooling tower

表2 25 柱結(jié)構(gòu)冷卻塔的壁流水量計(jì)算數(shù)據(jù)Tab. 2 Calculation data of wall flow water quantity of 25-column cooling tower

（2） 壁流水量的大小， 與塔體大小、 結(jié)構(gòu)布置、 淋水密度、 沿壁噴頭數(shù)量以及噴頭布水直徑等因素相關(guān)。 塔體尺寸越小， 壁流水量所占處理水量百分比越大； 相同大小的塔體內(nèi)部柱子越多， 壁流水量越大； 淋水密度越大壁流水量越大； 沿壁布置噴頭的數(shù)量越多壁流水量越大； 噴頭布水直徑越大壁流水量越大。

從表1 和表2 可以看出同樣大小的塔體， 塔體結(jié)構(gòu)9 柱和25 柱的壁流水量占處理水量的百分比有很大的不同。 以邊長(zhǎng)12 m 的塔為例： 9 柱的壁流水量占處理水量的4.20%， 25 柱的壁流水量占處理水量的7.23%， 兩者相差3.03% 左右， 說(shuō)明塔體結(jié)構(gòu)的柱子壁流具有相當(dāng)大的水量。

（3） 產(chǎn)生布水壁流主要是設(shè)備的幾何原因造成的， 與塔壁的材質(zhì)無(wú)關(guān)。 但是， 塔壁的材質(zhì)如果不隔熱的話， 塔壁的傳熱會(huì)直接影響到壁流水的溫度， 從而使冷卻塔的出水溫度更加具有不確定性。

3.2 對(duì)策

如何控制冷卻塔壁流水量， 使之對(duì)冷卻塔出水溫度影響最小。 這是冷卻塔設(shè)計(jì)方面的一個(gè)課題。在此作以下幾點(diǎn)探討：

（1） 為了避免冷卻塔內(nèi)產(chǎn)生的布水壁流對(duì)出水溫度的影響， 可以在冷卻塔上設(shè)計(jì)一個(gè)壁流引流裝置， 不讓壁流水進(jìn)入水池而直接返回進(jìn)塔水回路，重新上塔走冷卻通道。

（2） 布水系統(tǒng)采用方形布水的噴頭。 這樣可以使布水面積和塔體截面重合， 避免布水墻體形態(tài)壁流。 再配合直波紋的吊裝填料， 避免填料中分流產(chǎn)生的壁流和柱子形態(tài)壁流， 從而杜絕壁流水的產(chǎn)生。

（3） 在冷卻塔熱力性能計(jì)算時(shí)， 考慮壁流水量對(duì)出塔水溫度影響。 具體計(jì)算步驟： ①按用戶要求水量初步確定冷卻塔的淋水密度q 和塔體尺寸L×L； ②確定布水方案， 計(jì)算進(jìn)塔水溫度t1的壁流水量， 總水量減去壁流水量得到雨區(qū)水量， 按熱值守恒原則計(jì)算出雨區(qū)水和壁流水混合后的水池水溫度t； ③計(jì)算水池水和出塔水的溫差Δt ＝t－t2， （t2為用戶要求的出塔水溫）； ④用設(shè)計(jì)出塔水溫t2＇＝t2－Δt 取代原熱力計(jì)算的出塔水溫t2， 重新進(jìn)行計(jì)算； ⑤選配冷卻塔風(fēng)機(jī)， 完成冷卻塔設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

冷卻塔存在的布水壁流水量是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題， 一般布水壁流水量會(huì)占總處理水量的3%～10%， 影響出水溫度0.1～0.5 ℃。 如果想得到冷卻塔100% 的冷效， 就需要在冷卻塔設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行一定的修正。