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at机械通风逆流冷却塔节能降耗设计实例
机械通风逆流冷却塔节能降耗设计实例
唐燕忠
（中国石化集团南京设计院,江苏南京 210048）
摘 要:
在能源比较紧缺的今天,循环水站冷却塔的节能降耗设计显得十分重要。
结合化工厂循环水站冷却塔的设计,介绍了通过对机械通风逆流冷却塔的热力和通风阻力的计算,求得冷却塔的最佳工艺参数,在满足正常生产要求的情况下,达到节能节电、取得较好的经济效益的目的。
关键词:
机械通风+逆流冷却塔;节能;设计;热力;通风阻力;计算
中图分类号:
TQ051.502 文献标识码:
B 文章编号:
1009-1904（2006）01-0044-04
根据化工工艺提供的水量和当地气象温差,查找对应的冷却塔样本选出合适的冷却塔。
如果工程所在地气象参数与样本上的参数相差不大,则冷却塔的和焓差动力法两种方法,目前世界各国工程技术人员及相关规范规定中,均推荐采用焓差法。
应用较广的焓差计算法又分为三种:
①平均焓差法（对数均值法）,一般中、小型冷却塔温差为6～15℃时,多采用此法计算;②二次抛物线倒数积分法;③辛普森近似积分法,当大型冷却塔温差为6～15℃或各种型式的冷却塔温差大于15℃时,多采用辛普森近似
1 概述
在能源比较紧缺的今天,循环水站冷却塔的节能降耗设计显得十分重要。
通常,冷却塔的选型是选型一般能满足设计要求。
但是,如果当地气象参数与样本上的参数相差很多,则冷却塔冷却能力不够或者冷却能力超富余都会造成能量浪费。
主要问题出在什么地方呢?
原来样本上成品冷却塔的运行参数是在标准气象参数（干球温度θ=31.5℃,湿球温度τ=28℃,大气压p=1.004×105Pa）下,结合冷却塔结构、填料的热力特性和阻力性能,以及配水系统和风机的选型等综合情况计算编制而成的。
如果当地的气象参数与样本上的参考参数相差悬殊,则选出的冷却塔就达不到节能降耗的目的了。
笔者认为,要解决这类问题,可以与制造厂联合设计。
首先,我们根据工艺要求限定塔体的结构、大致尺寸和组合形式;然后制造厂采用工程所在地的气象参数、工艺要求的水量及进出冷却塔的温度等参数进行设计,并做出多种方案;最后,我们对制造厂设计的冷却塔尺寸、构造、配用风机、上塔扬程等参数进行评估,选择合适的设计方案,并通过热力和通风阻力计算,来验证所选冷却塔是否满足设计要求,以达到节能降耗的目的。
2 冷却塔验证的基本方程及参数
2.1 热力计算[1]、[2]
逆流冷却塔的热力计算方法历来有压差动力法
积分法。
平均焓差法由于计算较简单,而且精度又能满足计算要求（温差小于15℃时,不超过3%～3.5%）,实际使用比较普遍。
笔者也选用此法进行计算。
1、基本方程
基于麦克尔焓差方程式基础上的逆流冷却塔热力计算基本方程如下:
βXVV1=∫
（1）
QKtt12ic″
w-
dti
令N=
K
1tt12
cwdti″-i
（2）
∫
N′=βXVV/Q（3）
N称为交换数或冷却数,说明冷却任务的大小,与外界气象数有关;N′称为冷却塔的特性数,表示冷却塔本身所具有的冷却能力。
当N′=N时,即冷却塔的设计能力与生产上所要求的冷却任务相匹配,说明选用的冷却塔是最经济、合理的。
2、冷却数N
蒸发水量带走的热量系数K[2]又可表示为cwt2K=1-（4）rt2
当焓差i″-i取平均值Δim,冷却塔进、出水温差Δt=t1-t2,则
（12）
湿球温度τ
已知气象参数如下:
淋水装置的散热能力,βXV愈大说明冷却塔散热愈
干球温度θ 30.3℃
好,塔的体积可以缩小。
23.6℃
=Agmkqn
可表示为
=
Agm
kqn
βXV大气压p气91.1kPa
（it1-it2
）+（i1-i2）
Δim=（5）
it1-δi-it2
2.3lg
it2-δi-it1
公式
（2）可近似地表示为
N=（1/K）•（cwΔt/Δim）（6）
冷却塔进、出口空气的焓的关系如下:
i2=i1+cwΔt/（Kλ）（7）
其中λ=3.6gk/q（8）
湿空气的焓计算公式如下:
θi=cgθ+0.622（r0+cqθ）[фpq/（p气-фpq）]（9）
其中,饱和蒸汽分压力pq按下式计算求解:
lgpq=2.0057173-3.142305（1000/T-1000/373.16）+
8.2lg（373.16/T）-0.0024804（373.16-T）（10）
相对湿度计算公式如下:
ф=[pτ-0.000662p气（θ-τ）]/pθ（11）
3、特性数N′
淋水装置的容积散质系数βXV反映了单位体积
填料区以外的部分阻力p2:
p2=HZ-p1
风机实际工况下的全压p全应等于塔总阻力HZ,即p全=HZ,风机实际工况下的全压p全与标准工况下的全压p0关系为:
p全/γm=p0/γ0（18）风机实际工况下的风量G与标准工况下的风量G0关系为:
Gγm=G0γ0（19）
3 工程设计实例
笔者曾经做过贵州某大型硫酸装置一个清净循环水站设计,其最大水量3300m3/h。
为便于调节,运行经济,如冬季只开一台风机,设计为两台塔组合,单塔设计冷却水量是1650m3/h。
塔体梁柱和维护面板均采用钢筋混凝土结构,另外由于场地较紧,冷却塔尺寸要求尽可能小。
则特性数N′
N′
hF
qF
=B
gk
q
m′
（13）
将式（8）代入式（13）得
N′=A′λm′（14）
计算冷却塔的特性数N′可采用式（3）或式
（14）均能得到理想的结果。
2.2 通风阻力计算[2]
当然,在考虑填料热力性能时,还应统筹考虑冷却塔的阻力性能,以达到节能的目的。
冷却塔的通风阻力计算可按下式:
H=ξγmv2m/2（15）
当计算全塔总阻力时,vm为淋水填料计算断面的平均风速;当计算冷却塔的局部阻力时,vm为该处的计算风速。
进冷却塔空气密度γ1可按式（16）计算[2]:
γ1=（0.003483p气-0.001316фpq）/（273+θ）（16）冷却塔阻力系数一般采用与所设计的冷却塔相同的原型塔的实测数据或相似的模型塔的实验数据。
另外,填料的通风阻力（包括喷淋区和尾冷区）可根据填料阻力性能表达式计算:
p1=hγmαvm
β（17）
已知工艺参数如下:
进塔水温t140℃
出塔水温t232℃
单塔冷却水量Q1650m3/h
3.1 冷却数N的计算
根据已知气象和工艺参数,计算出与N相关的
参数如下:
K 0.945 i1 75.6kJ/kg
γ11.035kg/m3it1180.6kJ/kg
ф0.58it2119.3kJ/kg
pθ4.36kPaΔim147.0kJ/kg
pτ2.94kPa
当气水比λ=0.4、0.5、0.6、0.7时,计算的相应
N值如下:
λ=0.4 N=1.363
λ=0.5N=0.958
λ=0.6N=0.822
λ=0.7N=0.751
3.2 特性数N′计算
根据工程设计要求,笔者选择了A、B、C三个冷却塔制造厂家的产品方案,单塔的相关参数见表1。
根据表1分别计算出三个厂家冷却塔的特性
数,见表2。
硫磷设计与粉体工程
•46•SP&BMHRELATEDENGINEERING
2006年第1期
C1.0761.2091.331.441
绘在同一坐
根据三个冷却塔制造厂家的参数计算出其冷却
塔的相关参数见表3:
标图上,即可得到N—N′
3.3 N—N′曲线图
表3 计算所得的冷却塔的相关参数
表1 厂家提供的冷却塔的相关参数
厂家
项目名称
ABC
冷却塔平面尺寸/m9.5×9.59.4×9.411×11
淋水面积/m290.2588.36121.0
淋水密度/m3•m-2•h-118.2818.6713.64
填料名称复合波斜波双重波
填料高度h/m1.51.01.5
βXV=βXV=N′=
填料热力特性1754g0k.55q0.422180g0k.39q0.621.735λ0.521
塔总阻力系数ξ/1485152
风机叶轮直径/m6.06.07.0
设计风量/m3•h-165.4×10490.0×104100.0×104
电动机功率/kW454575
表2 三个厂家冷却塔的特性数N′的计算值1
厂家
λ/1
0.40.50.60.7
A1.4551.6561.8412.032
B0.9561.0481.1151.183
图3 C厂冷却塔的N—N′曲线
根据设计风量、工作点气水比λ及空气和水的计算密度计算出冷却水量如下:
厂家气水比冷却水量
A0.3951713.6m3/h
B0.4801940.0m3/h
C0.4352379.0m3/h
3.4 通风阻力的计算
以λ为基础,把计算得到的N和N′
曲线图。
N、N′两条曲线的交点G即为该塔的工作点。
A、B、C三家厂的冷却塔N—N′曲线图分别见图1、图2、图3。
图1 A厂冷却塔的N—N′曲线
厂家ABC
填料断面平均风速/m•s-12.012.832.30
塔总阻力/Pa100.4211.3142.4
风机实际工况下全压/Pa100.4211.3142.4
风机标准工况下全压/Pa116.5245.0165.1
风机标准工况下风量/m3•h-156.4×10477.6×10486.3×104
根据淋水密度q=18.28m3/（m2•h）和A厂提
供的相关系数,计算出
α=-2.0893×10-4q2+3.628×10-2q+0.538
=1.132
β=-9.3561×10-4q2-7.3379×10-3q+1.953
=1.505
从而可计算出填料的通风阻力p1=49.25Pa,占塔总阻力HZ的42.2%,满足了一般填料通风阻力（包括喷淋区和尾冷区）占塔总阻力40%～70%的要求。
3.5 分析比较
从上述计算结果可知,如果不考虑通风阻力因素而仅从热力学角度来说,A、B、C三个厂家的单台冷却塔的冷却水量均大于1650m3/h,符合设计要求,且A厂冷却水量最接近设计值。
但只有A、C两家厂的冷却塔风机能够同时满
图2 B厂冷却塔的N—N′曲线足风量和风压的要求。
而B厂冷却塔的风机只能满足风量而无法满足风压的要求,其原因是风量和风速设计过大,阻力太大,因而不符合设计要求。
进一步比较A厂和C厂的冷却塔参数可知,C厂的冷却塔冷却水量远远超过设计值,塔的体积也偏大,不适合在场地较紧的地方布置,同时也不节能,因此不予考虑。
通过初步比较,笔者倾向选择A厂冷却塔。
当然,选冷却塔时考虑的因素还有很多,如塔内配水系统、上塔扬程大小等。
A厂的冷却塔采用管槽结合配水系统,上塔扬程比B、C厂的低2～3m,可节省一部分循环水泵的能耗。
且A厂冷却塔配水系统喷头是上喷的,这样可以使喷出的水滴在塔内停留足够的时间与冷空气进行充分的接触和热交换,同时也减小了对气流的阻力。
A厂冷却塔采用双面进风,进风口不设百叶窗,减小了气流阻力;进风口风速为3.6m/s,填料断面平均风速为2.01m/s,进风深度与进风高度比为1.8,符合要求（小于2.0）。
为防止水滴过多地被风吹出塔外,在进风口的两侧、集水池的顶部设有1.5m宽的回水台;在集水池的中部平行于两边进风口设钢筋混凝土隔墙,隔墙高度从集水池底延伸至填料支撑梁底。
这样,不仅有利于布风的均匀性,同时也有利于塔体结构的稳定性。
为了让冷却水在集水池内自由流动,隔墙底部开有长方形人孔,便于塔内检修。
通过综合比较,笔者最终选择了A厂冷却塔,该塔目前已成功运行,各项参数均达到设计要求,现场反映良好。
4 结束语
通过对机械通风逆流冷却塔的热力和通风阻力的计算,求得冷却塔的最佳工艺参数,优化设计,在满足正常生产要求的情况下,达到节能节电、取得较好的经济效益的目的。
同时,通过以上计算分析,笔者感到,虽然计算过程很繁琐,远不如计算机软件快,但基本上可提供设计参考,希望能起到抛砖引玉的作用;同时为广大的冷却塔制造、维护、管理人员提供参考,并在实践中不断提高冷却塔的设计、制造水平,为经济建设提供更好的服务。
符号说明
A、A′、B、m、m′、n———与淋水装置结构相关的实验常数,1;
cg———干空气的比热容,可取1.005kJ/（kg•℃）;
cq———蒸汽的比热容,可取1.846kJ/（kg•℃）;
cw———循环水的比热容,kJ/（kg•℃）;
F———淋水面积,m2;
gk———空气质量流速,gk=γmvm,kg/（m2•s）;
G———风机实际工况下的风量,m3/h;
G0———标准工况下的风机风量,m3/h;
h———填料高度,m;
H———冷却塔的通风阻力,Pa;
HZ———塔总阻力,Pa;
i1———冷却塔进口空气焓,kJ/kg;
i2———冷却塔出口空气焓,kJ/kg;
it1、it2———水温为t1、t2时的饱和空气焓,kJ/kg;
iθ———空气温度为θ时的湿空气的焓,kJ/kg;
Δim———平均焓差,kJ/kg;
i″-i———焓差,kJ/kg;
K———蒸发水量带走的热量系数,1;
N———冷却塔的冷却数,1;
N′———冷却塔的特性数,1;
p0———风机标准工况下的全压,Pa;
p1———填料的通风阻力,Pa;
p2———填料区以外的通风阻力,Pa;
p全———风机实际工况下的全压,Pa;
p气———大气压力,kPa;
pθ———空气温度为θ时的蒸汽分压,kPa;
pτ———空气温度为τ时的蒸汽分压,kPa;
pq———饱和蒸汽分压,kPa;
q———淋水密度,m3/（m2•h）;
Q———冷却水量,kg/s;
rt2———水温t2时的汽化热,kJ/kg;
r0———水在0℃时的汽化热,可取2500kJ/kg;
t1———进塔水温,℃;
t2———出塔水温,℃;
T———空气的绝对温度,T=273+θ,K;
vm———计算风速,m/s;
V———填料体积,m3;
α、β———与淋水密度q有关的参数,1;
βXV———淋水装置的容积散质系数,kg/（m3•s）;
γ0———标准状况下的空气密度,γ0=1.2kg/m3;
γ1———进冷却塔空气密度,kg/m3;
γm———计算空气密度,在机械通风冷却塔计算中一般用γ1代替γm,
kg/m3;
δi———修正值,δi=（it1+it2-2im）/4,kJ/kg;
θ———空气的干球温度,℃;
τ———空气的湿球温度,℃;
λ———气水比（每千克水冷却到设计温度所需空气量）,1;
ξ———冷却塔总阻力系数或局部阻力系数,1;
ф———相对湿度,1。
参考文献:
[1] 陈耀宗,姜文源,等.建筑给水排水设计手册[M].第一版.北
京:
中国建筑工业出版社,1992:
427～444.
[2] 李志悌,华钟南,等.工业循环水冷却设计规范[M].第一版.
北京:
中国计划出版社,2003:
2～6.
作者简介:
唐燕忠（1970-）,男,安徽安庆人,工程师,长期从
事化工给排水设计工作。
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