中华人民共和国国家标准机械通风冷却塔工艺设计规范GB/T 50392-2006条文说明
1 总 则
1.0.1 冷却塔是工业节水的重要设备,国家有关部门一直关注冷却塔技术的发展。化工、石化、冶金、纺织等高耗水行业以及民用空调系统广泛使用的是机械通风式冷却塔,电力行业也有一些循环冷却水系统使用的是机械通风式冷却塔,可以说有循环冷却水的地方就有机械通风冷却塔。
我国广泛使用机械通风式冷却塔始于20世纪70年代,三十多年来,我国的冷却塔技术经历了一个从无到有、从低水平到具有一定水平的过程。目前,我国机械通风冷却塔及其相关产品方面的新技术、新产品层出不穷,有的确实有较高的技术含量,有的尚需加以规范。由于缺少必要的设计规范,在机械通风冷却塔的设计、招标过程中不可避免地存在盲目性和人为性。有的制造商为了达到目的,不惜偷工减料,不合格的冷却塔投入使用后,轻则影响生产,影响节水效果,重则造成人力、物力的巨大浪费,影响了I业生产装置长周期、安全、稳定地运行。为了经济、合理、安全地发挥冷却塔在工业节水领域中的重要作用,特制定本规范。
1.0.2 本条规定了本规范的适用范围。循环冷却水系统以冷却水是否与空气直接接触而分为敞开式(湿式)系统和密闭式(干式)系统。本规范适用于循环水与空气直接接触,热交换和物质交换同时进行的敞开式循环供水系统机械通风冷却塔的设计。
机械通风冷却塔由以下类别构成:
由于密闭式冷却塔的传热方式与敞开式循环供水系统机械通风冷却塔的传热方式完全不同,因此本规范不适用于密闭式循环系统。
在机械通风冷却塔中还有一类喷射式冷却塔,目前对喷射式冷却塔研究较少,测试数据也少,因此本规范也不适于喷射式冷却塔的设计。
对适用的工程类别方面,本规范规定了"新建"和"扩建"工程。由于改建工程的实际情况比较复杂,亦不便作统一规定,实际工作中可参照本规范的有关规定执行。
1.0.3 本条提出在冷却塔设计中,需要贯彻国家技术经济方针、政策的几个重要方面。
1.0.4 为了使设计的冷却塔能够安全、经济、高效、实用,必须坚持在不断总结生产实践经验和科学试验的基础上,积极开发和慎重采用先进的技术。近三十年以来,我国循环冷却水技术的迅速发展,设计水平的不断提高,在长期设计实践工作中,各设计部门联合科研、生产部门,结合工程的实际需要,不断开发和推广应用了许多先进技术的结果。例如冷却塔的淋水填料、除水器及配水喷头的型式和材料的不断创新,冷却塔使用的轴流风机的改进和发展等等。
随着我国工业的发展,工业冷却水将大量增长。由于水资源的限制,冷却水的循环使用必将日益发展。为了使设计的冷却设施安全、经济、高效、实用,必须坚持在不断总结生产实践经验和科学试验的基础上,积极开发和慎重采用先进技术这一原则。
1.0.5 本条规定了执行本规范与其他国家标准、规范之间的关系。冷却塔的设计中会遇到建筑的布置、防火、防爆、交通道路、环保、噪声等,应按国家现行的有关强制性标准、规范执行。本条在原条文基础上强调执行本规范与国家现行的其他有关强制性标准、规范之间的关系。
3 一般规定
3.0.1 冷却塔大、中、小型的界限划分,可按风机直径的大小、土建结构尺寸和结构难易度,以及单格塔的冷却水量进行划分。对近年来国内高耗水行业如化工、石化、冶金等系统使用的机械通风冷却塔调查表明,单格水量负荷已达到4000m3 /h及以上。根据国内常用冷却塔的能力,将冷却塔划分成三个级别。对特殊水质或温差>15℃的水来说,水量界限可适当调整。
3.0.2 冷却塔的设计水温是依据工艺所提供需要的冷却水量、水温差(t1一t2)以及当地气象条件数据,进行合理设计计算的。故本条规定应密切配合工艺装置,进行多方案比较,达到技术先进、经济合理,注意克服设计过分保守的倾向。
3.0.3
l 横流式冷却塔填料顶面至风机吸人段下缘(风筒入口)之间要留出一过渡高度,供从填料水平方向流出的气流顺利转弯向上进入风筒,根据设计和实践经验,此高度宜取等于或大于风机直径的0.2倍。
2 逆流式抽风式冷却塔中的气流从面积较大的填料顶面流出后,经气流收缩段进入面积较小的风筒入口,当二者之间高差足够大时气流为自由收缩,损失最小,气流稳定性最佳,但一般做不到,故气流受塔壁形状和尺寸大小的影响产生不同效果。例如,风筒进口采用流线型、抛物线型可以使气流平稳进入风机风筒,避免气流与风筒边壁分离产生涡流耗损。根据中国水利水电科学研究院的研究结果,风筒进口采用流线型比直角型风量可提高18%。同时根据实践经验提出以下适宜措施:
1)当塔顶为平盖板时,气流收缩段的顶角是指一个当量的直圆锥台形渐缩管的顶角;其大口面积等于填料顶面积(或除水器顶面积),小口面积等于风机风筒进口面积,高度为填料顶(除水器顶)至塔顶板内壁的高度差,此高度决定于顶角的大小。见图1和图2。
对气流收缩角的描述曾有两种说法,其一是从填料顶两侧边缘作风机叶片中心线与塔中心线交点的连线形成一个三角形,其顶角即为气流收缩角,如图1中虚线所示,从图上可以看出,它不是气流收缩角,因为气流是从宽度等于填料宽度的断面流出,一路渐缩,到直径等于风筒进口的断面,而后进入风筒,但按此三角形推算,在风筒下口标高处,此三角形的宽度明显小于风筒人口直径,故不能将它定义为气流收缩角。
另一种说法是从填料顶两侧边缘作风筒圈梁下口直径两侧边缘的连线并延伸至塔中心线形成一个三角形,如图2中虚线所示,它的顶角称为气流收缩角,对塔身为圆形的塔来说是正确的,但对正方形塔或矩形塔则显得不完全对,因为在塔横断面处填料边缘离塔中心距离最短,以此距离推求的顶角最小,而在进风口边缘处(即塔水平断面斜对角)的填料边缘至塔中心的距离为最长,对方形塔二者比值为1.414倍,以此值推算的顶角为最大。对这样的气流收缩段顶角,采用哪一个数值为代表值,目前众说纷纭尚没有规定可依。
参照通风工程对于从方形(矩形)断面渐变至圆形断面的渐缩管,又称天圆地方形渐缩管,它对气流收缩角的正确定义方法是:将方形(矩形)断面(面积用F表示)按面积相同折合成当量圆形断面 来计算,可以求出一个当量的顶角,它除可确定一个高度外,还可按此顶角值,进一步求出通风阻力损失值。此种方法定义比较准确合理,故本规定采用此种定义方法。
工程设计时,先分别定出塔顶板内壁至除水器的高差,除水器 至配水装置的高差,配水装置至填料顶面的高差,以三者合计的高差,推求填料顶算起的气流收缩角,如果该角度小于90°,可认为符合要求,如果大于90°则应调整上述高度。
2)塔顶盖板为收缩型时,塔顶板的收缩角即为除水器上方的气流收缩角,见图3。
3 横流式机械通风冷却塔的进风口风速较高,一般在3.0m/s左右,同时总高度较大,沿填料垂直下落的水流将产生横向偏移,为充分发挥填料换热作用,填料宜采取按收缩倾角安装形式,根据设计和众多横流塔的实践经验提出适宜收缩倾角的数据。
4 双侧进风的逆流式机械通风冷却塔宜设中部挡风隔板,能减少单向穿堂风及涡流旋风不稳定的影响。隔板上缘距填料支撑梁底200~300mm,具有稳定风压,减少涡流旋风的作用。
5 横流式冷却塔填料底部至水面间一般有300mm左右的空间.有的冷却塔利用横梁作为挡风板防止气流短路流通,但当池中水位降低时,该空间成为空气短路的通道,致使塔的冷却能力下降,故应另考虑有效措施。
3.0.4 本条规定的参数,系参照国内外工程设计及市场冷却塔发展趋势,以大量实测数据为准的原则提出。
3.0.5 本条规定的参数系参照美国尼尔·W·凯利著《横流冷却塔性能手册》中的数据。
3.0.6 本条是依据各类塔型、各种塔排布置形式进行湿热空气回流和干扰影响因素推算及占地面积推算成果,筛选后提出推荐的数据。塔排长度与宽度之比,前苏联规范规定为3:1;英国规范规定宜取5:1。在总图平面布置狭窄地区,大、中型冷却塔可放宽至5:1,但应对湿热空气和干扰影响进行精确计算。
3.0.7 结合我国现有工程实际布置情况制定本条条文。
1 长轴位于同一直线上的相邻塔排,净距不少于4m,主要为考虑施工期基坑开挖和两排塔基础间的结构间距和运行管理、检修期间的通道要求。
2 长轴不在同一直线上、平行布置的相邻塔排,净距不少于塔进风口高度的4倍,主要是考虑塔的通风要求。以上规定没有考虑湿热空气回流和干扰的影响。如果考虑回流和干扰的影响,塔排间距可参考表1和前苏联B.A·格拉特柯夫的关于塔排间距的建议可参考表2。
前苏联经验公式,系单格塔面积为64~192m2的多格塔排及单格面积400mz的塔排,塔排间距为20~40m,并且是逆流式冷却塔。
从公式分析0.2B一项,系指塔排长度影响湿球温度的附加值,而0.2B[K(n一1)sina]一项,系指塔排间距尺寸的大小影响湿球温度的附加值。两项之和,即考虑干扰,也考虑回流的影响因素。
本规范推荐采用前苏联"全苏给水、排水、水工结构物和水文地质科学研究所"计算逆流式冷却塔的干扰和回流影响的经验公式。
3 各种计算公式成果分析见表4。
回流率Re确定后,宜按下列公式计算回流影响因素后的相对湿度φ'、进塔空气湿球温度τ'、进塔干球温度θ'。
从表4数据分析,本规范3.0.8条、3.0.9条的规定是可行的。目前关于塔排间距的研究成果较少,以上数据都是选自经典的冷却塔专著。随着工业装置的逐步大型化,循环装置也在大型化,由此而导致的区域气候的变化不容忽视。国内某大型石化企业曾在塔排设计进行过试验和计算机软件模拟,发现由于湿空气回流和干扰引起区域湿球温度的上升大于本条给出的湿球温度修正范围。因此,对于大型循环水装置,当采用多排布置时,湿空气的修正值宜通过试验确定。
3.0.10 本条是根据实践经验提出分隔的基本原则,冷却塔的集水池是否进行分隔,直接与冷却塔的运行管理是否方便、合理及经济性有关。
3.0.11 冷却塔在厂区总平面规划中的位置应当根据生产工艺流程的要求、冷却塔与周围环境之间的相互影响及工业企业的发展扩建规模等因素综合考虑确定。
1 为避免或减轻冷却塔的漂滴、水雾对厂区主要建筑物和露天配电装置的影响,冷却塔应布置在厂区冬季主导风向的下风侧。
2 为防粉尘影响和污染,冷却塔应布置在粉尘源全年主导风向的上风侧。
3 冷却塔应远离厂内露天热源,如高炉,石油化工厂和化肥厂的露天加热设备、火炬等。热源影响使进入冷却塔的空气参数长时间处于高设计值,导致冷却塔冷却效果达不到设计要求。
4 从冷却塔本身的进风要求,结合国内外研究成果,机械通风冷却塔与相邻建筑物的净距至少应为塔的进风口高度的两倍。
3.0.12 在气候寒冷的地区修建的冷却塔,冬季运行中的最大危害是冷却塔的结冰。冷却塔结冰后,不仅影响塔的通风、降低冷却效率,严重时还会造成淋水填料塌落、塔体结构和设备的损坏。冷却塔易结冰的部位、原因及危害:
1)进风口处结冰。这是一种最普遍的结冰形式。在各种类型冷却塔的进风口处均有可能结冰。逆流冷却塔一般是在进风口上、下缘及两侧结冰。横流式冷却塔会因进风口百叶窗内缘挂冰及顶部进水槽漏水造成的进风口支柱和百叶窗外侧大面积结冰。
进风口处结冰的主要原因是冷却塔淋水填料外围水量过小,沿塔壁下流的少量水在进风口上缘或挡水檐边缘滞留时间过长,遇冷空气而结冰。进风口处结冰除对冷却塔的混凝土有破坏作用外,还影响冷却塔的进风,使塔的冷却效果降低。
2)淋水填料结冰。淋水填料的大面积结冰是由于冷却塔的热负荷及水量过小,造成淋水填料底部挂冰,淋水填料大面积塌落。
3)塔顶结冰。当除水器除水效果较差时,水滴随出塔空气飞出塔外,飘落在塔顶平台及风筒上造成结冰。塔顶的结冰除对冷却塔结构造成危害外,还将影响运行人员的安全巡逻。
4)冷却塔周围地面结冰。由于除水器的效率较差,大量水滴飘落在冷却塔周围或进风口处,由于风的旋流,将一部分水滴带出塔外洒落在进风口周围的地面上,都会造成塔周围地面结冰。这种结冰主要影响运行人员的安全巡视及冷却塔附近的交通安全。
5)风机叶片表面结冰。当冷却塔的格数较多时,冬天常有一些塔格不运行。由于运行的塔格排出的水汽飘落到停止运行的塔格风机叶片上,在叶片表面结冰。如果不对这些结冰的叶片进行融冰处理,在启动运行时,因叶片的静、动平衡失调,将引起风机振动,严重时会造成风机及塔体结构的损坏。
6)某些风机的减速器采用稀润滑油,并带有油循环系统。当冬季停用时间较长时,润滑油会在管路中凝固,风机在启动运行之前如果不对油加热解凝,将会造成油路不畅,风机减速器因失润造成事故。
7)除上述塔本身的冰冻之外,塔的进水干管阀门及集水池也会因塔停止运行而导致进水阀门被冻裂,集水池池壁冻裂的事故。
多年来国内很多生产运行单位和设计单位在冷却塔的防冰方面积累了丰富的经验,国外的一些成熟经验也可借鉴。本条给出的是一些机械通风冷却塔常用的防冻方法。
3.0.13 国家环境保护部门对城市环境的噪声视不同类型的区域有不同的控制标准。各种类型的冷却塔的噪声都远远超过规定标准。机械通风冷却塔的噪声是由配水、淋水及水滴落入集水池时产生的水滴撞击声、风机和传动机构产生的鼓风和机械传动噪声等项构成。据国外和国内的一些资料介绍,各种不同类型冷却塔在距塔外缘10m、距地面1.2m处测得的噪声约为70~80dB(A)。
控制冷却塔噪声影响的办法为:
1 选用低噪声风机和传动装置或采用高极数电动机与低转数风机直联的风机动力系统。
2 改善配水和集水系统,在集水池内放置吸声材料,降低淋水噪声。
采用以上两项措施后机械通风冷却塔的噪声可降至60dB(A)以下。
3 在塔的周围建消声·隔墙或种植林带也可以使冷却塔的噪声降低10~20dB(A)。
当上述措施仍不能满足环境对噪声的要求时,则需要把冷却塔布置在远离对噪声敏感的区域。
4 气象参数的整理和取值
4.0.1 本条规定了收集气象资料时选择气象台(站)的原则。在实际工作中,往往冷却塔所在地没有国家气象台(站),必要时可在拟建冷却塔所在地设短期气象观测站,用短期观测资料求取与国家气象台(站)的相关关系,只有选取相关关系较好的气象台(站)的资料,才可进行必要的修正,以供设计使用。
4.0.2 根据对某些城市连续5年和10年的气象资料进行频率统计的结果,两条频率曲线基本重合。日平均干球或湿球温度,两种资料年限的统计结果,在相同频率时相差仅0.1~0.2℃。为减少资料的收集及统计计算工作量,采用连续5年的资料就能够满足设计精度的要求。
4.0.3 设计单位对日平均气象参数的取值方法可归纳为以下4种:
1 取国家气象部门统一规定的一昼夜4次标准时间(每天的2、8、14、20点)测值的算术平均值作为日平均值;
2 取每天24小时的24次测值的算术平均值作为日平均值;
3.取每天的8、14、20点3次测值的算术平均值作为日平均值;
4 取每天14点测值作为日平均值。
按第3和第4种方法取值无疑会使计算气温增高,使冷却塔尺寸增大。
对国内某些城市的湿球温度分别按第1和第2两种方法计算日平均值,其结果表明,不同频率时的日平均湿球温度均相差甚小。为便于气象资料的收集和简化统计计算工作,以一昼夜4次标准时间测值的算术平均值作为日平均值是适宜的。对冷却塔水美国冷却塔设计最高计算水温的气象条件是按夏季(6~9月)湿球温度频率统计方法计算的频率为2%~10%的小时气象条件,频率值由业主视工程条件选定。
英国冷却塔规范BS-4485(1988年版)规定:根据不同工艺过程的需要,选择历年炎热时期(一般以4个月计)频率为1%~5%的小时湿球温度值作为设计气象条件。
我国《火力发电厂设计技术规程》DL/T 5000-2000(1994年版)规定:冷却水的最高计算温度宜按历年最炎热时期(一般以3个月计)频率为10%的日平均气象条件计算。
我国石油、化工、纺织和机械系统的设计单位是以每年夏季不超过5个最热天的日平均湿球温度及对应的干球温度的多年平均值作为气象条件的最高计算值。
综合各工业系统的需要,同时使设计人员通过现有的设计手册取得气象参数资料,本规范规定以多年平均每年最热时期3个月中最热天数不超过5~10d的日平均湿球温度作为设计湿球温度。个别对冷却水温要求较严格或要求不高的工艺过程,在充分论证的基础上,本规范允许提高或降低标准。
按频率统计步骤从收集不少于5年的气象记录资料(每年夏季),对规定温度区间的天数进行统计计算,求得平均每年湿球温度及对应干球温度超过某一温度值的相应的频率,也称保证率。该方法统计工作量大,过程较复杂。
以每年夏季最热时期3个月中不超过5~10个最热天的日平均湿球温度及对应的干球温度的多年平均值作为最高温度计算值。该方法统计清楚简单,确定设计湿球温度及对应的干球温度所需的工作量较少,易于实施,并能保证精度,故本规范推荐采用此种方法。
5 设计计算
5.1 热力计算中常用参数计算
很多冷却塔方面的专著都给出了本节所列出的参数的计算公式,但大多是采用非法定单位表示,使用者每次都要自行换算,很容易出差错,本规范将它全部改用法定单位表示,并一一详细列出,以保证和提高计算质量和速度。
5.2 逆流式冷却塔工作特性
5.2.1 逆流式与横流式冷却塔工作特性的热力计算方法有压差动力法和焓差动力法两种计算方法,各有优劣。由于焓差法具有求解简便的优点,得到世界各国工程技术人员的普遍应用,而且我国有关部门在冷却塔的热力试验中基本上都采用焓差法整理试验数据,因此本规范推荐采用焓差法。
冷却数计算公式国内常见有3种表达形式,除公式5.2.1-1~5.2.1-3外,尚有以下两种计算公式,分述如下:
以上冷却数的表达形式,当ka(有些资料用βxv表示)为定值时,公式5.2.1-1表示的冷却数与填料体积成正比而与水量成反比,亦即单位水量需要的填料体积乘以容积散热系数后即表示单位水量散发的总热量。此参数与温度无关,而与温度有关的参数K、t、h、h″全部集中在等式右边,它的技术含义是在焓差为h″一 h时所传递的总热量为cwdt/K,其中cwdt系水温dt变化所产生的热量,它没有被计入蒸发水量的散热量,当在分母中引入系数K(K≤1.0)后,即代表总热量,因此技术含义比较清楚。
公式8与公式5.2.1-1形式上的不同之处,是将系数K由等式右边移至等式左边,从热量平衡观点看是没有问题的,但在技术含义上则混淆不清。因为cwdt/K表示热量与温度变化dt之间存在的函数关系,它不仅表现在积分式的分子上,同时也包含在分母h″一 h中的h一项当中,只不过它在数学运算过程中将K作为常数处理,仅将与分子有关的K移至积分式外,对分母h中暗含的K则不动,故而以公式5.2.1-1计算的Ωnl。正确无误,而公式8只计算积分式部分的数值,即只计算表征因温差△t引起的主体热量,而漏掉了蒸发水量所带走的附加热量,为保持热量平衡关系,公式8将K移至等式左边成为k(kav/Q)形式,K是与水温有关的热量修正系数,与温度无关的kav/Q参数群体相乘,技术含义不清。故而本规定推荐采用公式5.2.1-1作为冷却数的基本计算公式Ωn=Ωnl。
由于国内有相当多的设计单位和试验单位都习惯于采用公式8,故而当设计具体工程时如采用的试验资料或实测资料,其整理数据过程中采用的冷却数计算是采用公式8时,工程设计应采用公式8进行计算,否则应作换算修正,使二者在同一基础上。
公式9与公式8基本相同,不同之处是该式中的热量修正系数为k1(k1≥1.0)与k(k≤1.0)位置互换,作用相同,数值有差异,k1考虑了气水比不同的修正因素,理论上讲比k的精度要好一些。故在合适条件下也可采用公式9进行计算。
5.2.2 冷却数积分公式实用解法。
冷却数积分公式的近似解法有多种,在国内较为多见的有如下几种:
1 辛普逊积分法。
该式中分段数n(偶数)越高则差别越小,n>8后其差别已在小数点后3位以后,故宜取n≥8,过去用手工计算时,分段数越多,计算工作量越大,难以实施,故一般规定水温差≤15℃可以采用n=2的简化辛普逊积分法,当水温差>15℃时要求采用n≥4;随着计算机的普及使用,利用计算机进行辛普逊积分法计算,分段数的多少已不是限制因素,故本规定建议取n≥8;但考虑到与采用的试验数据整理公式的一致性,避免因取用分段数不同带来的额外误差,故提出二者宜取相同的分段数。
2 切比雪夫积分法。
计算式:
平均焓差法过去常用于水温差为6~15℃的中、小型冷却塔的计算,主要优点是用手工计算时可节省工作量,而其精度不如多段辛普逊积分法,在计算机普遍使用的今天优点已不存在。
这些实用解法是前化工部第六设计院编制的《冷却塔热力计算探讨》、前苏联Ⅱ·H·别尔曼著《循环水的蒸发冷却》、《中小型冷却塔设计与计算》、美国N.P·彻雷密西诺夫著《凉水塔》、我国李德兴著《冷却塔》、《给水排水设计手册》、国家标准《工业循环水冷却设计规范》、中国工程建设标准化协会标准《冷却塔验收测试规程》以及一些工程的设计计算实用方法筛选整理提出来的。以往冷却数的计算散见于以上书籍、标准规范,适用条件不同,使计算出的冷却数有一定的差异,不具有可比性,对于工程设计和设备招标都有一定的影响,本规范对此加以规定,可避免因计算公式不同而导致的不可比性。
5.3 横流式冷却塔工作特性
5.3.1 横流式冷却塔的热力计算方法采用焓差法的理由与5.2节所述相同。横流式冷却塔冷却数计算公式与逆流式相类似也有3种表示形式,除本条中给出的公式5.3.1-1、5.3.1-2、5.3.1-3、5.3.1-4外,还有以下两种计算公式:
以上计算公式中的K、h、q采用公式5.3.1-2、5.3.1-3、5.3.1-4计算。
5.3.2 横流式冷却塔冷却数积分公式的实用解法除了本条给出的修正系数法外,还有以下两种方法。
1 平均焓差法--别尔曼近似求解法(B·努谢尔特公式)。
以上方法为国内过去手工计算水温差6~15℃的中小型横流冷却塔的常用方法。经比较可知,修正系数法可直接采用公式计算,误差比较小,而平均焓差法计算过程中要查曲线图,易产生人为取值误差,故本条规定采用修正系数法。
中心差分法精度较高,但计算过程较繁,故宜用于容积较大的单格冷却水量大于3000m3/h,冷却水温差6~15℃的大型横流式冷却塔的计算。
3 除中心差分法外尚有其他计算方法;当编成计算机软件程序提供设计者使用时,为保证计算精度,宜采用经过鉴定的计算机软件。
水温差大于15℃的大、中、小型冷却塔以及新开发的横流式冷却塔,为提高和保证计算精度,故宜采用经过鉴定的计算机软件程序计算。
5.5 阻力计算
5.5.1 条文中着重指出采用的是总阻力系数,不是具体测定数据,是防止随机采用数据产生的误差。
5.5.2 由于原型塔的总阻力系数资料不足以满足需要,实际工程设计时一般都按经验和通风工程理论计算方法,对各个局部阻力分别进行计算,然后叠加求出总阻力,步骤重复繁琐、计算工作量大,如先换算成总阻力系数然后求总阻力,则可大大简化计算工作量。通观所有资料,大都只有原则性的叙述,对使用者指导意义不大,本条对此予以详细的介绍。
5.5.3 填料阻力的计算公式除5.5.3外目前可见到的有以下几种:
公式29、30均系按非法定单位测量得到的数据整理而成,再转换为以法定单位表示的公式形式。公式29中γ1以N/m2表示与以kg/m3表示的ρ1相差9.81倍,公式30为γ1改用ρ1表示后将9.81移至等式右边而成,与公式5.5.3相比较A2=9.81A;A2'
公式31为过去按非法定单位测量得到的数据,整理得到的以非法定单位表示的阻力公式。从表示形式看与公式29相同,但采用单位不同,公式31中△P2的阻力单位采用mmH2O计量,而空气重度采用kg·f/m3计量。由于公式31中的γ1与公式5.5.3中的ρ1在数值上是相同的,但公式5.5.3中△P2以Pa来计量,而公式31中△P2以mmH2O来计量,二者相差9.81倍,故公式31转换成用法定计量单位后即变为公式30。
在设计工作过程中要注意采用的填料阻力计算公式的形式与单位是否与本规定采用的公式5. 5. 3相同,如有不同,应进行换算后采用。
由于有关填料阻力特性公式的资料是在不同时期整理出来的,故表示的具体公式有不同,容易搞错,故本条特别提出要对其先进行鉴别,然后根据情况合理使用。
5.5.4 本条提出了塔的总阻力计算公式。式中对塔体阻力与填料阻力分别乘以调整系数,供计算者在工程设计时按实际情况采用适当的数值,根据以往工程设计实践经验此调整系数总是大于1.0,可以在1.0~1.2之间变化,而且塔体阻力调整系数与填料阻力调整系数并不一定相同。
5.5.5 风机工作点风压风量的推求原理是用塔的阻力特性曲线与风机特性曲线求交点,看似简单,实际上并不简单。很多人,甚至某些书的作者都陷入错位配对的误区,作出不正确的解法,归纳起来有以下几个方面:
1 把风机的特性曲线H0~G0看成是固定不变的,直接将塔的特性曲线△p~G与其求交点,所求的交点并非实际工作点。这是因为制造厂提供的风机特性曲线是指标准状态即空气密度ρ0=1.2kg/m3时的H0~G0值,如果风机工作场所的ρ不等于1.2kg/m3,则风机特性要发生改变,即自动变成另一条特性曲线。例如对于鼓风塔,通过风机的空气密度为ρ1,则风机实际工作时的特性曲线变为H0~G0:,对于抽风塔,通过风机的空气密度为出塔空气密度,风机实际工作时特性曲线变为H02~G02,其中G01:=G02:=G0,即体积风量相同,但风压不同,分别为H01:=(ρ0/ρ0)H0及H02=(ρ0/ρ0)H0,即风压随P成正比改变。因此要求在求交点时要将风机特性曲线换算到H01~G01(用于鼓风塔)或H02~G02。(用于抽风塔)形式再与塔阻力特性曲线求交点。
2 对塔的阻力特性曲线没有分情况区别对待。塔的总阻力是空气通过各部分产生阻力的总和,是体积风量由进塔时的G1变化到出塔时的G2整个过程所产生的阻力总和,同一数值的阻力△P可以对G1也可对G2,即作出两条阻力特性曲线△P~G1和△P~G2。对鼓风塔只能取△P~G1与H01~G02:相交求交点;对抽风塔只能取△P~G2与H02~G02:相交求交点;否则就犯错位配对的错误。
3 把风机特性曲线H0~G1的变化规律和塔的变化规律混为一体。对冷却塔来说通过塔的干空气质量(重量)风量不变,体积风量随ρd的变化成反比变化,这只能用于冷却塔;而风机特性曲线是由风机构造与空气动力特性决定的,其特点正好与塔的变化特点相反,风机的变化规律是体积风量不变而风压随ρ的变化成正比变化,二者不能混淆。有的人在推求交点时取是错误的,正确的解法对鼓风机应为
4 按上述1、2两款的做法确定工作点,必须做实际工况下的风机性能曲线和对应的塔阻特性曲线来求交点,制作曲线工作量大,且易产生误差。在实际工作中还可采用试算法,即选定若干个进塔风量G1用公式5.5.4算出对应的塔总阻力△P,应用公式5.5.5-1、5.5.5-2算出对应的当量阻力H0'、当量风量G0',然后与风机制造厂提供的风机标准性能曲线相比较,当曲线上某点的H0、G0值与H0'、G0'相同时,该点的H0、G0即为风机当量工作点的参数,其对应的△P、G1值即为塔的设计工作点的塔全阻及设计进塔风量。
5.5.6 出塔空气密度ρ2及ρ2d+在焓差法热力计算中没有涉及,故而有的人在空气动力计算中就忽略ρ2的存在,仅按ρ1进行计算以致塔阻计算结果偏低,选用的风机工作点也偏低,使冷却塔达不到设计要求,故不能忽视ρ2、ρ2d的作用,此处给出ρ2及ρ2d的计算方法,以满足设计需要。
5.6 水量计算
5.6.1 本条文列出塔的水量计算公式,式中引入安全调整系数KQ,主要考虑冷却塔是按清水条件进行计算的,如果循环水中带进某些介质,对冷却效果有影响,则应乘以调整系数,此系数宜通过使用经验来确定。
5.6.2 表5.6.2的数据主要采用前苏联给水设计规范的条文内容,经与英国《冷却塔设计规范》BS-4485对照,所推算得蒸发水量损失率户。数据基本相符。
5.6.3 冷却塔的风吹损失主要与塔的通风方式(自然通风或机械通风)、淋水填料的型式(点滴式或薄膜式)、配水喷嘴的型式和喷溅方向(上喷或下喷)、除水器的型式、收水效率、溢出水率以及冷却塔的冷却水量、塔内风速(特别是除水器断面风速)等因素有关。
当前国内广泛应用于机械通风冷却塔的除水器的收水效率均较高,各型除水器的逸出水率(飘滴损失水量与进塔循环水量之比)经试验室测试均较低。如广泛用于逆流式冷却塔的BO-160-45型除水器的逸出水率为0.003%,用于横流式冷却塔的HCl30-50型除水器的逸出水率为0.005%。英国冷却塔设计规范BS-4485规定对于安装除水器,并在塔的进风口采取防溅和回收措施,从估算补给水量的角度,冷却塔的风吹总损失按循环水量的0.1%已足够。故本规范确定风吹损失百分率为0.1。
5.6.4 冷却塔的排污水量应考虑水质要求、水质稳定处理方法、循环冷却水的浓缩倍数等因素。排污损失水量计算还有一个常用的公式,例如美国J·W·麦科伊所著《冷却水的化学处理》一书中循环冷却水处理计算中通常采用此公式。此式中的排污水量实际包含丁风吹损失水量Qw。从工程角度考虑,排污水量涉及到排污管径和阀门的设计,不应包括风吹损失水量,故采用本条规定的公式计算排污水量。
5.6.5 本条提出补充水量应为蒸发水量Qe、风吹损失水量Qw、排污水量Qb之和。
5.7 水力计算
5.7.1~5.7.5 按不同情况分别列出水力计算公式,将常规的水力计算公式整理成适合冷却塔配水系统的专用计算公式,使计算条理化。
1 支干管内的水压分布与喷头供水支管人口的水压分布规律:支干管为等直径直管,在侧面开一定数量的支管,支管间距相等,支管管径远比支干管的管径小,支管断面积总和与支干管断面积相近,支管间距Z与支干管的管内径d相比即ι/d数值不大,属于短导管范畴,支干管内的水压(静压)将是进口端低而末端反而升高。这就是通常说的动压恢复现象。
从水力计算进行分析可知:支干管内的水流状态属于紊流状态,雷诺数的计算方法如下:
从公式41中可以看出等式右边第二大项方括号内数值为累计沿程摩擦阻力,它随着支管序号m的增加而增大,而第三大项大括号内数值为动压头的变化系数,其中[n一(m一1)]2的数值,随m值的增大成二次方关系减少,而后一项0.35(m一1)的数值则随m值的增加成一次方关系增加,由于m是在1~n范围内变动的正整数,每次增量为1,故它的正变化率低于[n一(m一1)]2的负变化率,随着m的增大,整个大括号内的数值在减少,如果第三大项减少率高于第二大项数值的增加率,则Hjm是随m的增加而增大。冷却塔配水系统支干管的iι"一般数值均不大,故支干管的静压是起始端低而末端高。随支管序号的增加,而呈多段上升折线相连的曲线形状,折线斜率先大后小。
6 塔型及部件设计
6.1 塔型设计
6.1.1 本条规定了塔型选择时应考虑的因素,并要求通过技术方案比较后确定塔型。
6.1.2 本条规定塔群的总冷却能力和工艺要求的总冷却水量相匹配,是说明冷却塔的设计应经济合理,不宜过分保守,当设计冷却塔群时,不应考虑备用塔。
6.1.3 逆流式冷却塔气水热交换是在完全对流条件下进行,出塔水是与热焓最低的进塔空气换热,能够取得较低的t2一τ1值,实塔测试发现可达2℃以下;横流式冷却塔换热条件较复杂,出塔水只有少部分与热焓最低的进塔空气换热,故t2一τ1值一般都较大,实塔测试一般都大于4℃,随着t2一τ1值的提高横流式冷却塔总的热交换能力提高较快;与逆流式冷却塔相比,视具体条件而定优劣,故宜经比较后确定。
6.1.<, SPAN lang=EN-US style="FONT-SIZE: 14pt; mso-font-kerning: 0pt">4 本条系参照美国尼尔·W·凯利《横流冷却塔性能手册》中提出的推荐数据。
6.1.5 本条按大、中、小型冷却塔分类规定应采用的塔体结构。
1 国内或国外工程中,有用户指定用木结构。在特定的条件下,木结构有投资省、使用寿命长的优点。
2 根据工程实践经验推荐一些有利气流通畅的梁柱布置形式。
6.2 集 水 池
6.2.1 集水池平面尺寸与填料区平面尺寸相同外加回水檐的做法是结构简单和经济的。对于有些场合,例如有水面需要除油(污物)的冷却塔,可将水池加宽,取消回水檐。
6.2.2 为防止冷却塔出塔水中夹带杂物,例如填料碎片等进入水泵和换热器造成故障,故应设计拦污格栅网。
6.2.3~6.2.5 综合工程设计实践对池底坡度、池顶高出地面高度、池有效水深提出参考数值。
6.3 进 风 口
6.3.1 根据实践经验提出对进风口百叶窗的设置条件。
6.3.2 一般资料介绍,进风口的高度均由进风口面积与填料区面积比来决定。有关资料认为两侧进风的冷却塔,进风口与填料区面积之比宜取0.4~0.5,但对单面进风、三面进风及四面进风,不加以区别是不合理的,因为从气流阻力大小及气流分布均匀性优劣比较来说,进风口较高时有利,但从增加塔的高度、造价、供水水压来看则不利,从兼顾二者关系考虑,并参照工程设计实践经验,对后三种情况提出了不同进风面时进风口与填料面积之比的建议值。
还有一种方法是通过进风口风速及阻力计算和塔的其他部位风速、阻力计算结果,合理匹配确定进风口面积和相应高度。
6.3.3 本条计算方法参照美国马利冷却塔公司与国内工程技术人员进行技术交流时介绍的方法,有借鉴作用,可避免设计进风口上沿导流板的盲目性。
6.3.4 进风口侧面导流板是设计人员容易忽视的,因而有一些位于冷却塔群两端的冷却塔格出现较大涡流,使下落的水流洒向塔外,浪费冷却水、污染环境,也降低了冷却塔的冷却能力,故提出是否设置侧面导流板的条件,供设计者考虑采用。
6.4 填料选择
6.4.1 本条给出了选择填料的原则。逆流式冷却塔的填料布置在塔进风口上方,采用薄膜式或点滴薄膜式可使塔总高度降低,降低造价,一般工程设计宜优先考虑采用。横流式冷却塔的填料高度与塔进风口高度相同,有利于采用高度大的点滴式填料,点滴薄膜式或薄膜式填料对高度不是制约条件,亦可应用。但填料深度(厚度)对塔的总体尺寸有直接影响,故填料应与塔体高度等配套进行比较。
6.4.2、6.4.3 冷却塔填料目前广泛使用塑料材质。不同品种的塑料,其耐温性能有不同,应根据国家电力行业标准《冷却塔塑料部件技术条件》DL/T 742-2001进行试验,根据填料的试验数据及工程经验,提出填料适宜使用的温度范围;聚丙烯填料耐高温性能较佳,可用于21≤80℃条件,但低温性能及抗老化性能差、易燃,一般情况下不宜用于薄膜填料;以聚丙烯制作的格栅填料,国内外已有一些冷却塔在采用,但使用范围较窄。
6.4.4 薄膜型填料一般比表面积大、间距小、容易被水中悬浮物或因结垢而堵塞,从工程经验看,水中悬浮物宜控制在20mg/L以下。而点滴式或点滴薄膜式填料比表面积相对较小、但间距较大、防堵性能提高,故当特殊冷却水质水中悬浮物大于50mg/L时宜采用后者。
6.4.5 填料的热力性能高,往往阻力也高,在自然塔中,填料阻力由塔的抽力进行平衡,而抽力与填料的进出空气密度差成正比。一般来讲,热力性能高的填料,采用的气水比相对较低,而空气密度差则较大,有提高抽力的作用。在抽风式机械通风冷却塔中,抽力由风机的风压提供,而风机的实际工作风压与空气密度成正比,使用气水比相对较低的填料时塔出口空气密度相对较低,存在降低风压的作用,与前者正好相反。在一些实例计算比较中可看到,某些填料在自然塔中排序在前的填料,用于机械通风冷却塔,则发生次序退后现象,故选择填料时应与风机特性一起进行综合评价。填料高度较大者热交换流程与时间也较长,对降温有利,故△t较大者宜选用片高较大者。
6.4.6 填料块直接布置在小梁上方时,填料块承受弯矩,梁中距与填料设计最优支点跨度相一致。当采用格栅型支撑架板时,填料上的负荷都转由支架板来支撑,此时支架板尺寸往往与填料块尺寸不相同,一般配合塔体水平梁的布置条件而定,为便于填料安装,格栅型支架板相当于一层多孔楼板,其设计跨度宜与梁的跨度相同。
6.4.7 填料安装采用吊装形式有利于提高通风及布水均匀性,但实际使用过程中,发现某些塔出现填料晃动产生噪声及容易损坏现象,究其原因是水平方向定位措施欠缺所致,故着重提出应设有防止晃动的措施。
6.5 配水系统
6.5.1 本条给出了配水系统总体布置形式的原则。
6.5.2 逆流塔配水管网由支干管与主干管的不同组合,可分成两类,一类为环状布置如图6所示,另一类为树枝状布置,如图7~图11等所示:
对于小型逆流式冷却塔的配水管网来说,只有同一总供水点,各出水点(喷头)为恒流量工作,不存在水量需要随时二次分配调整的问题,因而树枝状管网与环状管网的实际效果相近或相同,但树枝状管网结构较简单,施工与维护检修较容易,造价较低,故一般情况宜采用树枝状管网。对于大、中型冷却塔布水面积较大,当通过计算比较,表明对提高布水均匀度有较大影响时,宜采用环状配水管网,或结合排气管(稳压管)布置将支干管末端联通而形成环状管网。
6.5.3、6.5.4 树枝状管网分流时采用对称分流布置形式,理论上分流后二者水压、水量相同。当无法采用对称分流,而用一般的直流三通型式时,对于一根等径主干管上并联有几根支干管的布置形式来说,各支干管入口水压将有较大差别。如根据水流速度变化情况主干管采取变径措施控制分流三通的流速在适宜范围内,则可使各支干管入口水压接近相同;对于支干管来说,为使施工方便,通常采用一根直径相同的支干管上等距布置若干个相同管径的支管,支管下方联结喷头,在水力学上属于均匀出流的短导管,其特征是始端流速高、静压低、侧向分流阻力系数高,而末端则流速低、静压高、侧向分流阻力低。对于各个支管来说,靠近支干管进水端的支管的入口水压较低,随后逐个上升,在接近支干管末端的某一支管处,其入口水压达到最高值,而后略有波动。支管入口水压变化幅度与支干管对支管的管径比值和所并联的支管数目有关,支干管采用分段变径的结构型式,一般可使水压变化幅度减少,但在某些组合条件下可能收益不明显,故应通过计算比较来决定。
过去配水管网一般采用全部布置在同一标高水平上,对设计施工较便利,但对提高布水均匀度则不利。例如,支干管上各支管的入口水压,如上所述,从始端到末端的变化规律是逐个上升的,则各喷嘴流量也在逐个增大,如果支干管采用向上坡的型式,喷头的标高亦随同上升,如喷头标高上升幅度与支管入口水压变化幅度相等或接近,二者相互抵消,则可使各支管入口水压接近相同,则喷嘴流量也可接近相同,因而可以提高布水均匀性。此外支干管采取向上坡布置形式,当支干管末端布置放气管(稳压管)时,还具有使管道中积存的空气易于向管末端排出的好处,可提高稳压管的作用。故在适当场合可考虑作为提高布水均匀度的一种措施形式。
6.5.5 过去对配水系统的布水均匀度没有提出量的概念,而国外一些冷却塔设计公司在与国内工程技术人员的技术交流中提出控
制布水均匀度的指标,经分析是合理的,也是可以做到的,故将其
提出,便于设计者使用。
6.5.6 喷头平面布置形式常见有正三角形交错布置、等腰三角形交错布置、正方形方阵布置三种形式,分别如图12~图14所示。三种布置形式各有优缺点:等边正三角形(即正六角形)布置以任何一个喷嘴为中心,在其周围都有六个喷头均匀分布,各喷头距离都相同,故布水均匀性最好,但缺点是布点有一定难度,配管较复杂;正方形方阵布置配管最方便,以任何一个喷头为中心则其周围有八个喷头成田字状分布,喷头间距离r1=α=b者有4个,另有4个r2=1.414α=1.414b,二者大小比值达1.414倍,故布水均匀度较差;等腰三角形(即菱形)布置是正方形布置的改进型,以任何一个喷头为中心,在其周围都有六个喷头,但距离不完全相等,r1=b者有2个,另有4个r2=1.15α=1.15b,二者比值为1.15,故布水均匀度略次于正六角形布置,但好于正方形布置,其配管比正六角形方便,比正方形布置略为复杂一些。本条提出推荐采用序次,供设计人员选用。
6.5.7 池式配水设计水深宜大于喷头内直径的6倍是为保证不产生吸气漩涡,保证喷头恒流量出水;池的设计水深不少于0.15m,保护高度不少于0.1m是根据实践经验为保证满足配水要求的前提下降低造价提出的可行数据。
6.5.8 本条提出配水池前配水管设计应考虑的条件和因素,避免因配水管设计不合理而导致各配水池分配水量不均,在已投产的冷却塔中发现为数不少的塔存在这方面缺陷。
6.5.9 本条根据实践情况提出防止横流式冷却塔配水池滋生微生物和藻类的措施,过去一些塔的设计中没有考虑此项,给生产运行带来了危害。
6.5.10 横流薄膜式冷却塔宜采用管式配水,其原因是淋水密度较大,一般在40m3/(m3·h)左右,相对布水面积较小,要求单喷头出水流量大,低压水头喷水均匀,这些是池式配水及喷头所不能满足的主要因素。冷却塔上塔立管分露天布置和管室布置,露天布置上塔总管位于塔体两端,露天设置在塔顶板上,经顶板穿孔的连通管与支干管或支管连接。管室布置宜用于多格冷却塔,上塔立管分别设置于塔体进风口侧端。管室顶板设置带盖板的检修人孔,使管式配水检修方便。管式配水与池式配水相比,减少了水与空气、阳光、粉尘的接触,避免了菌藻的滋生。
6.5.11 管式配水的支干管在进水端设阀,有调节水量、水压,以及检修切断进水的作用。尾端设置连通管,使干管成为环状管网,起稳压作用。
6.5.12 为防止水管中积存空气造成"气堵"或"水锤",在配水管网上最高点宜有使管网中空气排出的措施。例如,排气口(管、阀),为便于管道检修,在管网最低点宜有放空措施。例如,放空管、阀,另外尚宜有按工程需要选用的设施。例如,当对系统水压波动大,水中含有可挥发性气体时,应设置稳压管;当有防冰冻要求时设置化冰管;当有调配上塔水量直接进人塔下集水池的要求时,则应设置旁路水管等。
6.6 除 水 器
6.6.1 本条给出了除水器选择的原则。
6.6.2、6.6.3 根据近年来设计和运行的冷却塔实践经验提出除水器布置可行的有效做法。
6.6.4 综合冷却塔实践经验及参考国外一些冷却塔公司做法提出逆流式冷却塔除水器设置位置的适宜条件,除水器顶面以上高度的控制尺寸如图15、图16所示。
6.6.5 横流式冷却塔进风口(填料)高度大,填料内风速分布上、中、下相差很大,填料后采用不同阻力值的除水器,可以使上、中、下风速差值减少,接近均匀配风,是目前较为有效和经济的做法。
6.7 风 筒
6.7.1 本条根据国外、国内一些使用效果较好的冷却塔的风机进口做法,归纳提出可供选用的方法。风筒进口采用流线型可避免进口涡流,中国水利水电科学研究院的研究结果表明,流线型比直
角型风量可提高18%。
6.7.2 本条规定风筒以风机叶片水平轴线为界,以下称吸人段,以上称扩散段(筒),与通常所指的逆流式冷却塔淋水填料上部至风机人口的"气流收缩段"相区别。
6.7.3 据对国内外冷却塔的统计并从流体力学的要求考虑,规定扩散段(筒)中心角的角度宜为14°。
6.7.4 本条参照美《横流冷却塔性能手册》中有关风筒扩散段的计算公式。
6.7.5 近年来美国马利冷却塔公司推出的曲线回转型风筒,其扩散段不是直线的圆锥台型,而是扩散角为渐变的曲线绕轴心旋转而成的扩散段(筒),其高度比圆锥台型的风筒矮,造价也有所降低,而回收效率不低于圆锥台型。国内有不少厂家也推出了类似风筒,对于其选用,除控制尺寸、强度、刚度条件外,主要是控制动能回收效率不得降低。
6.7.6 风机叶片尖端至风筒内壁的间隙对风机效率影响较大,间隙过大影响风机效率;间隙过小安装难度大,运行安全度降低。根据工程应用经验,宜取等于或少于30mm。
6.7.7 过去冷却塔风筒采用钢筋混凝土制作,自重大,施工困难,精度、光洁度等难以保证,故而近年来冷却塔的风筒都采用聚酯玻璃钢制作。
6.8 风 机
6.8.1 本条提出对风机设备及配套产品的选用原则。
6.8.2 冷却塔风机集中控制便于管理,但是为了便于对风机设备运行中紧急情况的处理及检修过程中的安全性,还应当在各台风机附近设有就地开停按钮和切断电源的设施。实践证明这些措施是非常必要的。
6.8.3 大型风机的减速器多采用稀油润滑并配有油循环设备。由于油循环设备故障或油路故障将使润滑油不能循环,减速器内油温升高或断油失润造成减速器事故,严重时事故扩大将导致电动机事故。为安全计应当装设油位指示、油温检测及报警装置。大型风机由于叶片动平衡失调及其他原因造成风机或减速器
振动,严重时将影响风机设备和冷却塔结构的安全。设置对振动的检测和防振保护设施就可以避免事故扩大。这些设施一般应在风机订货时注明要求,由风机设备制造厂提供。目前国内已有对风机减速器油温、油位、振动进行监测或自动控制的成套仪器,同时已有不少大、中型冷却塔成功采用的实例,故本条提出对直径6.0m以上风机应配有振动检测、报警和防振保护装置;直径小于6.0m的风机宜配有振动检测、报警和防振保护装置。
6.8.4 本条是为了便于对风机的安装与检修而提出的。
6.8.5 对于有按季节变化或负荷变化而变更进塔风量的要求者,风机配带的电机宜采用多速电机或变速电机,应通过全年典型工况节能技术经济比较后决定。这是由于降低风量虽然可以减少冷却塔电耗,但同时会使出塔水温提高,当水温提高会影响工艺生产能力时,则应对二者的得失综合做比较后而定。另外低风量运行时间占总运行时间需要达到一定比例才是经济的,这是由于单速电机装置费用低、效率高,而变速电机系统装置费用较高、效率相对较低,故应根据全年使用典型情况来选择电机的类型。
附录A 横流式冷却塔冷却数中心差分近似计算法
本附录给出了横流式冷却塔冷却数计算的差分法计算公式,该方法由Poppe,M·K提出,在德文及日文文献中均有介绍。另外,差分法计算公式还有中国水利水电科学院冷却水所推荐的公式以及《中小型冷却塔设计与计算》一书中介绍的公式,这三种差分基本公式是一样的,边界条件也相同,主要是计算推动焓差
h"一h的公式不同,如图17所示,不同方法的焓差h"一h如下。
《冷却塔验收测试规程》编制组曾选择不同尺寸以及不同进塔参数值,由以上三种差分方法及修正系数法进行了计算,当分割尺寸取0.02m×0.02m时,三种差分法如取小数点后两位有效数字,则冷却数完全相同,修正系数法与中心差分法比较,差值一般不超过1%,有1组误差为1.3%。当分割尺寸为0.5m×0.5m时,与分割为0.02m×0.02m的计算结果相比,误差一般不超过1%,有1组达到1.1%。以《中小型冷却塔设计计算》一书差分法计算出的冷却数与上述分割法相比,有两组误差在1.5%以上,有3组在2%以上。中国水利水电科学研究院推荐公式计算结果,有4组误差在1.0%以上,而且由于分割不尽,计算结果会出现跳跃现象,所以推荐Poppe,M·K提出的中心差分法,修正系数法也有较高的精度。
附录B 逆流式冷却塔塔体阻力系数计算方法
逆流式冷却塔塔体阻力计算一般是参考通风工程的计算方法,分步将各个部位的阻力计算出来以后,再叠加求出总阻力,在实践过程中,人们已认识到此法计算得到的总阻力往往比实际值低,究其原因一般都认为是由于冷却塔中各阻力部位相距很近,相互干扰所致,而此干扰大小目前还没有理论方法可以计算,故而有些人得出悲观结论,认为冷却塔的阻力是无法采用分步计算法来解决的。
全国化工给排水设计计算中心站在分析过去冷却塔的设计与实测资料之后认为上述原因并非唯一原因,上述原因只是因素之一,尚有一些因素是由于计算方法存在"漏洞"所致,而这些"漏洞"是可以通过改进计算方法得到解决的,现分述如下,
1 在冷却塔中空气通过填料换热,使出填料的空气温度上升、密度下降,由于通过冷却塔的质量风量(以干空气计)不变,故填料后方体积风量变大,对同一断面的风速也变大,其变化比值为,此比值从实塔测试资料看,有的可高达1.082,而湿空气密度变化比值可达0.941,在阻力计算式中△P的变化,过去一些资料介绍均不考虑体积风量的变化因数 ,造成冷却塔填料后方各阻力计算值偏低,偏低值约为10%.
2 还有些人在计算空气流速时不考虑体积风量变化,即流速υ的变化比值,取为1.0,而对取用0.98,结果形成 =0.98×1.02=0.98,而实际的比值应为1.102,导致更大误差,使计算值偏低达12%。
从以上分析可看出,本规定提出的计算方法,可纠正计算不妥造成的偏低误差达10%~12%。
附录C 出塔空气密度计算方法
出塔空气密度ρ2d 、ρ2一般难以用理论公式直接计算,主要原因是出塔空气的相对湿度并非100%,只是接近100%,从一些出塔空气实测资料看θ2一τ1 约在0~1.2℃范围内变化,而多数为0.2~0.4℃。此差值与多种因素有关,如气水比、进塔空气的干、湿球温度与进出塔水温间的相对温度差,塔的结构及空气分布均匀状态等诸多因素有关,尚无资料可将逐个因素用公式计算。全国化工给排水设计技术中心站对若干塔实测的资料进行整理分析,寻找其变化规律与主要影响因素,发现主要因子有及,它们对和有较好的相关性。通过多条回归曲线比较,从中找出两条精度较高的曲线表达公式为
在统计的45组资料中,用以上公式计算所得的计算值与实测值进行比较,有44组均不超过1%,仅有1组超过1%,为1.23%~1.29%,其原因是该组实测数据本身误差较大(热平衡差大于10%)。
和主要用于塔体阻力计算及风机选择的修正计算,以上精度可以满足工程设计的要求,而其计算过程简便,本规定提出这两个计笪式.可供设计者参考。
利用 和的经验公式数据可方便地进行塔体阻力和风机特性的修正计算,使其计算结果与实际情况更接近。曾经采用本规范提出的方法进行计算的结果与风机直径为9.14m,塔体尺寸为17.0m×l7.0m的方形工程塔的实测数据进行对比,求出误差,结果为:以冷却水量计为一2.3%~+2.1%,以体积风量计为2.6%~4.6%,误差值在工程设计许可范围内,说明本计算方法是可行的。