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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：
——进风口的阻力；
——导风装置的阻力；
——空气流转弯的阻力；
——淋水装置进口处突然收缩的阻力；
——空气流过淋水装置的阻力(摩擦阻力和局部阻力)；
——淋水装置出口处突然膨胀的阻力；
——配水装置的阻力；
——收水器的阻力；
——风机进口的阻力；
——风机风筒出口的阻力。
冷却塔的通风总阻力 : （1）
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：
(毫米水柱) （2）
式中： ——各局部阻力系数；
——相应部位的空气流速(米／秒)；
——相应部位的空气比重(公斤／米3)；
——重力加速度。
而冷却塔的总局部阻力可写成：(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值的确定：
(1)进风口
(2)导风装置式中：
——淋水密度(米3／米2·小时)；
——导风装置长度(米)。
(3)进入淋水装置处气流转弯：
(4)淋水装置进口处突然收缩：
——淋水装置的截面(m2)。
(5)淋水装置
式中：——单位高度淋水装置的阻力系数；
——系数；
——淋水装置高度()。
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。
(6)淋水装置出口突然膨胀
(7)配水装置
式中：——配水装置中气流通过的有效截面积(米2)
——塔壁内的横截面积(米2)。
(8)收水器式中：
式中：——收水器中气流通过的有效截面积(米2)；
——塔壁内的横截面积(米2)。
(9)风机进口
可根据下式确定：
——根据查表取值；
——收缩后的截面积(㎡)；
——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)
式中： —－风筒速度分布不均匀而影响修正系数，根据 ；
——根据查表取值。

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。

空调用封闭式冷却塔空气动力特性的实验研究
作者：李永安 李继志 尚丰伟
阅读：1183 次
上传时间：2005-08-09
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简介： 本课题在理论研究的基础上，建立了由锅炉、换热器、孔板流量计、水泵、微压计、温度计等仪器设备组成的封闭式冷却塔实验台。在该实验台上，详细测试了在封闭式冷却塔内空气与水逆向流动条件下，空气流经冷却盘管的阻力，探讨了封闭式冷却塔内空气的流动规律，分析了空气流过正三角排列管束的特性。
关键字：封闭式 冷却塔 空气动力特性 准则方程
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1 引言
我国水资源非常紧张，城市缺水现象比较严重。据统计，我国人均水资源量约2304m3/人，1984年在世界排名为88位，1996年降为第109位 [1] 。我国666座城市中，有333座城市缺水，有108座城市严重缺水。因此，我国人均水资源占有量呈下降趋势，农业缺水量大，城市供水不足，地下水位严重下降。进入21世纪，随着我国经济建设的飞速发展和人口增加，水资源供需矛盾将进一步加剧，据预测，2010年全国供水缺口近1000亿立方米。国际上有“19世纪争煤，20世纪争石油，21世纪可能争水” 和21世纪国际投资与经济发展，一看人，二看水的说法。因此，水可能成为我国可持续发展的重要制约因素。
在城市用水中，冷却水量占较大的比例，这些冷却水直接排放不仅造成热污染，还会造成较大的经济和资源浪费，所以，需要将这些冷却水循环重复利用，以提高水的有效利用率，缓解当前水资源短缺的状况。封闭式冷却塔是一种既能降低冷却水的温度，又能保持水质纯净的新型冷却设备，同时还具有功能多、用途广、对环境的适应能力强、可冷却高温水、安全防火等特点，因此，封闭式冷却塔在空调领域有着广阔的应用前景，在水环热泵系统、冷却塔直接供冷系统中更显示了其独特的优势。
空调用封闭式冷却塔空气动力特性实验研究的主要目的是寻求塔内进风口、冷却盘管、淋水装置、挡水板、风机进口、风筒出口等各部件阻力的计算方法；分析对比冷却塔内总阻力与风机压头之间的关系，使风机始终运行在最佳工况点；进一步揭示冷却塔内气流流动的规律，优化塔体形状，降低空气阻力，提高冷却效率。
2 空气的流动特性
空调用封闭式冷却塔主要由冷却盘管、风机、管通泵、喷淋排管、淋水喷头（喷咀）、挡水板、底池、百叶进风口、塔体等几部分组成[2] 。
空调用封闭式冷却塔的工作原理是，从冷凝器、吸收器或工艺设备等出来的温度较高的水，由冷却水循环泵加压输送到封闭式冷却塔的冷却盘管中。另一方面，利用管道泵将冷却塔底池中的水抽吸到喷淋排管中，然后，喷淋在冷却盘管的外表面上，蒸发吸取冷却水的热量，从而使冷却水的温度得以降低。
与此同时，靠安装在挡水板上面风机的抽吸作用，使空气自下而上流经冷却盘管，这样不仅可以强化冷却盘管外表面的放热，而且还可以及时带走蒸发所形成的水蒸汽，以加速水分的蒸发，提高冷却效果。
具体说来，就是冷却盘管内温度较高的水以对流的形式将热量传给冷却盘管内表面，这部分热量再由冷却盘管的内表面传到冷却盘管的外表面。由于冷却盘管外表面喷淋循环水，循环水落到冷却盘管的外表面，靠对流和蒸发将这部分热量散到空气中去。
图1是封闭式冷却塔中冷却盘管的一种排列形式即正三角形排列，纵向管间距与横向管间距相等，均等于两倍管径。

封闭式冷却塔中除冷却盘管外，其余部件的空气阻力，均可用下式计算[3]：
（Pa） (1）
式中，ρ为冷却塔内空气密度，kg/m3；v为冷却塔内空气流速，m/s ； ζ为各部件的局部阻力系数。
如图1所示，在空调用封闭式冷却塔中，空气在管束间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动。空气在管束中流动，除第一排管子保持了外掠单管的特征外，另一个重要特点是从第二排管子起流动被前面几排管子引起的涡旋所干扰，因此，管束中流动的状态比较复杂。影响空气流动阻力的主要因素是流速和管束本身所引起的紊流度。因此，管束的几何条件，即管径、管间距、管排数、管子的排列方式等与空气流动阻力密切相关。
空气的流动阻力表现为流经冷却盘管后的压力降低，可表示成欧拉数Eu和雷诺数Re之间的关系[4]。
(2)
式中，Eu为欧拉数，; Re为雷诺数，Re=V·do/;ΔP为空气阻力，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；V为空气流速，m/s；d0为定性长度，m；为空气的运动粘滞系数（运动粘度），m2/s。
从式（2）可见，在做冷却盘管外侧空气阻力实验时，需要测定空气流经冷却盘管所产生的压力降、空气的流速、空气的温度，然后，根据空气的温度查物性参数表，求得空气的密度ρ和运动粘滞系数，就可以计算出对应的Re数、Eu数。
在封闭式冷却塔中，由于温度的变化，会导致空气物理性质的改变，这就涉及到确定空气物性参数的温度如何选定，也就是如何确定定性温度值。有人主张用动力粘度的比值μf /μw来考虑物性变化的影响[5]。对于空气、水这类流体，粘性比较小，流体随着温度变化的物性主要是粘性，所以，Prf / Prw≈μf /μw。但是，热交换的基础是所形成的温度场，是用普朗特准则表征的，所以，应用比值Prf / Prw 是比较好的，其结果也是令人满意的。因此，在本课题的研究中，按空气的平均温度确定空气的物性参数，同时，在准则方程中增加一项补充参数考虑物性变化的影响，即（Prf / Prw）0.25。
封闭式冷却塔进口空气的温度ti可用玻璃管温度计测出，出口空气的温度t0可由出口空气的焓值i0求出，因为，出冷却塔的空气状态可以近似地认为是饱和湿空气[3]，所以，由i0查饱和水蒸汽表可求出t0，其平均温度tm=(ti+ t0)/2。
冷却盘管的几何特性如管束的排列方式、管间距、管径、管子的排数、管子的几何形状等因素都对空气流动阻力有重要影响[6]。经分析，在式 （2）中定型尺寸为管外径d0。
在式（2）中流速V采用流通截面最窄处的空气速度，结合图1可见，最窄处的流通面积可用式（3）计算。
（3）
式中，B1为封闭式冷却塔的宽，m; L1为封闭式冷却塔的长，m； n1为每排管子的根数。
式（2）中的Δp可由测点分设于冷却盘管上下的微压计测出[7]。
3 实验数据的整理
表1 是用拉制光滑铜管作冷却盘管，管子外径为20 mm，壁厚 1 mm, 管排数为10排，每排32根管（奇数排）、31根管（偶数排）,正三角形排列条件下，所测得的值。
表1 空气阻力测试记录表
序号
平均温度
（℃）
空气密度
（kg/m3）
运动粘度
（10-6 m2/s）
流速
（m/s）
空气阻力
（Pa）
Re数
lg(Re)
Eu数
lg(Eu)
1
23
1.18
15.97
7.1
59.5
8.89×103
3.95
2.07
0.31
2
24
1.18
16.06
7.0
57.8
8.72×103
3.94
1.94
0.29
3
25
1.17
16.16
7.2
60.7
8.92×103
3.95
2.03
0.31
4
26
1.17
16.25
6.0
42.1
7.38×103
3.87
1.39
0.14
5
27
1.16
16.34
6.2
44.6
7.59×103
3.88
1.47
0.17
6
28
1.16
16.43
6.1
43.2
7.43×103
3.87
1.41
0.15
7
29
1.15
16.52
5.4
33.5
6.54×103
3.82
1.09
0.14
8
30
1.15
16.61
5.5
34.8
6.62×103
3.82
1.12
0.05
9
31
1.15
16.71
5.3
32.3
6.34×103
3.80
1.03
0.01
10
32
1.14
16.81
4.8
26.3
5.72×103
3.76
8.36×10-1
-0.08
11
33
1.14
16.91
4.5
23.1
5.32×103
3.73
7.23×10-1
-0.14
12
34
1.13
17.01
4.7
25.0
5.53×103
3.74
7.82×10-1
-0.11
根据上面的分析及式（2），可得下列准则方程：
（4）
为了求出上式中的系数C及指数n，对式（4）作如下处理。
首先两边取对数，得
（5）
令z
所以，式（5）变为：
（6）
将表1前6组数据代入式（6）得：
（7）
将表1后6组数据代入式（6）得：
（8）
解（7）、（8）方程组，得：

所以， Y=-7.59+2BZ （9）
即 （10）
（11）
整理上式，得：
（12）
考虑到物性场的不均匀性，所以：
（13）
利用式（13）可方便地求出冷却盘管空气侧的阻力。
4 结论
4.1 通过对封闭式冷却塔冷却盘管外空气流动状况的分析，利用实测数据，建立了反映封闭式冷却塔空气流动阻力的准则方程式，欧拉数Eu=2.57×10-8·(Re)2·(Prf/Prw)0.25，利用这个准则方程，可准确地计算空气流经冷却盘管的阻力。
4.2 封闭式冷却塔进口百叶窗、挡水板、风机进风口、风机出风口等阻力构件的局部阻力可用公式计算。
4.3 空调用封闭式冷却塔空气阻力的正确计算为合理选择冷却塔所配置的风机提供了理论依据只有风机的风压、风量满足设计要求或稍大于冷却塔内的空气总阻力及理论风量，封闭式冷却塔才能正常运行。
参考文献
1. 齐冬子. 敞开式循环冷却水系统的化学处理. 北京：化学工业出版社，2001
2. 李永安，尚丰伟，潘强. 空调用封闭式冷却塔的研究. 制冷学报，1997. 18(1):48-50
3. 史佑吉. 冷却塔运行与试验. 北京：水利电力出版社，1990
4. E. R. G. Eckert . Analysis of heat and mass transfer. USA: Mcgraw-hill kogakusha, LTD
5. J.P. Holman . Heat transfer. USA: Mcgraw-hiu book company , 1976
6. Jean Lebran , C. Aparecide Sila . Cooling tower model and experimental Validation . ASHRAE Transactions, 2002. part 1:751-759 . 李永安，尚丰伟，焦明先. 空调用封闭式冷却塔热工性能的动态仿真及实验研究. 制冷学报，1998. 19(4):66-70