冷却塔的热力计算知识讲解

冷却塔的热力计算

冷却塔的热力计算

冷却塔的任务是将一定水量Q ，从水温t 1冷却到t 2，或者冷却△t ＝t 1－t 2。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α，散质系数v β，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。

()

dV h h dH t xv q 0"-=β （1） 式中：q dH —— 水散出热量；

xv β —— 以含湿差为基准的容积散质系数()[]

kg kg s m kg //3⋅⋅ ；

"t h —— 温度为水温t 时饱和空气比焓 (kg kJ /)； 0h —— 空气比焓 (kg kJ /)。

将式（1）代入冷却塔内热平衡方程：

n w w q tdQ c Qdt c dH += （2）

式中：q dH —— 水散出热量；

w c —— 水的比热()[]

C /J o ⋅kg k ；

Q —— 冷却水量 (s /g k )； u Q —— 蒸发水量 (s /g k ) t —— 水温度 （℃）

并引入系数K ：

m

w u m u w r t

c Q r t Q c K 2

211-=-

=

式中 m r ——塔内平均汽化热（kg kJ /）

经整理，并积分后，可得冷却塔热力计算的基本方程式：

⎰-=120

"t t t w xv h h dt c Q v

K β （3） 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'Ω表示，即：

Q V

K xv β=

Ω'

（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'Ω表示，也即：

⎰

-=Ω1

20"t t t w h h dt c

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。

这种积分方法是将积分式⎰b

a

ydx ，在x 轴上a 到b 之间求出几个预定的y 值，某

y 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：

⎰

ϑ-=Ω1

2"t t t w h h dt c ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆+∆+∆∆=432111114h h h h t c w

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t 1，大气压力p a ，干球温度θ1，湿球温度τ1。则要求计算：出水温度t 2，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t 2，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t 2，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： 1p ∆——进风口的阻力； 2p ∆——导风装置的阻力； 3p ∆——空气流转弯的阻力；

4p ∆——淋水装置进口处突然收缩的阻力；

5p ∆——空气流过淋水装置的阻力(摩擦阻力和局部阻力)； 6p ∆——淋水装置出口处突然膨胀的阻力； 7p ∆——配水装置的阻力； 8p ∆——收水器的阻力； 9p ∆——风机进口的阻力； 10p ∆——风机风筒出口的阻力。

冷却

塔

的

通

风

总

阻

力

:

∑∆P =∆i z p

（

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：

g

v P i i i

22

i ⋅=∆γξ(毫米水柱) （

2

）

式中： i ξ ——各局部阻力系数；

i v ——相应部位的空气流速(米／秒)； i γ——相应部位的空气比重(公斤／米3

)；

g ——重力加速度。

而冷却塔的总局部阻力可写成：g

v P h i i i

22

i ⋅∑=∑∆=γξ(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：