冷却塔设计计算举例 / 开普饭

冷却塔符号说明（名称及单位）

这里列出的符号是按习惯形成和长期延用的统一符号。实际上符号是人为定的，不同的名称可用各种符号来代替，但为便于识别和运用，尽可能予以统一。常用的有关冷却塔设计计算的符号与名称大致如下：

t 1——进冷却塔水温（℃）；

t 2——出冷却塔水温（℃）；

Δt——进、出冷却塔水温差（℃），即Δt =t 1 -t 2 ；

t m——平均水温（℃），t m =（t 1 -t 2 ）／2 ；

T——绝对温度（城），T =273 +ti ；

θ——空气干球温度（℃）；

τ——空气湿球温度（℃）；

t 2 –τ——冷幅高（℃），此值越小，冷却效率越高；

θ1 ——进冷却塔空气的干球温度（℃）；

θ2 ——出冷却塔空气的干球温度（℃）；

τ1 ——进冷却塔空气的湿球温度（℃）；

τ2 ——出冷却塔空气的湿球温度（℃）；

P a——大气压力（m m H g ），P a =P g +P q ；

P g——空气中干空气的分压力（kg／cm2 ，或m m H g ）；

P q——空气中水蒸气的分压力（kg／cm2 ，或m m H g ）；

P ″τ1——进冷却塔空气温度为湿球温度τ1 时饱和空气中水蒸气分压力（kg／cm2 ，或m m H g ）； P ″θ1——进冷却塔空气温度为干球温度θ1 时饱和空气中水蒸气分压力（kg／cm2 ，或m m H g ）； P ″——饱和空气中水蒸气分压力（kg／cm2 ，或m m H g ）；

P ″t1——空气为进冷却塔水温t 1 时饱和水蒸气分压力（kg／cm2 ，或m m H g ）；

P ″t2——空气为出冷却塔水温t 2 时饱和水蒸气分压力（kg／cm2 ，或m m H g ）；

P ″tm——平均水温时饱和水蒸气压力（kg／cm2 ，或m m H g ）；

Q——冷却塔冷却水量（m3／h 或kg／h ）；

q——冷却塔淋水密度（m3／（m2· h ））；

G ——进冷却塔的空气量，即风量（m3／h 或kg／h ）；

g ——进冷却塔空气重量速度（kg／（m2·h ）或kg／（m2 ·s ））；

有时表示重力加速度（m／s2 ）；

V——外界风速风向（m／s）；

i 1 ——进塔空气的焓（kcal／kg ）；

i 2 ——出塔空气的焓（kcal／kg ）；

i m ——平均温度时空气的焓（kcal／kg ）；

i″1 ——空气温度为进塔水温t 1 时的饱和空气焓（kcal／kg ）；

i″2 ——空气温度为出塔水温t 2 时的饱和空气焓（kcal／kg ）；

i″m ——空气温度为进、出塔水温的平均温度t m 时的饱和空气焓（kcal／kg ）；

γg——空气的密度（比重）（kg／m3 ）；

γ——水的汽化热（kcal／kg ）；

λ——气、水比（无量纲）；

K——蒸发水量带走的热量系数（无量纲）；

βxv ——以焓差为基准的容积散质系数（kg／（m 3·h ））；

V m——塔内平均风速（m／s）；

Z ——淋水填料装置高度（m ）；

Z g ——淋水填料装置尾部高度（m ）；

F——冷却塔内断面积（m2 ）；

V——淋水填料装置有效容积（m3 ）：（注：有时表示水流或气流速度，m／s）；

N （或Ω ）——以温度进行积分的交换数（无量纲）；

Σhi——空气总阻力（mmH2O）；

hi ——进塔空气各部分的阻力（mmH2O）；

D N——水管子内径（m m ）；

L——管子长度（m ）；

n——有时表示转速（r／min ）；

有时表示根数；有时表示孔眼数；

ηi——表示电机、风机、传动装置等效率（%）；

ξi——流体（水或空气）有关阻力系数。

还有其他一些符号，这里不作陈述。

100T／h 机械通风玻璃钢冷却塔设计计算

1. 设计的主要参数设计的气象参数按上海频率为5 %的昼夜平均干、湿球温度作为依据。

干球温度：θ=31.5 ℃；

湿球温度：τ=28 ℃；

大气压力：P a =753m m H g ；

进塔水温：t 1 =37 ℃；

出塔水温：t 2 =32 ℃；

进、出塔水温差：Δt =5 ℃，为标准型低温塔；

冷却水量：Q =100m3／h ；

噪声：≤ 62dB （A 声级）；

冷幅高：t 2 -τ=32 ℃-28 ℃=4 ℃；

冷却热负荷：冷却1kg 水降低1 ℃水温，放出1kcal 热量（即空气吸收1kcal 热量），则100m3／h 水降低5 ℃放出的热量总量为5 ×105kcal／h ，就是说提供的风量（空气量）G应吸收5 ×105kcal／h 热量。 2. 热力计算：

（1 ）计算相对湿度：

式中可见：知道风量G 可求气水比λ 值，或知道λ值可求G 值。在冷却塔测试中，风量G 是实测得到的，故可直接求得λ值；在冷却塔设计中，空气与水的重量比λ值，对于t 1 -t 2 =Δt =5 ℃的低温塔来，一般λ在0.5～0.9 之间，常规、常温（低温）冷却塔根据设计经验为0.70 左右。λ值也常用下式计算：

βxv 的物理意义在第4 章中已阐述，表示单位容积淋水填料（V ）在单位焓差（Δi m ）的推动力作用下所能散发的热量。在冷却塔其他因素不变的条件下，βxv 越大，冷却塔散热能力越大，塔的体积可小；或者塔的体积不变，则冷却水量可增加。

我国设计的冷却塔，其βxv 值一般均≥ 10000kg／（m3 ·h ），少数接近于10000kg／（m3 ·h ）。日本设计的塔，βxv 值较小，仅要求βxv ＞ 8000kg／（m3· h ）。因此，严格来说，日本的标准和要求比我国低。这里计算所得的βxv =12841kg／（m3·h ）偏高，此塔的热力性能是较好的。

在一定的淋水填料和塔形条件下，冷却塔本身具有的冷却能力，称为冷却塔的特性数，常用N′（或Ω′）表示。在冷却塔设计中，还应计算冷却塔本身具有的特性数，来校核是否满足理论计算值的要求。

N′（或Ω′）=βxv ·V ／Q

它与淋水填料的特性、几何尺寸、散热性能以及气水比等有关。特性数N′（或Ω′）越大，则塔的性能越好。冷却塔热力性能的计算，就是要使生产上要求的冷却任务N（或Ω）与设计的冷却塔的冷却能力N′（Ω′ ）相等，即为：

此式中的βxv 值并不是前述的计算所得，是与含湿量差有关的淋水填料的容积散质系数表达式，国内外均采用下式计算：

按此式计算所得的βxv 值再代入N′ =βxv ·V ／Q 中。

式中 g——空气流量密度（kg／（m3 ·h ））；

q——淋水密度（kg／（m2·h ））；

A、m、n——试验常数，不同填料其值不同。

淋水填料试验所得的特性数为：

N′（Ω′）=A′·λ m A′、m——不同填料所得的试验常数。

采用塑料斜波交错（简称“斜交错”）淋水填料，规格为55 ×1215 ×60°-1000 型，其试验所得参（常）数为： A′=1.55、m =0.47、气水比λ=017 代入得： N′（Ω′）=1.55 ×0.700.47 =1.31 则N′=1.31 ＞ N =1.0322 ，实际的交换数大于设计计算的交换数，故是安全的，能保证设计所要求的冷却效果。 Q =100000kg、V =0.785 ×D2 ×H =0.785 ×3.22 ×1 =8m3 。则：

=16385kg／（m3 ·h ）＞设计计算值12841kg／（m3·h ）

上述计算结果，冷却塔本身具有的冷却能力远大于设计值，故是安全和符合要求的。但试验塔所得的A′、m 等数受试验条件的影响（如试验装置中空气和水的分布比较均匀等），其值稍高于设计的实际使用冷却塔，故特性数N′（Ω′）和βxv 值应高于设计计算值。但如果高得太多，则可适当调整设计参数，重新设计计算或另选淋水填料。

4. 通风阻力计算

通风阻力计算的目的是根据设计风量和风压，确定风筒高度或选用风机。在冷却塔的工作条件下，风机的风量决定于冷却塔的全部空气动力阻力，而这一阻力等于风机的全风压。风机的工作点以风机的特性曲线与冷却塔的空气动力阻力性能曲线的交点来表示。

通风阻力计算分经验公式和同型塔实测数据计算两种。在冷却塔设计计算中，基本上均采用经验公式计算。机械通风冷却塔内通风总阻力等于各部件阻力的总和按式（7-1 ）计算。

各部件的阻力计算以下：

（1 ）进风口阻力H 1

设进口平均风速为：V 1 =2150m／s ，总进风量（空气量）为G =62000m3／h =17.22m3／s 。阻力系数ξ1 =0.55 ，空气表观密度γg =1.134kg／m3

上述得： H =ΣH i =0.2 +0.06 +0.133 +0.0074 +4.65 +0.0073 +0.143 +0.74 +0.351 +2.12 =8.412mm H2O

按风量G =62000m3／h 和计算所得的通风阻力为H =8.412mmH2O ，风机直径 =2000mm ，选择有关风机（玻璃钢风机或铝合金风机等）。按式（7-21 ）计算电动机额定功率（k W ）。

5. 配水系统设计计算

配水系统的设计，要求达到冷却水在整个淋水填料面积上配水均匀，以达到较好的冷却效果。

本例题的冷却水量仅为100m3／h ，故采用管式配水中的旋转管布水进行设计计算，设计计算的步骤为：

1 ）根据配水流量和开孔孔径及孔距计算孔口前水压；

2 ）计算水平推力和旋转力矩；

3 ）计算配水管末端线速度与旋转速度。

（1 ）基本数据：

流量：Q =100m3／h

旋转布水器直径（长）：D =3100mm

布水旋转管根数：n =6 根，每根DN =65m m

（2 ）配水管设计

沿水平方向在旋转管上开孔，孔口与水平呈45°角（向下倾角），孔口中心距为150m m ，孔口直径为=17m m ，单孔面积为f =0.785 ×（0.017 ）2 =0.000226856m2 ，单孔流量为q =Q／n =0.0277／60 =0.000462963m3／s ，孔口流速V =q ／f =0.000462963／0.000226856 =2.041m／s 。

开孔总面积为：F =0.000226856 ×60 =0.0136119m2 。

（3 ）喷前管内水压计算

61 冷却塔基本尺寸的确定：

塔体内径：Φ =3200m m ；

风筒内径：Φ2 =2100m m ；

进风口（窗）高度：h 1 =700m m ；

填料高度：h 2 =1000m m ；

填料顶至配水管下缘：h 3 =300m m ；

配水管下缘至收缩段：h 4 =300m m ，其中包括12.5m m 的除（收）水器高度。

收缩段高：h 5 =700m m ；

风筒高：h 6 =600m m ；

塔体总高度：H =Σhi =4650m m 。

淋水填料及收（除）水器：

采用塑料斜波交错填料，规格为55 ×1215 ×60°-1000 型，片厚为δ=0.2～0.3m m ，比表面积为330m2／m3 ，空隙率为0.96～0.95 ，波纹倾角60°，每层高为250mm （25cm ），共4 层为1000m m 。

除水器选用普遍采用的单（或双）波塑料（或玻璃钢）收水器，用钢筋穿孔、螺母固定连接。

进、出塔水管：

选用钢管或球墨铸铁管，进水管直径为D N =150m m ，则过水断面积为0.785 ×（0.15）2 =0.017663m2 ，Q =0.0277m3／s，得管内流速V1 =Q／f =0.0277／0.017663 =1.573m／s 。

出塔管可选用与进塔管直径相同，如选用DN =200m m ，则过水断面积为0.0314m2 ，管内流速V 2 =0.885m／s 。

7. 水泵需要的压力（扬程）H ：

水泵所需要的扬程（压力）有以下部分组成： H =H 0 +Σ h s +Σh d +h （7-35 ）

式中　（1 ）H 0 是热水池最低水位至塔内配水管的净高度，称净扬程；

（2 ）Σh s 是从水泵吸水管至压水管整个管路长度沿程水头（压力）损失的总和；

（3 ）Σh α 是指水泵吸水管及压水管上底阀、单向阀、闸阀、弯头、三通、渐缩管等局部压力损失的总和；

（4 ）h 是富余水头（压力），中、小型塔一般考虑4～6m 。

现假定条件与有关参数以下：

设地面标高为±0.00 ，水泵在热水池吸水的最低水位为-3.50m ，冷却塔设在二楼平顶上，平顶标高为+6.60m ；管路长度见平、立图中标出的尺寸（图7-14 ），按管路总长度计算沿程水头损失；局部阻力损失依序为吸水管底阀、阀门、单向阀、四只90°弯头、分配管入口、孔眼出口等。现分别计算以下：

（1 ）净扬程H 0 ：最低水位距地面为3.5m ，地面至二楼顶为6.6m ，二楼顶至配水管高度为（1 +0.7 +1 +0.3 ）=3.0m ，则得净扬程为： H 0 =3.5 +6.6 +3.0 =13.1m

（2 ）沿程水头（压力）损失h s ：假设水泵吸水管径与压（出）水管管径相同，均为D N =150m m ，则沿程管径、流量、流速均没有变化，就不存在分段计算，就简便了。按平、立图计，管路的总长为： L =Σl =4.0 +6.5 +7.5 +7.0 +3.0 =28m

其水力坡度计算水头损失的计算公式为：

按式（7-40 ）、（7-41 ）公式计算已制成钢管、铸铁管水力计算表；按式（7-42 ）公式计算已制成钢管、铸铁管A 值表。一般设计计算时，不按上述公式进行计算，而是根据Q、 DN、V 查水力计算表得1000i 换算而得。

现Q =100m 3／h =27.778L／s

式中 ξ——局部阻力系数（查表）。其他符号同前。

4 ）水泵入口hd4 ：水泵入口ξ=110 ，因入口DN 小1～2 档，以DN =100 计，V 1 =0.02778／0.785 ×（0.1 ）2 =3.54m／s

根据上述计算得hd 为： h d =Σh di =0.76 +0.025 +0.95 +0.64 +0.363 +0.067 +1.25 =4.055m 考虑管道系统的腐蚀、结垢等使粗糙系数n 值增大及计算漏项等误差，故选择泵时考虑安全富余水头为4m ，则水泵所需要的扬程（压力）为： H =H 0 +Σh s +Σ h α +4 =13.1 +1 +4.055 +4 ≈ 22.2m 即为2.22kg／cm2 。

选用IS100 -80 -100A ，单级单吸悬臂式离心泵，其主要参数为：在高效段范围内，Q =58～112m3／h ，H =27～22m ，当Q =100m 3／h ，H =23m 。

电机功率：N =11k W ，型号：Y160 M1-2 η=77 %，转速n =2900r／min 。

（5 ）风机电机功率计算：

采用水轮机推动风机转动，则可节省2.2k W 。计算得N =2.2k W ，则选用电动机功率应N ＞ 2.5k W 。

大型机械通风冷却塔设计计算

1. 设计的主要参数（按当地气象参数）

干球温度：θ=25.7 ℃；

湿球温度：τ=22.8 ℃；

大气压力：P a =745m m H g ；

进塔水量：Q =4560m 3／h =1.2667m 3／s ；

进塔水温：t 1 =40.2 ℃；

出塔水温：t 2 =32 ℃；

进、出塔温差：Δt =40.2 ℃-32 ℃=8.2 ℃；

冷幅高：Δt′=32 ℃-22.8 ℃=9.2 ℃；

冷却热负荷：4560 ×1000 ×8.2 =3.7392 ×107 kcal／h ，即提供的风量应吸收3.7392 ×107 （冷却能力）kcal／h 的热量。

2. 热力计算：

（1 ）计算交换数N 值：

Δt =8.2 ℃；t m =（40.2 ℃+32 ℃）／2 =36.1 ℃，查第6 章中图6-2“K 值与冷却水温t 2 关系图”，当t 2 =32 ℃时，得K =0.94 。由第5 章中图5-3“空气含热量曲线图”查得饱和空气焓为：

t 1 =40.2 ℃时，i″1 =40.8kcal／kg ；

t m =36.1 ℃时，i″m =33.1kcal／kg ；

t 2 =32 ℃时，i″1 =26.8kcal／kg ；

进塔空气θ=25.7 ℃时，其焓i 1 =20.6kcal／kg 。

按水气比Q ／G 值，分3 个假定数求交换数（冷却数）N ，Q ／G =2 ，Q ／G =1.7 ，Q ／G =1.1 。按第5 章阐述的塔内任一点温度为t 的相应空气焓的计算式为：i =i 1 +（t -t 2 ）λ，分别计算3 个Q ／G 值时的i 2 和i m 值。

按焓差法近似积分法，当Δt ＜ 15 ℃时，可用下式简化计算交换数N 值：

式中 Δt——进、出水塔水温差（℃）；

i″1 -i 2——进塔水温下饱和空气焓与出塔空气焓i 2 的差（kcal／kg ）；

i″m -i m——进出塔平均水温下的饱和空气焓与出塔的平均空气焓的差（kcal／kg ）；

i″2 -i 1——出塔水温下的饱和空气焓与进塔空气焓的差（kcal／kg ）。

计算结果见表7-9 。

Q ／G =2 时N 值：

（2 ）求气水比及计算风量G

将表7-9 中3 个N 值在图7-15 上按G ／Q 值找到3 个点，绘成N、G ／Q 曲线。采用的填料为蜂窝填料d20 ，Z =10 ×100m m 特性数曲线绘在同一图上交于P 点，得气水比λ=0.77 。按P 点水气比Q ／G =1／0.77 ≈ 1.3 。按水气比为1.3 求交换（冷却）数得N =1.134 （计算略）。 G =λ·Q =0.77 ×4560 =3511.2t／h