逆流式机械通风冷却塔布水壁流探讨

曹丽颖， 王建军

（中冷环境科技有限公司， 河北 沧州 061000）

逆流式机械通风冷却塔（以下简称冷却塔）配水层的主要功能是为冷却塔提供均匀的布水［1］， 使进入填料的循环水能按填料中已经设置的流道平稳流动， 并与进入填料的空气进行热交换［2-3］。 冷却塔常采用管式配水和喷头布水， 当塔内的喷头布置为方格形或梅花形时［4］， 在矩形冷却塔的墙体、 梁柱上易产生冷却水壁流现象。 壁流水没有经过填料的热交换， 直接进入集水池， 虽然水量相对较小， 但同样会影响到整个冷却塔的热力性能， 不应该被忽略。 因此， 探讨影响冷却塔壁流的因素， 如何采取适当的措施来减少壁流的影响， 确保冷却塔的冷却效率十分必要。

冷却塔壁流是指由系统的布水喷头直接喷洒循环水在冷却塔的墙体和梁柱上， 使循环水没有经过填料的热交换路径， 只在塔内附壁上流动的冷却水。 壁流水的温度只和塔壁及梁柱的温度相关。 在隔热系统中， 壁流水的温度高于经过填料热交换后的冷却水。 在壁流水到达集水池和冷却水混合时，就会提高水池水的温度［5］。 冷却塔的壁流由两部分组成， 一是由布水系统直接将冷却水喷洒在塔壁上形成， 二是由填料中冷却水分流到塔壁所致。 关于填料分流影响的壁流问题， 因为和填料波形相关，不属于布水壁流范围， 本文就布水系统直接布水产生的沿塔壁和柱壁流动的壁流对冷却塔冷却效率的影响问题进行探讨。

1 布水壁流的四种形态

冷却塔布水系统产生的壁流是由喷头直接布水到墙、 柱上而形成。 根据墙、 柱遮挡布水面积可以分成墙体形态、 角柱形态、 中柱形态、 边柱形态等4 种壁流形态。

1.1 墙体形态

图1 为墙体形态布水遮挡面积示意。 图中弓形（剖面线面积）表示为布水被墙体遮挡的部分， 其面积为：

布水半径满足不留空隙的最小要求为：

图1 墙体遮挡面积示意Fig. 1 Block area of wall

1.2 角柱形态

图2 角柱遮挡面积示意Fig. 2 Block area of corner column

由图2 可见， 这个遮挡面积约为2 个相同的墙体弓形面积和一个正方形面积减掉一个小三角形的面积所组成S2， 即：

1.3 中柱形态

图3 为单个喷头中柱形态布水被遮挡面积示意。 图中剖面线面积表示单个喷头布水被柱子遮挡部分的面积S3：

图3 中柱遮挡面积示意Fig. 3 Block area of middle column

1.4 边柱形态

图4 边柱遮挡面积示意Fig. 4 Block area of side column

由图4 可见， 这个被遮挡面积由一个墙体形态和一个中柱形态的面积叠加并扣除重复遮挡的一个小曲面三角形而得。 其中曲面三角形的坐标示意见图5。

曲边三角形面积为：

图5 曲面三角形坐标Fig. 5 Triangular coordinates

2 壁流水量的估算

以冷却塔布水壁流的4 种形态为计算模型。 为了使探讨的问题简单量化， 估算时不考虑冷却塔塔壁对壁流水温度的影响， 假设冷却塔内的布水是均匀的， 即淋水密度是一个定值［6］。

2.1 估算方法

估算步骤如下：

（1） 根据冷却塔热负荷的要求， 通过热力计算， 确定塔体的轴线尺寸L 和淋水密度q。 确定塔体结构柱的数量、 分布和柱截面a×a 尺寸。

（2） 根据水质和流量的情况， 确定喷头的型号和数量。 确定沿墙单边喷头数n。

（3） 计算喷头的间距l 和角柱喷头到轴线的距离L／（2n）。

（4） 由布水边界曲线的凹点和墙体内侧直线重合来确定喷头最小布水半径R。

（5） 确定墙内侧到轴线的距离c。

（6） 利用公式（1）、 （2）、 （3）、 （4）计算4 种形态的遮挡面积S1、 S2、 S3、 S4。

（7） 把计算的各个形态的面积乘以淋水密度q， 得到各形态的布水壁流量。

（8） 叠加塔内所有产生壁流点的流量得到整塔的布水壁流量。

2.2 壁流水量的估算

本文冷却塔采用均溅式喷头和方格形布置来估算布水壁流。

估算条件： 喷头间距l ＝750 mm 布置； 喷头到最近轴线距离为375 mm； 布水压力为0.07 kPa；结构柱截面尺寸a×a ＝500 mm×500 mm； 轴线到墙体内壁的距离c ＝50 mm。

由于受钢筋混凝土材料强度的限制， 冷却塔500 mm×500 mm 截面柱子的跨距在6 m 以下是合理而经济的。 跨距超过6 m 时一般采用增加结构柱的方式或增大结构梁柱截面尺寸的办法来满足结构强度的需要。 本文采用增加结构柱方式解决大跨距问题。

将塔体结构分成9 柱结构和25 柱结构2 种［7］。

2.2.1 9 柱结构冷却塔的壁流

9 柱结构冷却塔的壁流喷头分布位置如图6 所示。 其中角柱喷头4 个， 边柱喷头8 个， 中柱喷头4 个， 墙体喷头4×（L／l－4）个。

图6 9 柱结构喷头布置示意Fig. 6 9-column structure sprinkler layout

冷却塔淋水密度为q 时， 墙体喷头产生的壁流量为：

可见， 壁流水量是随淋水密度的变化而变化，但是占总量百分比不变。

2.2.2 25 柱结构冷却塔

25 柱结构冷却塔的壁流喷头分布位置如图7所示。 其中角柱喷头4 个， 边柱喷头24 个， 中柱喷头36 个， 墙体喷头4×（L／l－8）个。

图7 25 柱结构喷头布置示意Fig. 7 25-column structure sprinkler layout

冷却塔淋水密度为q 时， 墙体喷头产生的壁流水量为：

根据以上计算式， 结合冷却塔尺寸和淋水密度的不同， 分别计算9 柱和25 柱结构冷却塔的壁流水量， 结果如表1 和表2 所示。

3 问题探讨和对策

3.1 问题探讨

经过上述的简单量化数据可以说明以下几点：

（1） 目前矩形逆流式机械通风冷却塔的布水系统在使用圆形喷头的情况下是不完美的， 主要原因是塔体为矩形而喷头布水是圆形。 要让圆形的布水覆盖满矩形的塔体需要圆形的覆盖面积大于矩形面积， 才可以使布水区域均匀有水， 而这个大于矩形面积的部分就会产生布水壁流。

由于壁流水没有经过填料的换热而冷却， 而是沿墙壁或柱子直接流入水池和雨区冷却水混合。 壁流水的温度高于经过填料热交换后的冷却水， 因此提高了冷却塔的出水水温。

表1 9 柱结构冷却塔的壁流水量计算数据Tab. 1 Calculation data of wall flow water quantity of 9-column cooling tower

表2 25 柱结构冷却塔的壁流水量计算数据Tab. 2 Calculation data of wall flow water quantity of 25-column cooling tower

（2） 壁流水量的大小， 与塔体大小、 结构布置、 淋水密度、 沿壁喷头数量以及喷头布水直径等因素相关。 塔体尺寸越小， 壁流水量所占处理水量百分比越大； 相同大小的塔体内部柱子越多， 壁流水量越大； 淋水密度越大壁流水量越大； 沿壁布置喷头的数量越多壁流水量越大； 喷头布水直径越大壁流水量越大。

从表1 和表2 可以看出同样大小的塔体， 塔体结构9 柱和25 柱的壁流水量占处理水量的百分比有很大的不同。 以边长12 m 的塔为例： 9 柱的壁流水量占处理水量的4.20%， 25 柱的壁流水量占处理水量的7.23%， 两者相差3.03% 左右， 说明塔体结构的柱子壁流具有相当大的水量。

（3） 产生布水壁流主要是设备的几何原因造成的， 与塔壁的材质无关。 但是， 塔壁的材质如果不隔热的话， 塔壁的传热会直接影响到壁流水的温度， 从而使冷却塔的出水温度更加具有不确定性。

3.2 对策

如何控制冷却塔壁流水量， 使之对冷却塔出水温度影响最小。 这是冷却塔设计方面的一个课题。在此作以下几点探讨：

（1） 为了避免冷却塔内产生的布水壁流对出水温度的影响， 可以在冷却塔上设计一个壁流引流装置， 不让壁流水进入水池而直接返回进塔水回路，重新上塔走冷却通道。

（2） 布水系统采用方形布水的喷头。 这样可以使布水面积和塔体截面重合， 避免布水墙体形态壁流。 再配合直波纹的吊装填料， 避免填料中分流产生的壁流和柱子形态壁流， 从而杜绝壁流水的产生。

（3） 在冷却塔热力性能计算时， 考虑壁流水量对出塔水温度影响。 具体计算步骤： ①按用户要求水量初步确定冷却塔的淋水密度q 和塔体尺寸L×L； ②确定布水方案， 计算进塔水温度t1的壁流水量， 总水量减去壁流水量得到雨区水量， 按热值守恒原则计算出雨区水和壁流水混合后的水池水温度t； ③计算水池水和出塔水的温差Δt ＝t－t2， （t2为用户要求的出塔水温）； ④用设计出塔水温t2＇＝t2－Δt 取代原热力计算的出塔水温t2， 重新进行计算； ⑤选配冷却塔风机， 完成冷却塔设计。

4 结语

冷却塔存在的布水壁流水量是一个不可忽视的问题， 一般布水壁流水量会占总处理水量的3%～10%， 影响出水温度0.1～0.5 ℃。 如果想得到冷却塔100% 的冷效， 就需要在冷却塔设计时进行一定的修正。