提高冷却塔配水均匀性的探讨

潘椿，韩玲
（全国化工给排水设计技术中心站，合肥 230024）

　　摘　要：在冷却塔的设计中，配水管及喷头的布置是影响冷却效果的重要因素之一。通过水力计算，分析了水压分布规律，指出冷却塔的喷头布置、配管形式对布水均匀度的影响因素，探讨了提高市水均匀度的对策，认为采用全对称树枝状配管及六角形喷头布置方式可有效提高冷却塔配水的均匀度。
　　关键词：冷却塔；配水系统；喷头；计算
　　中图分类号：TU991.32
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455(2000)03－0034－05

Discussion on the Improvement of Water Distribution Uniformity of Cooling Towers

PAN Chun,HAN Ling

　　 Abstract:In the cooling results. Water pressure distribution rules are analyzed through hydraulic calculations. Effects of spray nozzle arrangement and piping types of cooling towers on water distribution uniformity are pointed out. Ways to improve water distribution uniformity are discussed. The arrangement using holosymmetric arborized piping and hex spray nozzles may effectively improve the water distribution uniformity of cooling towers.
　　 Key words:cooling tower; water distribution system;spray nozzle;calculation

　　冷却塔配水管及喷头布置得合理与否是影响冷却塔冷却效果的重要因素之一。有关设计资料未对喷头及配水管的布置作统一规定。笔者利用几何和水力学原理对喷头和配水管的布置进行了分析比较。

1 喷头平面布置形式比较

　　1.1 方阵布置：喷头布置于正方形的四角，一个喷头与相邻喷头组成四字形，直向行距a与横向排距b等值，中心喷头与相邻喷头距离r1=a=b者有4个，r2＝1.414a者也有4个，平均半径rcp=1.207a，最大半径r2与最小半径r1之比为1.414，为满足喷头相互交叉，喷头的喷洒半径R应大于1.414a。如图1。
　　1.2 三角形布置：喷头布置于直角三角形的顶点，一个中心喷头与相邻喷头组成中字形，直向行距a与同行的喷头间距b相等，但群体的水平排距为b／2。中心喷头与相邻的6个喷头的距离r1＝a＝b者有2个，r2=1.118b者有4个，平均半径 rcp＝1.079a，最大半径与最小半径之比为1.118，为满足喷头喷洒半径相互交叉，喷头的喷洒半径 R应大于1.118a。如图2。

　　1.3 六角形布置：喷头布置于等边三角形的顶点，一个中心喷头与相邻喷头组成六角形，垂直行距a与同行内喷头间距b不相等，b=1.155a（或a=0.866b），而群体排距为 b／2，中心喷头与相邻喷头的距离各向相等，均为r1=b=1.155a，平均半径rcp＝r1，为满足喷头喷洒半径相互交叉，喷头的喷洒半径R应大于1.155a。如图3。
　　以上三种形式，方阵布置最简单，均匀性居第三位，三角形布置是在方阵基础上采用错排布置而成，布置稍复杂，布水均匀性提高，居于中间水平。六角形布置是三角形布置的改进，布置形式类似，但行距与同行排距不同，布置计算更复杂些，而布水均匀性则最佳。

2 常见的配管形式比较

　　由支干管与主干管的不同组合，可形成两类，配管形式一类为环状布置如图4所示，另一类为树枝状布置，如图5～图9所示：通常人们认为环状布置有自动平衡水量分布功能，布水均匀度较高，而树枝状布置则布水均匀度较差。其实在冷却塔配水的具体条件下，此结论并不完全正确。

3 支干管内的水压分布与喷头供水支管入口的水压分布规律

　　3.1 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L与支干管的管内径d相比即L／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。此即为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，例如：①当选用Ф159×4.5钢管联结1～5个喷头支管，每个喷头设计水量为8.13m³/h时，管内水流的雷诺数Rea为：
　　Rea=V·d／V
　　　　＝（0.12786－0.6393）×0.15／1.1×10^-6
　　　　＝18989～94946
　　②当选用Ф325×8钢管联结1－41个喷头支管时，管内水流的雷诺数R。为：
　　Reb＝v·d／V
　　　　=（0.030－1.2353）×0.309／1.01×10^-6
　　　　=9209～372928
　　③当采用Ф720×8钢管，联结10～246个喷头

　　时，管内水流的雷诺数Rec为：
　　　　Rec＝v·d／V
　　　　　 ＝（0.058-1.428）×0.704／1.01×10^-6
　　　　　　 ＝40428-995358
　　式中：v——水流速度m／s；
　　　　　d——管道内径m；
　　　　　V——水的运动粘度。
　　以上三例雷诺数均大于3600，故水流全部属于紊流状态。故而支干管内水流沿途摩擦阻力造成的水力坡降可以采用以下二个公式计算，
　　当V＜1.2m/s时
　　　i=0.000912（1+0.867/V）^0.3v2／d1.3 　（1）
　　而当V≥ 1.2m／s时
　　　i=0.00107v2／d1.3 （2）
　　支干管内水流的局部损失，按照三通管的直流阻力公式计算整理后可得公式：
　　△Hm-(m+1)=0.35（vm-vm+1)/2g　　 (3）
　　式中：△Hm-(m+1)--三通管处前后的直流水力损失，m；
　　　　　v_m——三通前断面水流速m／s；
　　　　　v_m+1——三通后断面水流速m／s；
　　　　　Q_m——三通前断面过流水量m³／h；
　　　　　Q_m＋1——三通后断面过流水量m³/h；
　　　　　Qf——三通断面侧向分流出去的流量，（即进人支管的流量）m³／h；
　　　　　g——重力加速度，可取 g= 9.81m／s²；
　　　　　ζm-(m+1)——通直流阻力系数；
　　　　　m——支管的序号数1，2，3……
　　对于具有n个支管的支干管，每个支管的设计流量相等，设起始断面至第一个支管间水流速为v₀，则最后一个（序号为n）喷头支管三通前的流速为vn＝vm/n，而（3）式中vm-vm+1=v₀／n，故又可推导出各个三通的直通阻力值都相同并可用下式表示：
　　　　　△Hm-(m+1)=0.35(v0/n)²/2g 　　　（4）
　　支干管全长共有n－1个直流三通阻力损失，故而在最后一个支管前的直流局部损失总和为
　　　　　△Hm-(m+1)=0.35（n－1)(v₀/n)²／2g （5）
　　从起始断面至某一个序号为m的三通前的直流总阻力计算式为

　　对于支管等间距布置的支干管，设间距为l，起始断面至第一个支管间的距离为l，起始断面至最后一个支管的支干管总长为L0=l1+(n-1)l，设起始断面处的水流总水头为H₀（以管中心标高为基准线）则第一个支管三通前的总水头为
　　H₁＝H₀-i₁×l₁
　　第二个支管三通前的总水头为
　　H₂=H₁-i₂×l-△_H1-2
　　第三个支管三通前的总水头为
　　H₃=H₂-i₃×l-H_2-3写成通式：对第m个支管前的总水头为

　　H_m=H₀-i₁l₁-(i₂+i₃+i₄......+i_(m-2)+i_(m-1)+im)l-0.35_(m-1)(v₀/n)²/2g　　 (7)
　　式中：H₀——支干管始端的总水头，m；
　　　　　i₁、i₂、i₃……im——支干管第一段，第二段，第三段，第m段的水力坡降。
　　由（7）式可见支干管内的总水头是随着m数的增大而下降，即起端高末端低。由于支干管内水流速度从起始断面的v0成等差级数下降至v0/n，每级下降数值亦为vm／n，故序号为。的三通支管前的水流动压头的通式可写为：

　　相应该处水流的静压头H_Jm为

　　H_Jm＝H_Jm+H_Jm
　　　　=H₀-[i₁l₁+(i₂+i₃+i₄+……+i_m)l]-{[n-(m-1)]²+0.35(m-1)}(v₀/n)²/2g　　　　(9)

　　从（9）式中可以看出等式右边第二大项方括号内数值为累计沿途摩擦阻力，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-(m－1)]²的数值，随m值的增大成二次方关系减少，而后一项0.35m-1的数值则随m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-(m-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il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联的曲线形状，折线斜率先大后小。
3.2 供水支管人口的水压、分布规律与喷头的有效作用水头：
　　支干管与支管联结处三通的侧向流（转弯分流）阻力远较直流为大，而且它的阻力系数是个变数，不但是支管面积与主管面积比的函数（几何尺寸的函数）而且还是支管流量与主管流量比的函数（可变运行函数），可用以下公式表示：　

　　式中△Hf——三通转弯分流阻力损失，m；
　　　ζf——转弯分流阻力系数；
　　　Qm——序号为m的三通前流量，m³/h；
　　　qm——序号为m的支管流量，m³/h；
　　　F——支干管断面积，m²；
　　　f——支管断面积，m²；
　　　vm——序号为m的三通前流速，m/s；
　　　vf——支管流速，m/s；
　　　τ——系数。
　　由于一般情况下支管与支干管成90度，故
　　　　　　ξf=τ[1+(qm.F/Qm.f)²]=τ(1+vf²/vm²)
　　而进一步合并简化可得：
　　　　　 △Hf=τ(vm²/vf²)/2g　 (10)
　　式中系数τ随不同条件按以下计算式采用
　　　 当f/F≤0.35且qm/Qm≤0.4时
　　　　　　 τ=1.1-0.7qm/Qm
　　　 当f/F≤0.35而qm/Qm＞0.4时 τ=0.85
　　　 当f/F≥0.35且qm/Qm≤0.6时
　　　　　 τ=1-0.65qm/Qm
　　当f/F≥0.35而qm/Qm＞0.6时，τ=0.6
　　因而可以得出支管入口的总水头hm可用下形式表示：

　　h_m=H_m-△H_f=H₀-[i₁l₁+(i₂+i₃+i₄+……+i_m)l]-[0.35(m-1)(v₀/n)²+τ(v_m²+v_j²)]/2g　　　　(11)

　　从（11）式可看出h_m也是始端低而末端高，其变化幅度大于H_Jm，原因是△Hf变幅较大，支管末端联结喷头，则喷头的有效作用总水头hom为

　　h_om=h_m-ΣΔh-Σi_f·l_f+ΔZ　　　(12)

　　式中：∑△h——支管的局部阻力损失总和，m；
　　　　　∑if.lf——支管的沿途损失总和，m。
　　　　　▽Z=▽O-▽m
　　　　　▽o—支干管起始断面处管中心标高，m；
　　　　　▽m——序号为m的喷头出口断面的标高，m。
3.3 喷头的流量计算通式为：
　　　　　q_m＝3600.（π/4）Φ²·μ（2gh_0m）^0.5
　　　　　　 ＝12518.μ.Φ²（h0m）^0.5 　　　　　（3）
式中：q_m——序号为m的喷头喷水量，m³／h；
　　　　　 μ——喷头流量系数；
　　　　　 Φ——喷头出口直径，m；
　　　　　 h_om——喷头的有效计算水头，m。

4 提高配水均匀度的对策与探讨

4.1 喷头安装不宜在同一平面
　　从分析（13）式可知决定喷头喷水量的可变因素为Φ与h_om。从工程实用角度考虑，Φ值不宜多变，主要应从控制h_om来考虑。h_om与△Z二项数值。过去设计习惯都将喷头安装在同一高程，即△Z为一常数，如此一来，h_om完全取决于h_m，从前面分析可知支干管的h_m是沿支干管沿程由低向高变化，故同一根支干管上的喷头流量是进水端小而末端大。如△Z可变则可使流量相同。
4.2 主干管变径
　　对于若干根支干管共用一根等径的主干管的配管系统，则每根支管的人口水压也是靠近进水端的较低而远端较高。如主干管采用变径管，在各支干管三通之间加上渐缩管，则可使各干管的人口水压差别减少很多，如设计参数选用恰当，可使各支于管人口水压接近一个稳定值。
4.3 改变喷头连接管的长度
　　支干管水平布置，而支干管至喷头间的联结支管长度可变，特别是垂直支管长度靠支干管进水端近者较长，而向未端逐个减少，即，令（12）式中△Z可变，使hom保持某一常数值，从理论上看，此法可做到各喷头的hom相同，即喷水量相等，此法的缺点是每个支管都有各自的特定长度，数量多施工较麻烦，容易出差错。
4.4 改变支干管的中心标高
　　改变支干管的中心标高，使进水端标高低而末端标高高一些，其高差值与hm的差值相等，则可使靠进水端的支管入口水压与末端的支管入口水压保持同一数值，但在此两个支管之间的其它支管入口水压则可能要高一些或低一些（视1／d与V值的大小而定），但变幅值比支干管中心标高不变者有所减 少。
4.5 配水管采用全对称树枝状布置
　　从配管系统布局上看如采用图9的全对称树枝状排管布置，可使各支干管的入口水压相等，如在总体布置条件上能够做到不失为最佳形式。
4.6 如图4的环网状排管布置，对改善布水均匀性作用不大。仍存在靠主干管进水一侧的hm低，而靠副干管一侧的hm高，靠中轴的hm低而靠左右外侧的hm高。副干管中流量很小，采用与主干管相同管径是很大浪费，采用与支干管相同管径已足足有余。因其结构形式为闭合环，在施工、安装、检修、调整等方面受限制因素较多。难度较大，并非理想方式。
4.7 如图5的中心干管排管布置，如设计得当，布水均匀性不比环网状排管布置差。如主干管采用末端升高（向上坡度），而支于管上的喷头支管垂直管长度分成若干长度来匹配，则布水均匀度可比传统的提高很多，此种管系材料较省，末端为自由端，对施工安装，检修调整来说比较方便。有它的一定优越性。
4.8 如图7的中央进水单侧于管排管布置，如果主干管采用变径管，每支干管间加渐缩管，使各支干管分支前主管流速相差不大，则各支干管人口水压的差值可减到很小，并采用支干管末端升高的布置形式，也可取得较佳的布水均匀度，与4.7所述者相近，二者将因各自具体设计条件不同而定优劣。

参考资料：

　　［1］ A.M. 库尔干诺夫，H.Φ.菲得洛夫.给水排水系统水力计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1983

作者简介：
　　潘椿（1930－），男，高级工程师。
　　韩玲（1957－），女，高级工程师。