潘椿，韓玲
（全國化工給排水設計技術中心站，合肥 230024）

　　摘　要：在冷卻塔的設計中，配水管及噴頭的布置是影響冷卻效果的重要因素之一。通過水力計算，分析了水壓分布規律，指出冷卻塔的噴頭布置、配管形式對布水均勻度的影響因素，探討了提高市水均勻度的對策，認為采用全對稱樹枝狀配管及六角形噴頭布置方式可有效提高冷卻塔配水的均勻度。
　　關鍵詞：冷卻塔；配水系統；噴頭；計算
　　中圖分類號：TU991.32
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　冷卻塔配水管及噴頭布置得合理與否是影響冷卻塔冷卻效果的重要因素之一。有關設計資料未對噴頭及配水管的布置作統一規定。筆者利用幾何和水力學原理對噴頭和配水管的布置進行了分析比較。

1 噴頭平面布置形式比較

　　1.1 方陣布置：噴頭布置于正方形的四角，一個噴頭與相鄰噴頭組成四字形，直向行距a與橫向排距b等值，中心噴頭與相鄰噴頭距離r1=a=b者有4個，r2＝1.414a者也有4個，平均半徑rcp=1.207a，最大半徑r2與最小半徑r1之比為1.414，為滿足噴頭相互交叉，噴頭的噴灑半徑R應大于1.414a。如圖1。
　　1.2 三角形布置：噴頭布置于直角三角形的頂點，一個中心噴頭與相鄰噴頭組成中字形，直向行距a與同行的噴頭間距b相等，但群體的水平排距為b／2。中心噴頭與相鄰的6個噴頭的距離r1＝a＝b者有2個，r2=1.118b者有4個，平均半徑 rcp＝1.079a，最大半徑與最小半徑之比為1.118，為滿足噴頭噴灑半徑相互交叉，噴頭的噴灑半徑 R應大于1.118a。如圖2。

　　1.3 六角形布置：噴頭布置于等邊三角形的頂點，一個中心噴頭與相鄰噴頭組成六角形，垂直行距a與同行內噴頭間距b不相等，b=1.155a（或a=0.866b），而群體排距為 b／2，中心噴頭與相鄰噴頭的距離各向相等，均為r1=b=1.155a，平均半徑rcp＝r1，為滿足噴頭噴灑半徑相互交叉，噴頭的噴灑半徑R應大于1.155a。如圖3。
　　以上三種形式，方陣布置最簡單，均勻性居第三位，三角形布置是在方陣基礎上采用錯排布置而成，布置稍復雜，布水均勻性提高，居于中間水平。六角形布置是三角形布置的改進，布置形式類似，但行距與同行排距不同，布置計算更復雜些，而布水均勻性則最佳。

2 常見的配管形式比較

　　由支干管與主干管的不同組合，可形成兩類，配管形式一類為環狀布置如圖4所示，另一類為樹枝狀布置，如圖5～圖9所示：通常人們認為環狀布置有自動平衡水量分布功能，布水均勻度較高，而樹枝狀布置則布水均勻度較差。其實在冷卻塔配水的具體條件下，此結論并不完全正確。

3 支干管內的水壓分布與噴頭供水支管入口的水壓分布規律

　　3.1 支干管為等直徑直管，在側面開一定數量的支管，支管間距相等，支管管徑遠比支干管的管徑小，支管斷面積總和與支干管斷面積相近，支管間距L與支干管的管內徑d相比即L／d數值不大，屬于短導管范疇，支干管內的水壓（靜壓）將是進口端低而末端反而升高。此即為通常說的動壓恢復現象。
　　從水力計算進行分析可知：支干管內的水流狀態屬于紊流狀態，例如：①當選用Ф159×4.5鋼管聯結1～5個噴頭支管，每個噴頭設計水量為8.13m³/h時，管內水流的雷諾數Rea為：
　　Rea=V·d／V
　　　　＝（0.12786－0.6393）×0.15／1.1×10^-6
　　　　＝18989～94946
　　②當選用Ф325×8鋼管聯結1－41個噴頭支管時，管內水流的雷諾數R。為：
　　Reb＝v·d／V
　　　　=（0.030－1.2353）×0.309／1.01×10^-6
　　　　=9209～372928
　　③當采用Ф720×8鋼管，聯結10～246個噴頭

　　時，管內水流的雷諾數Rec為：
　　　　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——管道內徑m；
　　　　　V——水的運動粘度。
　　以上三例雷諾數均大于3600，故水流全部屬于紊流狀態。故而支干管內水流沿途摩擦阻力造成的水力坡降可以采用以下二個公式計算，
　　當V＜1.2m/s時
　　　i=0.000912（1+0.867/V）^0.3v2／d1.3 　（1）
　　而當V≥ 1.2m／s時
　　　i=0.00107v2／d1.3 （2）
　　支干管內水流的局部損失，按照三通管的直流阻力公式計算整理后可得公式：
　　△Hm-(m+1)=0.35（vm-vm+1)/2g　　 (3）
　　式中：△Hm-(m+1)--三通管處前后的直流水力損失，m；
　　　　　v_m——三通前斷面水流速m／s；
　　　　　v_m+1——三通后斷面水流速m／s；
　　　　　Q_m——三通前斷面過流水量m³／h；
　　　　　Q_m＋1——三通后斷面過流水量m³/h；
　　　　　Qf——三通斷面側向分流出去的流量，（即進人支管的流量）m³／h；
　　　　　g——重力加速度，可取 g= 9.81m／s²；
　　　　　ζm-(m+1)——通直流阻力系數；
　　　　　m——支管的序號數1，2，3……
　　對于具有n個支管的支干管，每個支管的設計流量相等，設起始斷面至第一個支管間水流速為v₀，則最后一個（序號為n）噴頭支管三通前的流速為vn＝vm/n，而（3）式中vm-vm+1=v₀／n，故又可推導出各個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）
　　支干管全長共有n－1個直流三通阻力損失，故而在最后一個支管前的直流局部損失總和為
　　　　　△Hm-(m+1)=0.35（n－1)(v₀/n)²／2g （5）
　　從起始斷面至某一個序號為m的三通前的直流總阻力計算式為

　　對于支管等間距布置的支干管，設間距為l，起始斷面至第一個支管間的距離為l，起始斷面至最后一個支管的支干管總長為L0=l1+(n-1)l，設起始斷面處的水流總水頭為H₀（以管中心標高為基準線）則第一個支管三通前的總水頭為
　　H₁＝H₀-i₁×l₁
　　第二個支管三通前的總水頭為
　　H₂=H₁-i₂×l-△_H1-2
　　第三個支管三通前的總水頭為
　　H₃=H₂-i₃×l-H_2-3寫成通式：對第m個支管前的總水頭為

　　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——支干管始端的總水頭，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）式可見支干管內的總水頭是隨著m數的增大而下降，即起端高末端低。由于支干管內水流速度從起始斷面的v0成等差級數下降至v0/n，每級下降數值亦為vm／n，故序號為。的三通支管前的水流動壓頭的通式可寫為：

　　相應該處水流的靜壓頭H_Jm為

　　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)

　　從（9）式中可以看出等式右邊第二大項方括號內數值為累計沿途摩擦阻力，它隨著支管序號m的增加而增大，而第三大項大括號內數值為動壓頭的變化系數，其中[n-(m－1)]²的數值，隨m值的增大成二次方關系減少，而后一項0.35m-1的數值則隨m的增加成一次方關系增加，由于m是在1～n范圍內變動的正整數，每次增量為1，故它的正變化率低于[n-(m-1)]²的負變化率，隨著m的增大，整個大括號內的數值在減少，如果第三大項減少率高于第二大項數值的增加率，則HJm是隨m的增加而增大。冷卻塔配水系統支干管的il一般數值均不大，故支干管的靜壓是起始端低而末端高。隨支管序號的增加，而呈多段上升折線相聯的曲線形狀，折線斜率先大后小。
3.2 供水支管人口的水壓、分布規律與噴頭的有效作用水頭：
　　支干管與支管聯結處三通的側向流（轉彎分流）阻力遠較直流為大，而且它的阻力系數是個變數，不但是支管面積與主管面積比的函數（幾何尺寸的函數）而且還是支管流量與主管流量比的函數（可變運行函數），可用以下公式表示：　

　　式中△Hf——三通轉彎分流阻力損失，m；
　　　ζf——轉彎分流阻力系數；
　　　Qm——序號為m的三通前流量，m³/h；
　　　qm——序號為m的支管流量，m³/h；
　　　F——支干管斷面積，m²；
　　　f——支管斷面積，m²；
　　　vm——序號為m的三通前流速，m/s；
　　　vf——支管流速，m/s；
　　　τ——系數。
　　由于一般情況下支管與支干管成90度，故
　　　　　　ξf=τ[1+(qm.F/Qm.f)²]=τ(1+vf²/vm²)
　　而進一步合并簡化可得：
　　　　　 △Hf=τ(vm²/vf²)/2g　 (10)
　　式中系數τ隨不同條件按以下計算式采用
　　　 當f/F≤0.35且qm/Qm≤0.4時
　　　　　　 τ=1.1-0.7qm/Qm
　　　 當f/F≤0.35而qm/Qm＞0.4時 τ=0.85
　　　 當f/F≥0.35且qm/Qm≤0.6時
　　　　　 τ=1-0.65qm/Qm
　　當f/F≥0.35而qm/Qm＞0.6時，τ=0.6
　　因而可以得出支管入口的總水頭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)

　　從（11）式可看出h_m也是始端低而末端高，其變化幅度大于H_Jm，原因是△Hf變幅較大，支管末端聯結噴頭，則噴頭的有效作用總水頭hom為

　　h_om=h_m-ΣΔh-Σi_f·l_f+ΔZ　　　(12)

　　式中：∑△h——支管的局部阻力損失總和，m；
　　　　　∑if.lf——支管的沿途損失總和，m。
　　　　　▽Z=▽O-▽m
　　　　　▽o—支干管起始斷面處管中心標高，m；
　　　　　▽m——序號為m的噴頭出口斷面的標高，m。
3.3 噴頭的流量計算通式為：
　　　　　q_m＝3600.（π/4）Φ²·μ（2gh_0m）^0.5
　　　　　　 ＝12518.μ.Φ²（h0m）^0.5 　　　　　（3）
式中：q_m——序號為m的噴頭噴水量，m³／h；
　　　　　 μ——噴頭流量系數；
　　　　　 Φ——噴頭出口直徑，m；
　　　　　 h_om——噴頭的有效計算水頭，m。

4 提高配水均勻度的對策與探討

4.1 噴頭安裝不宜在同一平面
　　從分析（13）式可知決定噴頭噴水量的可變因素為Φ與h_om。從工程實用角度考慮，Φ值不宜多變，主要應從控制h_om來考慮。h_om與△Z二項數值。過去設計習慣都將噴頭安裝在同一高程，即△Z為一常數，如此一來，h_om完全取決于h_m，從前面分析可知支干管的h_m是沿支干管沿程由低向高變化，故同一根支干管上的噴頭流量是進水端小而末端大。如△Z可變則可使流量相同。
4.2 主干管變徑
　　對于若干根支干管共用一根等徑的主干管的配管系統，則每根支管的人口水壓也是靠近進水端的較低而遠端較高。如主干管采用變徑管，在各支干管三通之間加上漸縮管，則可使各干管的人口水壓差別減少很多，如設計參數選用恰當，可使各支于管人口水壓接近一個穩定值。
4.3 改變噴頭連接管的長度
　　支干管水平布置，而支干管至噴頭間的聯結支管長度可變，特別是垂直支管長度靠支干管進水端近者較長，而向未端逐個減少，即，令（12）式中△Z可變，使hom保持某一常數值，從理論上看，此法可做到各噴頭的hom相同，即噴水量相等，此法的缺點是每個支管都有各自的特定長度，數量多施工較麻煩，容易出差錯。
4.4 改變支干管的中心標高
　　改變支干管的中心標高，使進水端標高低而末端標高高一些，其高差值與hm的差值相等，則可使靠進水端的支管入口水壓與末端的支管入口水壓保持同一數值，但在此兩個支管之間的其它支管入口水壓則可能要高一些或低一些（視1／d與V值的大小而定），但變幅值比支干管中心標高不變者有所減 少。
4.5 配水管采用全對稱樹枝狀布置
　　從配管系統布局上看如采用圖9的全對稱樹枝狀排管布置，可使各支干管的入口水壓相等，如在總體布置條件上能夠做到不失為最佳形式。
4.6 如圖4的環網狀排管布置，對改善布水均勻性作用不大。仍存在靠主干管進水一側的hm低，而靠副干管一側的hm高，靠中軸的hm低而靠左右外側的hm高。副干管中流量很小，采用與主干管相同管徑是很大浪費，采用與支干管相同管徑已足足有余。因其結構形式為閉合環，在施工、安裝、檢修、調整等方面受限制因素較多。難度較大，并非理想方式。
4.7 如圖5的中心干管排管布置，如設計得當，布水均勻性不比環網狀排管布置差。如主干管采用末端升高（向上坡度），而支于管上的噴頭支管垂直管長度分成若干長度來匹配，則布水均勻度可比傳統的提高很多，此種管系材料較省，末端為自由端，對施工安裝，檢修調整來說比較方便。有它的一定優越性。
4.8 如圖7的中央進水單側于管排管布置，如果主干管采用變徑管，每支干管間加漸縮管，使各支干管分支前主管流速相差不大，則各支干管人口水壓的差值可減到很小，并采用支干管末端升高的布置形式，也可取得較佳的布水均勻度，與4.7所述者相近，二者將因各自具體設計條件不同而定優劣。

參考資料：

　　［1］ A.M. 庫爾干諾夫，H.Φ.菲得洛夫.給水排水系統水力計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1983

作者簡介：
　　潘椿（1930－），男，高級工程師。
　　韓玲（1957－），女，高級工程師。