CN104048553B - 冷却塔中不同流量时均匀布水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却塔中不同流量时均匀布水的装置及方法，用随系统流量改变而上下浮动的浮子同时改变流通截面积和截面流速，并通过其几何形状的设计制作获得预期截面流速，制作的喷头上部设有固定框架,固定框架内设有滑道，滑道内配合滑动连接调节柱，调节柱为上部开口的中空长方柱体，底部为一锥体，中部有一台阶，中空长方柱体内放置细砂。本装置匹配于冷却塔布水装置的布水盘或布水槽，在不同流量下，通过水的浮力使调节柱沿滑道自动升降，从而调节抛物型锥体与喷头入口的环状间隙，使其自适应流量的大小，可以实现水盘中水位在较小的范围内波动。本装置确保了喷头能在不同的流量下有一个相对稳定的出口流速；同时还能很好地减少漩涡对出流的影响。

Description

冷却塔中不同流量时均匀布水的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于冷却塔布水水盘或布水槽中的喷头，尤其是一种改善不同流量下冷却塔布水均匀度的装置及设计方法。

背景技术

冷却塔在国民生活和工业生产中都有着广泛的应用，随着行业的技术进步，关于优化塔体各个主要组成部件性能的研究越来越深化。冷却塔在运行过程中，在冷却水流量改变时布水盘/槽中的水位会发生比较大的变化，由此影响喷淋装置中喷头的喷洒效果，较多偏离设计水位时，布水会不均匀，而布水均匀度很大程度上影响淋水装置的散热能力，故而对于布水装置的性能改进很有实际意义。

而影响布水不均匀的主要因素有两方面：

1.喷头入口处的流速波动很大时，喷淋装置中喷头的喷洒半径及其喷洒的均匀程度相应发生变化，这样也直接影响到填料的表面淋水效果；

2.喷头入口处因为压差和水的粘性引起的漩涡对水流的流动稳定性产生很大的影响，导致出口处的水流不规则的出流，甚至严重时会在漩涡中心形成中空的空气柱，严重改变出流的形态，导致淋水效果很差。

综上所述，改进布水不均匀的措施，主要是稳定水位和消除漩涡。

发明内容

本发明是要提供一种冷却塔中不同流量时均匀布水的装置及方法，用于改进喷淋效果，尽量消弭不利因素，尽可能的发挥冷却塔的冷却能力，起到节能降耗的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，用于冷却塔布水水盘或布水槽中，包括喷头，其特点是：喷头上部设有固定框架,固定框架内设有滑道，滑道内配合滑动连接调节柱，调节柱为上部开口的中空长方柱体，底部为一锥体，中部有一台阶，中空长方柱体内放置用于改变其重量的细砂。

固定框架的滑道为一方形空腔，固定框架通过外侧支架，悬空固定于喷头头部入口的上方正中央。

调节柱顶部加盖有用于避免中空长方柱体进水意外导致其重量改变的密封盖。当流量小于起浮流量时，调节柱通过中部台阶搁在滑道上边沿。调节柱底部的锥体呈抛物线倒锥形状，抛物线倒锥形状的底圆直径与喷头入口处的截面圆直径相等。调节柱的中空柱体内放置的细砂质量G_砂为：G_砂＝ρ_水gV_排水-G_柱。

一种冷却塔中不同流量时均匀布水的装置的设计制作方法，通过调节柱(2)的几何形状的设计制作获得预期截面流速，使调节柱(2)随系统流量改变而上下浮动来改变流通截面积和截面流速，具体步骤是：

1)根据实际喷淋需求来确定一个喷头入口的流速范围，根据公式：Q＝S_BV_B，计算出不同流速对应的不同水位高度H的具体值，再根据水位高度H的值来设计开放式布水水盘高度，式中，μ是流量系数，S为管嘴入口处过流面积，S_B为喷头过流截面积；

2)根据给定的喷头入口处截面直径某一流量Q，喷头个数n及给定的流速V_B推算出调节柱锥体在截面B处的直径拟合出一条水位高度H和调节柱的锥截面直径之间的变化关系曲线；

3)按照所述曲线来设计制作调节柱的顶部锥体形状；

4)根据流量范围的下限来确定初始调节柱的重量，在调节柱内放置细砂，使调节柱能处于悬浮状态。

本发明的有益效果是：本发是明为一种改进型喷头，该改进型喷头匹配于冷却塔布水装置的布水盘或布水槽。在喷头上加装一个带滑道的框架，滑道内置调节柱,调节柱的下端为一抛物形锥体，处于喷头的入口。在不同流量下，通过水的浮力使调节柱沿滑道自动升降，从而调节抛物型锥体与喷头入口的环状间隙，使其自适应流量的大小，可以实现水盘中水位在较小的范围内波动。本发明确保了喷头能在不同的流量下有一个相对稳定的出口流速；同时还能很好地减少漩涡对出流的影响。本发明的有益效果是促使各喷头的喷淋更均匀，从而能使填料有较好的换热效果，让冷却塔的散热性能表现得更好。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明装置的组装立体示意图；

图3是本发明装置的分解结构立体示意图；

图4是本发明装置的结构主视图；

图5是图4的右视图；

图6是调节柱的结构主视图；

图7是图6的右视图；

图8是传统喷头的结构立体示意图；

图9是水盘、改良喷头装配体结构立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明作进一步说明。

如图9所示，本发明的冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，用于冷却塔布水水盘或布水槽中。

本发明的原理与结构：

传统的喷头(附图8)因为过流截面积不变导致其流量Q与水位深度H成0.5次方关系，其公式为：

$Q=\mathrm{\μ}S\sqrt{2gH}---\left(1\right)$

式中Q-----流量，m³/s；

μ-----流量系数；

S-----管嘴入口处过流面积，m²；

H-----作用在管嘴入口断面的水深，m；

g-----重力加速度，m/s²。

对固定喷头而言，水位决定了喷溅半径，喷溅半径决定了布水的均匀度，而对传统的喷头，水位也决定了流量，故流量的大小即决定了布水的均匀度，要在流量变化下使喷溅半径尽少变化，就要设法改变过流面积S,为此在传统喷头上作如下改进，如图2至图7所示：

1)本发明将原来的普通喷头改成上部有带滑道1-1的固定框架的喷头1,并在固定框架的滑道1-1内加了底部带抛物锥的中空的调节柱2，并在调节柱2上加了密封盖子3，以上部件一起构成了本发明装置。

2)固定框架内的滑道1-1为一方形空腔，固定框架通过外侧支架1-2，悬空固定于喷头头部1-3入口的上方正中央。

3)调节柱2，为上部开口的中空长方柱体2-1，底部为一锥体2-3，中部有一台阶2-2。中空的长方柱体2-1可以添加细砂来改变其重量。顶部加上密封盖3可以避免中空的长方柱体进水意外导致其重量改变。

4)固定框架用于固定相应的调节柱2，使调节柱2仅能沿固定框架的滑道1-1升降。当流量小于起浮流量时，调节柱2通过中部台阶2-2搁在滑道1-1上边沿。

5)调节柱2底部的锥体2-3呈抛物线锥形状，不同流量范围下调节柱因浮力改变随之会有升降，进而改变锥体与喷头入口的环形通道面积，从而适应流量的改变。而抛物线锥形状就是根据这两者之间的关联关系拟合出的公式而设计的，并且其底圆的直径与喷头入口处的截面圆直径相等。

6)调节柱2设计为方形，可有效消除漩涡的不利影响，而且有独特的中空设计，使得此装置可以加装细砂，改变装置的重量。针对于几何尺寸固定的本装置，不同的流量范围会提供不同的浮力，而通过添加或减少其中的细砂量改变中空的柱的重量可以适用于不同的起浮流量。

针对上述发明，如图1所示，A为水盘/槽，C为自由水面，1为喷头，2为调节柱，D为带滑道的固定框架，H为水面到喷头入口处的距离(水深)。喷头1入口截面B处的直径为而调节柱2的底部锥体在截面B处的直径为则喷头过流截面积为：

$S_B=\frac{\mathrm{\π}}{4}(R_{B1}^2-R_{B2}^2)---\left(2\right)$

则喷头1在水位为H时的流量即可用式(1)计算。

而根据连续方程，喷头的出水的流量还符合计算公式

Q＝S_BV_B(3)

其中V_B-----喷头入口处水的流速，m/s。

本发明的改进点在于在改变流量的同时改变其喷头入口的过流截面积，而过流截面积和流速的乘积为流量，只要使得过流截面积做相应变化(Q与S值同向变化)，即可以让其出流速度变动幅度较小，从而尽可能保证其喷洒/溅洒半径在最佳值附近。

其原理是首先针对不同的流量设计范围，选定其下限流量，然后在此流量下向调节柱B中增/减砂砾并使其能处于悬浮的状态(为使调节柱能在很低的流量下也能浮起，调节柱应尽可能采用轻质的材料)，根据浮力的公式

G_柱+G_砂＝ρ_水gV_排水(4)

G_柱＝m_柱g(4-1)

G_砂＝m_砂g(4-2)

式中：

ρ水-----水的密度,kg/m³

m柱-----调节桩质量，kg

m砂-----添加细砂的质量，kg

g-----重力加速度，m/s²

V排水-----排开的水体积，m³

对重量G柱一定的调节柱2，为提供其浮力而被排开的水体积V排水也一定。

本发明装置的设计尺寸以喷头入口23mm的圆截面直径为例，这类喷头主要应用于民用冷却塔，其单塔流量一般不大于350t/h,以往的民用冷却塔在不同流量下为改善喷淋水布水效果，往往需选用不同截面直径的喷头(喷头个数一定)才能实现。本装置针对一定数目的喷头，无需改换不同直径的喷头即可简单高效地使得布水均匀，提高换热效果。

如有需要应用于工业塔流量(350t/h以上流量)的，只需要选用更大型号的改良喷头(喷头入口圆截面直径为25mm或者更大)即可。

为保证在有很小流量(0--5t/h)的情形下水流也能流过喷头，本发明设计选定初始没有水流时调节柱完全搭在支架上，锥体的底圆面与喷头入口处的平面之间有一定空隙，其距离为2mm。随着水流量不断增加，到一定水深，浮力等于调节柱2重量时，就能使调节柱2浮起；继续增加流量，水池中的液位会相应上升，调节柱2也会随之一起上升，而在上升的时候其插入喷头入口B截面处的锥体的截面半径会不断变小，由公式(2)知道喷头入口处的过流截面积S会不断增大。这样入口流速V_B就不会剧烈的上升，而只会在一个较小的范围内缓慢改变，同时，出口流量的加大，也制约了水位的进一步上升，这样就确保了喷头喷溅的相对稳定。

如图2至图5所示，本装置将固定框架与喷头做成一体，其尺寸为:

针对流量在0-350t/h范围内的冷却塔设计，采用入口直径为23mm改良喷头通长135.5mm(图4)，喷头入口以上部分(含密封盖)在无水紧密贴合状态下长77mm,调节柱2全长102mm,锥段长30mm(图6)。

以密度为1200kg/m³的材料制作调节柱，其中段长方体的规格为：长30mm，宽30mm，厚度为1mm。加上支承的台阶重量和底部的锥体的重量，其总重量约为0.294N。调节柱中添加金刚砂，其密度为3200kg/m³，金刚砂的平均颗粒直径则是越小越好，宜采用200目以上的粒径。

根据上述条件，具体设计方法如下：1)首先，根据实际喷淋需求来确定一个喷头入口的最佳流速范围，针对民用的0——350t/h冷却塔而言，这个喷头入口的最佳流速范围在0.8m/s–1.2m/s之间，将流速与流量分段取点并一一对应。将公式(3)代入公式(1)可以知道不同流速对应的不同水位高度H的具体值，再根据这个值和喷头的高度来设计相应的水盘的高度，一般情形下水盘高度应不小于15cm。

2)其次，也是很重要的一步，我们可以根据给定的喷头入口处截面直径某一流量Q，喷头个数n及给定的流速V_B可推算出锥体在截面B处的直径而上面算出的水位高度变化ΔH实际上也是锥体垂直方向上的行程，因为浮力的作用导致水面上升的高度与锥体上升的高度是一致的。这样可以拟合出一条水位高度和锥截面直径之间的变化关系曲线。

这两部步骤如下所示：

(1)现将流量分档为：5，10，25，50，100，150，200，250，300，350(单位:t/h)

(2)再将最佳流速范围内的流速分档为：0.91,0.92,0.93,0.94,0.95,0.96,0.97,0.98,0.99,1.0(单位：m/s)

在这里，流量系数μ取值0.7

将上面的流速与不同的流量按照从小到大的关系一一对应，然后推算出其应有的水位高度H，再推算出锥截面直径则可以列出如下的表格：

表1

据以上表格的水槽水深H和倒锥的截面直径的数据可以拟合出倒锥的形线曲线关系式如下：H＝0.0204R_B2 ²+0.1414R_B2+50.605(5)

由此曲线关系制造出调节柱2的锥状底部，不同的曲线当然对应于不同的底部锥状形状，所以可设计成不同的可拆卸的螺旋拧合的锥状底部，以适应不同的流速——锥截面半径的需求。

3)然后，按照该曲线来设计制作特定的调节柱的顶部锥体的形状。

4)最后根据流量范围的下限来确定初始调节柱的重量，从而放置相应量的砂砾，使调节柱2能处于悬浮状态。

至于初始柱状重量与放置细砂的量的关系，主要要考虑两方面的因素：

<1>选用的材料不一样，在同一几何尺寸下则完全空的柱的重量也不一样，其放置细砂的重量要根据(4)式来计算；

<2>用户的最小流量的设定不同，则调节柱2的起始的起浮重量不同，放置的细砂的量也会不同。

表2为0-350t/h流量的不同的起始起浮流量下对应的不同的添砂量：

表2

由表2的数据可以拟合出流量与添砂量之间的关系。

<1>在5—100t/h的小流量范围内遵循如下关系式：

H＝-0.0004R_B2 ²+0.0772R_B2+7.8847(6)

<2>在100—350t/h的大流量范围内遵循如下关系式：

H＝0.0179R_B2+9.6148(7)

Claims (7)

1.一种冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，用于冷却塔布水水盘或布水槽中，包括喷头(1)，其特征在于：所述喷头(1)上部设有固定框架,固定框架内设有滑道，滑道内配合滑动连接调节柱(2)，调节柱(2)为上部开口的中空长方柱体(2-1)，底部为一锥体(2-3)，中部有一台阶(2-2)，中空长方柱体(2-1)内放置用于改变其重量的细砂。

2.根据权利要求1所述的冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，其特征在于：所述固定框架的滑道(1-1)为一方形空腔，固定框架通过外侧支架(1-2)，悬空固定于喷头头部(1-3)入口的上方正中央。

3.根据权利要求1所述的冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，其特征在于：所述调节柱(2)顶部加盖有用于避免中空长方柱体进水意外导致其重量改变的密封盖(3)。

4.根据权利要求1所述的冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，其特征在于：当流量小于起浮流量时，所述调节柱(2)通过中部台阶(2-2)搁在滑道(1-1)上边沿。

5.根据权利要求1所述的冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，其特征在于：所述调节柱(2)底部的锥体(2-3)呈抛物线倒锥形状，抛物线倒锥形状的底圆直径与喷头(1)入口处的截面圆直径相等。

6.根据权利要求1所述的冷却塔中不同流量时均匀布水的装置，其特征在于：所述调节柱(2)的中空长方柱体(2-1)内放置的细砂质量G_砂为：G_砂＝ρ_水gV_排水-G_柱。

7.一种权利要求1至6任一项所述的冷却塔中不同流量时均匀布水的装置的设计制作方法，其特征在于，通过调节柱(2)的几何形状的设计制作获得预期截面流速，使调节柱(2)随系统流量改变而上下浮动来改变流通截面积和截面流速；具体步骤是：

1)根据实际喷淋需求来确定一个喷头入口的流速范围，根据公式：Q＝S_BV_B，计算出不同流速对应的不同水位高度H的具体值，再根据水位高度H的值来设计开放式布水水盘高度，式中，μ是流量系数，S为管嘴入口处过流面积，S_B为喷头过流截面积；

2)根据给定的喷头入口处截面直径某一流量Q，喷头个数n及给定的流速V_B推算出调节柱(2)的锥体在截面B处的直径拟合出一条水位高度H和调节柱(2)的锥截面直径之间的变化关系曲线；

3)按照所述曲线来设计制作调节柱(2)的顶部锥体形状；

4)根据流量范围的下限来确定初始调节柱(2)的重量，在调节柱(2)内放置细砂，使调节柱(2)能处于悬浮状态。