开式冷却塔并联运行时平衡管管径的理论计算

唐志国 （华艺设计顾问（深圳）有限公司）

[摘要] 推导出了开式冷却塔并联运行时底部所设平衡管管径的计算公式，分析了开式冷却塔并联运行

时出现溢漏现象的原因。

[关键词] 冷却塔 平衡管 管径 理论计算

前言

按照文献1的要求，当多台开式冷却塔并联运行，且不设集水箱时，应使各台冷却塔和水泵之间的管段的压力损失大致相同，在冷却塔之间宜设平衡管，或在各台冷却塔底部设置公用水槽。由于设平衡管的办法简单易行，相对于在出水管设电动蝶阀而言，增加费用也不多，因而在实际工程中有一定的使用。但是文献1并未指出平衡管的管径应该如何确定。文献2指出“平衡管管径应与进水管管径相同”，但是也没有给出计算方法。本文试对平衡管管径的计算方法进行一些探讨，以起抛砖引玉之用。

在实际运行过程之中，当开式冷却塔并联运行且底部设平衡管，出水管不设电动蝶阀，且只有部分冷却塔运行时，经常会出现一台冷却塔补水而另外一台冷却塔溢水的现象，即溢漏现象。本文在计算公式的基础上，也试对此现象作出解释。

计算模型的建立与分析

为简便起见，本文只讨论两台开式冷却塔并联运行的情况，计算模型示意图如图1。

图中，MV为电动蝶阀，在某一台机组停止运行时，起关断作用。BV为手动蝶阀，平时开启，检修时起关断作

用。CWP为冷却水泵，WCC水冷机组。

现在先假设冷却塔1及其进水电动蝶阀关闭，冷却塔2运行。由于冷却塔2上部有水进入，而冷却塔1和冷却塔2同时出水，导致两台冷却塔的水位发生变化，产生高度差，从而促使水从冷却塔2经平衡管c流入冷却塔1，当

达到动态平衡时，水位高度差为，即图1所示状态。而要想保证不发生溢漏现象，必须小于溢水管进水口所

在水位与开始补水时的水位的高度差。而且该高度差也是平衡管c中水流流动的唯一动力。

由流体力学基本理论可知，要计算平衡管c的管径，要先知道平衡管c需要承担的流量。而当水流达到动态平

衡时，管道a与平衡管c之间的流量必须相等。但由于精确计算管道a的流量比较困难，本文试从讨论管道a和管道b流量的关系出发，来大致估算流经管道a的流量。

三、管道a与管道b流量的分析

根据流体力学理论，假设在运行过程中，水为理想流体，且为定常流动。 则根据伯努利方程，1-1断面与3断面之间的能量方程为：

（1）

2-2断面与3断面之间的能量方程为：

（2）

式中：

、

-- 水表面大气压力 （Pa）

2

--水的密度（kg/m） --管道a的流速（m/s）

3

--重力加速度（m/s） --3断面处压力（Pa）

--沿程阻力系数 （无因次量） --管道a的长度（m）

--管道a的直径（m） --管道a的局部阻力系数和（无因次量）

--管道b的流速（m/s） --冷却塔2集水盘表面水流速度（m/s）

--管道b的长度（m） --管道b的直径（m）

--管道b的局部阻力系数和（无因次量）

在对各种冷却塔样本进行计算后，确知进水在经过填料层流至集水盘上表面时，流速一般小于0.01m/s，故在式（2）中将含

的那一项略去。

由于运行的冷却塔风机的抽吸作用，将（2）-（1）可以得到：

会小于，在这里为了简化计算，忽略该因素。

（3）

，其最大值为溢水管进水口所在水位与开始补水时的水位的高度差。查阅样本知其值大概在

0.2m-0.4m之间。

在如图1所示的这种接管方式中，

=

=

=

，从而：

（4）

由式（4）可以判断，

。 而

-的值受管径、管长和水位高度差的影响。在进行大量实例计算后，

发现管径和管长对速度差的影响很小，而水位高度差对速度差的影响则相当大。同时，当速度的大小不同时，速度差的变化也很大。速度越大，速度差越小。在常用的速度范围内（24/s—2.5m/s），速度变化率在25%--5%内。由此可见，流经管道b的流量总是大于流经管道a的流量，其差额随着具体的情况而有所不同。但若接管方式不同于图1，则由于阻力系数的不相等，可能会出现不同于上述分析的现象。

四、平衡管 c的管径计算

由上面的计算可知，流经平衡管c的流量总是小于进水管总流量的一半。假设进水管总流量为Q，若取Q/2 为平衡管需要承担的流量，则可以认为计算出来的平衡管管径是比较安全的管径。（当然也可以先估算出管道a的流量，并以该流量为平衡管需要承担的流量来计算平衡管管径。）下面即以Q/2作为流经平衡管的流量，来讨论平衡管的管径。

同样利用伯努利方程：

在1-1断面和2-2断面之间有能量方程：

式中：

--平衡管长度（m）

（5）

--平衡管直径（m）

--平衡管中水流速度（m/s）

--平衡管c的局部阻力系数和（无因次量）

同样忽略

与

差值的影响，并将含

的那一项忽略不计，则由（5）式可推出：

（6）

又由流量计算公式知：

（7）

由（7）式有： （8）

将（8）式代入（6）式并整理有：

（9）

式（9）即为计算平衡管管径的公式。

再将（9）式写成函数的形式：然后求

的解即可。而该方程可用牛顿迭代法解，即：

（10）

在确定其他参数的值以后，以某初始值

代入（10）式进行迭代计算，即可求解。

五、实例计算

某实际工程选用两台流量为250

=0.9，结果如表一。

表一

0.2m 0.3m 0.4m 由表一的计算结果可知，在流量一定的情况下， 冷却塔的

223.3mm 203.2mm 1.5mm 对平衡管管径的影响不可忽视。而从样本查阅，不同的

=0.9，

的冷却塔，设计出水管管径为200mm。各参数取值如下：=0.037，

。

=1，

=0.5，平衡管计算流量取125分别取0.2m，0.3m，0.4m进行模拟计算。

值并不完全相同，这就告诉我们设计人员，在选用平衡管时，不能简单的选取与出水管相同的管径作

为平衡管的管径，而要针对具体的设备进行详细的计算。

对于实际工程中出现的溢漏现象，参照计算公式，引起该现象的原因大致如下； ⒈管径选择过小，流通能力有限。

⒉管道中有污物堵塞，或者碟阀损坏而不能全开，导致阻力系数变大，减小流通能力。

⒊并联出水干管的阻力本身就不平衡，导致管道a承担的流量大于管道b承担的流量，即使平衡管承担的流量大于总流量的一半。

六、结论

本文对开式冷却塔并联运行时平衡管管径进行了理论推导，并得到了计算公式。水位高度差对管径具有不可忽视的影响。建议在进行设计计算时应该结合具体的冷却塔对平衡管管径进行具体的计算。 参考文献：

[1] 采暖通风与空气调节设计规范 GB50019-2003。北京：中国计划出版社，2003 [2] 赵荣义，等。简明空调设计手册[M]。北京：中国建筑工业出版社，2002