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冷却塔布水器的工作原理

文章来源：太原洁达清洗服务公司日期：2014-11-08

冷却塔布水器的工作原理 - liumingshan130 - 刘明善的博客

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冷却塔布水器的工作原理 - liumingshan130 - 刘明善的博客

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　　冷却塔配有旋转布水器，布水器有高强度青铜内芯和耐高温尼龙外壳组成，利用水的反重力自动旋转布水，

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布水管出孔应同方向向下倾斜45°，200T以上的布水器内装轴承，故旋转灵活，使用可靠，布水管孔的排列根据内容来自dedecms

试验数据确定，具有布水均匀，冷效较高等特点，布水器与中心管连接可采用法兰，也可采用螺纹。 dedecms.com

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布水器是冷却塔中的关键部件，其作用是将水均匀地分布到填料上，增大水气接触界面，使一部分水汽化，

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带走热量，起到降低水温的作用。其造价不高但对冷却塔的冷却效率影响极大，有必要深入研究。布水器的

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种类很多，有孔板式、排管式、溢流式、喷头式等，而应用最多的是旋转布水器。

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文献[1]介绍了旋转布水器不同直径喷孔，在不同水压下每个喷孔的流量实测数据，由表1第6行可

行计算出中心的布水密度是边缘的1.83倍。这说明旋转布水器喷淋的均匀性问题仍然十分严重；如果

把这个倍数降低一半，冷却效率会有可观的提高^[2]，而不需要增加能量消耗。文献[3]、[4]涉及到了布

水器的结构改进和优化的定性分析，但不够深入和系统，是经验性的总结。文献[5]-[9]讨论了优化和

分布的均匀性问题，但缺乏对旋转的研究。笔者以力矩平衡和流体力学平衡建立数学模型，并应用计

算机进行模拟，反复迭代试差，进行精确计算，提高了液体分布的质量并改善了旋转的稳定性。

1 布水器的结构及工作原理

布水器的结构如图1所示。其中，密封箱用以连接布水器的旋转部分和固定部分。冷却水通过进水管

流入布水管，然后通过布水管上的喷孔形成水流，洒在冷却塔的填料上。由于喷孔的直径比较小，水流

具有一定的速度，根据作用力与反作用力的原理，布水管受到与水流方向相反的作用力而旋转，使水流

不停地分布到冷却塔的填料上。

布水器看似简单，但各部参数的确定十分重要，参数之间有一定的逻辑关系。以下按设计步骤给出各

参数的确定原则。

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1.1 喷孔孔径的确定

从理论上讲喷孔的直径越小，个数越多，布水的均匀性越好。但喷孔太小容易堵塞，加工也比较困

难，最小应≥0.003m，另外还要综合考虑流速。

1.2 喷孔流速的确定

无论大冷却塔还是小冷却塔喷孔流速应该是大致相同的数值。因为，喷孔流速太小反作用力太小，转

速会很小甚至会停转，喷孔流速太大，流体阻力损失的能量大，喷洒不均匀，还会产生水雾，一般以0.8-

2.5m/s为宜。

由文献[1]实测数据（见表1）可以看出，同一布水管上每个喷孔的流量不完全相同，端点喷孔的流量比靠

近中间喷孔的流量要大，压力越大差别也越大。专著认为“原因是端点受到水击影响的缘故”。笔者认

为要从液体所受的作用力上来解释，在旋转过程中，布水管中的液体还受到离心力的作用；直径越大离

心力越大，水压越大离心力也越大，这可以完美地解释中心喷孔与端点喷孔的流量差别，这是冷却塔直

径较大产生的现象。为了证明这个解释，笔者用计算方法进行了验证，计算过程如下。

表1 不同直径喷孔在不同水压下每个喷孔的流量实测数据^[1]

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d_O/m	P_r/Pa	第1孔		第2孔		第3孔		第4孔		第5孔		第6孔		第7孔
d_O/m	P_r/Pa	L₁/ （m³·h^-1）	倍数	L₂/ （m³·h-1）	倍数	L₃/ （m³·h-1）	倍数	L₄/ （m³·h-1）	倍数	L₅/ （m³·h-1）	倍数	L₆/ （m³·h-1）	倍数	L₇/ （m³·h-1）	倍数
0.01	2452.5	0.088	1	0.095	1.09	0.096	1.10	0.100	1.14	0.118	1.34	0.119	1.36	0.127	1.45
0.01	3433.5	0.088	1	0.092	1.05	0.094	1.07	0.102	1.16	0.125	1.42	0.116	1.32	0.147	1.67
0.015	2452.5	0.116	1	0.132	1.14	0.151	1.30	0.167	1.44	0.164	1.42	0.189	1.63
0.015	3433.5	0.192	1	0.200	1.04	0.218	1.13	0.286	1.49	0.238	1.24	0.238	1.24
0.02	2452.5	0.238	1	0.278	1.17	0.312	1.31	0.357	1.50	0.270	1.13	0.384	1.62
0.02	3433.5	0.238	1	0.278	1.17	0.333	1.40	0.240	1.68	0.417	1.75	0.434	1.83

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注：1）“第1孔”指距中心的第1个喷孔，其他类推；2）“倍数”指所在喷孔与第1个喷孔的流量之比。

由图2，在第i个喷孔处，其质量为P_WF_Hd_O；离心加速度为W²R_i。则离心力f_Ri为：

f_Ri= P_WF_Hd_O·ω²R_i

换算成液体压力为：

式中：P_i —— 喷孔孔口液体压力，Pa；

f_Ri—— 第I个喷孔处的离心力，N；

P_W—— 水密度，g/cm³；

F_H—— 分布管的截面积，m²；

d_O—— 喷孔直径，m；

ω——分布管的角速度，rad/s；

R_i —— 等圆环面积的外径，m 。

设u_i（m/s）为喷孔的液体流速，将液体压力换算成液体的动压头，P_i = P_Wu_i²/2

解出u_i，则u_i= 2P_i/P_W = ω 2d_OR_i （1）

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对照表1，可以看出上式（1）中各个变量的变化规律与实测值值一致^[1]。R_i越大流量越大；d_O越大流

量差也越大；ω与压差成正比；ω越大流量差也越大。这说明定性分析是成立的。为了保证结论的严密性

再作以下定量分析。

任意一个喷孔的流量L_i为喷孔的截面积乘喷孔的流速。因为流速是矢量，可以用矢量叠加原理，所以把

分布管上喷孔的流速看作是喷孔的常规流速u_O加上离心力产生的流速u_i。因为中心喷孔的旋转半径很小

可看作零，那么离心力也为零，可作为喷孔的常规流速。由此可得下式：

L_i= 0.785d_O²· μ_r（u_O+ u_i）

= 0.785d_O²· μ_r（u_O+ω 2d_OR_i ）（2）

式中：μ_r—— 喷孔流体系数，取μ_r = 0.85 。

将（2）式整理为

L_i= 0.785d_O²· μ_r（u_O+ 2d_OR_i）

= L₀+ 0.785d_O²μ_rω 2d_OR_i

用表1数据计算。取中心竖管水压力3433.5Pa这一组的值，因为压差越大这种现象越明显。考虑离心力

计算的流量L_i用（2）式计算。转速实测数据30r/min。计算结果与实测流量的对比见表2。

表2 实测数据和计算数据对照

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d_O/m	R_i/m	实测L_i/ （m³·h^-1）	未考虑离心力		考虑离心力
d_O/m	R_i/m	实测L_i/ （m³·h^-1）	流量/ （m³·h^-1）	相对误差	流量/ （m³·h^-1）	相对误差
0.010	0.160	0.088	0.088	0.000	0.100	0.135
0.010	0.560	0.125	0.088	-0.296	0.110	-0.119
0.010	0.960	0.152	0.088	-0.421	0.117	0.230
0.015	0.200	0.192	0.192	0.000	0.229	0.190
0.015	0.400	0.218	0.192	-0.119	0.244	0.118
0.015	0.600	0.238	0.192	-0.193	0.255	0.073
0.020	0.200	0.238	0.238	0.000	0.313	0.315
0.020	0.400	0.333	0.238	-0.285	0.344	0.033
0.020	0.700	0.434	0.238	-0.452	0.378	-0.128
平均				-0.189		0.045

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由表2中计算数据可见，考虑了离心力的误差小于未考虑离心力的误差4倍多。实测值与计算值的平均

误差仅4.5%，这对于工业装置的计算来说已经是十分理想的了。以上数据表明，旋转布水器的喷孔直径

相同时，各喷孔的流量不同。当冷却塔的直径较大时，要设计高质量的旋转布水器不宜直接用文献[1]的

数学模型，需要建立一套考虑了离心力的数学模型和设计方法。

1.3 孔数的确定

冷却水量L是已知的，除以每个喷孔的流量平均值可得布水器上的开孔个数n。但各个喷孔的位置还没确

定，流量也就不能计算。注意到喷孔流量的变化是近似于线性的，因此取分管半径二分之一处的流速为

平均流速u_O′，计算喷孔个数。

由于各个喷孔的流量不同，最终的喷孔个数可能并不等于这个值，而由喷孔位置的逐个计算过程中确

定。这是一个计算初值。

1.4 布水管截面积的确定

布水管截面积与布水的均匀怀关系很大。截面积太小会影响布水管两端喷孔的流速；截面积太大会增

加旋转部件的质量，使转速减小，磨损加大。因为流速是矢量，可以迭加，在此认为冷却塔布水器的喷

孔流速是正常流速和离力力流速的迭加。

正常流量的含义是固定式多孔液体分布器的喷孔流量或直径较小的液体分布器喷孔流量均匀（不考虑离

心力条件下）的设计方法。其主要内容可概括为：要使各喷孔的流量相等，必须同时满足两点。

（1）每个喷孔要有足够的阻力，且阻力越大喷孔的流量越均匀；

（2）布水管的截面积要大于各喷孔的截面积之和，比值越大喷也的流量越均匀。由文献[9]，取布水管截

面积为各喷孔截面积之和的3倍，就可保证正常流量均匀。

布水管的截面积可由下式计算：

F_H= 3×0.785d_O²n （4）

布水管的直径D_g为

D_g= F_H/0.785 = 3×0.785d_O²n/0.785 = d_O3n （5）

1.5 布水管上最佳开孔位置的确定

一般冷却塔的布水管采用等间距开孔。这种开孔方法造成不均匀喷洒。填料中心的单位面积流量偏

多，两端的单位面积流量偏少。这是因为冷却塔是圆柱型，截面积与直径的平方成正比。文献[9]推导出

了喷孔流量相等时布水器最佳开孔位置（见图3）的设计方法，但这个方法不适合冷却塔布水器的情况，

因为冷却塔横截面积大，布水管的离心力不可忽略。在此需要建立喷孔流量随离心力变化的最佳开孔位

置的计算方法，其优化的依据是让每一小孔喷洒的面积相等，且每一喷孔两边的圆环面积也相等，达到

等面积均匀喷洒。推导如下：

填料塔的平均喷淋密度为L/S。为了计算最佳喷淋密度，把填料表面分成2n个圆环。则第i个喷孔内端圆

环的喷淋密度满足下式：

式中：S —— 冷却塔的内横截面积，m² 。

这是一个高次方程，不能直接求解。用区间对分法来求解。先构造函数。

R_i的取值区间为R_i-1_i< 2>

第1个喷孔的计算方法推导如下：

喷孔外侧圆环面积应该等于喷孔内侧圆环面积。因此有：

3.14（R_i²- R_i-1²）= 3.14（R_i-1²- R_i-2²） i=2，4，…，2n

解出R_i为： R_i = 2R_i-1²- R_i-1-2² i=2，4，…，2n （8）

依次应用（6）、（8）式可计算出所有的喷孔位置。由于计算量大，实际计算要用计算机完成。

用等步长法试算，若（6）式的值<10^-5（接近0），就认为是正确答案。计算步骤：① 由（7）式计算

R₁；② 取R₂= R₁+ 0.001，（等步长）代入（6）式计算；③ 若绝对值|F（R₁）|大于给定误差，则转步骤

④，否则转步骤⑤；④ 取R_i′=R_i+ 0.0001 ，转步骤③继续计算；⑤ 若R_i′为正确答案，打印，由（8）式

计片喷孔外端圆环半径；⑥ 再计算下一孔，设下一孔的初值⑦ R_i+1′=R_i+ 0.0001，代入（6）式计算，然

后转步骤③；⑦ 当R_i>D/2时计算结束。依次可计算出各个喷孔的开孔位置。R_i（i为奇数）与布水管的

轴线的交点就是开孔的位置，见图3。

实际开孔时，在布水管中心两端按顺序一边一个开孔以保持平衡，并使布水管两端的孔与孔之间有一

定距离，不致太密。若孔距仍然很小就增加布水管的个数。

1.6 转速的确定

转速太低会影响布水质量还容易发生停转现象；转速≥40r/min，水滴将向周飞溅。一般以20-30r/min为

宜^[1]。转速由力矩平衡计算确定。具体计算方法参见文献[9]的转速计算部分。

2 应用与比较

为便于比较，取与文献1]中布水器实测数据相同的条件设计布水器。冷却塔的直径为2400mm，冷却水

流量为40m³/h；转速为30r/min。计算结果对比见表3。

表3 文献数据与设计数据对比

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项目	实例值	设计值
喷孔位置	等间距	等圆环面积
喷孔个数	27	52
布水管直径/mm	57	108
布水管的个数	2	3
第2孔的喷淋密度/（m³·m^-2·h^-1）	4.192	2.41
最外端孔的喷淋密度/（m³·m^-2·h^-1）	1.16	2.64
喷淋密度相差比例	3.61	0.94

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文献[1]中的设计方法与笔者的数学模型设计方法相比较，前者喷孔的开孔位置不是优化值；喷孔个数

偏少；布水管的截面积过小，直径仅有0.057mm，优化值为0.108mm；布水管的个数偏少。这些影响了布

水的均匀性，其后果是降低了冷却塔的冷却效果。如果没有数学模型就不可能发现也不可能解决这类问

题，由此可见数学模型的优化作用。

3 结束语

针对冷却塔布水管上端点喷孔的流量比靠这中间喷孔的流量大的现象，笔者认为是离心力产生的结 copyright dedecms

果，通过实测数据的检验，证实了这个解释。在此基础上建立了布水器优化设计数学模型并给出了设计

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步骤，用实例进行了计算比较，这个数学模型特别适合设计直径大转速快的布水器，例如大型凉水塔、

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生物滤池等。需要指出的是设计一个高质量的旋转液体布水器还要考虑其他诸多因素，例如材质的选 dedecms.com

择、加工工艺、力矩的静平衡和动平衡等等，只有各种技术都具有先进性且能完美结合才能得到一个分

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布均匀工作稳定的旋转液体分布器。

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