摘要

針對(duì)冷卻塔中螺旋結(jié)構(gòu)類(lèi)型的氣液交換塔，提出其內(nèi)部螺旋塔板形狀的設(shè)計(jì)方法，包括塔壁上外螺旋線和塔中心軸管上內(nèi)螺旋線的位置確定，以及兩線之間螺旋曲面板在平面上的拓?fù)涑叽纭Ｍㄟ^(guò)塔的幾何參數(shù)確定螺旋曲面板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)扭曲狀塔板與塔壁及內(nèi)軸的準(zhǔn)確配合。

1　前言

目前在化工、環(huán)保、節(jié)能等領(lǐng)域都大量采用冷卻塔完成換熱、傳質(zhì)等功能，除了篩板塔、填料塔等，還部分采用了內(nèi)部具有螺旋結(jié)構(gòu)的氣液交換塔，其外形如圖 1 所示?；驹硎且后w從塔頂部向下噴淋，通過(guò)每個(gè)塔板擋水沿邊積在螺旋曲面板上，所積液體又從螺旋塔板上的許多小孔向下一塔節(jié)流動(dòng)（見(jiàn)圖 2），在氣體經(jīng)過(guò)的螺旋通道中形成液體雨簾；氣體從塔底沿螺旋通道向上運(yùn)動(dòng)，并與從孔洞流下的雨簾傳質(zhì)換熱，實(shí)現(xiàn)有效的熱交換過(guò)程和有害氣體吸收過(guò)程。

1 -進(jìn)煙口；2 -螺旋塔節(jié)；3 -噴液管；4 -排煙口

圖1　螺旋塔整體結(jié)構(gòu)圖

圖2　1/12 圓周螺旋曲面板的拓?fù)湫螤钆c俯視投影圖

由于螺旋結(jié)構(gòu)可以有效增加氣液換熱時(shí)間，并通過(guò)板上一定數(shù)量的小孔保證較大的換熱傳質(zhì)面積，而且螺旋板對(duì)塔體還起到穩(wěn)定塔身的力學(xué)效果。另外，螺旋塔為單通道，清洗方便，由于自旋離心作用，不易發(fā)生沉降結(jié)垢堵塞。因此，螺旋結(jié)構(gòu)的冷卻塔應(yīng)用范圍逐漸增加，并部分替代其他冷卻塔型。

不過(guò)，在實(shí)際應(yīng)用中存在由于螺旋塔板設(shè)計(jì)不夠合理而產(chǎn)生的問(wèn)題，一是某些塔板的平面板下料尺寸按塔的圓柱截面設(shè)計(jì)內(nèi)圓徑與外圓徑，導(dǎo)致螺旋邊配合困難，加工人員焊接塔板時(shí)，或磨邊或補(bǔ)邊；二是塔板沒(méi)按螺旋線形成光滑曲面，而是階梯狀平面拼接成螺旋上升通道，結(jié)果塔內(nèi)阻力上升，提高風(fēng)機(jī)配置要求和能耗；三是沒(méi)能準(zhǔn)確定型螺旋板形狀，導(dǎo)致強(qiáng)制扭曲的螺旋塔板在塔內(nèi)長(zhǎng)期受彈性力作用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)期后在薄弱環(huán)節(jié)（如焊邊、孔眼等）產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重的甚至一年時(shí)間就出現(xiàn)脫落掉板現(xiàn)象。

為此，需要通過(guò)數(shù)學(xué)分析，明確螺旋線的位置與螺旋板的模具形狀，以使螺旋塔加工難度降低，螺旋通道氣體流通阻力較小，確保塔身應(yīng)力分布合理，延長(zhǎng)螺旋冷卻塔的使用壽命。

2　螺旋線的位置

冷卻塔螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有 3 個(gè)要素，即內(nèi)螺旋線、外螺旋線和螺旋板，其中內(nèi)外螺旋線較容易確定。

設(shè)螺旋線上所有點(diǎn)的集合用L（r，θ，z）表示，其中 r 表示圓筒（塔節(jié)外壁或內(nèi)軸管）的半徑，θ 表示旋轉(zhuǎn)角度，z表示距離底面高度（參考圖 3）。若單個(gè)旋轉(zhuǎn)一周的塔節(jié)對(duì)應(yīng)高度是h，那么對(duì)于圓的任一位置 θ，對(duì)應(yīng)點(diǎn)在圓筒表面上的高度z為

根據(jù)算式（1），可以算出螺旋線在圓筒面的位置，如表 1 數(shù)據(jù)所示。

表1　螺旋線在圓筒面不同角度方向的高度坐標(biāo)

在同一塔節(jié)內(nèi)，由于內(nèi)外螺旋線在相同 θ 位置的高度z一樣，而塔節(jié)外壁與內(nèi)軸管各自對(duì)應(yīng)的圓半徑不同；因而兩條螺旋線盡管在相同角度 θ 位置上對(duì)應(yīng)點(diǎn)等高，其連線平行于水平面，但因兩螺旋線傾斜角度不相等（即圓筒展開(kāi)平面的對(duì)角線斜率不相等），所以螺旋板曲面上任兩條徑向線都不在一個(gè)平面內(nèi)，顯然該塔板是由無(wú)數(shù)異面曲線組成的扭曲的曲面板，參見(jiàn)圖 3。

圖3　沿圓周 12 等分的單個(gè)螺旋曲面板三維外形

實(shí)際制作螺旋線時(shí)，其實(shí)它就是內(nèi)外筒在卷筒前，位于矩形平面狀原料板上的兩條對(duì)角線。假定一個(gè)矩形平面板，如圖 4 所示，在其上面畫(huà)一條對(duì)角線，將此平面卷成圓筒，則此對(duì)角線即成一條旋轉(zhuǎn)360°的螺旋線。同理，內(nèi)軸表面的螺旋線也是同樣的確定方法。

圖4　在展開(kāi)平面板上繪制對(duì)角線卷成柱面就成為螺旋線

而對(duì)角線的總長(zhǎng)度l就等于

但在確定內(nèi)外螺旋線時(shí)，還應(yīng)注意塔壁內(nèi)表面的螺旋線和內(nèi)軸外表面的螺旋線應(yīng)沿相反方向繪制。這樣才能保證卷好筒后，接塔板時(shí)兩螺旋線都是左手螺旋或都是右手螺旋。

除了平板繪制螺旋線外，當(dāng)直接采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓筒或圓管而無(wú)需卷筒時(shí)，就需要在圓筒內(nèi)表面或內(nèi)軸外表面繪制螺旋線。實(shí)際制作中，可以n等分圓柱的 360° 周長(zhǎng)，計(jì)算單個(gè)扇形弦長(zhǎng)，再用等于該弦長(zhǎng)的繩及直尺沿圓周在圓筒表面畫(huà)n條平行于軸線的直線，分割其表面為n等分，再按單個(gè)塔板在空間垂直方向上的高度h/n，沿塔壁筒體或內(nèi)軸管道長(zhǎng)度方向等分若干。連接兩組正交線的交點(diǎn)所形成的曲面上斜線就是對(duì)應(yīng)螺旋塔板的外或內(nèi)螺旋邊線。

3　曲面塔板在平面上的下料形狀

由于螺旋塔板是圓環(huán)面在空間的拓?fù)?，其形狀的確定需要考慮環(huán)形板內(nèi)外弧線和空間角度的變化。即螺旋曲面板投影在平面上是圓環(huán)面，但制作時(shí)在平面板材上的下料尺寸和圓環(huán)面的內(nèi)外徑長(zhǎng)度是不相同的，且拓?fù)浣嵌纫膊皇菆A環(huán)面的 360°。

如果將每個(gè)塔節(jié)內(nèi)，沿整個(gè)圓周 360° 的螺旋板分為n個(gè)等分扇形塔板，那么每個(gè)塔板拓?fù)湓谄矫嫔系膬?nèi)外弧線長(zhǎng)度（參見(jiàn)圖 4 中對(duì)角線）分別為

內(nèi)弧線長(zhǎng)度

外弧線長(zhǎng)度

同時(shí)可以確定，單個(gè)螺旋面塔板在塔節(jié)內(nèi)的垂直高度方向上的距離為z=h/n。

假設(shè)單個(gè)螺旋曲面板的拓?fù)湓谄矫嫔系慕嵌葹?φ，外壁與內(nèi)筒半徑相差距離為 Δr（即投影圓環(huán)面環(huán)徑的大?。?，那么將此單個(gè)螺旋曲面板展開(kāi)在平面上時(shí)，其形狀尺寸計(jì)算方程組如下：

由以上 3 個(gè)方程可求解出螺旋曲面板拓?fù)湓谄矫姘迳系慕嵌?φ、內(nèi)弧半徑和外弧半徑R，由此可得出其在平板上的下料形狀。

以某螺旋塔的設(shè)計(jì)為例，塔節(jié)高度為 1.2 m，外筒壁直徑

為 1.54 m，內(nèi)軸管直徑

    為 0.2 m 且單個(gè)塔節(jié)的塔板分為 12 等分。

那么單個(gè)塔板對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度 30°（投影角度），在垂直方向上的高度為 1.2/12 =0.1 m；

塔板投影內(nèi)弧線長(zhǎng)度為

π· 0.2 /12 = 0.052 4 m，

內(nèi)弧線長(zhǎng)度按計(jì)算式（3）

塔板投影外弧線長(zhǎng)度為

π· 1.54 /12 = 0.403 2 m，

外弧線長(zhǎng)度按計(jì)算式（4）

而外壁與內(nèi)軸半徑相差距離

Δr =（ 1.54 – 0.2 ） / 2 = 0.67 m

將ln，Ln，Δr 代入方程組（5），得

解方程組得 φ =25°8′7″，=0.25 m，=0.92 m，由此 3 個(gè)參數(shù)可以畫(huà)出 1/12 圓周的螺旋曲面板形狀，扇形環(huán)角度 25.87°（對(duì)應(yīng)平面投影角度30°），扇形環(huán)內(nèi)半徑 0.25 m，外半徑 0.92 m，而不是原來(lái)的內(nèi)半徑 0.1 m 和外半徑 0.77 m。1/12 圓周螺旋曲面板拓?fù)湓谄矫嫔系南铝闲螤钆c其在空間中投影的形狀如圖 2 所示。

根據(jù)實(shí)際制作結(jié)果，兩螺旋邊與內(nèi)外螺旋線結(jié)合得非常準(zhǔn)確。

4　結(jié)語(yǔ)

螺旋結(jié)構(gòu)的冷卻塔在實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越多，尤其在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，某些技術(shù)公司還將其作為主體技術(shù)來(lái)采用。在實(shí)際制作過(guò)程中，需要注意螺旋線的準(zhǔn)確定位，科學(xué)計(jì)算螺旋塔板的平面拓?fù)湫螤睢?/p>

在實(shí)際制作過(guò)程中，單個(gè)螺旋板在焊接時(shí)需要先焊定塔板下沿邊線兩個(gè)點(diǎn)，再焊接好內(nèi)螺旋邊，然后壓外螺旋邊，壓一點(diǎn)焊一點(diǎn)直至焊滿整條邊。焊接時(shí)需防止塔板中間段凸起。如果預(yù)先制作螺旋塔板模具，對(duì)塔板曲面定型，則焊接就相當(dāng)省事。當(dāng)然，一個(gè)模具只能對(duì)應(yīng)一種尺寸，當(dāng)塔的內(nèi)外徑變化時(shí)，該模具曲面也要改變。因此在實(shí)際制作時(shí)，必須根據(jù)某尺寸塔型的需求量進(jìn)行效益核算，評(píng)估是否有制作專(zhuān)門(mén)模具的必要。同時(shí)，所制作塔節(jié)外壁要盡可能滾圓（否則影響塔板焊接），所制作各部分外徑需保持一致，避免因誤差大而導(dǎo)致筒壁焊成整體時(shí)難以配合。

來(lái)源：中國(guó)工程科學(xué)

本文標(biāo)題：螺旋結(jié)構(gòu)冷卻塔的塔板設(shè)計(jì)方法

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