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冷卻塔基本知識

目錄

1、冷卻塔的作用/

2、冷卻塔的分類

3、各種冷卻塔簡述

4、冷卻塔的設(shè)計與測試

1、冷卻塔的作用 

　　工業(yè)生產(chǎn)或制冷工藝過程中產(chǎn)生的廢熱，一般要用冷卻水來導(dǎo)走。從江、河、湖、海等天然水體中吸取一定量的水作為冷卻水，冷卻工藝設(shè)備吸取廢熱使水溫升高，再排入江、河、湖、海，這種冷卻方式稱為直流冷卻。當(dāng)不具備直流冷卻條件時，則需要用冷卻塔來冷卻。冷卻塔的作用是將挾帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散**氣。

　　如圖 1 所示的火電廠為例，鍋爐回將水加熱成高溫高壓蒸汽；推動汽輪機（2）作功使發(fā)電機（3）發(fā)電。經(jīng)汽輪機作功后的乏汽排入凝汽器（4），與冷卻水進行熱交換凝結(jié)成水，再用水泵打回鍋爐循環(huán)使用。這一熱力循環(huán)過程中；乏汽的廢熱在凝汽器中傳給了冷卻水，使水溫升高．挾帶廢熱的冷卻水，在冷卻塔（5）中將其熱量傳給空氣（6），從塔筒出口排**氣。在冷卻塔內(nèi)冷卻過的水變?yōu)榈蜏厮?，水泵將其再送入凝汽器，循環(huán)使用。前一循環(huán)為鍋爐中水的循環(huán)，后一循環(huán)為冷卻水的循環(huán)、其他工業(yè)部門，如石油、化工、鋼鐵等，也廣泛使用冷卻塔。冷卻塔中水和空氣的熱交換方式之一是，流過水表面的空氣與水直接接觸，通過接觸傳熱和蒸發(fā)散熱，把水中的熱量傳輸給空氣．用這種冷卻方式的稱為濕式冷卻塔（簡稱濕塔）。濕塔的熱交換效率高，水被冷卻的極限溫度為空氣的濕球溫度．但是，水因蒸發(fā)而造成損耗；蒸發(fā)又依循環(huán)的冷卻水含鹽度增加，為了穩(wěn)定水質(zhì)，必須排掉一部分含鹽度較高的水；風(fēng)吹也會造成水的損失。這些水的虧損必須有足夠的新水持續(xù)補充，因此，濕塔需要有補給水的水源。缺水地區(qū)，補充水有困難的情況下；只能采用干式冷卻塔（簡稱干塔或空冷塔）。干塔中空氣與水（也有空氣與乏汽）的熱交換；是通過由金屬管組成的散熱器表面?zhèn)鳠?，將管?nèi)的水或乏汽的熱量傳輸給散熱器外流動的空氣。干塔的熱交換效率比濕塔低，冷卻的極限溫度為空氣的干球溫度。

　　2、冷卻塔的分類

　　目前已經(jīng)被淘汰的冷卻塔型這里不再介紹，現(xiàn)還在使用的塔型，分類如下。

　　A、按通風(fēng)方式分

　　按通風(fēng)方式分有：

　　自然通風(fēng)冷卻塔 

　　機械通風(fēng)冷卻塔 

　　混合通風(fēng)冷卻塔。 

　　B、按熱水和空氣的接觸方式分

　　按熱水和空氣的接觸方式分有：

　　濕式冷卻塔；

　　干式冷卻塔；

　　干濕式冷卻塔。 

　　C、按熱水和空氣的流動方向分

　　按熱水和空氣的流動方向分有：

　　逆流式冷卻塔； 

　　橫流（交流）式冷卻塔； 

　　混流式冷卻塔。 

　　D、其他型式的冷卻塔

　　其他型式有噴流式冷卻塔和用轉(zhuǎn)盤提水冷卻的冷卻塔。

　　3、各種冷卻塔簡述 

　　自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔 

　　自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔在我國電力部門使用最多，見圖12。這種塔型的通風(fēng)筒常采用雙曲線形，用鋼筋混凝土澆制其高度已達170多米。老式的塔筒平面上呈多角形、立面為錐形的，現(xiàn)在已經(jīng)很少用了。

　　如圖所示，熱水由管道通過豎管（豎井）送人熱水分配系統(tǒng)。這種分配系統(tǒng)在平面上呈網(wǎng)狀布置，分槽式布水、管式布水或槽管結(jié)合布水；然后通過噴濺設(shè)備，將水灑到填料上；經(jīng)填料后成雨狀落人蓄水池，冷卻后的水抽走重新使用．塔筒底部為進風(fēng)口，用人字柱或交叉柱支承。空氣從進風(fēng)口進人塔體．穿過填料下的雨區(qū)，和熱水流動成相反方向流過填料（故稱逆流式），通過收水器回收空氣中的水滴后．再從塔街出口排出．塔外冷空氣進人冷卻塔后，吸收由熱水蒸發(fā)和接觸散失的熱量，溫度增加，濕度變大，密度變?。虼耍账饕陨系目諝饨?jīng)常是飽和或接近飽和狀態(tài)；其溫度要通過計算確定，初步設(shè)計時，可取為冷卻塔進、出水溫的平均值。塔外空氣溫度低、濕度小、密度大。由于塔內(nèi)、外空氣密度差異在進風(fēng)口內(nèi)外產(chǎn)生壓差。致使塔外空氣源源不斷地流進塔內(nèi)而無需通風(fēng)機械提供動力，故稱為自然通風(fēng)。

　　為滿足熱水冷卻需要的空氣流量，塔內(nèi)、外要有足夠的壓差，但塔內(nèi)、外空氣密度差是有限的，因此自然通風(fēng)冷卻塔必須建造一個高大的塔筒。填料斷面氣流速度一般為1.0～1.2m／s，比機械通風(fēng)冷卻塔氣流速度要小。逆流方式冷卻效果高，但通氣阻力相對也大，所以填料體積小。填料有點滴式和薄膜式之分，現(xiàn)在大多采用薄膜式填料。

　　這種填料的特點是，水淋過填料時，水的表面積比較固定；在水量增大時其表面積沒有多大變化，所以其淋水密度不宜太大，一般采用6～8（t／（Mh））。在高溫、高濕地區(qū)，氣壓較低，形成同樣的過塔氣量，需要更高的塔簡，所以對建造這種塔不利。自然通風(fēng)濕式冷卻塔建造費用高，運行費用低，隨著國際上石油價格的提高，機械運行費用相應(yīng)增加，自然通風(fēng)冷卻塔就顯得更經(jīng)濟，因而被采用的愈來愈多了。

　　自然通風(fēng)橫流濕式冷卻塔 

　　這種塔的填料設(shè)置在塔簡外，如圖3所示。熱水通過上水管，流人配水池，他底設(shè)布水孔，孔距約50CM，下連噴嘴，將熱水灑到填料上冷卻后，進入塔底水池，抽走重復(fù)使用?？諝鈴倪M風(fēng)口水平向穿過填料，與水流方向正交，故稱橫流式或交流式?？諝獬鎏盍虾?，通過收水器，從塔街出口排出。在冷卻方式中；逆流式效率最高，順流式效率最差，橫流式居中。由于橫流冷卻方式效率比逆流式差，所以需要比逆流式大的填料體積，但通氣阻力較小，因此淋水密度可以加大到15～2Ot／（M?h）。橫流塔若采用薄膜式填料，則因耗材料太多而增加了塔的造價，所以現(xiàn)在多采用點滴式填料。使用點滴式填料的另一個好處是，淋水表面在大水量時有較大的增加，相應(yīng)地提高了冷卻效果。這種塔的塔筒內(nèi)是空的，氣流速度可以高一些，因此塔筒宜徑可以比同客量的逆流塔小，相應(yīng)降低了造價。

　　這種增施工場地不互相干擾，有利于施工。運行管理方便，但防冰凍性能不如逆流培，總造價一般比逆流塔低，但運行費用高。

　　輔助通風(fēng)冷卻塔 

　　囹4是一種自然通風(fēng)和機械通風(fēng)共同作用的冷卻塔在自然通風(fēng)逆流式冷卻塔底部，加裝鼓風(fēng)機以輔助塔簡通風(fēng)。瑞舍吉-?考垂（R＿Cottrell）公司設(shè)計的這種塔，高度為同容量自然通風(fēng)速流塔的1／2，底部直徑為其2／3，負荷小時可以不開風(fēng)機。

　　英國因斯“B”（Ince B）電廠1000MW機組的輔助通風(fēng)冷卻塔，見圖5，塔筒高116．4m，底部直徑93．5M，出口直徑53m，填料像橫流式冷卻塔一樣，放在塔簡外邊，35個軸流風(fēng)機布置在塔簡和填料之間，風(fēng)機直徑7．9m。填料高13m，進深6m。此塔冷效相當(dāng)于3個同尺寸的自然通風(fēng)冷卻塔，而造價較自然通風(fēng)塔低15％，但加上30年運行費就不便宜了。

機力通風(fēng)濕式冷卻塔 

　　機械通風(fēng)濕式逆流冷卻塔分鼓風(fēng)式和抽風(fēng)式兩種。鼓風(fēng)式塔從塔底部進風(fēng)口用風(fēng)機向塔內(nèi)鼓風(fēng)，現(xiàn)使用不多，其原理同抽風(fēng)式，不再介紹。抽風(fēng)式塔如圖6所示，較大型的機械通風(fēng)逆流式冷卻塔,一般是多座（格）塔連成一排，每格塔成正方形或矩形，從兩面進風(fēng)。只有在單個塔時才作成圓形，如一些較小型（水量小于 1000T／h）的玻璃鋼冷卻塔。

　　熱水通過上水管進入冷卻塔，通過槽式或管式配水系統(tǒng)，使熱水沿塔平面成網(wǎng)狀均勻分布，然后通過噴嘴，將熱水灑到填料上，穿過填料，成雨狀通過空氣分配區(qū)（雨區(qū)），落入塔底水池，變成冷卻后的水待重復(fù)使用。空氣從進風(fēng)口進入塔內(nèi)，穿過填料下的雨區(qū)、與熱水成相反方向（逆流）穿過填料、通過收水器、抽風(fēng)機、從風(fēng)筒排出。淋水密度一般為q=12～15t／（mh）。過大的淋水密度，尤其在使用薄膜式填料時，會引起阻塞現(xiàn)象、氣流阻力突然急劇增加。通過填料斷面的風(fēng)速V=2．2～3．0M／S。風(fēng)速也不宜太大，不然會帶來大的風(fēng)吹損失及阻力。 2. 8M／s風(fēng)速會將直徑0.5mm，相當(dāng)于小斜雨的水滴吹走，薄膜式填料風(fēng)速可以大一些，點滴式填料則風(fēng)速應(yīng)小一些。進風(fēng)口面積和填料斷面面積之比取0．5～0．6為宜。

　機械進風(fēng)橫流濕式冷卻塔 

　　機械通風(fēng)橫流濕式冷卻塔（圖7）的主要原理和自然通風(fēng)橫流式冷卻塔一樣，只是用風(fēng)機來通風(fēng)，因此風(fēng)速可以高一些，一般填料斷面風(fēng)速取v=2.2～3.0m／s。配水用盤式，為了保證水深比較均勻，配水盤可以分幾格，盤底打孔，裝噴嘴將熱水灑向填料，然后流人底部水池。淋水密度大者可達20—50t／（m?h）。填料傾斜安裝。以保證運行時水不灑到填料外。對點滴式填料，傾角用 9～11，薄膜式填料傾角用5～6。填料高度和深度比值取2～2.5。進風(fēng)口安裝百葉窗、葉片面與水平夾角取45～60。

　　多風(fēng)機混式冷卻塔 

　　多風(fēng)機冷卻塔即一座塔上安裝多臺風(fēng)機，如圖所示為一座多風(fēng)機橫流式冷卻塔，也可以用于逆流式。塔平面形狀一般為圓形，也可以是長方形。其原理與單風(fēng)機塔相同。這種塔的優(yōu)點是，占地小，投資少，包括低的建筑費用及管理費用。風(fēng)機之間對熱羽流有相互促進作用，因而羽流上升高度大、不易形成熱空氣向進風(fēng)口回流。由于風(fēng)機的互相干擾、總的抽風(fēng)量減小。

　　干式冷卻塔 

　　干式冷卻難的熱水在散熱翅管內(nèi)流動，靠與管外空氣的溫差，形成接觸傳熱而冷卻。所以干式冷卻塔的特點是：

　?、贈]有水的蒸發(fā)損失，也無風(fēng)吹和排污損失，所以干式冷卻塔適合于缺水地區(qū)，如我國的北方地區(qū)。因為沒有蒸發(fā)，所以也沒有但空氣從冷卻塔出口排出所造成的污染。

　?、谒睦鋮s靠接觸傳熱，冷卻極限為空氣的干球溫度效率低，冷卻水溫高。

　?、坌枰罅康慕饘俟埽ㄤX管或鋼管），因此造價為同容量濕式塔的4～6倍。因干式冷卻塔有后兩點不利因素，所以在有條件的地區(qū)，應(yīng)盡量采用濕塔。干塔可以用自然通風(fēng)，也可以用機械通風(fēng)。以火電廠常用的干式冷卻塔為例，分為間接冷卻和直接冷卻兩類。間接冷卻是指用冷卻塔中冷卻后的水，送往凝汽器中冷卻由汽輪機井出的乏汽。直接冷卻是指不用凝汽器，將汽輪機排出的乏汽，用管道引人冷卻塔直接冷卻，變?yōu)槟Y(jié)水，用水泵送回鍋爐重復(fù)使用。

　　圖9所示為海勒（Heller）系統(tǒng)間接空冷干式自然通風(fēng)冷卻塔。它的特點是使用噴射式凝汽器，汽輪機排出的乏汽與從冷卻塔來的冷水，在凝汽器內(nèi)直接混合，因此端差很小?；旌虾蟮乃?，約2％送回鍋爐，其余的水送到冷卻塔冷卻。因冷卻水和鍋爐水為同一種水，所以對水質(zhì)要求高。另外一個特點是，經(jīng)冷卻塔冷卻后的水仍有較大的余壓，在送人凝汽器以前，先用小型水輪發(fā)電機口收能量。

　　圖9所示的散熱器放在塔簡的外邊，類似濕式橫流塔。散熱器也可以像濕式逆流塔一樣放在塔筒里面，但為了排走散熱器中的水，散熱器不是完全水平布置，而有一定的坡度。另外一種間接空冷塔，使用表面式凝汽器，乏汽和冷卻水互不相混。

　　散熱器用翅片管或螺紋管，材質(zhì)為鋼或鋁。管斷面為橢圓形或圓形。

　　直接空冷塔如圖10所示。從汽輪機排出的乏汽，通過管道直接送入冷卻塔內(nèi)的散熱管，用風(fēng)機通風(fēng)冷卻成凝結(jié)水，不要凝汽器，所以稱直接空冷。因為是將蒸汽直接送人散熱管，而不像間接空冷送人冷卻塔的是熱水、因蒸汽體積比水大得多，所以送汽管特別粗，直徑約為間接空冷的三倍多。另外，輸汽管道不能漏汽，不然就會直接影響汽輪機真空，降低出力。

干濕式冷卻塔 

　　這種塔為濕式塔和干式塔的結(jié)合，如圖11所示，干部 在上、濕部在下。也有的塔四面進風(fēng)，相對兩邊為濕部；另外兩邊為干部。采用這種塔的目的，部分是為了省水，但大多數(shù)是為了消除從塔出口排出的飽和空氣的凝結(jié)，因而造成塔周圍的污染。圖12為德國某電站的干濕式冷卻塔。

　　如圖11所示，從塔下部濕段排出的濕空氣，在同塔周圍的冷空氣接觸后，即變成過飽和的空氣而凝結(jié)，形成霧，造成污染。如果像圖中那樣，塔上部用干段，則由塔下部濕段排出的飽和濕空氣，流經(jīng)干段時，會被加熱而變成不飽和的空氣，因而出塔后不會凝結(jié)。

　　如圖13所示為干濕式塔的排放空氣狀態(tài)變化情況的示例。圖中彎曲線為相對濕度。①為塔周圍大氣狀態(tài)。

　　②為濕塔時，從塔出口排出的濕空氣狀態(tài)，由于過飽和，水蒸氣凝結(jié)形成霧。

　?、蹫楦蓾袷剿?，濕段出口的空氣狀態(tài)。

　?、転楦啥魏蟮目諝鉅顟B(tài)。

　　可以看出，從①變到④時，空氣含濕量不變，只是溫度升高。然后與從溫段來的空氣混合，變?yōu)闋顟B(tài)⑤，從塔出口排出。相對周圍空氣狀態(tài)。⑤點空氣狀態(tài)處在非飽和區(qū)，所以從干濕式塔排出的濕空氣不會結(jié)霧，這就是加干段的作用。干段水量一般為總水量的20％～25％。

　噴射型的冷卻塔 

　　圖14為一種噴流式冷卻塔。為美國貝爾其莫爾?艾爾科伊爾（Baitore Airced）公司所設(shè)計。熱水通過壓力噴嘴噴向塔內(nèi)，成為散開的噴流體，同時將大量空氣帶入塔內(nèi)，熱水通過蒸發(fā)和接觸傳熱將熱量傳給空氣，冷卻后的水落人集水池，空氣通過收水器后排出。這種塔不用填料和風(fēng)機，因而沒有風(fēng)機噪聲。處理水量可從每小時幾噸到幾百噸。

5、冷卻塔的設(shè)計與測試

冷卻塔是工業(yè)生產(chǎn)的輔助設(shè)備，是為工藝設(shè)備服務(wù)的。這就決定了冷卻塔的大小、型式及部件的組成必須適應(yīng)水系統(tǒng)的要求和特點，也只有這樣，設(shè)計出的冷卻塔才有其經(jīng)濟及運行的合理性。

冷卻塔服務(wù)的工藝設(shè)備各行業(yè)有所不同，現(xiàn)在從工藝設(shè)備的差異來看冷卻塔的合理變化。民用冷卻塔所服務(wù)的對象都是制冷機，它要求冷卻塔的水溫是相同的，即：進塔水溫37℃，出塔水溫32℃。所不同的是：制冷機的容量不同，不同的容量配不同大小水量的冷卻塔，民用塔的冷卻水量與其它工業(yè)冷卻水量相比較小。這就決定了民用塔可以做成標準型塔，為提高效益，民用塔的適用氣溫分成了兩個檔次，即：南方設(shè)計氣溫按濕球溫度為28℃；北方按濕球溫度為27℃。

電力行業(yè)的工藝設(shè)備都是汽輪機，它對冷卻塔的水溫要求都是按夏季90%保證率時，出塔水溫不超出33℃，水溫差因地因機組有所不同。與民用塔相比它的冷卻水量大的多，這就決定了不同的發(fā)電機組配套不同大小的冷卻塔，同一機組在不同地理位置配的冷卻塔的大小也應(yīng)不同。以常用的200MW機為例，其冷卻水量為36000t/h左右，在北京地區(qū)(濕球溫度為：24.4℃)配4500平方米自然通風(fēng)冷卻塔。同樣的機組在山西的大同(濕球溫度為：19.0℃)需配用塔的淋水面積僅需3000平方米。山西和北京都地處北方，若僅按民用塔的劃分標準，大同就要多投入1500平方米的冷卻塔投資。

而冶金、石油、石油化工以及其它工業(yè)領(lǐng)域的工藝設(shè)備千差萬別，其不僅對水溫的要求差別較大，而所需冷卻水量的大小也都各不一樣。

因此，只有針對不同的工藝系統(tǒng)特點，進行該系統(tǒng)的冷卻塔的量體裁衣式的非標設(shè)計，哪怕是個別部件的非標設(shè)計才是合理的、經(jīng)濟的。

上述情況是從不同的工藝系統(tǒng)來認識冷卻塔非標設(shè)計的必要性的，另一方面結(jié)合我國的國情，新建項目減少，改造項目卻增多，這時地皮的占用的多少也越來越被重視。有許多工程項目的冷卻塔在總圖上不易找到位置，對于這種情況，冷卻塔必須服從總圖的要求，同時還要完成冷卻任務(wù)。這種情況下，冷卻塔必須根據(jù)現(xiàn)埸的地形進行非標設(shè)計來滿足工藝和地形的要求。

冷卻塔的工藝設(shè)計關(guān)鍵是緊抓主要矛盾 近年來大家都較注重冷卻塔填料的高效質(zhì)輕，因此，塑料淋水填料有較大的發(fā)展，很多單位開發(fā)出了多種不同的塑料淋水填料，一種比一種散熱效果好。在冷卻塔的設(shè)計時，設(shè)計人員都選用熱力特性高的淋水填料，而其它一些散熱性能差的塑料或其它材質(zhì)的淋水填料受到了冷落。這種作法是對的，但不全面，而在有些情況下是錯誤的。

冷卻塔整塔設(shè)計：根據(jù)工程的工期、水量、水溫、埸地條件及水質(zhì)情況，在塔的總體設(shè)計上需要作如下的考慮：

A、冷卻塔的基本結(jié)構(gòu)采用砼結(jié)構(gòu)放置在地面上，這樣塔的基本結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)固結(jié)實并且維護方便。

B、冷卻塔的配水誼采用槽管結(jié)合的方式，這樣可以減小冷卻塔的塔內(nèi)進風(fēng)阻力，使風(fēng)機的效能發(fā)揮更好，因而整塔冷效提高。

C、風(fēng)機直徑要有所增大，從而改善塔內(nèi)的風(fēng)速分布情況，提高了塔的冷效。

D、由于有以上總體設(shè)計的幾方面改進，塔的平面尺寸比常用的風(fēng)機直徑的砼塔有所減小。這樣節(jié)省了占地同時減小了造價。

爐體水系統(tǒng)冷卻塔塔芯設(shè)計

爐體水系統(tǒng)的特點是：爐體水系統(tǒng)為凈水系統(tǒng)，水質(zhì)相對較好，另一方面，水溫的要求比較高。

根據(jù)這個特點塔的填料、淋水及收水作如下選擇。這個水系統(tǒng)的主要矛盾是散熱。

A、填料：填料采用質(zhì)輕高效的PVC填料。這種填料的熱力阻力綜合性能好，它的結(jié)構(gòu)剛度也強。常期使用可以不變型，從而能長期保持其性能。

B、噴頭：選用多層流噴頭。目前常用的噴頭是反射三型噴頭，該噴頭的配水比較均勻，但它的缺點是下面的濺水盤易掉，造成配水不均。故需對反射三型噴頭進行改進，研制多層流噴頭。

C、收水器：選用常用的波160-45填料。

水沖渣水系統(tǒng)冷卻塔塔芯設(shè)計：水沖渣系統(tǒng)的冷卻水特點：熱水溫度高達70℃、水質(zhì)是有鐵渣的濁水。這個水系統(tǒng)主要矛盾是水溫高，而出塔水溫要求低。

冷卻塔的測試目的:冷卻塔的測試目的有兩個，一是考核冷卻塔是否達到設(shè)計能力，是反應(yīng)供貨商對用戶是否提供了性能合格的冷卻塔，稱為考核測試；二是通過測試得到塔的熱力特性，積累實測資料，服務(wù)設(shè)計，提高設(shè)計水平，稱為性能測試。

冷卻塔測試的幾個必須測試參數(shù):無論是冷卻塔的考核測試還是冷卻塔的性能測試以下參數(shù)是必須測試的:冷卻塔的水量、進塔空氣的干濕球溫度、大氣壓、進出塔的水溫。

測試上述幾個參數(shù)一般可以回答，冷卻塔能否達到設(shè)計能力。隨著冷卻塔技術(shù)的不斷完善，冷卻塔的供貨商應(yīng)能提供精度相對較高的冷卻塔運行曲線簇。通過測試上述幾個參數(shù)與運行曲線作比較，即可回答冷卻塔是否達到設(shè)計要求。