冷却水系统中的冷却塔分析与优化

冷却塔作用是利用空气的流动，将冷却水部分汽化，带走冷却水中的一部分热量，而使水温下降得到冷却的专用的冷却水散热设备。在制冷设备工作过程中，从制冷机的冷凝器中排出的高温冷却循环水通过水泵送入冷却塔，依靠水和空气在冷却塔中的热湿交换，使其降温冷却后循环使用。按我国行业的不同分类方法，冷却塔可分为如下几种类型。

（一）冷却塔的技术术语

1.冷却度　水流经冷却塔前后的温差。它等于进入冷却塔的热水与离开冷却塔的冷水之间的温度差。

2.冷却幅度　冷却塔出水温度同环境空气湿球温度之差。

3.热负荷　冷却塔每小时“排放”的热量值。热负荷等于循环水量乘以冷却度。

4.冷却塔压头　冷却水由塔底提升到顶部并达到喷嘴所需要的压力。

5.漂损　水以细小的液滴形式混杂在循环空气中而造成的少量损失。

6.泄放　连续或间接地排放少量循环水，以防止水中化学致锈物质的形成和浓缩。

7.补给　为替补蒸发、漂损和泄放所需补充水量。

8.填料　冷却塔内使空气和水同时通过并得到充分接触的填充物，有膜式、片式、松散式、飞溅式填料之分。

9.水垢抑制剂　为防止或减少在冷却塔中形成硬水垢而添加在水中的化学物质，常用的有磷酸盐、无机盐、有机酸等。

10.防藻剂　为抑制在冷却塔中生成藻类植物而添加在水中的化学物质，常用的有氯、氯化苯酚等。

（二）自然通风冷却塔的特点

开放式冷却塔中的水被冷却的条件与喷水冷却池相似，冷却效果主要取决于风力和风向，适用于气候干燥，有较大和稳定的风速的场合。

开放点滴式冷却塔由于有淋水装置，冷却能力比开放式冷却塔高，冷却水量在500m³/H以下。

塔式（风筒式）冷却塔中水的冷却是靠塔内外空气密度差所造成的通风抽力进行水与空气的热湿交换达到的，其效果较为稳定。

图2-2 机械通风逆流式冷却塔的典型结构

1—电动机 2—梯子 3—进水立管 4—外壳 5—进风网 6—集水盘 7—进出水管接头 8—支架 9—填料 10—旋转配水器 11—挡水板 12—风机叶片

（三）机械通风冷却塔的特点

机械通风式冷却塔是依靠风机强迫通风使水冷却的冷却塔。它可分为顺流式和逆流式两种，应用最多的是逆流式冷却塔。机械通风逆流式冷却塔的典型结构如图2-2所示。

逆流式冷却塔主要由塔体、风机叶片、电动机和风叶减速器、旋转配水器、淋水装置、填料、进出水管和塔体支架等组成。塔体一般由上、中、下塔体及进风百叶窗组成。塔体材料为玻璃钢。风机为立式全封闭防水电动机，圆形冷却塔的风叶直接装于电动机轴端。而对于大型冷却塔风叶则采用减速装置驱动，以实现风叶平稳运转。布水器一般为旋转式，利用水的反冲力自动旋转布水，使水均匀地向下喷洒，与向上或横向流动的气流充分接触。大型冷却塔为了布水均匀和旋转灵活，布水器的转轴上安装有轴承。

逆流式冷却塔冷却塔的填料多采用改性聚氯乙烯或聚丙烯等，当冷却水温达80℃以上时，则采用铅皮或玻璃钢填料。

1.冷却塔的淋水装置　淋水装置也叫冷却填料。进入冷却塔的冷却水流经填料后，溅散成细小的水滴形成水膜，增加水和空气接触的时间，使水与空气更充分地进行热交换，降低冷却水水温。

淋水装置可由不同材料制成不同断面形状，并以不同方式排列。淋水装置按照水喷洒在冷却填料表面所形成的冷却表面形式可分为点滴式、薄膜式和点滴薄膜式三种。

（1）点滴式淋水装置。它是将矩形或三角形的木材、竹材，水泥格网板及塑料板条，按照一定的间距排列成水平布置或倾斜布置的各种形式，冷却水从上层板条落在下层板条上，大水滴被溅散成许多小水滴，增加水滴的散热面积，使水温降低。

点滴式淋水装置中板条的排列形式有倾斜式、棋盘式等，如图2-3所示。

图2-3 点滴式淋水装置中板条的排列形式

（2）薄膜式淋水装置。目前采用较多的有格网板、蜂窝、点波和斜交错等形式，其散热以水膜为主。

1）格网板淋水装置。一般常用于大型冷却塔，多采用铅丝水泥格网板或用3mm塑料板插制的格网板，图2-4所示为采用铅丝水泥制作的格网板。

2）蜂窝淋水装置。蜂窝淋水装置填料的式样如图2-5所示。其蜂窝淋水填料是用浸渍绝缘纸由酚醛树脂粘接成纸芯，经张拉、浸树脂、烘干固化，做成蜂窝状的淋水板块。

图2-4 铅丝水泥格网板

3）点波淋水装置。其点波片是由0.3～0.5mm厚的塑料硬片压制成凹凸波浪状，用铜丝正反串联或粘结成多层的空心体。其上下左右均可相互沟通，使其与冷却水的热交换比较充分，冷却效果较好。

4）斜交错淋水装置。斜波交错填料的构造如图2-6所示。

图2-5 蜂窝淋水填料

图2-6 斜波交错填料(www.xing528.com)

斜波交错填料的淋水片是由厚度为0.4mm左右的塑料硬片压制成波纹倾斜瓦楞板状，然后将30～60片为一组捆成一捆，填充在淋水装置内。相邻两片的波纹反向组装，形成斜交错状波纹。水流在相邻两片的棱背接触点上均匀地分成两股，自上而下多次接触再分配，充分扩散到各个表面，增大散热效果。

（3）点滴薄膜式淋水装置。它是由点滴式和薄膜式两种淋水装置组合的新型淋水装置。一般冷却塔的上部为点滴式，下部为薄膜式，这可使配水均匀，冷却效率提高。

2.冷却塔配水装置　配水装置的作用是把冷却水均匀地分配到淋水装置的整个淋水面积上。配水装置有管式、槽式和池式三种。

（1）管式布水器。管式配水装置又有固地布水和旋转布水两种类型。

1）固地管式布水器。这种布水器的布水管一般布置成树枝状和环状，布水支管上装有喷头。喷头前的水压一般控制在0.04～0.07mPa，如水压过低，会使喷水不均匀，反之则消耗过多的能量。

2）旋转管式布水器。旋转管式布水系统如图2-7所示。

这种布水器的进水管从冷却塔底部伸至淋水装置，在管口安装旋转布水管，靠喷头的反作用力来推动一组管子环绕中心轴旋转，并喷洒水滴至淋水装置的配水器上。旋转管式布水器适用于圆形冷却塔。

（2）槽式配水器。槽式配水器由配水槽、溅水喷嘴和溢水管等组成，其配水系统如图2-8所示。

（3）池式配水器。池式配水器由配水池、溢流管和溅水碟等组成，其配水系统如图2-9所示。

图2-7 旋转管式布水系统

1—旋转头 2—填料 3—斜形长条喷水口

图2-8 槽式配水系统

图2-9 池式配水系统

1—流量控制阀 2—进水管 3—消能箱 4—配水池 5—淋水填料 6—配水孔

槽式和池式配水装置的特点是供水压力低，可减少水泵的功耗。

3.冷却塔的通风设备 机械通风式冷却塔中的通风机一般采用轴流式风机，通过调整其叶片的安装角度来调节风压和风量。通风机的电动机多采用封闭式电动机，对其接线端子采取了密封、防潮措施。

4.冷却塔的空气分配装置　空气分配装置对逆流冷却塔是指进风口和导风板部分，对横流冷却塔只是指进风口部分。

进风口的面积与淋水装置的面积，一般比例范围为：薄膜式淋水装置为0.7～1.0；点滴式淋水装置为0.35～0.45。

抽风式和开放式冷却塔的进风口，应朝向塔内倾斜的百叶窗，以改善气流条件，并防止水滴溅出和杂物进入冷却塔内。

5.冷却塔的收水器　收水器的作用是将空气和水分离，减少由冷却塔排出空气带出的水滴，降低冷却水的损耗量。它是由塑料板、玻璃钢等材料制成两折或三折的挡水板。冷却塔内的收水器可使冷却水损耗量降低至0.1％～0.4％。

（四）冷却塔安装要求

（1）冷却塔入口端与相邻建筑物之间的最短距离不小于塔高的1.5倍。

（2）冷却塔的安装位置不能靠近变电设备、锅炉房或其他有明火及有腐蚀性气体的场所。

（3）冷却塔设置的间距应符合下列规定：

1）逆流式冷却塔：间距应大于塔高；

2）横流式冷却塔：间距应大于塔高度的1/2；

3）设置两台以上的冷却塔时，圆形逆流式冷却塔间距应大于塔体的半径；方形逆流式冷却塔间距应大于塔体长度的1/2。

（4）对于冷却塔基础的要求如下：

1）冷却塔基础最小高度应为30Cm，多台冷却塔的基础必须在一个平面内。

2）冷却塔基础要内按规定尺寸预埋好水平钢板，各基础面标高应在同一水平面上，标高的误差要求为±1mm，分角中心误差要求为±2mm。

3）塔体放置应保持水平，在塔体脚座与基础之间应装设避振器。

（5）对于冷却塔基本配管的要求如下：

1）配管管径不得小于冷却塔的出入水管的管径。

2）冷却塔水泵和热交换器之间的出水管上应装设控制阀。

3）冷却塔与水泵之间的管道上应安装水过滤器。

4）管径大于100mm的配管，在冷却塔与水泵之间的出入水管道上，应安装防振接头或防振软接头。