第六章 水冷卻技術(shù)

第六章水的冷卻技術(shù)6.1概述一、為什么要用水來(lái)冷卻？工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使生產(chǎn)設(shè)備或產(chǎn)品(氣體或液體)溫度升高，必須及時(shí)冷卻，以免影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量。水是吸收和傳遞熱量的良好介質(zhì)，常用來(lái)冷卻生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品。2/3/20231煉鐵生產(chǎn)中燒結(jié)工藝流程2/3/202322/3/20233二、冷卻水系統(tǒng)

用水來(lái)冷卻工藝介質(zhì)的系統(tǒng)稱(chēng)作冷卻水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)通常有三種：

（一）直流式冷卻水系統(tǒng)冷卻水僅僅通過(guò)換熱設(shè)備一次，用過(guò)后的水就被排放掉。優(yōu)點(diǎn)：水中各種礦物質(zhì)和離子含量基本上保持不變，不需要其他冷卻水處理構(gòu)筑物，投資少、操作簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)：冷卻水的用量大，水費(fèi)高。2/3/20234冷水廢熱水2/3/20235（二）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)1.封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻水收回利用，循環(huán)不已，因此，水量損失很少。水中各種礦物質(zhì)和離子含量一般不發(fā)生變化，而水的再冷卻是在另一臺(tái)換熱設(shè)備中用其他冷卻介質(zhì)來(lái)進(jìn)行冷卻的。一般用于發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或有特殊要求的單臺(tái)換熱設(shè)備。2/3/20236冷水熱水2/3/20237

2.敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻水循環(huán)再用。水的再冷卻是通過(guò)冷卻塔來(lái)進(jìn)行的。水中各種礦物質(zhì)和離子含量也不斷被濃縮增加。敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可以節(jié)約大量的冷卻水，且排放污水的總量也相應(yīng)減少。2/3/20238冷水熱水2/3/202392/3/202310

（三）混合式冷卻水系統(tǒng)冷卻水部分循環(huán)再用而部分直流，其優(yōu)缺點(diǎn)介于循環(huán)式和直流式冷水系統(tǒng)之間。2/3/202311三、冷卻構(gòu)筑物的類(lèi)型在冷水系統(tǒng)中，用于降低水溫的設(shè)備稱(chēng)為冷卻構(gòu)筑物。冷卻構(gòu)筑物型式很多，大體分為以下三大類(lèi)：水面冷卻池；噴水冷卻池；冷卻塔。在這三類(lèi)冷卻構(gòu)筑物中，冷卻塔形式最多，構(gòu)造最復(fù)雜。2/3/202312(一)水面冷卻池水面冷卻的概念:利用水體的自然水面，向大氣中散質(zhì)、散熱進(jìn)行冷卻的一種方式。

水體水面的分類(lèi)：水面面積有限的水體，包括水深小于3m的淺水冷卻池和水深大于4m的深水冷卻池。水面面積很大的水體和水面面積相對(duì)于冷卻水量很大的水體，如河道、大型湖泊和海灣等。

2/3/202313在冷卻池中，高溫水（水溫t1)由排水口排入湖內(nèi)，在緩慢流向下游取水口（水溫t2)的過(guò)程中，由于水面和空氣接觸，借自然對(duì)流蒸發(fā)作用，使水冷卻。湖中的水分三個(gè)區(qū)：主流區(qū)；回流區(qū)；死水區(qū)。冷卻效果以主流區(qū)最佳，死水區(qū)最差，因此，擴(kuò)大主流區(qū)，減小回流區(qū)，消滅死水區(qū)可以提高冷卻效果。2/3/202314在冷卻池中，水面的綜合散熱系數(shù)是蒸發(fā)、對(duì)流和水面輻射3種水面散熱系數(shù)的綜合，是計(jì)算水面冷卻能力的基本參數(shù)，指在單位時(shí)間內(nèi)、水面溫度變化1℃時(shí)，水體通過(guò)單位表面散失的熱量變化量以W/m2.℃表示。一般需要通過(guò)試驗(yàn)確定。在近似估算冷卻池表面積時(shí)可參考水力負(fù)荷為0.01-0.1m3/m2.h求定所需表面積。2/3/202315(二）噴水池噴水冷卻池是利用噴嘴噴水進(jìn)行冷卻的敞開(kāi)式水池。組成：1）配水管及噴嘴；2）集水池和溢流井工藝過(guò)程及示意如下圖所示2/3/202316噴水冷卻池工作原理：壓力水經(jīng)噴嘴向上噴出，噴散成均勻散開(kāi)的小水滴，使水和空氣的接觸面積增大；同時(shí)使小水滴在以高速向上噴射而后又降落的過(guò)程中，有足夠的時(shí)間與周?chē)諝饨佑|，改善了蒸發(fā)與傳導(dǎo)的散熱條件。

影響噴水池冷卻效果的因素是：噴嘴形式和布置方式、水壓、風(fēng)速、風(fēng)向、氣象條件等。2/3/2023172/3/202318

（三）冷卻塔

按通風(fēng)方式分有自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔、混合通風(fēng)冷卻塔。

按熱水和空氣的流動(dòng)方向分有逆流式冷卻塔、橫流（交流）式冷卻塔、混流式冷卻塔。

按循環(huán)供水系統(tǒng)中的循環(huán)水與空氣是否直接接觸，冷卻塔可分為：敞開(kāi)式（濕式）；密閉式（干式）；混合式（干濕式）。1.濕式冷卻塔：指熱水和空氣直接接觸、傳熱和傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行的敞開(kāi)式供水系統(tǒng)（見(jiàn)下圖）。濕式冷卻塔種類(lèi)最多，應(yīng)用最廣泛，分類(lèi)見(jiàn)下圖。2/3/202319幾種類(lèi)型的濕式冷卻塔自然通風(fēng)橫流式冷卻塔自然通風(fēng)逆流式冷卻塔抽風(fēng)橫流式冷卻塔鼓風(fēng)逆流式冷卻塔2/3/2023202/3/2023212.干式冷卻塔：水和空氣不直接接觸，冷卻介質(zhì)為空氣，冷卻是在空氣冷卻器中實(shí)現(xiàn)的，所以只是單純傳熱。2/3/2023223.干濕式冷卻塔：熱水和空氣進(jìn)行干式冷卻后再進(jìn)行濕式冷卻的構(gòu)筑物2/3/2023236.2冷卻塔的工藝構(gòu)造一、冷卻塔的組成部分及工作過(guò)程冷卻塔的主要裝置有:熱水分配裝置(淋水填料、配水系）、通風(fēng)及空氣分配裝置（通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)筒、空氣分配裝置）和其它裝置（除水器、集水池）。1、淋水填料：將需要冷卻的水多次濺散成水滴或形成水膜，以增加水和空氣的接觸面積和時(shí)間，促進(jìn)水和空氣的熱交換。水的冷卻主要在淋水填料上進(jìn)行。2、配水系統(tǒng)：將熱水均勻分布到整個(gè)淋水填料上，熱水分布均勻與否，對(duì)冷卻效果影響很大。如果水量分配不均勻，不僅直接降低冷卻效果，也會(huì)造成部分冷卻水滴飛濺而飄逸到塔外。2/3/2023243、通風(fēng)設(shè)備：機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中利用通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生預(yù)計(jì)的空氣流量，以保證要求的冷卻效果。4、空氣分配裝置：利用進(jìn)風(fēng)口、百葉窗和導(dǎo)風(fēng)板等裝置，引導(dǎo)空氣均勻分布于冷卻塔整個(gè)截面上。5、通風(fēng)筒：其作用是創(chuàng)造良好的空氣動(dòng)力條件，減少通風(fēng)阻力，并將排出冷卻塔的濕熱空氣送往高空減少濕熱空氣回流。6、除水器：將排出濕熱空氣中所攜帶的水滴與空氣分離，減少逸出水量損失和對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。7、集水池：設(shè)于冷卻塔下部，匯集淋水填料落下的冷卻水，并兼有水量調(diào)節(jié)功能。2/3/202325(一)抽風(fēng)式逆流冷卻塔

工作過(guò)程：水、氣2/3/202326(二）抽風(fēng)式橫流冷卻塔抽風(fēng)式橫流冷卻塔工藝構(gòu)造如圖所示，熱水從上部經(jīng)配水系統(tǒng)1灑下，冷空氣由側(cè)面經(jīng)進(jìn)風(fēng)百葉窗2水平流入塔內(nèi)，水和空氣的流動(dòng)方向互相垂直，在淋水填料3中進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，冷水則流到下部集水池中，而濕熱空氣經(jīng)除水器4流到中部空間，再由頂部風(fēng)機(jī)抽出塔外。2/3/202327（二）抽風(fēng)式橫流冷卻塔

工作過(guò)程：水、氣2/3/202328二、淋水填料（一）淋水填料的作用（二）淋水填料的形式和其應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求

淋水填料的形式有點(diǎn)滴式、薄膜式和點(diǎn)滴薄膜式三種，無(wú)論那種形式，都應(yīng)滿(mǎn)足以下基本要求：

1.具有較高的冷卻能力，即水和空氣的接觸面積較大、接觸時(shí)間較長(zhǎng)；

2.親水性強(qiáng)，容易被水濕潤(rùn)和附著；

3.通風(fēng)阻力小以節(jié)省動(dòng)力；

4.材料易得又加工方便的結(jié)構(gòu)形式；

5.價(jià)廉、施工維修方便；且質(zhì)輕耐久。

2/3/202329（三）點(diǎn)滴式淋水填料

主要依靠水在填料上濺落過(guò)程中形成的小水滴進(jìn)行散熱。在板條中，大水滴掉到下層板條上被濺散成許多小水滴進(jìn)行表面散熱。

點(diǎn)滴式淋水填料散熱方式中，以水滴散熱為主，約占總散熱量的65-70%，水膜散熱占25-30%。因此，設(shè)法增多小水滴以增加散熱面，是提高點(diǎn)滴式淋水裝置冷卻效果的主要途徑。

2/3/202330弧形板條十字形板條三角形板條1、板形和排列常見(jiàn)的點(diǎn)滴式淋水填料中板條斷面形狀分：三角形、矩形、弧形、十字形等。排列方式有：傾斜式和棋盤(pán)式。2/3/2023312、構(gòu)造尺寸常用點(diǎn)滴式淋水填料的構(gòu)造尺寸如表3、點(diǎn)滴式淋水填料的層數(shù)和高度機(jī)械通風(fēng)冷卻塔為13～33層，開(kāi)放點(diǎn)滴式冷卻塔為10～23層。逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔淋水填料高度一般為6～8m。2/3/202332（四）薄膜式淋水填料1、工作特點(diǎn)：利用間隔很小的格網(wǎng)，或凸凹傾斜的交錯(cuò)板，或彎曲波紋板所組成的多層空心體，使水沿著其表面自上而下形成薄膜狀的緩慢水流，有些沿水流方向還刻有階梯型橫向微細(xì)印痕，從而具有較大的接觸面積和較長(zhǎng)的接觸時(shí)間。冷空氣經(jīng)多層空心體間的空隙自下向上或從側(cè)面流動(dòng)與水膜相接觸，吸收水所散發(fā)的熱量。2/3/2023332、薄膜式淋水填料的散熱方式

表面水膜散熱，約占70%；板隙中的水滴表面散熱，占20%；水從上層流到下層濺散而成的水滴散熱，占10%。2/3/2023343、影響薄膜式淋水填料散熱效果的主要因素膜板規(guī)格布置方式4、理想薄膜式淋水填料的特點(diǎn)：

厚度薄、材質(zhì)輕且能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求；孔隙較小，比表面積大，但阻力又不大。5、薄膜式淋水填料的類(lèi)型

這類(lèi)淋水填料中應(yīng)用較多的是平膜板式和凹凸形模板式。平膜板式：有木板條拼接的小間距平板淋水填料和鋼絲網(wǎng)水泥平板式淋水填料。凹凸形模板式：利用凹凸不平的模板表面，延緩水流下降速度，并有助于水膜的破碎和重分配。常見(jiàn)的有：斜波交錯(cuò)；梯形斜波；塑料折波、點(diǎn)波等。2/3/202335斜波交錯(cuò)淋水填料2/3/202336梯形斜波淋水填料2/3/202337塑料折波形淋水填料2/3/202338（五）點(diǎn)滴薄膜式淋水填料1、類(lèi)型：陶瓷格網(wǎng)、塑料格網(wǎng)板、水泥網(wǎng)格板和蜂窩填料。1)水泥網(wǎng)格板：強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)、散熱性能較好；制作效率低，現(xiàn)場(chǎng)制作；適用于較渾濁的循環(huán)水系統(tǒng)。2)塑料格網(wǎng)板：用聚丙烯材料高壓壓注而成。重量輕、安裝方便、耐腐蝕性好。3)陶瓷格網(wǎng)：散熱性能良好，耐熱性能和熱穩(wěn)定性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，耐腐蝕性。4)蜂窩淋水填料：用玻璃鋼或塑料制成。散熱表面積大，重量輕，通風(fēng)阻力不大。僅適用于逆流冷卻塔。2、工作特點(diǎn)：兼具薄膜式和點(diǎn)滴式淋水填料冷卻的特點(diǎn)。2/3/202339水泥格網(wǎng)淋水填料2/3/202340蜂窩淋水填料2/3/202341（六）淋水填料的選擇大、中型逆流式自然或機(jī)械通風(fēng)塔中：60o大、中斜波、折波、梯型波填料，但要防止堵塞和結(jié)垢；大、中型逆流式鋼筋混凝土塔中:水泥格網(wǎng)填料，具有造價(jià)低、強(qiáng)度高、耐久、不易堵等優(yōu)點(diǎn)，但施工較復(fù)雜；大、中型橫流塔：30o斜波、弧形波或折波填料；小型冷卻塔中：斜波交錯(cuò)或折波填料。淋水填料是冷卻塔的核心，應(yīng)根據(jù)熱力、阻力特性、塔型、負(fù)荷、材料性能、水質(zhì)、造價(jià)、施工檢修等因素綜合評(píng)價(jià)，正確選擇：2/3/202342三、配水系統(tǒng)

（一）配水系統(tǒng)的作用

配水系統(tǒng)的作用是將熱水均勻地分配到冷卻塔的整個(gè)淋水面積上。如分配不均，會(huì)使淋水裝置內(nèi)部水流分而不均，從而在水流密集部分通風(fēng)阻力增大，空氣流量減少，熱負(fù)荷集中冷卻效率降低；而在水量過(guò)少的部位，大量空氣未充分利用而逸出塔外，降低了冷卻塔的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。（二）配水系統(tǒng)的基本要求

在一定的水量變化范圍內(nèi)（80%-110%）保證配水均勻且形成微細(xì)水滴，系統(tǒng)本身水流阻力和通風(fēng)阻力較小，并便于維修管理。

在循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)盡量利用換熱器出水的剩余水壓，以滿(mǎn)足配水系統(tǒng)的壓力要求。2/3/202343（三）配水系統(tǒng)的種類(lèi)

配水系統(tǒng)可分為管式、槽式和池（盤(pán)）式三種

1.管式配水系統(tǒng)

(1)固定管式配水系統(tǒng)

該系統(tǒng)由配水干管、支管及支管上接出短安裝噴嘴組成。配水均勻的關(guān)鍵是噴嘴的形式和布置。噴嘴應(yīng)具有噴水角度大、水滴細(xì)小、布水均勻、供水壓力低、不易堵塞等要求。1)噴嘴類(lèi)型

沖擊型：依靠沖擊力將成股的水扯成水滴。工作水壓低，適用于槽式或池式配水。

旋轉(zhuǎn)型：要求水壓高，多用于管式配水。

依靠離心力作用將水扯開(kāi)，灑向四周。2/3/2023442)配水系統(tǒng)布置

固定管式配水系統(tǒng)可布置成環(huán)狀或樹(shù)枝狀。該系統(tǒng)施工安裝簡(jiǎn)便，在大、中型冷卻塔中廣泛采用。配水干管流速1~1.5m/s，噴頭間距0.65~2m。2/3/202345(2)旋轉(zhuǎn)管式配水系統(tǒng)

該系統(tǒng)由給水管、旋轉(zhuǎn)體和配水管組成。配水管用法蘭固定相接，并通過(guò)軸承與旋轉(zhuǎn)體相連。配水管上開(kāi)有出水孔或扁型出水槽，利用水噴出時(shí)的反作用力推動(dòng)配水管旋轉(zhuǎn)，使淋水填料表面得到輪流而均勻的布水。2/3/202346旋轉(zhuǎn)式配水系統(tǒng)的特點(diǎn):系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)的；單位面積的淋水填料是間歇配水；配水管轉(zhuǎn)速一般為6-20r/min；管嘴孔徑為15-25mm，長(zhǎng)為20mm間距為150-500mm；開(kāi)孔總面積為配水系統(tǒng)截面的0.5-0.6倍；多用于小型玻璃鋼逆流冷卻塔2/3/2023472.槽式配水系統(tǒng)1）組成：配水總槽、配水支槽及濺水噴嘴。是一種重力式配水系統(tǒng)，熱水經(jīng)總、支槽，再經(jīng)反射型噴嘴濺散成分散小水滴，均勻地灑在填料上。2/3/2023482)特點(diǎn)槽內(nèi)水深不小于管嘴直徑的6倍并有0.1m以上的保護(hù)高度；主槽起始流速0.8-1.2m/s，支槽0.5-0.8m/s，槽寬大于0.12m；配水槽面積與通風(fēng)面積之比小于25-30%；管理方便，適于大型塔或水質(zhì)差或供水余壓低的系統(tǒng)；槽斷面大、通風(fēng)阻力大、槽內(nèi)易沉積污物等。2/3/2023493.池式配水系統(tǒng)1)組成：進(jìn)水管、消能箱、配水系統(tǒng)等。熱水經(jīng)流量控制閥由進(jìn)水管經(jīng)消能箱分配于配水池中，池底開(kāi)小也或裝管嘴，使熱水均勻?yàn)⒃谔盍仙稀?/3/202350池式配水系統(tǒng)特點(diǎn)：配水均勻；供水壓力低；受太陽(yáng)輻射，易生藻類(lèi)；維護(hù)方便。適用于橫流塔。2/3/202351四、通風(fēng)及空氣分配裝置（一）風(fēng)機(jī)組成：

葉輪、傳動(dòng)裝置、電機(jī)

軸流風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)：風(fēng)量大、風(fēng)壓小、能正反轉(zhuǎn)，并可通過(guò)調(diào)整葉片數(shù)或葉片角改變風(fēng)量和風(fēng)壓，提高片數(shù)或角度可增加風(fēng)量、風(fēng)壓，但功率也相應(yīng)增大，效率降低。2/3/202352（二）通風(fēng)筒1、作用：減小氣流出口的動(dòng)能損失；減小或防止從冷卻塔排出的濕熱空氣回流到塔進(jìn)口，重新進(jìn)入塔內(nèi)。2、組成：進(jìn)風(fēng)收縮段、進(jìn)風(fēng)口、上部擴(kuò)散筒。3、基本要求：1)為使氣流平穩(wěn)地被壓縮進(jìn)入風(fēng)筒，在逆流式冷卻塔中淋水填料頂面至風(fēng)機(jī)風(fēng)筒進(jìn)口之間應(yīng)有一定的高度和適當(dāng)?shù)氖湛s角度。2)收縮段與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的連接應(yīng)設(shè)置流線型導(dǎo)流閥，使氣流平穩(wěn)地進(jìn)入風(fēng)機(jī)風(fēng)筒，避免氣流與風(fēng)筒邊壁分離產(chǎn)生漩渦。3)為減少塔出口動(dòng)能損失和減輕出塔濕熱空氣向塔進(jìn)風(fēng)口回流，在風(fēng)機(jī)風(fēng)筒出口設(shè)置擴(kuò)散筒。2/3/2023532/3/2023542/3/202355（三）空氣分配裝置1、空氣分配裝置的組成：1)逆流塔中，包括進(jìn)風(fēng)口和導(dǎo)風(fēng)裝置；進(jìn)風(fēng)口指填料以下到集水池水面以上的空間。當(dāng)進(jìn)風(fēng)口高度較小時(shí)，應(yīng)在進(jìn)風(fēng)口上部設(shè)導(dǎo)風(fēng)板。2)橫流塔中，僅指進(jìn)風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)口高度相當(dāng)于整個(gè)淋水裝置的高度。設(shè)置有百葉窗：導(dǎo)流作用、防止淋水濺出、攔截雜物和降噪等作用。導(dǎo)風(fēng)裝置：在逆流式冷卻塔中常采用斜形淋水填料和階梯形淋水填料時(shí)，在其模板下設(shè)齒狀導(dǎo)風(fēng)孔（槽）。2/3/202356導(dǎo)風(fēng)裝置示意圖2/3/202357五、其它裝置（一）除水器從冷卻塔排水的濕熱空氣中，帶有一些水分，其中一部分混合于空氣中的水蒸氣，不能用機(jī)械方法分離；另一部分是隨氣流帶出的霧狀小水滴，通?？捎贸鱽?lái)分離回收，以減少不量損失，同時(shí)改善冷卻塔周?chē)h(huán)境。2/3/202358

除水器應(yīng)做到除水效率高、通風(fēng)阻力小、經(jīng)濟(jì)耐用、便于安裝。小型冷卻塔多采用塑料斜波作為除水器，而大、中型冷卻塔多采用弧形除水片組成單元塊除水器。2/3/202359（二）集水池

集水池起儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)水量的作用，有時(shí)還可作為循環(huán)水泵的吸水井。集水池的容積應(yīng)滿(mǎn)足循環(huán)水處理藥劑在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間的要求。

集水池底應(yīng)設(shè)集水坑，出水管前設(shè)置格柵，周?chē)O(shè)回水臺(tái)。

（三）塔體

主要起封閉和圍護(hù)作用。主體結(jié)構(gòu)和淋水填料的支架在大中型塔中用鋼筋混凝土或防腐鋼結(jié)構(gòu)；小塔全用玻璃鋼結(jié)構(gòu)。塔體形狀有平面上有方形、矩形、圓形、雙曲線等。2/3/2023602/3/2023616.3水的冷卻原理一、蒸發(fā)傳熱二、接觸傳熱2/3/2023621、蒸發(fā)傳熱：當(dāng)熱水表面直接與未被水蒸氣所飽和的空氣接觸時(shí)，熱水表面的水分子將不斷化為水蒸氣，在此過(guò)程中，將從熱水中吸收熱量，達(dá)到冷卻的效果，這就是蒸發(fā)傳熱。2、原理：分子熱運(yùn)動(dòng)(分子傳熱理論，由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速度的變化幅度很大。當(dāng)液體表面的某些水分子的動(dòng)能足以克服液體內(nèi)部對(duì)它的內(nèi)聚力時(shí)，這些水分