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      冷卻塔循環系統及組成基本原理

      發布日期:2017-01-20   點擊數: 2662

      冷卻塔冷卻水的循環系統

      冷卻水的循環系統及組成 循環冷卻水系統由冷、熱水池、泵房(站)、被冷卻的設備或產品、冷卻設備、管路系統等組成。示意圖見圖4-1。

      4-1 的工藝流程為:冷卻設備或產品后溫度升高的熱水流入熱水池,經熱水泵提升后流入冷卻塔進行冷卻,經冷卻后的冷水流入冷水池,再經冷水泵提升送入需要冷卻的設備或產品進行冷卻,水溫提高的熱水又流入熱水池,這樣連續不斷地進行往復循環。同時,由于蒸發散熱和傳導散熱、漏損、排污、漂水等造成的水量損失,需要向冷水池補充1 %~ 3 %的水量。冷卻循環水在不斷地循環使用過程中,水質會受到一定的污染,為保持循環冷卻水的水質,有部分熱水經旁流凈化設備處理后再流入熱水池,與未被處理的水混和,以保持循環水水質。

      “旁流處理”分兩種情況:一種是上面所述有部分水專門進行凈化處理后與原水混和;另一種是圖4-1中所示。有部分冷卻水冷卻設備或產品后受到了污染,需經凈化處理后才能繼續循環使用,則這部分受污染的熱水流入圖4-1 中7進行凈化處理,然后流入熱水池。這部分處理的水質遠優于循環水水質,在這種情況下就不必再另設旁流處理設備,受污染水處理設備7 代替了旁流處理。

      4-1中設8臺逆流式機械通風冷卻塔,各4 臺對稱布置。泵站設10 臺水泵,冷、熱水泵各5 臺也對稱布置(4 用1 備)。熱水流入熱水池經熱水泵提升送入冷卻塔進行冷卻;冷卻后的水流入冷水池經冷水泵提升送入車間去冷卻設備或產品,然后熱水又回流到熱水池?梢妶D4-1 是一個較完整的循環冷卻水系統。 在實際中為簡化系統、減小占地、節省投資,可省去熱水池(含熱水泵站)或省去冷水池(含冷水泵站),以下分兩種情況進行論述。

      被冷卻的設備位置高于冷卻塔

      被冷卻的設備或產品的位置高于冷卻塔,高差水頭(壓力)大于熱水管路的水頭損失值條件下,則冷卻設備或產品后熱水可直接流入冷卻塔進行冷卻,冷卻后的水進入冷水池,水泵從冷水池抽水,送至車間冷卻設備或產品,如圖4-2、圖4-3 所示。與圖4-1相比,省去了熱水池和熱水泵站,不僅減少了占地面積,節省了投資,而且因省去了熱水泵而降低了日常運行成本和管理維修費用。

      4-2 是采用8 臺對稱布置的逆流式機械通風冷卻塔(與圖4-1相同),每臺冷卻塔底為存水盤,冷卻后的水經底盤出水管流入冷水池(冷水池內不分格)。水泵再從冷水池吸水,提升至被冷卻設備或產品的車間。圖4-3 為5 臺并聯組合的大型橫流式機械通風冷卻塔,冷水池設在冷卻塔下部,分成5 格和5 個吸水井,池的外圍尺寸略大于塔的外圍尺寸,以減少水量損失。與圖4-2 相比,雖設冷水池但又省去了冷水池的占地面積。

      由于現場的具體情況和實際條件不同,系統布置也各有不同,圖4-2、圖4-3僅表示系統布置的基本方法和平面示意。



      被冷卻設備位置低于冷卻塔

      冷卻塔的位置高于被冷卻的設備或產品,則其循環系統的布置與上述相反,增設熱水池省去冷水池,其循環過程為:熱水池→ 水泵提升→ 冷卻塔冷卻→ 車間冷卻設備或產品→熱水回流至熱水池(部分熱水經旁流處理后回熱水池),如此往復循環,如圖4-4 所示。

      此循環系統的特點是:冷卻塔與車間被冷卻設備(或產品)的高差大于沿程(包括局部)的阻力損失條件下,冷卻塔冷卻后的水經塔底盤出水管沿總輸水管路直接供被冷卻設備或產品。

      一般來說要注意以下方面:

      1. 水泵要有備用,圖4-4 中是4 用1 備共5臺泵,而圖4-3 是1 臺塔與對應的1 臺泵同時備用的。

      2. 水泵出水管上和冷卻塔進水管上應設置閥門,根據春夏秋冬冷卻水量的變化及備用泵的輪換,用閥門進行調節水量或關閉閥門。如果泵軸與冷卻塔配水系統的高差大于20m ,則水泵出水管上還應設單向閥。

      3. 熱水池與泵站一般均設在地面,而冷卻塔設在高處,則必然要設豎管(當然有可能根據坡度設傾斜進水管),有時可能要多處設豎管,設在何處,如何設應根據具體情況和條件而設計。圖4-4 是設在進塔前,它僅表示需設置豎管。

      橫流式冷卻塔的位置高于被冷卻設備的循環系統布置與圖4-4 相似,不再重述。


      水冷卻的基本原理


      熱水通過冷卻設備把水溫降低下來的現象,在日常生活中也會經常遇到。如一杯開水用兩只杯子把開水倒來倒去,不久水溫就降低了,這就是使水形成水膜層或水滴,加大熱水與空氣的接觸面積,增加水的蒸發散熱的作用,加快了水的冷卻速度,因而較快地把開水變成了溫水。又如夏天游泳時,剛從水中出來,被風一吹覺得很涼,這也是由于身體上的水珠蒸發而帶走大量的熱量而引起的。 水的冷卻實際上是蒸發散熱、接觸散熱和輻射散熱三個過程的共同作用。蒸發散熱和接觸散熱是主要的,輻射散熱很小。


      為什么用水來冷卻設備或產品

      自然界中存在大量的氣體和各種液體,為什么用水冷卻設備或產品呢?理由有以下三點:

      1. 水的比熱大,其比熱為1kcal/(kg·℃),就是說1kg 水溫度升高或降低1℃,可吸收或放出1000cal(1kcal)熱量。則用1kg H2O去冷卻設備或產品時,水溫升高5℃,理論上可吸收設備或產品5000cal 熱量。

      2. 水的價格相對較便宜,一般來說,只要提升水的水泵電費和水的凈化處理費,水與其他液體、氣體相比,不但價格便宜,貨源也相對充足。

      3. 水的汽化熱大:在0℃時,1kg 水的汽化熱為59713kcal。什么叫汽化熱?就是說1kg 0℃的水變為0℃的水蒸氣時所吸收的熱量稱汽化熱。那么汽化熱有什么意義呢?就是說1kg0 ℃的水,其蒸發1 %的水量(1kg 中的1 %)可使1kg 水水溫降低6 ℃。 水與酒精及其他液體的比熱與汽化熱比較見表4-1 ?梢娝谋葻岷推療嶙畲,用水進冷卻效果最好。

      用水去冷卻生產設備和產品,使生產設備和產品的溫度降低了,把熱量傳給了水,使水溫升高了,這個過程就是傳導散熱。

      水在冷卻塔中進行冷卻的過程中,把水形成很小的水滴或極薄的水膜,擴大水與空氣的接觸面積和延長接觸時間,是加強水的蒸發汽化,帶走水中的大量熱量,所以水在冷卻塔中冷卻的過程是傳導散熱和蒸發散熱的過程。

      空氣中能容納一定量的水蒸氣,當空氣中水蒸氣少的時候,氣候很干燥,天氣也較好;當空氣中水蒸氣多時,會感到很潮濕;當空氣中水蒸氣很多時,會出現很小露點。這說明空氣能接納水蒸氣,同時說明空氣接納水蒸氣是有一定限度的,當空氣中出現小露點時,說明空氣接納的水蒸氣已經“滿”了,不能再接受了,即空氣中的水蒸氣達到了飽和,稱為飽和水蒸氣。

      水在冷卻過程中,只要空氣中的水蒸氣還未達到飽和,則熱水表面直接與空氣接觸時,就會不斷地散發出水蒸氣跑到空氣中去。熱水表面的水分子在化為水蒸氣的過程中,將從水中吸收熱量,使水得到冷卻。


      冷卻塔水的蒸發散熱

      從分子運動理論來說,水的表面蒸發是由分子熱運動而引起的,分子的運動又是不規則的,各分子的運動速度大小不一樣,波動范圍很大。當水表面的某些水分子的動能是以克服水內部對它的內聚力時,這些水分子就從水面逸出,進入空氣中去,這就是蒸發。由于水中動能較大的水分子逸出,那么余下來的其他水分子的平均動能減小,水的溫度也隨之降低,使水得到冷卻,這就是蒸發散熱的主要原因。所以水的蒸發散熱是水分子運動的結果。

      水的蒸發散熱可以在沸騰時進行,也可以在低于沸點的溫度下進行,而自然界中的蒸發散熱大都是屬于低于沸點的溫度下進行的蒸發。如濕衣服晾干、潮濕地面變成干燥以及熱水在冷卻塔內的冷卻等都是低于沸點的情況下進行的蒸發現象。所以說,當水溫<氣溫的情況下,水照樣會得到冷卻,其道理就在于低于沸點下的蒸發散熱。

      從水面逸出去的水分子,相互之間可能進行碰撞,或者逸出去的水分子與空氣中已有的水分子之間進行相互碰撞,那么又可能重新進入到水中。如果在單位時間內逸出水分子多于回到水面中來的水分子,那么水就不斷地蒸發,水溫也就不斷地降低,水就得到冷卻。

      水的表面蒸發因在水溫低于沸點的情況下進行的,這時,水和空氣的相交面上存在著蒸氣的壓力差,一般認為水與空氣的接觸中,在其交界面處存在著一層極薄的飽和氣層,稱為水面飽和氣層。水首先蒸發到飽和氣層中去,然后再擴散到空氣中去。 設水面飽和氣層的溫度為t′,水面的溫度為tf ,水滴越小或水膜越薄,那么t′與tf 就越接近。

      設水面飽和氣層的飽和水蒸氣分壓力為P″q ,而遠離水面的空氣中,溫度為θ時(θ為干球溫度)水蒸氣的分壓力為Pq ,那么它們的分壓力差為:

      這個ΔPq 就是水分子向空氣中蒸發擴散的推動力,只要存在P″q > Pq(即ΔPq 為正值),那么水的表面一定產生蒸發,水一定會冷卻,而與水面的溫度t f 是高于還是低于水面以上的空氣溫度θ無關。如果說蒸發所消耗熱量用H β 表示,那么在P″q > P q 的條件下,蒸發的熱量Hβ總是由水面跑向空氣,水中的熱量總是減小的。

      為加快水的蒸發散熱速度,在冷卻塔內要采取以下兩條措施:

      1. 增加熱水與空氣之間的接觸面積。接觸面積越大,水分子逸出去的機會越多,蒸發散熱就越快。而水與空氣的接觸主要在冷卻塔內的淋水填料中進行,則一方面要求水在淋水填料中形成的水滴越小越好、水膜越薄越好;另一方面要求填料本身越薄越好,即填料的面積越大越好(填料越薄,總面積越大)。

      2. 提高填料中水膜(或水滴)水面空氣流動的速度,使從水面逸出的水蒸氣分子迅速地擴散到冷卻塔外部的空氣中去,維持擴散的推動力為常數,就是不使ΔPq降低下來。如果不迅速地排除逸出水蒸氣分子,就會使空氣中的水蒸氣分壓力Pq升高,使ΔPq =P″q-Pq 值變。ㄕ舭l推動力減。,不利于蒸發。所以要保持一定的風量和風速。 水的蒸發散熱量可用式(4-2)計算:

      式中 Hβ——蒸發散熱量(kcal/(m2 ·h));

      qβ——蒸發量(kg/(m2 ·h));

      λ——汽化熱(kcal/kg ,1kg水的汽化熱為597.3kcal)。


      冷卻塔水的傳導散熱和對流散熱

      傳導散熱也稱接觸散熱,有時也稱接觸傳導散熱。這種散熱是指熱水水面與空氣直接接觸時的傳熱過程,包括傳導和對流兩種傳熱形式。如水的溫度與空氣溫度不一樣,將會產生傳熱過程,當水溫高于空氣溫度時,水就把熱量傳給空氣,空氣自身的溫度就逐漸升高,使水面以上周圍空氣內部的溫度不均勻,這樣冷空氣與熱空氣之間就產生對流作用(注:對流只發生在流體中,而傳導是指傳熱的分子之間無混合現象),對流的結果是使空氣本身各點的溫度達到一致,最后到水面溫度與空氣溫度一致時傳導散熱停止。上述可見:傳導和對流是同時發生的,總稱為“接觸散熱”。

      從上述討論可見:傳導散熱的推動力為溫度差Δt =tf -θ (水面溫度與空氣溫度差),溫差越大,傳熱效果越好,傳熱量可用下式表示:

      式中 Hα——單位面積上的接觸傳遞熱量(kcal/(m2 ·h ));

      tf ——水面溫度(℃)(水氣交界面溫度);

      θ——空氣溫度(℃);

      α——傳熱系數(kcal/(m2·h ))。

      只要tf>θ,Hα始終從水面傳導給空氣;反過來,當tf<θ時,Hα就從空氣傳導給水。

      冷卻塔水的輻射散熱

      輻射散熱不需要傳熱介質的作用,是一種由電磁波的形式來傳播熱能的現象。如平時見到的火爐烤得很熱,太陽曬得很熱等都是輻射熱。輻射散熱只有在大面積的冷卻池中才起作用,在其他類型的冷卻設備中(含各類冷卻塔),可以忽略不計。

      從水的冷卻理論來說,水在冷卻過程中,同時存在蒸發、傳導對流、輻射3 種散熱現象,因輻射散熱在冷卻塔中很小,故常不計在內。蒸發散熱與接觸散熱那個起主導作用,視不同季節的水氣溫差而定。在一年的春夏秋三季中,水與空氣的溫差相對較小,以蒸發散熱為主,特別是炎熱的夏天,蒸發散熱占總散熱量的80 %~90 %,而接觸傳熱僅占10 %~20 %;到了冬季,水與空氣的溫差較大,蒸發散熱量減小,接觸散熱會提升到主導作用,其傳熱量會占到總散熱量的50 %以上,在寒冷地區,可達到70 %。其實長江以北地區(含部分長江南岸地區),冬季不開風機,自然冷卻即可。


      冷卻塔水冷卻不同溫度的蒸發與傳導散熱

      從上述討論可知,水的冷卻過程是通過蒸發散熱和傳導散熱兩個綜合作用的結果,F按圖4-5在不同溫度下,論述其蒸發散熱與傳導散發的不同情況。

      1. 4-5 中① ,tf >θ 在tf>θ的條件下,蒸發散熱與傳導散熱同時存在,并都從水面向空氣一個方向進行(存在的Δt 和ΔPq均為正值),兩者的總散熱量用H 表示,則單位時間內從水面散發的總熱量為:

      這種情況下同時存在ΔPq和Δt為推動力的散熱,圖中Qu 是蒸發散熱時被蒸發掉的水量,蒸發了多少水量Qu就帶走了多少熱量Hβ ,故Qu與Hβ成正比(Qu∞Hβ)。

      2. 4-5中② ,tf =θ 在tf =θ的條件下,說明Δt =0,不存在溫度差引起的傳導散熱的推動力,即傳導散熱Hα =0 ,水沒有熱量傳遞給空氣,空氣也沒有熱量傳遞給水,只存在蒸發散熱量Hβ,故得: H =Hβ(傳導散熱保持平衡) (4-5)

      3. 4-5中③ ,tf <θ tf <θ時,則tf -θ=-Δt ,說明空氣的熱量傳給水面,所以存在Hα值,但不是水面傳給空氣,而相反。但只要存在水面的蒸發散熱Hβ,并且Hβ>Hα,那么總散熱量H為正值,即: H =Hβ-Hα>0 (4-6)

      4. 4-5中④,tf=τ<θ τ是濕球溫度,水冷卻的極限值。在圖4-5 ③ 中,tf <θ,但還沒有達到tf=τ,雖然水冷卻很緩慢,但還是冷卻的,現在到了t f=τ< θ,水的溫度就停止下降了,其理由從散熱量來說,因為這時候,水向空氣的蒸發散熱量Hβ與空氣傳導給水的熱量Hα處于平衡狀態(平衡狀態是指兩者傳導的速度相等,不是處于停止狀態),即Hα=Hβ,而使H =0,這時水面的溫度tf就是空氣的濕球溫度τ,溫度τ稱為水的冷卻極限。

      從上述分析的四種情況可見:希望水在冷卻塔中的冷卻屬于第一種情況,因為既有蒸發散熱Hβ,又有傳導散熱Hα,水的冷卻效果好;在無法達到圖4-5① 要求時,則希望水的冷卻狀況為圖4-5②,雖然這時Hα=0 ,但存在H =Hβ,即以蒸發散熱為主。而夏天炎熱的情況下,水面溫度tf 與空氣干球溫度θ比較接近,故傳導散熱在總散熱量H 中僅占10 %~20 %,而蒸發散熱在H 中約占80 %~90 %,所以夏天水在冷卻塔中的冷卻基本上

      屬于圖4-5②的情況。冷卻塔的設計也是按夏季的情況即不考慮傳導散熱量(Hα=0),只考慮蒸發散熱量Hβ進行的,通常指的標準型冷卻塔Δt =t1 -t2 = 5 ℃,就是只考慮蒸發散熱的結果,沒有考慮傳導散熱Hα。

      4-5③的情況,一般來說不希望出現,但少數地區是存在的,如重慶、武漢、南京、杭州、南昌等地,夏季有幾天的空氣溫度很高,tf 與θ更為接近,故按上海的氣象參數(一般τ=28 ℃,θ=31.5 ℃)設計的冷卻塔,在這些地方,這幾天的冷卻效果達不到Δt ≠ 5 ℃,即t1 -t2 =Δt < 5 ℃,但水還是得到冷卻的,就是冷卻效果差。如果這些地方夏季都要達到Δt =5 ℃,那么塔體要放大,填料要增高,風量要增加等,是非常不經濟的。

      圖中4-5 ④ 是沒有意義的,因冷卻效果=0 。 在冬季tf 與θ之間溫差很大(即Δt =tf -θ很大),這就是溫差引起的傳導散熱的推動力很大,故傳導散熱量Hα 在總散熱量H 中可達50 %,嚴冬時可達70 %,在冬季,Hα冬> Hα夏,Hβ冬> Hβ夏,所以總散熱量H冬> H夏,冬季冷卻效果特別好。

      但無論如何,對冷卻塔來說,夏天通常為Hβ > Hα ,冬季Hβ ≈ Hα ,Hβ越大,效果好,這是因為水的汽化熱為597.3kcal(1kg0 ℃的水汽化為0 ℃的水蒸氣放出的熱量),而水的比熱為1kcal/kg ,這就是說1kg 水全部被汽化可帶走幾乎為600kcal 的熱量,那么1kg 水中有1 %被汽化(即Qu =1/100kg )可帶走6kcal 的熱量,則就可以使1kg 水的溫度降低6 ℃。



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