冷却塔基本知识

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简介： 工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。从江、河、湖、海等天然水体中吸取一定量的水作为冷却水，冷却工艺设备吸取废热使水温升高，再排入江、河、湖、海，这种冷却方式称为直流冷却。当不具备直流冷却条件时，则需要用冷却塔来冷却。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散人大气。
关键字：冷却塔

　1、冷却塔的作用

　　工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。从江、河、湖、海等天然水体中吸取一定量的水作为冷却水，冷却工艺设备吸取废热使水温升高，再排入江、河、湖、海，这种冷却方式称为直流冷却。当不具备直流冷却条件时，则需要用冷却塔来冷却。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散人大气。

　　如图 1 所示的火电厂为例，锅炉回将水加热成高温高压蒸汽；推动汽轮机（2）作功使发电机（3）发电。经汽轮机作功后的乏汽排入凝汽器（4），与冷却水进行热交换凝结成水，再用水泵打回锅炉循环使用。这一热力循环过程中；乏汽的废热在凝汽器中传给了冷却水，使水温升高．挟带废热的冷却水，在冷却塔（5）中将其热量传给空气（6），从塔筒出口排人大气。在冷却塔内冷却过的水变为低温水，水泵将其再送入凝汽器，循环使用。前一循环为锅炉中水的循环，后一循环为冷却水的循环、其他工业部门，如石油、化工、钢铁等，也广泛使用冷却塔。冷却塔中水和空气的热交换方式之一是，流过水表面的空气与水直接接触，通过接触传热和蒸发散热，把水中的热量传输给空气．用这种冷却方式的称为湿式冷却塔（简称湿塔）。湿塔的热交换效率高，水被冷却的极限温度为空气的湿球温度．但是，水因蒸发而造成损耗；蒸发又依循环的冷却水含盐度增加，为了稳定水质，必须排掉一部分含盐度较高的水；风吹也会造成水的损失。这些水的亏损必须有足够的新水持续补充，因此，湿塔需要有补给水的水源。缺水地区，补充水有困难的情况下；只能采用干式冷却塔（简称干塔或空冷塔）。干塔中空气与水（也有空气与乏汽）的热交换；是通过由金属管组成的散热器表面传热，将管内的水或乏汽的热量传输给散热器外流动的空气。干塔的热交换效率比湿塔低，冷却的极限温度为空气的干球温度。

　　2、冷却塔的分类

　　目前已经被淘汰的冷却塔型这里不再介绍，现还在使用的塔型，分类如下。

　　A、按通风方式分

　　按通风方式分有：

　　自然通风冷却塔

　　机械通风冷却塔

　　混合通风冷却塔。

　　B、按热水和空气的接触方式分

　　按热水和空气的接触方式分有：

　　湿式冷却塔；

　　干式冷却塔；

　　干湿式冷却塔。

　　C、按热水和空气的流动方向分

　　按热水和空气的流动方向分有：

　　逆流式冷却塔；

　　横流（交流）式冷却塔；

　　混流式冷却塔。

　　D、其他型式的冷却塔

　　其他型式有喷流式冷却塔和用转盘提水冷却的冷却塔。

　　3、各种冷却塔简述

　　自然通风逆流湿式冷却塔

　　自然通风逆流湿式冷却塔在我国电力部门使用最多，见图12。这种塔型的通风筒常采用双曲线形，用钢筋混凝土浇制其高度已达170多米。老式的塔筒平面上呈多角形、立面为锥形的，现在已经很少用了。

　　如图所示，热水由管道通过竖管（竖井）送人热水分配系统。这种分配系统在平面上呈网状布置，分槽式布水、管式布水或槽管结合布水；然后通过喷溅设备，将水洒到填料上；经填料后成雨状落人蓄水池，冷却后的水抽走重新使用．塔筒底部为进风口，用人字柱或交叉柱支承。空气从进风口进人塔体．穿过填料下的雨区，和热水流动成相反方向流过填料（故称逆流式），通过收水器回收空气中的水滴后．再从塔街出口排出．塔外冷空气进人冷却塔后，吸收由热水蒸发和接触散失的热量，温度增加，湿度变大，密度变小．因此，收水器以上的空气经常是饱和或接近饱和状态；其温度要通过计算确定，初步设计时，可取为冷却塔进、出水温的平均值。塔外空气温度低、湿度小、密度大。由于塔内、外空气密度差异在进风口内外产生压差。致使塔外空气源源不断地流进塔内而无需通风机械提供动力，故称为自然通风。

　　为满足热水冷却需要的空气流量，塔内、外要有足够的压差，但塔内、外空气密度差是有限的，因此自然通风冷却塔必须建造一个高大的塔筒。填料断面气流速度一般为1.0～1.2m／s，比机械通风冷却塔气流速度要小。逆流方式冷却效果高，但通气阻力相对也大，所以填料体积小。填料有点滴式和薄膜式之分，现在大多采用薄膜式填料。

　　这种填料的特点是，水淋过填料时，水的表面积比较固定；在水量增大时其表面积没有多大变化，所以其淋水密度不宜太大，一般采用6～8（t／（Mh））。在高温、高湿地区，气压较低，形成同样的过塔气量，需要更高的塔简，所以对建造这种塔不利。自然通风湿式冷却塔建造费用高，运行费用低，随着国际上石油价格的提高，机械运行费用相应增加，自然通风冷却塔就显得更经济，因而被采用的愈来愈多了。

　　自然通风横流湿式冷却塔

　　这种塔的填料设置在塔简外，如图3所示。热水通过上水管，流人配水池，他底设布水孔，孔距约50CM，下连喷嘴，将热水洒到填料上冷却后，进入塔底水池，抽走重复使用。空气从进风口水平向穿过填料，与水流方向正交，故称横流式或交流式。空气出填料后，通过收水器，从塔街出口排出。在冷却方式中；逆流式效率最高，顺流式效率最差，横流式居中。由于横流冷却方式效率比逆流式差，所以需要比逆流式大的填料体积，但通气阻力较小，因此淋水密度可以加大到15～2Ot／（M·h）。横流塔若采用薄膜式填料，则因耗材料太多而增加了塔的造价，所以现在多采用点滴式填料。使用点滴式填料的另一个好处是，淋水表面在大水量时有较大的增加，相应地提高了冷却效果。这种塔的塔筒内是空的，气流速度可以高一些，因此塔筒宜径可以比同客量的逆流塔小，相应降低了造价。

　　这种增施工场地不互相干扰，有利于施工。运行管理方便，但防冰冻性能不如逆流培，总造价一般比逆流塔低，但运行费用高。

　　辅助通风冷却塔

　　囹4是一种自然通风和机械通风共同作用的冷却塔在自然通风逆流式冷却塔底部，加装鼓风机以辅助塔简通风。瑞舍吉-·考垂（R＿Cottrell）公司设计的这种塔，高度为同容量自然通风速流塔的1／2，底部直径为其2／3，负荷小时可以不开风机。

　　英国因斯“B”（Ince B）电厂1000MW机组的辅助通风冷却塔，见图5，塔筒高116．4m，底部直径93．5M，出口直径53m，填料像横流式冷却塔一样，放在塔简外边，35个轴流风机布置在塔简和填料之间，风机直径7．9m。填料高13m，进深6m。此塔冷效相当于3个同尺寸的自然通风冷却塔，而造价较自然通风塔低15％，但加上30年运行费就不便宜了。

　　机力通风湿式冷却塔

　　机械通风湿式逆流冷却塔分鼓风式和抽风式两种。鼓风式塔从塔底部进风口用风机向塔内鼓风，现使用不多，其原理同抽风式，不再介绍。抽风式塔如图6所示，较大型的机械通风逆流式冷却塔,一般是多座（格）塔连成一排，每格塔成正方形或矩形，从两面进风。只有在单个塔时才作成圆形，如一些较小型（水量小于 1000T／h）的玻璃钢冷却塔。

　　热水通过上水管进入冷却塔，通过槽式或管式配水系统，使热水沿塔平面成网状均匀分布，然后通过喷嘴，将热水洒到填料上，穿过填料，成雨状通过空气分配区（雨区），落入塔底水池，变成冷却后的水待重复使用。空气从进风口进入塔内，穿过填料下的雨区、与热水成相反方向（逆流）穿过填料、通过收水器、抽风机、从风筒排出。淋水密度一般为q=12～15t／（mh）。过大的淋水密度，尤其在使用薄膜式填料时，会引起阻塞现象、气流阻力突然急剧增加。通过填料断面的风速V=2．2～3．0M／S。风速也不宜太大，不然会带来大的风吹损失及阻力。 2. 8M／s风速会将直径0.5mm，相当于小斜雨的水滴吹走，薄膜式填料风速可以大一些，点滴式填料则风速应小一些。进风口面积和填料断面面积之比取0．5～0．6为宜。

　　机械进风横流湿式冷却塔

　　机械通风横流湿式冷却塔（图7）的主要原理和自然通风横流式冷却塔一样，只是用风机来通风，因此风速可以高一些，一般填料断面风速取v=2.2～3.0m／s。配水用盘式，为了保证水深比较均匀，配水盘可以分几格，盘底打孔，装喷嘴将热水洒向填料，然后流人底部水池。淋水密度大者可达20—50t／（m·h）。填料倾斜安装。以保证运行时水不洒到填料外。对点滴式填料，倾角用 9～11，薄膜式填料倾角用5～6。填料高度和深度比值取2～2.5。进风口安装百叶窗、叶片面与水平夹角取45～60。

　　多风机混式冷却塔

　　多风机冷却塔即一座塔上安装多台风机，如图所示为一座多风机横流式冷却塔，也可以用于逆流式。塔平面形状一般为圆形，也可以是长方形。其原理与单风机塔相同。这种塔的优点是，占地小，投资少，包括低的建筑费用及管理费用。风机之间对热羽流有相互促进作用，因而羽流上升高度大、不易形成热空气向进风口回流。由于风机的互相干扰、总的抽风量减小。

　　干式冷却塔

　　干式冷却难的热水在散热翅管内流动，靠与管外空气的温差，形成接触传热而冷却。所以干式冷却塔的特点是：

　　①没有水的蒸发损失，也无风吹和排污损失，所以干式冷却塔适合于缺水地区，如我国的北方地区。因为没有蒸发，所以也没有但空气从冷却塔出口排出所造成的污染。

　　②水的冷却靠接触传热，冷却极限为空气的干球温度效率低，冷却水温高。

　　③需要大量的金属管（铝管或钢管），因此造价为同容量湿式塔的4～6倍。因干式冷却塔有后两点不利因素，所以在有条件的地区，应尽量采用湿塔。干塔可以用自然通风，也可以用机械通风。以火电厂常用的干式冷却塔为例，分为间接冷却和直接冷却两类。间接冷却是指用冷却塔中冷却后的水，送往凝汽器中冷却由汽轮机井出的乏汽。直接冷却是指不用凝汽器，将汽轮机排出的乏汽，用管道引人冷却塔直接冷却，变为凝结水，用水泵送回锅炉重复使用。

　　图9所示为海勒（Heller）系统间接空冷干式自然通风冷却塔。它的特点是使用喷射式凝汽器，汽轮机排出的乏汽与从冷却塔来的冷水，在凝汽器内直接混合，因此端差很小。混合后的水，约2％送回锅炉，其余的水送到冷却塔冷却。因冷却水和锅炉水为同一种水，所以对水质要求高。另外一个特点是，经冷却塔冷却后的水仍有较大的余压，在送人凝汽器以前，先用小型水轮发电机口收能量。

　　图9所示的散热器放在塔简的外边，类似湿式横流塔。散热器也可以像湿式逆流塔一样放在塔筒里面，但为了排走散热器中的水，散热器不是完全水平布置，而有一定的坡度。另外一种间接空冷塔，使用表面式凝汽器，乏汽和冷却水互不相混。

　　散热器用翅片管或螺纹管，材质为钢或铝。管断面为椭圆形或圆形。

　　直接空冷塔如图10所示。从汽轮机排出的乏汽，通过管道直接送入冷却塔内的散热管，用风机通风冷却成凝结水，不要凝汽器，所以称直接空冷。因为是将蒸汽直接送人散热管，而不像间接空冷送人冷却塔的是热水、因蒸汽体积比水大得多，所以送汽管特别粗，直径约为间接空冷的三倍多。另外，输汽管道不能漏汽，不然就会直接影响汽轮机真空，降低出力。

　　干湿式冷却塔

　　这种塔为湿式塔和干式塔的结合，如图11所示，干部 在上、湿部在下。也有的塔四面进风，相对两边为湿部；另外两边为干部。采用这种塔的目的，部分是为了省水，但大多数是为了消除从塔出口排出的饱和空气的凝结，因而造成塔周围的污染。图12为德国某电站的干湿式冷却塔。

　　如图11所示，从塔下部湿段排出的湿空气，在同塔周围的冷空气接触后，即变成过饱和的空气而凝结，形成雾，造成污染。如果像图中那样，塔上部用干段，则由塔下部湿段排出的饱和湿空气，流经干段时，会被加热而变成不饱和的空气，因而出塔后不会凝结。

　　如图13所示为干湿式塔的排放空气状态变化情况的示例。图中弯曲线为相对湿度。①为塔周围大气状态。

　　②为湿塔时，从塔出口排出的湿空气状态，由于过饱和，水蒸气凝结形成雾。

　　③为干湿式塔中，湿段出口的空气状态。

　　④为干段后的空气状态。

　　可以看出，从①变到④时，空气含湿量不变，只是温度升高。然后与从温段来的空气混合，变为状态⑤，从塔出口排出。相对周围空气状态。⑤点空气状态处在非饱和区，所以从干湿式塔排出的湿空气不会结雾，这就是加干段的作用。干段水量一般为总水量的20％～25％。

　　喷射型的冷却塔

　　图14为一种喷流式冷却塔。为美国贝尔其莫尔·艾尔科伊尔（Baitore Airced）公司所设计。热水通过压力喷嘴喷向塔内，成为散开的喷流体，同时将大量空气带入塔内，热水通过蒸发和接触传热将热量传给空气，冷却后的水落人集水池，空气通过收水器后排出。这种塔不用填料和风机，因而没有风机噪声。处理水量可从每小时几吨到几百吨。

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