第一節(jié)  循環(huán)冷卻水系統(tǒng)總概

人類日常生活離不開水，工業(yè)生產(chǎn)也同樣離不開水。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，用水量越來越大，很多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象，因此合理和節(jié)約用水已經(jīng)成為發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要問題。

工業(yè)用水主要包括鍋爐用水、工藝用水、清洗用水和冷卻用水、污水等。其中用水量最大的是冷卻用水，約占工業(yè)用水量的百分之九十以上。不同的工業(yè)系統(tǒng)和不同用途對水質(zhì)的要求是不同的；但各工業(yè)部門使用的冷卻水對水質(zhì)的要求基本上是一致的，這就使得冷卻水質(zhì)控制在近年來作為一門應(yīng)用技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。在工廠中，冷卻水主要用來冷凝蒸汽，冷卻產(chǎn)品或設(shè)備，如果冷卻效果差，就會影響生產(chǎn)效率，使產(chǎn)品的收率和產(chǎn)品的質(zhì)量下降，甚至于會造成生產(chǎn)事故。

水是比較理想的冷卻介質(zhì)。因為水的存在很普遍，和其它液體相比，水的熱容或比熱較大，水的汽化潛熱（蒸發(fā)潛熱）和熔化潛熱也很高。比熱是單位質(zhì)量的水溫度升高一度時所吸收的熱量。常用的單位是卡/克·度(攝氏)或英熱單位(B．T．U．)/磅·度(華氏)。用這兩個單位表示水的比熱度時，其數(shù)值是相同的。熱容大或比熱大的物質(zhì)升高溫度時需要吸收大量的熱量，而本身溫度并不明顯升高，因此水具有良好的貯熱性能。潛熱是物態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時所吸收或放出的熱量。一克分子水蒸發(fā)成為一克分子蒸汽需要吸收近一萬卡的熱量，因此水蒸發(fā)時能吸收大量的熱量，從而使水溫下降，這種依靠水份蒸發(fā)帶走熱量的過程稱為蒸發(fā)散熱。

和水一樣，空氣也是一種常用的冷卻介質(zhì)。水和空氣的導(dǎo)熱性能都很差，在0℃時，水的導(dǎo)熱系數(shù)是0.49千卡/米·小時·℃，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是0.021千卡/米·小時·℃，但水與空氣相比，水的導(dǎo)熱系數(shù)要比空氣高24倍左右。因此，當(dāng)冷卻效果相同時，用水冷卻比用空氣冷卻的設(shè)備要小得多。大型工業(yè)企業(yè)和用水量大的工廠一般都采用水冷卻。常用的水冷系統(tǒng)可以分成三類，即直流系統(tǒng)、密閉系統(tǒng)和敞開蒸發(fā)系統(tǒng)，后兩種冷卻水都是循環(huán)使用的，故又稱為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

1、 冷卻水系統(tǒng)

用水來冷卻工藝介質(zhì)的系統(tǒng)稱作冷卻水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)通常

有兩種：直流冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

1.1 直流冷卻水系統(tǒng)

在直流冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水僅僅通過換熱設(shè)備一次，用過后水就被排放掉，因此，它的用水量很大，而排出水的溫升卻很小，水中各種礦物質(zhì)和離子含量基本上保持不變。

1.2循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又分封閉式和敞開式兩種。

1.2.1 封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又稱為密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，冷卻水用過后不是馬上排放掉，而是回收再用。

1.2.2 敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

敞開蒸發(fā)系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣、類型最多的一種冷卻系統(tǒng)。它也是以水冷卻移走工藝介質(zhì)或換熱設(shè)備所散發(fā)的熱量，然后利用熱水和空氣直接接觸時將一部分熱水蒸發(fā)出去，而使大部分熱水得到冷卻后，再循環(huán)使用。因此，這樣的系統(tǒng)也稱敞開循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。根據(jù)熱水和空氣接觸方法的不同，可以分成很多類型。敞開循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的分類見表一。

表一  敞開蒸發(fā)系統(tǒng)的分類

              自然冷卻塔

冷 卻 池

                噴淋冷卻池

           噴水式

敞                               開 放 式            橫流式

開                                          點滴式

蒸

發(fā)              自然通風(fēng)

系                                          點滴式、薄膜式

統(tǒng)                               風(fēng) 筒 式

                                    噴水式、點滴薄膜式

冷

卻                                    點滴式

        塔                                    薄膜式        逆流式

  鼓 風(fēng) 式    噴水式

                             點滴薄膜式

     機械通風(fēng)                        點滴式

                                                橫流或逆流式

                     薄膜式       

抽 風(fēng) 式       噴水式

                                                 逆流式

                         點滴薄膜式

冷卻水由循環(huán)泵送往系統(tǒng)中各換熱器，以冷卻工藝熱介質(zhì)，冷卻水本身溫度升高，變成熱水，此循環(huán)水量為R的熱水被送往冷卻塔頂部，由布水管道噴淋到塔內(nèi)填料上?？諝鈩t由塔底百頁窗空隙中進入塔內(nèi)，并被塔頂風(fēng)扇抽吸上升，與落下的水滴和填料上的水膜相遇進行熱交換，水滴和水膜則在下降過程中逐漸變冷，當(dāng)?shù)竭_冷卻水池時，水溫正好下降到符合冷卻水的要求?？諝庠谒?nèi)上升過程中則逐漸變熱，最后由塔頂逸出，同時帶走水蒸氣。這部分水的損失稱為蒸氣損失E。熱水由塔頂向下噴濺時，由于外界風(fēng)吹和風(fēng)扇抽吸的影響，循環(huán)水會有一定的飛濺損失和隨空氣帶出的霧沫夾帶損失。由于這些損失掉的水，統(tǒng)稱為風(fēng)吹損失D。為了維持循環(huán)水中的一定的離子濃度，必須不斷向系統(tǒng)中加入補充水量M和系統(tǒng)外面排出一定的污水。這部分水量稱為排污損失B。

冷卻塔的種類很多，按照塔的構(gòu)造和空氣流動情況來區(qū)分，有自然通風(fēng)冷卻塔和機械通風(fēng)冷卻塔兩大類。按照空氣與水在塔內(nèi)的相對流動情況，又可分為逆流式和橫流式。有關(guān)各種類型冷卻塔的結(jié)構(gòu)和特點，可參閱有關(guān)的參考文獻。機械通風(fēng)冷卻塔冷卻效果最好。設(shè)計中應(yīng)綜合考慮循環(huán)比,其應(yīng)在3～5倍為宜。

2、 濃縮倍數(shù)

循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)是該循環(huán)冷卻水的含鹽量與其補充水的含鹽量之比。

提高循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)，可以降低補充水的用量，從而節(jié)約水資源；還可以降低排污水量，從而減少對環(huán)境的污染和廢水的處理量。此外，提高濃縮倍數(shù)還可以節(jié)約水處理劑的消耗量，從而降低冷卻水處里的成本。但是，過多地提高濃縮倍數(shù)，會使循環(huán)冷卻水中的硬度，堿度和濁度升得太高，水的結(jié)垢傾向增大很多，從而使結(jié)垢控制的難度變得太大；還會使循環(huán)冷卻水中的腐蝕性離子（例如Cl-和SO42-）和腐蝕性物質(zhì)（例如H2S、SO2和NH3）的含量增加，水的腐蝕性增強，從而使腐蝕控制的難度增加；過多地提高濃縮倍數(shù)還會使藥劑（例如聚磷酸鹽）在冷卻水系統(tǒng)內(nèi)的停留時間增長而水解。因此，冷卻水的濃縮倍數(shù)并不是愈高愈好，一般熱電系統(tǒng)可控制5～8倍，化工、煉油2～4倍。

2.1.1節(jié)水量與濃縮倍數(shù)的關(guān)系

現(xiàn)在從節(jié)約水資源的角度看一下補充水量M占循環(huán)水量R的百分比M/R與濃縮倍數(shù)K的關(guān)系，以及每提高一個濃縮倍數(shù)單位時節(jié)約的補充水百分比（以占循環(huán)水量的百分比表示）

   M /R  /    K與濃縮倍數(shù)K的關(guān)系。

   為了有一個定量的概念，我們用下面的例題來說明。

例題  設(shè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)量R為10000m3/h，冷卻塔進口和出口的水溫分別為42℃和32℃，試求濃縮倍數(shù)K分別為1.5~10.0時的補充水量M、排污水量B以及補充水量占循環(huán)水量的百分比M/R。

   解  現(xiàn)以K+2.0時為例進行計算；

蒸發(fā)損失水量E=R·CP·  t/r

=10000×4.187×(42-32)/2401

=174.4(m3/h)

風(fēng)吹損失水量（按0.05%R計）

D=10000×0.05%=5.0(m3/h)

總排污水量    Br=E/(K-1)=174.4/(2.0-1.0)=174.4(m3/h)

排污水量      B=Br-D=174.4-5.0=169.4(m3/h)

補充水量        M=E+Br=174.4+174.4=348.8(m3/h)

式中   CP——水的熱容量（比熱）·kJ/(kg·℃);

t——水的進口溫度與出口溫度之差，℃；

r——水的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg ；

 K——水的濃縮倍數(shù)。

現(xiàn)把K分別為1.5、3.0、4.0……10.0時的M、B、M/R和   M/R  /  K的計算結(jié)果列于表2中。

2.1.2濃縮倍數(shù)的選擇

從表2中可以看到：

隨著循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)K的增加，冷卻水系統(tǒng)的補充水量M和排污水量B都不斷

表2不同濃縮倍數(shù)下冷卻水運行參數(shù)的計算值

減少，因此，提高冷卻水的濃縮倍數(shù)，可以節(jié)約水資源；

但是，每提高一個濃縮倍數(shù)單位（   K=1）所降低的補充水量的百分比   M/R  /   K則隨濃縮倍數(shù)的增加而降低。例如：

當(dāng)濃縮倍數(shù)K由1.0提高到2.0時，補充水量M由10000 m3/h，降低到了348.8m3/h故有：

    M/R   /     K=10000-348.8/10000/(2.0-1.0)=96.5%

當(dāng)濃縮倍數(shù)K由2.0提高到3.0時，則有：

    M/R   /     K=348.8-261.6/10000/(3.0-2.0)=0.87%

當(dāng)濃縮倍數(shù)K由3.0提高到4.0時，則有：

    M/R   /     K=261.6-232.5/10000/(4.0-3.0)=0.29%

當(dāng)濃縮倍數(shù)K由4.0提高到5.0時，則有：

    M/R   /     K=232.5-218.0/10000/(5.0-4.0)=0.14%

由以上的例子中可以看到：

① 在低濃縮倍數(shù)時，提高濃倍數(shù)的節(jié)水效果比較明顯；但當(dāng)濃縮倍數(shù)提高到4.0以上

時，再進一步提高濃縮倍數(shù)的節(jié)水效果就不太明顯了。例如把上述循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)由4.0提高到5.0時，節(jié)約的水量僅占循環(huán)水量的0.14%。因此，一般循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)通常被控制在2.0~4.0左右。

② 與直流冷卻水相比，即使循環(huán)水的濃縮倍數(shù)比較低，例如僅為1.5倍，但此時補充

水即可節(jié)約94.8%（100%—5.2%）。由此可見，從節(jié)約水資源的角度來看，把直流冷卻水改造為濃縮倍數(shù)不太高的冷卻水，就可以節(jié)約大量的淡水資源。因此，直流冷卻水系統(tǒng)的改造與不改造（為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)）是大不一樣的。

     敞開式循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)可以通過調(diào)節(jié)排污水量或補充水量來控制。

2.2 補充水量M（m3/h）

水在循環(huán)過程中，除因蒸發(fā)損失和維持一定的濃縮倍數(shù)而排掉一定的污水外，還由于空氣流由塔頂逸出時，帶走部分水滴，以及管道滲漏而失去部分水，因此補充水是下列各項損失之和。

2.2.1 蒸發(fā)損失E（m3/h）冷卻塔中，循環(huán)冷卻水因蒸發(fā)而損失的水量E與氣候和冷卻幅度有關(guān)，通常以蒸發(fā)損失率a來表示。進入冷卻塔的水量愈大，E也就愈多，以式表示如下：

E=a(R－B)

a=e(t1－t2)

     式中  a — 蒸發(fā)損失率，%；

           R — 系統(tǒng)中循環(huán)水量，m3/h；

           B — 系統(tǒng)中排污水量，m3/h；

           t1、t2 — 循環(huán)冷卻水進、出冷卻塔的溫度，℃；

           e—損失系數(shù)，與季節(jié)有關(guān)，夏季（25～30℃）時為0.15～0.16；冬季（-15～10℃）時為0.06～0.08;春秋季（0～10℃）時為0.10～0.12。

2.2.2 風(fēng)吹損失（包括飛濺和霧沫夾帶）D（m3/h）風(fēng)吹損失除與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速有關(guān)外，還與

冷卻塔的型式和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般自然通風(fēng)冷卻塔比機械通風(fēng)冷卻塔的風(fēng)吹損失要大些。若塔中裝有良好的收水器，其風(fēng)吹損失比不裝收水器的要小些。風(fēng)吹損失通常以占循環(huán)水量R的百分率來估計，其值約為

D=（0.2%～0.5%）R  m3/h

2.2.3 排污水損失 B（m3/h）B的大小，由需要控制的濃縮倍數(shù)和冷卻塔的蒸發(fā)量來確定，其計算下面再討論。

2.2.4 滲漏損失 F （m3/h） 良好的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，管道連接處，泵的進、出口和水池等地方都不應(yīng)該有滲漏。但因管理不善，安裝不好，則滲漏就不可避免。因此在考慮補充水量時，應(yīng)視系統(tǒng)具體情況而定。故補充水量

M=E+D+B+F

3、排污水量 B（m3/h）

   排污水量B的確定與冷卻塔的蒸發(fā)損失E和濃縮倍數(shù)K有關(guān)?？梢酝ㄟ^下列物料衡算的辦法，找出B和E與K的關(guān)系式。

   設(shè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，除了有補充水加入和排污、蒸發(fā)、風(fēng)吹、滲漏等損失外，再沒有其他的水流或溶質(zhì)加入或排出系統(tǒng)，那么整個系統(tǒng)在循環(huán)濃縮過程中，就可以對循環(huán)水中某些不受加熱、沉淀等干擾的溶質(zhì)（如Cl-、Na+、K+等）作物料衡算，得到下面的式子：

MCM=ECE+BCR+DCR+FCR

     式中：CM — 補充水中某種溶質(zhì)的濃度；

           CE — 水蒸氣中某種溶質(zhì)的濃度；

           CR — 循環(huán)冷卻水中某種溶質(zhì)的濃度；

     當(dāng)系統(tǒng)中管道聯(lián)接緊密，不發(fā)生滲漏時，則F=0；當(dāng)冷卻塔收水器效果較好時，風(fēng)吹損失D很小，如略去不計，則上式可簡化為

                                        E

                                B=                 

   K－1  

因此循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行時，只要知道了系統(tǒng)中循環(huán)水量R和濃縮倍數(shù)K，就可以估算出蒸發(fā)量E，排污水量B以及補充水量M等操作參數(shù)?？刂坪眠@些參數(shù)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行也就能正常進行。