工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

文/王園園 中國昆侖工程有限公司 北京 100037

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，是工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的重要部分，而冷卻塔作為主要的耗能設(shè)備，在工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要考慮綜合因素，保證冷卻塔的運(yùn)行效率，以提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性?，F(xiàn)階段，我國大多數(shù)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)存在較多問題，一方面是過度冷卻，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，按照最不利環(huán)境工況來進(jìn)行水泵與風(fēng)機(jī)的選擇，實(shí)際水量與風(fēng)量都低于設(shè)計(jì)工況，造成能耗過大；另一方面則是系統(tǒng)優(yōu)化措施較為單一，針對大能耗設(shè)備，一般選擇結(jié)構(gòu)改造、優(yōu)化臺數(shù)和閥門等布置，沒有將多種優(yōu)化方法進(jìn)行整合。對此，本文基于當(dāng)前工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的問題，提出優(yōu)化性設(shè)計(jì)方案，節(jié)省能耗的同時，提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這樣的環(huán)境背景下，探究工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1、工業(yè)過程冷卻運(yùn)行分析

在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中，由于各個生產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中摩擦、燃燒或是化學(xué)反應(yīng)等因素產(chǎn)生大量的廢熱，造成設(shè)備溫度迅速升高，受到熱脹冷縮的影響，造成系統(tǒng)運(yùn)行誤差，降低精密設(shè)備精度，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題。同時，設(shè)備溫度的上升，會加速各個部分元件的老化，設(shè)備磨損惡化或是發(fā)生故障，繼而引發(fā)工業(yè)事故。對此，在工業(yè)生產(chǎn)中，要嚴(yán)格控制精密儀器、核心設(shè)備、反應(yīng)斧的實(shí)際溫度，以保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量。水本身具備極大的比熱容，在常溫狀態(tài)下呈現(xiàn)液態(tài)，化學(xué)穩(wěn)定性高，便于管路輸送，正是由于水的這些特點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)中常常將水作為生產(chǎn)系統(tǒng)冷卻的媒介。工業(yè)用水量已超過全國用水量的一半，冷卻水用量占工業(yè)用水的90%以上。冷卻水主要是和設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱能進(jìn)行交換，水質(zhì)變化小，若直接排放會造成水資源的浪費(fèi)，因此需要通過冷卻系統(tǒng)來降低水的溫度，達(dá)到重復(fù)使用的目的。

2、工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的組成

如圖1所示，為工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，包括冷卻塔、冷卻池、循環(huán)冷卻水泵以及冷卻水管網(wǎng)等系統(tǒng)。

圖1 工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2.1 閉式冷卻塔

如圖2所示，為閉式冷卻塔運(yùn)行原理，本質(zhì)上屬于一種蒸發(fā)式冷卻塔，由冷卻器、濕式冷卻塔組成，工藝流體經(jīng)管內(nèi)，其空氣會在管外進(jìn)行流通，二者無法接觸，塔底的蓄水池中的水會通過循環(huán)水泵抽出，輸送至管外進(jìn)行均勻噴淋，借助噴淋水的方式提高傳熱傳質(zhì)效果。相比于空冷式熱交換器而言，這種冷卻塔通過管下側(cè)水蒸發(fā)潛熱，大大提高空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)效果，生產(chǎn)效率高，全封閉循環(huán)，避免雜質(zhì)進(jìn)入而污染水質(zhì)，占地面積小，操作便利，這是本文選擇閉式冷卻塔的主要原因。

圖2 閉式冷卻塔運(yùn)行原理

2.2 循環(huán)冷卻水泵

循環(huán)冷卻水泵主要對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)控制，把冷卻池中經(jīng)過冷卻的水及時輸送至用戶端吸熱，之后送回到冷卻塔中進(jìn)行降溫，最終回到冷卻水池中，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)各個工作設(shè)備的換熱降溫。大多數(shù)循環(huán)冷卻水泵以離心泵為主，運(yùn)用泵性能曲線進(jìn)行描述，包括Q-H曲線、Q-ηP曲線、Q-Np曲線等，其轉(zhuǎn)速不同會對應(yīng)不同的性能曲線，通過管網(wǎng)阻力計(jì)算可獲得揚(yáng)程曲線，而聯(lián)立水泵Q-H曲線、管網(wǎng)需要揚(yáng)程曲線的交點(diǎn)就是循環(huán)冷卻水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)。

2.3 換熱設(shè)備

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行中，按照用戶熱負(fù)荷需求進(jìn)行循環(huán)水進(jìn)出溫度與水量的計(jì)算。用戶換熱器包括冷凝器、凝汽器和換熱器等，以管殼式換熱器為主，通過殼程與管程進(jìn)行傳熱介質(zhì)的輸送。當(dāng)冷側(cè)介質(zhì)通過管程、熱側(cè)介質(zhì)通過殼程時，二者會出現(xiàn)逆向流動，以間壁式接觸換熱為主，提高換熱能力?？紤]到傳熱性能的提高，采用提高傳熱系數(shù)或是增加傳熱平均溫差的方式，依托于換熱器換熱交換原理，其運(yùn)行方程式為： ，其中q為冷熱流體總換熱量，h為換熱器傳熱系數(shù)，s為換熱器表面換熱面積， 為換熱面冷熱流體熱交換溫差。

2.4 冷卻水管網(wǎng)

冷卻水管網(wǎng)主要用于連接各個設(shè)備，保證冷卻水循環(huán)與換熱。管網(wǎng)多采用碳鋼管道，管徑范圍大，輸水損失最低，便于安裝和運(yùn)輸，符合循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的要求。由于系統(tǒng)運(yùn)行中存在水分蒸發(fā)或是風(fēng)吹損失的現(xiàn)象，會惡化循環(huán)水PH值，提高水中陰陽離子量，嚴(yán)重腐蝕冷卻水管網(wǎng)中的管路。對此，結(jié)合設(shè)備腐蝕情況，工業(yè)上選擇化學(xué)處理技術(shù)，添加緩釋阻垢劑或是氧化劑的方式，實(shí)施工業(yè)循環(huán)水處理，提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的水質(zhì)，進(jìn)而保證水質(zhì)穩(wěn)定。

結(jié)語：

綜上所述，在工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)工業(yè)冷卻運(yùn)行過程，確定用水量和系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，從閉式冷卻塔、循環(huán)冷卻水泵、換熱設(shè)備、冷卻水管網(wǎng)等入手，設(shè)計(jì)最佳的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行效率和使用功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。