環(huán)境實(shí)驗(yàn)室冷卻塔選型及使用注意事項(xiàng)

楊東，黃增波，馮偉明，李視坤，楊博

（青島航天瑞萊海檢科技有限公司，青島 266000）

引言

環(huán)境實(shí)驗(yàn)室通常分為力學(xué)環(huán)境檢測、氣候環(huán)境檢測和綜合環(huán)境檢測三個(gè)版塊，配備的檢測設(shè)備主要有：振動(dòng)臺(tái)、沖擊臺(tái)、搖擺臺(tái)、溫濕度箱、鹽霧箱、霉菌箱等。其中的多數(shù)檢測設(shè)備正常工作情況下都需要進(jìn)行冷卻降溫，比如振動(dòng)臺(tái)、溫濕度箱等，而降溫方式最常見的類型就是風(fēng)冷和水冷。通常來講，風(fēng)冷方案適用于小型檢測設(shè)備，水冷方案適用于中大型檢測設(shè)備。中大規(guī)模的環(huán)境及可靠性實(shí)驗(yàn)室，其檢測設(shè)備產(chǎn)生的換熱量規(guī)模在1 500 kW以上，常規(guī)的風(fēng)冷方案難以同時(shí)滿足如此大規(guī)模的換熱量需求，水冷方案就成為首選方案，而冷卻塔就是水冷方案中最為常見的冷卻設(shè)備之一。

本文總結(jié)實(shí)驗(yàn)室籌建過程中冷卻塔選型、安裝、使用及維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為類似實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供有價(jià)值的參考。

1 冷卻塔選型

1.1 冷卻塔的類型及優(yōu)缺點(diǎn)分析

冷卻塔最簡單的分類形式有閉式和開式兩種，兩種形式的冷卻塔均可滿足冷卻需求。閉式冷卻塔的水循環(huán)路徑為封閉結(jié)構(gòu)，擁有內(nèi)-外兩個(gè)獨(dú)立循環(huán)，內(nèi)循環(huán)用于將設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走，外循環(huán)是將內(nèi)循環(huán)的水冷卻。開式冷卻塔的水循環(huán)路徑為非封閉結(jié)構(gòu)，水循環(huán)路徑中的水箱為敞開式，循環(huán)水直接與空氣接觸。表1為閉式冷卻塔和開式冷卻塔優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

冷卻塔的設(shè)計(jì)壽命在10年以上，從冷卻方式、冷卻效果、運(yùn)維費(fèi)用等綜合考慮，閉式冷卻塔要優(yōu)于開式冷卻塔。環(huán)境及可靠性實(shí)驗(yàn)室通常配備閉式冷卻塔。

1.2 閉式冷卻塔選型需考慮的因素

本文以公司籌建過程中某一臺(tái)冷卻塔的選型為例，介紹閉式冷卻塔選型時(shí)需考慮的因素。

1.2.1 總流量L

通常來講，一臺(tái)閉式冷卻塔同時(shí)滿足多臺(tái)檢測設(shè)備的冷卻需求，冷卻塔總流量要大于各檢測設(shè)備所需冷卻水流量之和。冷卻塔總流量計(jì)算公式如下：

式中：

L—冷卻塔總流量，m3/h；

Li—各檢測設(shè)備所需冷卻水流量，

φ—選型余量系數(shù)，1.2～1.25，取1.2。

根據(jù)公式（1），得L=150 m3/h。

1.2.2 冷卻塔出水溫度T2

環(huán)境及可靠性檢測設(shè)備進(jìn)水溫度一般要求不高于32 ℃（具體參照設(shè)備技術(shù)參數(shù)），因此，要求冷卻塔出水溫度一般不高于32 ℃。

取T2=32 ℃。

1.2.3 冷卻塔進(jìn)出水溫差ΔT

冷卻塔進(jìn)出水溫差一般設(shè)計(jì)為5 ℃。

則冷卻塔進(jìn)水溫度T1=37 ℃。

1.2.4 冷卻塔出水壓力P

根據(jù)環(huán)境及可靠性檢測設(shè)備使用技術(shù)參數(shù)要求，冷卻水壓力在0.25～0.4 MPa之間，考慮到管路沿程損失、過濾器等局部損失，冷卻塔設(shè)計(jì)壓力一般在0.5 MPa左右。

1.2.5 冷卻塔換熱面積S

冷卻塔換熱面積計(jì)算過程如下：

1）計(jì)算冷卻塔換熱量Q：

式中：

Q—冷卻塔換熱量，kW；

c1—水的比熱容，4.186 kJ/（kg·℃）；

m1—冷卻塔內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/s；

ΔT —冷卻塔進(jìn)出水溫差，℃。

根據(jù)公式（2），得Q=872.08 kW。

2）計(jì)算冷卻塔風(fēng)量：

式中：

Q—冷卻塔換熱量，kW；

m2—冷卻塔外循環(huán)空氣質(zhì)量流量，kg/s；

Δh —冷卻塔外循環(huán)進(jìn)出空氣的焓差，kJ/kg。

青島地區(qū)夏季室外計(jì)算干球溫度為To1=29℃，室外計(jì)算濕球溫度為Ts1=26℃，室外計(jì)算相對(duì)濕度Φ=79 %RH[1]。查詢濕空氣參數(shù)表[2]得到閉式冷卻塔進(jìn)口空氣的焓值h1=80.45 kJ/kg，進(jìn)口含濕量d1=20.07 g/kg，進(jìn)口比容v1=0.883 6 m3/kg。

表1 閉式冷卻塔和開式冷卻塔優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

冷卻塔外循環(huán)空氣質(zhì)量流量m2計(jì)算公式[3]如下：

式中：

λ—?dú)馑?，?duì)于ΔT=5 ℃的低溫閉式冷卻塔來，一般λ在0.5～0.9之間，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)通常取0.7左右。

計(jì)算得m2=29.2 kg/s。

根據(jù)公式（3）、（4），閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2計(jì)算如下：計(jì)算得h2=110.32 kJ/kg。

一般閉式冷卻塔出口的空氣相對(duì)濕度為80～95 %RH，可取85 %RH進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2和出口空氣的相對(duì)濕度，查濕空氣參數(shù)表，可以確定出口狀態(tài)空氣的各個(gè)參數(shù)：

出口空氣干球溫度為To2=34.26 ℃，出口空氣濕球溫度為Ts2=31.94 ℃。

影響噴淋水溫度的因素有很多，噴淋水溫度接近出口濕球溫度，取噴淋水溫度Tx= Ts2=31.94 ℃。

3）計(jì)算冷卻塔換熱面積。

式中：

S—盤管換熱面積，m2；

ΔTm—對(duì)數(shù)傳熱溫差，=5.05 ℃；

K—盤管傳熱系數(shù)，kW/( m2·℃)，紫銅制作的盤管，管壁薄，換熱效果良好，紫銅管的傳熱系數(shù)為1 000～1 200 W/( m2·℃)，取K=1 100 W/( m2·℃)。

通過計(jì)算得到S=157 m2。此數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證冷卻塔廠家提供的設(shè)計(jì)換熱面積是否合理。

1.2.6 冷卻塔主管路及分支管路管徑

冷卻塔主管路管徑D計(jì)算公式如下：

式中：

L—冷卻塔流量，m3/h；

u—冷卻水流速，m/s；

D—冷卻塔主管路管徑，mm。

根據(jù)公式（7）可知，管徑D與流速u成反比，在流量L不變的情況下，流速u越大，管徑D越小，優(yōu)點(diǎn)是管材采購?fù)顿Y少、施工方便，缺點(diǎn)是管路阻力大、沿程壓力損失大；反之，流速u越小，管徑D越大，優(yōu)點(diǎn)是管路阻力小、沿程壓力損失小，缺點(diǎn)是管材采購?fù)顿Y大、施工費(fèi)時(shí)。因此，管徑大小要綜合考慮采購費(fèi)用、施工難度、管路阻力等因素。冷卻塔冷卻水流速u推薦范圍為1～3 m/s。當(dāng)u=2.4 m/s、D=150 mm時(shí)，流量L=152.7 m3/h；當(dāng)u=1.4 m/s、D=200 mm時(shí)，流量L=158.3 m3/h；當(dāng)u=0.6 m/s、D=300 mm時(shí)，流量L=152.7 m3/h。這三種情況與已知流量L=150 m3/h接近，綜合考慮采購費(fèi)用、施工難度、管路阻力等因素后，可選擇主管路管徑D=150 mm，對(duì)應(yīng)流速u=2.4 m/s。

分支管路管徑一般要求其管徑不小于檢測設(shè)備預(yù)留冷卻水接口的管徑。

1.2.7 冷卻塔外殼

外殼材質(zhì)常用的有鍍鋅鋁板、鍍鋅噴塑板、304不銹鋼板、鋁塑板等。設(shè)備外殼的好壞直接影響噴淋泵、冷卻風(fēng)機(jī)能否正常工作，同時(shí)會(huì)影響冷卻塔日常維護(hù)的工作量和費(fèi)用，進(jìn)而會(huì)影響到冷卻塔的使用壽命。設(shè)備外殼若不耐腐蝕，則會(huì)出現(xiàn)外殼銹跡斑斑的景象，影響美觀。噴淋水箱生銹腐蝕甚至還會(huì)導(dǎo)致水箱漏水，水箱底部長期淤積的金屬銹混雜砂石還會(huì)堵塞噴淋泵，造成噴淋泵燒毀等嚴(yán)重后果。因此，冷卻塔外殼材質(zhì)的選型十分關(guān)鍵，選擇不當(dāng)會(huì)給運(yùn)維帶來無窮無盡的麻煩。一般情況下，外殼選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)的鍍鋅鋁板，耐腐蝕，經(jīng)濟(jì)；鍍鋅噴塑板、鋁塑板不宜使用在沿海地區(qū)；資金充裕的條件下，首選304不銹鋼材質(zhì)。

1.2.8冷卻塔防凍措施

冬季，華北黃河流域的氣溫一般在-15 ℃左右，在該地區(qū)乃至以北的地方使用冷卻塔要采取防凍措施。

主管路、循環(huán)水箱和散熱盤管的防凍，主要采用注入防凍液措施，防凍液冷凝溫度要根據(jù)水塔使用地冬季歷年平均最低氣溫來選擇，一般不高于使用地冬季歷年來的平均最低氣溫。噴淋水箱要安裝有安全可靠的加熱絲，并配有溫控系統(tǒng)，保證水溫在低于設(shè)置的極限溫度時(shí)開啟加熱絲，水溫高于設(shè)置溫度時(shí)停止加熱。

噴淋泵及噴淋水箱供水管的防凍措施也應(yīng)考慮，可在噴淋泵及供水管表面纏繞加熱帶或保溫層，并配備溫控系統(tǒng)，工作原理同加熱絲。如此，在冷卻塔停機(jī)工況下，通過以上措施可以保證主管路、循環(huán)水箱、散熱盤管、噴淋系統(tǒng)不會(huì)結(jié)冰。如果缺少了防凍措施，輕則主管路、循環(huán)水箱、散熱盤管、主泵、噴淋泵、噴淋池結(jié)冰，重則導(dǎo)致主管路、循環(huán)水箱、散熱盤管、主泵、噴淋泵破裂，冷卻塔無法正常工作。

2 閉式冷卻塔安裝

閉式冷卻塔安裝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，安裝質(zhì)量高低直接影響到冷卻塔能否正常使用，同時(shí)對(duì)以后的運(yùn)維也有直接影響。

2.1 管路材質(zhì)

冷卻塔管路材質(zhì)對(duì)冷卻效果有直接或間接影響，選擇不當(dāng)會(huì)直接導(dǎo)致生銹，堵塞檢測設(shè)備換熱器，影響換熱效果，還可能損壞主泵葉片。冷卻塔管路材質(zhì)有熱鍍鋅管、襯塑復(fù)合壓力鋼管、銅管、不銹鋼管、UPVC管。

熱鍍鋅管在冷卻塔中廣泛使用，造價(jià)低、易安裝，一般是冷卻塔管道的首選。安裝時(shí)優(yōu)先采用溝槽式連接方式，不建議采用焊接工藝，因?yàn)楹附訒?huì)導(dǎo)致鍍鋅層破壞，遇水容易生銹；溝槽連接方式因不破壞鍍鋅管的鍍鋅層，在一定程度上可以大大減小管道生銹的概率。熱鍍鋅管作為管路，最大的缺點(diǎn)是對(duì)水質(zhì)要求極高，一般要求去離子水或蒸餾水（電導(dǎo)率≤5 μs/cm，硬度≤30 ppm）。軟化水或自來水會(huì)使管道內(nèi)壁生銹，銹垢會(huì)嚴(yán)重污染水質(zhì)，銹垢吸附在管道內(nèi)壁上，會(huì)嚴(yán)重降低管道流量；銹垢脫落在管路中循環(huán)，還會(huì)嚴(yán)重銹蝕管道泵葉片，同時(shí)會(huì)引起檢測設(shè)備換熱器堵塞。

銅管和不銹鋼管屬于壓力管道中造價(jià)比較高的，銅管在大口徑使用時(shí)安裝性能和經(jīng)濟(jì)性能皆不理想，因此其很難應(yīng)用在大口徑冷卻水主管路中。不銹鋼管的優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕，可以有效避免生銹問題，是水塔管道系統(tǒng)中常用的材質(zhì)之一。

UPVC管是一種非金屬管材，無毒、耐腐蝕、質(zhì)量輕、不結(jié)垢、價(jià)格低，采用粘接方式進(jìn)行安裝。缺點(diǎn)是自身剛性、耐壓性和穩(wěn)定性差，不適合大口徑主管路（直徑大于DN100）和架高安裝，因此在閉式冷卻塔系統(tǒng)中不常用。

襯塑復(fù)合壓力鋼管兼具熱鍍鋅管與UPVC管的優(yōu)點(diǎn)，既有鋼管的強(qiáng)度，又有塑料管的耐腐蝕性、流體阻力小的特點(diǎn)，造價(jià)低于不銹鋼管，因此也是冷卻塔主管路材質(zhì)中優(yōu)先選擇的類型。

2.2 管路與檢測設(shè)備間連接用管

管路與檢測設(shè)備之間常用的連接用管一般有三類：橡膠管、不銹鋼絲軟管和硬管（UPVC、PPR、熱鍍鋅管）。三類管材耐壓性能都很好，其中，橡膠管和不銹鋼絲軟管是軟連接，安裝方便，也便于設(shè)備挪動(dòng)，尤其適合為三綜合試驗(yàn)箱預(yù)留出前后左右移動(dòng)的距離。

2.3 管路與檢測設(shè)備間連接用管的連接方式

管路與檢測設(shè)備之間連接用管的連接方式取決于選用管類型，一般情況下橡膠管采用卡箍式連接，不銹鋼軟管和熱鍍鋅管優(yōu)選螺紋連接，UPVC管多用粘接方式，PPR管采取熱熔方式。

卡箍式連接最為簡便，施工/拆卸都很方便，不易泄漏。螺紋連接方式除螺紋制作需要專用的設(shè)備輔助外，還對(duì)密封有較高的要求，常見的螺紋密封方式有四種：生料帶、麻皮、鉛油和橡膠墊，其中鉛油密封需要生料帶或麻皮在外層包裹。一般管道壓力較小時(shí)多用生料帶和麻皮密封，壓力較大時(shí)可選用橡膠墊密封；鉛油多用在管道口徑比較大的情況下。粘接方式只適用于PVC類的管道，操作比較簡單，但不適合壓力大的場合。PPR熱熔方式對(duì)操作者要求高，熱熔時(shí)間和方式需要把握好，否則自然冷卻后容易漏水。

2.4 分支管路上的閥門、過濾網(wǎng)

冷卻塔分支管路上都要安裝截止閥門，以便于檢測設(shè)備維修或清洗過濾網(wǎng)時(shí)斷水。

檢測設(shè)備冷卻水入口處要安裝Y型過濾器，過濾器可以攔截管道里的雜物，從而可以有效避免檢測設(shè)備換熱器堵塞。

2.5 管路上的放氣閥、壓力表、旁通閥、排水閥

冷卻塔主管路要安裝放氣閥，放氣閥的位置一般安裝在管路最高處。放氣閥的作用是在冷卻塔首次投入運(yùn)行時(shí)將管路里的空氣排空，從而快速將冷卻水的壓力和流量建立起來。為了方便觀察，建議在冷卻塔主機(jī)入口管道上再安裝一個(gè)放氣閥，這樣做一是方便放氣操作，二是結(jié)合入口處的壓力表，可以很清楚地看到壓力波動(dòng)情況，從而判斷出管道里是否還有空氣。

冷卻塔主管路和分支管路上均要安裝壓力表。每對(duì)分支管路的供水和回水管路上各安裝一個(gè)壓力表，可以清楚地了解到進(jìn)水壓力和回水壓力的壓差，壓差也是判斷冷卻塔冷卻能力的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)，主管路也是同樣的道理。壓力表盡量選用耐震壓力表，其可靠性好。壓力表緩沖管和閥門要選用耐腐蝕材質(zhì)，否則一旦發(fā)生腐蝕、破裂，更換起來十分麻煩。

冷卻塔主管路末端常用旁通閥連接，一方面是可操作性強(qiáng)，二是可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)管道壓力可調(diào)。

冷卻塔主管路要安裝排水閥，一是用于冷卻塔投入使用前或運(yùn)維時(shí)的管路沖洗，二是用于更換冷卻介質(zhì)時(shí)排水。排水閥的位置一般位于主管道最低處，便于管道水釋放干凈。排水閥大小一般選用DN50的球閥，節(jié)約排水時(shí)間。排水閥數(shù)量可設(shè)置1～2個(gè)。

2.6 循環(huán)水箱的位置

冷卻塔循環(huán)水箱的位置高低沒有要求，前提是回水管路裝有止回閥，否則水箱位于低處時(shí)，水塔停機(jī)后管道水回流會(huì)造成水箱溢水。如若回水管路沒有止回閥，而且水箱位置低于管路最高處，就會(huì)出現(xiàn)以下問題：①冷卻塔停機(jī)后，管路里的水從高處跌落造成倒灌，水箱發(fā)生噴水現(xiàn)象；②倒灌后會(huì)使管路里進(jìn)入空氣，再次開啟會(huì)將水箱吸癟或鼓包，輕則導(dǎo)致水箱變形、法蘭軟連接嚴(yán)重變形，重則水箱破裂，無法使用。

2.7 循環(huán)水泵的防護(hù)

閉式冷卻塔循環(huán)水泵應(yīng)做遮擋措施（可制作成帶斜度的遮擋），防止水泵受到雨雪風(fēng)沙的侵害和陽光暴曬。

3 閉式冷卻塔使用及維護(hù)

3.1 噴淋池

冷卻塔噴淋水箱因?yàn)椴皇敲荛]系統(tǒng)，灰塵、樹葉、昆蟲等很容易因?yàn)槔鋮s風(fēng)機(jī)的抽吸作用進(jìn)入到噴淋水箱里。時(shí)間一長，積攢的上述物體就會(huì)污染噴淋池的水質(zhì)，導(dǎo)致噴淋水箱過濾網(wǎng)堵塞，噴淋水量減少甚至沒有，噴淋泵空轉(zhuǎn)或甚至燒毀；被污染的水質(zhì)噴淋到換熱盤管表面，引起表面積灰，大大降低盤管的換熱能力，進(jìn)而導(dǎo)致檢測設(shè)備冷卻量需求不夠而發(fā)生停機(jī)現(xiàn)象。

因此，噴淋水箱是維護(hù)的重點(diǎn)部位之一，根據(jù)噴淋水質(zhì)污染情況，建議每周就要清理一遍噴淋水箱，確保噴淋水質(zhì)潔凈。浮球是實(shí)現(xiàn)噴淋池自動(dòng)補(bǔ)水的核心部件，屬于容易損壞部件，運(yùn)維時(shí)要經(jīng)常巡查，確保浮球能正常使用。噴淋水箱過濾網(wǎng)容易堵塞，應(yīng)定期清理，噴淋水量明顯減少是過濾網(wǎng)堵塞的標(biāo)志。過濾網(wǎng)要選用長圓筒狀的，不可選擇平面型的，根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，安裝平面型過濾網(wǎng)，最多一個(gè)星期就會(huì)將過濾網(wǎng)堵塞。

3.2 冷卻風(fēng)扇

冷卻塔冷卻風(fēng)扇是外循環(huán)的核心部件，起到為內(nèi)循環(huán)降溫的作用。運(yùn)維時(shí)要定期查看風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)情況，仔細(xì)辨別風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是否有異響、是否平穩(wěn)，同時(shí)要查看防護(hù)網(wǎng)是否有生銹、破損或脫落的情形。防護(hù)網(wǎng)生銹并脫落后，嚴(yán)重影響風(fēng)扇的正常運(yùn)行，脫落的防護(hù)網(wǎng)與風(fēng)扇葉片碰觸，輕則劃傷葉片，重則損壞葉片。因此，耐腐蝕防護(hù)網(wǎng)十分有必要，可在冷卻塔選型時(shí)提出要求。運(yùn)維時(shí)發(fā)現(xiàn)防護(hù)網(wǎng)生銹，要及時(shí)做防銹處理；銹蝕嚴(yán)重的，要及時(shí)更換。

3.3 防腐

位于室外的管路因長期暴露在陽光、雨水、鹽分、酸或堿性物質(zhì)的綜合作用下，很容易發(fā)生腐蝕。因此，為提高管路使用壽命并兼顧美觀性，對(duì)管路定期進(jìn)行防腐處理很有必要。

對(duì)于沒有采用耐腐蝕材質(zhì)的外殼、噴淋池（其危害已在前面講述，此處不再贅述），也應(yīng)定期進(jìn)行防腐處理。

3.4 防凍

冷卻塔防凍至關(guān)重要（其危害已在前面講述，此處不再贅述）。對(duì)于沒有防凍措施的冷卻塔，要按照前述“冷卻塔防凍措施”講述的及時(shí)加裝防凍措施。

4 結(jié)論

本文分析了環(huán)境實(shí)驗(yàn)室冷卻塔選型需考慮的八個(gè)因素，指明了冷卻塔安裝、使用及運(yùn)維過程中需要注意的十一項(xiàng)內(nèi)容。本文可以指導(dǎo)解決冷卻塔選型過程中遇到的流量、換熱面積等核心參數(shù)的計(jì)算方法問題，以及使用過程中遇到的管路布置方案、流量不足或分布不均、壓力不足、密封失效、防腐防凍等問題，有助于縮短冷卻塔選型時(shí)間并延長其使用壽命。