公用工程領(lǐng)域高效循環(huán)冷卻塔技術(shù)的研究

賀 康 楊力會(huì)

（玖龍紙業(yè)（天津）有限公司 天津 301509）

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多環(huán)節(jié)需要設(shè)備提供各種形式的能量，而設(shè)備消耗能源的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，為保證設(shè)備正常運(yùn)行，冷卻塔作為一種保障性設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，很多冷卻塔是用水作為循環(huán)制冷劑，此種冷卻塔又稱“冷卻水塔”“循環(huán)冷卻塔[1]”等，本文主要研究對象是使用水作為冷卻劑[1]的循環(huán)冷卻塔，對其進(jìn)行創(chuàng)新性研究，從日常工況下存在的一些問題入手，針對性地提供解決方案，改變設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程，從而解決設(shè)備運(yùn)行中的常見問題。

1 技術(shù)背景

冷卻塔[1]是以水作為循環(huán)制冷劑，將系統(tǒng)中吸收的熱量排放至大氣中以降低水溫的裝置；它利用水與空氣的流動(dòng)接觸進(jìn)行冷熱交換產(chǎn)生蒸汽，蒸汽揮發(fā)帶走熱量通過蒸發(fā)散熱、對流傳熱和輻射傳熱等原理散去工業(yè)生產(chǎn)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的余熱，達(dá)到降低水溫，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

冷卻塔一般包括布設(shè)在塔體內(nèi)的噴淋管[2]，設(shè)置在塔體底部的進(jìn)風(fēng)口和設(shè)置在塔體頂部的出風(fēng)口，噴淋管上設(shè)置有噴頭。工作時(shí)，將需要冷卻的熱水通入噴淋管，并從噴淋頭噴出，然后冷空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入塔體內(nèi)并與噴頭噴出的熱水進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)冷卻效果。

2 擬解決問題

目前，工廠多數(shù)為集中設(shè)置，且冷卻塔設(shè)置于工業(yè)區(qū)各個(gè)工廠的內(nèi)部，其區(qū)域內(nèi)的空氣中會(huì)含有酸堿氣體以及較多的細(xì)菌或者塵土等雜質(zhì)，當(dāng)使用該空氣直接對冷卻塔中的循環(huán)水進(jìn)行冷卻時(shí)，循環(huán)水非常容易吸收空氣中攜帶的雜質(zhì)，造成冷卻塔臟堵或腐蝕，影響冷卻塔的使用壽命，對換熱效率也會(huì)造成影響。而且現(xiàn)有的冷卻塔在使用時(shí)，循環(huán)水[2]與冷空氣的熱交換效率較低，也就是冷卻效率低。另外臟堵現(xiàn)象會(huì)顯著增加設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)成本，從而升高生產(chǎn)成本，降低企業(yè)利潤空間。

3 技術(shù)方案

3.1 技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，提出本技術(shù)方案，改變原有常規(guī)冷卻塔結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)一種新型高吸循環(huán)冷卻塔（如圖1），該技術(shù)方案包括底座和固定安裝在底座上的塔體，塔體的底部側(cè)壁上固定安裝有過濾箱，塔體和過濾箱通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行連通，底座上還安裝有鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)的輸風(fēng)口通過管道與過濾箱進(jìn)行連通，塔體的內(nèi)部由上到下分別固定設(shè)置有進(jìn)水管、濾板、布?xì)庋b置和集水槽[2]，濾板和布?xì)庋b置之間設(shè)置有填料區(qū)，進(jìn)水管上設(shè)置有若干個(gè)噴水頭，塔體的頂部側(cè)壁上固定安裝有出氣箱，塔體和出氣箱通過通風(fēng)口相連通，且出氣箱的頂部設(shè)置有出風(fēng)口。

圖1 新型冷卻塔的剖視圖

設(shè)置過濾箱對鼓風(fēng)機(jī)鼓入的空氣進(jìn)行過濾，以除去其中的灰塵等雜質(zhì)，保證進(jìn)入冷卻塔內(nèi)空氣的潔凈度，從而在與循環(huán)水進(jìn)行接觸熱交換時(shí)，防止循環(huán)水受污染，進(jìn)而解決冷卻塔臟堵和腐蝕等問題；設(shè)置布?xì)庋b置，用于將冷空氣進(jìn)行分布，使冷空氣在冷卻塔中均勻地進(jìn)行流通，同時(shí)冷空氣和循環(huán)水通過布?xì)庋b置進(jìn)行進(jìn)一步接觸和熱交換，可以提高熱交換的效率。過濾箱內(nèi)壁上依次固定設(shè)置有初級(jí)過濾層、中級(jí)過濾層和吸附層?？梢猿ジ鞣N雜質(zhì)和有害成分。

3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

（1）本方案冷卻塔包括底座和固定安裝在底座上的塔體，其特征在于：塔體的底部側(cè)壁上固定安裝有過濾箱，塔體和過濾箱通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行連通，底座上還安裝有鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)的輸風(fēng)口通過管道與過濾箱進(jìn)行連通。塔體的內(nèi)部由上到下分別固定設(shè)置有進(jìn)水管、濾板、布?xì)庋b置和集水槽，濾板和布?xì)庋b置之間設(shè)置有填料區(qū)，進(jìn)水管上設(shè)置有若干個(gè)噴水頭。塔體的頂部側(cè)壁上固定安裝有出氣箱，塔體和出氣箱通過通風(fēng)口相連通，且出氣箱的頂部設(shè)置有出風(fēng)口。

（2）噴水頭為頂面圓球狀，且噴水頭側(cè)壁的各個(gè)方向上設(shè)置有若干個(gè)噴水孔。在本技術(shù)方案中，圓球狀噴水頭噴水孔朝向各個(gè)方向，便于在噴水時(shí)使循環(huán)水分布均勻。塔體的內(nèi)壁上還設(shè)置有擋氣板，擋氣板與集水槽之間的角度α 為60°—75°。出氣箱緊鄰出風(fēng)口的內(nèi)壁上固定設(shè)置有防飄水器，防飄水器位于出風(fēng)口的上側(cè)。塔體的頂壁傾斜設(shè)置，塔體的頂壁與底壁之間的角度為45°。出氣箱的底壁傾斜設(shè)置，出氣箱底壁鄰近塔體一端的高度低于遠(yuǎn)離塔體一端的高度。集水槽[2]上設(shè)置有排出口，排水口連通有排水管道，排水管道貫穿塔體的側(cè)壁設(shè)置。

3.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)介紹

以上對本技術(shù)方案的運(yùn)行原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單闡述，但所述內(nèi)容僅為本技術(shù)方案的較佳技術(shù)措施，不能被認(rèn)為僅限于本技術(shù)方案的實(shí)施范圍。凡依本技術(shù)方案表述范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均可認(rèn)為屬于本技術(shù)方案的創(chuàng)新內(nèi)容/思路涵蓋范圍之內(nèi)，圖2至圖5 分別是對重點(diǎn)創(chuàng)新部位進(jìn)行具體展示。

圖2 圖1中C結(jié)構(gòu)的放大圖

圖3 新型冷卻塔中布?xì)庋b置的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，在本技術(shù)方案中，過濾箱內(nèi)壁上依次固定設(shè)置有初級(jí)過濾層、中級(jí)過濾層和活性炭吸附層。冷空氣依次通過初級(jí)過濾層和中級(jí)過濾層進(jìn)行過濾，除去其中的灰塵等顆粒雜質(zhì)，之后再經(jīng)過活性炭吸附層吸附除去其中的酸性、堿性等有害性成分，凈化后的冷空氣再由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入塔體內(nèi)與循環(huán)水進(jìn)行熱交換。

圖4 新型冷卻塔中布?xì)庋b置的俯視圖

圖5 圖4中A-A剖視圖

如圖3-5 所示，在本技術(shù)方案中布?xì)庋b置包括固定板和布?xì)獍?，固定板固定安裝在塔體的內(nèi)壁上，布?xì)獍骞潭ò惭b在固定板的底壁上，布?xì)獍鍨閮?nèi)部中空且橫截面為圓環(huán)狀的梯形圓臺(tái)，布?xì)獍宓膬?nèi)壁上由上到下分別設(shè)置有第一水槽、第二水槽和流通槽，第二水槽將第一水槽和流通槽進(jìn)行連通；布?xì)獍宓膫?cè)壁上開設(shè)有若干個(gè)布?xì)饪住９潭ò鍖⒉細(xì)庋b置與塔體固定連接，布?xì)獍迳显O(shè)置有若干個(gè)布?xì)饪子糜诶淇諝馔ㄟ^，布?xì)獍逶O(shè)置為梯形圓臺(tái)狀，便于將冷空氣通過布?xì)饪兹轿贿M(jìn)行分布，以實(shí)現(xiàn)與循環(huán)水大范圍進(jìn)行接觸換熱；同時(shí)布?xì)獍宓膬?nèi)壁上設(shè)置第一水槽、第二水槽和流通槽，換熱后的循壞水先由第一水槽和第二水槽進(jìn)行匯集，之后經(jīng)過流通槽流入集水槽內(nèi)排出使用；循環(huán)水通過布?xì)獍迮c冷空氣接觸可以進(jìn)一步提高換熱效率，同時(shí)，布?xì)獍蹇梢允寡h(huán)水有序的注入到集水槽內(nèi)。

如圖6 所示，在本技術(shù)方案中，進(jìn)水管包括第一進(jìn)水管、環(huán)形管和若干個(gè)支管，環(huán)形管通過第一進(jìn)水管連通外界的循環(huán)水，第一進(jìn)水管貫穿塔體的側(cè)壁設(shè)置，且第一進(jìn)水管和環(huán)形管相連通，環(huán)形管的內(nèi)部設(shè)置有若干個(gè)支管，支管的兩端均與環(huán)形管相連通，環(huán)形管和支管上設(shè)置有若干個(gè)噴水頭。環(huán)形管圍繞整個(gè)塔體的內(nèi)壁進(jìn)行設(shè)置，且其中設(shè)置有多個(gè)支管，且支管和環(huán)形管上均安裝有若干個(gè)噴水頭，多個(gè)噴水頭同時(shí)設(shè)置進(jìn)行噴水可以使得循環(huán)水均勻分布，進(jìn)而加大與冷空氣的接觸面積，提高熱交換效率。

圖6 圖1中A-A剖視圖

4 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）本技術(shù)方案設(shè)置有過濾箱，空氣通過過濾后再進(jìn)入塔體內(nèi)與循環(huán)水進(jìn)行熱交換，可以將空氣中的雜質(zhì)過濾掉，從而防止循環(huán)水被污染，從根源上解決冷卻塔臟堵以及腐蝕的問題；設(shè)置布?xì)庋b置便于空氣與循環(huán)水的接觸，提高熱交換效率。

（2）本技術(shù)方案中的布?xì)庋b置上設(shè)置有第一水槽、第二水槽和流通槽，且布?xì)獍迳祥_有若干個(gè)布?xì)饪?，?jīng)過熱交換后的循環(huán)水由填料區(qū)進(jìn)入到布?xì)庋b置內(nèi)，先由第一水槽和第二水槽進(jìn)行蓄積，之后通過流通槽流入到集水槽內(nèi)排出。冷空氣通過布?xì)饪紫蛏弦苿?dòng)，其循環(huán)水和冷空氣通過布?xì)庋b置接觸而進(jìn)行進(jìn)一步換熱，從而可以有效地提高換熱效率，同時(shí)布?xì)獍蹇梢允寡h(huán)水有序的排入到集水槽內(nèi)。

（3）本技術(shù)方案改造實(shí)施后會(huì)明顯降低噴淋系統(tǒng)的臟堵現(xiàn)象，另外水箱內(nèi)的污泥和結(jié)晶問題會(huì)大大減少，可以明顯降低停機(jī)維護(hù)工作的次數(shù)和時(shí)間，從而降低停機(jī)維護(hù)產(chǎn)生的維護(hù)成本，對降低生產(chǎn)成本貢獻(xiàn)較為明顯，利于新技術(shù)推廣和設(shè)備應(yīng)用，同時(shí)相關(guān)創(chuàng)新思路和原理可以同時(shí)推廣至相關(guān)設(shè)備和工藝流程中，對冷塔類技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展提供了另一種思路。

結(jié)語

本文通過對冷卻塔的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程進(jìn)行再梳理，創(chuàng)新的改造了氣流組織，并增加了過濾系統(tǒng)，一方面通過優(yōu)化封閉循環(huán)系統(tǒng)，減少系統(tǒng)直接與自然的接觸降低外來污染物對系統(tǒng)的影響，另一方面通過水流組織布局改造增加系統(tǒng)的散熱效果，改造直接降低了系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，并且可以減少系統(tǒng)因臟堵導(dǎo)致的設(shè)備維護(hù)工作，降低運(yùn)行成本，提升設(shè)備生產(chǎn)效率，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。

每個(gè)強(qiáng)大的國家都有一個(gè)強(qiáng)大的工業(yè)，新型冷卻塔技術(shù)的研究與創(chuàng)新作為工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的冰山一角，窺一斑可見全貌，只有工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)的朝著高效、綠色、環(huán)保的方向發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)上下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，才能不斷提高中國工業(yè)的綜合競爭力。