闭式冷却塔设计及应用

目前，大多数制冷站常用方形横流塔。

横流冷却塔运行过程中的问题：

逆流塔工作原理：

横流塔工作原理：

闭式塔工作原理：

机械通风闭式冷却塔的冷却原理主要是建立在蒸发冷却技术基础上，其设计源于工业用的蒸发冷却器。它是利用水泵或其他压力装置产生的压力，使从冷凝器、吸收器或工艺设备等出来的温度较高的水，即冷却水，被输送到冷却塔的冷却盘管中，循环水进入冷却塔，通过在冷却塔中的运动以及与风流体接触而进行热量的交换，进入冷却塔后的回水通过安装在塔内顶部、风道上部的压力旋流式喷嘴装置，形成竖直向下高速运动的喷射小水滴颗粒，完成了增大水滴表面积的任务。水滴在下降过程中还会遇到上升的空气流，延缓了水粒的下降速度，从而延长了热交换时间。流体的热量先传给铜管内壁，再由内壁传给铜管外壁，再又外壁传给喷淋水膜，水膜和空气形成饱和湿热蒸汽，热量由风机排入大气，一部分水滴被收水器回收，减少喷淋水损失。当喷淋水减少到一定量时，由浮球阀自动补水，如此这样循环不断。此外由于冷却塔去除了填料装置而成为了一个空体塔，使得塔内的阻力减小，在风机的作用下，增大了风速和风量，提高了气水比，从而达到提高降温效果的目的。

1 、集水池：收集经过换热盘管以后的水，也为储存调节水量而用，达到循环节约用水的目的。

2 、百叶窗：使用风均匀的进入塔内，使喷淋水不外溅。

3 、检修门：方便维修。

4 、风机：利用风机将空气引入塔内，以产生高流速、稳流量的空气，从而提高了冷却效率并保证了冷却效果。

5 、收水器：以减少冷却水的循环损失。

6 、喷淋系统：使进入塔内的高温冷却水尽可能地扩大与空气的接触表面积，增加水汽之间的热水交换，将高温冷却水的热量传给空气，从而降低冷却水的温度，达到水资源重复利用的目的。

7 、冷凝器：冷凝器是冷却塔的核心部件，其合理的结构尺寸和合理的布置方式将直接影响到整个冷却塔的换热效率，也就会影响整个冷却塔对冷却水的冷却能力。冷凝器采用倾斜布置方式有利于冬季排净冷凝器中的水，防止铜管冻裂；如下图所示。

横流塔与逆流塔做对比：

闭式冷却塔的应用： 因可提供相对清洁的冷却水，而广泛用于对冷却水质量要求较高的行业中，如：电子、食品、化工、铸造、建筑、空调和制冷等行业。

闭式冷却塔总体概述：

闭式（干湿式）冷却塔内两个传热传质过程：

冷却水的冷却过程：冷却水通过冷却盘管将热量传递给喷淋水。

喷淋水的冷却过程：喷淋水将热量传递给空气。

冷却水→喷淋水→进塔空气。

闭式冷却塔内两个传热传质过程，其最终冷源是进入塔内的环境空气。

冷却盘管设计、填料设计：

冷却盘管的设计与蒸发冷却器设计类似；

填料区设计与一般的开式逆流塔基本相同。

设计计算前提条件：喷淋水进出口温度相等，t _wi =t _wo 。

通常对盘管区和填料区分别进行设计计算。

盘管区（与蒸发冷却器相同）：热量经管壁传递到喷淋水（导热+对流换热），再由喷淋水传递给空气（蒸发和对流换热）。

填料区：喷淋水在PVC格栅表面展开成水膜，通过与空气间的对流传热传质进行冷却。

冷却盘管设计（各种塔型）：

在公式（7）和（8）计算所得的传热面积F ₀ 相等时的F ₀ ，即为盘管传热面积。由此可确定管束结构尺寸、排列方式。

填料区热力计算：与盘管区喷淋水条件结合可得填料区喷淋水温度及淋水密度边界条件。结合水量、水温、气温及其含湿量的变化公式，进行计算。

通过填料区气水间传热传质的热力计算，可实现填料结构尺寸的设计计算。

闭式冷却塔的主要换热部件为换热盘管，盘管的换热性能直接影响到整个换热器的效率。

热阻构成：

盘管内冷却水与管外喷淋水间的总传热热阻：

冷却水侧换热热阻；管壁和污垢的导热热阻；喷淋水侧换热热阻三部分串联而成。

关于三部分热阻分析，可为强化传热找到节能关键点。

热阻数量级：

由表1可以看出：

1 ）管壁热阻较小，比其他热阻小一个数量级，因此计算中可以忽略；

2 ）除管壁热阻较小外，其余各项热阻相差不大，基本属一个数量级，因此均不可忽略。

其他影响因素分析：

1. 管内流速：综合传热系数与盘管单管内流速呈现指数式递增关系，当流速超过一定范围后，管内流体充分发展到湍流阶段，此时再提高流速，对管内换热的强化，已经起不到重要作用；但此时因管内流体阻力于流速呈平方关系发展，使管内流体阻力显著增大。

所以流速控制在2m/s以下进行调节,将对K综合的变化有比较明显的作用。

2. 管径：在保证总体换热量的情况下，尽量采用小管径盘管。

在假定范围内流速相同的情况下管径越小其综合换热系数越大。

3. 盘管管材：

盘管管材导热系数对综合导热系数影响较小。

管材的导热系数从80～320W/(m ² ·K)，其对综合导热系数的影响在区间内不超过10W/(m ² ·K)。

所以可以使用相比现阶段铜管导热系数更低的金属或非金属材料，以缩减成本。

4. 喷淋水密度：

1 ）随着喷淋密度的增加管外壁上的液膜流动速度加快，所以综合传热系数增加。但随着液膜的增厚，阻碍了热量的传递，所以喷淋密度不易过大，应以保证均匀润湿管壁所需最小喷淋密度为准。

2 ）相同喷淋密度，管径越小，管壁上液膜附着时间越短，热量传递越快，强化了传热。

设计的总体原则：

1 ）进风量尽可能大：塔内配风，增加通风面积，减小风阻；塔外配风，减小出口湿热空气回流的不利影响。

2 ）尽可能采取逆流方式，增加传热平均温差；

3 ）对于冷却盘管重点增大热阻大侧换热系数；

4 ）在达到冷却任务的基础上，尽可能降低造价。

闭式冷却塔总体布置原则：

进出风：

1 ）设备放置在没有热空气进入的地点，如避开建筑物进风口和出风口的位置，以避免影响环境湿球温度或出现设备供气不足；

2 ）避免设备排出的热空气进入建筑物的新风口或临近建筑物的进风口；

3 ）避免临近墙壁和建筑物的阻挡而造成排出空气回流到进风口。

管路：

1 ）膨胀水箱：安装膨胀水箱使液体可膨胀，以放出系统内空气；

2 ）平衡阀：在多台设备并联时，管路布置应对称，以平衡每一液体管路流速；

3 ）真空开关/放气阀，放水阀：以使冷却盘管中的液体能够完全放出。

闭式冷却塔在生产工艺上的选型和计算 ^[1] ：

[1] ：药厂工艺生产中冷却塔的选用，朱家平

某大输液车间生产选用4 台水浴式输液灭菌器，每批灭菌500ml输液4000 瓶。由于交叉使用，考虑两台同时使用。该型灭菌器采用板式换热器对输液进行加热灭菌及冷却。由于板式换热器对冷却用水水质要求较高，因此使用厂常常使用自来水直接进行冷却，但耗水量较大，每批耗水约10-20t，车间每班灭菌16 批次，每班总用水约160-320t(根据季节不同，水温不同有所区别)。为节约用水，也有厂家考虑采用循环冷却水进行冷却。选用了一台玻璃钢冷却塔，使用下来后发现主要存在以下问题：

(1) 由于冷却初期，灭菌器内水温较高，约110 ℃左右，循环冷却回水温度较高，约为90℃，常用的玻璃钢冷却塔根本不耐此高温。带来冷却塔损坏。

(2) 由于为开放式冷却系统，循环水水质较差，虽然加了过滤等装置，但板式换热器的结垢现象仍然很严重，导致经常要处理，影响生产。

因此考虑改用闭式循环冷却水系统。循环冷却水采用输液生产洗瓶段使用下来的回收纯水，水质较好。

冷量计算：

每批灭菌料液2000L，玻璃瓶、小车及灭菌器内部循环用水的附加热系数n =0.7，根据工艺，冷却时间为0.5h。料液从110 ℃冷却至60 ℃。制冷量为：

Q=2000×(110-60)×(1+0.7)×1/0.5 =34 ×104kcal/h

冷却水量计算：

根据冷却系统实测数据，冷却水进水温度为40℃，板式换热器冷却水出口温度冷却初期为90℃，逐步降低至50 ℃，由于该冷却过程为非定态传热过程，因此冷却水用量只能采用拟定态简化处理估算：

冷却初期：Δt1 =90-40 =50℃

冷却后期：Δt2 =50-40 =10℃

平均：Δtm =(Δt1-Δt2)/ ln(Δt1/Δt2)=25 ℃

则需冷却水W =Q/(C×Δtm)=[34×104/(1×25)]×10-3 =13.6t/h，考虑两台同时使用，则冷却水流量为13.6×2=27.2t/h，考虑留有一定裕量，定为30 t/h。

闭式冷却水循环系统的基本流程：

经板式换热器换热后的90℃，30 t/h 的纯净水，与冷却塔出水充分混合后温度为65 ℃，60 t/h，经冷却塔冷却至40 ℃，60t/h，一部分送至灭菌柜(闭式冷却塔是利用28℃的水喷淋蒸发吸收热量降低冷却水温度)使用，一部分与板式换热器回水混合后再回冷却塔。由于系统为闭式循环，系统还应设膨胀水箱。

本文来源于互联网，节选自相关课件。暖通南社整理编辑于2020年8月1日。