第14章水的冷却与水质稳定

1、第14章 水的冷却与水质稳定本章提要：介绍了湿空气的性质，水的冷却原理，冷却塔的工艺与设计，循环冷却水水质稳定。本章重点：水的冷却原理，冷却塔的工艺与设计，循环冷却水水质稳定。本章难点：水的冷却原理，水质稳定。在生产过程中，常常会存在大量的热量积累，必须及时对生产设备或产品进行冷却。水的热容量大，是吸收和传递热量的良好介质，常用来冷却生产设备或产品。在水的循环过程中，由于蒸发浓缩，容易形成盐垢；或由于水中所含CO2逸出，含盐量过高或由于曝气使水中溶解氧含量过高，使设备产生腐蚀；或因为微生物滋长，尘埃污染形成粘垢等。上述结垢、腐蚀及粘垢是水质不稳定的主要原因。要实现循环冷却水系统的可靠运行，必须

2、采用冷却塔等设施降低水温，同时进行水质稳定处理。14.1 湿空气的性质湿空气是干空气和水蒸气组成的混合气体。空气中都含有一定量的水蒸气，是某种意义上的湿空气，湿空气的性质直接影响水的冷却效果。14.1.1 湿空气的压力1. 湿空气的总压力对冷却塔而言，湿空气的总压力是当地的大气压力0，根据道尔分压定律，它等于干空气分压力与水蒸气分压力之和，用下式表示 (14-1)式中 0湿空气压力，即大气压力（N/cm2）；干空气的分压力（N/cm2）；水蒸汽的分压力（N/cm2）。干空气和水蒸气的分压力，由于空气中水蒸气含量很少，且大都处于过热状态，因此，均可当作理想气体对待。 (14-2) (14-3)将

3、式（14-3）分别用于干空气和水蒸气，则得 (14-4) (14-5)式中 气体的压力（N/cm2）；V气体体积 (m 3)；G气体质量(Kg)；气体的密度(Kg/m 3)；=1·1268；R气体常数；T气体热力学温度（K）；干空气的气体常数，=287.145J/（kg·K ）；水蒸气的气体常数，=461.53J/kg·K；干空气在其本身分压下的密度（kg/m3）；水蒸气在其本身分压下的密度（kg/m3）。2. 饱和水蒸气分压力在一定温度下，空气吸湿能力达到最大时，空气中的水蒸气处于饱和状态。水蒸气的分压称为饱和水蒸汽压力。湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关，与大

4、气压无关。式中 饱和蒸汽分压力（atm）；绝对温度（273.15+t）（K）；t空气的温度（）从式(14-6)可知，饱和蒸汽分压力只与空气温度有关，而与大气压无关。空气的温度越高，越大。因此，在一定温度下已达饱和的空气，温度升高时则成不饱和空气；反之，温度降低时，不饱和空气又成为饱和空气。14.1.2 温度、湿度与焓湿度是指空气中所含水分子的浓度。它常用绝对湿度、相对湿度和含湿量来表示。1. 绝对湿度每立方米湿空气中所含水蒸气的质量称为空气的绝对湿度。其数值等于水蒸气在分压pq和湿空气温度T时的密度q： (14-7)同样， (14-8)2. 相对湿度在某一温度下，一定容积的湿空气所含水蒸气的质

5、量与此时达到饱和所含水蒸气质量之比，称为该温度的相对湿度。它实际是湿空气的绝对湿度与同温度下的饱和湿度之比。用表示。/= / = 或者 相对湿度的计算公式为 (14-9)式中 、湿空气的干、湿球温度，（）。、温度分别为、的饱和水蒸气压力，（kPa）。P大气压力，（kPa）。3. 含湿量在含有1kg干空气的湿空气混合气体中，其所含水气质量称为湿空气含湿量，也称为比湿，单位为kg/kg（干空气）。 (14-10)在一定温度下，每千克干空气中最大可容纳的水蒸气量称为饱和含湿量，以表示。从式（14-10）可知，当=1时，含湿量达最大值，此时含湿量即为饱和含湿量： (14-11) 一定温度下，值等于时的

6、空气称为饱和空气，不能再吸收水蒸气。如果<，则每千克干空气能吸收-kg的水蒸气；-值越大，吸湿能力越强。如已知含湿量，由式（14-10）、式（14-11）可用以下式求得 及。 （14-12）4. 湿空气的密度湿空气的密度为单位体积湿空气所含干空气和水蒸气在其各自分压下的密度之和。 (14-13)上式表明，湿空气的密度与大气压力成正比，和温度成反比。5. 湿空气的比热容csh总质量为（x）kg的湿空气（包括kg干空气和x kg水蒸气），温度升高所需的热量，为湿空气的比热容，用csh表示。cshcg+cq xcsh=1.005+1.842x （14-14）csh一般采用1.05kJ/(kg&

7、#183;)式中 cg干空气的比热容（kJ/(kg·)），在压力一定，温度变化小于100时，约为1.005kJ/(kg·)；cq水蒸气的比热容（kJ/(kg·)），约为1.842KJ/(kg·)6. 湿空气的焓h表示气体含热量大小的数值叫焓，用i表示h hgxhq 式中 hg干空气的焓 (kJ/kg)；hq水蒸气的焓(kJ/kg)；x湿空气的含湿量kg/kg（干空气。计算含热量时，要有一个基点。国际水蒸气会议规定，在水气的热量计算中，将0的水所含的热量定义为零。因此，1kg干空气的焓hg为： （14-15）式中 干空气的温度（）；hg干空气的焓（kJ/k

8、g）。 水蒸气的焓由两部分组成：即1 kg 0的水变成1 kg 0的水蒸气所吸收的热量，称为水的汽化热，用表示，=2500 kJ/kg，以及1 kg 0的水蒸气升高到时所需的热量，其值为 （14-16） (14-17)上式中，kJ/kg。前项与温度有关，称为显热；后项与温度无关，称为潜热。14.1.3 湿空气的焓湿图一个地区的气压p变化很小，可看作定值。从上式中可以看出，当空气压力一定时，含湿量x、温度t、相对湿度、焓h中只有两个独立变量，把湿空气的四个重要热力学参数同绘在一张图上，此图称为焓湿图；在tx的直角坐标系上，同时绘出和h的等直线，图中的任一点，都代表焓h、温度t、含湿量x和相对湿度

9、这四个参数所构成的一组固定数值，只要四个参数中的两个数值给定后，其它两个数值也就可以查出。湿空气含热量h可查图14-1。14.1.4 湿球温度（）和水的冷却理论极限干湿球温度是空气的主要热力学参数。图14-2为干湿球温度计，不包纱布的一支为干球温度计，指用一般温度计测得的气温。包有纱布并将纱布的自由端浸入水中的一支称为湿球温度计。在毛细管作用下，纱布表面吸收一层水。在贴近纱布的空气层不饱和的情况下，液体在气液界面处的蒸气分压高于气体中的蒸气分压，湿布中这一层的水分必然要蒸发进入空气中，蒸发时所需的热量由水中取得，因而水温逐渐降低。当水层温度降至空气层温度以下时，由于温差的关系，空气层的热量又将

10、通过接触传导作用传给纱布上的水图14-1 湿空气含热量计算图层。当蒸发散热大于接触传热时，水温继续降低，当降低到某一值时，水的蒸发散热量和空气层传回给水的传导散热量相等，即处于动态平衡时，纱布上的水温将不再下降，稳定在一定温度上，此时温度计上显示的温度称为湿球温度。显然，水温将不会降到该温度值以下，值反映了水银球周围湿纱布中水的温度和贴近纱布的被水蒸汽所饱和的空气层的温度。湿球温度的测定，要求湿布必须完全包住水银球，使之始终处于湿润状态。补充水的水温与湿球温度相等。同时还要使气流以一定速度吹过水银球，一般要求风速在m/s以上，以尽量减少辐射热对湿球温度的影响。由此可见，湿球温度可以代表在当地气

11、温条件下，水可能被冷却的最低温度，也即冷却构筑物出水温度的理论极限值。如要求出水温度愈接近值，则所需的冷却设备愈大。一般，冷却后水温比要大3。图14-2 湿球温度计1纱布 2水层 3空气层14.2 水的冷却原理 循环冷却水的冷却过程中，冷却构筑物以空气为冷却介质，由蒸发传热、接触传热和辐射传热三个过程共同完成。除冷却池外，辐射传热对各种冷却塔的影响不大，可忽略不计。湿式冷却塔中空气与热水混合时，热水主要通过与空气间的接触传热和蒸发传热降低温度。14.2.1 空气水的蒸发和接触传热过程当热水表面直接与未被水蒸气所饱和的空气接触时，热水表面的水分子将不断化为水蒸气，在此过程中，将从热水中吸收热量，

12、实现冷却过程。根据分子运动理论，水的表面蒸发是由分子热运动引起的。由于分子运动的不规则性，各个分子的运动速度的变化幅度很大。当液体表面的某些水分子足以克服液体内部对它的内聚力时，这些水分子就从液面逸出，进入空气中。由于水中动能较大的水分子逸出，使剩下的其它水分子的平均动能减小，水的温度随之降低。这些逸出的水分子之间以及与空气分子相互碰撞过程中，又可能重新进入液面。若逸出的分子多于返回水面的分子，水即不断的蒸发，水温就不断降低。反之，若返回水面的分子多于逸出的分子，则产生水蒸气凝结；当逸出的与返回的水分子数的平均值相等时，蒸汽和水处于动平衡状态，此时空气中的水蒸气是饱和的。在自然界中，水的表面蒸

13、发大部分是在水温低于沸点时发生的。此时，水相和气相界面上存在一定的蒸气压力差。一般认为空气和水接触的界面上有一层极薄的饱和空气层，称为水面饱和层。水首先蒸发到水面饱和空气层中，再扩散到空气中。水面饱和空气层的温度被认为和水面温度相同。水滴越小或水膜越薄，与愈接近。设水面饱和空气层的饱和水蒸汽分压为，而远离水面的空气中，温度为时的水蒸气分压为，则分压差乃是水分子向空气中蒸发扩散的推动力。只要> ，水的表面开始蒸发，而与水面温度高于还是低于与水面以上空气温度无关。因此，蒸发所消耗的热量总是由水流向空气。除蒸发传热外，当热水水面和空气直接接触时，如水与空气间存在温度差，就会产生传热过程。当水温

14、高于气温是，水将热量传给空气；空气接受了热量，温度就逐渐上升，使水面以上空气的温度不均衡，产生对流作用，最终使空气的温度达到均衡，并且水面温度与空气温度趋于一致，这种现象叫接触传热。温度差（-）是水和空气接触传热的推动力。接触传热所产生的热量可以从水流向空气，也可以从空气流向水，取决于两者温度的高低。因此，水的冷却过程是通过蒸发散热和接触散热实现的，而水温的变化则是两者作用的结果。(1) 当>时，蒸发和接触传热都朝一个方向进行，如图14-3a所示，使水冷却。单位时间内从单位面积上散发的总热量为。（2）当=时，接触传热的热量=0，此时， ，如图14-3b所示（3）当<时，从空气流向水

15、，见图14-3c所示，这时只要表面蒸发所损失的热量大于，水温仍会继续降低，此时。（4）当=<时，水温会停止下降，这时蒸发传热和接触传热给水的热量处于动态平衡状态，见图14-3d所示，即，即，液面温度达到冷却极限值。实际运行中的冷却塔，一般多为图14-3a种情况，个别为图14-3b、c种情况。在冷却过程中，虽然同时存在蒸发传热和接触传热，但随季节而有差别。冬季气温低，（）值很大，接触传热量可占50%，严冬时甚至达到70%；夏季气温较高，（）值很小，甚至为负值，接触传热很小，蒸发传热量约占80%90%。另外，当夏季湿度较大时，空气虽未达到饱和值，水仍然可以蒸发，但条件不利。故在进行冷却塔热力

16、计算时，均按夏季气温考虑。图14-3 不同温度下的蒸发传热和传导传热14.2.2 传热量的计算1. 蒸发传热量通过蒸发产生的传热过程称为蒸发传热，其传热通量的推动力为蒸汽压力差，也称潜热。故可表示为： （14-18）式中 蒸发传热通量(W/m2)；水的蒸发通量系数(kJ/kg)；压力传质系数kg/（m2·h·atm）。蒸汽压差与含湿差是相关的，同样，还可以表示成含湿量的关系，于是有 （14-19）式中 称为质量传质系数，单位为kg/（m2·h·kg）。2. 接触传热量温差是另一个传热的推动力，所传热量属于接触传热，也称显热，传热通量由下式计算 （14-2

17、0）式中 接触传热通量(W/m2)； 传热系数(W/m2)。3. 总传热量蒸发传热与接触传热之和代表了从水传入空气的总传热通量 （14-21）也是水所损失的热量，水损失热量后水温下降，得到冷却。在冷却塔运行中，影响传热速率的主要因素有气水界面面积、相对流速、接触时间以及冷却范围等。为增加气水界面面积，通常在冷却塔内加设填料，相对流速的大小通过强化通风来定，而接触时间与塔的尺寸有关。14.3冷却塔的工艺与设计14.3.1 冷却塔的工艺构造水的冷却构筑物包括水面冷却池、喷水冷却池和冷却塔，其中冷却塔是循环冷却水系统中的主要构筑物。冷却塔一般由通风筒、配水系统、淋水装置、通风设备、收水器和集水池等部

18、分组成。1. 配水系统 配水系统的作用是将需要冷却的水均匀地分布到整个冷却塔淋水面积上。配水系统分为管式、槽式及池式三种。管式又分为固定与旋转式两种，由主管、配水支管及其喷嘴或旋转布水器组成。固定布置成环状或枝状（干管流速11.5m/s），用于大中型逆流塔，管嘴有离心式和冲击式，如图14-4；小型逆流塔一般用旋转布水器，布水由进水管、旋转体和配水管（嘴）组成，水流通过喷嘴喷出，推动配水管与出水反向旋转，将热水洒在填料上，配水管转速为620r/min。槽式配水系统由主槽、配水支槽、管嘴及溅水碟组成，适宜大型逆流塔。配水槽可布置成支状或环状，主槽流速为0.81.2m/s，支槽流速为0.50.8 m

19、/s，槽断面净宽大于0.12m，配水槽总面积与通风面积之比小于30%，管嘴间距0.51m，碟在管嘴下方0.50.7m，池式配水系统则是在池底开小孔（410mm）或装管嘴，管嘴顶部以上水深应大于150mm，适用于横流塔。2. 淋水填料 淋水填料的作用是将配水系统溅落下来的热水形成细小水滴或水膜，以增大水和空气接触面积，延长接触时间，创造良好的传热传质条件，它是冷却塔关键装置。填料应具有较大的比表面积，通风阻力小，亲水性强，价廉易得，施工维护方便，质轻耐腐蚀。根据水被洒成的冷却表面形成分为点滴、薄膜以及点滴薄膜三种类型。点滴式填料主要依靠大小水滴来散热，适应于水质较差的系统。常见结构有矩形水泥板条

20、（横剖面按一定间距倾斜排列）、石棉水泥角型、塑料十字型、M型、T型、L型等。薄膜式填料主要通过薄膜散热。由弯曲波纹板组成多层空心体，使水沿其表面呈膜状（厚0.250.5mm）缓慢下流，流速约0.150.3m/s。塑料填料比表面一般为125200m2/m3，有一下三种形式：1)斜波交叉。由厚0.30.4mm PVC薄片压成一定波高、波距，与水平成60°（逆流）、30°（横流）倾角的斜波纹片组成。中波（波距×波高×倾角-填料总高）为35×15×60°-800（1200），大波为50×20×60°-1

21、500。2)梯形斜波。断面为梯形，波面上布满螺纹型花纹，波距50mm，波高25mm，与水平成60°角梯形填料，表示为T2560°。3)折波。波面为突出折波或圆锥体突头（高25mm），利用圆锥保持片与片的距离，间距12mm，锥体间距75mm，各层间可布置成错排。60°大、中斜波，折波，梯形波等填料多应用在大中逆流式自然或机械塔。大中型横流塔多采用30°斜波、折波或弧形填料，小塔则采用中波斜交错或折波填料。点滴薄膜式格网淋水填料，由50mm×50mm×50mm方格肋板、厚5mm矩形的用铅丝水泥砂浆浇灌而成的板块，网板尺寸1280mm

22、15;490mm，上下两块间距50mm。表示为层数×网孔-层距，如G16×50-50。该填料可由塑料制成。适用水质较差的大中型逆流塔。淋水填料应根据热力、阻力特性、塔型、负荷、材料性能、水质、造价及施工检修等因素综合选择。表14-1列出了冷却塔的大中小型界限。表 14-1 大中小型冷却塔界限塔型大中小风筒式Fm3500m33500m2Fm>500m2Fm500m2机械通风式D>8m8mD4.7mD4.7m注：Fm为淋水面积；D为风机直径。3. 风机 机械通风塔一般由轴流式风机供给空气。大中型塔常用LF系列风机，其叶轮直径有4.7m、5.5m、6.0m、7.7m、

23、8.0m、8.53m、9.14m等；小型塔用LTF系列风机。风机由叶轮、传动装置、电机三部分组成，叶片为48片，安装角度2°22°，叶轮转速127240r/min。轴流式风机风量大，风压小，可做短时间反转，并可通过调整各叶片的设置角度来适当改变风量和风压。4. 风筒 风筒式自然冷却塔靠高大（可达150m）的双曲线风筒的抽力形成稳定的气流。机械塔风筒包括风机进风口和上部扩散筒。进风口成流线型喇叭口，除水器上到风机进风口间收缩段的高度不小于风机半径；风机出口风筒高度为风机半径。风筒扩散段圆锥角为14°18°，风筒出口面积与塔的淋水面积比为0.30.6，风筒下

24、口直径大于上口直径。用不饱和聚酯玻璃制作的风筒，分8瓣用螺栓连接而成。5. 空气分配装置 包括进风口和导风装置。逆流塔进风口指填料以下到集水水面以上空间，机械塔进风口面积与淋水面积比不小于0.5，否则应设导风装置以减少涡流；自然塔的比值小于0.4；横流塔进风口等于整个淋水填料的高度。单塔四面进风，多塔单排并列两面进风，进风口应与夏季主导风向平行。小塔进风口四周设置向塔内倾斜与水平成45°的百叶窗。6. 除水器 除水器的作用是回收即将出塔湿空气中挟带的雾状小水滴，自然冷却塔可不设。除水器一般由12层曲折排列的板条组成。逆流塔常用BO42/140、BO50/160和波16045、1705

25、0型除水器；横流塔常用HC15050、HC13050等除水器。7. 集水器 集水器起贮存和调节水量作用，其容积约为循环水小时流量的1/31/5，深度不小于2m。池底设深度为0.30.5的集水坑，坡度大于0.5%，坡向集水坑。坑内设排泥管、放空管。集水池设缢流管，四周设回水台，宽度为1.52.0m，坡度为3%5%。8. 塔体 在大中型冷却塔中，主体结构和淋水填料的支架（柱、梁、框架）用钢筋混凝土或防腐钢结构，塔体外围用混凝土大型砌块或玻璃钢装配结构，小塔则用玻璃钢。塔体起封闭和围护作用，形状在平面上有方形、矩形、圆形、双曲线型等。14.3.2 冷却塔的设计与计算1. 热质传递方程（1）接触散热

26、单位时间通过单位淋水填料体积传递的热量可用下式表示： （14-22）式中 容积散热系数kJ/（m3·h·）。（2）蒸发散热 单位时间通过单位淋水填料体积蒸发的水量可用下式表示： （14-23） （14-24）式中 分别为以分压差、含湿量差为推动力的容积散质系数kg/（m3·h·kPa），kg/（m3·h）；分别为水温相应的饱和空气含湿量、空气温度为的含湿量，（kg/kg）。蒸发水量所带走的热量为 （14-25）式中 水的汽化热（kJ/kg）。（3）总散热速率与焓差方程 水温的下降是蒸发与接触散热二者作用的结果。总散热速率可以下式表达： （14-

27、26）对一般循环水冷却而言，），称为刘易斯数，代入上式得 （14-27）式中 称为饱和空气焓；称为空气温度时的焓。湿球温度是在水银球外纱布含水、蒸发与接触散热处于动平衡时测得的，称为冷却极限，实际冷却后的水温应是+（35）。（4）逆流式冷却塔热力计算基本方程 将一定流量的热水由降温至，放出的热量为： （14-28）式中 水的比热kJ/（kg·）；蒸发水量带走热量系数。由以下经验式求得 （14-29）在微元体积淋水填料中，假定为常数，积分得： （14-30）上式右端表示冷却任务的大小，与外部气象条件、空气参数有关，与冷却塔的构造和形式无关，实际上是对冷却塔的要求，称为冷却数（或交换数）

28、，用表示。是个无量纲数。对于各种淋水填料，当气水比相同时，值越大，则要求散发的热量越大。左端表示在一定的淋水填料和塔型下，冷却塔本身具有的冷却能力。它与淋水填料的特性、构造、几何尺寸、散热性能以及气、水流量有关，称为冷却塔的特性数，用表示。2. 冷却塔的设计计算冷却塔的设计计算就是使工艺要求的冷却任务与设计的冷却塔的能力相等，即冷却塔的工艺设计主要是热力计算。包括两类问题。第一类问题：在规定的冷却任务下，即已知冷却水量Q，冷却前后温度、和当地气象参数等，选定淋水填料。通过热力、空气动力和水力计算，确定冷却塔尺寸，选定段数，风机，配水系统和循环水泵等。如果已经选定塔型，则按照选定的冷却塔与当地气

29、象参数，确定冷却数曲线与特性数曲线的交点，从而求得所需要的气水比；最后确定所需冷却塔的总面积，段数，校核或选定风机。第二类问题：已知标准塔或定型塔的各项条件，在当地气象参数条件下，按照给定的气水比和水量Q，选定冷却塔总段数，验算冷却塔的出水温度是否符合要求。（1） 设计内容 冷却塔的工艺设计主要包括三部分：冷却塔类型的的选择，包括塔型、淋水填料、其它装置和设备的选择；工艺计算，包括热力、空气动力和水力计算；冷却塔的平面、高程和管道布置，以及循环水泵站设计。（2）几个主要技术指标热负荷冷却塔每平方米有效面积上单位时间内所能散发的热量，kJ/（m2·h）；水负荷冷却塔每平方米有效面积上单

30、位时间内所能冷却的水量，m3/（m2·h），即淋水密度 热负荷与水负荷的关系：单位时间内冷却水所散发的热量为（kJ/h），即单位面积所散发的热量H kJ/（m2·h） （14-31）式中 水的比热容，=4.187kJ/kg·。显然，热负荷越大，冷却的水量越多。冷幅宽冷却前、后的水温差，。表示温降的绝对值大小，但不能表示冷却效果与外界气象条件的关系，很大，散热就多，并不能说明冷却后水温就很低，应结合下列指标一起考虑。冷幅高冷却后水温与当地湿球温度之差。值是水冷却所能达到的最低水温，也称为极限水温，越小，即越接近值，冷却效果越佳。冷却塔效率冷却塔的完善程度，通常用效率

31、来衡量 （14-32）当一定时，是冷幅高的函数。愈小，说明愈接近理论冷却极限值，式（14-32）中分母愈小，则效率系数值愈高。冷却后的水温保证率。冷幅高（）代表了冷却效果，因此，选取值很重要。冷却塔通常按夏季的气象条件计算。如果采用最高的值，塔的尺寸就很大，而高值在一年中仅占很短时间，冷却塔未充分发挥作用；反之，如采用最低值，塔体积虽然小了，但冷效果经常达不到要求。为此，需采用频率统计法选择适当值。一般冶金、机械、石油、化工、电力等工业，可采用平均每年最热10天的日平均值，即的保证率为90%。90%是指夏季三个月中，不能保证冷却效果的时间只有92天×10%=9.2天，其余时间均能保证

32、。(3) 基础资料 包括冷却水量，进水温度，工艺设备对水质要求。1）气象参数 按湿球温度频率统计法，绘制频率曲线，求出频率为5%10%的日平均气象条件，查出设计频率下的湿球温度值。并在原始资料中找出与此湿球温度相对应的干球温度，相对湿度和大气压力的日平均值。由此计算密度、焓及含湿量等。2）淋水填料的性能 定型塔设计，淋水填料的热力特性或=，阻力特性。(4) 设计步骤与方法 首先根据设计地区的气象资料，工艺要求，算得出有一定保证率下的。再根据设计任务，选定冷却塔塔型和淋水填料。可参考表14-2。最后，进行冷却塔工艺计算和平面布置，其步骤如下。表14-2 常用冷却塔比较表冷却塔类型优 点 缺 点适

33、用条件自然通风冷却塔冷效稳定、.风吹损失小，维护简单，管理费小，受场地建筑面积影响小投资高、施工技术较复杂，冬季维护复杂冷却水量大于1000m3/h。但高温、高湿、低气压地区及水温差要求较小时不宜采用机械通风冷却塔冷效高、稳定，布置紧凑。可设在厂区建筑物和泵站附近，造价较自然塔低运行费高，机械设备维护复杂、故障多气温、湿度较高地区；对冷却后水温及稳定性要求严格的才、场合，或者建筑场地狭窄，通风条件不良时逆流塔冷效高，占地面积小通风阻力大，淋水密度低于横流塔；需有专门进风口，塔体增高，水泵扬程增大淋水密度小，水温差大，冷幅高()小； 不受建筑物场地限制横流塔通风阻力小，进风均匀；塔体低、水泵扬程

34、小；.配水方便占地面积大，单位体积淋水装置的冷效低于逆流塔淋水密度大，可用于大水量；水温差小；冷幅高()大1）热力计算 热力计算的目的是确定冷却塔的所需总面积，在规定的冷却条件下，即已知、和（第一类问题）；或计算设计的冷却塔在不同情况下，冷却后的实际水温，亦即已知、（单塔面积）和求（第二类问题）。a.冷却数N的求解 应用近似积分法，将水温差分成n等份，n应为偶数，则每份为；求出相应水温为时的焓差（）分别为、，近似解 （14-33）此式实际是近似计算每项分母中的值。 （14-34）式中 气水流量比。 计算时应从淋水填料底层，先计算底层h值，再逐步计算其上各等份的值。各等份的值，可根据相应等份的出

35、水温度，按式（14-29）求得。水温差<15时可用以下简化式： （14-35）式中 入塔空气焓，kJ/kg；当、已知及时，查附录求得 （14-36）、下饱和空气（的焓，由附录可得， （14-37）时的饱和焓。b.冷却塔性能热力特性式中 试验常数。空气重量速度kg/（m2·h）；淋水密度kg/（m2·h）；气水流量比，。阻力特性： （14-40）式中 淋水填料风压损失（Pa）；进塔空气重度（N/m3）；淋水填料中平均风速（m/s）；与有关的试验常数。如前所述，即为设计所求。先任选几个，一般选择0.81.5，求出相应的，将曲线及填料特性曲线作与同一图上两线交点P即为所求工

36、作点， 如图14-4。由此求得设计所需值和相应值。2）空气动力计算a.风速。查图14-4得，可求出风量，从而有 图14-4 气水比及冷却数的确定式中 空气通过冷却塔各部位时的风速(m/s)；空气通过冷却塔各部位的横截面积(m 2)；冷却塔的湿空气的平均重度N/（m3×9.81）。b.空气阻力。包括塔体从进风口到出口各部位阻力和淋水填料阻力两部分，总阻力为 式中 各部分的局部阻力系数。有时总阻力不需逐项计算，可测出的总阻力系数（见表14-3），按下式计算总阻力 表14-3 冷却塔总阻力系数序号冷却塔形式淋水密度/阻力系数总阻力系数附注m3/（m2·h）1234567818.5

37、m2逆流薄膜式64 m2逆流薄膜式70 m2逆流薄膜式16 m2点滴式64 m2逆流点滴式60 m2横流点滴式200 m2点滴薄膜式380 m2逆流点滴薄膜式410314.538374.5546.56265.411.512.523.023.31.72.613.769.585.3354067.1658514.1607031.21. 为除去风筒进出口以外的阻力系数2. 为风筒进出口阻力系数1.机械通风冷却塔（1）风速 拟定风速，应先知风量。确定风机型号后，可在风机特性曲线高效区查得风量G；未确定风机型号时，可从工作点求得气水比，从而求得风量G。根据已知风量按下式计算风速 (14-41)式中 空气通

38、过冷却塔各部位时的流速（m/s）；G风量（kg/h）；空气通过冷却塔各部位时的横截面积（m2）；冷却塔内湿空气的平均密度（kg/m3）。（2）空气阻力 空气阻力包括塔体阻力和淋水填料阻力两部分。塔体阻力又包括由冷空气进口至热空气出口所经过的各个部位的局部阻力，其阻力系数常采用试验数值或经验公式计算。不同型式淋水填料的阻力，可由与关系曲线查得。塔体阻力为： (14-42)式中 各部分的气流阻力损失（Pa）；各部分的局部阻力系数；塔内湿空气平均密度（kg/m3）。（3）风机选择 根据空气流量和总阻力值，进行风机选型，从风机特性曲线上选定风机叶片的安装角度。风机配备的电动机功率按下式计算 (14-4

39、3)式中 N 功率（kw）将空气重量流量换算成的风量（m3/s）实际工作气压（Pa）；风机机械效率；风机效率，由风机特性曲线上查出；B电动机安全系数，B=1.151.20。2.风筒式自然通风冷却塔风筒式冷却塔的空气量，是由空气的密度差而产生的抽力决定的。进塔的空气密度比较大，在塔内由于吸收了热量密度变小，产生向上运动的力，使空气不断进入塔内。任何情况下，进入塔内的空气流动中所产生的阻力，在工作点与因密度差产生的抽力必须相等，才能使进塔流量保持不变。从而决定工作点的实际空气流速和塔筒的高度。抽力与阻力的计算公式如下（图14-5）：图14-5风筒式冷却塔计算图抽力与阻力 (14-44) (14-4

40、5)式中 分别为塔外和填料上部的空气密度（kg/m3）；淋水塔中的平均空气密度（kg/m3）；淋水填料中的平均风速(m/s)；冷却塔通风筒有效高度，等于从淋水填料中部到塔顶的高度（m）如果塔型已定，可根据确立塔内风速 (14-46)进塔风量公式为 式中 填料1/2高度处直径，(m)。如已知风速，一般取0.61.2m/s，即可求冷却塔高度。风筒式冷却塔的总阻力系数常按下式计算 (14-47)式中 进风口高度（m）；进风口直径（m）；淋水填料面积（m2）；风筒出口面积（m2）；淋水填料的阻力系数，由试验确定。3）水力计算 水力计算的目的是确定配水管渠尺寸，配水喷嘴个数、布置，计算全程阻力，为选择循

41、环水泵提供依据。a. 管式配水系统 固定管为压力配水，配水管中流速取11.5m/s；系统总阻力损失不超过4.9kpa，喷嘴前水压为69kPa左右。喷嘴之间距离通常为0.851.10m。b. 槽式配水系统 计算方法与明渠相同。主槽流速为0.81.2m/s，工作槽流速为0.50.8m/s；槽内正常水位大于150mm，工作的槽净宽不小于120mm，高度不大于350mm。管嘴直径不小于15mm，管嘴间距对小塔为0.50.7m，大塔为0.81.0m。c. 池式配水系统 主要是确定配水孔孔径和孔数，配水孔开孔数为 (14-48)式中 总配水量（m3/h）；孔口面积（m2）；流量系数，；配水池中水深。孔口或

42、喷嘴流量为14.4 循环冷却水水质稳定冷却水有直流式、密闭式循环和敞开式循环三种系统。水通过换热器后即排放的系统称为直流式冷却系统。直流式系统虽然简单，但除海水用的直流系统外，为了节约水资源，应该淘汰。密闭式的冷却水完全在封闭的、由换热器和管路构成的系统中进行循环，热量一般是借空气进行冷却，水的循环过程除渗漏外并不损失，也不存在排污，系统的含盐量及所加药剂几乎恒定不变，故处理较单纯。密闭循环冷却水的最大问题为腐蚀及腐蚀产物污垢，需用高剂量的缓蚀剂以保证腐蚀得到绝对控制。密闭循环系统一般只在水量小或者特殊情况下使用，前者如内燃机的冷却系统，后者如严重缺水地区的冷却水。敞开式循环冷却水系统应用最广

43、，也是处理技术最复杂的系统，即通常指的循环冷却水系统。本章只讨论这种系统。但是，其中有关冷却水处理的理论以及处理药剂的基本概念，仍然可用于其它冷却系统的处理。14.4.1 循环冷却水水质特点和处理要求1. 敞开式循环冷却系统的水质特点1）由于蒸发引起循环水中盐的浓度增加，增加了水的导电性，腐蚀过程加快，并使某些盐类由于超过饱和浓度沉淀出来，带来结垢危害。2）水在冷却塔内淋洒或曝气过程中，水中CO2散失，加重了水的CaCO3结垢，O2的增加提高了水的腐蚀性。3）空气中的杂质不断通过冷却塔的敞开部分进入系统中，其中尘埃、悬浮固体的沉淀会产生积垢问题，SO2、H2S和NH3等溶解气体会增加水的腐蚀性

44、。由换热器工艺侧渗漏进入冷却水中的物质，也会引起冷却水的水质变化。例如冷却水侧渗漏碱性物质，会产生软化反应，导致CaCO3和Mg（OH）2在管壁上的结垢。4）日光、温水和循环水中营养成分，为多种微生物的滋生创造了适宜条件。在不受日光照射的部分，细菌、真菌大量生长产生粘垢，以粘膜甚至大片的粘性物附着在管壁或者设备的表面上。粘垢是微生物及其分泌物，以及各种掺入的杂质构成的一种污垢，往往难于控制。5）由于换热设备进水的一头水温较出水的一头水温低，在设备的出水头容易结垢。只单纯控制出水一头的结垢，在进水一头就可能出现严重结垢的现象。说明在冷却水系统中，单独采取控制结垢或者控制腐蚀的措施是不可取的，循环

45、冷却水由于盐分的浓缩，情况更严重。6）由于循环水处理药剂引起的化学反应产物，在水中增加了新的沉淀物质。如投加磷酸钠，会引起磷酸钙的沉淀，而季铵盐杀菌剂又会和聚磷酸钠产生沉淀物。循环冷却水的水质特点如表14-4所示。表14-4 循环冷却水的水质特点水质成分主要来源危害1悬浮成分一般悬浮固体灰尘、泥土细菌、藻类、真菌絮体其他有机的和无机的悬浮物2溶解固体水中原有的溶解无机离子SiO2有机物缓蚀剂等处理药剂其它污染成分3溶解气体H2S、SO2、NH3和O2等1补充水中原有成分2循环水在冷却塔喷淋过程中从空气中进入悬浮物及气体3水处理药会产生悬浮固体，本身则为溶解繁殖，产生悬浮固体4微生物在系统内容易

46、繁殖，产生悬浮固体5腐蚀产物6工艺侧泄露污染产生的反应物1悬浮固体沉积产生污垢2溶解固体沉淀产生结垢3微生物繁殖会产生粘垢4溶解固体、溶解气体和微生物都加重腐蚀的因素5危害可概括为沉积物（包括结垢、污垢和粘垢3者）、腐蚀和微生物3个2. 循环冷却水系统的基本水质要求循环冷却水的处理需要满足有关水质标准。由于影响因素复杂，要制订通用水质标准相当困难，通常将循环冷却水按水的腐蚀和沉积物控制要求，作为基本水质指标。它实际上是一种反映水质要求的间接指标。表14-5为敞开式系统冷却水的主要水质指标，表中腐蚀率和年污垢热阻分别表达了对水的腐蚀性和沉积物的控制要求。微生物繁殖所造成的影响，间接反映在腐蚀率和

47、污垢热阻中。表14-5 敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标项 目要求条件允许值浊年污垢热阻小于9.5×10-5m2·h·/kJ；有油类粘性污染物时，年污垢热阻<1.4×10-4m2·h·/kJ；腐蚀率小于0.125mm/a<20度年污垢热阻小于1.4×10-4 m2·h·/kJ；腐蚀率小于0.2mm/a<50年污垢热阻小于1.4×10-4 m2·h·/kJ；腐蚀率小于0.2mm/a<100电导率/（S/cm）采用缓蚀剂处理<3000总碱度/（m

48、mol/L）采用阻垢剂处理<7pH 值6.59.0（1) 腐蚀率 金属每年的平均腐蚀深度称为腐蚀率，单位为mm/a。腐蚀率一般可用失重法测定，将金属材料试件挂于热交换器冷却水中一定部位，通过测定试验前、后试片重量差计算出平均腐蚀深度，即腐蚀率CL (14-49)式中 腐蚀率（mm/a）；腐蚀前金属重（g）；腐蚀后金属重（g）；金属密度（g/cm3）；重力加速度（m/s2）；金属与水接触面积（m 2）；腐蚀作用时间（h）。对于局部腐蚀，通常以点蚀系数反映点蚀的危害程度。点蚀系数是金属最大腐蚀深度与平均腐蚀深度之比。点蚀系数愈大，对金属的危害愈大。经水质处理后使腐蚀率降低的效果称缓蚀率，以表

49、示 (14-50)式中 循环冷却水未处理时腐蚀率；循环冷却水经处理后的腐蚀率。（2）污垢热阻 热阻为传热系数的倒数。换热器传热面由于结垢及污垢沉积使传热系数下降，使热阻增加的量称为污垢热阻。此处污垢热阻由结垢和污垢沉积而引起的热阻，并非单指污垢一项，但一般文献均用此名。换热器的热阻在不同时刻由于垢层不同其污垢热阻值不同。一般在某一时刻测得的称为即时污垢热阻，其值为经小时后的传热系数的倒数和开始时的传热系数的倒数之差： (14-51)式中 即时污垢热阻（m2·h·/kJ）；开始时，传热表面清洁所测得的总传热系数kJ/ (m2·h·)；循环水在传热面积垢经t

50、时间后所测得的总传热系数kJ/ (m2·h·)； 积垢后传热效率降低的百分数。以上污垢热阻是在积垢时间后的污垢热阻，不同时间有不同的值，应作出对时间的变化曲线，推算出年污垢作为控制指标。14.2.2 循环冷却水水质处理结合水质特点，循环冷却水水质处理主要从沉积物控制、腐蚀控制、微生物控制三个方面入手。1. 沉积物控制循环水中的沉积物主要指水垢、粘垢、污垢。水垢的主要成分是CaCO3，污垢和粘垢主要是尘埃、泥沙、悬浮固体及微生物代谢产物等。（1） 控制水垢形成及析出 水垢的控制主要是指如何防止碳酸盐水垢等的形式析出，有以下几种方法：1) 排污 冷却水在冷却塔中会被脱出CO2，

51、引起碳酸盐含量增加，理论上各种水质都有其极限碳酸盐硬度，超过这个值碳酸盐就会从水中析出，因此，防垢的一种方法就是控制排污量，使循环水中碳酸盐硬度始终小于此极限值。可以对排污进行估算。通过排污解决结垢是最简单的措施。如果排污量不大，水源水量足以补充此损失，在经济上合适，则是可取的，否则采取其它措施。为了使循环水中碳酸盐硬度始终小于此极限值，它的浓缩倍数的极限为 (14-52)式中 循环水的碳酸盐硬度；补充水的碳酸盐硬度。 最小排污率可按下式计算： (14-53)2) 从冷却水中去除钙离子的主要方法a.离子交换法 采用的树脂多为钠型阳离子树脂。硬水通过交换树脂，去除Ca2+、Mg2+等，使水软化。当原水浊度较高时，在离子交换前需要经混凝、过滤等预处理，要分析其经济性。b.石灰处理 补充水进入冷却水系统前，在预处理时投加石灰，能去除水中的碳酸氢钙，反应式为CO2+Ca(OH)2=CaCO3+H2OCa(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3+2H2O经石灰处理的水，由于碳酸盐硬度降低，可以减轻它在循环水系统中的结垢倾向。但经石灰处理的水，有时是碳酸钙的过饱和溶液，因此它在循环水系统中受热、蒸发和