环境实验室冷却塔选型技术指引

10/10环境实验室冷却塔选型技术指引本文总结实验室筹建过程中冷却塔选型、安装、使用及维护方面的经验教训，为类似实验室的建设提供有价值的参考。

环境实验室配备电动振动台、倾斜摇摆台、温湿度箱等军民用检测设备，多数设备需要冷却。风冷方案适用于小型检测设备，水冷方案适用于中大型检测设备。闭式冷却塔具有价格适中、冷却效果好、使用寿命长、易维护等特点，成为水冷方案的首选。本文分析了冷却塔选型需考虑的因素及使用注意事项，给出了冷却塔流量、换热面积等核心参数的计算方法，以及管路布置、流量不足或分布不均、压力不足、密封失效、防腐防冻等问题的解决方案。

冷却塔选型

01.冷却塔的类型及优缺点分析

冷却塔最简单的分类形式有闭式和开式两种，两种形式的冷却塔均可满足冷却需求。闭式冷却塔的水循环路径为封闭结构，拥有内-外两个独立循环，内循环用于将设备产生的热量带走，外循环是将内循环的水冷却。开式冷却塔的水循环路径为非封闭结构，水循环路径中的水箱为敞开式，循环水直接与空气接触。下表1为闭式冷却塔和开式冷却塔优缺点对比。

表1闭式冷却塔和开式冷却塔优缺点对比

冷却塔的设计寿命在10年以上，从冷却方式、冷却效果、运维费用等综合考虑，闭式冷却塔要优于开式冷却塔。环境及可靠性实验室通常配备闭式冷却塔。

02.闭式冷却塔选型需考虑的因素

本文以实验室实际筹建过程中某一台冷却塔的选型为例，介绍闭式冷却塔选型时需考虑的因素。

1)总流量L

通常来讲，一台闭式冷却塔同时满足多台检测设备的冷却需求，冷却塔总流量要大于各检测设备所需冷却水流量之和。冷却塔总流量计算公式如下：式中：L—冷却塔总流量，m³/h；Li—各检测设备所需冷却水流量，=125m³/h；—选型余量系数，1.2～1.25，取1.2。根据公式（1），得L=150m³/h。

2）冷却塔出水温度T2

环境及可靠性检测设备进水温度一般要求不高于32℃（具体参照设备技术参数），因此，要求冷却塔出水温度一般不高于32℃。取T2=32℃。

3)冷却塔进出水温差△T

冷却塔进出水温差一般设计为5℃。则冷却塔进水温度T1=37℃。

4)冷却塔出水压力P

根据环境及可靠性检测设备使用技术参数要求，冷却水压力在0.25MPa～0.4MPa之间，考虑到管路沿程损失、过滤器等局部损失，冷却塔设计压力一般在0.5MPa左右。

5)冷却塔换热面积S

冷却塔换热面积计算过程如下：①计算冷却塔换热量Q。式中：Q—冷却塔换热量，kW；c1—水的比热容，4.186kJ/（kg·℃）；m1—冷却塔内循环水质量流量，kg/s；△T—冷却塔进出水温差，℃。根据公式（2），得Q=872.08kW。②计算冷却塔风量。式中：Q—冷却塔换热量，kW；m2—冷却塔外循环空气质量流量，kg/s；△h—冷却塔外循环进出空气的焓差，kJ/kg。青岛地区夏季室外计算干球温度为To1=29℃，室外计算湿球温度为Ts1=26℃，室外计算相对湿度Φ=79%RH。查询湿空气参数表得到闭式冷却塔进口空气的焓值h1=80.45kJ/kg，进口含湿量d1=20.07g/kg，进口比容v1=0.8836m3/kg。冷却塔外循环空气质量流量m2计算公式如下：式中：λ—气水比，对于△T=5℃的低温闭式冷却塔来，一般λ在0.5～0.9之间，根据设计经验通常取0.7左右。计算得m2=29.2kg/s。根据公式(3)、(4)，闭式冷却塔出口空气的焓值h2计算如下：计算得h2=110.32kJ/kg。一般闭式冷却塔出口的空气相对湿度为80%～95%RH，可取85%RH进行计算。根据闭式冷却塔出口空气的焓值h2和出口空气的相对湿度，查湿空气参数表，可以确定出口状态空气的各个参数：出口空气干球温度为To2=34.26℃，出口空气湿球温度为Ts2=31.94℃。影响喷淋水温度的因素有很多，喷淋水温度接近出口湿球温度，取喷淋水温度Tx=Ts2=31.94℃。③计算冷却塔换热面积。式中：S—盘管换热面积，m2；△Tm—对数传热温，K—盘管传热系数，kW/(m2·℃)，紫铜制作的盘管，管壁薄，换热效果良好，紫铜管的传热系数为1000～1200W/(m2·℃)，取K=1100W/(m2·℃)。通过计算得到S=157m2。此数据可用于验证冷却塔厂家提供的设计换热面积是否合理。

6)冷却塔主管路及分支管路管径

冷却塔主管路管径D计算公式如下：式中：L—冷却塔流量，m³/h；u—冷却水流速，m/s；D—冷却塔主管路管径，mm；根据公式（7）可知，管径D与流速u成反比，在流量L不变的情况下，流速u越大，管径D越小，优点是管材采购投资少、施工方便，缺点是管路阻力大、沿程压力损失大；反之，流速u越小，管径D越大，优点是管路阻力小、沿程压力损失小，缺点是管材采购投资大、施工费时。因此，管径大小要综合考虑采购费用、施工难度、管路阻力等因素。冷却塔冷却水流速u推荐范围为1～3m/s。当u=2.4m/s、D=150mm时，流量L=152.7m3/h；当u=1.4m/s、D=200mm时，流量L=158.3m3/h；当u=0.6m/s、D=300mm时，流量L=152.7m3/h。这三种情况与已知流量L=150m3/h接近，综合考虑采购费用、施工难度、管路阻力等因素后，可选择主管路管径D=150mm，对应流速u=2.4m/s。分支管路管径一般要求其管径不小于检测设备预留冷却水接口的管径。

7)冷却塔外壳

外壳材质常用的有镀锌铝板、镀锌喷塑板、304不锈钢板、铝塑板等。设备外壳的好坏直接影响喷淋泵、冷却风机能否正常工作，同时会影响冷却塔日常维护的工作量和费用，进而会影响到冷却塔的使用寿命。设备外壳若不耐腐蚀，则会出现外壳锈迹斑斑的景象，影响美观。喷淋水箱生锈腐蚀甚至还会导致水箱漏水，水箱底部长期淤积的金属锈混杂砂石还会堵塞喷淋泵，造成喷淋泵烧毁等严重后果。因此，冷却塔外壳材质的选型十分关键，选择不当会给运维带来无穷无尽的麻烦。一般情况下，外壳选择符合国家标准的镀锌铝板，耐腐蚀，经济；镀锌喷塑板、铝塑板不宜使用在沿海地区；资金充裕的条件下，首选304不锈钢材质。

8)冷却塔防冻措施

冬季，华北黄河流域的气温一般在-15℃左右，在该地区乃至以北的地方使用冷却塔要采取防冻措施。

主管路、循环水箱和散热盘管的防冻，主要采用注入防冻液措施，防冻液冷凝温度要根据水塔使用地冬季历年平均最低气温来选择，一般不高于使用地冬季历年来的平均最低气温。喷淋水箱要安装有安全可靠的加热丝，并配有温控系统，保证水温在低于设置的极限温度时开启加热丝，水温高于设置温度时停止加热。

喷淋泵及喷淋水箱供水管的防冻措施也应考虑，可在喷淋泵及供水管表面缠绕加