第六章 水冷却技术

第六章水的冷却技术6.1概述一、为什么要用水来冷却？工业生产过程中，往往会产生大量热量，使生产设备或产品(气体或液体)温度升高，必须及时冷却，以免影响生产的正常进行和产品的质量。水是吸收和传递热量的良好介质，常用来冷却生产设备和产品。2/3/20231炼铁生产中烧结工艺流程2/3/202322/3/20233二、冷却水系统

用水来冷却工艺介质的系统称作冷却水系统。冷却水系统通常有三种：

（一）直流式冷却水系统冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后的水就被排放掉。优点：水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变，不需要其他冷却水处理构筑物，投资少、操作简便。缺点：冷却水的用量大，水费高。2/3/20234冷水废热水2/3/20235（二）循环冷却水系统1.封闭式循环冷却水系统冷却水收回利用，循环不已，因此，水量损失很少。水中各种矿物质和离子含量一般不发生变化，而水的再冷却是在另一台换热设备中用其他冷却介质来进行冷却的。一般用于发电机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。2/3/20236冷水热水2/3/20237

2.敞开式循环冷却水系统冷却水循环再用。水的再冷却是通过冷却塔来进行的。水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。敞开式循环冷却水系统可以节约大量的冷却水，且排放污水的总量也相应减少。2/3/20238冷水热水2/3/202392/3/202310

（三）混合式冷却水系统冷却水部分循环再用而部分直流，其优缺点介于循环式和直流式冷水系统之间。2/3/202311三、冷却构筑物的类型在冷水系统中，用于降低水温的设备称为冷却构筑物。冷却构筑物型式很多，大体分为以下三大类：水面冷却池；喷水冷却池；冷却塔。在这三类冷却构筑物中，冷却塔形式最多，构造最复杂。2/3/202312(一)水面冷却池水面冷却的概念:利用水体的自然水面，向大气中散质、散热进行冷却的一种方式。

水体水面的分类：水面面积有限的水体，包括水深小于3m的浅水冷却池和水深大于4m的深水冷却池。水面面积很大的水体和水面面积相对于冷却水量很大的水体，如河道、大型湖泊和海湾等。

2/3/202313在冷却池中，高温水（水温t1)由排水口排入湖内，在缓慢流向下游取水口（水温t2)的过程中，由于水面和空气接触，借自然对流蒸发作用，使水冷却。湖中的水分三个区：主流区；回流区；死水区。冷却效果以主流区最佳，死水区最差，因此，扩大主流区，减小回流区，消灭死水区可以提高冷却效果。2/3/202314在冷却池中，水面的综合散热系数是蒸发、对流和水面辐射3种水面散热系数的综合，是计算水面冷却能力的基本参数，指在单位时间内、水面温度变化1℃时，水体通过单位表面散失的热量变化量以W/m2.℃表示。一般需要通过试验确定。在近似估算冷却池表面积时可参考水力负荷为0.01-0.1m3/m2.h求定所需表面积。2/3/202315(二）喷水池喷水冷却池是利用喷嘴喷水进行冷却的敞开式水池。组成：1）配水管及喷嘴；2）集水池和溢流井工艺过程及示意如下图所示2/3/202316喷水冷却池工作原理：压力水经喷嘴向上喷出，喷散成均匀散开的小水滴，使水和空气的接触面积增大；同时使小水滴在以高速向上喷射而后又降落的过程中，有足够的时间与周围空气接触，改善了蒸发与传导的散热条件。

影响喷水池冷却效果的因素是：喷嘴形式和布置方式、水压、风速、风向、气象条件等。2/3/2023172/3/202318

（三）冷却塔

按通风方式分有自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔。

按热水和空气的流动方向分有逆流式冷却塔、横流（交流）式冷却塔、混流式冷却塔。

按循环供水系统中的循环水与空气是否直接接触，冷却塔可分为：敞开式（湿式）；密闭式（干式）；混合式（干湿式）。1.湿式冷却塔：指热水和空气直接接触、传热和传质同时进行的敞开式供水系统（见下图）。湿式冷却塔种类最多，应用最广泛，分类见下图。2/3/202319几种类型的湿式冷却塔自然通风横流式冷却塔自然通风逆流式冷却塔抽风横流式冷却塔鼓风逆流式冷却塔2/3/2023202/3/2023212.干式冷却塔：水和空气不直接接触，冷却介质为空气，冷却是在空气冷却器中实现的，所以只是单纯传热。2/3/2023223.干湿式冷却塔：热水和空气进行干式冷却后再进行湿式冷却的构筑物2/3/2023236.2冷却塔的工艺构造一、冷却塔的组成部分及工作过程冷却塔的主要装置有:热水分配装置(淋水填料、配水系）、通风及空气分配装置（通风设备、通风筒、空气分配装置）和其它装置（除水器、集水池）。1、淋水填料：将需要冷却的水多次溅散成水滴或形成水膜，以增加水和空气的接触面积和时间，促进水和空气的热交换。水的冷却主要在淋水填料上进行。2、配水系统：将热水均匀分布到整个淋水填料上，热水分布均匀与否，对冷却效果影响很大。如果水量分配不均匀，不仅直接降低冷却效果，也会造成部分冷却水滴飞溅而飘逸到塔外。2/3/2023243、通风设备：机械通风冷却塔中利用通风机产生预计的空气流量，以保证要求的冷却效果。4、空气分配装置：利用进风口、百叶窗和导风板等装置，引导空气均匀分布于冷却塔整个截面上。5、通风筒：其作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，并将排出冷却塔的湿热空气送往高空减少湿热空气回流。6、除水器：将排出湿热空气中所携带的水滴与空气分离，减少逸出水量损失和对周围环境的影响。7、集水池：设于冷却塔下部，汇集淋水填料落下的冷却水，并兼有水量调节功能。2/3/202325(一)抽风式逆流冷却塔

工作过程：水、气2/3/202326(二）抽风式横流冷却塔抽风式横流冷却塔工艺构造如图所示，热水从上部经配水系统1洒下，冷空气由侧面经进风百叶窗2水平流入塔内，水和空气的流动方向互相垂直，在淋水填料3中进行传热和传质过程，冷水则流到下部集水池中，而湿热空气经除水器4流到中部空间，再由顶部风机抽出塔外。2/3/202327（二）抽风式横流冷却塔

工作过程：水、气2/3/202328二、淋水填料（一）淋水填料的作用（二）淋水填料的形式和其应满足的基本要求

淋水填料的形式有点滴式、薄膜式和点滴薄膜式三种，无论那种形式，都应满足以下基本要求：

1.具有较高的冷却能力，即水和空气的接触面积较大、接触时间较长；

2.亲水性强，容易被水湿润和附着；

3.通风阻力小以节省动力；

4.材料易得又加工方便的结构形式；

5.价廉、施工维修方便；且质轻耐久。

2/3/202329（三）点滴式淋水填料

主要依靠水在填料上溅落过程中形成的小水滴进行散热。在板条中，大水滴掉到下层板条上被溅散成许多小水滴进行表面散热。

点滴式淋水填料散热方式中，以水滴散热为主，约占总散热量的65-70%，水膜散热占25-30%。因此，设法增多小水滴以增加散热面，是提高点滴式淋水装置冷却效果的主要途径。

2/3/202330弧形板条十字形板条三角形板条1、板形和排列常见的点滴式淋水填料中板条断面形状分：三角形、矩形、弧形、十字形等。排列方式有：倾斜式和棋盘式。2/3/2023312、构造尺寸常用点滴式淋水填料的构造尺寸如表3、点滴式淋水填料的层数和高度机械通风冷却塔为13～33层，开放点滴式冷却塔为10～23层。逆流式机械通风冷却塔淋水填料高度一般为6～8m。2/3/202332（四）薄膜式淋水填料1、工作特点：利用间隔很小的格网，或凸凹倾斜的交错板，或弯曲波纹板所组成的多层空心体，使水沿着其表面自上而下形成薄膜状的缓慢水流，有些沿水流方向还刻有阶梯型横向微细印痕，从而具有较大的接触面积和较长的接触时间。冷空气经多层空心体间的空隙自下向上或从侧面流动与水膜相接触，吸收水所散发的热量。2/3/2023332、薄膜式淋水填料的散热方式

表面水膜散热，约占70%；板隙中的水滴表面散热，占20%；水从上层流到下层溅散而成的水滴散热，占10%。2/3/2023343、影响薄膜式淋水填料散热效果的主要因素膜板规格布置方式4、理想薄膜式淋水填料的特点：

厚度薄、材质轻且能满足结构强度的要求；孔隙较小，比表面积大，但阻力又不大。5、薄膜式淋水填料的类型

这类淋水填料中应用较多的是平膜板式和凹凸形模板式。平膜板式：有木板条拼接的小间距平板淋水填料和钢丝网水泥平板式淋水填料。凹凸形模板式：利用凹凸不平的模板表面，延缓水流下降速度，并有助于水膜的破碎和重分配。常见的有：斜波交错；梯形斜波；塑料折波、点波等。2/3/202335斜波交错淋水填料2/3/202336梯形斜波淋水填料2/3/202337塑料折波形淋水填料2/3/202338（五）点滴薄膜式淋水填料1、类型：陶瓷格网、塑料格网板、水泥网格板和蜂窝填料。1)水泥网格板：强度高，使用寿命长、散热性能较好；制作效率低，现场制作；适用于较浑浊的循环水系统。2)塑料格网板：用聚丙烯材料高压压注而成。重量轻、安装方便、耐腐蚀性好。3)陶瓷格网：散热性能良好，耐热性能和热稳定性强，使用寿命长，耐腐蚀性。4)蜂窝淋水填料：用玻璃钢或塑料制成。散热表面积大，重量轻，通风阻力不大。仅适用于逆流冷却塔。2、工作特点：兼具薄膜式和点滴式淋水填料冷却的特点。2/3/202339水泥格网淋水填料2/3/202340蜂窝淋水填料2/3/202341（六）淋水填料的选择大、中型逆流式自然或机械通风塔中：60o大、中斜波、折波、梯型波填料，但要防止堵塞和结垢；大、中型逆流式钢筋混凝土塔中:水泥格网填料，具有造价低、强度高、耐久、不易堵等优点，但施工较复杂；大、中型横流塔：30o斜波、弧形波或折波填料；小型冷却塔中：斜波交错或折波填料。淋水填料是冷却塔的核心，应根据热力、阻力特性、塔型、负荷、材料性能、水质、造价、施工检修等因素综合评价，正确选择：2/3/202342三、配水系统

（一）配水系统的作用

配水系统的作用是将热水均匀地分配到冷却塔的整个淋水面积上。如分配不均，会使淋水装置内部水流分而不均，从而在水流密集部分通风阻力增大，空气流量减少，热负荷集中冷却效率降低；而在水量过少的部位，大量空气未充分利用而逸出塔外，降低了冷却塔的运行经济指标。（二）配水系统的基本要求

在一定的水量变化范围内（80%-110%）保证配水均匀且形成微细水滴，系统本身水流阻力和通风阻力较小，并便于维修管理。

在循环水系统中应尽量利用换热器出水的剩余水压，以满足配水系统的压力要求。2/3/202343（三）配水系统的种类

配水系统可分为管式、槽式和池（盘）式三种

1.管式配水系统

(1)固定管式配水系统

该系统由配水干管、支管及支管上接出短安装喷嘴组成。配水均匀的关键是喷嘴的形式和布置。喷嘴应具有喷水角度大、水滴细小、布水均匀、供水压力低、不易堵塞等要求。1)喷嘴类型

冲击型：依靠冲击力将成股的水扯成水滴。工作水压低，适用于槽式或池式配水。

旋转型：要求水压高，多用于管式配水。

依靠离心力作用将水扯开，洒向四周。2/3/2023442)配水系统布置

固定管式配水系统可布置成环状或树枝状。该系统施工安装简便，在大、中型冷却塔中广泛采用。配水干管流速1~1.5m/s，喷头间距0.65~2m。2/3/202345(2)旋转管式配水系统

该系统由给水管、旋转体和配水管组成。配水管用法兰固定相接，并通过轴承与旋转体相连。配水管上开有出水孔或扁型出水槽，利用水喷出时的反作用力推动配水管旋转，使淋水填料表面得到轮流而均匀的布水。2/3/202346旋转式配水系统的特点:系统是转动的；单位面积的淋水填料是间歇配水；配水管转速一般为6-20r/min；管嘴孔径为15-25mm，长为20mm间距为150-500mm；开孔总面积为配水系统截面的0.5-0.6倍；多用于小型玻璃钢逆流冷却塔2/3/2023472.槽式配水系统1）组成：配水总槽、配水支槽及溅水喷嘴。是一种重力式配水系统，热水经总、支槽，再经反射型喷嘴溅散成分散小水滴，均匀地洒在填料上。2/3/2023482)特点槽内水深不小于管嘴直径的6倍并有0.1m以上的保护高度；主槽起始流速0.8-1.2m/s，支槽0.5-0.8m/s，槽宽大于0.12m；配水槽面积与通风面积之比小于25-30%；管理方便，适于大型塔或水质差或供水余压低的系统；槽断面大、通风阻力大、槽内易沉积污物等。2/3/2023493.池式配水系统1)组成：进水管、消能箱、配水系统等。热水经流量控制阀由进水管经消能箱分配于配水池中，池底开小也或装管嘴，使热水均匀洒在填料上。2/3/202350池式配水系统特点：配水均匀；供水压力低；受太阳辐射，易生藻类；维护方便。适用于横流塔。2/3/202351四、通风及空气分配装置（一）风机组成：

叶轮、传动装置、电机

轴流风机的特点：风量大、风压小、能正反转，并可通过调整叶片数或叶片角改变风量和风压，提高片数或角度可增加风量、风压，但功率也相应增大，效率降低。2/3/202352（二）通风筒1、作用：减小气流出口的动能损失；减小或防止从冷却塔排出的湿热空气回流到塔进口，重新进入塔内。2、组成：进风收缩段、进风口、上部扩散筒。3、基本要求：1)为使气流平稳地被压缩进入风筒，在逆流式冷却塔中淋水填料顶面至风机风筒进口之间应有一定的高度和适当的收缩角度。2)收缩段与风机风筒的连接应设置流线型导流阀，使气流平稳地进入风机风筒，避免气流与风筒边壁分离产生漩涡。3)为减少塔出口动能损失和减轻出塔湿热空气向塔进风口回流，在风机风筒出口设置扩散筒。2/3/2023532/3/2023542/3/202355（三）空气分配装置1、空气分配装置的组成：1)逆流塔中，包括进风口和导风装置；进风口指填料以下到集水池水面以上的空间。当进风口高度较小时，应在进风口上部设导风板。2)横流塔中，仅指进风口。进风口高度相当于整个淋水装置的高度。设置有百叶窗：导流作用、防止淋水溅出、拦截杂物和降噪等作用。导风装置：在逆流式冷却塔中常采用斜形淋水填料和阶梯形淋水填料时，在其模板下设齿状导风孔（槽）。2/3/202356导风装置示意图2/3/202357五、其它装置（一）除水器从冷却塔排水的湿热空气中，带有一些水分，其中一部分混合于空气中的水蒸气，不能用机械方法分离；另一部分是随气流带出的雾状小水滴，通常可用除水器来分离回收，以减少不量损失，同时改善冷却塔周围环境。2/3/202358

除水器应做到除水效率高、通风阻力小、经济耐用、便于安装。小型冷却塔多采用塑料斜波作为除水器，而大、中型冷却塔多采用弧形除水片组成单元块除水器。2/3/202359（二）集水池

集水池起储存和调节水量的作用，有时还可作为循环水泵的吸水井。集水池的容积应满足循环水处理药剂在循环系统内的停留时间的要求。

集水池底应设集水坑，出水管前设置格栅，周围设回水台。

（三）塔体

主要起封闭和围护作用。主体结构和淋水填料的支架在大中型塔中用钢筋混凝土或防腐钢结构；小塔全用玻璃钢结构。塔体形状有平面上有方形、矩形、圆形、双曲线等。2/3/2023602/3/2023616.3水的冷却原理一、蒸发传热二、接触传热2/3/2023621、蒸发传热：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，达到冷却的效果，这就是蒸发传热。2、原理：分子热运动(分子传热理论，由于分子的不规则运动，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的动能足以克服液体内部对它的内聚力时，这些水分