(天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193)

1 概述

我國是一個水資源短缺的國家，人均水資源占有量約為2200m3不足世界平均水平的四分之一，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，水資源短缺的問題日益顯現(xiàn)，我國正常年份缺水量約400億m3已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。面對這樣的嚴(yán)重局面，節(jié)水是給排水工程設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

工業(yè)中工藝換熱設(shè)備冷卻系統(tǒng)一般為全年需要運(yùn)行，利用閉式冷卻系統(tǒng)在過度、冬季采用自然(空氣)能源為工藝?yán)鋮s設(shè)備提供冷量，節(jié)能效果顯著。閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，一般可比開式冷卻塔系統(tǒng)節(jié)水50%～70%。特別適合水資源匱乏的地區(qū)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，密閉式冷卻塔必然會迎來更大的發(fā)展和應(yīng)用空間。

以下內(nèi)容為本人工程設(shè)計(jì)中的一點(diǎn)體會，總結(jié)出來與大家進(jìn)行交流。

2 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理

2.1 閉式冷卻塔

閉式冷卻塔（也叫蒸發(fā)式空冷器或密閉式冷卻塔）是一種蒸發(fā)式冷卻塔，冷卻器和濕式冷卻塔的組合。

閉式循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)水,采用軟水充當(dāng)冷卻水，通過吸收工藝換熱設(shè)備的熱量，使得冷卻水升高溫度后，進(jìn)入閉式冷卻塔內(nèi)管式換熱器內(nèi)，循環(huán)冷卻水在在閉式冷卻塔換熱盤管內(nèi)流過，空氣在管外流過，使管內(nèi)冷卻水與管外的空氣進(jìn)行熱量交換；當(dāng)閉路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)出水溫度，不能滿足工藝所要求的冷卻水溫度時,開啟閉式冷卻塔內(nèi)循環(huán)噴淋水系統(tǒng)，盤管上方的噴淋水沿排管均勻地噴灑在盤管的表面，在管壁外表面形成均勻的水膜，室外冷空氣由塔體下方的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入塔內(nèi)，與噴淋水呈相反方向流經(jīng)盤管外的水膜層；通過接觸傳熱和一部分噴淋水蒸發(fā)散熱而吸收盤管內(nèi)水中的熱量而傳給空氣，吸收熱量后的飽和熱濕空氣由冷卻塔頂部的排風(fēng)機(jī)排至大氣中，通過流通的空氣、噴淋水與循環(huán)冷卻水的熱交換以達(dá)到工藝換熱所要求的冷卻水溫度指標(biāo)。

循環(huán)冷卻水在閉式循環(huán)冷卻塔管內(nèi)循環(huán)水熱量被管外的空氣及冷卻塔內(nèi)循環(huán)噴淋水吸收,經(jīng)循環(huán)水泵加壓送至工藝換熱設(shè)備換熱,進(jìn)入再次往復(fù)的循環(huán)下去。

2.2 閉式循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)

閉式循環(huán)系統(tǒng)水因溫度變化而會引起的體積變化及循環(huán)系統(tǒng)會存在漏水、氣體存在現(xiàn)象，在系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置補(bǔ)水定壓排氣裝置。

2.3 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)圖（見圖1）

圖1

3 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 在閉式循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水采用軟水循環(huán)使用，不與外界空氣接觸，完成吸熱與放熱的熱量傳遞過程。因?yàn)殚]式循環(huán)，軟水質(zhì)量穩(wěn)定，基本不損耗，僅補(bǔ)充因系統(tǒng)設(shè)備跑漏而損失的少量軟水。

3.2 當(dāng)外界氣溫較低時，可以停止閉式循環(huán)塔內(nèi)噴淋水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水熱量由空氣帶走，起到節(jié)水效果。

3.3 閉式循環(huán)系統(tǒng)冷卻水，不與大氣直接接觸，不易滋生微生物及水質(zhì)不受空氣污染。

3.4 閉式循環(huán)系統(tǒng)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特性及工藝設(shè)備的要求來確定。目前工業(yè)工藝設(shè)備對冷卻水水質(zhì)要求高，采用軟水作為閉式循環(huán)系統(tǒng)輸送介質(zhì)，可達(dá)到工藝設(shè)備的水質(zhì)要求，提高傳熱效率，由于水質(zhì)不受大氣污染，從而大大減少了換熱設(shè)備結(jié)垢和腐蝕，提高了換熱設(shè)備傳熱效率和壽命。

4 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 閉式冷卻塔的排熱量

a 標(biāo)準(zhǔn)工況排熱量

通常閉式冷卻塔生產(chǎn)廠家所提供的設(shè)備能力，均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況(大氣壓力P=1.004×105)、（室外空氣計(jì)算濕球溫度t=28℃）的數(shù)據(jù)。

t1冷卻水進(jìn)塔溫度；t2冷卻水出塔溫度。

b 實(shí)際工況排熱量

設(shè)計(jì)人員需根據(jù)冷卻塔安裝使用地區(qū)的空氣計(jì)算濕球溫度，對標(biāo)準(zhǔn)工況排熱量進(jìn)行修正。

Q標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)工況下閉式冷卻塔的排熱量Kw；Q實(shí)際實(shí)際工況下閉式冷卻塔的排熱量Kw；K1濕球溫度變化排熱量修正系數(shù)，由設(shè)備廠家提供；K2進(jìn)塔水溫變化排熱量修正系數(shù) 由設(shè)備廠家提供。

4.2 冷卻水水量

循環(huán)冷卻水量應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的最大小時用水量確定。工業(yè)冷卻水主要是為工藝換熱式的冷卻器和冷凝器壓縮機(jī)、泵等需要冷卻設(shè)備提供冷卻介質(zhì)，根據(jù)工藝裝置中各用戶的熱負(fù)荷及冷卻水進(jìn)、出口溫差計(jì)算循環(huán)水量，同時通過水熱平衡計(jì)算，得到循環(huán)冷卻水的計(jì)算總量，設(shè)計(jì)總量建議為計(jì)算總量的1.2倍。當(dāng)工藝用戶的冷卻水進(jìn)、出口溫度相等時冷卻水水量為：

W-總水流量，m3/h；∑Q-用戶設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的總和，kW（取計(jì)算熱負(fù)荷的1.2倍）；c-水的比熱容，可取c=4.19kJ/kg.℃； tg、th－供、回水溫度，℃；ρ-水的密度（kg/m3）可取1000 kg/m3。

4.3 管徑的確定

管徑應(yīng)根據(jù)流體的流量、性質(zhì)、流速、及管道允許的壓力損失等確定。

Di=0.0188[W0/Vρ]0.5

Di－管子內(nèi)徑（m）；W0－質(zhì)量流量（kg/h）；V－平均流速（m/s）；ρ－流體密度（kg/m3）。

4.4 閉式冷卻水系統(tǒng)膨脹罐設(shè)計(jì)[1，2]

閉式冷卻水系統(tǒng)的膨脹水罐應(yīng)具有氮?dú)庾詣诱{(diào)壓、水位檢測、自動補(bǔ)水與泄水以及防止空氣進(jìn)入水系統(tǒng)功能。

一般而言，減稅可以通過某個稅種的稅目、稅率、稅基等課稅要素的調(diào)整予以促成，也可以通過完善某個具體稅種的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來加以實(shí)現(xiàn)。然而，造成我國當(dāng)前制造業(yè)整體稅負(fù)較重的原因之一就是企業(yè)所得稅結(jié)構(gòu)不合理。主要表現(xiàn)為：

膨脹罐氣水容積的比值宜為0.75～1.00，水容積宜按4℃水溫與最高設(shè)計(jì)水溫的比容差乘以系統(tǒng)容積來確定，并應(yīng)增加15%的安全余量。

當(dāng)采用開式膨脹水箱有困難時，可設(shè)置閉式隔膜膨脹水罐或補(bǔ)水泵變頻定壓方式。

4.5 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)定壓壓力

閉式循環(huán)系統(tǒng)為維持系統(tǒng)內(nèi)水力工況穩(wěn)定，必須設(shè)置定壓裝置，以保證水系統(tǒng)中某一點(diǎn)的壓力維持不變。定壓點(diǎn)的設(shè)置位置直接影響到整個水系統(tǒng)的壓力分布情況。

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般給多臺設(shè)備冷卻，由于各設(shè)備在管路連接的位置、高度不同，在設(shè)計(jì)階段確定整個網(wǎng)路水壓圖，這樣可以全面了解系統(tǒng)的壓力狀況，采取可效的措施，保證系統(tǒng)安全良好的運(yùn)行。

確定循環(huán)系統(tǒng)水壓基本要點(diǎn)：

1）循環(huán)水網(wǎng)路設(shè)備連接點(diǎn)壓力不應(yīng)超過設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力。

2）無論循環(huán)水泵運(yùn)行或停止運(yùn)行時，其系統(tǒng)定壓點(diǎn)處（水泵入口處）水壓頭必須高于系統(tǒng)最高點(diǎn)充水高度，以防止系統(tǒng)倒空吸入空氣，破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行及腐蝕管道、設(shè)備。

4）系統(tǒng)管路內(nèi)任何一處供回水管壓力差，應(yīng)滿足工藝換熱設(shè)備系統(tǒng)所需要的作用壓力。

5）定壓點(diǎn)的位置應(yīng)為循環(huán)水泵入口干管上。

4.6 閉式循環(huán)水系統(tǒng)水力計(jì)算

管道的總壓力損失為最不利環(huán)路直管的摩擦壓力損失與局部的摩擦壓力損失（含工藝換熱設(shè)備冷側(cè)系統(tǒng)壓力損失），并應(yīng)計(jì)入適當(dāng)?shù)脑６?。其裕度系?shù)，一般為1.05～1.1。

管道的總壓力損失+設(shè)備壓力損失+用戶需求等做為我們選循環(huán)水泵揚(yáng)程的依據(jù)。

管道的壓力損失計(jì)算[3]：

a直管的摩擦壓力損失計(jì)算

Δpf-直管的摩擦壓力損失（MPa）；λ-流體摩擦系數(shù)；ρ-流體密度（kg/m3）；ν-平均流速（m/s）；g-重力加速度（m/s2）；L-管道長度（m/s）。

b局部的摩擦壓力損失計(jì)算

局部的摩擦壓力損失的計(jì)算，可采用當(dāng)量長度法或阻力系數(shù)法。

ΔPk-局部的的摩擦壓力損失（MPa）；Le-閥門和管件的當(dāng)量長度（m/s）；KR-阻力系數(shù)。

4.7 工程實(shí)例

某工程采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水量為364m3/h，冷卻塔進(jìn)水溫度T1=40℃，出水溫度T2=32℃，濕球溫度T=26.4℃，水質(zhì)需軟化、過濾處理。

1）本次設(shè)計(jì)選用低噪聲型密閉式冷卻塔，一期分4個單元，型號KMB-364TR,冷卻水量為Q=40m3/h，濕球溫度T=26.4°C,△t=8°c,出水溫度為32℃。冷卻塔自帶冬季防凍控制單元包括控制柜。

2）選用循環(huán)水泵Q=200m3/h，H=40m，N=55kW，r=1480r/min，兩用一備。

3）選用全自動軟化水裝置，型號為SYS-15RT(Q)型，產(chǎn)水量為Q=12m3/h。

4）選用BHGC型變頻恒壓補(bǔ)水裝置，包括：補(bǔ)水泵兩臺，每臺流量為Q=10m3/h，H=15m，N=1.5kW，氣壓罐型號為SQL550*1253。恒壓設(shè)定在0.12Mpa。自帶變頻控制柜。

5）調(diào)節(jié)水箱的尺寸為2000×2000×2000mm，有效容積為5m3。

6）循環(huán)水的調(diào)節(jié)水箱需要設(shè)置連續(xù)液位顯示裝置及報(bào)警：高水位距箱底1.80m時報(bào)警，低水位距箱底0.30m時報(bào)警。水箱的補(bǔ)水采用電磁閥控制自動補(bǔ)水。當(dāng)水位距箱底為1.00m時，打開電磁閥；當(dāng)水位距箱底為1.70m時，關(guān)閉電磁閥。

7）選用多相全自動過濾器，處理流量為364m3/h，型號SYS-250B1.0DQ-P,功率750W。自帶控制箱。壓力等級P=1.0MPa。

8）具體配管詳見圖2、圖3。

圖2

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 循環(huán)水管路高點(diǎn)設(shè)置排氣裝置

由于管網(wǎng)系統(tǒng)初期充水及管道局部流速過高，導(dǎo)致水中空氣析出，閉式循環(huán)水管網(wǎng)中存有空氣，系統(tǒng)會發(fā)生管道氣阻、振動等現(xiàn)象，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行，所以循環(huán)水系統(tǒng)管路高點(diǎn)處設(shè)置排氣閥，有條件化水平管沿流水方向設(shè)有2%向上坡度，保證管道內(nèi)的空氣順利的通過排氣閥排出系統(tǒng)外。

5.2 管道材質(zhì)的選擇

管道材質(zhì)的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、管徑、外部荷載、管道敷設(shè)方式、敷設(shè)地區(qū)的氣候條件、空氣質(zhì)量、地形地質(zhì)、材料的供應(yīng)，按照運(yùn)行安全、耐久、減少漏損、施工和維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)合理等因素綜合確定。

目前在工業(yè)系統(tǒng)的大型密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，焊接鋼管仍是最常用的管材。

5.3 循環(huán)水管道敷設(shè)

循環(huán)水管道敷設(shè)一般為架空敷設(shè)和埋地敷設(shè)。

隨著工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)越來越龐大，導(dǎo)致循環(huán)水輸送管道管徑大，一般管道采用埋地敷設(shè)，將管道埋深應(yīng)在冰凍線以下，當(dāng)無法實(shí)施時，采用可靠的防凍保護(hù)措施，例如：用戶端供回水加設(shè)聯(lián)通循環(huán)管是最常用的防凍保護(hù)措施。

設(shè)計(jì)選用鋼管管道埋地敷設(shè)時，應(yīng)滿足土壤壓力的穩(wěn)定性及剛度要求，鋼管管道結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列兩種極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)：進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算（包括強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定驗(yàn)算）、正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，應(yīng)按照國家規(guī)范《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS 141:2002進(jìn)行校核計(jì)算。

圖3

5.4 閉式冷卻水系統(tǒng)停電事故設(shè)計(jì)[2]

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，特別是化工工藝生產(chǎn)中，如果發(fā)生突然停電事故，致使循環(huán)水系統(tǒng)停止運(yùn)行，這不單會影響生產(chǎn)，極有可能產(chǎn)生爆炸事故，造成人員生命安危及國家財(cái)產(chǎn)損失的重大安全事故。停電安全設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)工程師必須首要任務(wù)。

當(dāng)發(fā)生停電事故時，閉式冷卻水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)備的事故用水量與安全給水時間不同的要求，可采取安全給水措施：1）當(dāng)安全給水時間大于1h，且事故用水量與正常給水量相同時，宜采用快速采油機(jī)泵直接供水；2）當(dāng)安全給水時間大于1h，但事故用水量小于正常給水量時，宜采用快速采油機(jī)泵與高位水箱結(jié)合供水，同時系統(tǒng)低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置事故泄水池；3）當(dāng)安全給水時間小于1h，但事故用水量小于正常給水量時，宜采用高位水箱結(jié)合供水，同時系統(tǒng)低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置事故排水閥。

6 結(jié)論

6.1 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是清潔、節(jié)能的冷卻水系統(tǒng)，適合于水源匱乏地區(qū)及工業(yè)工藝清潔度及密閉性要求較高的冷卻水系統(tǒng)。

6.2 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)是根據(jù)建設(shè)工程和法律法規(guī)的要求，對建設(shè)該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工程所需的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等條件進(jìn)行綜合分析、論證。

設(shè)計(jì)是對該工程項(xiàng)目的建設(shè)提供有技術(shù)依據(jù)的設(shè)計(jì)文件和圖紙的整個活動過程，編制建設(shè)工程設(shè)計(jì)文件的活動，是保證閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)。

[1]實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊（第二版）[S]，中國建筑工業(yè)出版社，主編陸耀慶，2008.

[2]工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范[S]GB50050—2007.

[3]工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]GB50316-2000(2008年版).