TUhjnbcbe - 2023/12/3 6:32:00
编者按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*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。1冷却塔选型1.1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。1.2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，m/h；Li—各检测设备所需冷却水流量，=m/h；—选型余量系数，1.2～1.25，取1.2。根据公式（1），得L=m/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.kJ/（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=.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.m3/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=.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～W/(m2·℃)，取K=0W/(m2·℃)。通过计算得到S=m2。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，m/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=mm时，流量L=.7m3/h；当u=1.4m/s、D=mm时，流量L=.3m3/h；当u=0.6m/s、D=mm时，流量L=.7m3/h。这三种情况与已知流量L=m3/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=mm，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、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，首选不锈钢材质。8)冷却塔防冻措施冬季，华北*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热带或保温层，并配备温控系统，工作原理同加热丝。如此，在冷却塔停机工况下，通过以上措施可以保证主管路、循环水箱、散热盘管、喷淋系统不会结冰。如果缺少了防冻措施，轻则主管路、循环水箱、散热盘管、主泵、喷淋泵、喷淋池结冰，重则导致主管路、循环水箱、散热盘管、主泵、喷淋泵破裂，冷却塔无法正常工作。2闭式冷却塔安装闭式冷却塔安装是关键环节，安装质量高低直接影响到冷却塔能否正常使用，同时对以后的运维也有直接影响。2.1管路材质冷却塔管路材质对冷却效果有直接或间接影响，选择不当会直接导致生锈，堵塞检测设备换热器，影响换热效果，还可能损坏主泵叶片。冷却塔管路材质有热镀锌管、衬塑复合压力钢管、铜管、不锈钢管、UPVC管。热镀锌管在冷却塔中广泛使用，造价低、易安装，一般是冷却塔管道的首选。安装时优先采用沟槽式连接方式，不建议采用焊接工艺，因为焊接会导致镀锌层破坏，遇水容易生锈；沟槽连接方式因不破坏镀锌管的镀锌层，在一定程度上可以大大减小管道生锈的概率。热镀锌管作为管路，最大的缺点是对水质要求极高，一般要求去离子水或蒸馏水（电导率≦5μs/cm，硬度≦30ppm）。软化水或自来水会使管道内壁生锈，锈垢会严重污染水质，锈垢吸附在管道内壁上，会严重降低管道流量；锈垢脱落在管路中循环，还会严重锈蚀管道泵叶片，同时会引起检测设备换热器堵塞。铜管和不锈钢管属于压力管道中造价比较高的，铜管在大口径使用时安装性能和经济性能皆不理想，因此其很难应用在大口径冷却水主管路中。不锈钢管的优点是耐腐蚀，可以有效避免生锈问题，是水塔管道系统中常用的材质之一。UPVC管是一种非金属管材，无*、耐腐蚀、质量轻、不结垢、价格低，采用粘接方式进行安装。缺点是自身刚性、耐压性和稳定性差，不适合大口径主管路（直径大于DN）和架高安装，因此在闭式冷却塔系统中不常用。衬塑复合压力钢管兼具热镀锌管与UPVC管的优点，既有钢管的强度，又有塑料管的耐腐蚀性、流体阻力小的特点，造价低于不锈钢管，因此也是冷却塔主管路材质中优先选择的类型。2.2管路与检测设备间连接用管管路与检测设备之间常用的连接用管一般有三类：橡胶管、不锈钢丝软管和硬管（UPVC、PPR、热镀锌管）。三类管材耐压性能都很好，其中，橡胶管和不锈钢丝软管是软连接，安装方便，也便于设备挪动，尤其适合为三综合试验箱预留出前后左右移动的距离。2.3管路与检测设备间连接用管的连接方式管路与检测设备之间连接用管的连接方式取决于选用管类型，一般情况下橡胶管采用卡箍式连接，不锈钢软管和热镀锌管优选螺纹连接，UPVC管多用粘接方式，PPR管采取热熔方式。卡箍式连接最为简便，施工/拆卸都很方便，不易泄漏。螺纹连接方式除螺纹制作需要专用的设备辅助外，还对密封有较高的要求，常见的螺纹密封方式有四种：生料带、麻皮、铅油和橡胶垫，其中铅油密封需要生料带或麻皮在外层包裹。一般管道压力较小时多用生料带和麻皮密封，压力较大时可选用橡胶垫密封；铅油多用在管道口径比较大的情况下。粘接方式只适用于PVC类的管道，操作比较简单，但不适合压力大的场合。PPR热熔方式对操作者要求高，热熔时间和方式需要把握好，否则自然冷却后容易漏水。2.4分支管路上的阀门、过滤网冷却塔分支管路上都要安装截止阀门，以便于检测设备维修或清洗过滤网时断水。检测设备冷却水入口处要安装Y型过滤器，过滤器可以拦截管道里的杂物，从而可以有效避免检测设备换热器堵塞。2.5管路上的放气阀、压力表、旁通阀、排水阀冷却塔主管路要安装放气阀，放气阀的位置一般安装在管路最高处。放气阀的作用是在冷却塔首次投入运行时将管路里的空气排空，从而快速将冷却水的压力和流量建立起来。为了方便观察，建议在冷却塔主机入口管道上再安装一个放气阀，这样做一是方便放气操作，二是结合入口处的压力表，可以很清楚地看到压力波动情况，从而判断出管道里是否还有空气。冷却塔主管路和分支管路上均要安装压力表。每对分支管路的供水和回水管路上各安装一个压力表，可以清楚地了解到进水压力和回水压力的压差，压差也是判断冷却塔冷却能力的一项重要参考指标，主管路也是同样的道理。压力表尽量选用耐震压力表，其可靠性好。压力表缓冲管和阀门要选用耐腐蚀材质，否则一旦发生腐蚀、破裂，更换起来十分麻烦。冷却塔主管路末端常用旁通阀连接，一方面是可操作性强，二是可以实现整个管道压力可调。冷却塔主管路要安装排水阀，一是用于冷却塔投入使用前或运维时的管路冲洗，二是用于更换冷却介质时排水。排水阀的位置一般位于主管道最低处，便于管道水释放干净。排水阀大小一般选用DN50的球阀，节约排水时间。排水阀数量可设置1~2个。2.6循环水箱位置冷却塔循环水箱的位置高低没有要求，前提是回水管路装有止回阀，否则水箱位于低处时，水塔停机后管道水回流会造成水箱溢水。如若回水管路没有止回阀，而且水箱位置低于管路最高处，就会出现以下问题：（1）冷却塔停机后，管路里的水从高处跌落造成倒灌，水箱发生喷水现象；（2）倒灌后会使管路里进入空气，再次开启会将水箱吸瘪或鼓包，轻则导致水箱变形、法兰软连接严重变形，重则水箱破裂，无法使用。2.7循环水泵的防护闭式冷却塔循环水泵应做遮挡措施（可制作成带斜度的遮挡），防止水泵受到雨雪风沙的侵害和阳光暴晒。3闭式冷却塔使用及维护3.1喷淋池冷却塔喷淋水箱因为不是密闭系统，灰尘、树叶、昆虫等很容易因为冷却风机的抽吸作用进入到喷淋水箱里。时间一长，积攒的上述物体就会污染喷淋池的水质，导致喷淋水箱过滤网堵塞，喷淋水量减少甚至没有，喷淋泵空转或甚至烧毁；被污染的水质喷淋到换热盘管表面，引起表面积灰，大大降低盘管的换热能力，进而导致检测设备冷却量需求不够而发生停机现象。因此，喷淋水箱是维护的重点部位之一，根据喷淋水质污染情况，建议每周就要清理一遍喷淋水箱，确保喷淋水质洁净。浮球是实现喷淋池自动补水的核心部件，属于容易损坏部件，运维时要经常巡查，确保浮球能正常使用。喷淋水箱过滤网容易堵塞，应定期清理，喷淋水量明显减少是过滤网堵塞的标志。过滤网要选用长圆筒状的，不可选择平面型的，根据实际统计，安装平面型过滤网，最多一个星期就会将过滤网堵塞。3.2冷却风扇冷却塔冷却风扇是外循环的核心部件，起到为内循环降温的作用。运维时要定期查看风扇运转情况，仔细辨别风扇运转时是否有异响、是否平稳，同时要查看防护网是否有生锈、破损或脱落的情形。防护网生锈并脱落后，严重影响风扇的正常运行，脱落的防护网与风扇叶片碰触，轻则划伤叶片，重则损坏叶片。因此，耐腐蚀防护网十分有必要，可在冷却塔选型时提出要求。运维时发现防护网生锈，要及时做防锈处理；锈蚀严重的，要及时更换。3.3防腐位于室外的管路因长期暴露在阳光、雨水、盐分、酸或碱性物质的综合作用下，很容易发生腐蚀。因此，为提高管路使用寿命并兼顾美观性，对管路定期进行防腐处理很有必要。对于没有采用耐腐蚀材质的外壳、喷淋池（其危害已在前面讲述，此处不再赘述），也应定期进行防腐处理。3.4防冻冷却塔防冻至关重要（其危害已在前面讲述，此处不再赘述）。对于没有防冻措施的冷却塔，要按照前述“冷却塔防冻措施”讲述的及时加装防冻措施。4结论本文分析了环境实验室冷却塔选型需考虑的八个因素，指明了冷却塔安装、使用及运维过程中需要注意的十一项内容。本文可以指导解决冷却塔选型过程中遇到的流量、换热面积等核心参数的计算方法问题，以及使用过程中遇到的管路布置方案、流量不足或分布不均、压力不足、密封失效、防腐防冻等问题，有助于缩短冷却塔选型时间并延长其使用寿命。引用本文：杨东，*增波，冯伟明，李视坤，杨博.环境实验室冷却塔选型及使用注意事项[J].环境技术，，(02):-+.专家简介：杨东，男，硕士，中级工程师，主要研究方向：环境及可靠性检测。通讯作者：杨博，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：环境及可靠性检测。