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第一節  循環冷卻水系統總概

人類日常生活離不開水，工業生產也同樣離不開水。隨著工業生產的發展，用水量越來越大，很多地區已經出現供水不足的現象，因此合理和節約用水已經成為發展工業生產中的一個重要問題。

工業用水主要包括鍋爐用水、工藝用水、清洗用水和冷卻用水、污水等。其中用水量最大的是冷卻用水，約占工業用水量的百分之九十以上。不同的工業系統和不同用途對水質的要求是不同的；但各工業部門使用的冷卻水對水質的要求基本上是一致的，這就使得冷卻水質控制在近年來作為一門應用技術獲得了迅速的發展。在工廠中，冷卻水主要用來冷凝蒸汽，冷卻產品或設備，如果冷卻效果差，就會影響生產效率，使產品的收率和產品的質量下降，甚至于會造成生產事故。

水是比較理想的冷卻介質。因為水的存在很普遍，和其它液體相比，水的熱容或比熱較大，水的汽化潛熱（蒸發潛熱）和熔化潛熱也很高。比熱是單位質量的水溫度升高一度時所吸收的熱量。常用的單位是卡/克·度(攝氏)或英熱單位(B．T．U．)/磅·度(華氏)。用這兩個單位表示水的比熱度時，其數值是相同的。熱容大或比熱大的物質升高溫度時需要吸收大量的熱量，而本身溫度并不明顯升高，因此水具有良好的貯熱性能。潛熱是物態發生轉變時所吸收或放出的熱量。一克分子水蒸發成為一克分子蒸汽需要吸收近一萬卡的熱量，因此水蒸發時能吸收大量的熱量，從而使水溫下降，這種依靠水份蒸發帶走熱量的過程稱為蒸發散熱。

和水一樣，空氣也是一種常用的冷卻介質。水和空氣的導熱性能都很差，在0℃時，水的導熱系數是0.49千卡/米·小時·℃，空氣的導熱系數是0.021千卡/米·小時·℃，但水與空氣相比，水的導熱系數要比空氣高24倍左右。因此，當冷卻效果相同時，用水冷卻比用空氣冷卻的設備要小得多。大型工業企業和用水量大的工廠一般都采用水冷卻。常用的水冷系統可以分成三類，即直流系統、密閉系統和敞開蒸發系統，后兩種冷卻水都是循環使用的，故又稱為循環冷卻水系統。

1、 冷卻水系統

用水來冷卻工藝介質的系統稱作冷卻水系統。冷卻水系統通常

有兩種：直流冷卻水系統和循環冷卻水系統。

1.1 直流冷卻水系統

在直流冷卻水系統中，冷卻水僅僅通過換熱設備一次，用過后水就被排放掉，因此，它的用水量很大，而排出水的溫升卻很小，水中各種礦物質和離子含量基本上保持不變。

1.2循環冷卻水系統

循環冷卻水系統又分封閉式和敞開式兩種。

1.2.1 封閉式循環冷卻水系統

封閉式循環冷卻水系統又稱為密閉式循環冷卻水系統。在此系統中，冷卻水用過后不是馬上排放掉，而是回收再用。

1.2.2 敞開式循環冷卻水系統

敞開蒸發系統是目前應用最廣、類型最多的一種冷卻系統。它也是以水冷卻移走工藝介質或換熱設備所散發的熱量，然后利用熱水和空氣直接接觸時將一部分熱水蒸發出去，而使大部分熱水得到冷卻后，再循環使用。因此，這樣的系統也稱敞開循環冷卻水系統。根據熱水和空氣接觸方法的不同，可以分成很多類型。敞開循環冷卻水系統的分類見表一。

表一  敞開蒸發系統的分類

              自然冷卻塔

冷 卻 池

                噴淋冷卻池

           噴水式

敞                               開 放 式            橫流式

開                                          點滴式

蒸

發              自然通風

系                                          點滴式、薄膜式

統                               風 筒 式

                                    噴水式、點滴薄膜式

冷

卻                                    點滴式

        塔                                    薄膜式        逆流式

  鼓 風 式    噴水式

                             點滴薄膜式

     機械通風                        點滴式

                                                橫流或逆流式

                     薄膜式       

抽 風 式       噴水式

                                                 逆流式

                         點滴薄膜式

冷卻水由循環泵送往系統中各換熱器，以冷卻工藝熱介質，冷卻水本身溫度升高，變成熱水，此循環水量為R的熱水被送往冷卻塔頂部，由布水管道噴淋到塔內填料上。空氣則由塔底百頁窗空隙中進入塔內，并被塔頂風扇抽吸上升，與落下的水滴和填料上的水膜相遇進行熱交換，水滴和水膜則在下降過程中逐漸變冷，當到達冷卻水池時，水溫正好下降到符合冷卻水的要求。空氣在塔內上升過程中則逐漸變熱，最后由塔頂逸出，同時帶走水蒸氣。這部分水的損失稱為蒸氣損失E。熱水由塔頂向下噴濺時，由于外界風吹和風扇抽吸的影響，循環水會有一定的飛濺損失和隨空氣帶出的霧沫夾帶損失。由于這些損失掉的水，統稱為風吹損失D。為了維持循環水中的一定的離子濃度，必須不斷向系統中加入補充水量M和系統外面排出一定的污水。這部分水量稱為排污損失B。

冷卻塔的種類很多，按照塔的構造和空氣流動情況來區分，有自然通風冷卻塔和機械通風冷卻塔兩大類。按照空氣與水在塔內的相對流動情況，又可分為逆流式和橫流式。有關各種類型冷卻塔的結構和特點，可參閱有關的參考文獻。機械通風冷卻塔冷卻效果最好。設計中應綜合考慮循環比,其應在3～5倍為宜。

2、 濃縮倍數

循環冷卻水的濃縮倍數是該循環冷卻水的含鹽量與其補充水的含鹽量之比。

提高循環冷卻水的濃縮倍數，可以降低補充水的用量，從而節約水資源；還可以降低排污水量，從而減少對環境的污染和廢水的處理量。此外，提高濃縮倍數還可以節約水處理劑的消耗量，從而降低冷卻水處里的成本。但是，過多地提高濃縮倍數，會使循環冷卻水中的硬度，堿度和濁度升得太高，水的結垢傾向增大很多，從而使結垢控制的難度變得太大；還會使循環冷卻水中的腐蝕性離子（例如Cl-和SO42-）和腐蝕性物質（例如H2S、SO2和NH3）的含量增加，水的腐蝕性增強，從而使腐蝕控制的難度增加；過多地提高濃縮倍數還會使藥劑（例如聚磷酸鹽）在冷卻水系統內的停留時間增長而水解。因此，冷卻水的濃縮倍數并不是愈高愈好，一般熱電系統可控制5～8倍，化工、煉油2～4倍。

2.1.1節水量與濃縮倍數的關系

現在從節約水資源的角度看一下補充水量M占循環水量R的百分比M/R與濃縮倍數K的關系，以及每提高一個濃縮倍數單位時節約的補充水百分比（以占循環水量的百分比表示）

   M /R  /    K與濃縮倍數K的關系。

   為了有一個定量的概念，我們用下面的例題來說明。

例題  設循環冷卻水系統的循環量R為10000m3/h，冷卻塔進口和出口的水溫分別為42℃和32℃，試求濃縮倍數K分別為1.5~10.0時的補充水量M、排污水量B以及補充水量占循環水量的百分比M/R。

   解  現以K+2.0時為例進行計算；

蒸發損失水量E=R·CP·  t/r

=10000×4.187×(42-32)/2401

=174.4(m3/h)

風吹損失水量（按0.05%R計）

D=10000×0.05%=5.0(m3/h)

總排污水量    Br=E/(K-1)=174.4/(2.0-1.0)=174.4(m3/h)

排污水量      B=Br-D=174.4-5.0=169.4(m3/h)

補充水量        M=E+Br=174.4+174.4=348.8(m3/h)

式中   CP——水的熱容量（比熱）·kJ/(kg·℃);

t——水的進口溫度與出口溫度之差，℃；

r——水的蒸發潛熱，kJ/kg ；

 K——水的濃縮倍數。

現把K分別為1.5、3.0、4.0……10.0時的M、B、M/R和   M/R  /  K的計算結果列于表2中。

2.1.2濃縮倍數的選擇

從表2中可以看到：

隨著循環冷卻水濃縮倍數K的增加，冷卻水系統的補充水量M和排污水量B都不斷

表2不同濃縮倍數下冷卻水運行參數的計算值

減少，因此，提高冷卻水的濃縮倍數，可以節約水資源；

但是，每提高一個濃縮倍數單位（   K=1）所降低的補充水量的百分比   M/R  /   K則隨濃縮倍數的增加而降低。例如：

當濃縮倍數K由1.0提高到2.0時，補充水量M由10000 m3/h，降低到了348.8m3/h故有：

    M/R   /     K=10000-348.8/10000/(2.0-1.0)=96.5%

當濃縮倍數K由2.0提高到3.0時，則有：

    M/R   /     K=348.8-261.6/10000/(3.0-2.0)=0.87%

當濃縮倍數K由3.0提高到4.0時，則有：

    M/R   /     K=261.6-232.5/10000/(4.0-3.0)=0.29%

當濃縮倍數K由4.0提高到5.0時，則有：

    M/R   /     K=232.5-218.0/10000/(5.0-4.0)=0.14%

由以上的例子中可以看到：

① 在低濃縮倍數時，提高濃倍數的節水效果比較明顯；但當濃縮倍數提高到4.0以上

時，再進一步提高濃縮倍數的節水效果就不太明顯了。例如把上述循環冷卻水的濃縮倍數由4.0提高到5.0時，節約的水量僅占循環水量的0.14%。因此，一般循環冷卻水系統的濃縮倍數通常被控制在2.0~4.0左右。

② 與直流冷卻水相比，即使循環水的濃縮倍數比較低，例如僅為1.5倍，但此時補充

水即可節約94.8%（100%—5.2%）。由此可見，從節約水資源的角度來看，把直流冷卻水改造為濃縮倍數不太高的冷卻水，就可以節約大量的淡水資源。因此，直流冷卻水系統的改造與不改造（為循環冷卻水系統）是大不一樣的。

     敞開式循環冷卻水的濃縮倍數可以通過調節排污水量或補充水量來控制。

2.2 補充水量M（m3/h）

水在循環過程中，除因蒸發損失和維持一定的濃縮倍數而排掉一定的污水外，還由于空氣流由塔頂逸出時，帶走部分水滴，以及管道滲漏而失去部分水，因此補充水是下列各項損失之和。

2.2.1 蒸發損失E（m3/h）冷卻塔中，循環冷卻水因蒸發而損失的水量E與氣候和冷卻幅度有關，通常以蒸發損失率a來表示。進入冷卻塔的水量愈大，E也就愈多，以式表示如下：

E=a(R－B)

a=e(t1－t2)

     式中  a — 蒸發損失率，%；

           R — 系統中循環水量，m3/h；

           B — 系統中排污水量，m3/h；

           t1、t2 — 循環冷卻水進、出冷卻塔的溫度，℃；

           e—損失系數，與季節有關，夏季（25～30℃）時為0.15～0.16；冬季（-15～10℃）時為0.06～0.08;春秋季（0～10℃）時為0.10～0.12。

2.2.2 風吹損失（包括飛濺和霧沫夾帶）D（m3/h）風吹損失除與當地的風速有關外，還與

冷卻塔的型式和結構有關。一般自然通風冷卻塔比機械通風冷卻塔的風吹損失要大些。若塔中裝有良好的收水器，其風吹損失比不裝收水器的要小些。風吹損失通常以占循環水量R的百分率來估計，其值約為

D=（0.2%～0.5%）R  m3/h

2.2.3 排污水損失 B（m3/h）B的大小，由需要控制的濃縮倍數和冷卻塔的蒸發量來確定，其計算下面再討論。

2.2.4 滲漏損失 F （m3/h） 良好的循環冷卻水系統，管道連接處，泵的進、出口和水池等地方都不應該有滲漏。但因管理不善，安裝不好，則滲漏就不可避免。因此在考慮補充水量時，應視系統具體情況而定。故補充水量

M=E+D+B+F

3、排污水量 B（m3/h）

   排污水量B的確定與冷卻塔的蒸發損失E和濃縮倍數K有關。可以通過下列物料衡算的辦法，找出B和E與K的關系式。

   設循環冷卻水系統中，除了有補充水加入和排污、蒸發、風吹、滲漏等損失外，再沒有其他的水流或溶質加入或排出系統，那么整個系統在循環濃縮過程中，就可以對循環水中某些不受加熱、沉淀等干擾的溶質（如Cl-、Na+、K+等）作物料衡算，得到下面的式子：

MCM=ECE+BCR+DCR+FCR

     式中：CM — 補充水中某種溶質的濃度；

           CE — 水蒸氣中某種溶質的濃度；

           CR — 循環冷卻水中某種溶質的濃度；

     當系統中管道聯接緊密，不發生滲漏時，則F=0；當冷卻塔收水器效果較好時，風吹損失D很小，如略去不計，則上式可簡化為

                                        E

                                B=                 

   K－1  

因此循環冷卻水系統運行時，只要知道了系統中循環水量R和濃縮倍數K，就可以估算出蒸發量E，排污水量B以及補充水量M等操作參數。控制好這些參數，循環冷卻水系統的運行也就能正常進行。