工業循環冷卻水系統設計探討

文/王園園 中國昆侖工程有限公司 北京 100037

循環冷卻水系統廣泛應用在工業領域中，是工業生產運行的重要部分，而冷卻塔作為主要的耗能設備，在工業循環冷卻水系統設計中，要考慮綜合因素，保證冷卻塔的運行效率，以提高循環冷卻水系統設計的合理性。現階段，我國大多數工業循環冷卻水系統存在較多問題，一方面是過度冷卻，在實際設計中，按照最不利環境工況來進行水泵與風機的選擇，實際水量與風量都低于設計工況，造成能耗過大；另一方面則是系統優化措施較為單一，針對大能耗設備，一般選擇結構改造、優化臺數和閥門等布置，沒有將多種優化方法進行整合。對此，本文基于當前工業循環冷卻水系統的問題，提出優化性設計方案，節省能耗的同時，提高循環冷卻水系統的性能，實現設計目標。在這樣的環境背景下，探究工業循環冷卻水系統設計具有非常重要的現實意義。

1、工業過程冷卻運行分析

在工業生產運行中，由于各個生產系統在運行過程中摩擦、燃燒或是化學反應等因素產生大量的廢熱，造成設備溫度迅速升高，受到熱脹冷縮的影響，造成系統運行誤差，降低精密設備精度，從而導致產品質量問題。同時，設備溫度的上升，會加速各個部分元件的老化，設備磨損惡化或是發生故障，繼而引發工業事故。對此，在工業生產中，要嚴格控制精密儀器、核心設備、反應斧的實際溫度，以保證生產安全和產品質量。水本身具備極大的比熱容，在常溫狀態下呈現液態，化學穩定性高，便于管路輸送，正是由于水的這些特點，工業生產中常常將水作為生產系統冷卻的媒介。工業用水量已超過全國用水量的一半，冷卻水用量占工業用水的90%以上。冷卻水主要是和設備運行產生的熱能進行交換，水質變化小，若直接排放會造成水資源的浪費，因此需要通過冷卻系統來降低水的溫度，達到重復使用的目的。

2、工業循環冷卻水系統的組成

如圖1所示，為工業循環冷卻水系統的結構框架，包括冷卻塔、冷卻池、循環冷卻水泵以及冷卻水管網等系統。

圖1 工業循環冷卻水系統結構框架

2.1 閉式冷卻塔

如圖2所示，為閉式冷卻塔運行原理，本質上屬于一種蒸發式冷卻塔，由冷卻器、濕式冷卻塔組成，工藝流體經管內，其空氣會在管外進行流通，二者無法接觸，塔底的蓄水池中的水會通過循環水泵抽出，輸送至管外進行均勻噴淋，借助噴淋水的方式提高傳熱傳質效果。相比于空冷式熱交換器而言，這種冷卻塔通過管下側水蒸發潛熱，大大提高空氣側傳熱傳質效果，生產效率高，全封閉循環，避免雜質進入而污染水質，占地面積小，操作便利，這是本文選擇閉式冷卻塔的主要原因。

圖2 閉式冷卻塔運行原理

2.2 循環冷卻水泵

循環冷卻水泵主要對冷卻水系統進行循環控制，把冷卻池中經過冷卻的水及時輸送至用戶端吸熱，之后送回到冷卻塔中進行降溫，最終回到冷卻水池中，循環往復，實現各個工作設備的換熱降溫。大多數循環冷卻水泵以離心泵為主，運用泵性能曲線進行描述，包括Q-H曲線、Q-ηP曲線、Q-Np曲線等，其轉速不同會對應不同的性能曲線，通過管網阻力計算可獲得揚程曲線，而聯立水泵Q-H曲線、管網需要揚程曲線的交點就是循環冷卻水泵的運行工況點。

2.3 換熱設備

在循環冷卻水系統運行中，按照用戶熱負荷需求進行循環水進出溫度與水量的計算。用戶換熱器包括冷凝器、凝汽器和換熱器等，以管殼式換熱器為主，通過殼程與管程進行傳熱介質的輸送。當冷側介質通過管程、熱側介質通過殼程時，二者會出現逆向流動，以間壁式接觸換熱為主，提高換熱能力。考慮到傳熱性能的提高，采用提高傳熱系數或是增加傳熱平均溫差的方式，依托于換熱器換熱交換原理，其運行方程式為：，其中q為冷熱流體總換熱量，h為換熱器傳熱系數，s為換熱器表面換熱面積，為換熱面冷熱流體熱交換溫差。

2.4 冷卻水管網

冷卻水管網主要用于連接各個設備，保證冷卻水循環與換熱。管網多采用碳鋼管道，管徑范圍大，輸水損失最低，便于安裝和運輸，符合循環冷卻水系統的要求。由于系統運行中存在水分蒸發或是風吹損失的現象，會惡化循環水PH值，提高水中陰陽離子量，嚴重腐蝕冷卻水管網中的管路。對此，結合設備腐蝕情況，工業上選擇化學處理技術，添加緩釋阻垢劑或是氧化劑的方式，實施工業循環水處理，提高循環冷卻水系統中的水質，進而保證水質穩定。

結語：

綜上所述，在工業循環冷卻水系統設計中，要根據工業冷卻運行過程，確定用水量和系統設計目標，從閉式冷卻塔、循環冷卻水泵、換熱設備、冷卻水管網等入手，設計最佳的循環冷卻水系統，保證系統運行效率和使用功能，進而實現水資源的循環利用。