簡述水面冷卻池在某工程中的應用

于 洋，劉志剛

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

工業生產過程中往往會產生大量的熱量，導致產品或生產設備溫度上升。為了保證產品質量和生產設備的運行安全，可通過冷卻介質帶走生產過程中產生的部分熱量。水分子由于具有極大的極性和很強的生產氫鍵的能力，導致水的內聚力很大。要改變水的形態，需要較多的熱量和溫度，也就是說水具有儲存或放出較多熱量的能力。正是因為水的這種特性，且容易獲得、價格便宜，所以水常常作為冷卻介質被廣泛使用。

1 冷卻構筑物的分類

利用水的蒸發及空氣與水的傳熱原理帶走水中的熱量、降低水溫的構筑物稱為冷卻構筑物。水的冷卻構筑物包含水面冷卻池、噴水冷卻池及冷卻塔3種[1]。水面冷卻池作為最早使用的一種冷卻系統，其原理是利用自然蒸發使已吸收熱量的水冷卻后再循環使用。它的特點是冷卻過程較緩慢、效率較低、冷卻溫差較小、占地面積大、能耗較少、管理運行方便。

2 水面冷卻池

水面冷卻池是利用水體自然水面通過蒸發、對流、輻射等方式向大氣中傳質、傳熱，從而散除水中熱量的敞開式冷卻構筑物（自然或人工建造）[1]，一般分為兩種。

1）水面面積有限的水體，包括水深小于3 m的淺水冷卻池（池塘、淺水庫、淺湖泊）和水深大于4 m的深水冷卻池（深水庫、深湖泊等）。其中，淺水冷卻池因為水深不足3 m，正處于吸收太陽短波輻射量較多的范圍，水流以水平流向流動為主，只能依靠水面散熱來降低水溫。深水冷卻池因為水深超過3 m，水溫遞減速度快，形成自然條件下的冷熱水分層，且水池越深，分層效果越明顯，溫差越大。由于產生溫差異重流，冷卻后的冷水下沉，熱水上浮，兩者的對流有利于表層熱水的散熱冷卻。因此，深水冷卻池相對淺水冷卻池來說效果更好，能有效地改善運行的經濟合理性。

2）水面面積很大的水體或者水面面積相對冷卻水量很大的水體，包括河道、大型湖泊、海灣等。利用此類自然水體冷卻循環水時，需注意以下幾點：（1）無論處于枯水期還是豐水期，水體的水量、水質和水溫均應滿足工業企業取水和冷卻的要求；（2）應征得水利、農業、漁業、航運、海洋、海事和環境保護等相關部門的許可方能采用[2]；（3）存在水利工程管理單位向工業企業征收的供水費問題。因此，是否采取利用自然水體冷卻循環水的方案，取決于工程的具體條件和技術經濟綜合分析。

排入冷卻池熱水的排水口高程上應接近自由水面，出流平順，保證水面平靜，有利于散熱。取水口應在池底淤積層以上熱水層以下的冷水層，保證水質水溫滿足要求。為了充分地利用池面與大氣的熱交換，應盡量使水流分布均勻，減少死水區。

3 工程應用案例

某銅冶煉項目需對渣包進行噴淋冷卻處理，渣包運至渣緩冷場后，先空冷24 h，再噴淋水冷54 h。

3.1 工藝條件

渣包噴淋冷卻水要求水溫不得高于60℃，噴淋后排水水溫為65℃。給水量為280 m3/h，回水量為270 m3/h。

3.2 冷卻工藝及設備配置

1）冷卻工藝。常規采用的冷卻工藝為機械通風冷卻循環供水方式，即渣包噴淋熱水—回水管（溝）—熱水池—熱水泵—冷卻塔—冷水池—冷水泵—渣包噴淋用水。根據該工程對噴淋冷卻水的水溫差要求不高和自身的水質情況，考慮采用自然冷卻的方式。具體的流程為：渣包噴淋熱水流至排水溝，匯合后流入露天混凝土冷卻池；露天冷卻池內熱水通過自然散熱的方式降溫，冷卻后的水經回水泵用于渣包噴淋用水。為保證水質，在回水泵出水管上設置全自動自清洗過濾器1臺。正常情況下，冷卻池補水采用廠區回用水供給；當廠區回水用水系統停止供水時，為廠區生產給水供給。

2）設備配置。設置自吸式回水泵2臺，1用1備，單臺性能為：流量Q=300 m3/h，H=33 m，N=75 kW。另配套自清洗過濾器1臺，Q=300 m3/h，N=0.25 kW。

3.3 設計計算

損失的熱量包括水池表面蒸發損失的熱量，池壁、池底傳導、管道等損失的熱量，補充水加熱損失的熱量3部分。

1）水池表面蒸發損失的熱量（Qs），按公式[3]計算可得：

式中：Qs為池水表面蒸發損失的熱量，kJ/h。β為壓力換算系數，可取133.32 Pa。ρ為水的密度，取1 kg/L。γ為與池水溫度相等的飽和蒸汽的蒸發汽化潛熱，kJ/kg。μw為水池水面上的風速，m/s。一般 μw按下列規定采用：室內水池μw=0.2～0.5 m/s；露天水池μw=2～3 m/s取2 m/s。Pb為與水池水溫相等的飽和空氣的水蒸汽分壓力，Pa，取60°C時對應的值為19 933 Pa；Pq為水池的環境空氣的水蒸汽壓力，Pa，取28°C時對應的值為3 781.5 Pa；As為水池的水表面積，m2；B為標準大氣壓力，Pa；B’為當地的大氣壓力，Pa。

2）池壁、池底傳導、管道等損失的熱量（Qt），一般按水池表面蒸發損失的20%計算。

3）補充水加熱損失的熱量（Qb），按公式[3]計算可得：

式中：Qb為補充水加熱損失的熱量，kJ/h；c為水的比熱，4.187 6 kJ/（kg·℃）；Vb為水池每日的補充水量，L/d；為 10 m3/h，即 240 000 L；Td為水池設計溫度，取60℃；Tf為水池補充水的溫度，℃；th為加熱時間，h。

4）可冷卻的循環水量（Q），按公式[4]計算可得：

式中：Q為可冷卻水量，m3/h；t1為排水溫度，取65℃；t2為取水溫度，取60℃。

因H=Qs+Qt+Qb，綜合上述公式計算得出As=191.2 m2。根據水池的水表面積As=191.2 m2，設計露天冷卻池尺寸為15 m×15 m，深度4 m，底部預留0.6 m的淤積層。冷卻池布置在較空曠的場地，并設置DN100的廠區回用水管和DN100的廠區生產給水管用于補水。通過設置在回水泵出口管道上的溫度計對水溫進行監測，使水溫無論在冬季及夏季均滿足工程要求。

4 結語

本項目通過設置露天冷卻池及回水泵滿足了工程要求。與同規模常規方法相比，少設置了冷卻塔、熱水泵、熱水池等設備及構筑物，占地節省近半，電機功率節省150 kW，但冷卻池表面經常有霧氣存在。當項目對噴淋冷卻水的水溫差要求不高、冷卻水量不大，且周邊環境要求不嚴時，可考慮采用自然冷卻的方式。