環境實驗室冷卻塔選型及使用注意事項

楊東，黃增波，馮偉明，李視坤，楊博

（青島航天瑞萊海檢科技有限公司，青島 266000）

引言

環境實驗室通常分為力學環境檢測、氣候環境檢測和綜合環境檢測三個版塊，配備的檢測設備主要有：振動臺、沖擊臺、搖擺臺、溫濕度箱、鹽霧箱、霉菌箱等。其中的多數檢測設備正常工作情況下都需要進行冷卻降溫，比如振動臺、溫濕度箱等，而降溫方式最常見的類型就是風冷和水冷。通常來講，風冷方案適用于小型檢測設備，水冷方案適用于中大型檢測設備。中大規模的環境及可靠性實驗室，其檢測設備產生的換熱量規模在1 500 kW以上，常規的風冷方案難以同時滿足如此大規模的換熱量需求，水冷方案就成為首選方案，而冷卻塔就是水冷方案中最為常見的冷卻設備之一。

本文總結實驗室籌建過程中冷卻塔選型、安裝、使用及維護方面的經驗教訓，為類似實驗室的建設提供有價值的參考。

1 冷卻塔選型

1.1 冷卻塔的類型及優缺點分析

冷卻塔最簡單的分類形式有閉式和開式兩種，兩種形式的冷卻塔均可滿足冷卻需求。閉式冷卻塔的水循環路徑為封閉結構，擁有內-外兩個獨立循環，內循環用于將設備產生的熱量帶走，外循環是將內循環的水冷卻。開式冷卻塔的水循環路徑為非封閉結構，水循環路徑中的水箱為敞開式，循環水直接與空氣接觸。表1為閉式冷卻塔和開式冷卻塔優缺點對比。

冷卻塔的設計壽命在10年以上，從冷卻方式、冷卻效果、運維費用等綜合考慮，閉式冷卻塔要優于開式冷卻塔。環境及可靠性實驗室通常配備閉式冷卻塔。

1.2 閉式冷卻塔選型需考慮的因素

本文以公司籌建過程中某一臺冷卻塔的選型為例，介紹閉式冷卻塔選型時需考慮的因素。

1.2.1 總流量L

通常來講，一臺閉式冷卻塔同時滿足多臺檢測設備的冷卻需求，冷卻塔總流量要大于各檢測設備所需冷卻水流量之和。冷卻塔總流量計算公式如下：

式中：

L—冷卻塔總流量，m3/h；

Li—各檢測設備所需冷卻水流量，

φ—選型余量系數，1.2～1.25，取1.2。

根據公式（1），得L=150 m3/h。

1.2.2 冷卻塔出水溫度T2

環境及可靠性檢測設備進水溫度一般要求不高于32 ℃（具體參照設備技術參數），因此，要求冷卻塔出水溫度一般不高于32 ℃。

取T2=32 ℃。

1.2.3 冷卻塔進出水溫差ΔT

冷卻塔進出水溫差一般設計為5 ℃。

則冷卻塔進水溫度T1=37 ℃。

1.2.4 冷卻塔出水壓力P

根據環境及可靠性檢測設備使用技術參數要求，冷卻水壓力在0.25～0.4 MPa之間，考慮到管路沿程損失、過濾器等局部損失，冷卻塔設計壓力一般在0.5 MPa左右。

1.2.5 冷卻塔換熱面積S

冷卻塔換熱面積計算過程如下：

1）計算冷卻塔換熱量Q：

式中：

Q—冷卻塔換熱量，kW；

c1—水的比熱容，4.186 kJ/（kg·℃）；

m1—冷卻塔內循環水質量流量，kg/s；

ΔT —冷卻塔進出水溫差，℃。

根據公式（2），得Q=872.08 kW。

2）計算冷卻塔風量：

式中：

Q—冷卻塔換熱量，kW；

m2—冷卻塔外循環空氣質量流量，kg/s；

Δh —冷卻塔外循環進出空氣的焓差，kJ/kg。

青島地區夏季室外計算干球溫度為To1=29℃，室外計算濕球溫度為Ts1=26℃，室外計算相對濕度Φ=79 %RH[1]。查詢濕空氣參數表[2]得到閉式冷卻塔進口空氣的焓值h1=80.45 kJ/kg，進口含濕量d1=20.07 g/kg，進口比容v1=0.883 6 m3/kg。

表1 閉式冷卻塔和開式冷卻塔優缺點對比

冷卻塔外循環空氣質量流量m2計算公式[3]如下：

式中：

λ—氣水比，對于ΔT=5 ℃的低溫閉式冷卻塔來，一般λ在0.5～0.9之間，根據設計經驗通常取0.7左右。

計算得m2=29.2 kg/s。

根據公式（3）、（4），閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2計算如下：計算得h2=110.32 kJ/kg。

一般閉式冷卻塔出口的空氣相對濕度為80～95 %RH，可取85 %RH進行計算。根據閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2和出口空氣的相對濕度，查濕空氣參數表，可以確定出口狀態空氣的各個參數：

出口空氣干球溫度為To2=34.26 ℃，出口空氣濕球溫度為Ts2=31.94 ℃。

影響噴淋水溫度的因素有很多，噴淋水溫度接近出口濕球溫度，取噴淋水溫度Tx= Ts2=31.94 ℃。

3）計算冷卻塔換熱面積。

式中：

S—盤管換熱面積，m2；

ΔTm—對數傳熱溫差，=5.05 ℃；

K—盤管傳熱系數，kW/( m2·℃)，紫銅制作的盤管，管壁薄，換熱效果良好，紫銅管的傳熱系數為1 000～1 200 W/( m2·℃)，取K=1 100 W/( m2·℃)。

通過計算得到S=157 m2。此數據可用于驗證冷卻塔廠家提供的設計換熱面積是否合理。

1.2.6 冷卻塔主管路及分支管路管徑

冷卻塔主管路管徑D計算公式如下：

式中：

L—冷卻塔流量，m3/h；

u—冷卻水流速，m/s；

D—冷卻塔主管路管徑，mm。

根據公式（7）可知，管徑D與流速u成反比，在流量L不變的情況下，流速u越大，管徑D越小，優點是管材采購投資少、施工方便，缺點是管路阻力大、沿程壓力損失大；反之，流速u越小，管徑D越大，優點是管路阻力小、沿程壓力損失小，缺點是管材采購投資大、施工費時。因此，管徑大小要綜合考慮采購費用、施工難度、管路阻力等因素。冷卻塔冷卻水流速u推薦范圍為1～3 m/s。當u=2.4 m/s、D=150 mm時，流量L=152.7 m3/h；當u=1.4 m/s、D=200 mm時，流量L=158.3 m3/h；當u=0.6 m/s、D=300 mm時，流量L=152.7 m3/h。這三種情況與已知流量L=150 m3/h接近，綜合考慮采購費用、施工難度、管路阻力等因素后，可選擇主管路管徑D=150 mm，對應流速u=2.4 m/s。

分支管路管徑一般要求其管徑不小于檢測設備預留冷卻水接口的管徑。

1.2.7 冷卻塔外殼

外殼材質常用的有鍍鋅鋁板、鍍鋅噴塑板、304不銹鋼板、鋁塑板等。設備外殼的好壞直接影響噴淋泵、冷卻風機能否正常工作，同時會影響冷卻塔日常維護的工作量和費用，進而會影響到冷卻塔的使用壽命。設備外殼若不耐腐蝕，則會出現外殼銹跡斑斑的景象，影響美觀。噴淋水箱生銹腐蝕甚至還會導致水箱漏水，水箱底部長期淤積的金屬銹混雜砂石還會堵塞噴淋泵，造成噴淋泵燒毀等嚴重后果。因此，冷卻塔外殼材質的選型十分關鍵，選擇不當會給運維帶來無窮無盡的麻煩。一般情況下，外殼選擇符合國家標準的鍍鋅鋁板，耐腐蝕，經濟；鍍鋅噴塑板、鋁塑板不宜使用在沿海地區；資金充裕的條件下，首選304不銹鋼材質。

1.2.8冷卻塔防凍措施

冬季，華北黃河流域的氣溫一般在-15 ℃左右，在該地區乃至以北的地方使用冷卻塔要采取防凍措施。

主管路、循環水箱和散熱盤管的防凍，主要采用注入防凍液措施，防凍液冷凝溫度要根據水塔使用地冬季歷年平均最低氣溫來選擇，一般不高于使用地冬季歷年來的平均最低氣溫。噴淋水箱要安裝有安全可靠的加熱絲，并配有溫控系統，保證水溫在低于設置的極限溫度時開啟加熱絲，水溫高于設置溫度時停止加熱。

噴淋泵及噴淋水箱供水管的防凍措施也應考慮，可在噴淋泵及供水管表面纏繞加熱帶或保溫層，并配備溫控系統，工作原理同加熱絲。如此，在冷卻塔停機工況下，通過以上措施可以保證主管路、循環水箱、散熱盤管、噴淋系統不會結冰。如果缺少了防凍措施，輕則主管路、循環水箱、散熱盤管、主泵、噴淋泵、噴淋池結冰，重則導致主管路、循環水箱、散熱盤管、主泵、噴淋泵破裂，冷卻塔無法正常工作。

2 閉式冷卻塔安裝

閉式冷卻塔安裝是關鍵環節，安裝質量高低直接影響到冷卻塔能否正常使用，同時對以后的運維也有直接影響。

2.1 管路材質

冷卻塔管路材質對冷卻效果有直接或間接影響，選擇不當會直接導致生銹，堵塞檢測設備換熱器，影響換熱效果，還可能損壞主泵葉片。冷卻塔管路材質有熱鍍鋅管、襯塑復合壓力鋼管、銅管、不銹鋼管、UPVC管。

熱鍍鋅管在冷卻塔中廣泛使用，造價低、易安裝，一般是冷卻塔管道的首選。安裝時優先采用溝槽式連接方式，不建議采用焊接工藝，因為焊接會導致鍍鋅層破壞，遇水容易生銹；溝槽連接方式因不破壞鍍鋅管的鍍鋅層，在一定程度上可以大大減小管道生銹的概率。熱鍍鋅管作為管路，最大的缺點是對水質要求極高，一般要求去離子水或蒸餾水（電導率≤5 μs/cm，硬度≤30 ppm）。軟化水或自來水會使管道內壁生銹，銹垢會嚴重污染水質，銹垢吸附在管道內壁上，會嚴重降低管道流量；銹垢脫落在管路中循環，還會嚴重銹蝕管道泵葉片，同時會引起檢測設備換熱器堵塞。

銅管和不銹鋼管屬于壓力管道中造價比較高的，銅管在大口徑使用時安裝性能和經濟性能皆不理想，因此其很難應用在大口徑冷卻水主管路中。不銹鋼管的優點是耐腐蝕，可以有效避免生銹問題，是水塔管道系統中常用的材質之一。

UPVC管是一種非金屬管材，無毒、耐腐蝕、質量輕、不結垢、價格低，采用粘接方式進行安裝。缺點是自身剛性、耐壓性和穩定性差，不適合大口徑主管路（直徑大于DN100）和架高安裝，因此在閉式冷卻塔系統中不常用。

襯塑復合壓力鋼管兼具熱鍍鋅管與UPVC管的優點，既有鋼管的強度，又有塑料管的耐腐蝕性、流體阻力小的特點，造價低于不銹鋼管，因此也是冷卻塔主管路材質中優先選擇的類型。

2.2 管路與檢測設備間連接用管

管路與檢測設備之間常用的連接用管一般有三類：橡膠管、不銹鋼絲軟管和硬管（UPVC、PPR、熱鍍鋅管）。三類管材耐壓性能都很好，其中，橡膠管和不銹鋼絲軟管是軟連接，安裝方便，也便于設備挪動，尤其適合為三綜合試驗箱預留出前后左右移動的距離。

2.3 管路與檢測設備間連接用管的連接方式

管路與檢測設備之間連接用管的連接方式取決于選用管類型，一般情況下橡膠管采用卡箍式連接，不銹鋼軟管和熱鍍鋅管優選螺紋連接，UPVC管多用粘接方式，PPR管采取熱熔方式。

卡箍式連接最為簡便，施工/拆卸都很方便，不易泄漏。螺紋連接方式除螺紋制作需要專用的設備輔助外，還對密封有較高的要求，常見的螺紋密封方式有四種：生料帶、麻皮、鉛油和橡膠墊，其中鉛油密封需要生料帶或麻皮在外層包裹。一般管道壓力較小時多用生料帶和麻皮密封，壓力較大時可選用橡膠墊密封；鉛油多用在管道口徑比較大的情況下。粘接方式只適用于PVC類的管道，操作比較簡單，但不適合壓力大的場合。PPR熱熔方式對操作者要求高，熱熔時間和方式需要把握好，否則自然冷卻后容易漏水。

2.4 分支管路上的閥門、過濾網

冷卻塔分支管路上都要安裝截止閥門，以便于檢測設備維修或清洗過濾網時斷水。

檢測設備冷卻水入口處要安裝Y型過濾器，過濾器可以攔截管道里的雜物，從而可以有效避免檢測設備換熱器堵塞。

2.5 管路上的放氣閥、壓力表、旁通閥、排水閥

冷卻塔主管路要安裝放氣閥，放氣閥的位置一般安裝在管路最高處。放氣閥的作用是在冷卻塔首次投入運行時將管路里的空氣排空，從而快速將冷卻水的壓力和流量建立起來。為了方便觀察，建議在冷卻塔主機入口管道上再安裝一個放氣閥，這樣做一是方便放氣操作，二是結合入口處的壓力表，可以很清楚地看到壓力波動情況，從而判斷出管道里是否還有空氣。

冷卻塔主管路和分支管路上均要安裝壓力表。每對分支管路的供水和回水管路上各安裝一個壓力表，可以清楚地了解到進水壓力和回水壓力的壓差，壓差也是判斷冷卻塔冷卻能力的一項重要參考指標，主管路也是同樣的道理。壓力表盡量選用耐震壓力表，其可靠性好。壓力表緩沖管和閥門要選用耐腐蝕材質，否則一旦發生腐蝕、破裂，更換起來十分麻煩。

冷卻塔主管路末端常用旁通閥連接，一方面是可操作性強，二是可以實現整個管道壓力可調。

冷卻塔主管路要安裝排水閥，一是用于冷卻塔投入使用前或運維時的管路沖洗，二是用于更換冷卻介質時排水。排水閥的位置一般位于主管道最低處，便于管道水釋放干凈。排水閥大小一般選用DN50的球閥，節約排水時間。排水閥數量可設置1～2個。

2.6 循環水箱的位置

冷卻塔循環水箱的位置高低沒有要求，前提是回水管路裝有止回閥，否則水箱位于低處時，水塔停機后管道水回流會造成水箱溢水。如若回水管路沒有止回閥，而且水箱位置低于管路最高處，就會出現以下問題：①冷卻塔停機后，管路里的水從高處跌落造成倒灌，水箱發生噴水現象；②倒灌后會使管路里進入空氣，再次開啟會將水箱吸癟或鼓包，輕則導致水箱變形、法蘭軟連接嚴重變形，重則水箱破裂，無法使用。

2.7 循環水泵的防護

閉式冷卻塔循環水泵應做遮擋措施（可制作成帶斜度的遮擋），防止水泵受到雨雪風沙的侵害和陽光暴曬。

3 閉式冷卻塔使用及維護

3.1 噴淋池

冷卻塔噴淋水箱因為不是密閉系統，灰塵、樹葉、昆蟲等很容易因為冷卻風機的抽吸作用進入到噴淋水箱里。時間一長，積攢的上述物體就會污染噴淋池的水質，導致噴淋水箱過濾網堵塞，噴淋水量減少甚至沒有，噴淋泵空轉或甚至燒毀；被污染的水質噴淋到換熱盤管表面，引起表面積灰，大大降低盤管的換熱能力，進而導致檢測設備冷卻量需求不夠而發生停機現象。

因此，噴淋水箱是維護的重點部位之一，根據噴淋水質污染情況，建議每周就要清理一遍噴淋水箱，確保噴淋水質潔凈。浮球是實現噴淋池自動補水的核心部件，屬于容易損壞部件，運維時要經常巡查，確保浮球能正常使用。噴淋水箱過濾網容易堵塞，應定期清理，噴淋水量明顯減少是過濾網堵塞的標志。過濾網要選用長圓筒狀的，不可選擇平面型的，根據實際統計，安裝平面型過濾網，最多一個星期就會將過濾網堵塞。

3.2 冷卻風扇

冷卻塔冷卻風扇是外循環的核心部件，起到為內循環降溫的作用。運維時要定期查看風扇運轉情況，仔細辨別風扇運轉時是否有異響、是否平穩，同時要查看防護網是否有生銹、破損或脫落的情形。防護網生銹并脫落后，嚴重影響風扇的正常運行，脫落的防護網與風扇葉片碰觸，輕則劃傷葉片，重則損壞葉片。因此，耐腐蝕防護網十分有必要，可在冷卻塔選型時提出要求。運維時發現防護網生銹，要及時做防銹處理；銹蝕嚴重的，要及時更換。

3.3 防腐

位于室外的管路因長期暴露在陽光、雨水、鹽分、酸或堿性物質的綜合作用下，很容易發生腐蝕。因此，為提高管路使用壽命并兼顧美觀性，對管路定期進行防腐處理很有必要。

對于沒有采用耐腐蝕材質的外殼、噴淋池（其危害已在前面講述，此處不再贅述），也應定期進行防腐處理。

3.4 防凍

冷卻塔防凍至關重要（其危害已在前面講述，此處不再贅述）。對于沒有防凍措施的冷卻塔，要按照前述“冷卻塔防凍措施”講述的及時加裝防凍措施。

4 結論

本文分析了環境實驗室冷卻塔選型需考慮的八個因素，指明了冷卻塔安裝、使用及運維過程中需要注意的十一項內容。本文可以指導解決冷卻塔選型過程中遇到的流量、換熱面積等核心參數的計算方法問題，以及使用過程中遇到的管路布置方案、流量不足或分布不均、壓力不足、密封失效、防腐防凍等問題，有助于縮短冷卻塔選型時間并延長其使用壽命。