工業常用的冷卻循環水系統類型與特點

摘"要：隨著我國經濟的快速發展，工業發展規模日益擴大，冷卻循環水系統在工業生產中所扮演的角色也越來越重要。在絕大多數的工業生產活動中，都需要冷卻循環水來保證生產設備的正常運轉。而在現有工業生產活動中，普遍存在因冷卻循環水系統選用不合適而導致企業生產成本過高、耗能過大等問題，直接影響了企業的生產效益。針對該問題，本文對工業常用的冷卻循環水系統類型進行歸納總結，將不同種類系統的優缺點進行介紹，并從使用需求、經濟性、環保性三方面介紹了選用不同系統的考慮因素，希望能為工廠設計時選用合適的冷卻循環水系統提供參考依據，提高企業的生產效益。

關鍵詞：冷卻循環水系統；敞開式；密閉式；混合式

中圖分類號：TE45""文獻標識碼：A

Types"and"Characteristics"of"Cooling"Circulating"Water"Systems

Commonly"Used"in"Industry

Su"Dingbang"Xie"Ying"He"Meiyue

Research"Institute"of"Physical"and"Chemical"Engineering"of"Nuclear"Industry"Tianjin"300180

Abstract：With"the"rapid"development"of"China's"economy"and"the"increasing"scale"of"industrial"development，the"role"of"cooling"and"circulating"water"systems"in"industrial"production"becomes"more"and"more"important.In"most"industrial"production"activities，cooling"circulating"water"is"needed"to"ensure"the"normal"operation"of"production"equipment.In"existing"industrial"production"activities，there"are"common"problems"such"as"high"production"costs"and"excessive"energy"consumption"caused"by"inappropriate"selection"of"cooling"and"circulating"water"systems，which"directly"affect"the"production"efficiency"of"enterprises.In"response"to"this"issue，this"article"summarizes"the"commonly"used"types"of"cooling"and"circulating"water"systems"in"industry，introduces"the"advantages"and"disadvantages"of"different"types"of"systems，and"introduces"the"considerations"for"selecting"different"systems"from"three"aspects：usage"requirements，economy，and"environmental"protection.It"is"hoped"that"this"can"provide"a"reference"basis"for"selecting"appropriate"cooling"and"circulating"water"systems"in"factory"design，to"improve"the"production"efficiency"of"enterprises.

Keywords：Cooling"circulating"water"system；Open"type；Closed"type；Hybrid

近幾年，隨著我國經濟的快速發展，工業化程度越來越高，冷卻循環水系統在工業生產中的應用日益廣泛。在大多數工業化生產中，都需要冷卻循環水對工藝設備進行冷卻，維持設備的正常運轉，保證連續的工業生產活動。因此，冷卻循環水系統幾乎是絕大部分工業企業維持正常生產活動所必需的。而針對目前的工業企業來說，大部分的冷卻循環水系統都存在效率不高、整體能耗較大等問題，導致企業的成本也在不斷提高，直接影響了企業的經濟效益［1］。因此，為保證工業生產的穩定高效運行，提高企業生產效益，根據不同類型冷卻循環水系統的特點，選擇合適的冷卻循環水系統顯得至關重要。下面本文將對工業常用的冷卻循環水系統類型進行介紹，并對不同系統的特點進行歸納總結，希望能為相關生產企業選擇適合自己的冷卻循環水系統提供幫助。

1"工業冷卻循環水系統類型

冷卻循環水系統一般由制冷機、冷卻塔、冷卻水池、水泵、水處理裝置以及循環管道、監測儀表等組成，主要分為密閉式冷卻循環水系統和敞開式冷卻循環水系統兩大類。另外，在部分應用場景中存在兩者結合應用的情形，本文稱之為混合式冷卻循環水系統。密閉式冷卻循環水系統采用封閉式冷卻設備，冷卻水在密閉的管道中流動，在封閉式冷卻設備中通過不直接接觸式散熱，水損失小；敞開式冷卻循環水系統一般由冷卻池和開式冷卻塔等組成，水通過時會暴露在空氣中進行蒸發散熱；混合式冷卻循環水系統由一次水和二次水系統組成，一般一次水系統為敞開式冷卻水系統，二次水系統為密閉式冷卻水系統，一、二次水系統之間通過換熱器進行換熱，再由二次水系統對工藝設備進行冷卻。

1.1"密閉式冷卻循環水系統

密閉式冷卻循環水系統主要由純水制備系統（大多數情況下存在）、冷卻水箱、封閉式冷卻器、水泵、管道等組成，常見的組成及工藝流程如圖1所示。該系統中，冷卻循環水由水箱經水泵打入封閉式冷卻器，經封閉式冷卻器對水進行降溫冷卻后，經管道進入需要冷卻的工藝設備，經過設備換熱后升溫的水流回水箱，再經水泵打入冷卻器，周而復始，從而實現對工藝設備的持續冷卻。封閉式冷卻器作為系統中主要的冷卻設備，其主要冷卻原理為在密閉的管道上噴淋水，通過水滴蒸發散熱以及空氣流動傳熱等方式來降低密閉管道內的水溫。為提高冷卻效果，密閉式冷卻器內部通過填料等方式增大接觸面積，同時配置風扇加強空氣流動來實現更好的冷卻效果。

在密閉式冷卻系統中，由于水在密閉的管道中流動，為避免冷卻水對管道進行腐蝕或在管道內部結垢，一般采用純水作為冷卻介質。而在封閉式冷卻器中，用于噴淋冷卻的水則無特殊水質要求，一般采用生產用水即可。因為封閉式冷卻器的主要冷卻原理為蒸發散熱，所以封閉式冷卻器需定期補水以持續進行冷卻。在閉式系統中，雖然冷卻水在密閉的管道中流動，損失很小，但由于系統中可能存在滲漏等原因，因此也需要定期補充純水。為保證系統長期運行，一般在系統建造時即配備了專門的純水制備系統，用于一開始的冷卻水源以及后期損耗補充。

1.2"敞開式冷卻循環水系統

敞開式冷卻循環水系統由水池、水泵、敞開式冷卻塔以及管道等組成，其常見的組成及工藝流程如圖2所示。敞開式冷卻循環系統主要工作原理為：循環水經過工藝設備進行加熱，熱的水經過管道流入冷卻塔后自上向下噴灑，由于空氣對流，冷空氣自下而上與水接觸，使一部分水蒸發，剩下的水則得以冷卻變成冷水，冷水再經水泵進入工藝設備，周而復始，從而實現冷卻的效果［2］。除以上形式外，在部分水資源豐富的地區，敞開式冷卻循環水系統也可采用直流冷卻的方式，將江河或湖泊中的水用水泵打入冷卻水系統中，經過工藝設備換熱后又將水排入江河湖泊中，通過與江河湖泊中大量水混合達到降低水溫的目的。

1.3"混合式冷卻循環水系統

將密閉式和敞開式冷卻循環水系統結合起來，即為混合式冷卻循環水系統。一般敞開式冷卻循環系統作為一次水系統，密閉式冷卻水系統作為二次水系統，一次水系統通過水冷機或者板式換熱器等對二次水系統進行冷卻，而工藝設備則由二次水系統進行冷卻，其組成及工藝流程圖如圖3所示。

2"不同系統特點歸納

2.1"密閉式冷卻循環水系統特點

根據密閉式冷卻循環水系統的結構組成，結合工業應用場景，可歸納其具有以下特點。

（1）管道內冷卻水不與外界接觸，可保證較好的水質；幾乎不存在蒸發損耗問題，一般情況下僅需對冷卻器進行定期補水，水量消耗較少。適用于對冷卻水質要求較高的工藝設備，如熔煉爐、單晶爐、激光設備等［3］。

（2）相較于敞開式冷卻塔，封閉式冷卻器結構較為緊湊，系統整體占地面積較小，適合在空間有限的場所使用。

（3）一般采用不銹鋼管道及設備，所用冷卻器設備較貴，需配備純水制備系統等，系統建設所需費用較高，系統整體冷卻能力有限，一般應用于散熱量較小、可靠度要求較高或有特殊要求的工業生產系統，如高爐的風口與冷卻壁、轉爐的氧倉與煙罩等［4］。

（4）需定期對純水制備系統、冷卻器等進行清潔維護，以保證系統正常運轉，會增加一定的運行成本。

2.2"敞開式冷卻循環水系統特點

根據敞開式冷卻循環水系統的結構組成，結合工業應用場景，可歸納其具有以下特點。

（1）主要冷卻方式為冷卻塔風冷形式，系統結構相對簡單，主要依靠水的自然蒸發以及空氣對流換熱等方式來降低水溫，可有效利用自然資源，運行成本低，適用于電廠、化工廠等散熱量較大、要求成本相對較低的應用場合。

（2）由于主要散熱方式為蒸發散熱，需要消耗大量水，對水資源的浪費較為嚴重，因此只適用于水資源相對較為豐富的地區。

（3）水通過直接與空氣接觸進行熱交換，空氣中的粉塵、雜質顆粒等易進入水中，并隨管道流入系統內部，因此該系統中水質較差，易造成管道或設備管路中結垢和腐蝕，不適用于較為精密或者內部存在細小管道的設備冷卻。

（4）直流式冷卻水系統利用江河湖泊進行自然冷卻，雖然耗能少，但對自然環境條件要求較高，且易造成環境的污染，破壞自然生態平衡，因此近年來，直流式冷卻水系統的應用越來越少。

2.3"混合式冷卻循環水系統特點

根據混合式冷卻循環水系統的結構組成，結合工業應用場景，可歸納其具有以下特點。

（1）一次水系統與二次水系統各自獨立運行，二次水系統采用密閉式冷卻循環水系統可有效保證被冷卻設備所需的水質，適用于較為精密或者對水質要求較高的工藝設備冷卻。

（2）一次水與二次水之間通過換熱設備進行熱交換，當選用的換熱設備為水冷機時，可實現較為精確的冷卻水進出口溫度控制，適用于對冷卻水溫要求較高的工藝設備冷卻，如激光器等。

（3）由于一次冷卻水系統耗能較少，建設成本較低，而二次水系統中冷卻設備較為昂貴，在混合式系統中通過選用板式換熱器等合適的換熱設備，既可實現二次冷卻水的冷卻功能，又可有效地降低系統建設和運行成本。

（4）由于一、二次水系統之間通過換熱器進行熱交換，因此該系統存在冷卻能力有限的問題，相較于敞開式冷卻循環水系統建設及運行成本較高，僅適用于散熱量較小、散熱要求較高的工藝設備冷卻。

3"循環水系統選用的考慮因素

在對工廠冷卻循環水系統進行選擇和設計時，根據不同系統的特點，建議從以下幾個方面進行考慮。

（1）使用需求。在對冷卻循環水系統設計時，應先考慮被冷卻設備的散熱量大小、水質要求、水壓、流量大小等，在滿足使用需求的前提下，充分考慮當地氣候條件，如夏季、冬季氣溫（影響系統散熱效果、是否結冰等）、水資源是否豐富等，以便選擇更合適的冷卻循環水系統。

（2）經濟性。對于企業來說，在滿足生產需求的前提下，還需要考慮經濟效益。因此，冷卻循環水系統選型和設計時，需充分考慮系統的建設成本、運行成本。建設成本與運行成本需綜合考慮，具體可結合工廠設計使用壽命進行核算，在運行年限內選取費用更加低廉的方式。同時，在系統設計時，充分利用當地氣候條件，也可有效降低運行成本。例如，在水資源豐富的地區，當敞開式冷卻循環水系統和密閉式冷卻循環水系統均滿足要求時，可選用成本更低的敞開式系統。

（3）環保性。隨著水資源日益緊缺、環保要求日益提高，在企業生產運行過程中，對環境保護的要求也越來越高。因此，在冷卻循環水系統選型和設計時，應盡可能減少對水資源的浪費、污染，減少污水排放，降低噪聲污染等，同時應遵守當地政府對企業在環境保護等相關方面的要求。

結語

本文對工業常見的冷卻循環水系統組成進行了介紹，并對不同系統主要的特點進行了歸納總結。其中，密閉式冷卻循環水系統具有建設成本較高、節水、水質較好、占地面積較小等特點，適用于中小型工廠對水質要求較高的工藝設備冷卻；敞開式冷卻循環水系統具有建設成本較低、水量消耗大、水質較差、占地面積較大等特點，適用于水資源較豐富、對水質要求不高的大中型工廠工藝設備冷卻；混合式冷卻循環水系統由密閉式和敞開式冷卻循環水系統組合而成，具有水質較好、運行成本較低等特點，適用于對水質要求較高、運行成本要求較低的中小型工廠精密工藝設備冷卻。在工廠設計時，根據不同系統的組成特點，從使用需求、經濟性、環保性三方面綜合考慮，可確定更為合適的冷卻循環水系統，有利于提高企業的生產效益。

參考文獻：

［1］盧振剛.工業冷卻循環水系統的節能優化改進［J/OL］.中國科技期刊數據庫"工業A，2021（07）：125，127（20210101）.https：//www.cqvip.com/doc/journal/2414930260.

［2］馮彪.閉式循環冷卻水系統的優化工藝及機理研究［D］.贛州：江西理工大學，2011：5.

［3］張力方.閉式循環冷卻水系統水質不合格的原因分析及處理措施［J］.科學中國人，2016（35）：8.

［4］劉曼.工業循環冷卻水系統優化運行的研究［D］.武漢：武漢大學，2005：67.

作者簡介：蘇定邦（1990—"），男，漢族，河北深州人，碩士研究生，研究方向：給水排水工程、冷卻循環水系統。