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第一节  循环冷却水系统总概

人类日常生活离不开水，工业生产也同样离不开水。随着工业生产的发展，用水量越来越大，很多地区已经出现供水不足的现象，因此合理和节约用水已经成为发展工业生产中的一个重要问题。

工业用水主要包括锅炉用水、工艺用水、清洗用水和冷却用水、污水等。其中用水量最大的是冷却用水，约占工业用水量的百分之九十以上。不同的工业系统和不同用途对水质的要求是不同的；但各工业部门使用的冷却水对水质的要求基本上是一致的，这就使得冷却水质控制在近年来作为一门应用技术获得了迅速的发展。在工厂中，冷却水主要用来冷凝蒸汽，冷却产品或设备，如果冷却效果差，就会影响生产效率，使产品的收率和产品的质量下降，甚至于会造成生产事故。

水是比较理想的冷却介质。因为水的存在很普遍，和其它液体相比，水的热容或比热较大，水的汽化潜热（蒸发潜热）和熔化潜热也很高。比热是单位质量的水温度升高一度时所吸收的热量。常用的单位是卡/克·度(摄氏)或英热单位(B．T．U．)/磅·度(华氏)。用这两个单位表示水的比热度时，其数值是相同的。热容大或比热大的物质升高温度时需要吸收大量的热量，而本身温度并不明显升高，因此水具有良好的贮热性能。潜热是物态发生转变时所吸收或放出的热量。一克分子水蒸发成为一克分子蒸汽需要吸收近一万卡的热量，因此水蒸发时能吸收大量的热量，从而使水温下降，这种依靠水份蒸发带走热量的过程称为蒸发散热。

和水一样，空气也是一种常用的冷却介质。水和空气的导热性能都很差，在0℃时，水的导热系数是0.49千卡/米·小时·℃，空气的导热系数是0.021千卡/米·小时·℃，但水与空气相比，水的导热系数要比空气高24倍左右。因此，当冷却效果相同时，用水冷却比用空气冷却的设备要小得多。大型工业企业和用水量大的工厂一般都采用水冷却。常用的水冷系统可以分成三类，即直流系统、密闭系统和敞开蒸发系统，后两种冷却水都是循环使用的，故又称为循环冷却水系统。

1、 冷却水系统

用水来冷却工艺介质的系统称作冷却水系统。冷却水系统通常

有两种：直流冷却水系统和循环冷却水系统。

1.1 直流冷却水系统

在直流冷却水系统中，冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被排放掉，因此，它的用水量很大，而排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变。

1.2循环冷却水系统

循环冷却水系统又分封闭式和敞开式两种。

1.2.1 封闭式循环冷却水系统

封闭式循环冷却水系统又称为密闭式循环冷却水系统。在此系统中，冷却水用过后不是马上排放掉，而是回收再用。

1.2.2 敞开式循环冷却水系统

敞开蒸发系统是目前应用最广、类型最多的一种冷却系统。它也是以水冷却移走工艺介质或换热设备所散发的热量，然后利用热水和空气直接接触时将一部分热水蒸发出去，而使大部分热水得到冷却后，再循环使用。因此，这样的系统也称敞开循环冷却水系统。根据热水和空气接触方法的不同，可以分成很多类型。敞开循环冷却水系统的分类见表一。

表一  敞开蒸发系统的分类

              自然冷却塔

冷 却 池

                喷淋冷却池

           喷水式

敞                               开 放 式            横流式

开                                          点滴式

蒸

发              自然通风

系                                          点滴式、薄膜式

统                               风 筒 式

                                    喷水式、点滴薄膜式

冷

却                                    点滴式

        塔                                    薄膜式        逆流式

  鼓 风 式    喷水式

                             点滴薄膜式

     机械通风                        点滴式

                                                横流或逆流式

                     薄膜式       

抽 风 式       喷水式

                                                 逆流式

                         点滴薄膜式

冷却水由循环泵送往系统中各换热器，以冷却工艺热介质，冷却水本身温度升高，变成热水，此循环水量为R的热水被送往冷却塔顶部，由布水管道喷淋到塔内填料上。空气则由塔底百页窗空隙中进入塔内，并被塔顶风扇抽吸上升，与落下的水滴和填料上的水膜相遇进行热交换，水滴和水膜则在下降过程中逐渐变冷，当到达冷却水池时，水温正好下降到符合冷却水的要求。空气在塔内上升过程中则逐渐变热，最后由塔顶逸出，同时带走水蒸气。这部分水的损失称为蒸气损失E。热水由塔顶向下喷溅时，由于外界风吹和风扇抽吸的影响，循环水会有一定的飞溅损失和随空气带出的雾沫夹带损失。由于这些损失掉的水，统称为风吹损失D。为了维持循环水中的一定的离子浓度，必须不断向系统中加入补充水量M和系统外面排出一定的污水。这部分水量称为排污损失B。

冷却塔的种类很多，按照塔的构造和空气流动情况来区分，有自然通风冷却塔和机械通风冷却塔两大类。按照空气与水在塔内的相对流动情况，又可分为逆流式和横流式。有关各种类型冷却塔的结构和特点，可参阅有关的参考文献。机械通风冷却塔冷却效果最好。设计中应综合考虑循环比,其应在3～5倍为宜。

2、 浓缩倍数

循环冷却水的浓缩倍数是该循环冷却水的含盐量与其补充水的含盐量之比。

提高循环冷却水的浓缩倍数，可以降低补充水的用量，从而节约水资源；还可以降低排污水量，从而减少对环境的污染和废水的处理量。此外，提高浓缩倍数还可以节约水处理剂的消耗量，从而降低冷却水处里的成本。但是，过多地提高浓缩倍数，会使循环冷却水中的硬度，碱度和浊度升得太高，水的结垢倾向增大很多，从而使结垢控制的难度变得太大；还会使循环冷却水中的腐蚀性离子（例如Cl-和SO42-）和腐蚀性物质（例如H2S、SO2和NH3）的含量增加，水的腐蚀性增强，从而使腐蚀控制的难度增加；过多地提高浓缩倍数还会使药剂（例如聚磷酸盐）在冷却水系统内的停留时间增长而水解。因此，冷却水的浓缩倍数并不是愈高愈好，一般热电系统可控制5～8倍，化工、炼油2～4倍。

2.1.1节水量与浓缩倍数的关系

现在从节约水资源的角度看一下补充水量M占循环水量R的百分比M/R与浓缩倍数K的关系，以及每提高一个浓缩倍数单位时节约的补充水百分比（以占循环水量的百分比表示）

   M /R  /    K与浓缩倍数K的关系。

   为了有一个定量的概念，我们用下面的例题来说明。

例题  设循环冷却水系统的循环量R为10000m3/h，冷却塔进口和出口的水温分别为42℃和32℃，试求浓缩倍数K分别为1.5~10.0时的补充水量M、排污水量B以及补充水量占循环水量的百分比M/R。

   解  现以K+2.0时为例进行计算；

蒸发损失水量E=R·CP·  t/r

=10000×4.187×(42-32)/2401

=174.4(m3/h)

风吹损失水量（按0.05%R计）

D=10000×0.05%=5.0(m3/h)

总排污水量    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)

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

式中   CP——水的热容量（比热）·kJ/(kg·℃);

t——水的进口温度与出口温度之差，℃；

r——水的蒸发潜热，kJ/kg ；

 K——水的浓缩倍数。

现把K分别为1.5、3.0、4.0……10.0时的M、B、M/R和   M/R  /  K的计算结果列于表2中。

2.1.2浓缩倍数的选择

从表2中可以看到：

随着循环冷却水浓缩倍数K的增加，冷却水系统的补充水量M和排污水量B都不断

表2不同浓缩倍数下冷却水运行参数的计算值

减少，因此，提高冷却水的浓缩倍数，可以节约水资源；

但是，每提高一个浓缩倍数单位（   K=1）所降低的补充水量的百分比   M/R  /   K则随浓缩倍数的增加而降低。例如：

当浓缩倍数K由1.0提高到2.0时，补充水量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%

当浓缩倍数K由2.0提高到3.0时，则有：

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

当浓缩倍数K由3.0提高到4.0时，则有：

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

当浓缩倍数K由4.0提高到5.0时，则有：

    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 在低浓缩倍数时，提高浓倍数的节水效果比较明显；但当浓缩倍数提高到4.0以上

时，再进一步提高浓缩倍数的节水效果就不太明显了。例如把上述循环冷却水的浓缩倍数由4.0提高到5.0时，节约的水量仅占循环水量的0.14%。因此，一般循环冷却水系统的浓缩倍数通常被控制在2.0~4.0左右。

② 与直流冷却水相比，即使循环水的浓缩倍数比较低，例如仅为1.5倍，但此时补充

水即可节约94.8%（100%—5.2%）。由此可见，从节约水资源的角度来看，把直流冷却水改造为浓缩倍数不太高的冷却水，就可以节约大量的淡水资源。因此，直流冷却水系统的改造与不改造（为循环冷却水系统）是大不一样的。

     敞开式循环冷却水的浓缩倍数可以通过调节排污水量或补充水量来控制。

2.2 补充水量M（m3/h）

水在循环过程中，除因蒸发损失和维持一定的浓缩倍数而排掉一定的污水外，还由于空气流由塔顶逸出时，带走部分水滴，以及管道渗漏而失去部分水，因此补充水是下列各项损失之和。

2.2.1 蒸发损失E（m3/h）冷却塔中，循环冷却水因蒸发而损失的水量E与气候和冷却幅度有关，通常以蒸发损失率a来表示。进入冷却塔的水量愈大，E也就愈多，以式表示如下：

E=a(R－B)

a=e(t1－t2)

     式中  a — 蒸发损失率，%；

           R — 系统中循环水量，m3/h；

           B — 系统中排污水量，m3/h；

           t1、t2 — 循环冷却水进、出冷却塔的温度，℃；

           e—损失系数，与季节有关，夏季（25～30℃）时为0.15～0.16；冬季（-15～10℃）时为0.06～0.08;春秋季（0～10℃）时为0.10～0.12。

2.2.2 风吹损失（包括飞溅和雾沫夹带）D（m3/h）风吹损失除与当地的风速有关外，还与

冷却塔的型式和结构有关。一般自然通风冷却塔比机械通风冷却塔的风吹损失要大些。若塔中装有良好的收水器，其风吹损失比不装收水器的要小些。风吹损失通常以占循环水量R的百分率来估计，其值约为

D=（0.2%～0.5%）R  m3/h

2.2.3 排污水损失 B（m3/h）B的大小，由需要控制的浓缩倍数和冷却塔的蒸发量来确定，其计算下面再讨论。

2.2.4 渗漏损失 F （m3/h） 良好的循环冷却水系统，管道连接处，泵的进、出口和水池等地方都不应该有渗漏。但因管理不善，安装不好，则渗漏就不可避免。因此在考虑补充水量时，应视系统具体情况而定。故补充水量

M=E+D+B+F

3、排污水量 B（m3/h）

   排污水量B的确定与冷却塔的蒸发损失E和浓缩倍数K有关。可以通过下列物料衡算的办法，找出B和E与K的关系式。

   设循环冷却水系统中，除了有补充水加入和排污、蒸发、风吹、渗漏等损失外，再没有其他的水流或溶质加入或排出系统，那么整个系统在循环浓缩过程中，就可以对循环水中某些不受加热、沉淀等干扰的溶质（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 — 补充水中某种溶质的浓度；

           CE — 水蒸气中某种溶质的浓度；

           CR — 循环冷却水中某种溶质的浓度；

     当系统中管道联接紧密，不发生渗漏时，则F=0；当冷却塔收水器效果较好时，风吹损失D很小，如略去不计，则上式可简化为

                                        E

                                B=                 

   K－1  

因此循环冷却水系统运行时，只要知道了系统中循环水量R和浓缩倍数K，就可以估算出蒸发量E，排污水量B以及补充水量M等操作参数。控制好这些参数，循环冷却水系统的运行也就能正常进行。