液壓壓磚機冷卻用橫流閉式冷卻塔原理及結構分析*

鄧興智 譚 亮 邱興盛 許 超 王志軍 賴文勇 朱昌軍

(1重慶唯美陶瓷有限公司 重慶 402460)

(2馬可波羅控股股份有限公司 廣東 東莞 523285)

建筑陶瓷行業全自動液壓壓磚機幾乎是每天24小時,330天不間斷工作,被稱為建筑陶瓷企業的“印鈔機”,液壓油的工況很大程度決定了壓磚機的運轉率。液壓油油溫過高對壓磚機的危害有:①加速液壓油的氧化,使液壓油變質,縮短液壓油使用壽命;②液壓油粘度降低,液壓油油膜變薄,非常容易被破壞,潤滑性能下降,加速各種液壓元件或部件如液壓油泵、比例閥、增壓器、主油缸等磨損加劇;③液壓系統內泄加劇,系統不穩定,工作精度降低,如液壓閥閥芯、閥體受熱膨脹,相互配合間隙變小,加劇磨損,影響閥芯運動,甚至“卡死”,使液壓系統故障率上升;④壓磚機壓制速度下降,工作效率降低,加大主油泵負荷,電機功耗增大。因此,壓磚機液壓油工作溫度控制顯得尤為重要。

1 全自動液壓壓磚機液壓油冷卻現狀

目前建筑陶瓷液壓壓磚機冷卻用循環冷卻水,幾乎都是采用圓形或橫流方形開式冷卻塔來冷卻。開式冷卻塔是將循環水以噴射方式,噴淋到PVC填料上,增大水與填料接觸面積,再通過水與外部空氣接觸,達到交換熱量,然后由換熱排風扇帶動塔內氣流循環,與水換熱后將熱氣流帶出,從而達到降溫冷卻的目的。

常用的循環冷卻水為自來水或地下水,水中含有鈣、鎂、鉀、鈉、鐵等礦物質,由于是利用水蒸發的原理來散熱降溫,水中大量碳酸鈣、碳酸鎂等物質會沉淀在填料表面上,影響了填料散熱的效果,所以填料使用2～3年必須更換。同時循環水經水泵輸送到全自動液壓壓磚機,經換熱器冷卻壓機壓制磚坯過程中的液壓油,因液壓油在壓制過程中被反復壓縮、釋放,或閥件泄露,會使油溫升高,而液壓系統要求保持在最佳油溫(40±2)℃,冷卻水在板式或管式換熱器換熱時,鈣鎂離子、泥土、泥沙、腐殖物形成污垢,加上細菌、藻類等微生物及其分泌物形成的生物粘泥,造成管路、板片結垢并使垢層逐步加厚,引起水冷設備傳熱換熱效率下降,管線的阻力增大,循環水量減少,從而使油溫升高,故障率上升,并形成惡性循環。

此外,開式冷卻塔的水損失包括:蒸發水量、風吹飄逸以及排污損失。蒸發水量損失是開式冷卻塔不可避免的損失,循環水的飄逸率約為2%～3%,消耗水量大,不符合國家水資源節約集約利用,配套建設地上或地下循環水池的建造費用也比較高,清洗換熱器板片勞動強度也大。

針對開式冷卻塔的上述缺點,為使液壓壓磚機更高效穩定的工作,與無錫某公司聯合開發橫流閉式冷卻塔,其外形如圖1所示。

圖1 橫流閉式冷卻塔外形示意圖

2 橫流閉式冷卻塔的工作原理

如圖2、圖3所示,閉式冷卻塔工作時,是以水和空氣作為冷卻介質,利用部分冷卻水的蒸發帶走流體被管壁吸附的熱量。噴淋泵運行時,水從底部集水槽抽出,送至噴淋箱上部,通過噴淋布水系統均勻的布滿淋水填料,水從淋水填料表面往下落,淋水填料可以有效地阻止水滴做自由下落運動,從而有效延長水滴的下落時間。同時外界的冷風從側面經過淋水填料之間的空隙進入冷卻塔內,和水滴充分接觸,在水滴表面進行熱交換,熱量被軸流風機帶出塔外,經過冷卻的水繼續往下噴灑在不銹鋼盤管表冷器的表面。經液壓壓磚機換熱器交換熱量回來的熱水回到不銹鋼水箱,經過循環水泵輸送到不銹鋼盤管表冷器的冷卻盤管內,流體熱量被盤管的管壁吸收,噴淋水噴灑在盤管表面,進行熱交換。同時經不銹鋼盤管表冷器側部的百葉窗進入的冷空氣自下而上流通,穿過冷卻器盤管的表面和自上而下滴落的噴淋水,進一步強化換熱的效率,換熱后的一小部分水氣蒸發并吸走熱量,通過頂部的軸流風機把濕熱空氣排出到塔外,從而達到冷卻目的,其余的水落入底部集水槽,供下一次循環噴淋。盤管里的流體封閉循環,幾乎不消耗,噴淋水的飄逸率僅為0.1%～0.2%。

圖2 橫流閉式冷卻塔主視圖

圖3 橫流閉式冷卻塔側視圖

閉式冷卻塔的冷卻原理簡單來說是內循環和外循環,主核心部件為不銹鋼盤管表冷器。內循環:與建筑陶瓷液壓壓磚機換熱器對接,構成一個封閉式的循環系統(循環介質為軟化水),對陶瓷液壓壓磚機的液壓油進行冷卻,將其熱量帶出到閉式冷卻塔。外循環:在冷卻塔中,不與內循環軟化水相接觸,只是通過冷卻塔內的不銹鋼盤管表冷器進行換熱散熱。在此種冷卻方式下,通過自動控制,根據水溫設置噴淋水泵和3臺風機的運行。在夏季環境溫度較高的情況下,需要兩個循環同時運行,并根據實際需要自動啟動噴淋泵、1臺或多臺軸流風機。冬季環境溫度比較低,大部分情況下只需內循環運行即可。

3 橫流閉式冷卻塔的結構

建筑陶瓷液壓壓磚機冷卻用橫流閉式冷卻塔裝置包括塔體、噴淋布水系統、PVC填料及進風、不銹鋼盤管表冷器、進風百葉窗、換熱軸流風機、不銹鋼水箱及循環水泵、軟化水裝置、塔出口軟水恒溫控制系統、恒壓控制系統等(見圖4)。

圖4 三維結構示意圖

3.1 塔體起支撐骨架作用

底座采用鍍鋅槽鋼,框架采用鍍鋅C型鋼,不需進風的三側面用鍍鋅鋼板封面,頂部噴淋布水系統上方用鍍鋅鋼板封面,在循環噴淋水泵旁,軸流風機下設有檢修人孔。塔體內腔底部設有集水槽,集水槽側面有補水口,經不銹鋼浮球閥自動補水,前側偏下為進風百葉窗,在進風百葉窗里面為不銹鋼盤管表冷器,盤管表冷器上方為PVC填料,填料上方為噴淋布水系統(噴淋水泵從集水槽抽水經布水系統噴淋到PVC填料上),噴淋布水系統側面頂部為散熱軸流風機。此外集水槽底部設計有排污口以利于清污工作,冷卻塔運行散熱過程,噴淋水同時有少量蒸發,水中的雜質和容易結垢的礦物質沉積在水槽里,必須定期排放減少濃度,防止噴淋水在管子上結垢。

3.2 噴淋布水系統

經循環噴淋泵從底部集水槽抽水送至塔體的頂部,水管再一分為二并列橫貫整個PVC填料上方,每根水管底部安裝多只旋流噴嘴,使水均勻的噴淋在PVC填料上。噴頭材質選用ABS,強度高、韌性好、易于加工成形,大口徑、大流量,不易結垢,易拆卸更換。

3.3 PVC填料及進風

集水槽里的水經噴淋循環泵、噴淋布水系統均勻噴淋在PVC填料上,延緩水滴下落,增加與外部進來的涼風換熱時間,從而降低水的溫度。閉式冷卻塔的進風口高度應結合進風口空氣動力阻力、塔內空氣流場分布、冷卻塔塔體的各部分尺寸及布置淋水填料的類型、空氣動力阻力等因素,通過綜合性的技術經濟比較后確定。進風口的外形和面積大小對整個填料面積上的氣流分布的均勻性和空氣動力阻力有很大影響。當進風口面積大(即進風口高度高),則進口風速小,塔內空氣分布均勻,塔內氣流總阻力也小,有利于水的冷卻;但塔增高,造價也會增大。反之,進風口面積減小,則風速增大,風量分布不均勻、進風口渦流區大,影響冷卻效果。進風口上下緣處風速相對較小,中間風速大,進風口的平均風速一般在2.2～2.8 m/s;風筒式自然通風冷卻塔的進風口與淋水面積之比為0.35～0.40。閉式冷卻塔進風口與淋水面積之比一般的數值為:機械通風冷卻塔不宜小于0.5,當小于0.4時,應在進風口上緣設導風板。閉式冷卻塔進風口高度與淋水填料高度相同,但應為傾斜面。

3.4 不銹鋼盤管表冷器

由上、中、下共三組不銹鋼盤管表冷器組成,每組盤管以“S”型四層垂直疊加而成,每層由若干根厚為0.6 mm的304不銹鋼管平鋪組成,四層中最下層為壓機回來熱水回到不銹鋼水箱,再經循環水泵以帶壓方式輸送進入盤管,經“S”流動換熱后,再從最上層管流出冷水并匯集到冷水出水管。上中下三組熱水進口匯集在一根豎管上,冷水出口也匯集在一根豎管上輸送到壓磚機冷卻液壓油。

3.5 進出風百葉窗

不銹鋼盤管表冷器兩側為百葉窗,葉片按一定角度扣接安裝,安裝角度α一般約為45°,外側進風,內側出風。百葉窗的作用主要是:起空氣導流作用及防止淋水濺出塔外和減少淋水噪聲。葉片的寬度和間距根據塔的大小而不同,葉片材料采用鍍鋅板。

3.6 換熱軸流風機

采用鋁合金葉片,電機防水、軸流形式,軸承免維護。軸流風機由頂部引風,強化了空氣流動,塔內負壓,促使水的蒸發溫度降低,促使水膜蒸發,強化了不銹鋼盤管表冷器的放熱。

3.7 不銹鋼水箱及循環水泵

閉式冷卻塔循環水箱采用不銹鋼板制作,設有液位觀察口和低液位報警功能,及自動補軟化水功能,充分保證循環冷卻過程中不會出現斷水現象。

3.8 軟化水裝置

水的硬度主要由其中的陽離子Ca2+、Mg2+構成。當含有硬度的原水通過交換器的樹脂層時,水中的鈣、鎂離子被樹脂吸附,同時釋放出鈉離子,這樣交換器內流出的水就是去掉了硬度離子的軟化水,當樹脂吸附鈣、Mg2+達到一定的飽和度后,出水的硬度增大,此時軟水器會按照預定的程序自動進行失效樹脂的再生工作,利用較高濃度的氯化鈉溶液(鹽水)通過樹脂,使失效的樹脂重新恢復至鈉型樹脂。

3.9 塔出口軟水恒溫控制系統

閉式冷卻塔在出水口處設計有304不銹鋼PT100溫度測控探頭,控制柜上設有水溫顯示及報警功能,并可設定水溫范圍,在春、秋、冬季溫度不高的情況下,系統可根據出口溫度自動控制風機開啟數量及噴淋系統的啟停,使建筑陶瓷液壓壓磚機循環冷卻水保持在需要的比較恒定的溫度范圍內。

3.10 恒壓控制系統

在不銹鋼盤管表冷器冷水出口處安裝有壓力傳感器,其量程為0～1.6 MPa,輸出為4～20 m A,根據設定出水壓力,自動調節循環水泵電機變頻器頻率,使冷水壓力保持在設定的范圍內,從恒溫、恒壓兩方面更有效保障液壓壓磚機液壓油冷卻效果。

4 結論

橫流閉式冷卻塔應用在建筑陶瓷液壓壓磚機冷卻中,其最大優點是冷卻介質為軟化水,且不與空氣接觸,所以循環管路、換熱器板片內部不會結垢,避免換熱器結垢,使換熱效率保持高效,液壓系統油溫得到保障;冷卻水閉式循環,無循環水蒸發,大幅降低自來水或地下水消耗;不需建造地上或地下循環水池,建設費用少;壓機換熱器不結垢,不需清洗換熱器,大幅降低員工勞動強度;占地面積小,以及工作特性,室內外均可安裝使用。鑒于上述優點,可在陶瓷液壓壓磚機冷卻中推廣應用,也可應用到陶瓷企業窯爐、干燥窯各種風機軸承座,窯爐控制室、噴墨房水冷空調、連續球減速機等需冷卻的環境中。