公用工程領域高效循環冷卻塔技術的研究

賀 康 楊力會

（玖龍紙業（天津）有限公司 天津 301509）

引言

在工業生產中，有很多環節需要設備提供各種形式的能量，而設備消耗能源的同時也會產生一定的熱量，為保證設備正常運行，冷卻塔作為一種保障性設備應運而生，很多冷卻塔是用水作為循環制冷劑，此種冷卻塔又稱“冷卻水塔”“循環冷卻塔[1]”等，本文主要研究對象是使用水作為冷卻劑[1]的循環冷卻塔，對其進行創新性研究，從日常工況下存在的一些問題入手，針對性地提供解決方案，改變設備結構和工藝流程，從而解決設備運行中的常見問題。

1 技術背景

冷卻塔[1]是以水作為循環制冷劑，將系統中吸收的熱量排放至大氣中以降低水溫的裝置；它利用水與空氣的流動接觸進行冷熱交換產生蒸汽，蒸汽揮發帶走熱量通過蒸發散熱、對流傳熱和輻射傳熱等原理散去工業生產上或制冷空調中產生的余熱，達到降低水溫，以保證系統的正常運行。

冷卻塔一般包括布設在塔體內的噴淋管[2]，設置在塔體底部的進風口和設置在塔體頂部的出風口，噴淋管上設置有噴頭。工作時，將需要冷卻的熱水通入噴淋管，并從噴淋頭噴出，然后冷空氣從進風口進入塔體內并與噴頭噴出的熱水進行熱交換，實現冷卻效果。

2 擬解決問題

目前，工廠多數為集中設置，且冷卻塔設置于工業區各個工廠的內部，其區域內的空氣中會含有酸堿氣體以及較多的細菌或者塵土等雜質，當使用該空氣直接對冷卻塔中的循環水進行冷卻時，循環水非常容易吸收空氣中攜帶的雜質，造成冷卻塔臟堵或腐蝕，影響冷卻塔的使用壽命，對換熱效率也會造成影響。而且現有的冷卻塔在使用時，循環水[2]與冷空氣的熱交換效率較低，也就是冷卻效率低。另外臟堵現象會顯著增加設備的運行與維護成本，從而升高生產成本，降低企業利潤空間。

3 技術方案

3.1 技術方案

為解決上述技術問題，提出本技術方案，改變原有常規冷卻塔結構和運行原理，設計一種新型高吸循環冷卻塔（如圖1），該技術方案包括底座和固定安裝在底座上的塔體，塔體的底部側壁上固定安裝有過濾箱，塔體和過濾箱通過進風口進行連通，底座上還安裝有鼓風機，鼓風機的輸風口通過管道與過濾箱進行連通，塔體的內部由上到下分別固定設置有進水管、濾板、布氣裝置和集水槽[2]，濾板和布氣裝置之間設置有填料區，進水管上設置有若干個噴水頭，塔體的頂部側壁上固定安裝有出氣箱，塔體和出氣箱通過通風口相連通，且出氣箱的頂部設置有出風口。

圖1 新型冷卻塔的剖視圖

設置過濾箱對鼓風機鼓入的空氣進行過濾，以除去其中的灰塵等雜質，保證進入冷卻塔內空氣的潔凈度，從而在與循環水進行接觸熱交換時，防止循環水受污染，進而解決冷卻塔臟堵和腐蝕等問題；設置布氣裝置，用于將冷空氣進行分布，使冷空氣在冷卻塔中均勻地進行流通，同時冷空氣和循環水通過布氣裝置進行進一步接觸和熱交換，可以提高熱交換的效率。過濾箱內壁上依次固定設置有初級過濾層、中級過濾層和吸附層。可以除去各種雜質和有害成分。

3.2 設備結構

（1）本方案冷卻塔包括底座和固定安裝在底座上的塔體，其特征在于：塔體的底部側壁上固定安裝有過濾箱，塔體和過濾箱通過進風口進行連通，底座上還安裝有鼓風機，鼓風機的輸風口通過管道與過濾箱進行連通。塔體的內部由上到下分別固定設置有進水管、濾板、布氣裝置和集水槽，濾板和布氣裝置之間設置有填料區，進水管上設置有若干個噴水頭。塔體的頂部側壁上固定安裝有出氣箱，塔體和出氣箱通過通風口相連通，且出氣箱的頂部設置有出風口。

（2）噴水頭為頂面圓球狀，且噴水頭側壁的各個方向上設置有若干個噴水孔。在本技術方案中，圓球狀噴水頭噴水孔朝向各個方向，便于在噴水時使循環水分布均勻。塔體的內壁上還設置有擋氣板，擋氣板與集水槽之間的角度α 為60°—75°。出氣箱緊鄰出風口的內壁上固定設置有防飄水器，防飄水器位于出風口的上側。塔體的頂壁傾斜設置，塔體的頂壁與底壁之間的角度為45°。出氣箱的底壁傾斜設置，出氣箱底壁鄰近塔體一端的高度低于遠離塔體一端的高度。集水槽[2]上設置有排出口，排水口連通有排水管道，排水管道貫穿塔體的側壁設置。

3.3 技術創新點介紹

以上對本技術方案的運行原理和設備結構進行簡單闡述，但所述內容僅為本技術方案的較佳技術措施，不能被認為僅限于本技術方案的實施范圍。凡依本技術方案表述范圍所作的均等變化與改進等，均可認為屬于本技術方案的創新內容/思路涵蓋范圍之內，圖2至圖5 分別是對重點創新部位進行具體展示。

圖2 圖1中C結構的放大圖

圖3 新型冷卻塔中布氣裝置的結構示意圖

如圖2 所示，在本技術方案中，過濾箱內壁上依次固定設置有初級過濾層、中級過濾層和活性炭吸附層。冷空氣依次通過初級過濾層和中級過濾層進行過濾，除去其中的灰塵等顆粒雜質，之后再經過活性炭吸附層吸附除去其中的酸性、堿性等有害性成分，凈化后的冷空氣再由進風口進入塔體內與循環水進行熱交換。

圖4 新型冷卻塔中布氣裝置的俯視圖

圖5 圖4中A-A剖視圖

如圖3-5 所示，在本技術方案中布氣裝置包括固定板和布氣板，固定板固定安裝在塔體的內壁上，布氣板固定安裝在固定板的底壁上，布氣板為內部中空且橫截面為圓環狀的梯形圓臺，布氣板的內壁上由上到下分別設置有第一水槽、第二水槽和流通槽，第二水槽將第一水槽和流通槽進行連通；布氣板的側壁上開設有若干個布氣孔。固定板將布氣裝置與塔體固定連接，布氣板上設置有若干個布氣孔用于冷空氣通過，布氣板設置為梯形圓臺狀，便于將冷空氣通過布氣孔全方位進行分布，以實現與循環水大范圍進行接觸換熱；同時布氣板的內壁上設置第一水槽、第二水槽和流通槽，換熱后的循壞水先由第一水槽和第二水槽進行匯集，之后經過流通槽流入集水槽內排出使用；循環水通過布氣板與冷空氣接觸可以進一步提高換熱效率，同時，布氣板可以使循環水有序的注入到集水槽內。

如圖6 所示，在本技術方案中，進水管包括第一進水管、環形管和若干個支管，環形管通過第一進水管連通外界的循環水，第一進水管貫穿塔體的側壁設置，且第一進水管和環形管相連通，環形管的內部設置有若干個支管，支管的兩端均與環形管相連通，環形管和支管上設置有若干個噴水頭。環形管圍繞整個塔體的內壁進行設置，且其中設置有多個支管，且支管和環形管上均安裝有若干個噴水頭，多個噴水頭同時設置進行噴水可以使得循環水均勻分布，進而加大與冷空氣的接觸面積，提高熱交換效率。

圖6 圖1中A-A剖視圖

4 方案優點

（1）本技術方案設置有過濾箱，空氣通過過濾后再進入塔體內與循環水進行熱交換，可以將空氣中的雜質過濾掉，從而防止循環水被污染，從根源上解決冷卻塔臟堵以及腐蝕的問題；設置布氣裝置便于空氣與循環水的接觸，提高熱交換效率。

（2）本技術方案中的布氣裝置上設置有第一水槽、第二水槽和流通槽，且布氣板上開有若干個布氣孔，經過熱交換后的循環水由填料區進入到布氣裝置內，先由第一水槽和第二水槽進行蓄積，之后通過流通槽流入到集水槽內排出。冷空氣通過布氣孔向上移動，其循環水和冷空氣通過布氣裝置接觸而進行進一步換熱，從而可以有效地提高換熱效率，同時布氣板可以使循環水有序的排入到集水槽內。

（3）本技術方案改造實施后會明顯降低噴淋系統的臟堵現象，另外水箱內的污泥和結晶問題會大大減少，可以明顯降低停機維護工作的次數和時間，從而降低停機維護產生的維護成本，對降低生產成本貢獻較為明顯，利于新技術推廣和設備應用，同時相關創新思路和原理可以同時推廣至相關設備和工藝流程中，對冷塔類技術創新與發展提供了另一種思路。

結語

本文通過對冷卻塔的結構和運行流程進行再梳理，創新的改造了氣流組織，并增加了過濾系統，一方面通過優化封閉循環系統，減少系統直接與自然的接觸降低外來污染物對系統的影響，另一方面通過水流組織布局改造增加系統的散熱效果，改造直接降低了系統的運行負荷，并且可以減少系統因臟堵導致的設備維護工作，降低運行成本，提升設備生產效率，保證系統高效運行。

每個強大的國家都有一個強大的工業，新型冷卻塔技術的研究與創新作為工業生產技術的冰山一角，窺一斑可見全貌，只有工業生產技術持續的朝著高效、綠色、環保的方向發展，同時也促進上下游產業的應用，才能不斷提高中國工業的綜合競爭力。