冷却塔基础知识概述

冷却塔基础知识概述

引用

网易

1.

https://m.163.com/dy/article/JNLPG76505380ADU.html

冷却塔是一种利用空气与水接触来冷却水的设备，广泛应用于工业和空调系统中。本文将详细介绍冷却塔的工作原理、分类以及设计应用，帮助读者全面了解这一重要的冷却设备。

冷却塔的工作原理

冷却塔是利用空气同水的接触（直接或间接）来冷却水的设备。它是以水为循环冷却剂，从一系统中吸收热量并排放至大气中，从而降低水温，制造冷却水可循环使用的设备。

水的蒸发实际上是相变的过程，也叫汽化，是指液态水分子离开水面变为气态水蒸气的过程。液态水分子的平均距离比水蒸气气体中的分子小得多。汽化时分子平均距离加大、体积急剧增大，需克服分子间引力并反抗大气压力作功。因此，蒸发要吸热。蒸发的结果是使原有水分子的平均动能增大，动能增大则直接体现到水温上面就是致使水温降低，这就是说蒸发是要带走一部分热量的，也就是说，通过蒸释放出了热量，从而降低了水的温度。

水的蒸发过程

• 相同点：都是汽化现象，并且都要吸热。
• 不同点
• 蒸发：只发生在液体表面；在任何温度下进行；比较缓慢。
• 沸腾：同时发生在液体的表面和内部；只在一定温度（沸点）下进行；剧烈汽化。
• 影响因素
• 蒸发：液体温度高低、液体表面积大小、液体表面积空气流动速度。
• 沸腾：液体表面气压大小会影响沸点的高低。

冷却塔的冷却原理

冷却塔冷却水的基本原理有三个方面：

1. 利用水本身的蒸发潜热来冷却水（亦称蒸发散热）；
2. 利用水和空气两者的温度差通过热传导来冷却水（亦称接触传热）；
3. 靠辐射散热。

散热过程分析

• 冷却塔的冷却主要依靠蒸发散热和接触散热，辐射散热的贡献非常小，可忽略不计。
• 这两种散热过程在循环水冷却中所起到的作用随各个季节空气的物理性质不同而不同：
• 春、夏、秋三季，室外气温偏高，水表面蒸发起到主要作用，最炎热夏季的蒸发散热量可达总散热量的90%以上。
• 在冬季，由于气温降低，接触传热的作用增大，从夏季的10%~20%增大到50%，严寒天气甚至可增大到70%。

为了促进水的蒸发，以下三点非常重要：

1. 水与空气的有效接触面积要大。
2. 水与空气热交换的时间要长。
3. 水和空气相对速度要快。

专业术语解释

• 显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量，称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。
• 潜热：指在温度保持不变的条件下，物质在从某一个形态转变为另一个形态的相变过程中所吸入或放出的热量。是一状态量。因任何物质在仅吸入（或放出）热量时均不致引起温度的升高（或降低），这种热量对温度变化潜热只起潜在作用，故名“潜热”。

冷却过程分析

水温的变化是蒸发传热和接触传热共同作用的结果：

• 水面温度大于空气温度，蒸发和接触传热都朝一个方向进行，使水冷却；
• 水面温度等于空气温度，接触传热为零；
• 水面温度小于空气温度，接触传热从空气流向水，水温仍会下降。

冷却塔的分类

冷却塔可以根据不同的标准进行分类：

1. 按通风方式分：

• 自然通风冷却塔
• 机械通风冷却塔
• 混合通风冷却塔

2. 按水和空气的接触方式分：

• 开式冷却塔（湿式冷却塔）
• 闭式冷却塔

3. 按热水和空气的流动方向分：

• 逆流式冷却塔
• 横流（直交流）式冷却塔

4. 按应用领域分：

• 工业型冷却塔
• 空调型冷却塔

5. 按噪声级别分：

• 普通型冷却塔
• 低噪型冷却塔
• 超低噪型冷却塔
• 超静音型冷却塔

6. 其他型式冷却塔，如喷流式冷却塔、无风机冷却塔等。

具体类型介绍

1. 自然通风冷却塔

• 双曲线自然通风式冷却塔：火电厂、核电站的循环水自然通风冷却的一种构筑物。大型电厂采用的冷却构筑物多为双曲线型冷却塔。

2. 机械通风冷却塔（机力塔）

• 工作原理：水与空气的接触是依靠通风机强制通风来保证塔内上升气流与下落的水进行传热传质冷却。按水和空气的流动方向，可分为逆流式冷却塔和横流（直交流）式冷却塔。
• 通风方式：抽风式冷却塔将风机设计安装在塔体顶部，空气从塔体的入风口侧抽入塔内，此时塔内呈负压，对水的蒸发有利。鼓风式冷却塔将风机设计安装在塔体底部，空气进入塔内呈正压状态，对蒸发不利。

冷却塔型式比较

冷却塔的具体类型

1. 干式冷却塔（又称空气冷却器）

• 特点：
• 没有内部循环水的蒸发损失，也无风吹和排污损失，补给水量极少，适合缺水地区。
• 水的冷却靠接触传热，冷却极限为空气的干球温度效率低，冷却水温高。
• 造价为同容量湿式塔的4～6倍。
• 可以用自然通风，也可以用机械通风。

2. 开式（湿式）冷却塔

• 工作原理：热水通过入水管进入冷却塔，通过槽式或管式配水系统，使热水均匀分布至填料上，穿过填料，成雨状通过空气分配区（雨区），落入塔底水池，变成所需冷却水待重复使用。空气从入风口处进入塔内，穿过填料下的雨区、与热水成相反方向（逆流）或垂直方向（横流）穿过填料、通过收水器、风机、从风胴排出。
• 特点：降温效果佳，造价低，为最受广泛使用之冷却塔。

3. 闭式冷却塔

• 系统原理：被冷却介质在密闭的管道内流动，不与外界空气相接触，热量通过换热器管壁与外部的空气、喷淋水等进行热质换热，最终实现冷却介质降温。
• 工作原理图

开式塔与闭式塔的区别

开式循环冷却水系统的问题

冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水流速度的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，会产生比直流系统更为严重的沉积物的附着、设备腐蚀和菌藻微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等问题。

设计应用举例

例题：若使温度为40℃的1000公斤的水降低6℃，则需使多少公斤水蒸发为水蒸气？

分析：
单位质量的液体转变为相同温度的蒸气时吸收的热量称为“蒸发潜热”。若要求解上题，则需根据“蒸发潜热”量来进行计算。

解：
40℃的水蒸汽的蒸发潜热为：
R=r-0.56t = 597.3-40×0.56 = 574.9Kcal/kg
(r：0℃水蒸气的蒸发潜热，t：水温，R：对应温度的蒸发潜热）

那么根据热力守恒定律：
1000Kg的水，温度从40℃降低6℃ 变为34℃，释放出的热量，就应该等于χKg的水变为水蒸气时的蒸发潜热：
释放的热量：Q=C×M×ΔT=1×1000×（40-44）=6000 kcal
（式中C为水的比热容4.2×103 j/kg℃= 1Kcal/kg℃)
蒸发潜热：Q潜=χ×574.9
使得：Q=Q潜，那么可以求得χ= 10.44 Kg
也就是说需要使10.44Kg的水蒸发为水蒸气，才能使1000Kg的水降低6℃。

在一定范围内，业界通常在计算水蒸气的蒸发潜热时，近似以整数600Kcal/kg来计算，因此看到蒸发损失为0.83%。

国内部分建筑空调冷负荷概算指标