一、冷卻系統(tǒng)的類型

1、直流系統(tǒng)

早期工廠的冷卻水系統(tǒng)采取直流系統(tǒng)。

冷卻水從水源流經(jīng)熱交換器后又回流到水源處。

優(yōu)點(diǎn)是

快速有效：水源處的水溫較低；

靈活性：可在小的傳熱面條件下冷卻。表現(xiàn)為腐蝕、污垢和微生物繁殖，但相對(duì)較小；

系統(tǒng)內(nèi)由水引起的問題主要取決于原水的性質(zhì)。由于水在系統(tǒng)內(nèi)沒有濃縮，一般不會(huì)發(fā)生明顯的物理和化學(xué)變化，

冷卻水系統(tǒng)內(nèi)水的流量和溫度的變化、加上水的性質(zhì)各不相同（河水、湖水常含有大量懸浮物和沉積物，且隨季節(jié)變化；水中常含鐵和結(jié)垢的鹽類），使得系統(tǒng)的管理工作更加復(fù)雜。

圖3-1 直流冷卻水系統(tǒng)          圖3-2 封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

2、密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

1)     定義

水密閉循環(huán)，并交替冷卻和加熱，而不與空氣接觸。

在密閉系統(tǒng)中，冷卻水?dāng)y帶的熱量通常通過水-水換熱器傳給敞開式循環(huán)水系統(tǒng)中的循環(huán)水，熱量再從水中散發(fā)到大氣中去。

2)     組成

*密閉的循環(huán)水系統(tǒng)；用于對(duì)水冷卻或去除水中的熱量的冷卻器或熱交換器。

3)     密閉系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用

（1）冷卻氣體管路的氣體來冷卻燃汽輪機(jī)或變壓器冷卻用的油冷卻器；

（2）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和氣體發(fā)動(dòng)機(jī)；

（3）制冷機(jī)；

（4）以控制可靠的工藝過程的溫度為目的：

原子反應(yīng)堆的輔助冷卻器；煉鐵高爐的爐體、風(fēng)口等的冷卻等。

4)     密閉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）水溫易控制；

（2）水質(zhì)問題的控制簡單化：補(bǔ)充水量少；

（3）補(bǔ)充水僅用于補(bǔ)償水泵填料的泄露水量或因檢修而排放的水量；

（4）水的蒸發(fā)很少；

（5）結(jié)垢程度較輕：一般用軟化水或去離子水。

（6）腐蝕問題不嚴(yán)重：氧不是處于飽和狀態(tài)。

3、敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

1)     定義

冷卻水通過熱交換器后，水溫提高成為熱水，熱水經(jīng)冷卻塔曝氣與空氣接觸，由于水的蒸發(fā)散熱和接觸散熱使水溫降低，冷卻后的水再循環(huán)利用。又稱為冷卻塔系統(tǒng)。

圖3-3敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

1-補(bǔ)充水（M）；2-冷卻塔；3-冷水池；4-循環(huán)水泵；

5-滲漏水（F）；6-冷卻水；7-冷卻用換熱器；8-熱水（R）；

9-排污水（B）；10-蒸發(fā)損失（E）；11-風(fēng)吹損失（D）；12-空氣

2)     水冷卻原理

通過水與空氣接觸，由以下三個(gè)過程共同作用的結(jié)果。

（1）水的蒸發(fā)散熱

a. 水在冷卻設(shè)備中形成大小水滴或極薄水膜，擴(kuò)大其與空氣的接觸面積和延長接觸時(shí)間，加強(qiáng)水的蒸發(fā)，使水汽從水中帶走汽化所需的熱量，從而使水冷卻。

b. 為了加快蒸發(fā)散熱：

一方面應(yīng)增加熱水與濕空氣之間的接觸面積，以提供水分字逸出的機(jī)會(huì)；另一方面提高水氣界面上的空氣流動(dòng)速度，以保持蒸發(fā)的推動(dòng)力不變。

（2）水的接觸傳熱

借傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱，稱為接觸傳熱。

水面與較低溫度的空氣接觸，由于溫差使熱水中的熱量傳到空氣中去，水溫得到降低。溫差愈大，傳熱效果愈好。

（3）水的輻射傳熱

不需要傳熱介質(zhì)的作用，而是由一種電磁波的形式來傳播熱能的現(xiàn)象。

輻射傳熱只是在大面積的冷卻池內(nèi)才起作用。在其它類型的冷卻設(shè)備中，輻射傳熱可以忽略不計(jì)。

3)     冷卻設(shè)備的種類與結(jié)構(gòu)

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，用來降低水溫的構(gòu)筑物或設(shè)備成為冷卻構(gòu)筑物或冷卻設(shè)備。按其熱水與空氣接觸方式的不同，可分為：

（1）水面冷卻構(gòu)筑物

工業(yè)上*種循環(huán)冷卻方法，又稱涼水池。

過程：需要冷卻的水流入池內(nèi)，通過自然蒸發(fā)、輻射和對(duì)流傳熱逐漸將水冷卻到適當(dāng)再用的溫度。

靠蒸發(fā)散熱約占總散熱量的55%，因而比冷卻塔要小些（蒸發(fā)散熱占80%）。

冷卻過程緩慢，效率低，溫差小。且需要很大的貯水池。

（2）噴水池

池內(nèi)裝有水管、噴嘴或電動(dòng)噴水組件，由噴嘴把水噴到大氣中，從而增加了蒸發(fā)量，即使在較小的水池也能加速冷卻。

設(shè)在建筑場地開闊處的水池的冷卻效果要好些。

水的消耗大，約為循環(huán)水量的1.0-5.0%。

易帶入周圍的雜質(zhì)。

（3）冷卻塔

是一個(gè)塔型建筑，水氣熱交換在塔內(nèi)進(jìn)行，可以人工控制空氣流量來加強(qiáng)空氣與水的對(duì)流作用來提高冷卻效果。

占地面積小、冷卻效果好。

包括自然通風(fēng)式和機(jī)械通風(fēng)式。

冷卻塔包括通風(fēng)筒、配水系統(tǒng)、淋水裝置、通風(fēng)設(shè)備、收水器、集水池等部分。

圖3-4自然通風(fēng)冷卻塔                                  圖3-5 機(jī)械通風(fēng)冷卻塔

1-配水系統(tǒng)；2-填料；3-百葉窗；                   1-配水系統(tǒng)；2-填料；3-百葉窗；

4-集水池；5-空氣分配區(qū)；6-風(fēng)筒；                 4-集水池；5-空氣分配區(qū)；6-風(fēng)機(jī)；

7-熱空氣和水蒸汽；8-冷水                         7-風(fēng)筒；8-熱空氣和水蒸汽；9-冷水

圖3-6 玻璃鋼冷卻塔

1-玻璃鋼塔體；2-淋水裝置；3-填料；

4-空氣；5-接水盤；6-冷卻水；7-熱水；

8-排風(fēng)扇；9-熱空氣和水蒸汽

4)     冷卻塔效率的衡量指標(biāo)

（1）冷卻幅高（也稱濕球溫差）

冷卻水溫和空氣濕球溫度的差值 T₂-τ。τ代表該地?zé)崴鋮s所能達(dá)到的極限值。

T₂-τ越小，效能越高。

（2）冷卻幅寬

冷卻塔的回水和出水溫度的差值，T₁-T₂。

（3）淋水密度

指冷卻塔單位面積上的熱水噴灑負(fù)荷，m³/(m²h)。淋水密度與冷卻幅寬、水的比熱的乘積稱為冷卻構(gòu)筑物單位面積的熱負(fù)荷，W/(m²(kcal/(m²h))。

5)     敞開式冷卻水的水工況

冷卻過程中的三種損失:    M = E + D + B

M、E、D、B分別代表補(bǔ)充水量、蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失、排污量（包括泄漏損失）。

由              Q = R ( t_w2 - t_w1 ) x = E ( I - t_m ) R

式中：X-- 冷卻塔中水溫降低1℃時(shí)因蒸發(fā)而散失的熱量與總散失熱量的比值；

I -- 為循環(huán)水平均溫度下蒸汽的熱焓值（25℃時(shí)飽和蒸汽為608 kcal/kg）；

t_m -- 為進(jìn)出口的平均水溫。

則有：E=x△t/(i-t_m)=0.17x△t

式中： X在夏季為1.0，冬季0.5，春秋0.75。

（1）蒸發(fā)損失E           E = a(R-B), a = e (t₂-t₁)

（2）風(fēng)吹損失D           D =(0.2%-0.5%) R

（3）排污損失B          B+W=E/(K-1)

（4）滲漏損失F         不可忽略的因素。

（5）離子濃度的改變

D(Vc)=Mc_Mdt – Bcdt

C =MC_M/B + (c₀ – MC_M/B)EXP[-B(t-t₀)/V]

圖3-7降低濃縮倍數(shù)時(shí)     圖3-8 提高濃縮倍數(shù)時(shí)

水中離子濃度變化曲線    水中離子濃度變化曲線

（6）濃縮倍數(shù)

指循環(huán)水中某物質(zhì)的濃度和補(bǔ)充水中某物質(zhì)的濃度之比。一般還可以以某種有代表性的可溶性離子或物質(zhì)。

K = S_循 / S_補(bǔ)

M = E K / (K-1)

（7）循環(huán)水中鹽類的濃縮

補(bǔ)充水在系統(tǒng)中的停留時(shí)間為：T=V/M

由于M比V要小得多，足以使補(bǔ)充水中任何量的化學(xué)組分顯示潛在的結(jié)垢和腐蝕傾向。

V容積的水循環(huán)一次所需的時(shí)間為：a=V/R

則補(bǔ)充水在系統(tǒng)中逗留時(shí)間內(nèi)循環(huán)的次數(shù)為：N=T/a=(V/M)/(V/R)=R/M