工业节能专题之冷却塔技术

时间:2013-09-18
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分类:专题
冷却塔是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽,蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置,以保证系统的正常运行,冷却塔性能提高和技术改造在工业节能中有着重要的作用!

常识篇

1、冷却塔是什么

    冷却塔是一个散热装置,是一种利用水的蒸发吸热原理来散去工业上或制冷空调中产生的废热以保证系统的运行的装置,他能将冷却水的温度降下来。它也是集空气动力学、热力学、流体学、化学、生物化学、材料学、静、动态结构力学,加工技术等多种学科为一体的综合产物。水质为多变量的函数,冷却更是多因素,多变量与多效应综合的过程。

2、冷却塔的工作原理

    通用术语“冷却塔”是用来描述直接(开路)和间接(闭路)散热设备。直接或开路冷却塔是一个密封结构内部的手段,通过将循环水以喷雾方式,喷淋到玻璃纤维的填料上。填料提供了更大的接触面,通过水与空气的接触,达到换热效果。再有风机带动塔内气流循环,将与水换热后的热气流带出,从而达到冷却。

    间接或闭路冷却塔并不涉及对空气和液体,通常是水或乙二醇混合物直接接触被冷却。不同的是开放式冷却塔,冷却塔的间接拥有两个独立的流体电路。一个是外部电路中的水是在第二赛道,这是管束外循环(非公开线圈)的连接到的热流体进程被冷却并在闭路返回。空气是通过循环绘制在整个热管外级联水,提供类似的蒸发冷却冷却塔开放。在运作的热流从内部流体电路,通过线圈管墙,外部电路,然后由空气和水的一些蒸发加热,到大气中。间接冷却塔的行动,因此非常相似,打开冷却塔有一个例外。这一过程被冷却液在一个“封闭”回路中,不直接暴露在大气或外部的循环水。

    在逆流冷却塔空中旅行向上通过填充或管束,对面水向下运动。在横流冷却塔空气水平移动通过填补水向下移动。

3、冷却塔的结构

    冷却塔一般主要由填料(亦称散热材)、配水系统、通风设备、空气分配装置(如:入风口百叶窗、导风装置、风筒)、挡水器(或收水器)、集水槽(或集水池)等部分构成,上述结构的不同组合可以构造成不同型式的冷却塔。

4、冷却塔的重要性

    火力发电厂的冷端系统包括凝汽器、真空泵、冷却塔、循环水泵及其供水管路。其作用是向凝汽器提供所需温度及流量的循环冷却水用以冷却主系统中做完功的乏汽,吸收乏汽的汽化潜热使其变成凝结水,从而完成循环;另一方面,也对凝汽器真空的形成与保持提供保证。其中,冷却塔工作性能的优劣,决定了进入凝汽器循环水进水温度的高低,它对机组,及至整个电厂安全经济运行有至关重要的影响。

类型篇

1、冷却塔分类

    按通风方式分为:①自然通风冷却塔;②机械通风冷却塔;③混合通风冷却塔

    按水和空气的接触方式分:①湿式冷却塔;②干式冷却塔;③干湿式冷却塔。

    按热水和空气的流动方向分:①逆流式冷却塔;②横流(直交流)式冷却塔;(3)混流式冷却塔

    按应用领域分:①工业型冷却塔;②空调型冷却塔。

    按噪声级别分:①普通型冷却塔;②低噪型冷却塔;③超低噪型冷却塔;④超静音型冷却塔。

    按形状分:①圆形冷却塔:②方型冷却塔。

    按水和空气是否直接接触分:①开式冷却塔:②闭式冷却塔(也称封闭式冷却塔、密闭式冷却塔)。

    其他型式冷却塔,如喷流式冷却塔、无风机冷却塔等。

2、逆流塔

    1、水在塔内填料中,水自上而下,空气自下而上,两者流向相反一种冷却塔。

    2、逆流冷却塔热力性能好、分三个冷却段:

    ①布水器到填料顶这一空间,此段的水温较高,所以仍可将热量传给空气。

    ②填料水与空气热交换段。

    ③填料至集水池空间淋水段,水在此段被冷却称之为“尾效”。在我国北方水温可下降1-2℃。综上所述,逆流塔比横流塔在相同的情况下,填料体积小20%左右,逆流塔热交换过程更合理冷效高。

    3、配水系统不易堵塞、淋水填料保持清洁不易老化、湿气回流小、防冻化冰措施更容易。多台可组合设计,冬季以所需的水温水量可合并单台运行或全部停开风机。

    4、施工安装检修容易、费用低,常用在空调和工业大、中型冷却循环水中。

3、横流塔

    l、水在塔内填料中,水自上而下,空气自塔外水平流向塔内两者流向呈垂直正交一种冷却塔。常用在噪声要求严格的居民区内,是空调界使用较多的冷却循环塔。优点:节能、水压低、风阻小、亦配置低速电机、无滴水噪声和风动噪声,填料和配水系统检修方便。

    2、可随建筑形状随意构筑基础多台放置,根据所需的水温分别启动单台或多台冷却塔。

    3、应注意的是:框架要多40%热交换时要有较多的填料体积,填料易老化、配水孔易堵塞、防结冰不好、湿气回流大。横流塔的优点正是逆流塔的缺点。

4、无填料冷却塔

    采用独特的喷雾喷嘴安装在冷却塔底上部进风处,有喷雾自旋无电机送风和塔顶排风两种方式。将热水经喷嘴内旋片时产生内旋流形成细微雾状化喷出,使雾状存 在、向上喷顺流亦下落逆流两个冷却时效。雾化均匀无中空现象,冷却效果稳定、电能消耗低、漂水率0.01%,不用填料、造价低寿命长,符合 GB7190.1-1997国家标准。使用范围冶金、食品、化工、高浊、高温、防腐冷却塔。

5、封闭式冷却塔

    1. 封闭式冷却塔是传统冷却塔的一种变形和发展。它实际上是一种蒸发式冷却塔,冷却器和湿式冷却塔的组合,它是卧式的蒸发式冷却塔,工艺流体在管内流过,空气 在管外流过,两者互不接触。塔底蓄水池内的水由循环泵抽取后,送往管外均匀地喷淋下来。与工艺式流体热水或制冷剂和管外空气并不接触,成为一种封闭式冷却塔,通过喷淋水增强传热传质的效果。

    2.封闭式冷却塔适用于对循环水质要求较高的各种冷却系统,在电力、化工、钢铁、食品和许多工业部门有应用前景。另一方面,与空冷式热交换器相比,蒸发式冷却塔利用管下侧水的蒸发潜热,使空气侧传热传质显著增强,也具有明显的优点。

    密闭式冷却塔(也叫蒸发式空冷器)将管式换热器置于塔内,通过流通的空气、喷淋水与循环水的热交换保证降温效果。由于是闭式循环,其能够保证水质不受污染,很好的保护了主设备的高效运行,提高了使用寿命。外界气温较低时,可以停掉喷淋水系统,起到节水效果。推着国家节能减排政策的实施和水资源的日益匮乏,近几年密闭式冷却塔在钢铁冶金、电力电子、机械加工、空调系统等行业得到了广泛的应用。北方地区冬季气温通常在零度以下,密闭式冷却塔的运行防冻问题日益突出,如果解决的不好,可能冻坏换热管或冷却塔其他部件。根据不同的工艺特点,密闭式冷却塔有的冬季全天运行,有的部分时间段运行,有的几乎不用。但都需要考虑防冻问题。

    如果在冬季密闭式冷却塔不需要运行,停机时,须将喷淋水和内部循环水排空。

    封闭式冷却塔,又称闭式冷却塔,蒸发冷却器。

探讨篇

1、机械通风冷却塔电动风机的节能改造

    水动风机冷却塔是一种新型的高效节能冷却塔,其核心技术是以微型双击式冷却塔专用水轮机取代电机(包括传动轴、减速机)作为风机动力源,使风机驱动方式由电力改为水力。水轮机本身并不节能,它是利用循环水泵富余扬程的载体。

    了解电动风机节能改造的原理和优点,根据循环冷却水系统的要求,结合循环水泵工况,正确地选用水轮机,配管设计合理,并妥善地进行安装和维护,则不仅保证采用水动风机冷却塔的循环冷却水系统安全可靠地工作,而且达到水动风机100%节能的目的,并节约建设投资。

2、逆流式冷却塔性能分析及改造研究

    用于连铸系统的污水循环逆流式机械通风冷却塔建于1994 年。该冷却塔是连铸循环水系统中重要的冷却设备,为连铸喷淋系统提供合格的冷却水(送水温度t2≤38.0℃)。循环水通过扬送泵加压经高速过滤器后进入冷却塔,经过冷却塔冷却后再供给连铸喷淋系统使用。冷却塔设计处理能力为1000m/h。进塔水温度53.7℃,出塔水温为38.0 ℃,温差为15.7℃。多年运行后,该冷却塔的处理水量已经不到1000m/h ,进口温度为49.0℃,出口温度为39.0℃,温差仅为10.0℃。随着近几年连铸产量的上升,而冷却塔的热力性能变差,出塔水温一再攀升,到2006年7月出塔水温最高已达到44.9℃,已远远大于设计值。冷却塔的冷却能力只有原设计值的50%左右,所以该冷却塔已不能满足生产的要求,公司于2006年9月立项对其进行改造。

应用篇

    冷却塔主要应用于空调冷却系统、冷冻系列、注塑、制革、发泡、发电、汽轮机、铝型材加工、空压机、工业水冷却等领域,应用最多的为空调冷却、冷冻、塑胶化工行业。具体划分,如下:

    A、空气室温调节类:空调设备、冷库、冷藏室、冷冻、冷暖空调等;

    B、制造业及加工类:食品业、药业、金属铸造、塑胶业、橡胶业、纺织业、钢铁厂、化学品业、石化制品类等;

    C、机械运转降温类:发电机、汽轮机、空压机、油压机、引擎等;

    D、其他类行业……

    闭式冷却塔可用于蒸馏塔、冷冻机的制冷剂冷凝和甘油冷凝等工艺蒸气的冷凝,也可用于汽轮机、蒸汽喷射式冷冻机、蒸发罐和废蒸汽冷凝器等设备中的水蒸汽的冷凝,还可作为空压机水冷器、发动机套管水冷器、变压器油冷器和压缩机排气冷却等冷却器用途。

冶金机械、石化、硅酸盐业

    1. 炼铁厂高炉软水闭路循环;

    2. 炼钢厂的加热炉、结晶器、氧枪等装置的冷却水系统;

    3. 轧钢厂、焦化厂的冷却水系统;

    4. 鼓风机、电机、轧钢机等设备的冷却水系统;

    5. 中频感应电炉、中高频电源与电控、熔炼炉、透热炉、淬火炉、真空炉、感应保温炉的冷却水系统;

    6. 机加工设备的油路冷却和磨具冷却;

    7. 铸造、锻造、焊接设备的内部工艺水冷却;

    8.炼油化工厂的低温位油品冷却、各种塔顶油气的冷凝冷却、蒸气及其它工艺介质的冷凝(冷却);

    9.与玻璃熔窑、单晶或多晶炉配套;

    10.大型注塑机的水冷系统。

电业

    1.作为汽轮机乏汽冷凝器;

    2. 与汽轮机的猫爪、主汽门、中联门、水泵座,水泵轴承、风机轴承、发电机、电动机等需冷却的装置或设备配套;

    3.变压器的油冷器。

民用商用

    1.冷冻厂、食品厂、啤酒厂的氨气冷凝;

    2.与高端中央空调系统的水源热泵机组和水冷机组配套等;

案例篇

    基于“风水匹配”技术的冷却塔强化换热改造

    西安热工研究院、山东电科院、西安交通大学等单位于2001年做过联合课题--研究配水不均对冷却塔性能的影响及其计算方法。课题研究的结论为:

    (1)冷却塔换热性能与水分布的均匀程度有关,而与环境参数及水力负荷基本无关。

    (2)水分布均匀度系数由1(分布均匀)下降至0.75(很不均匀),将影响冷却塔出塔水温达4℃ 。

    所以传统冷却塔的设计与强化换热改造应该均从更均匀地配水方面着手,于是我们设计了一维均风冷却塔。

    一维是指在x-y-z直角系或r-? -z柱座标系中,各计算参量只考虑“z”方向的的变化,而认为“x”、“y’’或“r”、“?”方向无影响。

    均风是指冷却空气从冷却塔的底部(沿半径方向非常均匀地)向塔顶方向吹。

    正因为设计时认为塔内的风是一维、均匀的,所发在配水时要求均匀布水。这也就是目前看到的冷却塔填料等高布置、均匀布水的原因。

    由于考虑到北方冬季气温太低,单泵运行水量在外区分布太小而会造成冷却塔外围填料结冰,从而采用所谓的双区配水--冬季单泵运行时,关闭内区配水门,循环水只在外区进入填料。值得注意的是这种设计虽然是针对北方气候而为,但目前南方地区的冷却塔也无一例外地采用相同结构--相同的设计软件!

    以下是我们基于传统方法(均匀配水)的冷却塔改造案例效果比较。

    从上表可清楚看出:传统方法冷却塔改造后的冷却能力的提升约为10%。

    如果我们采用风水匹配改造方案,会达到什么样的效果呢?

强化换热的本质

    1、因“风水匹配”,充分发挥了原进塔空气的换热能力;

    2、出塔空气吸热量的上升,使出塔空气密度减小,由此加大了冷却塔内外空气的密度差,并最终使冷却塔的进塔空气量增大;

    3、出塔空气的动能使其具有携带能力:其相对湿度可以超过100%,即空气呈过饱和状态。

    先采用Fulent平台,运用CFD(计算流体动力学)方法对冷却塔建模计算。

    建模介绍:以冷却塔底中心为原点,半径500米、高900米的空间为计算域,网格化后生超过100万个计算点。

    通过改造后仿真计算得出:优化后的冷却塔出塔水较优化前降低了1.9℃。

    以下是我们针对几家电厂进行的风水匹配技术的冷却塔改造,可以清楚看出:采用以“风水匹配”为原则、基于CFD方法的冷却塔改造,其冷却能力的提升均超过20%。与传统“均匀配水”相比有较为明显的提高冷却塔平均出水温度下降均在2度以上。

项目

淋水面积m²

塔总高度m

进风口高度m

改前冷却能力%

改后冷却能力%

华电昆明电厂#1塔

4000

100.2

8.024

93.7

127.0

华电昆明电厂#2塔

4000

100.2

8.024

96.2

134.0

国电小龙潭电厂#7塔

4500

105

7.8

98.5

133.4

国电小龙潭电厂#8塔

4500

105

7.8

97.2

130.9

华电巡检司电厂#6塔

4500

105

7.8

95.4

128.3

国电小龙潭电厂#5塔

4500

105

7.8

97.9

131.8

国电小龙潭电厂#4塔

4500

105

7.8

98.2

133.9

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