環(huán)境實(shí)驗(yàn)室冷卻塔選型技術(shù)指引

10/10環(huán)境實(shí)驗(yàn)室冷卻塔選型技術(shù)指引本文總結(jié)實(shí)驗(yàn)室籌建過程中冷卻塔選型、安裝、使用及維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為類似實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供有價值的參考。

環(huán)境實(shí)驗(yàn)室配備電動振動臺、傾斜搖擺臺、溫濕度箱等軍民用檢測設(shè)備，多數(shù)設(shè)備需要冷卻。風(fēng)冷方案適用于小型檢測設(shè)備，水冷方案適用于中大型檢測設(shè)備。閉式冷卻塔具有價格適中、冷卻效果好、使用壽命長、易維護(hù)等特點(diǎn)，成為水冷方案的首選。本文分析了冷卻塔選型需考慮的因素及使用注意事項(xiàng)，給出了冷卻塔流量、換熱面積等核心參數(shù)的計(jì)算方法，以及管路布置、流量不足或分布不均、壓力不足、密封失效、防腐防凍等問題的解決方案。

冷卻塔選型

01.冷卻塔的類型及優(yōu)缺點(diǎn)分析

冷卻塔最簡單的分類形式有閉式和開式兩種，兩種形式的冷卻塔均可滿足冷卻需求。閉式冷卻塔的水循環(huán)路徑為封閉結(jié)構(gòu)，擁有內(nèi)-外兩個獨(dú)立循環(huán)，內(nèi)循環(huán)用于將設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走，外循環(huán)是將內(nèi)循環(huán)的水冷卻。開式冷卻塔的水循環(huán)路徑為非封閉結(jié)構(gòu)，水循環(huán)路徑中的水箱為敞開式，循環(huán)水直接與空氣接觸。下表1為閉式冷卻塔和開式冷卻塔優(yōu)缺點(diǎn)對比。

表1閉式冷卻塔和開式冷卻塔優(yōu)缺點(diǎn)對比

冷卻塔的設(shè)計(jì)壽命在10年以上，從冷卻方式、冷卻效果、運(yùn)維費(fèi)用等綜合考慮，閉式冷卻塔要優(yōu)于開式冷卻塔。環(huán)境及可靠性實(shí)驗(yàn)室通常配備閉式冷卻塔。

02.閉式冷卻塔選型需考慮的因素

本文以實(shí)驗(yàn)室實(shí)際籌建過程中某一臺冷卻塔的選型為例，介紹閉式冷卻塔選型時需考慮的因素。

1)總流量L

通常來講，一臺閉式冷卻塔同時滿足多臺檢測設(shè)備的冷卻需求，冷卻塔總流量要大于各檢測設(shè)備所需冷卻水流量之和。冷卻塔總流量計(jì)算公式如下：式中：L—冷卻塔總流量，m3/h；Li—各檢測設(shè)備所需冷卻水流量，=125m3/h；—選型余量系數(shù)，1.2～1.25，取1.2。根據(jù)公式（1），得L=150m3/h。

2）冷卻塔出水溫度T2

環(huán)境及可靠性檢測設(shè)備進(jìn)水溫度一般要求不高于32℃（具體參照設(shè)備技術(shù)參數(shù)），因此，要求冷卻塔出水溫度一般不高于32℃。取T2=32℃。

3)冷卻塔進(jìn)出水溫差△T

冷卻塔進(jìn)出水溫差一般設(shè)計(jì)為5℃。則冷卻塔進(jìn)水溫度T1=37℃。

4)冷卻塔出水壓力P

根據(jù)環(huán)境及可靠性檢測設(shè)備使用技術(shù)參數(shù)要求，冷卻水壓力在0.25MPa～0.4MPa之間，考慮到管路沿程損失、過濾器等局部損失，冷卻塔設(shè)計(jì)壓力一般在0.5MPa左右。

5)冷卻塔換熱面積S

冷卻塔換熱面積計(jì)算過程如下：①計(jì)算冷卻塔換熱量Q。式中：Q—冷卻塔換熱量，kW；c1—水的比熱容，4.186kJ/（kg·℃）；m1—冷卻塔內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/s；△T—冷卻塔進(jìn)出水溫差，℃。根據(jù)公式（2），得Q=872.08kW。②計(jì)算冷卻塔風(fēng)量。式中：Q—冷卻塔換熱量，kW；m2—冷卻塔外循環(huán)空氣質(zhì)量流量，kg/s；△h—冷卻塔外循環(huán)進(jìn)出空氣的焓差，kJ/kg。青島地區(qū)夏季室外計(jì)算干球溫度為To1=29℃，室外計(jì)算濕球溫度為Ts1=26℃，室外計(jì)算相對濕度Φ=79%RH。查詢濕空氣參數(shù)表得到閉式冷卻塔進(jìn)口空氣的焓值h1=80.45kJ/kg，進(jìn)口含濕量d1=20.07g/kg，進(jìn)口比容v1=0.8836m3/kg。冷卻塔外循環(huán)空氣質(zhì)量流量m2計(jì)算公式如下：式中：λ—?dú)馑?，對于△T=5℃的低溫閉式冷卻塔來，一般λ在0.5～0.9之間，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)通常取0.7左右。計(jì)算得m2=29.2kg/s。根據(jù)公式(3)、(4)，閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2計(jì)算如下：計(jì)算得h2=110.32kJ/kg。一般閉式冷卻塔出口的空氣相對濕度為80%～95%RH，可取85%RH進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2和出口空氣的相對濕度，查濕空氣參數(shù)表，可以確定出口狀態(tài)空氣的各個參數(shù)：出口空氣干球溫度為To2=34.26℃，出口空氣濕球溫度為Ts2=31.94℃。影響噴淋水溫度的因素有很多，噴淋水溫度接近出口濕球溫度，取噴淋水溫度Tx=Ts2=31.94℃。③計(jì)算冷卻塔換熱面積。式中：S—盤管換熱面積，m2；△Tm—對數(shù)傳熱溫，K—盤管傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)，紫銅制作的盤管，管壁薄，換熱效果良好，紫銅管的傳熱系數(shù)為1000～1200W/(m2·℃)，取K=1100W/(m2·℃)。通過計(jì)算得到S=157m2。此數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證冷卻塔廠家提供的設(shè)計(jì)換熱面積是否合理。

6)冷卻塔主管路及分支管路管徑

冷卻塔主管路管徑D計(jì)算公式如下：式中：L—冷卻塔流量，m3/h；u—冷卻水流速，m/s；D—冷卻塔主管路管徑，mm；根據(jù)公式（7）可知，管徑D與流速u成反比，在流量L不變的情況下，流速u越大，管徑D越小，優(yōu)點(diǎn)是管材采購?fù)顿Y少、施工方便，缺點(diǎn)是管路阻力大、沿程壓力損失大；反之，流速u越小，管徑D越大，優(yōu)點(diǎn)是管路阻力小、沿程壓力損失小，缺點(diǎn)是管材采購?fù)顿Y大、施工費(fèi)時。因此，管徑大小要綜合考慮采購費(fèi)用、施工難度、管路阻力等因素。冷卻塔冷卻水流速u推薦范圍為1～3m/s。當(dāng)u=2.4m/s、D=150mm時，流量L=152.7m3/h；當(dāng)u=1.4m/s、D=200mm時，流量L=158.3m3/h；當(dāng)u=0.6m/s、D=300mm時，流量L=152.7m3/h。這三種情況與已知流量L=150m3/h接近，綜合考慮采購費(fèi)用、施工難度、管路阻力等因素后，可選擇主管路管徑D=150mm，對應(yīng)流速u=2.4m/s。分支管路管徑一般要求其管徑不小于檢測設(shè)備預(yù)留冷卻水接口的管徑。

7)冷卻塔外殼

外殼材質(zhì)常用的有鍍鋅鋁板、鍍鋅噴塑板、304不銹鋼板、鋁塑板等。設(shè)備外殼的好壞直接影響噴淋泵、冷卻風(fēng)機(jī)能否正常工作，同時會影響冷卻塔日常維護(hù)的工作量和費(fèi)用，進(jìn)而會影響到冷卻塔的使用壽命。設(shè)備外殼若不耐腐蝕，則會出現(xiàn)外殼銹跡斑斑的景象，影響美觀。噴淋水箱生銹腐蝕甚至還會導(dǎo)致水箱漏水，水箱底部長期淤積的金屬銹混雜砂石還會堵塞噴淋泵，造成噴淋泵燒毀等嚴(yán)重后果。因此，冷卻塔外殼材質(zhì)的選型十分關(guān)鍵，選擇不當(dāng)會給運(yùn)維帶來無窮無盡的麻煩。一般情況下，外殼選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)的鍍鋅鋁板，耐腐蝕，經(jīng)濟(jì)；鍍鋅噴塑板、鋁塑板不宜使用在沿海地區(qū)；資金充裕的條件下，首選304不銹鋼材質(zhì)。

8)冷卻塔防凍措施

冬季，華北黃河流域的氣溫一般在-15℃左右，在該地區(qū)乃至以北的地方使用冷卻塔要采取防凍措施。

主管路、循環(huán)水箱和散熱盤管的防凍，主要采用注入防凍液措施，防凍液冷凝溫度要根據(jù)水塔使用地冬季歷年平均最低氣溫來選擇，一般不高于使用地冬季歷年來的平均最低氣溫。噴淋水箱要安裝有安全可靠的加熱絲，并配有溫控系統(tǒng)，保證水溫在低于設(shè)置的極限溫度時開啟加熱絲，水溫高于設(shè)置溫度時停止加熱。

噴淋泵及噴淋水箱供水管的防凍措施也應(yīng)考慮，可在噴淋泵及供水管表面纏繞加