液压压砖机冷却用横流闭式冷却塔原理及结构分析*

邓兴智 谭 亮 邱兴盛 许 超 王志军 赖文勇 朱昌军

(1重庆唯美陶瓷有限公司 重庆 402460)

(2马可波罗控股股份有限公司 广东 东莞 523285)

建筑陶瓷行业全自动液压压砖机几乎是每天24小时,330天不间断工作,被称为建筑陶瓷企业的“印钞机”,液压油的工况很大程度决定了压砖机的运转率。液压油油温过高对压砖机的危害有:①加速液压油的氧化,使液压油变质,缩短液压油使用寿命;②液压油粘度降低,液压油油膜变薄,非常容易被破坏,润滑性能下降,加速各种液压元件或部件如液压油泵、比例阀、增压器、主油缸等磨损加剧;③液压系统内泄加剧,系统不稳定,工作精度降低,如液压阀阀芯、阀体受热膨胀,相互配合间隙变小,加剧磨损,影响阀芯运动,甚至“卡死”,使液压系统故障率上升;④压砖机压制速度下降,工作效率降低,加大主油泵负荷,电机功耗增大。因此,压砖机液压油工作温度控制显得尤为重要。

1 全自动液压压砖机液压油冷却现状

目前建筑陶瓷液压压砖机冷却用循环冷却水,几乎都是采用圆形或横流方形开式冷却塔来冷却。开式冷却塔是将循环水以喷射方式,喷淋到PVC填料上,增大水与填料接触面积,再通过水与外部空气接触,达到交换热量,然后由换热排风扇带动塔内气流循环,与水换热后将热气流带出,从而达到降温冷却的目的。

常用的循环冷却水为自来水或地下水,水中含有钙、镁、钾、钠、铁等矿物质,由于是利用水蒸发的原理来散热降温,水中大量碳酸钙、碳酸镁等物质会沉淀在填料表面上,影响了填料散热的效果,所以填料使用2～3年必须更换。同时循环水经水泵输送到全自动液压压砖机,经换热器冷却压机压制砖坯过程中的液压油,因液压油在压制过程中被反复压缩、释放,或阀件泄露,会使油温升高,而液压系统要求保持在最佳油温(40±2)℃,冷却水在板式或管式换热器换热时,钙镁离子、泥土、泥沙、腐殖物形成污垢,加上细菌、藻类等微生物及其分泌物形成的生物粘泥,造成管路、板片结垢并使垢层逐步加厚,引起水冷设备传热换热效率下降,管线的阻力增大,循环水量减少,从而使油温升高,故障率上升,并形成恶性循环。

此外,开式冷却塔的水损失包括:蒸发水量、风吹飘逸以及排污损失。蒸发水量损失是开式冷却塔不可避免的损失,循环水的飘逸率约为2%～3%,消耗水量大,不符合国家水资源节约集约利用,配套建设地上或地下循环水池的建造费用也比较高,清洗换热器板片劳动强度也大。

针对开式冷却塔的上述缺点,为使液压压砖机更高效稳定的工作,与无锡某公司联合开发横流闭式冷却塔,其外形如图1所示。

图1 横流闭式冷却塔外形示意图

2 横流闭式冷却塔的工作原理

如图2、图3所示,闭式冷却塔工作时,是以水和空气作为冷却介质,利用部分冷却水的蒸发带走流体被管壁吸附的热量。喷淋泵运行时,水从底部集水槽抽出,送至喷淋箱上部,通过喷淋布水系统均匀的布满淋水填料,水从淋水填料表面往下落,淋水填料可以有效地阻止水滴做自由下落运动,从而有效延长水滴的下落时间。同时外界的冷风从侧面经过淋水填料之间的空隙进入冷却塔内,和水滴充分接触,在水滴表面进行热交换,热量被轴流风机带出塔外,经过冷却的水继续往下喷洒在不锈钢盘管表冷器的表面。经液压压砖机换热器交换热量回来的热水回到不锈钢水箱,经过循环水泵输送到不锈钢盘管表冷器的冷却盘管内,流体热量被盘管的管壁吸收,喷淋水喷洒在盘管表面,进行热交换。同时经不锈钢盘管表冷器侧部的百叶窗进入的冷空气自下而上流通,穿过冷却器盘管的表面和自上而下滴落的喷淋水,进一步强化换热的效率,换热后的一小部分水气蒸发并吸走热量,通过顶部的轴流风机把湿热空气排出到塔外,从而达到冷却目的,其余的水落入底部集水槽,供下一次循环喷淋。盘管里的流体封闭循环,几乎不消耗,喷淋水的飘逸率仅为0.1%～0.2%。

图2 横流闭式冷却塔主视图

图3 横流闭式冷却塔侧视图

闭式冷却塔的冷却原理简单来说是内循环和外循环,主核心部件为不锈钢盘管表冷器。内循环:与建筑陶瓷液压压砖机换热器对接,构成一个封闭式的循环系统(循环介质为软化水),对陶瓷液压压砖机的液压油进行冷却,将其热量带出到闭式冷却塔。外循环:在冷却塔中,不与内循环软化水相接触,只是通过冷却塔内的不锈钢盘管表冷器进行换热散热。在此种冷却方式下,通过自动控制,根据水温设置喷淋水泵和3台风机的运行。在夏季环境温度较高的情况下,需要两个循环同时运行,并根据实际需要自动启动喷淋泵、1台或多台轴流风机。冬季环境温度比较低,大部分情况下只需内循环运行即可。

3 横流闭式冷却塔的结构

建筑陶瓷液压压砖机冷却用横流闭式冷却塔装置包括塔体、喷淋布水系统、PVC填料及进风、不锈钢盘管表冷器、进风百叶窗、换热轴流风机、不锈钢水箱及循环水泵、软化水装置、塔出口软水恒温控制系统、恒压控制系统等(见图4)。

图4 三维结构示意图

3.1 塔体起支撑骨架作用

底座采用镀锌槽钢,框架采用镀锌C型钢,不需进风的三侧面用镀锌钢板封面,顶部喷淋布水系统上方用镀锌钢板封面,在循环喷淋水泵旁,轴流风机下设有检修人孔。塔体内腔底部设有集水槽,集水槽侧面有补水口,经不锈钢浮球阀自动补水,前侧偏下为进风百叶窗,在进风百叶窗里面为不锈钢盘管表冷器,盘管表冷器上方为PVC填料,填料上方为喷淋布水系统(喷淋水泵从集水槽抽水经布水系统喷淋到PVC填料上),喷淋布水系统侧面顶部为散热轴流风机。此外集水槽底部设计有排污口以利于清污工作,冷却塔运行散热过程,喷淋水同时有少量蒸发,水中的杂质和容易结垢的矿物质沉积在水槽里,必须定期排放减少浓度,防止喷淋水在管子上结垢。

3.2 喷淋布水系统

经循环喷淋泵从底部集水槽抽水送至塔体的顶部,水管再一分为二并列横贯整个PVC填料上方,每根水管底部安装多只旋流喷嘴,使水均匀的喷淋在PVC填料上。喷头材质选用ABS,强度高、韧性好、易于加工成形,大口径、大流量,不易结垢,易拆卸更换。

3.3 PVC填料及进风

集水槽里的水经喷淋循环泵、喷淋布水系统均匀喷淋在PVC填料上,延缓水滴下落,增加与外部进来的凉风换热时间,从而降低水的温度。闭式冷却塔的进风口高度应结合进风口空气动力阻力、塔内空气流场分布、冷却塔塔体的各部分尺寸及布置淋水填料的类型、空气动力阻力等因素,通过综合性的技术经济比较后确定。进风口的外形和面积大小对整个填料面积上的气流分布的均匀性和空气动力阻力有很大影响。当进风口面积大(即进风口高度高),则进口风速小,塔内空气分布均匀,塔内气流总阻力也小,有利于水的冷却;但塔增高,造价也会增大。反之,进风口面积减小,则风速增大,风量分布不均匀、进风口涡流区大,影响冷却效果。进风口上下缘处风速相对较小,中间风速大,进风口的平均风速一般在2.2～2.8 m/s;风筒式自然通风冷却塔的进风口与淋水面积之比为0.35～0.40。闭式冷却塔进风口与淋水面积之比一般的数值为:机械通风冷却塔不宜小于0.5,当小于0.4时,应在进风口上缘设导风板。闭式冷却塔进风口高度与淋水填料高度相同,但应为倾斜面。

3.4 不锈钢盘管表冷器

由上、中、下共三组不锈钢盘管表冷器组成,每组盘管以“S”型四层垂直叠加而成,每层由若干根厚为0.6 mm的304不锈钢管平铺组成,四层中最下层为压机回来热水回到不锈钢水箱,再经循环水泵以带压方式输送进入盘管,经“S”流动换热后,再从最上层管流出冷水并汇集到冷水出水管。上中下三组热水进口汇集在一根竖管上,冷水出口也汇集在一根竖管上输送到压砖机冷却液压油。

3.5 进出风百叶窗

不锈钢盘管表冷器两侧为百叶窗,叶片按一定角度扣接安装,安装角度α一般约为45°,外侧进风,内侧出风。百叶窗的作用主要是:起空气导流作用及防止淋水溅出塔外和减少淋水噪声。叶片的宽度和间距根据塔的大小而不同,叶片材料采用镀锌板。

3.6 换热轴流风机

采用铝合金叶片,电机防水、轴流形式,轴承免维护。轴流风机由顶部引风,强化了空气流动,塔内负压,促使水的蒸发温度降低,促使水膜蒸发,强化了不锈钢盘管表冷器的放热。

3.7 不锈钢水箱及循环水泵

闭式冷却塔循环水箱采用不锈钢板制作,设有液位观察口和低液位报警功能,及自动补软化水功能,充分保证循环冷却过程中不会出现断水现象。

3.8 软化水装置

水的硬度主要由其中的阳离子Ca2+、Mg2+构成。当含有硬度的原水通过交换器的树脂层时,水中的钙、镁离子被树脂吸附,同时释放出钠离子,这样交换器内流出的水就是去掉了硬度离子的软化水,当树脂吸附钙、Mg2+达到一定的饱和度后,出水的硬度增大,此时软水器会按照预定的程序自动进行失效树脂的再生工作,利用较高浓度的氯化钠溶液(盐水)通过树脂,使失效的树脂重新恢复至钠型树脂。

3.9 塔出口软水恒温控制系统

闭式冷却塔在出水口处设计有304不锈钢PT100温度测控探头,控制柜上设有水温显示及报警功能,并可设定水温范围,在春、秋、冬季温度不高的情况下,系统可根据出口温度自动控制风机开启数量及喷淋系统的启停,使建筑陶瓷液压压砖机循环冷却水保持在需要的比较恒定的温度范围内。

3.10 恒压控制系统

在不锈钢盘管表冷器冷水出口处安装有压力传感器,其量程为0～1.6 MPa,输出为4～20 m A,根据设定出水压力,自动调节循环水泵电机变频器频率,使冷水压力保持在设定的范围内,从恒温、恒压两方面更有效保障液压压砖机液压油冷却效果。

4 结论

横流闭式冷却塔应用在建筑陶瓷液压压砖机冷却中,其最大优点是冷却介质为软化水,且不与空气接触,所以循环管路、换热器板片内部不会结垢,避免换热器结垢,使换热效率保持高效,液压系统油温得到保障;冷却水闭式循环,无循环水蒸发,大幅降低自来水或地下水消耗;不需建造地上或地下循环水池,建设费用少;压机换热器不结垢,不需清洗换热器,大幅降低员工劳动强度;占地面积小,以及工作特性,室内外均可安装使用。鉴于上述优点,可在陶瓷液压压砖机冷却中推广应用,也可应用到陶瓷企业窑炉、干燥窑各种风机轴承座,窑炉控制室、喷墨房水冷空调、连续球减速机等需冷却的环境中。