公用工程领域高效循环冷却塔技术的研究

贺 康 杨力会

（玖龙纸业（天津）有限公司 天津 301509）

引言

在工业生产中，有很多环节需要设备提供各种形式的能量，而设备消耗能源的同时也会产生一定的热量，为保证设备正常运行，冷却塔作为一种保障性设备应运而生，很多冷却塔是用水作为循环制冷剂，此种冷却塔又称“冷却水塔”“循环冷却塔[1]”等，本文主要研究对象是使用水作为冷却剂[1]的循环冷却塔，对其进行创新性研究，从日常工况下存在的一些问题入手，针对性地提供解决方案，改变设备结构和工艺流程，从而解决设备运行中的常见问题。

1 技术背景

冷却塔[1]是以水作为循环制冷剂，将系统中吸收的热量排放至大气中以降低水温的装置；它利用水与空气的流动接触进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量通过蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理散去工业生产上或制冷空调中产生的余热，达到降低水温，以保证系统的正常运行。

冷却塔一般包括布设在塔体内的喷淋管[2]，设置在塔体底部的进风口和设置在塔体顶部的出风口，喷淋管上设置有喷头。工作时，将需要冷却的热水通入喷淋管，并从喷淋头喷出，然后冷空气从进风口进入塔体内并与喷头喷出的热水进行热交换，实现冷却效果。

2 拟解决问题

目前，工厂多数为集中设置，且冷却塔设置于工业区各个工厂的内部，其区域内的空气中会含有酸碱气体以及较多的细菌或者尘土等杂质，当使用该空气直接对冷却塔中的循环水进行冷却时，循环水非常容易吸收空气中携带的杂质，造成冷却塔脏堵或腐蚀，影响冷却塔的使用寿命，对换热效率也会造成影响。而且现有的冷却塔在使用时，循环水[2]与冷空气的热交换效率较低，也就是冷却效率低。另外脏堵现象会显著增加设备的运行与维护成本，从而升高生产成本，降低企业利润空间。

3 技术方案

3.1 技术方案

为解决上述技术问题，提出本技术方案，改变原有常规冷却塔结构和运行原理，设计一种新型高吸循环冷却塔（如图1），该技术方案包括底座和固定安装在底座上的塔体，塔体的底部侧壁上固定安装有过滤箱，塔体和过滤箱通过进风口进行连通，底座上还安装有鼓风机，鼓风机的输风口通过管道与过滤箱进行连通，塔体的内部由上到下分别固定设置有进水管、滤板、布气装置和集水槽[2]，滤板和布气装置之间设置有填料区，进水管上设置有若干个喷水头，塔体的顶部侧壁上固定安装有出气箱，塔体和出气箱通过通风口相连通，且出气箱的顶部设置有出风口。

图1 新型冷却塔的剖视图

设置过滤箱对鼓风机鼓入的空气进行过滤，以除去其中的灰尘等杂质，保证进入冷却塔内空气的洁净度，从而在与循环水进行接触热交换时，防止循环水受污染，进而解决冷却塔脏堵和腐蚀等问题；设置布气装置，用于将冷空气进行分布，使冷空气在冷却塔中均匀地进行流通，同时冷空气和循环水通过布气装置进行进一步接触和热交换，可以提高热交换的效率。过滤箱内壁上依次固定设置有初级过滤层、中级过滤层和吸附层。可以除去各种杂质和有害成分。

3.2 设备结构

（1）本方案冷却塔包括底座和固定安装在底座上的塔体，其特征在于：塔体的底部侧壁上固定安装有过滤箱，塔体和过滤箱通过进风口进行连通，底座上还安装有鼓风机，鼓风机的输风口通过管道与过滤箱进行连通。塔体的内部由上到下分别固定设置有进水管、滤板、布气装置和集水槽，滤板和布气装置之间设置有填料区，进水管上设置有若干个喷水头。塔体的顶部侧壁上固定安装有出气箱，塔体和出气箱通过通风口相连通，且出气箱的顶部设置有出风口。

（2）喷水头为顶面圆球状，且喷水头侧壁的各个方向上设置有若干个喷水孔。在本技术方案中，圆球状喷水头喷水孔朝向各个方向，便于在喷水时使循环水分布均匀。塔体的内壁上还设置有挡气板，挡气板与集水槽之间的角度α 为60°—75°。出气箱紧邻出风口的内壁上固定设置有防飘水器，防飘水器位于出风口的上侧。塔体的顶壁倾斜设置，塔体的顶壁与底壁之间的角度为45°。出气箱的底壁倾斜设置，出气箱底壁邻近塔体一端的高度低于远离塔体一端的高度。集水槽[2]上设置有排出口，排水口连通有排水管道，排水管道贯穿塔体的侧壁设置。

3.3 技术创新点介绍

以上对本技术方案的运行原理和设备结构进行简单阐述，但所述内容仅为本技术方案的较佳技术措施，不能被认为仅限于本技术方案的实施范围。凡依本技术方案表述范围所作的均等变化与改进等，均可认为属于本技术方案的创新内容/思路涵盖范围之内，图2至图5 分别是对重点创新部位进行具体展示。

图2 图1中C结构的放大图

图3 新型冷却塔中布气装置的结构示意图

如图2 所示，在本技术方案中，过滤箱内壁上依次固定设置有初级过滤层、中级过滤层和活性炭吸附层。冷空气依次通过初级过滤层和中级过滤层进行过滤，除去其中的灰尘等颗粒杂质，之后再经过活性炭吸附层吸附除去其中的酸性、碱性等有害性成分，净化后的冷空气再由进风口进入塔体内与循环水进行热交换。

图4 新型冷却塔中布气装置的俯视图

图5 图4中A-A剖视图

如图3-5 所示，在本技术方案中布气装置包括固定板和布气板，固定板固定安装在塔体的内壁上，布气板固定安装在固定板的底壁上，布气板为内部中空且横截面为圆环状的梯形圆台，布气板的内壁上由上到下分别设置有第一水槽、第二水槽和流通槽，第二水槽将第一水槽和流通槽进行连通；布气板的侧壁上开设有若干个布气孔。固定板将布气装置与塔体固定连接，布气板上设置有若干个布气孔用于冷空气通过，布气板设置为梯形圆台状，便于将冷空气通过布气孔全方位进行分布，以实现与循环水大范围进行接触换热；同时布气板的内壁上设置第一水槽、第二水槽和流通槽，换热后的循坏水先由第一水槽和第二水槽进行汇集，之后经过流通槽流入集水槽内排出使用；循环水通过布气板与冷空气接触可以进一步提高换热效率，同时，布气板可以使循环水有序的注入到集水槽内。

如图6 所示，在本技术方案中，进水管包括第一进水管、环形管和若干个支管，环形管通过第一进水管连通外界的循环水，第一进水管贯穿塔体的侧壁设置，且第一进水管和环形管相连通，环形管的内部设置有若干个支管，支管的两端均与环形管相连通，环形管和支管上设置有若干个喷水头。环形管围绕整个塔体的内壁进行设置，且其中设置有多个支管，且支管和环形管上均安装有若干个喷水头，多个喷水头同时设置进行喷水可以使得循环水均匀分布，进而加大与冷空气的接触面积，提高热交换效率。

图6 图1中A-A剖视图

4 方案优点

（1）本技术方案设置有过滤箱，空气通过过滤后再进入塔体内与循环水进行热交换，可以将空气中的杂质过滤掉，从而防止循环水被污染，从根源上解决冷却塔脏堵以及腐蚀的问题；设置布气装置便于空气与循环水的接触，提高热交换效率。

（2）本技术方案中的布气装置上设置有第一水槽、第二水槽和流通槽，且布气板上开有若干个布气孔，经过热交换后的循环水由填料区进入到布气装置内，先由第一水槽和第二水槽进行蓄积，之后通过流通槽流入到集水槽内排出。冷空气通过布气孔向上移动，其循环水和冷空气通过布气装置接触而进行进一步换热，从而可以有效地提高换热效率，同时布气板可以使循环水有序的排入到集水槽内。

（3）本技术方案改造实施后会明显降低喷淋系统的脏堵现象，另外水箱内的污泥和结晶问题会大大减少，可以明显降低停机维护工作的次数和时间，从而降低停机维护产生的维护成本，对降低生产成本贡献较为明显，利于新技术推广和设备应用，同时相关创新思路和原理可以同时推广至相关设备和工艺流程中，对冷塔类技术创新与发展提供了另一种思路。

结语

本文通过对冷却塔的结构和运行流程进行再梳理，创新的改造了气流组织，并增加了过滤系统，一方面通过优化封闭循环系统，减少系统直接与自然的接触降低外来污染物对系统的影响，另一方面通过水流组织布局改造增加系统的散热效果，改造直接降低了系统的运行负荷，并且可以减少系统因脏堵导致的设备维护工作，降低运行成本，提升设备生产效率，保证系统高效运行。

每个强大的国家都有一个强大的工业，新型冷却塔技术的研究与创新作为工业生产技术的冰山一角，窥一斑可见全貌，只有工业生产技术持续的朝着高效、绿色、环保的方向发展，同时也促进上下游产业的应用，才能不断提高中国工业的综合竞争力。