浅谈闭式循环冷却水系统设计

(天津市化工设计院，天津300193)

1 概述

我国是一个水资源短缺的国家，人均水资源占有量约为2200m3不足世界平均水平的四分之一，随着我国经济建设的迅速发展，水资源短缺的问题日益显现，我国正常年份缺水量约400亿m3已经严重制约了我国经济建设的发展。面对这样的严重局面，节水是给排水工程设计的首要任务。

工业中工艺换热设备冷却系统一般为全年需要运行，利用闭式冷却系统在过度、冬季采用自然(空气)能源为工艺冷却设备提供冷量，节能效果显著。闭式空冷循环冷却水系统，一般可比开式冷却塔系统节水50%～70%。特别适合水资源匮乏的地区。随着科学技术的不断发展，密闭式冷却塔必然会迎来更大的发展和应用空间。

以下内容为本人工程设计中的一点体会，总结出来与大家进行交流。

2 闭式空冷循环冷却水系统原理

2.1 闭式冷却塔

闭式冷却塔（也叫蒸发式空冷器或密闭式冷却塔）是一种蒸发式冷却塔，冷却器和湿式冷却塔的组合。

闭式循环系统中循环水,采用软水充当冷却水，通过吸收工艺换热设备的热量，使得冷却水升高温度后，进入闭式冷却塔内管式换热器内，循环冷却水在在闭式冷却塔换热盘管内流过，空气在管外流过，使管内冷却水与管外的空气进行热量交换；当闭路循环冷却水系统出水温度，不能满足工艺所要求的冷却水温度时,开启闭式冷却塔内循环喷淋水系统，盘管上方的喷淋水沿排管均匀地喷洒在盘管的表面，在管壁外表面形成均匀的水膜，室外冷空气由塔体下方的进风口进入塔内，与喷淋水呈相反方向流经盘管外的水膜层；通过接触传热和一部分喷淋水蒸发散热而吸收盘管内水中的热量而传给空气，吸收热量后的饱和热湿空气由冷却塔顶部的排风机排至大气中，通过流通的空气、喷淋水与循环冷却水的热交换以达到工艺换热所要求的冷却水温度指标。

循环冷却水在闭式循环冷却塔管内循环水热量被管外的空气及冷却塔内循环喷淋水吸收,经循环水泵加压送至工艺换热设备换热,进入再次往复的循环下去。

2.2 闭式循环系统补水定压系统

闭式循环系统水因温度变化而会引起的体积变化及循环系统会存在漏水、气体存在现象，在系统中应设置补水定压排气装置。

2.3 闭式空冷循环冷却水系统图（见图1）

图1

3 闭式空冷循环冷却水系统特点

3.1 在闭式循环系统中的冷却水采用软水循环使用，不与外界空气接触，完成吸热与放热的热量传递过程。因为闭式循环，软水质量稳定，基本不损耗，仅补充因系统设备跑漏而损失的少量软水。

3.2 当外界气温较低时，可以停止闭式循环塔内喷淋水系统，循环冷却水热量由空气带走，起到节水效果。

3.3 闭式循环系统冷却水，不与大气直接接触，不易滋生微生物及水质不受空气污染。

3.4 闭式循环系统冷却水水质指标应根据系统的特性及工艺设备的要求来确定。目前工业工艺设备对冷却水水质要求高，采用软水作为闭式循环系统输送介质，可达到工艺设备的水质要求，提高传热效率，由于水质不受大气污染，从而大大减少了换热设备结垢和腐蚀，提高了换热设备传热效率和寿命。

4 闭式循环冷却水系统设计参数

4.1 闭式冷却塔的排热量

a 标准工况排热量

通常闭式冷却塔生产厂家所提供的设备能力，均为标准设计工况(大气压力P=1.004×105)、（室外空气计算湿球温度t=28℃）的数据。

t1冷却水进塔温度；t2冷却水出塔温度。

b 实际工况排热量

设计人员需根据冷却塔安装使用地区的空气计算湿球温度，对标准工况排热量进行修正。

Q标标准工况下闭式冷却塔的排热量Kw；Q实际实际工况下闭式冷却塔的排热量Kw；K1湿球温度变化排热量修正系数，由设备厂家提供；K2进塔水温变化排热量修正系数 由设备厂家提供。

4.2 冷却水水量

循环冷却水量应根据生产工艺的最大小时用水量确定。工业冷却水主要是为工艺换热式的冷却器和冷凝器压缩机、泵等需要冷却设备提供冷却介质，根据工艺装置中各用户的热负荷及冷却水进、出口温差计算循环水量，同时通过水热平衡计算，得到循环冷却水的计算总量，设计总量建议为计算总量的1.2倍。当工艺用户的冷却水进、出口温度相等时冷却水水量为：

W-总水流量，m3/h；∑Q-用户设计热负荷的总和，kW（取计算热负荷的1.2倍）；c-水的比热容，可取c=4.19kJ/kg.℃； tg、th－供、回水温度，℃；ρ-水的密度（kg/m3）可取1000 kg/m3。

4.3 管径的确定

管径应根据流体的流量、性质、流速、及管道允许的压力损失等确定。

Di=0.0188[W0/Vρ]0.5

Di－管子内径（m）；W0－质量流量（kg/h）；V－平均流速（m/s）；ρ－流体密度（kg/m3）。

4.4 闭式冷却水系统膨胀罐设计[1，2]

闭式冷却水系统的膨胀水罐应具有氮气自动调压、水位检测、自动补水与泄水以及防止空气进入水系统功能。

一般而言，减税可以通过某个税种的税目、税率、税基等课税要素的调整予以促成，也可以通过完善某个具体税种的内部结构来加以实现。然而，造成我国当前制造业整体税负较重的原因之一就是企业所得税结构不合理。主要表现为：

膨胀罐气水容积的比值宜为0.75～1.00，水容积宜按4℃水温与最高设计水温的比容差乘以系统容积来确定，并应增加15%的安全余量。

当采用开式膨胀水箱有困难时，可设置闭式隔膜膨胀水罐或补水泵变频定压方式。

4.5 闭式循环冷却水系统定压压力

闭式循环系统为维持系统内水力工况稳定，必须设置定压装置，以保证水系统中某一点的压力维持不变。定压点的设置位置直接影响到整个水系统的压力分布情况。

工业循环冷却水系统一般给多台设备冷却，由于各设备在管路连接的位置、高度不同，在设计阶段确定整个网路水压图，这样可以全面了解系统的压力状况，采取可效的措施，保证系统安全良好的运行。

确定循环系统水压基本要点：

1）循环水网路设备连接点压力不应超过设备的设计压力。

2）无论循环水泵运行或停止运行时，其系统定压点处（水泵入口处）水压头必须高于系统最高点充水高度，以防止系统倒空吸入空气，破坏系统正常运行及腐蚀管道、设备。

4）系统管路内任何一处供回水管压力差，应满足工艺换热设备系统所需要的作用压力。

5）定压点的位置应为循环水泵入口干管上。

4.6 闭式循环水系统水力计算

管道的总压力损失为最不利环路直管的摩擦压力损失与局部的摩擦压力损失（含工艺换热设备冷侧系统压力损失），并应计入适当的裕度。其裕度系数，一般为1.05～1.1。

管道的总压力损失+设备压力损失+用户需求等做为我们选循环水泵扬程的依据。

管道的压力损失计算[3]：

a直管的摩擦压力损失计算

Δpf-直管的摩擦压力损失（MPa）；λ-流体摩擦系数；ρ-流体密度（kg/m3）；ν-平均流速（m/s）；g-重力加速度（m/s2）；L-管道长度（m/s）。

b局部的摩擦压力损失计算

局部的摩擦压力损失的计算，可采用当量长度法或阻力系数法。

ΔPk-局部的的摩擦压力损失（MPa）；Le-阀门和管件的当量长度（m/s）；KR-阻力系数。

4.7 工程实例

某工程采用闭式循环水系统，循环水量为364m3/h，冷却塔进水温度T1=40℃，出水温度T2=32℃，湿球温度T=26.4℃，水质需软化、过滤处理。

1）本次设计选用低噪声型密闭式冷却塔，一期分4个单元，型号KMB-364TR,冷却水量为Q=40m3/h，湿球温度T=26.4°C,△t=8°c,出水温度为32℃。冷却塔自带冬季防冻控制单元包括控制柜。

2）选用循环水泵Q=200m3/h，H=40m，N=55kW，r=1480r/min，两用一备。

3）选用全自动软化水装置，型号为SYS-15RT(Q)型，产水量为Q=12m3/h。

4）选用BHGC型变频恒压补水装置，包括：补水泵两台，每台流量为Q=10m3/h，H=15m，N=1.5kW，气压罐型号为SQL550*1253。恒压设定在0.12Mpa。自带变频控制柜。

5）调节水箱的尺寸为2000×2000×2000mm，有效容积为5m3。

6）循环水的调节水箱需要设置连续液位显示装置及报警：高水位距箱底1.80m时报警，低水位距箱底0.30m时报警。水箱的补水采用电磁阀控制自动补水。当水位距箱底为1.00m时，打开电磁阀；当水位距箱底为1.70m时，关闭电磁阀。

7）选用多相全自动过滤器，处理流量为364m3/h，型号SYS-250B1.0DQ-P,功率750W。自带控制箱。压力等级P=1.0MPa。

8）具体配管详见图2、图3。

图2

5 系统设计要点

5.1 循环水管路高点设置排气装置

由于管网系统初期充水及管道局部流速过高，导致水中空气析出，闭式循环水管网中存有空气，系统会发生管道气阻、振动等现象，影响系统安全运行，所以循环水系统管路高点处设置排气阀，有条件化水平管沿流水方向设有2%向上坡度，保证管道内的空气顺利的通过排气阀排出系统外。

5.2 管道材质的选择

管道材质的选择应根据设计压力、管径、外部荷载、管道敷设方式、敷设地区的气候条件、空气质量、地形地质、材料的供应，按照运行安全、耐久、减少漏损、施工和维护方便、经济合理等因素综合确定。

目前在工业系统的大型密闭式循环冷却水系统中，焊接钢管仍是最常用的管材。

5.3 循环水管道敷设

循环水管道敷设一般为架空敷设和埋地敷设。

随着工业循环水系统越来越庞大，导致循环水输送管道管径大，一般管道采用埋地敷设，将管道埋深应在冰冻线以下，当无法实施时，采用可靠的防冻保护措施，例如：用户端供回水加设联通循环管是最常用的防冻保护措施。

设计选用钢管管道埋地敷设时，应满足土壤压力的稳定性及刚度要求，钢管管道结构应按下列两种极限状态进行设计：进行承载能力极限状态计算（包括强度计算和稳定验算）、正常使用极限状态验算，应按照国家规范《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》CECS 141:2002进行校核计算。

图3

5.4 闭式冷却水系统停电事故设计[2]

在工业生产过程中，特别是化工工艺生产中，如果发生突然停电事故，致使循环水系统停止运行，这不单会影响生产，极有可能产生爆炸事故，造成人员生命安危及国家财产损失的重大安全事故。停电安全设计是设计工程师必须首要任务。

当发生停电事故时，闭式冷却水系统应根据工艺设备的事故用水量与安全给水时间不同的要求，可采取安全给水措施：1）当安全给水时间大于1h，且事故用水量与正常给水量相同时，宜采用快速采油机泵直接供水；2）当安全给水时间大于1h，但事故用水量小于正常给水量时，宜采用快速采油机泵与高位水箱结合供水，同时系统低点应设置事故泄水池；3）当安全给水时间小于1h，但事故用水量小于正常给水量时，宜采用高位水箱结合供水，同时系统低点应设置事故排水阀。

6 结论

6.1 闭式循环冷却水系统是清洁、节能的冷却水系统，适合于水源匮乏地区及工业工艺清洁度及密闭性要求较高的冷却水系统。

6.2 闭式循环冷却水系统的工程设计是根据建设工程和法律法规的要求，对建设该循环冷却水系统工程所需的技术、经济、资源、环境等条件进行综合分析、论证。

设计是对该工程项目的建设提供有技术依据的设计文件和图纸的整个活动过程，编制建设工程设计文件的活动，是保证闭式循环冷却水系统建设项目的重要环节。

[1]实用供热空调设计手册（第二版）[S]，中国建筑工业出版社，主编陆耀庆，2008.

[2]工业循环冷却水处理设计规范[S]GB50050—2007.

[3]工业金属管道设计规范[S]GB50316-2000(2008年版).