工业循环冷却水系统设计探讨

文/王园园 中国昆仑工程有限公司 北京 100037

循环冷却水系统广泛应用在工业领域中，是工业生产运行的重要部分，而冷却塔作为主要的耗能设备，在工业循环冷却水系统设计中，要考虑综合因素，保证冷却塔的运行效率，以提高循环冷却水系统设计的合理性。现阶段，我国大多数工业循环冷却水系统存在较多问题，一方面是过度冷却，在实际设计中，按照最不利环境工况来进行水泵与风机的选择，实际水量与风量都低于设计工况，造成能耗过大；另一方面则是系统优化措施较为单一，针对大能耗设备，一般选择结构改造、优化台数和阀门等布置，没有将多种优化方法进行整合。对此，本文基于当前工业循环冷却水系统的问题，提出优化性设计方案，节省能耗的同时，提高循环冷却水系统的性能，实现设计目标。在这样的环境背景下，探究工业循环冷却水系统设计具有非常重要的现实意义。

1、工业过程冷却运行分析

在工业生产运行中，由于各个生产系统在运行过程中摩擦、燃烧或是化学反应等因素产生大量的废热，造成设备温度迅速升高，受到热胀冷缩的影响，造成系统运行误差，降低精密设备精度，从而导致产品质量问题。同时，设备温度的上升，会加速各个部分元件的老化，设备磨损恶化或是发生故障，继而引发工业事故。对此，在工业生产中，要严格控制精密仪器、核心设备、反应斧的实际温度，以保证生产安全和产品质量。水本身具备极大的比热容，在常温状态下呈现液态，化学稳定性高，便于管路输送，正是由于水的这些特点，工业生产中常常将水作为生产系统冷却的媒介。工业用水量已超过全国用水量的一半，冷却水用量占工业用水的90%以上。冷却水主要是和设备运行产生的热能进行交换，水质变化小，若直接排放会造成水资源的浪费，因此需要通过冷却系统来降低水的温度，达到重复使用的目的。

2、工业循环冷却水系统的组成

如图1所示，为工业循环冷却水系统的结构框架，包括冷却塔、冷却池、循环冷却水泵以及冷却水管网等系统。

图1 工业循环冷却水系统结构框架

2.1 闭式冷却塔

如图2所示，为闭式冷却塔运行原理，本质上属于一种蒸发式冷却塔，由冷却器、湿式冷却塔组成，工艺流体经管内，其空气会在管外进行流通，二者无法接触，塔底的蓄水池中的水会通过循环水泵抽出，输送至管外进行均匀喷淋，借助喷淋水的方式提高传热传质效果。相比于空冷式热交换器而言，这种冷却塔通过管下侧水蒸发潜热，大大提高空气侧传热传质效果，生产效率高，全封闭循环，避免杂质进入而污染水质，占地面积小，操作便利，这是本文选择闭式冷却塔的主要原因。

图2 闭式冷却塔运行原理

2.2 循环冷却水泵

循环冷却水泵主要对冷却水系统进行循环控制，把冷却池中经过冷却的水及时输送至用户端吸热，之后送回到冷却塔中进行降温，最终回到冷却水池中，循环往复，实现各个工作设备的换热降温。大多数循环冷却水泵以离心泵为主，运用泵性能曲线进行描述，包括Q-H曲线、Q-ηP曲线、Q-Np曲线等，其转速不同会对应不同的性能曲线，通过管网阻力计算可获得扬程曲线，而联立水泵Q-H曲线、管网需要扬程曲线的交点就是循环冷却水泵的运行工况点。

2.3 换热设备

在循环冷却水系统运行中，按照用户热负荷需求进行循环水进出温度与水量的计算。用户换热器包括冷凝器、凝汽器和换热器等，以管壳式换热器为主，通过壳程与管程进行传热介质的输送。当冷侧介质通过管程、热侧介质通过壳程时，二者会出现逆向流动，以间壁式接触换热为主，提高换热能力。考虑到传热性能的提高，采用提高传热系数或是增加传热平均温差的方式，依托于换热器换热交换原理，其运行方程式为：，其中q为冷热流体总换热量，h为换热器传热系数，s为换热器表面换热面积，为换热面冷热流体热交换温差。

2.4 冷却水管网

冷却水管网主要用于连接各个设备，保证冷却水循环与换热。管网多采用碳钢管道，管径范围大，输水损失最低，便于安装和运输，符合循环冷却水系统的要求。由于系统运行中存在水分蒸发或是风吹损失的现象，会恶化循环水PH值，提高水中阴阳离子量，严重腐蚀冷却水管网中的管路。对此，结合设备腐蚀情况，工业上选择化学处理技术，添加缓释阻垢剂或是氧化剂的方式，实施工业循环水处理，提高循环冷却水系统中的水质，进而保证水质稳定。

结语：

综上所述，在工业循环冷却水系统设计中，要根据工业冷却运行过程，确定用水量和系统设计目标，从闭式冷却塔、循环冷却水泵、换热设备、冷却水管网等入手，设计最佳的循环冷却水系统，保证系统运行效率和使用功能，进而实现水资源的循环利用。