冷卻塔的原理及圖解（冷卻塔到底是幹什麼用的）

2023-10-05 18:06:41

原理與基本結構

1、冷卻塔的基本原理

冷卻塔是利用空氣同水的接觸（直接或間接）來冷卻水的設備。是以水為循環冷卻劑，從一個系統中吸收熱量並排放至大氣中，從而降低塔內溫度，製造冷卻水可循環使用的設備。

冷卻塔中的散熱關係：

在溼式冷卻塔中，熱水的溫度高，流過水表面的空氣的溫度低，水將熱量傳給空氣，由空氣帶走，散到大氣中去，水向空氣散熱有三種形式：

① 觸散熱；

② 蒸發散熱；

③ 輻射散熱。

冷卻塔主要靠前兩種散熱，輻射散熱量很小，可勿略不計。

蒸發散熱原理：

蒸發散熱通過物質交換，即通過水分子不斷擴散到空氣中來完成。水分子有著不同的能量，平均能量有水溫決定，在水表面附近一部分 動能大的水分子克服鄰近水分子的吸引力逃出水面而成為水蒸氣，由於能量大的水分子逃離，水面附近的水體能量變小。

因此，水溫降低，這就是蒸發散熱，一般認為蒸發的水分子首先在水表面形成一層薄的飽和空氣層，其溫度和水面溫度相同，然後水蒸氣從飽和層向大氣中擴散的快慢取決於飽和層的水蒸氣壓力和大氣的水蒸氣壓力差，即道爾頓（Dolton）定律，可用下圖表示此過程。

2、冷卻塔的基本結構

✦ 支架和塔體：外部支撐

✦ 填料：為水和空氣提供儘可能大的換熱面積

✦ 冷卻水槽：位於冷卻塔底部，接收冷卻水

✦ 收水器：回收空氣流帶走的水滴

✦ 進風口：冷卻塔空氣入口

✦ 淋水裝置：將冷卻水噴出

✦ 風機：向冷卻塔內送風

✦ 軸流風扇用於誘導通風冷卻塔。

✦ 軸流/離心風扇用於強制通風冷卻塔。

✦ 冷卻塔百葉窗：平均進氣氣流；保留塔內水分。

種類及其優缺點

1、自然通風冷卻塔

密度較小的熱空氣自冷卻塔頂部流出；

密度較大的冷空氣自塔底部進入冷卻塔填補；

不需風機；

混凝土塔<200 m；

用於大熱量的冷卻。

2、機械通風冷卻塔

大功率風機強制空氣與循環水的換熱；

填料表面的水膜可以最大限度地與空氣進行換熱；

冷卻效率的決定因素有很多；

多種冷卻能力備選；

可以多冷卻塔同時工作，例如8塔聯控。

強制通風：

空氣由離心風扇吹入通風口；優勢：適用於氣流阻力較大的塔體；離心風扇噪聲相對較小。

逆流冷卻塔：

冷卻水被噴淋在填料上，向下流入冷卻水槽。

空氣從底部強制吹入，在填料內與水接觸蒸發部分冷卻水，從而降低水溫。

3、誘導通風冷卻塔

橫流式誘導通風冷卻塔

逆流式誘導通風冷卻塔

優勢：回流程度低於強制通風冷卻塔；風機運行費用小於強制通風冷卻塔。

劣勢：風扇與電機的機械傳動需要防水設計。

1）熱水從頂部進入冷卻塔

2）空氣通過風扇強制誘導，從底部進入冷卻塔；使用強制誘導風扇。

橫流式誘導通風冷卻塔

冷卻水從頂部進入，流經填料層；空氣從一側或兩側進入，誘導風機使空氣橫向流過填料層。

由於此類冷卻塔的熱水自然流配水系統：

優勢：

低水泵壓頭；

較低的水泵初投資；

較低的年運行能耗和費用；

流量變化較大時不會對配水系統造成不利的影響。

劣勢：

低壓頭會導致噴頭易於堵塞以及冷卻水噴出時不能很好的分散成細密水霧；

熱水水槽直接暴露於空氣中會導致藻類的滋生；

佔地面積較大。

因為此類冷卻塔內的加壓配水噴淋裝置：

優勢：

通過增加塔的高度來獲得更長的換熱流程與更小的冷幅；

由於加壓噴淋裝置可以噴出更小的水滴，因此換熱效率較高。

劣勢：

系統水泵壓頭增加；

能量需求增大，運行費用增加；

冷卻水噴頭不易維護和清潔；

需要配水系統以及相關管路，因此初投資增加。

運行參數與選型設計

1.冷卻水溫差：

入口溫度—出口溫度

大溫差 = 高性能

2.冷幅：

冷卻塔出水溫度與入口空氣溼球溫度的差值：

小冷幅 = 高性能

3. 效率：

4. 冷卻塔容量：

冷卻塔容量單位為「千卡每小時」或者「冷噸」；

冷卻塔容量=冷卻水質量流量×水的比熱容×溫差；

大容量=高性能

5.補給水量計算

蒸發損失水量（E）

E = Q/600 = （T1-T2）*L /600

E 代表蒸發水量 (kg/h) ；

Q代表熱負荷(Kcal/h)；

600代表水的蒸發潛熱(Kcal/h)；

T1代表入水溫度(℃)；

T2代表出水溫度(℃)；

L代表循環水量(kg/h)。

補給水量計算：

飛濺損失水量（C）

冷卻塔之飛濺損失量依冷卻塔設計型式、風速等因素決定之。一般正常情況下，其值約等於循環水量的0.1~0.2%左右。

定期排放水量損失（D）

定期排放水量損失須視水質或水中固體濃度等因素決定之。一般約為循環水量之0.3%左右。

M=E C D

蒸發損失水量（E）；飛濺損失水量（C）；定期排放水量損失（D）。

冷卻塔用於空調時，溫度差設計在5℃，此時冷卻塔所須之補給水量約為循環水量的2%左右。

6.冷卻水流量

K·Q=C·M·ΔT

K:估算係數

Q:機組最大製冷量

C:水的比熱容

ΔT:供回水溫差

M:冷卻水質量流量

壓縮式制冷機組最大製冷量的1.3倍；

吸收式制冷機組（溴化鋰）製冷量的2.5倍。

1、選型舉例

例題：一項用一臺640RT機組的工程冷卻塔水流量和補水量。

Q=640RT=2251KW

K=1.3

C=4.2KJ/(kg·℃)

ΔT=5℃

補水量m=M·2％=140kg/s·2％=2.8kg/s

2、冷卻塔選型常設計問題

（1）、冷卻塔耗能的決定因素？

答：風機功率，冷卻水流量，冷卻水補水量？

（2）、冷卻塔的溫度工況，什麼溫度下效率經濟型好？

答：冷卻塔的進水溫度根據使用情況的不同有所不同，例如中央空調冷凝器的出水溫度一般為30-40℃，而冷卻塔的出水溫度一般為30℃。冷卻塔理想冷卻溫度（回水溫度）最佳溫度為高於溼球溫度2-3℃，這個值叫「逼近度」(公眾號:泵管家)，逼近度越小，冷卻效果越好，冷卻塔越經濟。

（3）、開式和閉式對比

開式：首期的投入比較的少，但是運營成本較高（水耗、電耗）。

閉式：本設備適合在乾旱、缺水、沙塵暴頻發地區等惡劣環境中使用。能冷卻介質多水、油類、醇類、淬火液、鹽水及化學液等多種介質，介質無損耗和成份穩定。能耗低。

缺點：閉式冷卻塔造價為開放式塔的三倍。

安裝、配管、操作與常見故障

1、冷卻塔噪音來源

以上所使用的冷卻塔均為機械通風式冷卻塔，其運轉時，水塔噪聲來源主要有以下幾個方面：

（1）、風機噪音：

其噪聲主要是由機械噪聲和流體噪聲組成；

（2）、電機噪聲：

其主要電機運轉時的電磁聲；

（3）、通風噪聲：

其主要有塔體內外空氣流體噪聲和塔體共振噪聲。

解決措施，請見南社百科相關課件之《全面了解「噪聲」及暖通空調系統中設備的噪聲與減振處理方法》。

2、安裝、配管注意事項

3、操作注意事項

操作前準備事項：

1）須將入風口側或風胴四周之異物排除；

2）確定風車尾部與風胴之間有足夠間隙，避免運轉時造成損壞；

3）檢查減速機之V型皮帶是否調整適當；

4）V型皮帶輪位置，彼此之間必須保持同一水平；

5）上述檢查完成後，間歇起動開關，檢查風車運轉方式是否正確？且是否有異常噪音振動產生？

6）將熱水盤和塔體內部雜物清除乾淨；

7）將熱水盤內之塵垢異物清除，再將水填滿至溢水位置；

8）間歇起動循環水泵，將管內空氣排除，直到管路與冷水盤充滿循環水為止；

9）當循環水泵正常運作後，冷水盤內之水位將稍微下降，此時必須調整浮球閥至一定水位；

10）電路系統，重新確認電路開關，保險絲和接線規格是否吻合電機負載。

水塔起動注意事項：

a、間歇起動風車，檢查是否逆向運轉或有異常噪音振動發生？然後再起動水泵運轉；

b、檢查風車馬達運轉電流是否超載？避免馬達燒壞或產生電壓下降之現象；

c、利用控制閥調整水量，促使熱水盤水位保持在30~50mm之間；

d、檢查冷水盤內運轉水位是否保持正常。

水塔運轉過程中注意事項：

a、經過5~6天的運轉，重新檢查風車減速機V型皮帶是否正常？如果鬆弛的話，可利用調整螺栓重新適當鎖緊；

b、冷卻塔經過一個星期運轉後，必須重新更換循環水，以便清除管路中之雜物塵垢；

c、冷卻塔之冷卻效率會受到循環水位高低影響，基於此項原因，故必須確保熱水盤之一定水位；

d、冷水盤內之水位如果下降的話，循環水泵和冷氣機的性能將受到影響，因此水位亦必須保持一定；

水塔例行保養注意事項：

循環水一般每月更換一次，或有汙濁之現象則必須更換，更換循環水則依據水中固體濃度來定，同時將熱水盤和冷水盤清洗乾淨，熱水盤內如有汙物阻塞的話，將影響冷卻效率。

水塔季節性停機保養注意事項：

a、將減速機內之V型皮帶鬆弛，軸承加注潤滑油；

b、必須將管路之循環水全部排除，避免冬季結冰造成龜裂，冷水盤之排水管隨時打開，以便雨水、溶雪能夠流出；

c、冷卻塔在停機一段時間後重新運轉，此時必須檢查馬達絕緣是否正常？然後再參考操做前準備事項之說明進行操作。

4、維修注意事項

故 障

原 因

對 策

冷卻水溫度升高

1循環水量過多；

2風量不均；

3熱空氣再循環現象產生

4風量不足；

5散熱片阻塞；

6散水管阻塞；

7入風口網阻塞；

1調節水量至設計標準；

2改善通風環境；

3改善通風環境；

4調整風葉片角度（額定電流內）

5清除散熱片阻塞之處；

6清除塵垢及藻類；

7清除入風口網阻塞之處。

冷卻水量過少

1散水孔阻塞；

2過濾網堵塞；

3水位過低；

4循環泵浦選擇錯誤；

1清除塵垢及藻類；

2取出過濾網清洗乾淨；

3調整浮球閥至運轉水位；

4更換與設計水量相符之泵浦；

異常噪音及振動

1風葉觸到風胴內壁；

2風葉安裝不當；

3風車不平衡；

4減速機內潤滑油過少；

5軸承故障；

1調整風葉長度；

2重新栓緊螺帽；

3校正風葉角度；

4補充油量至規定油麵；

5更換軸承或軸封；

馬達超載

1壓降過低；

2風葉角度不適當；

3風量過大；

4馬達故障；

1檢查電源；

2調整風葉角度；

3調整風葉角度；

4更換或送修；

水滴過量飛濺

1散水管迴轉過快；

2散水槽水位過高溢出；

3散熱片阻塞；

4擋水板失效；

5循環水量過多；

1調整散水管角度；

2更改散水孔孔徑數量；

3清除散熱片阻塞之處；

4重新更換擋水板；

5減小循環水量；

5、循環水水質之要求（附水質限定值）

項 目

補 給 水

循 環 水

PH（25℃）

6~8

6~8

導電率(uv/CM)

200以下

500以下

全硬度(CaCO3) p p m

50以下

200以下

M鹼度(CaCO3) p p m

50以下

100以下

氯離子(CL) p p m

50以下

200以下

硫酸離子(SO4) p p m

50以下

200以下

鐵(Fe) p p m

0.3以下

1.0以下