冷卻塔1前言

我國(guó)加入WTO已經(jīng)指日可待面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)冷卻塔行業(yè)能否守住國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的半壁江山抑或反而能沖出中國(guó)走向世界是業(yè)界普遍關(guān)心的問題WTO對(duì)中國(guó)的冷卻塔行業(yè)意味著什么作者認(rèn)為既是挑戰(zhàn)又有機(jī)遇關(guān)鍵要有得當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施從我國(guó)節(jié)能節(jié)水的需求和冷卻塔生產(chǎn)的現(xiàn)狀出發(fā)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)調(diào)研從設(shè)計(jì)者的角度在冷卻塔的性能材料結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品類型等多個(gè)方面圍繞技術(shù)水平和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行以下論述

2各類冷卻塔的技術(shù)特點(diǎn)和市場(chǎng)前景

冷卻塔是用空氣冷卻水的裝置廣泛應(yīng)用于冶金石油化工動(dòng)力紡織等行業(yè)并且又從工業(yè)拓展到民用如應(yīng)用于大樓中央空調(diào)系統(tǒng)等據(jù)估計(jì)我國(guó)目前工業(yè)需水量約為1067億m3其中用水綜合重復(fù)率為56%到2010年需水量則約為1560億m3而用水綜合重復(fù)率達(dá)到67%[1]要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)就需要大量的冷卻塔特別是大型塔因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)中約70%~80%的用水是冷卻水而冷卻水中的70%~80%又是間接冷卻水[2]由于這部分水無其他水質(zhì)污染靠冷卻塔降溫后即可循環(huán)利用因此提高冷卻水的循環(huán)率自然成為節(jié)約工業(yè)用水的重點(diǎn)美國(guó)工業(yè)用水的循環(huán)率達(dá)92%~95%[3]代表世界先進(jìn)水平我國(guó)與之差距甚大因而冷卻塔的潛在市場(chǎng)不小另外隨著人民生活水平的提高和節(jié)能的需要中央空調(diào)系統(tǒng)迅速增加又需要大量中小型冷卻塔加之舊塔的淘汰更新其需求量十分可觀冷卻塔有濕式干式之分濕式是水與空氣直接接觸由于利用了水本身的蒸發(fā)潛熱效果比空氣與水通過管壁熱交換的干式塔好冷卻溫度低但水質(zhì)難保證前者也叫開式塔后者則是一種閉式塔在干式冷卻塔管外另外加水噴淋即將水冷式冷卻器與濕式冷卻塔性能相結(jié)合時(shí)下常稱為密閉式冷卻塔它源于工業(yè)用的蒸發(fā)冷卻器既有較好的冷卻效果又保證了冷卻水的水質(zhì)是目前發(fā)展較快的一種塔型從通風(fēng)角度看采用自然通風(fēng)的稱為風(fēng)筒式冷卻塔這類塔多為大型塔往往與電廠化工等大工程的土建結(jié)合在一起入關(guān)后不會(huì)作為單一設(shè)備構(gòu)成競(jìng)爭(zhēng)有關(guān)技術(shù)問題國(guó)際上有專題會(huì)議[4]本文不作討論采用機(jī)械通風(fēng)的根據(jù)氣水流向的不同又有逆流橫流斜流等區(qū)分這類塔是今后冷卻塔行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)也是本文主要要討論的另外還有利用射流卷吸冷空氣的噴射式冷卻塔等盡管冷卻塔種類繁多并在不斷推陳出新但其作用都是節(jié)約用水盡量減少工業(yè)廢水的排放防止熱污染而這些問題又都是當(dāng)前基本建設(shè)和運(yùn)行管理中迫切需要解決的重要問題任何冷卻塔冷卻效率的高低決定了節(jié)水的效能而由于泵或風(fēng)機(jī)的存在還有個(gè)節(jié)能問題[5]因此冷卻塔可以說是一個(gè)與環(huán)保節(jié)水和節(jié)能等多個(gè)問題相關(guān)的產(chǎn)品

3冷卻塔的發(fā)展和存在的問題

冷卻塔熱力特性的理論研究開始于20世紀(jì)的20年代焓差熱力特性方程及壓差法和各種經(jīng)驗(yàn)公式延用至今麥克爾方程式的解題方法有所改進(jìn)以辛普遜積分法求解交換數(shù)方程最為簡(jiǎn)單但發(fā)展尚未完善尤其是密閉式冷卻塔更是半經(jīng)驗(yàn)性的在玻璃鋼(FRP)廣泛應(yīng)用于冷卻塔之前冷卻塔多為水泥或木結(jié)構(gòu)笨重粗大冷卻效率也不高國(guó)外于60年代開發(fā)FRP冷卻塔主要有美日前西德英法瑞士前蘇聯(lián)和羅馬尼亞等國(guó)我國(guó)的臺(tái)灣省和香港在1966年先后引進(jìn)技術(shù)開始生產(chǎn)FRP冷卻塔大陸于1973年由上海醫(yī)藥工業(yè)研究院等單位共同設(shè)計(jì)和研制了第一臺(tái)FRP冷卻塔之后我國(guó)在機(jī)械通風(fēng)濕式塔方面發(fā)展非常迅速形成了多品種多型號(hào)系列制訂了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并于1997年重新修訂中小型FRP塔依據(jù)GB7190.11997大型塔依據(jù)GB7190.21997一些地方還制定了地方標(biāo)準(zhǔn)如上海質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的DB31/204-1997冷卻塔及其系統(tǒng)運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)中小型塔單塔處理水量在1000t×h-1以下已形成標(biāo)準(zhǔn)系列單就1986年一年之中光FRP冷卻塔大大小小就有18000臺(tái)投放市場(chǎng)約占玻璃鋼總產(chǎn)的1/4[3]生產(chǎn)廠家遍布全國(guó)性能不斷提高電耗和噪聲也不斷降低對(duì)我國(guó)節(jié)水起到了很大作用大型塔從國(guó)外看美國(guó)瑪利公司的影響最大其子公司遍布世界各地在我國(guó)也有子公司年銷售額相當(dāng)大如4000t×h-15溫差的方型逆流塔由于它與同樣熱力性能的橫流塔相比占地面積差不多但材料消耗量少在大塔中最具有競(jìng)爭(zhēng)力國(guó)內(nèi)目前有一些合資工廠如瑪利金日良機(jī)等除此之外絕大多數(shù)是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)雖然現(xiàn)在有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)也已有相當(dāng)規(guī)模但整體競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)至于中小型塔由于價(jià)格因素目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品所占的市場(chǎng)份額倒不小可研究開發(fā)與國(guó)外專業(yè)廠相比相差較遠(yuǎn)入關(guān)后隨著大環(huán)境的改變競(jìng)爭(zhēng)能力會(huì)有所下降從技術(shù)上看冷卻塔目前尚存在有以下主要問題

(1)大型塔的熱力性能較差達(dá)不到設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不好所配用的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能欠佳增加了運(yùn)行費(fèi)用

(2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差振動(dòng)嚴(yán)重構(gòu)件抗腐措施不力腐蝕嚴(yán)重

(3)FRP生產(chǎn)工藝技術(shù)落后不注意原材料質(zhì)量和合理選材模具質(zhì)量較差據(jù)

統(tǒng)計(jì)[3]1989年采用手糊(含噴射)工藝生產(chǎn)冷卻塔玻璃鋼件的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的85%故而質(zhì)量控制的難度較大綜上所述在濕式冷卻塔方面WTO對(duì)冷卻塔行業(yè)的挑戰(zhàn)是嚴(yán)峻的密閉式冷卻塔在國(guó)內(nèi)發(fā)展不到十年并且由于價(jià)格高管外因噴淋水蒸發(fā)積垢等經(jīng)濟(jì)技術(shù)原因發(fā)展一度緩慢密閉式冷卻塔在國(guó)外發(fā)展的時(shí)間也不長(zhǎng)但工藝水平相對(duì)要好一些近兩年來隨著需求的增長(zhǎng)和國(guó)外產(chǎn)品通過進(jìn)口合資等介入的帶動(dòng)密閉式冷卻塔才有長(zhǎng)足發(fā)展一個(gè)明顯的標(biāo)志是生產(chǎn)廠由原來的3~4家發(fā)展到現(xiàn)在的20~30家另一個(gè)標(biāo)志是由冷卻塔廠兼做密閉式冷卻塔發(fā)展為密閉式冷卻塔生產(chǎn)的專業(yè)化其中合資企業(yè)有5~6家另有3~4種全進(jìn)口產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)應(yīng)用導(dǎo)致密閉式冷卻塔需求增長(zhǎng)的原因是由于生產(chǎn)的發(fā)展技術(shù)要求的提高采用開式塔的水質(zhì)達(dá)不到工藝要求而干式塔有時(shí)又達(dá)不到冷卻要求所以密閉式冷卻塔成了不得不的選擇如采用壓縮式制冷機(jī)的空調(diào)機(jī)組其冷凝器多為管殼式的對(duì)冷卻水的水質(zhì)要求不高冷卻塔多配用開式的而隨著環(huán)保節(jié)能要求的提高溴化鋰吸收式制冷空調(diào)應(yīng)用逐漸增多其冷卻器從發(fā)展趨勢(shì)來看多采用緊湊式換熱器對(duì)冷卻水的水質(zhì)就有較高要求所以不少選用了密閉式冷卻塔如寶鋼三期電廠項(xiàng)目還有密閉式冷卻塔可與水源熱泵水冷式恒溫恒濕空調(diào)水冷式空壓機(jī)電爐等配套在環(huán)境較差的地方與中央空調(diào)配套等或直接用于冷卻工藝流體(不過這類應(yīng)用有時(shí)還有管內(nèi)積垢的嚴(yán)重問題此外推動(dòng)密閉式冷卻塔發(fā)展還有生產(chǎn)商方面的原因就是其利潤(rùn)較高總的說來密閉式冷卻塔在國(guó)內(nèi)還處在起步階段目前僅限于電子電廠鑄造食品化工等行業(yè)應(yīng)用但潛在的行業(yè)與用戶還很多比較有市場(chǎng)前景提高熱力設(shè)計(jì)水平降低成本和減少積垢直至自動(dòng)清垢以及開發(fā)大流量低壓頭的配套水泵都是密閉式冷卻塔目前急于解決的技術(shù)問題在密閉式冷卻塔方面國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并不大在我國(guó)的影響也有限國(guó)內(nèi)企

業(yè)如果盡快與科研單位和高校聯(lián)合攻關(guān)推出高技術(shù)高質(zhì)量產(chǎn)品再利用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢(shì)不僅可以占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而且沖出中國(guó)走向世界也是可能的這就是WTO給國(guó)內(nèi)冷卻塔行業(yè)帶來的新機(jī)遇

4為參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)在冷卻塔研究和技改中的幾個(gè)熱點(diǎn)問題

面臨挑戰(zhàn)和機(jī)遇提高產(chǎn)品的技術(shù)含金量是增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段冷卻塔從原理上看是個(gè)十分典型的傳熱傳質(zhì)問題而過去開發(fā)冷卻塔主要有三股力量一是用戶需求自行開發(fā)如一些化工設(shè)計(jì)單位因?yàn)榛ど弦迷S多冷卻塔且他們對(duì)傳質(zhì)方面的研究還有一定優(yōu)勢(shì)二是搞玻璃鋼材料的作為材料的應(yīng)用開發(fā)如東方長(zhǎng)江等玻璃鋼公司三是搞風(fēng)機(jī)的作為風(fēng)機(jī)的應(yīng)用開發(fā)如原機(jī)械部第四設(shè)計(jì)研究院而從事傳熱傳質(zhì)的研究者對(duì)冷卻塔特別是密閉式冷卻塔的研究和開發(fā)尚未深入關(guān)于冷卻塔的傳熱傳質(zhì)研究需進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作

(1)基于傳熱傳質(zhì)機(jī)理的熱力計(jì)算理論研究目前提供的計(jì)算方法其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別還比較大特別象密閉式冷卻塔更是半經(jīng)驗(yàn)性的問題出在建模的合理性和假設(shè)條件與實(shí)際的差別上如密閉塔計(jì)算中將工質(zhì)進(jìn)出口溫度的平均值作為定性值帶來較大偏差又如逆流塔的焓差法計(jì)算中由于焓i不是水溫t的直接函數(shù)冷卻數(shù)N只能近似計(jì)算這就存有一個(gè)計(jì)算最優(yōu)化問題因此結(jié)合冷卻塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)工作過程的熱力計(jì)算進(jìn)行理論研究是很有必要的

(2)在實(shí)驗(yàn)研究方面目前填料中容積散質(zhì)系數(shù)XVb和冷卻數(shù)N的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由于實(shí)驗(yàn)范圍較窄由此得出的關(guān)系式局限性較大影響了設(shè)計(jì)的正確性開展冷卻塔性能的系列實(shí)驗(yàn)含填料實(shí)驗(yàn)與整塔實(shí)驗(yàn)間差異的評(píng)估等研究是一項(xiàng)開發(fā)產(chǎn)品的基礎(chǔ)性的不可缺少的工作

(3)在強(qiáng)化傳熱和熱質(zhì)交換最佳耦合研究方面如改進(jìn)管型和管排結(jié)構(gòu)獲得噴淋水量風(fēng)量及噴淋水溫三者間的最佳匹配以期提高塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性都有可研究和實(shí)踐之處

(4)加強(qiáng)一些新的冷卻工藝的傳熱傳質(zhì)機(jī)理的研究使之實(shí)用化如進(jìn)水溶氣[6]低真空蒸發(fā)回收熱能以消除大氣熱污染等另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部件研制方面增強(qiáng)噴嘴布水的均勻性降低風(fēng)機(jī)的噪聲減少壁流和飄水減輕甚至消除構(gòu)架的腐蝕以及采用輕結(jié)構(gòu)提高FRP件的質(zhì)量塔外觀的美化設(shè)計(jì)(對(duì)用于建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔如何在外觀上與建筑風(fēng)格協(xié)調(diào)的問題尤為重要)等等也是冷卻塔設(shè)計(jì)生產(chǎn)中需要改進(jìn)的當(dāng)然其中不少問題可以綜合多學(xué)科攻關(guān)比如在FRP成型工藝方面采用樹脂傳遞模塑工藝(RTM)和噴射成型工藝以及拉擠工藝[7]減少手糊工件會(huì)顯著提高FRP件的質(zhì)量同時(shí)提高生產(chǎn)效率和改善生產(chǎn)環(huán)境再比如采用全FRP的輕型抗腐蝕結(jié)構(gòu)是濕式普通塔發(fā)展的一個(gè)方向但

有許多力學(xué)問題和工藝問題需要解決[8]又比如將三元流動(dòng)理論應(yīng)用于冷卻塔風(fēng)機(jī)的機(jī)翼型葉片的設(shè)計(jì)中發(fā)展大直徑低轉(zhuǎn)速低噪聲風(fēng)機(jī)并在運(yùn)行中采用變頻技術(shù)[9]對(duì)節(jié)能和環(huán)保都有重要意義況且我國(guó)在這方面的研究處于世界領(lǐng)先地位是很有競(jìng)爭(zhēng)力的對(duì)消除飄水的研究國(guó)外在1979年進(jìn)行了可行性討論[10]提出了零飄水的概念1989年有個(gè)進(jìn)展報(bào)告[11]在節(jié)水環(huán)保和提高冷效三方面都取得了一些成果但至今沒有根本解決國(guó)內(nèi)在小型塔上有解決得較好的[12]其核心是采用了水輪式旋轉(zhuǎn)布水器以改變布水器出水射流方向但對(duì)大中型塔尚需進(jìn)一步努力攻關(guān)再有冷卻塔設(shè)計(jì)選型報(bào)價(jià)成本管理等的計(jì)算機(jī)化是與國(guó)際接軌的重要步驟我國(guó)在這方面也有大量的工作要做由于對(duì)密閉式冷卻塔市場(chǎng)的爭(zhēng)奪是未來二至三年中的熱點(diǎn)因此有效解決密閉式冷卻塔應(yīng)用中的若干問題尤為關(guān)鍵一般認(rèn)為冷卻60~80的流體時(shí)采用蒸發(fā)冷卻器比空冷式熱交換器有利[13]因?yàn)樗昧斯芡鈧?cè)水的蒸發(fā)潛熱具有比空冷式熱交換器傳熱面積少的優(yōu)點(diǎn)只有管外壁容易結(jié)垢而影響冷卻效果但對(duì)被冷卻工質(zhì)在50以下的情況來說結(jié)垢問題并不嚴(yán)重[14]而且可以嫁接國(guó)內(nèi)外各種除垢新技術(shù)對(duì)蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計(jì)[13,15]國(guó)內(nèi)外研究已較多目前密閉式冷卻塔是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的[16]但按常規(guī)的設(shè)計(jì)方法所需的盤管換熱面積較大塔體笨重造價(jià)昂貴尚有待改進(jìn)在密閉式冷卻塔中熱從管內(nèi)的工藝流體經(jīng)管壁傳給管外流動(dòng)的水再?gòu)乃畟鹘o空氣而水向空氣的傳熱是由水蒸發(fā)的潛熱和水與空氣的顯熱交換組成的被冷卻工質(zhì)的進(jìn)出口溫度和流量及大氣干濕球溫度大氣壓等設(shè)計(jì)參數(shù)風(fēng)量噴淋水量淋水密

度噴淋水水溫盤管的尺寸和內(nèi)外形狀及布置形式管程數(shù)(管內(nèi)流速)空氣和工藝流體及噴淋水三者間的流向關(guān)系等對(duì)塔的設(shè)計(jì)都有影響而且在某些結(jié)構(gòu)形式中不少因素是相互制約的設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)在于確定當(dāng)工藝流體所需釋放的熱量全部被空氣帶走時(shí)出塔的空氣恰好達(dá)到飽和而所花的代價(jià)(將制造成本與運(yùn)行成本綜合考慮)為最小基于上述目標(biāo)以下優(yōu)化措施是有效的

(1)側(cè)重于管外側(cè)強(qiáng)化傳熱包括采用翅片管[17]適當(dāng)增大管內(nèi)流速和采用小管徑并著眼于管徑與塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的匹配

(2)對(duì)一般的密閉式冷卻塔來說應(yīng)盡量選用鍍鋅鋼管以降低設(shè)備成本

(3)過去對(duì)密閉式冷卻塔的設(shè)計(jì)都建立在twi=two的邊界條件上即由于噴淋水是循環(huán)的所以盤管區(qū)入口的噴淋水溫度twi等于盤管區(qū)出口處的噴淋水溫度two鑒于噴淋水的溫度對(duì)傳熱面積有很大的影響在噴淋水循環(huán)過程中加入一個(gè)噴淋水的預(yù)冷卻過程將大大減少盤管長(zhǎng)度雖然預(yù)冷卻過程增加了一些填料風(fēng)量也會(huì)增大但總的成本將有所降低[18]對(duì)工藝流體溫度較高的冷卻塔來說這是一個(gè)有前途的優(yōu)化措施國(guó)內(nèi)外也有了若干基于這一原理的各種塔型其中一些塔型已取得中國(guó)實(shí)用新型獨(dú)特[19]但如果密閉塔的工藝流體溫度較低噴淋水的溫度也不會(huì)高對(duì)填料區(qū)來說由于冷幅較小會(huì)使所需填料體積很大往往得不償失所以不適合采用預(yù)冷卻

5結(jié)論

我國(guó)的冷卻塔行業(yè)面對(duì)中國(guó)入關(guān)的臨近為了參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)進(jìn)行大范圍的組合和調(diào)整包括組建產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的大集團(tuán)加快技術(shù)投入和產(chǎn)品研發(fā)強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)研究改進(jìn)FRP工藝和結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化密閉式冷卻塔設(shè)計(jì)并盡快搶占該塔型市場(chǎng)份額在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面盡快與國(guó)際接軌

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