一、冷卻系統的類型

1、直流系統

早期工廠的冷卻水系統采取直流系統。

冷卻水從水源流經熱交換器后又回流到水源處。

優點是

快速有效：水源處的水溫較低；

靈活性：可在小的傳熱面條件下冷卻。表現為腐蝕、污垢和微生物繁殖，但相對較小；

系統內由水引起的問題主要取決于原水的性質。由于水在系統內沒有濃縮，一般不會發生明顯的物理和化學變化，

冷卻水系統內水的流量和溫度的變化、加上水的性質各不相同（河水、湖水常含有大量懸浮物和沉積物，且隨季節變化；水中常含鐵和結垢的鹽類），使得系統的管理工作更加復雜。

圖3-1 直流冷卻水系統          圖3-2 封閉式循環冷卻水系統

2、密閉式循環冷卻水系統

1)     定義

水密閉循環，并交替冷卻和加熱，而不與空氣接觸。

在密閉系統中，冷卻水攜帶的熱量通常通過水-水換熱器傳給敞開式循環水系統中的循環水，熱量再從水中散發到大氣中去。

2)     組成

*密閉的循環水系統；用于對水冷卻或去除水中的熱量的冷卻器或熱交換器。

3)     密閉系統在工業上的應用

（1）冷卻氣體管路的氣體來冷卻燃汽輪機或變壓器冷卻用的油冷卻器；

（2）柴油發動機和氣體發動機；

（3）制冷機；

（4）以控制可靠的工藝過程的溫度為目的：

原子反應堆的輔助冷卻器；煉鐵高爐的爐體、風口等的冷卻等。

4)     密閉系統的優點

（1）水溫易控制；

（2）水質問題的控制簡單化：補充水量少；

（3）補充水僅用于補償水泵填料的泄露水量或因檢修而排放的水量；

（4）水的蒸發很少；

（5）結垢程度較輕：一般用軟化水或去離子水。

（6）腐蝕問題不嚴重：氧不是處于飽和狀態。

3、敞開式循環冷卻水系統

1)     定義

冷卻水通過熱交換器后，水溫提高成為熱水，熱水經冷卻塔曝氣與空氣接觸，由于水的蒸發散熱和接觸散熱使水溫降低，冷卻后的水再循環利用。又稱為冷卻塔系統。

圖3-3敞開式循環冷卻水系統

1-補充水（M）；2-冷卻塔；3-冷水池；4-循環水泵；

5-滲漏水（F）；6-冷卻水；7-冷卻用換熱器；8-熱水（R）；

9-排污水（B）；10-蒸發損失（E）；11-風吹損失（D）；12-空氣

2)     水冷卻原理

通過水與空氣接觸，由以下三個過程共同作用的結果。

（1）水的蒸發散熱

a. 水在冷卻設備中形成大小水滴或極薄水膜，擴大其與空氣的接觸面積和延長接觸時間，加強水的蒸發，使水汽從水中帶走汽化所需的熱量，從而使水冷卻。

b. 為了加快蒸發散熱：

一方面應增加熱水與濕空氣之間的接觸面積，以提供水分字逸出的機會；另一方面提高水氣界面上的空氣流動速度，以保持蒸發的推動力不變。

（2）水的接觸傳熱

借傳導和對流傳熱，稱為接觸傳熱。

水面與較低溫度的空氣接觸，由于溫差使熱水中的熱量傳到空氣中去，水溫得到降低。溫差愈大，傳熱效果愈好。

（3）水的輻射傳熱

不需要傳熱介質的作用，而是由一種電磁波的形式來傳播熱能的現象。

輻射傳熱只是在大面積的冷卻池內才起作用。在其它類型的冷卻設備中，輻射傳熱可以忽略不計。

3)     冷卻設備的種類與結構

在循環冷卻水系統中，用來降低水溫的構筑物或設備成為冷卻構筑物或冷卻設備。按其熱水與空氣接觸方式的不同，可分為：

（1）水面冷卻構筑物

工業上*種循環冷卻方法，又稱涼水池。

過程：需要冷卻的水流入池內，通過自然蒸發、輻射和對流傳熱逐漸將水冷卻到適當再用的溫度。

靠蒸發散熱約占總散熱量的55%，因而比冷卻塔要小些（蒸發散熱占80%）。

冷卻過程緩慢，效率低，溫差小。且需要很大的貯水池。

（2）噴水池

池內裝有水管、噴嘴或電動噴水組件，由噴嘴把水噴到大氣中，從而增加了蒸發量，即使在較小的水池也能加速冷卻。

設在建筑場地開闊處的水池的冷卻效果要好些。

水的消耗大，約為循環水量的1.0-5.0%。

易帶入周圍的雜質。

（3）冷卻塔

是一個塔型建筑，水氣熱交換在塔內進行，可以人工控制空氣流量來加強空氣與水的對流作用來提高冷卻效果。

占地面積小、冷卻效果好。

包括自然通風式和機械通風式。

冷卻塔包括通風筒、配水系統、淋水裝置、通風設備、收水器、集水池等部分。

圖3-4自然通風冷卻塔                                  圖3-5 機械通風冷卻塔

1-配水系統；2-填料；3-百葉窗；                   1-配水系統；2-填料；3-百葉窗；

4-集水池；5-空氣分配區；6-風筒；                 4-集水池；5-空氣分配區；6-風機；

7-熱空氣和水蒸汽；8-冷水                         7-風筒；8-熱空氣和水蒸汽；9-冷水

圖3-6 玻璃鋼冷卻塔

1-玻璃鋼塔體；2-淋水裝置；3-填料；

4-空氣；5-接水盤；6-冷卻水；7-熱水；

8-排風扇；9-熱空氣和水蒸汽

4)     冷卻塔效率的衡量指標

（1）冷卻幅高（也稱濕球溫差）

冷卻水溫和空氣濕球溫度的差值 T₂-τ。τ代表該地熱水冷卻所能達到的極限值。

T₂-τ越小，效能越高。

（2）冷卻幅寬

冷卻塔的回水和出水溫度的差值，T₁-T₂。

（3）淋水密度

指冷卻塔單位面積上的熱水噴灑負荷，m³/(m²h)。淋水密度與冷卻幅寬、水的比熱的乘積稱為冷卻構筑物單位面積的熱負荷，W/(m²(kcal/(m²h))。

5)     敞開式冷卻水的水工況

冷卻過程中的三種損失:    M = E + D + B

M、E、D、B分別代表補充水量、蒸發損失、風吹損失、排污量（包括泄漏損失）。

由              Q = R ( t_w2 - t_w1 ) x = E ( I - t_m ) R

式中：X-- 冷卻塔中水溫降低1℃時因蒸發而散失的熱量與總散失熱量的比值；

I -- 為循環水平均溫度下蒸汽的熱焓值（25℃時飽和蒸汽為608 kcal/kg）；

t_m -- 為進出口的平均水溫。

則有：E=x△t/(i-t_m)=0.17x△t

式中： X在夏季為1.0，冬季0.5，春秋0.75。

（1）蒸發損失E           E = a(R-B), a = e (t₂-t₁)

（2）風吹損失D           D =(0.2%-0.5%) R

（3）排污損失B          B+W=E/(K-1)

（4）滲漏損失F         不可忽略的因素。

（5）離子濃度的改變

D(Vc)=Mc_Mdt – Bcdt

C =MC_M/B + (c₀ – MC_M/B)EXP[-B(t-t₀)/V]

圖3-7降低濃縮倍數時     圖3-8 提高濃縮倍數時

水中離子濃度變化曲線    水中離子濃度變化曲線

（6）濃縮倍數

指循環水中某物質的濃度和補充水中某物質的濃度之比。一般還可以以某種有代表性的可溶性離子或物質。

K = S_循 / S_補

M = E K / (K-1)

（7）循環水中鹽類的濃縮

補充水在系統中的停留時間為：T=V/M

由于M比V要小得多，足以使補充水中任何量的化學組分顯示潛在的結垢和腐蝕傾向。

V容積的水循環一次所需的時間為：a=V/R

則補充水在系統中逗留時間內循環的次數為：N=T/a=(V/M)/(V/R)=R/M