闭塔概论.docx

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闭塔概论

闭式冷却塔

1概论

1．1名称的界定及特征

闭式冷却塔，或称密闭式冷却塔，也称封闭式冷却塔，简称闭塔。

闭式冷却塔源于蒸发冷却器，而实际上乃是一种将水冷式冷却器和常规冷却塔的性能相结合的热交换器，也是一种界于水冷器与空冷器之间的热交换器，所以还有厂家称之为“蒸发空冷器”。

现在这类冷却设备的形式较多，其共同的特征是在间壁式换热器外喷淋水并且强制通风，热从间壁式换热器内的被冷却流体中经壁面传给壁面外的喷淋水，再通过喷淋水与空气的强制对流传给空气，而喷淋水向空气的传热，主要是由喷淋水蒸发的潜热和喷淋水与空气的显热交换组成的。

由于被冷却流体在间壁式换热器内与外界工艺设备间闭式循环流动，为区别于被冷却流体直接与空气接触的一般冷却塔，故有“闭塔”之称，而相对应地将一般冷却塔称为“开塔”。

“闭式冷却塔”的名称更加普遍应用于被冷却流体是水的情况，这与冷却塔通常就是冷水塔相一致；当被冷却的是非水流体时，建议仍然采用“蒸发冷却器”的名称，而被冷却流体有相变时，则应称为“蒸发冷凝器”。

由于蒸发冷却器的换热原理和使用场合与空冷器毕竟有较大差别，而且空冷器已有国家标准[1]，该标准的许多地方并不适合蒸发冷却器，为规范名称和正确使用国家标准，笔者不建议使用“蒸发空冷器”的名称。

为本章叙述方便，以下将不再区分上述名称上界定的差别，通称为“闭塔”。

1．2使用场合与好处

闭塔适用于被冷却流体不能与外界空气直接接触且进口温度低于80℃左右[2]，有充足的喷淋水源及水源水质不易结垢的场合。

所谓被冷却流体不能与外界空气直接接触，指要求被冷却流体保持洁净，或者被冷却流体在工艺过程中被污染有毒有害，或者被冷却流体要保持一定压力而不能开式循环，或者被冷却流体有相变，以及其它各种被冷却流体不能开式循环的情况。

在冷却水系统中采用闭塔的好处在于对主设备而言，不会因为形成水垢、生物污泥而增加热阻、减小通流面积甚至堵塞换热器和过滤器，导致换热效率降低，也不会因为换热表面的金属长期处于高温热负荷状态，导致金属疲劳，以及垢下腐蚀导致设备穿孔泄漏等，有利于延长设备的使用寿命。

特别是随着技术的发展，主设备越来越多采用紧凑式高效换热器，从而对冷却水质的要求越来越高，闭塔的使用也越来越广泛。

单独将闭塔与开塔比较，闭塔的换热效果不如开塔，初投资和能耗也比开塔高，但把它们放在冷却系统中综合比较，闭塔有利于主设备工作，能提高主设备的效率和寿命，甚至将主设备所需的换热器与开塔合二为一，使系统更加紧凑，其经济性不一定比不上开塔。

例如在制冷空调中，用闭塔取代蒸发冷凝器和开塔，可使设备

造价和运行费用同时下降[3]。

需要指出的是，如水源水质特别不好，仍宜采用二次冷却，即水冷加开塔的模式，以避免在闭塔的间壁式换热器上结垢，如必须采用闭式循环，则要对闭塔的喷啉水进行处理，或者采用空冷器。

再将闭塔与空冷器相比，闭塔利用了喷淋水的蒸发潜热，所以具有传热面积相对较少的优点，但同时带来壁面外由于喷淋水的不断蒸发而发生的结垢问题，而且壁温越高，越容易结垢。

空冷器可以在空气侧加翅片以弥补界膜导热系数小的缺点，因此总的说来，当冷却温度高于100℃的流体时，采用空冷器更有利，冷却60~80℃的流体时，采用闭塔比空冷器有利[2]，因为此时的喷淋水温度往往在50℃以下，对一般水质而言，结垢问题并不严重[3]，这对于要求被冷却流体不能与外界空气直接接触的场合来说，闭塔成了必须且合适的选择。

Berkelcy，F.D.[4]以蒸汽透平冷凝器为例,冷凝6486.4Kg/h、绝对压力为24551.2Pa、饱和温度为66℃的水蒸汽,在外界空气干球温度为32℃、湿球温度为21℃的设计条件下,采用空冷器需用功率为28.93Kw,占地面积为39m2,传热管表面积为6169m2,当时的价格概算为2.98万美元；如采用闭塔，需用功率可减少69.1%,占地面积可减少66.7%,传热管表面积可减少96.8%,按当时的价格概算可减少14.1%。

闭塔可用于蒸馏塔、冷冻机的制冷剂冷凝和甘油冷凝等工艺蒸气的冷凝，也可用于汽轮机、蒸汽喷射式冷冻机、蒸发罐和废蒸汽冷凝器等设备中的水蒸汽的冷凝，还可作为空压机水冷器、发动机套管水冷器、变压器油冷器和压缩机排气冷却等冷却器用途。

具体举例说来，已在以下行业和场合应用：

冶金机械、石化、硅酸盐业

1.炼铁厂高炉软水闭路循环；

2.炼钢厂的加热炉、结晶器、氧枪等装置的冷却水系统；

3.轧钢厂、焦化厂的冷却水系统；

4.鼓风机、电机、轧钢机等设备的冷却水系统；

5.中频感应电炉、中高频电源与电控、熔炼炉、透热炉、淬火炉、真空炉、感应保温炉的的冷却水系统；

6.机加工设备的油路冷却和磨具冷却；

7.铸造、锻造、焊接设备的内部工艺水冷却；

8．炼油化工厂的低温位油品冷却、各种塔顶油气的冷凝冷却、蒸气及其它工艺介质的冷凝（冷却）；

9．与玻璃熔窑、单晶或多晶炉配套；

10．大型注塑机的水冷系统。

电业

1.作为汽轮机乏汽冷凝器；

2.与汽轮机的猫爪、主汽门、中联门、水泵座，水泵轴承、风机轴承、发电机、电动机等需冷却的装置或设备配套；

3.变压器的油冷器。

民用商用

1.冷冻厂、食品厂、啤酒厂的氨气冷凝；

2.与高端中央空调系统的水源热泵机组和水冷机组配套等；

3.直接供冷,即当室外空气湿球温度降到某个数值以后,制冷机停止运行,将闭塔的冷却水直接输送到空调器中,作为冷水,消除空调房间的冷、湿负荷[5]。

1．3常用习语、单位和塔的标记

闭塔与开塔相同或者相近的习语有：

温差

——指被冷却流体进口温度

与出口温度

之差，单位是℃或者。

F。

流量

——指被冷却流体的流量，标称单位是t/h或者m3/h，设计计算时要换算为Kg/s。

排热量

——指被冷却流体所放出的热量，标称单位是Kw，设计计算时要换算为w。

排热系数

——随着空气湿球温度的变化，排热能力相对于设计工况变化量的修正系数。

冷幅（逼近度）

——指被冷却流体出口温度

与进口空气湿球温度

之差，单位是℃或者。

F。

淋水密度

——指垂直淋水方向的单位面积上的喷淋水量，单位是t/h.m2或者m3/h.m2，与开塔不同的是，闭塔的淋水是指管外喷淋水，而开塔的淋水就是被冷却水。

迎面风速

——指塔内进入换热器部位的平均风速，为总风量除以换热器总迎风面积，单位是m/s。

该风速小于换热器管束间的实际风速。

进风面数

——指空气进入塔体的方向数。

逆流塔通常分四面进风、两面进风，个别还有多面进风；横流塔通常分双面进风、单面进风。

气水比

——指被冷却流体的重量流量与进塔空气的重量流量比。

闭塔所特有的习语有：

淋水量

——指管外喷淋水的流量，单位是t/h或者m3/h。

淋水逼近度

——指淋水最低温度

与进口空气湿球温度

之差，单位是℃或者。

F。

间壁换热温差

——指相同位置管内被冷却流体的温度

与管外喷淋水温度

之差，单位是℃或者。

F。

淋水气水比

——指喷淋水的重量流量与进塔空气的重量流量比。

由于闭塔的核心部件是间壁式换热器，用于冷却水时，往往采用内外都是光管的管束，对其结构描述延用管式换热器的习语，这些是开塔所没有的：

管程数ns——指流体在管束中折返的次数。

同程管排数nr——指每程中与流体总流向相同方向的管排数。

同程管列数nl——指每程中与流体总流向垂直方向的管列数。

排距sr——指两排管的中心距，单位用mm。

列距sl——指两列管的中心距，单位用mm。

程距s——指两管程的中心距离，单位用mm。

如图1所示，就是一个4程的管式换热器，程距为s，管长为L。

由于流体总流向为从上到下，所以每程为3排，排距为sr。

如果管束为如图1（a）所示的排列，称为顺排，则同程管列数为6列，列距为sl；如果管束为如图1（b）所示的排列，称为错排，则同程管列数为6列\5列，列距为sl。

图1换热器管排方式示例

本书建议在闭塔中用以下方式具体表示换热器的参数：

φ管径×壁厚×管长-所用材料-排列方式-每程列数/列距×每程排数/排距×程数/程距

如φ16×0.5×1632-T3Cu-▽-50\49/32×2/27.71×4/55.42表示:

用直径为16mm、壁厚为0.5mm、管长为1632mm的T3牌号紫铜管,正三角形错排组成换热器,分4程,程距为55.42mm,每程2排,上排50列,下排49列，其中列距32mm，排距27.71。

如φ25×2×1025-1Gr18Ni9Ti-□-40/50×1/80×6/80表示:

用直径为25mm、壁厚为2mm、管长为1025mm的不锈钢管,顺排组成换热器,分12程,程距为80mm,每程1排40列，其中排距为80mm,列距为50mm。

单位宽度上的淋水量

——在闭塔的换热器设计中反映淋水量的一个特征数，是将淋水量平均分配到管束的水平投影边上，单位是Kg/（m.h）。

矩形顺排时（如图1a），

，式中

的单位为Kg/h；

三角形错排时（如图1b），

，式中

的单位为Kg/h；

为了使水很好地湿润传热管的表面，一般

以上[2]，最小的水流量推荐值[3]是Γ/d0值为2880kg/（m2.h）。

另外，闭塔比开塔更多用“冷吨”来标识塔的型号。

特别需要注意的是，在制冷系统中，针对制冷机和冷却塔定义的冷吨有联系，但不一样，前者是制冷量冷吨，后者是散热量冷吨，在对象明确不致混淆的前提下，都称“冷吨”。

对制冷机的制冷量冷吨，也称冷冻吨，公制定义的1冷吨就是1吨0℃的饱和水在24小时冷冻到0℃的冰所需要的制冷量，按冰的熔化热为333.59KJ/Kg计，公制的1RT（冷吨）＝3320kcal/h＝3.861kw，业内也称日本冷吨；英制定义的1冷吨则是2000Lb（磅）32。

F的饱和水在24小时冷冻到32。

F的冰所需要的制冷量，按冰的熔化热144Btu/Lb计（Btu是英制热量单位，定义为1Lb的水温度升高1。

F所需的热量，则1Btu=252cal=1055.06J，而1Lb=0.453592Kg，故144Btu/Lb=334.95KJ/Kg），所以英制的1RT＝3024kcal/h＝3.517kw，业内也称美国冷吨；另外还有英国冷吨，1英国冷吨＝3373kcal/h＝3.923kw，1新英国冷吨=3590kcal/h=4.175kw。

由于在制冷循环中，通过冷却塔放出的热量，除了制冷量外，还有压缩机的功耗，所以对冷却塔的散热量冷吨，公制定义为：

1CRT——在空气的湿球温度为27℃时，将13LPM（升/分,即0.78m3/h）的纯水从37℃冷却到32℃，为1冷吨，其散热量为4.515Kw。

英制定义为：

1usTon——在空气的湿球温度为78。

F时，将3gpm （美国加仑/分，即0.68137m3/h）的纯水从95。

F冷却到85。

F，为1英制冷吨,其散热量为4.392Kw。

在我国，目前还没有关于闭塔的国家标准，对闭式冷水塔，用冷吨标记时，标准设计工况通常是37℃/32℃/27℃；用水吨（即流量）标识时，标准设计工况通常是37℃/32℃/28℃或者43℃/33℃/28℃。

以上空气干球温度均为31.5℃，大气压力9.94×104Pa。

用冷吨标识与用水吨标识，两者在变工况时的排热系数是不一致的。

对取其它设计工况的产品，必须换算到标准设计工况，并在样本或产品说明书中，按标准设计工况标记冷吨或者被冷却水的流量。

1．4结构和种类

闭塔早期的形式如图2，其所用的间壁式换热器是水平管束形式，被冷却流体在管内上进下出，即流程从上到下。

整塔的布置从上到下依次是风机、收水器、淋水管网、传热管束、进风窗和蓄水池。

循环喷淋水被淋水泵从蓄水池中抽到淋水管网内，再经喷头喷淋到传热管束上，其中一部分蒸发，剩余部分靠自重流回到蓄水池；同时空气从进风窗吸入，经过淋水的雨区，自下而上穿过传热管束，与管壁外的淋水进行热质交换，再在收水器中分离所携带的小水珠后，由风机抽出塔体，扩散到周围大气中。

与传统的机械通风逆流式冷却塔相比，该款闭塔所不同的是将填料换成了管束，所以也认为是逆流式闭塔。

另外从换热管束布置的形式区分，该款形式也称为卧式；相对应地，传热管垂直布置的称为立式，同时喷淋水是横向喷淋到传热管束上的，但立式目前不常见。

闭塔的换热模型有两个过程，一是管内流体被管外喷淋水冷却，换热驱动力为温差，管的作用为间壁式换热器；二是喷淋水与空气换热，换热驱动力为空气中水蒸汽的分压差，管外壁的作用相当于开塔的填料。

需要多少管数，取决于管表面上所形成的喷淋水膜向空气的散热与同一面积下管内流体向管外喷淋水传热之间的热量平衡。

对被冷却的流体是水来说，当管内流态为湍流（Re>104）时,管内侧换热的界膜导热系数很大，换热的瓶颈主要在管外侧水气的热质交换上，因此纯管形式的管数不少为管外侧水膜的蒸发面积所需。

如用填料部分替代这些管面积，即在喷淋水循环过程中加入一个喷淋水在填料中的预冷却过程，可使所需管数大为减少[6，7]，从而有效地节省了塔的成本，突破了闭塔价格居高不下的局面，在系统的综合技术经济性上增强了闭塔相对于开塔的优势。

当被冷却流体的进出口温差不大，而且出口温度与空气的湿球温度也比较接近时，采用预冷却的效果更为明显，因为这时管内外温差小成为影响换热的主要因素，预冷却的实质是通过扩大管外蒸发面积以降低喷淋水温度，从而增加管内外温差。

表1是针对40冷吨标准逆流闭塔，根据资料[2]计算的纯管形式的设计数据与一个采用预冷却的实塔的实验数据的比较，由于实验采用的是新管，所以与之相比较的计算也不计污垢热阻，从其对比可见后者的风量有所加大，但单位宽度上的淋水量和管面积都大幅减小,并且可以预见,能耗也有较大下降。

值得指出的是，闭塔采用预冷却时,之所以通常用PVC填料而不用金属外翅片，除后者成本高、工艺复杂外，主要还是后者对结垢问题难以处理；另外空冷器中外翅片的作用是通过管壁导热再与空气对流换热直接参与散热的，而闭塔中填料的作用是通过喷淋水在传热管上得热再在填料表面与空气对流换热与蒸发冷却的复合过程间接参与散热的，两者机理不同,所以不能将闭塔的预冷却与空冷器中采用翅片管混为一谈。

现在越来越多的闭塔都采用了预冷却技术，从而在塔的结构形式上形成了百花齐放的局面。

表140冷吨标准逆流闭塔不同设计方案的比较

设计条件

管束布置

比较

项目

所需

管面积

管程

填料

体积

迎面

风速

管内

流速

单位宽度上的淋水量

备注

在1大气压下,空气的干/湿球温度为31.5℃/27℃时，将31.2t/h的水从37℃冷却到32℃

采用φ16mm×0.5mm的紫铜管,管距32mm,每程2排,正三角错排布置

m2

\

m3

m/s

m/s

Kg/（m.h）

纯管方案

66.5

14

0

2.1

0.91

260

计算

有预冷却

39.3

8

2.4

2.6

0.91

135

实验

下面介绍几种目前市场上常见的及新开发的塔型：

一、逆流类：

1、纯盘管逆流：

如图3所示，在结构形式上与早期的闭塔基本一致，所不同的是采用了轴流风机，管束基本都是错排，有盘管形式，也有直管丝堵形式，管形有圆管和椭圆管等，管长较长时，采用多风机并联，而且整塔多为全金属制造。

这类塔的有些塔型还将两股被冷却流体引到同一塔内的两组盘管内冷却，管内流体各走各的路，而管外喷淋水与气流都分别先后通过这两组盘管，图4就是一个典型的中频熔炼炉水系统布置简图，电源水与炉体水同时分开冷却。

益美高、铭光、金鑫……等企业有生产这种类型的塔。

图3纯盘管逆流形式闭塔

图4典型的中频熔炼炉水系统布置简图

2、带填料逆流：

图5带填料逆流闭塔形式之一

图5是本章作者等人早期发明的一种专利形式【6】；图6是在换热器的程与程之间放置填料，填料与换热器在空气和淋水侧呈串联状态，金菱、舜风……等企业有生产这种类型的塔；图7是在换热器列与列之间放置填料，填料与换热器在空气与淋水侧呈耦合状态，是上海理工大学与浙江金菱联合研制的新品，目前已申报专利【9，10】。

以上这些塔的结构多是金属框架和FRP的面板、风筒、集水盘。

图6带填料逆流闭塔形式之二

图7带填料逆流闭塔形式之三

二、横流类：

1、纯盘管横流：

如图8所示，仅将横流开塔的填料换成管束，该形式不常见。

图8纯盘管横流闭塔

2、带填料横流：

图9是在横流开塔的填料下放置管束；图10是在换热管束的列与列（在横流形式中也称层）间放置填料；图11和图12分别是几层盘管间隔一层横流填料的情形和一层盘管间隔一层横流填料的情形。

马利、空研、金日、廷亚、金菱、舜风、良机、荏原……等企业有生产这种类型的塔。

以上这些塔的结构多是金属框架、FRP的风筒和集水盘，面板采用PVC扣板或者FRP材料，大多数产品的管束布置使其与空气的走向成叉流，也有个别产品空气的流向顺着管长方向。

图10带填料横流闭塔形式之二

图11几层盘管间隔一层横流填料的情形

图12一层盘管间隔一层横流填料的情形

三、混流类：

图13所示的闭塔，上部为换热器，下部是横流填料，有两个进风口，分别进风，淋水先经过换热器，再经过填料，并通过淋水泵在塔内循环。

对换热器，淋水和空气都从其顶部进入，与管束成叉流，而相对于换热器总的流向，淋水为顺流，空气为顺流与横流的混合；对填料，淋水从上到下，空气从左到右，是典型的横流。

B.A.C.、大连斯频德……等企业生产这一形式的闭塔。

图14所示的闭塔，是在图13所示的闭塔的基础上，在塔顶增加了几排外翅片管束，并在上部右侧面增加了一个可调节的进风口。

其特点是被冷却流体先经过一个空冷器，再进入有淋水的管束，当被冷却流体入口温度较高时，由于先经过空冷器的冷却，所以在有淋水的管束表面不易结垢，同时上部空冷器还有消白烟作用；另外当外部气温很低时，停止淋水，并开启上部右侧面的进风口，整塔当空冷器运行。

目前大连亿斯德生产这一形式的闭塔。

图15所示的闭塔【6】，上部换热器为逆流形式，下部填料为横流形式。

图13带填料混流闭塔形式之一

图14带填料混流闭塔形式之二

图15带填料混流闭塔形式之三