冷卻塔1前言

我國加入WTO已經指日可待面對激烈的國際競争冷卻塔行業能否守住國内市場的半壁江山抑或反而能沖出中國走向世界是業界普遍關心的問題WTO對中國的冷卻塔行業意味着什麼作者認為既是挑戰又有機遇關鍵要有得當的應對措施從我國節能節水的需求和冷卻塔生産的現狀出發結合工程實踐經驗和市場調研從設計者的角度在冷卻塔的性能材料結構和産品類型等多個方面圍繞技術水平和發展趨勢進行以下論述

2各類冷卻塔的技術特點和市場前景

冷卻塔是用空氣冷卻水的裝置廣泛應用于冶金石油化工動力紡織等行業并且又從工業拓展到民用如應用于大樓中央空調系統等據估計我國目前工業需水量約為1067億m3其中用水綜合重複率為56%到2010年需水量則約為1560億m3而用水綜合重複率達到67%[1]要達到這個目标就需要大量的冷卻塔特别是大型塔因為在工業生産中約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污染靠冷卻塔降溫後即可循環利用因此提高冷卻水的循環率自然成為節約工業用水的重點美國工業用水的循環率達92%~95%[3]代表世界先進水平我國與之差距甚大因而冷卻塔的潛在市場不小另外随着人民生活水平的提高和節能的需要中央空調系統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幹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潛熱效果比空氣與水通過管壁熱交換的幹式塔好冷卻溫度低但水質難保證前者也叫開式塔後者則是一種閉式塔在幹式冷卻塔管外另外加水噴淋即将水冷式冷卻器與濕式冷卻塔性能相結合時下常稱為密閉式冷卻塔它源于工業用的蒸發冷卻器既有較好的冷卻效果又保證了冷卻水的水質是目前發展較快的一種塔型從通風角度看采用自然通風的稱為風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合在一起入關後不會作為單一設備構成競争有關技術問題國際上有專題會議[4]本文不作讨論采用機械通風的根據氣水流向的不同又有逆流橫流斜流等區分這類塔是今後冷卻塔行業競争的重點也是本文主要要讨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約用水盡量減少工業廢水的排放防止熱污染而這些問題又都是當前基本建設和運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水的效能而由于泵或風機的存在還有個節能問題[5]因此冷卻塔可以說是一個與環保節水和節能等多個問題相關的産品

3冷卻塔的發展和存在的問題

冷卻塔熱力特性的理論研究開始于20世紀的20年代焓差熱力特性方程及壓差法和各種經驗公式延用至今麥克爾方程式的解題方法有所改進以辛普遜積分法求解交換數方程最為簡單但發展尚未完善尤其是密閉式冷卻塔更是半經驗性的在玻璃鋼(FRP)廣泛應用于冷卻塔之前冷卻塔多為水泥或木結構笨重粗大冷卻效率也不高國外于60年代開發FRP冷卻塔主要有美日前西德英法瑞士前蘇聯和羅馬尼亞等國我國的台灣省和香港在1966年先後引進技術開始生産FRP冷卻塔大陸于1973年由上海醫藥工業研究院等單位共同設計和研制了第一台FRP冷卻塔之後我國在機械通風濕式塔方面發展非常迅速形成了多品種多型号系列制訂了國家标準并于1997年重新修訂中小型FRP塔依據GB7190.11997大型塔依據GB7190.21997一些地方還制定了地方标準如上海質量技術監督局發布的DB31/204-1997冷卻塔及其系統運行管理标準中小型塔單塔處理水量在1000t×h-1以下已形成标準系列單就1986年一年之中光FRP冷卻塔大大小小就有18000台投放市場約占玻璃鋼總産的1/4[3]生産廠家遍布全國性能不斷提高電耗和噪聲也不斷降低對我國節水起到了很大作用大型塔從國外看美國瑪利公司的影響最大其子公司遍布世界各地在我國也有子公司年銷售額相當大如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争力國内目前有一些合資工廠如瑪利金日良機等除此之外絕大多數是鄉鎮企業雖然現在有一些鄉鎮企業也已有相當規模但整體競争能力不強至于中小型塔由于價格因素目前國内産品所占的市場份額倒不小可研究開發與國外專業廠相比相差較遠入關後随着大環境的改變競争能力會有所下降從技術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不到設計要求設計的技術經濟性不好所配用的風機氣動性能欠佳增加了運行費用

(2)結構穩定性差振動嚴重構件抗腐措施不力腐蝕嚴重

(3)FRP生産工藝技術落後不注意原材料質量和合理選材模具質量較差據

統計[3]1989年采用手糊(含噴射)工藝生産冷卻塔玻璃鋼件的産量占總産量的85%故而質量控制的難度較大綜上所述在濕式冷卻塔方面WTO對冷卻塔行業的挑戰是嚴峻的密閉式冷卻塔在國内發展不到十年并且由于價格高管外因噴淋水蒸發積垢等經濟技術原因發展一度緩慢密閉式冷卻塔在國外發展的時間也不長但工藝水平相對要好一些近兩年來随着需求的增長和國外産品通過進口合資等介入的帶動密閉式冷卻塔才有長足發展一個明顯的标志是生産廠由原來的3~4家發展到現在的20~30家另一個标志是由冷卻塔廠兼做密閉式冷卻塔發展為密閉式冷卻塔生産的專業化其中合資企業有5~6家另有3~4種全進口産品在國内應用導緻密閉式冷卻塔需求增長的原因是由于生産的發展技術要求的提高采用開式塔的水質達不到工藝要求而幹式塔有時又達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的空調機組其冷凝器多為管殼式的對冷卻水的水質要求不高冷卻塔多配用開式的而随着環保節能要求的提高溴化锂吸收式制冷空調應用逐漸增多其冷卻器從發展趨勢來看多采用緊湊式換熱器對冷卻水的水質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目還有密閉式冷卻塔可與水源熱泵水冷式恒溫恒濕空調水冷式空壓機電爐等配套在環境較差的地方與中央空調配套等或直接用于冷卻工藝流體(不過這類應用有時還有管内積垢的嚴重問題此外推動密閉式冷卻塔發展還有生産商方面的原因就是其利潤較高總的說來密閉式冷卻塔在國内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應用但潛在的行業與用戶還很多比較有市場前景提高熱力設計水平降低成本和減少積垢直至自動清垢以及開發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問題在密閉式冷卻塔方面國外産品的技術優勢并不大在我國的影響也有限國内企

業如果盡快與科研單位和高校聯合攻關推出高技術高質量産品再利用國内産品的價格優勢不僅可以占領國内市場而且沖出中國走向世界也是可能的這就是WTO給國内冷卻塔行業帶來的新機遇

4為參與國際競争在冷卻塔研究和技改中的幾個熱點問題

面臨挑戰和機遇提高産品的技術含金量是增強競争力的主要手段冷卻塔從原理上看是個十分典型的傳熱傳質問題而過去開發冷卻塔主要有三股力量一是用戶需求自行開發如一些化工設計單位因為化工上要用許多冷卻塔且他們對傳質方面的研究還有一定優勢二是搞玻璃鋼材料的作為材料的應用開發如東方長江等玻璃鋼公司三是搞風機的作為風機的應用開發如原機械部第四設計研究院而從事傳熱傳質的研究者對冷卻塔特别是密閉式冷卻塔的研究和開發尚未深入關于冷卻塔的傳熱傳質研究需進行以下幾個方面的工作

(1)基于傳熱傳質機理的熱力計算理論研究目前提供的計算方法其結果與實驗結果差别還比較大特别象密閉式冷卻塔更是半經驗性的問題出在建模的合理性和假設條件與實際的差别上如密閉塔計算中将工質進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算中由于焓i不是水溫t的直接函數冷卻數N隻能近似計算這就存有一個計算最優化問題因此結合冷卻塔内傳熱傳質工作過程的熱力計算進行理論研究是很有必要的

(2)在實驗研究方面目前填料中容積散質系數XVb和冷卻數N的實驗數據由于實驗範圍較窄由此得出的關系式局限性較大影響了設計的正确性開展冷卻塔性能的系列實驗含填料實驗與整塔實驗間差異的評估等研究是一項開發産品的基礎性的不可缺少的工作

(3)在強化傳熱和熱質交換最佳耦合研究方面如改進管型和管排結構獲得噴淋水量風量及噴淋水溫三者間的最佳匹配以期提高塔的技術經濟性都有可研究和實踐之處

(4)加強一些新的冷卻工藝的傳熱傳質機理的研究使之實用化如進水溶氣[6]低真空蒸發回收熱能以消除大氣熱污染等另外在結構設計和部件研制方面增強噴嘴布水的均勻性降低風機的噪聲減少壁流和飄水減輕甚至消除構架的腐蝕以及采用輕結構提高FRP件的質量塔外觀的美化設計(對用于建築中央空調系統的冷卻塔如何在外觀上與建築風格協調的問題尤為重要)等等也是冷卻塔設計生産中需要改進的當然其中不少問題可以綜合多學科攻關比如在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]減少手糊工件會顯著提高FRP件的質量同時提高生産效率和改善生産環境再比如采用全FRP的輕型抗腐蝕結構是濕式普通塔發展的一個方向但

有許多力學問題和工藝問題需要解決[8]又比如将三元流動理論應用于冷卻塔風機的機翼型葉片的設計中發展大直徑低轉速低噪聲風機并在運行中采用變頻技術[9]對節能和環保都有重要意義況且我國在這方面的研究處于世界領先地位是很有競争力的對消除飄水的研究國外在1979年進行了可行性讨論[10]提出了零飄水的概念1989年有個進展報告[11]在節水環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内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布水器以改變布水器出水射流方向但對大中型塔尚需進一步努力攻關再有冷卻塔設計選型報價成本管理等的計算機化是與國際接軌的重要步驟我國在這方面也有大量的工作要做由于對密閉式冷卻塔市場的争奪是未來二至三年中的熱點因此有效解決密閉式冷卻塔應用中的若幹問題尤為關鍵一般認為冷卻60~80的流體時采用蒸發冷卻器比空冷式熱交換器有利[13]因為它利用了管外側水的蒸發潛熱具有比空冷式熱交換器傳熱面積少的優點隻有管外壁容易結垢而影響冷卻效果但對被冷卻工質在50以下的情況來說結垢問題并不嚴重[14]而且可以嫁接國内外各種除垢新技術對蒸發冷卻器的設計[13,15]國内外研究已較多目前密閉式冷卻塔是在此基礎上進行設計計算的[16]但按常規的設計方法所需的盤管換熱面積較大塔體笨重造價昂貴尚有待改進在密閉式冷卻塔中熱從管内的工藝流體經管壁傳給管外流動的水再從水傳給空氣而水向空氣的傳熱是由水蒸發的潛熱和水與空氣的顯熱交換組成的被冷卻工質的進出口溫度和流量及大氣幹濕球溫度大氣壓等設計參數風量噴淋水量淋水密

度噴淋水水溫盤管的尺寸和内外形狀及布置形式管程數(管内流速)空氣和工藝流體及噴淋水三者間的流向關系等對塔的設計都有影響而且在某些結構形式中不少因素是相互制約的設計優化的目标在于确定當工藝流體所需釋放的熱量全部被空氣帶走時出塔的空氣恰好達到飽和而所花的代價(将制造成本與運行成本綜合考慮)為最小基于上述目标以下優化措施是有效的

(1)側重于管外側強化傳熱包括采用翅片管[17]适當增大管内流速和采用小管徑并着眼于管徑與塔的技術經濟性的匹配

(2)對一般的密閉式冷卻塔來說應盡量選用鍍鋅鋼管以降低設備成本

(3)過去對密閉式冷卻塔的設計都建立在twi=two的邊界條件上即由于噴淋水是循環的所以盤管區入口的噴淋水溫度twi等于盤管區出口處的噴淋水溫度two鑒于噴淋水的溫度對傳熱面積有很大的影響在噴淋水循環過程中加入一個噴淋水的預冷卻過程将大大減少盤管長度雖然預冷卻過程增加了一些填料風量也會增大但總的成本将有所降低[18]對工藝流體溫度較高的冷卻塔來說這是一個有前途的優化措施國内外也有了若幹基于這一原理的各種塔型其中一些塔型已取得中國實用新型獨特[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高對填料區來說由于冷幅較小會使所需填料體積很大往往得不償失所以不适合采用預冷卻

5結論

我國的冷卻塔行業面對中國入關的臨近為了參與國際競争應進行大範圍的組合和調整包括組建産學研相結合的大集團加快技術投入和産品研發強化傳熱傳質研究改進FRP工藝和結構形式優化密閉式冷卻塔設計并盡快搶占該塔型市場份額在計算機輔助設計方面盡快與國際接軌

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