冷却系统设备技术问题及可行性分析

[摘 要]本文就闭式冷却塔代替开式冷却塔的可行性进行了分析。结合经验分别计算了采用开式冷却塔和闭式冷却塔两种系统下的设备费用和运行费用，分析了闭/开式冷却塔的技术性能。通过分析看出，闭式冷却塔经济性，技术性能均优于开式冷却塔。

[关键词]密闭式循环系统； 敞开式循环系统；技术经济性；节水；节电

中图分类号：t5.1 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2014）25-0079-01

敞开式循环系统俗称开式冷却塔，密闭式循环系统俗称闭式冷却塔，两者在工业和民用系统中得到了广泛应用。开塔一般用于水源充足，对水质要求不高的冷却水系统；闭塔则用于对水质要求较高的冷却水系统或是工艺流体介质降温等方面。闭塔近几年在空调设备还是在生产工艺上都有很大的应用，此设备初投资可能比开式塔大，但其降温效果好，主要是省水，节电，设备运转长远效益大。同时它比常规的开塔加集水池加换热器方式投资上差不多，但设备更紧凑，效率更高，更节能环保，因此深受客户青睐。

一、 技术问题分析

密闭式循环系统即冷却水在系统内进行密闭循环热交换，冷却工艺介质升温后的冷却水仍在不与大气直接接触的密闭系统中，经空冷换热设备或水冷换热设备降温以后再供冷却工艺介质循环使用；

敞开式循环系统即冷却水经过工艺热交换设备后水温升高，然后通过冷却塔直接与大气接触，经蒸发冷却作用降低水温，热量散发到周围大气中去，降温后的水，用水泵重新输送至工艺热换设备，如此循环往复。

敞开式循环冷却水是目前工厂应用最普遍的一种冷却水系统，但这种开式循环会产生以下问题：

1.循环水在冷却塔内和空气充分接触，使水中的溶解氧得到补充，所以循环水中溶解氧总是饱和的，水中的溶解氧会造成金属的电化学腐蚀。

2.水在冷却塔中蒸发，使循环水中的含盐量逐渐增加，加上水中co2在冷却塔中解析逸散，使水中caco3在传热面上结垢析出。

3.冷却水和空气接触，吸收空气中的灰尘、泥砂、微生物及其孢子，使系统的污泥增加，冷却塔内的光照、适宜的温度、充足的氧和养分都有利于细菌和藻类的生长，从而使系统粘泥增加，在换热器内沉积下来，造成了粘泥的危害。

这问题会产生沉积物的附着、设备管道的腐蚀穿孔、微生物的大量滋生，造成换热器换热效果下降，能源浪费，过水断面减少，通水能力降低，容易酿成事故。为改善水质，减少上述危害，需对循环水进行水质处理，除氧或投加阻垢剂、缓蚀剂和杀菌剂。

闭式循环冷却水系统克服了敞开式循环系统的弊端，冷却水在密闭系统中循环使用，不与空气直接接触，水质不受污染，具有以下优越性：

1.大大提高了工艺设备的使用寿命。对有关统计资料的分析表明，采用闭式循环系统，运行维护良好的换热设备使用寿命可达7～10年左右，而采用开式循环系统，水质处理和运行维护差的换热设备，运行不到2年即发生结垢堵塞或腐蚀穿孔而报废。

2.闭式循环冷却水系统的新水补充量仅为敞开式冷却水系统的20%，减少了对水资源的消耗，节水效果显著。

3.闭式循环冷却水系统易于实现冷却水的恒温控制，有利于工艺设备的操作。

二、解决办法

1水垢的控制

循环水系统中最易生成的是碳酸钙，水垢控制即是防止碳酸钙的析出，一般采用以下几类法：

（1）从补充冷却水中除去成垢的钙、镁离子。目前常用的软化方法有两种：一是离子交换树脂法，该法适于补充水量小的循环水系统用；二是石灰软化法，即投加石灰。该方法成本低，适于原水（尤其是暂时硬度大的结垢型原水）钙含量高，补充水量较大的循环冷却水系统。

（2）加酸或通入co2气体，低ph值稳定重碳酸盐。使下列平衡左移。

（3）投加阻垢剂：在循环水中投加阻垢剂，破坏的结晶增长过程，以达到控制水垢形成的目的。目前常用的阻垢剂有聚磷酸盐、有机多酸盐、有聚磷酸盐、聚丙烯酸盐等。

2悬浮物的控制

（1）对循环水进行预处理

清洗和预膜工作被称为循环水系统化学处理的预处理。对于新系统，主要是清除设备和管道中的碎屑、杂物和尘土以及冷却设备的锈蚀和油污，以便提高预膜效果，减少腐蚀和结垢。对于老系统，主要是清除冷却设备中的垢、黏泥和金属腐蚀产物。循环水系统的预膜是为了提高缓蚀剂的成膜效果

，常在循环水系统开车初期投加较高的缓蚀剂量，待成膜后再降低药剂浓度维持补膜。

（2）增大浓缩倍数

在敞开式循环冷却水系统，由于蒸发、风吹，系统中的一部分不含盐分的水会损失掉，导致系统循环水中的各种矿物质和离子浓度越来越大。为了使循环水中的含盐量维持在一定的范围，必须不断地补充新鲜水，排出浓缩水。提高循环冷却水浓缩倍率的途径主要有水质稳定剂处理法、加酸降碱度法、旁流过滤法、补充水石灰处理法、补充水弱酸阳床处理法和补充水反渗透膜法。

（3）投加分散剂

将粘合在一起的泥团杂质等分散成微粒悬浮于水中，随水流流动而不沉积，从而减少污垢对传热的影响，部分悬浮物还可随排污排出。

（4）增加旁滤设备

旁滤水处理目的是保持循环水水质，使循环水系统在满足浓缩倍数条件下有效和经济地运行。循环冷却水处理系统设计中有下列情况时，应考虑设置旁滤水处理设施：设定的浓缩倍数超过允许指标；存在外界污染（如空气中飘尘）；工艺物料泄漏及其他污染物；需要去除下列杂质的一项或几项的：悬浮物、生物粘泥；含其它有害污染物质和油类污物等。

3循环冷却水系统金属腐蚀的控制

循环冷却水系统金属腐蚀的控制方法常用的有以下四种：

（1）添加缓蚀剂

缓蚀剂是一种用于腐蚀介质中抑制金属腐蚀的添加剂，不改变腐蚀介质的性质，不需特殊投加设备和对设备表面进行处理，因此使用缓蚀剂是一种经济效益高且适应性较强的金属防护措施。缓蚀剂的作用机理主要有钝化作用和吸附成膜作用两种。钝化作用是指改变金属表面元素的结构及化学性质，从而起到保护作用。吸附成膜是利用缓蚀剂和金属之间的吸附作用，使其沉积在金属表面，形成一层保护膜，阻止腐蚀性介质和金属表面的接触，降低腐蚀速率。

（2）提高循环水的ph值

提高循环水的ph值是使金属表面生成氧化性保护膜的倾向增大且易于钝化，从而控制设备腐蚀。但提高循环水的ph值后，循环水水垢倾向增大、设备腐蚀速度下降，以及导致某些缓蚀剂失效。目前可通过添加专门为碱性冷却水处理开发的复合缓蚀剂来解决。

（3）选用耐腐蚀材料的换热器

比如聚丙烯换热器或石墨改性聚丙烯换热器，但由于换热效果差，很少使用。

（4）用防腐涂料涂覆，通过防腐涂料的屏蔽、缓蚀、阴极保护及ph值缓冲作用来保护设备不受腐蚀。

（5）杜绝设备泄漏，避免氨对冷却水的污染

4循环冷却水系统微生物的控制

微生物大量繁殖会产生微生物黏泥沉积在换热器管的表面，从而降低工厂产量。流体流动可以供给微生物养分，并移走产生的废物。增加流速可使紧靠生物黏泥的流体层流底层变薄，从而使养分的传递速率及废物的移出速率增大，使生物黏泥增厚。综合考虑流速对腐蚀结垢的影响，循环水的流速宜选择在1.0m/s，此时的瞬时污垢热阻值、沉积率、垢层厚度达到最低值。温度对生物膜的生长也具有很大影响。对循环水系统中的微生物引起的腐蚀、粘泥的控制方法有：选用耐腐蚀设备；控制循环水中的含氧量、ph值、悬浮物和微生物养料等指标；在防腐涂料中添加杀生剂，抑制微生物的生长；采取冷却水水池加盖等措施，防止阳光照射；设置旁流过滤设备；对补充水进行混凝沉淀预处理，以及颇有前途的噬菌体法等。

三、经济分析：

以100m3/h循环用水量为例，闭式循环系统与开式循环系统的技术经济指标对比如下：

四、结论

通过上述证明无论是在技术性能，还是在经济投入方面，闭式冷却塔均优于开式冷却塔。随着工艺的不断改进，闭式冷却塔以其优越的性能逐步代替开式冷却塔。