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国内冷却塔研究与开发中的主要问题探讨
2015-06-29 10:34:56|点击次数:


冷却塔1前言

我国加入WTO已经指日可待面对激烈的国际竞争冷却塔行业能否守住国内市场的半壁江山抑或反而能冲出中国走向世界是业界普遍关心的问题WTO对中国的冷却塔行业意味着什么作者认为既是挑战又有机遇关键要有得当的应对措施从我国节能节水的需求和冷却塔生产的现状出发结合工程实践经验和市场调研从设计者的角度在冷却塔的性能材料结构和产品类型等多个方面围绕技术水平和发展趋势进行以下论述

2各类冷却塔的技术特点和市场前景

冷却塔是用空气冷却水的装置广泛应用于冶金石油化工动力纺织等行业并且又从工业拓展到民用如应用于大楼中央空调系统等据估计我国目前工业需水量约为1067亿m3其中用水综合重复率为56%到2010年需水量则约为1560亿m3而用水综合重复率达到67%[1]要达到这个目标就需要大量的冷却塔特别是大型塔因为在工业生产中约70%~80%的用水是冷却水而冷却水中的70%~80%又是间接冷却水[2]由于这部分水无其他水质污染靠冷却塔降温后即可循环利用因此提高冷却水的循环率自然成为节约工业用水的重点美国工业用水的循环率达92%~95%[3]代表世界先进水平我国与之差距甚大因而冷却塔的潜在市场不小另外随着人民生活水平的提高和节能的需要中央空调系统迅速增加又需要大量中小型冷却塔加之旧塔的淘汰更新其需求量十分可观冷却塔有湿式干式之分湿式是水与空气直接接触由于利用了水本身的蒸发潜热效果比空气与水通过管壁热交换的干式塔好冷却温度低但水质难保证前者也叫开式塔后者则是一种闭式塔在干式冷却塔管外另外加水喷淋即将水冷式冷却器与湿式冷却塔性能相结合时下常称为闭式冷却塔它源于工业用的蒸发冷却器既有较好的冷却效果又保证了冷却水的水质是目前发展较快的一种塔型从通风角度看采用自然通风的称为风筒式冷却塔这类塔多为大型塔往往与电厂化工等大工程的土建结合在一起入关后不会作为单一设备构成竞争有关技术问题国际上有专题会议[4]本文不作讨论采用机械通风的根据气水流向的不同又有逆流横流斜流等区分这类塔是今后冷却塔行业竞争的重点也是本文主要要讨论的另外还有利用射流卷吸冷空气的喷射式冷却塔等尽管冷却塔种类繁多并在不断推陈出新但其作用都是节约用水尽量减少工业废水的排放防止热污染而这些问题又都是当前基本建设和运行管理中迫切需要解决的重要问题任何冷却塔冷却效率的高低决定了节水的效能而由于泵或风机的存在还有个节能问题[5]因此冷却塔可以说是一个与环保节水和节能等多个问题相关的产品

3冷却塔的发展和存在的问题

冷却塔热力特性的理论研究开始于20世纪的20年代焓差热力特性方程及压差法和各种经验公式延用至今麦克尔方程式的解题方法有所改进以辛普逊积分法求解交换数方程最为简单但发展尚未完善尤其是闭式冷却塔更是半经验性的在玻璃钢(FRP)广泛应用于冷却塔之前冷却塔多为水泥或木结构笨重粗大冷却效率也不高国外于60年代开发FRP冷却塔主要有美日前西德英法瑞士前苏联和罗马尼亚等国我国的台湾省和香港在1966年先后引进技术开始生产FRP冷却塔大陆于1973年由上海医药工业研究院等单位共同设计和研制了第一台FRP冷却塔之后我国在机械通风湿式塔方面发展非常迅速形成了多品种多型号系列制订了国家标准并于1997年重新修订中小型FRP塔依据GB7190.11997大型塔依据GB7190.21997一些地方还制定了地方标准如上海质量技术监督局发布的DB31/204-1997冷却塔及其系统运行管理标准中小型塔单塔处理水量在1000t×h-1以下已形成标准系列单就1986年一年之中光FRP冷却塔大大小小就有18000台投放市场约占玻璃钢总产的1/4[3]生产厂家遍布全国性能不断提高电耗和噪声也不断降低对我国节水起到了很大作用大型塔从国外看美国玛利公司的影响最大其子公司遍布世界各地在我国也有子公司年销售额相当大如4000t×h-15温差的方型逆流塔由于它与同样热力性能的横流塔相比占地面积差不多但材料消耗量少在大塔中最具有竞争力国内目前有一些合资工厂如玛利金日良机等除此之外绝大多数是乡镇企业虽然现在有一些乡镇企业也已有相当规模但整体竞争能力不强至于中小型塔由于价格因素目前国内产品所占的市场份额倒不小可研究开发与国外专业厂相比相差较远入关后随着大环境的改变竞争能力会有所下降从技术上看冷却塔目前尚存在有以下主要问题

(1)大型塔的热力性能较差达不到设计要求设计的技术经济性不好所配用的风机气动性能欠佳增加了运行费用

(2)结构稳定性差振动严重构件抗腐措施不力腐蚀严重

(3)FRP生产工艺技术落后不注意原材料质量和合理选材模具质量较差据

统计[3]1989年采用手糊(含喷射)工艺生产冷却塔玻璃钢件的产量占总产量的85%故而质量控制的难度较大综上所述在湿式冷却塔方面WTO对冷却塔行业的挑战是严峻的闭式冷却塔在国内发展不到十年并且由于价格高管外因喷淋水蒸发积垢等经济技术原因发展一度缓慢闭式冷却塔在国外发展的时间也不长但工艺水平相对要好一些近两年来随着需求的增长和国外产品通过进口合资等介入的带动闭式冷却塔才有长足发展一个明显的标志是生产厂由原来的3~4家发展到现在的20~30家另一个标志是由冷却塔厂兼做闭式冷却塔发展为闭式冷却塔生产的专业化其中合资企业有5~6家另有3~4种全进口产品在国内应用导致闭式冷却塔需求增长的原因是由于生产的发展技术要求的提高采用开式塔的水质达不到工艺要求而干式塔有时又达不到冷却要求所以闭式冷却塔成了不得不的选择如采用压缩式制冷机的空调机组其冷凝器多为管壳式的对冷却水的水质要求不高冷却塔多配用开式的而随着环保节能要求的提高溴化锂吸收式制冷空调应用逐渐增多其冷却器从发展趋势来看多采用紧凑式换热器对冷却水的水质就有较高要求所以不少选用了闭式冷却塔如宝钢三期电厂项目还有闭式冷却塔可与水源热泵水冷式恒温恒湿空调水冷式空压机电炉等配套在环境较差的地方与中央空调配套等或直接用于冷却工艺流体(不过这类应用有时还有管内积垢的严重问题此外推动闭式冷却塔发展还有生产商方面的原因就是其利润较高总的说来闭式冷却塔在国内还处在起步阶段目前仅限于电子电厂铸造食品化工等行业应用但潜在的行业与用户还很多比较有市场前景提高热力设计水平降低成本和减少积垢直至自动清垢以及开发大流量低压头的配套水泵都是闭式冷却塔目前急于解决的技术问题在闭式冷却塔方面国外产品的技术优势并不大在我国的影响也有限国内企

业如果尽快与科研单位和高校联合攻关推出高技术高质量产品再利用国内产品的价格优势不仅可以占领国内市场而且冲出中国走向世界也是可能的这就是WTO给国内冷却塔行业带来的新机遇

4为参与国际竞争在冷却塔研究和技改中的几个热点问题

面临挑战和机遇提高产品的技术含金量是增强竞争力的主要手段冷却塔从原理上看是个十分典型的传热传质问题而过去开发冷却塔主要有三股力量一是用户需求自行开发如一些化工设计单位因为化工上要用许多冷却塔且他们对传质方面的研究还有一定优势二是搞玻璃钢材料的作为材料的应用开发如东方长江等玻璃钢公司三是搞风机的作为风机的应用开发如原机械部第四设计研究院而从事传热传质的研究者对冷却塔特别是闭式冷却塔的研究和开发尚未深入关于冷却塔的传热传质研究需进行以下几个方面的工作

(1)基于传热传质机理的热力计算理论研究目前提供的计算方法其结果与实验结果差别还比较大特别象闭式冷却塔更是半经验性的问题出在建模的合理性和假设条件与实际的差别上如密闭塔计算中将工质进出口温度的平均值作为定性值带来较大偏差又如逆流塔的焓差法计算中由于焓i不是水温t的直接函数冷却数N只能近似计算这就存有一个计算最优化问题因此结合冷却塔内传热传质工作过程的热力计算进行理论研究是很有必要的

(2)在实验研究方面目前填料中容积散质系数XVb和冷却数N的实验数据由于实验范围较窄由此得出的关系式局限性较大影响了设计的正确性开展冷却塔性能的系列实验含填料实验与整塔实验间差异的评估等研究是一项开发产品的基础性的不可缺少的工作

(3)在强化传热和热质交换最佳耦合研究方面如改进管型和管排结构获得喷淋水量风量及喷淋水温三者间的最佳匹配以期提高塔的技术经济性都有可研究和实践之处

(4)加强一些新的冷却工艺的传热传质机理的研究使之实用化如进水溶气[6]低真空蒸发回收热能以消除大气热污染等另外在结构设计和部件研制方面增强喷嘴布水的均匀性降低风机的噪声减少壁流和飘水减轻甚至消除构架的腐蚀以及采用轻结构提高FRP件的质量塔外观的美化设计(对用于建筑中央空调系统的冷却塔如何在外观上与建筑风格协调的问题尤为重要)等等也是冷却塔设计生产中需要改进的当然其中不少问题可以综合多学科攻关比如在FRP成型工艺方面采用树脂传递模塑工艺(RTM)和喷射成型工艺以及拉挤工艺[7]减少手糊工件会显著提高FRP件的质量同时提高生产效率和改善生产环境再比如采用全FRP的轻型抗腐蚀结构是湿式普通塔发展的一个方向但

有许多力学问题和工艺问题需要解决[8]又比如将三元流动理论应用于冷却塔风机的机翼型叶片的设计中发展大直径低转速低噪声风机并在运行中采用变频技术[9]对节能和环保都有重要意义况且我国在这方面的研究处于世界领先地位是很有竞争力的对消除飘水的研究国外在1979年进行了可行性讨论[10]提出了零飘水的概念1989年有个进展报告[11]在节水环保和提高冷效三方面都取得了一些成果但至今没有根本解决国内在小型塔上有解决得较好的[12]其核心是采用了水轮式旋转布水器以改变布水器出水射流方向但对大中型塔尚需进一步努力攻关再有冷却塔设计选型报价成本管理等的计算机化是与国际接轨的重要步骤我国在这方面也有大量的工作要做由于对闭式冷却塔市场的争夺是未来二至三年中的热点因此有效解决闭式冷却塔应用中的若干问题尤为关键一般认为冷却60~80的流体时采用蒸发冷却器比空冷式热交换器有利[13]因为它利用了管外侧水的蒸发潜热具有比空冷式热交换器传热面积少的优点只有管外壁容易结垢而影响冷却效果但对被冷却工质在50以下的情况来说结垢问题并不严重[14]而且可以嫁接国内外各种除垢新技术对蒸发冷却器的设计[13,15]国内外研究已较多目前闭式冷却塔是在此基础上进行设计计算的[16]但按常规的设计方法所需的盘管换热面积较大塔体笨重造价昂贵尚有待改进在闭式冷却塔中热从管内的工艺流体经管壁传给管外流动的水再从水传给空气而水向空气的传热是由水蒸发的潜热和水与空气的显热交换组成的被冷却工质的进出口温度和流量及大气干湿球温度大气压等设计参数风量喷淋水量淋水密

度喷淋水水温盘管的尺寸和内外形状及布置形式管程数(管内流速)空气和工艺流体及喷淋水三者间的流向关系等对塔的设计都有影响而且在某些结构形式中不少因素是相互制约的设计优化的目标在于确定当工艺流体所需释放的热量全部被空气带走时出塔的空气恰好达到饱和而所花的代价(将制造成本与运行成本综合考虑)为最小基于上述目标以下优化措施是有效的

(1)侧重于管外侧强化传热包括采用翅片管[17]适当增大管内流速和采用小管径并着眼于管径与塔的技术经济性的匹配

(2)对一般的闭式冷却塔来说应尽量选用镀锌钢管以降低设备成本

(3)过去对闭式冷却塔的设计都建立在twi=two的边界条件上即由于喷淋水是循环的所以盘管区入口的喷淋水温度twi等于盘管区出口处的喷淋水温度two鉴于喷淋水的温度对传热面积有很大的影响在喷淋水循环过程中加入一个喷淋水的预冷却过程将大大减少盘管长度虽然预冷却过程增加了一些填料风量也会增大但总的成本将有所降低[18]对工艺流体温度较高的冷却塔来说这是一个有前途的优化措施国内外也有了若干基于这一原理的各种塔型其中一些塔型已取得中国实用新型独特[19]但如果密闭塔的工艺流体温度较低喷淋水的温度也不会高对填料区来说由于冷幅较小会使所需填料体积很大往往得不偿失所以不适合采用预冷却

5结论

我国的冷却塔行业面对中国入关的临近为了参与国际竞争应进行大范围的组合和调整包括组建产学研相结合的大集团加快技术投入和产品研发强化传热传质研究改进FRP工艺和结构形式优化闭式冷却塔设计并尽快抢占该塔型市场份额在计算机辅助设计方面尽快与国际接轨

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