楊東，黃增波，馮偉明，李視坤，楊博

（青島航天瑞萊海檢科技有限公司，青島 266000）

引言

環(huán)境實驗室通常分為力學(xué)環(huán)境檢測、氣候環(huán)境檢測和綜合環(huán)境檢測三個版塊，配備的檢測設(shè)備主要有：振動臺、沖擊臺、搖擺臺、溫濕度箱、鹽霧箱、霉菌箱等。其中的多數(shù)檢測設(shè)備正常工作情況下都需要進(jìn)行冷卻降溫，比如振動臺、溫濕度箱等，而降溫方式最常見的類型就是風(fēng)冷和水冷。通常來講，風(fēng)冷方案適用于小型檢測設(shè)備，水冷方案適用于中大型檢測設(shè)備。中大規(guī)模的環(huán)境及可靠性實驗室，其檢測設(shè)備產(chǎn)生的換熱量規(guī)模在1 500 kW以上，常規(guī)的風(fēng)冷方案難以同時滿足如此大規(guī)模的換熱量需求，水冷方案就成為首選方案，而冷卻塔就是水冷方案中最為常見的冷卻設(shè)備之一。

本文總結(jié)實驗室籌建過程中冷卻塔選型、安裝、使用及維護(hù)方面的經(jīng)驗教訓(xùn)，為類似實驗室的建設(shè)提供有價值的參考。

1 冷卻塔選型

1.1 冷卻塔的類型及優(yōu)缺點分析

冷卻塔最簡單的分類形式有閉式和開式兩種，兩種形式的冷卻塔均可滿足冷卻需求。閉式冷卻塔的水循環(huán)路徑為封閉結(jié)構(gòu)，擁有內(nèi)-外兩個獨立循環(huán)，內(nèi)循環(huán)用于將設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走，外循環(huán)是將內(nèi)循環(huán)的水冷卻。開式冷卻塔的水循環(huán)路徑為非封閉結(jié)構(gòu)，水循環(huán)路徑中的水箱為敞開式，循環(huán)水直接與空氣接觸。表1為閉式冷卻塔和開式冷卻塔優(yōu)缺點對比。

冷卻塔的設(shè)計壽命在10年以上，從冷卻方式、冷卻效果、運維費用等綜合考慮，閉式冷卻塔要優(yōu)于開式冷卻塔。環(huán)境及可靠性實驗室通常配備閉式冷卻塔。

1.2 閉式冷卻塔選型需考慮的因素

本文以公司籌建過程中某一臺冷卻塔的選型為例，介紹閉式冷卻塔選型時需考慮的因素。

1.2.1 總流量L

通常來講，一臺閉式冷卻塔同時滿足多臺檢測設(shè)備的冷卻需求，冷卻塔總流量要大于各檢測設(shè)備所需冷卻水流量之和。冷卻塔總流量計算公式如下：

式中：

L—冷卻塔總流量，m3/h；

Li—各檢測設(shè)備所需冷卻水流量，

φ—選型余量系數(shù)，1.2～1.25，取1.2。

根據(jù)公式（1），得L=150 m3/h。

1.2.2 冷卻塔出水溫度T2

環(huán)境及可靠性檢測設(shè)備進(jìn)水溫度一般要求不高于32 ℃（具體參照設(shè)備技術(shù)參數(shù)），因此，要求冷卻塔出水溫度一般不高于32 ℃。

取T2=32 ℃。

1.2.3 冷卻塔進(jìn)出水溫差ΔT

冷卻塔進(jìn)出水溫差一般設(shè)計為5 ℃。

則冷卻塔進(jìn)水溫度T1=37 ℃。

1.2.4 冷卻塔出水壓力P

根據(jù)環(huán)境及可靠性檢測設(shè)備使用技術(shù)參數(shù)要求，冷卻水壓力在0.25～0.4 MPa之間，考慮到管路沿程損失、過濾器等局部損失，冷卻塔設(shè)計壓力一般在0.5 MPa左右。

1.2.5 冷卻塔換熱面積S

冷卻塔換熱面積計算過程如下：

1）計算冷卻塔換熱量Q：

式中：

Q—冷卻塔換熱量，kW；

c1—水的比熱容，4.186 kJ/（kg·℃）；

m1—冷卻塔內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/s；

ΔT —冷卻塔進(jìn)出水溫差，℃。

根據(jù)公式（2），得Q=872.08 kW。

2）計算冷卻塔風(fēng)量：

式中：

Q—冷卻塔換熱量，kW；

m2—冷卻塔外循環(huán)空氣質(zhì)量流量，kg/s；

Δh —冷卻塔外循環(huán)進(jìn)出空氣的焓差，kJ/kg。

青島地區(qū)夏季室外計算干球溫度為To1=29℃，室外計算濕球溫度為Ts1=26℃，室外計算相對濕度Φ=79 %RH[1]。查詢濕空氣參數(shù)表[2]得到閉式冷卻塔進(jìn)口空氣的焓值h1=80.45 kJ/kg，進(jìn)口含濕量d1=20.07 g/kg，進(jìn)口比容v1=0.883 6 m3/kg。

表1 閉式冷卻塔和開式冷卻塔優(yōu)缺點對比

冷卻塔外循環(huán)空氣質(zhì)量流量m2計算公式[3]如下：

式中：

λ—氣水比，對于ΔT=5 ℃的低溫閉式冷卻塔來，一般λ在0.5～0.9之間，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗通常取0.7左右。

計算得m2=29.2 kg/s。

根據(jù)公式（3）、（4），閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2計算如下：計算得h2=110.32 kJ/kg。

一般閉式冷卻塔出口的空氣相對濕度為80～95 %RH，可取85 %RH進(jìn)行計算。根據(jù)閉式冷卻塔出口空氣的焓值h2和出口空氣的相對濕度，查濕空氣參數(shù)表，可以確定出口狀態(tài)空氣的各個參數(shù)：

出口空氣干球溫度為To2=34.26 ℃，出口空氣濕球溫度為Ts2=31.94 ℃。

影響噴淋水溫度的因素有很多，噴淋水溫度接近出口濕球溫度，取噴淋水溫度Tx= Ts2=31.94 ℃。

3）計算冷卻塔換熱面積。

式中：

S—盤管換熱面積，m2；

ΔTm—對數(shù)傳熱溫差，=5.05 ℃；

K—盤管傳熱系數(shù)，kW/( m2·℃)，紫銅制作的盤管，管壁薄，換熱效果良好，紫銅管的傳熱系數(shù)為1 000～1 200 W/( m2·℃)，取K=1 100 W/( m2·℃)。

通過計算得到S=157 m2。此數(shù)據(jù)可用于驗證冷卻塔廠家提供的設(shè)計換熱面積是否合理。

1.2.6 冷卻塔主管路及分支管路管徑

冷卻塔主管路管徑D計算公式如下：

式中：

L—冷卻塔流量，m3/h；

u—冷卻水流速，m/s；

D—冷卻塔主管路管徑，mm。

根據(jù)公式（7）可知，管徑D與流速u成反比，在流量L不變的情況下，流速u越大，管徑D越小，優(yōu)點是管材采購?fù)顿Y少、施工方便，缺點是管路阻力大、沿程壓力損失大；反之，流速u越小，管徑D越大，優(yōu)點是管路阻力小、沿程壓力損失小，缺點是管材采購?fù)顿Y大、施工費時。因此，管徑大小要綜合考慮采購費用、施工難度、管路阻力等因素。冷卻塔冷卻水流速u推薦范圍為1～3 m/s。當(dāng)u=2.4 m/s、D=150 mm時，流量L=152.7 m3/h；當(dāng)u=1.4 m/s、D=200 mm時，流量L=158.3 m3/h；當(dāng)u=0.6 m/s、D=300 mm時，流量L=152.7 m3/h。這三種情況與已知流量L=150 m3/h接近，綜合考慮采購費用、施工難度、管路阻力等因素后，可選擇主管路管徑D=150 mm，對應(yīng)流速u=2.4 m/s。

分支管路管徑一般要求其管徑不小于檢測設(shè)備預(yù)留冷卻水接口的管徑。

1.2.7 冷卻塔外殼

外殼材質(zhì)常用的有鍍鋅鋁板、鍍鋅噴塑板、304不銹鋼板、鋁塑板等。設(shè)備外殼的好壞直接影響噴淋泵、冷卻風(fēng)機(jī)能否正常工作，同時會影響冷卻塔日常維護(hù)的工作量和費用，進(jìn)而會影響到冷卻塔的使用壽命。設(shè)備外殼若不耐腐蝕，則會出現(xiàn)外殼銹跡斑斑的景象，影響美觀。噴淋水箱生銹腐蝕甚至還會導(dǎo)致水箱漏水，水箱底部長期淤積的金屬銹混雜砂石還會堵塞噴淋泵，造成噴淋泵燒毀等嚴(yán)重后果。因此，冷卻塔外殼材質(zhì)的選型十分關(guān)鍵，選擇不當(dāng)會給運維帶來無窮無盡的麻煩。一般情況下，外殼選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)的鍍鋅鋁板，耐腐蝕，經(jīng)濟(jì)；鍍鋅噴塑板、鋁塑板不宜使用在沿海地區(qū)；資金充裕的條件下，首選304不銹鋼材質(zhì)。

1.2.8冷卻塔防凍措施

冬季，華北黃河流域的氣溫一般在-15 ℃左右，在該地區(qū)乃至以北的地方使用冷卻塔要采取防凍措施。

主管路、循環(huán)水箱和散熱盤管的防凍，主要采用注入防凍液措施，防凍液冷凝溫度要根據(jù)水塔使用地冬季歷年平均最低氣溫來選擇，一般不高于使用地冬季歷年來的平均最低氣溫。噴淋水箱要安裝有安全可靠的加熱絲，并配有溫控系統(tǒng)，保證水溫在低于設(shè)置的極限溫度時開啟加熱絲，水溫高于設(shè)置溫度時停止加熱。

噴淋泵及噴淋水箱供水管的防凍措施也應(yīng)考慮，可在噴淋泵及供水管表面纏繞加熱帶或保溫層，并配備溫控系統(tǒng)，工作原理同加熱絲。如此，在冷卻塔停機(jī)工況下，通過以上措施可以保證主管路、循環(huán)水箱、散熱盤管、噴淋系統(tǒng)不會結(jié)冰。如果缺少了防凍措施，輕則主管路、循環(huán)水箱、散熱盤管、主泵、噴淋泵、噴淋池結(jié)冰，重則導(dǎo)致主管路、循環(huán)水箱、散熱盤管、主泵、噴淋泵破裂，冷卻塔無法正常工作。

2 閉式冷卻塔安裝

閉式冷卻塔安裝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，安裝質(zhì)量高低直接影響到冷卻塔能否正常使用，同時對以后的運維也有直接影響。

2.1 管路材質(zhì)

冷卻塔管路材質(zhì)對冷卻效果有直接或間接影響，選擇不當(dāng)會直接導(dǎo)致生銹，堵塞檢測設(shè)備換熱器，影響換熱效果，還可能損壞主泵葉片。冷卻塔管路材質(zhì)有熱鍍鋅管、襯塑復(fù)合壓力鋼管、銅管、不銹鋼管、UPVC管。

熱鍍鋅管在冷卻塔中廣泛使用，造價低、易安裝，一般是冷卻塔管道的首選。安裝時優(yōu)先采用溝槽式連接方式，不建議采用焊接工藝，因為焊接會導(dǎo)致鍍鋅層破壞，遇水容易生銹；溝槽連接方式因不破壞鍍鋅管的鍍鋅層，在一定程度上可以大大減小管道生銹的概率。熱鍍鋅管作為管路，最大的缺點是對水質(zhì)要求極高，一般要求去離子水或蒸餾水（電導(dǎo)率≤5 μs/cm，硬度≤30 ppm）。軟化水或自來水會使管道內(nèi)壁生銹，銹垢會嚴(yán)重污染水質(zhì)，銹垢吸附在管道內(nèi)壁上，會嚴(yán)重降低管道流量；銹垢脫落在管路中循環(huán)，還會嚴(yán)重銹蝕管道泵葉片，同時會引起檢測設(shè)備換熱器堵塞。

銅管和不銹鋼管屬于壓力管道中造價比較高的，銅管在大口徑使用時安裝性能和經(jīng)濟(jì)性能皆不理想，因此其很難應(yīng)用在大口徑冷卻水主管路中。不銹鋼管的優(yōu)點是耐腐蝕，可以有效避免生銹問題，是水塔管道系統(tǒng)中常用的材質(zhì)之一。

UPVC管是一種非金屬管材，無毒、耐腐蝕、質(zhì)量輕、不結(jié)垢、價格低，采用粘接方式進(jìn)行安裝。缺點是自身剛性、耐壓性和穩(wěn)定性差，不適合大口徑主管路（直徑大于DN100）和架高安裝，因此在閉式冷卻塔系統(tǒng)中不常用。

襯塑復(fù)合壓力鋼管兼具熱鍍鋅管與UPVC管的優(yōu)點，既有鋼管的強(qiáng)度，又有塑料管的耐腐蝕性、流體阻力小的特點，造價低于不銹鋼管，因此也是冷卻塔主管路材質(zhì)中優(yōu)先選擇的類型。

2.2 管路與檢測設(shè)備間連接用管

管路與檢測設(shè)備之間常用的連接用管一般有三類：橡膠管、不銹鋼絲軟管和硬管（UPVC、PPR、熱鍍鋅管）。三類管材耐壓性能都很好，其中，橡膠管和不銹鋼絲軟管是軟連接，安裝方便，也便于設(shè)備挪動，尤其適合為三綜合試驗箱預(yù)留出前后左右移動的距離。

2.3 管路與檢測設(shè)備間連接用管的連接方式

管路與檢測設(shè)備之間連接用管的連接方式取決于選用管類型，一般情況下橡膠管采用卡箍式連接，不銹鋼軟管和熱鍍鋅管優(yōu)選螺紋連接，UPVC管多用粘接方式，PPR管采取熱熔方式。

卡箍式連接最為簡便，施工/拆卸都很方便，不易泄漏。螺紋連接方式除螺紋制作需要專用的設(shè)備輔助外，還對密封有較高的要求，常見的螺紋密封方式有四種：生料帶、麻皮、鉛油和橡膠墊，其中鉛油密封需要生料帶或麻皮在外層包裹。一般管道壓力較小時多用生料帶和麻皮密封，壓力較大時可選用橡膠墊密封；鉛油多用在管道口徑比較大的情況下。粘接方式只適用于PVC類的管道，操作比較簡單，但不適合壓力大的場合。PPR熱熔方式對操作者要求高，熱熔時間和方式需要把握好，否則自然冷卻后容易漏水。

2.4 分支管路上的閥門、過濾網(wǎng)

冷卻塔分支管路上都要安裝截止閥門，以便于檢測設(shè)備維修或清洗過濾網(wǎng)時斷水。

檢測設(shè)備冷卻水入口處要安裝Y型過濾器，過濾器可以攔截管道里的雜物，從而可以有效避免檢測設(shè)備換熱器堵塞。

2.5 管路上的放氣閥、壓力表、旁通閥、排水閥

冷卻塔主管路要安裝放氣閥，放氣閥的位置一般安裝在管路最高處。放氣閥的作用是在冷卻塔首次投入運行時將管路里的空氣排空，從而快速將冷卻水的壓力和流量建立起來。為了方便觀察，建議在冷卻塔主機(jī)入口管道上再安裝一個放氣閥，這樣做一是方便放氣操作，二是結(jié)合入口處的壓力表，可以很清楚地看到壓力波動情況，從而判斷出管道里是否還有空氣。

冷卻塔主管路和分支管路上均要安裝壓力表。每對分支管路的供水和回水管路上各安裝一個壓力表，可以清楚地了解到進(jìn)水壓力和回水壓力的壓差，壓差也是判斷冷卻塔冷卻能力的一項重要參考指標(biāo)，主管路也是同樣的道理。壓力表盡量選用耐震壓力表，其可靠性好。壓力表緩沖管和閥門要選用耐腐蝕材質(zhì)，否則一旦發(fā)生腐蝕、破裂，更換起來十分麻煩。

冷卻塔主管路末端常用旁通閥連接，一方面是可操作性強(qiáng)，二是可以實現(xiàn)整個管道壓力可調(diào)。

冷卻塔主管路要安裝排水閥，一是用于冷卻塔投入使用前或運維時的管路沖洗，二是用于更換冷卻介質(zhì)時排水。排水閥的位置一般位于主管道最低處，便于管道水釋放干凈。排水閥大小一般選用DN50的球閥，節(jié)約排水時間。排水閥數(shù)量可設(shè)置1～2個。

2.6 循環(huán)水箱的位置

冷卻塔循環(huán)水箱的位置高低沒有要求，前提是回水管路裝有止回閥，否則水箱位于低處時，水塔停機(jī)后管道水回流會造成水箱溢水。如若回水管路沒有止回閥，而且水箱位置低于管路最高處，就會出現(xiàn)以下問題：①冷卻塔停機(jī)后，管路里的水從高處跌落造成倒灌，水箱發(fā)生噴水現(xiàn)象；②倒灌后會使管路里進(jìn)入空氣，再次開啟會將水箱吸癟或鼓包，輕則導(dǎo)致水箱變形、法蘭軟連接嚴(yán)重變形，重則水箱破裂，無法使用。

2.7 循環(huán)水泵的防護(hù)

閉式冷卻塔循環(huán)水泵應(yīng)做遮擋措施（可制作成帶斜度的遮擋），防止水泵受到雨雪風(fēng)沙的侵害和陽光暴曬。

3 閉式冷卻塔使用及維護(hù)

3.1 噴淋池

冷卻塔噴淋水箱因為不是密閉系統(tǒng)，灰塵、樹葉、昆蟲等很容易因為冷卻風(fēng)機(jī)的抽吸作用進(jìn)入到噴淋水箱里。時間一長，積攢的上述物體就會污染噴淋池的水質(zhì)，導(dǎo)致噴淋水箱過濾網(wǎng)堵塞，噴淋水量減少甚至沒有，噴淋泵空轉(zhuǎn)或甚至燒毀；被污染的水質(zhì)噴淋到換熱盤管表面，引起表面積灰，大大降低盤管的換熱能力，進(jìn)而導(dǎo)致檢測設(shè)備冷卻量需求不夠而發(fā)生停機(jī)現(xiàn)象。

因此，噴淋水箱是維護(hù)的重點部位之一，根據(jù)噴淋水質(zhì)污染情況，建議每周就要清理一遍噴淋水箱，確保噴淋水質(zhì)潔凈。浮球是實現(xiàn)噴淋池自動補(bǔ)水的核心部件，屬于容易損壞部件，運維時要經(jīng)常巡查，確保浮球能正常使用。噴淋水箱過濾網(wǎng)容易堵塞，應(yīng)定期清理，噴淋水量明顯減少是過濾網(wǎng)堵塞的標(biāo)志。過濾網(wǎng)要選用長圓筒狀的，不可選擇平面型的，根據(jù)實際統(tǒng)計，安裝平面型過濾網(wǎng)，最多一個星期就會將過濾網(wǎng)堵塞。

3.2 冷卻風(fēng)扇

冷卻塔冷卻風(fēng)扇是外循環(huán)的核心部件，起到為內(nèi)循環(huán)降溫的作用。運維時要定期查看風(fēng)扇運轉(zhuǎn)情況，仔細(xì)辨別風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時是否有異響、是否平穩(wěn)，同時要查看防護(hù)網(wǎng)是否有生銹、破損或脫落的情形。防護(hù)網(wǎng)生銹并脫落后，嚴(yán)重影響風(fēng)扇的正常運行，脫落的防護(hù)網(wǎng)與風(fēng)扇葉片碰觸，輕則劃傷葉片，重則損壞葉片。因此，耐腐蝕防護(hù)網(wǎng)十分有必要，可在冷卻塔選型時提出要求。運維時發(fā)現(xiàn)防護(hù)網(wǎng)生銹，要及時做防銹處理；銹蝕嚴(yán)重的，要及時更換。

3.3 防腐

位于室外的管路因長期暴露在陽光、雨水、鹽分、酸或堿性物質(zhì)的綜合作用下，很容易發(fā)生腐蝕。因此，為提高管路使用壽命并兼顧美觀性，對管路定期進(jìn)行防腐處理很有必要。

對于沒有采用耐腐蝕材質(zhì)的外殼、噴淋池（其危害已在前面講述，此處不再贅述），也應(yīng)定期進(jìn)行防腐處理。

3.4 防凍

冷卻塔防凍至關(guān)重要（其危害已在前面講述，此處不再贅述）。對于沒有防凍措施的冷卻塔，要按照前述“冷卻塔防凍措施”講述的及時加裝防凍措施。

4 結(jié)論

本文分析了環(huán)境實驗室冷卻塔選型需考慮的八個因素，指明了冷卻塔安裝、使用及運維過程中需要注意的十一項內(nèi)容。本文可以指導(dǎo)解決冷卻塔選型過程中遇到的流量、換熱面積等核心參數(shù)的計算方法問題，以及使用過程中遇到的管路布置方案、流量不足或分布不均、壓力不足、密封失效、防腐防凍等問題，有助于縮短冷卻塔選型時間并延長其使用壽命。