中小型冷却塔的节能环保改造

中小型冷却塔的节能环保改造

1 玻璃钢冷却塔在河南神火铝业有限公司的应用

河南神火集团有限公司是以煤炭、发电、电解铝生产及产品深加工为主的大型企业集团，中国企业500强，河南省百户重点企业，河南省重点扶持的七家煤炭骨干企业及七家铝加工企业，河南省第一批循环经济试点企业。现有总资产160亿元，员工26000人,拥有10余家全资、控股、参股企业。其子公司河南神火铝业公司基础完善、实力雄厚，集铝电解、铝加工、发电、碳素阳极块生产于一体。拥有电解铝厂3个，铝加工厂2个，自备电厂2个，碳素厂2个，总资产逾70亿元。几年来公司始终以技术进步引导企业发展，进行了多项科技创新、技术改造，槽控机防雷技术、不停电开停槽技术、给电解槽增加“看门狗”装置等多项科技创新成果均创同行业的先例。其中于08年，对一台200m3/h的冷却塔进行了两次成功改造，不仅冷却效果明显变好，而且节能环保，经济和社会效益显著。有着良好的市场前景。

该公司永城铝厂铸造车间于04年6月份建成投产，共有4条铸锭生产线加上辅助设施用水，单小时循环水量约800m3/h，整个循环冷却水系统按循环水量的1.15倍计算约920m/h，共配置6台开式200m/h的冷却塔，运行方式为5台运行1台备用，至09年运行近5年，进行设备改造经济划算。

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1.1 运行原理

介质水在起到冷却作用后进入顶部，湿热的水自淋水系统淋入塔内，到淋水填料上，便分成膜状下落，干燥的空气经过风机的抽动后，自进风网处进入冷却塔内；饱和蒸汽压力大的高温水分子向压力低的空气流动，当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸汽表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的，满足生产使用。

1.2 冷却塔的组成及功能简介

主要构件为：冷却风机（电机、减速器及扇叶）、风筒、收水器、气流分配装置、淋水填料、淋水系统、塔体、进风百叶窗、立柱等，结构简图见图1。

电机及减速器扇叶风筒气流分配装置收水器淋水系统淋水填料中塔体配水系统进风百叶窗立柱图 11.2.1 冷却风机

冷却风机由电机带动减速机，经减速和变向带动冷却风机螺旋桨，将冷却塔周边的空气经由冷却塔底部抽吸进入塔内，通常空气流动速度90～210m/min。冷却风机螺旋桨由复合玻璃钢制成，一方面该材质防水不易生锈、腐烂； 另一方面它密度小质量轻。这样不仅增加了冷却风机的使用寿命而且减少了冷却风机的运行成本。冷却风机螺旋桨的安装角度可以调整，调整冷却风机的安装角度就可以改变冷却风机的风压和风量，而冷却风机螺旋桨的调整亦用于风机平衡的调整。 1.2.2 收水器

收水器俗称隔水板，是由防腐型PVC弯曲成板条形百叶窗式隔水装置，其作用是均衡分布空气气流，由于曲板百叶窗的阻力作用，风筒的拔风和抽风机的抽风风压被沿着收水器的水平面分布在冷却塔水平截面的各处，使得冷却塔内的风量、风压得以均衡，提高了冷却塔的冷却效果和效率；挡住了在抽风风力作用下的上

升水滴，在弯曲挡水板面形成水膜或大水滴，进一步与空气进行热交换，增强冷却效果。 1.2.3 喷淋装置

冷却塔中的淋水装置由配水管及喷淋头组成，在循环水回水余压的作用下将循环水分配后进行均匀喷淋，其所用材料不是钢管，均为PVC塑料，这样不仅增加了使用寿命，而且避免了水质污染，还降低了设备购置成本和运行成本。 1.2.4 淋水填料

淋水填料是由凹凸不平的聚氯乙烯波纹板制成，其受湿性能良好,保证了水在填料上形成水膜，而不是水流,增强了气水交换的面积，延长了气水交换的时间，加强了冷却塔的冷却效果。 1.2.5 钢结构

冷却塔的钢结构由各种型钢和部分标准件组成，安装成功后,应做好防腐处理。其作用是构造塔体骨架，支撑和连接冷却风机及其它相应零部件。 1.2.6 百叶窗

百叶窗由玻璃钢外向斜叠而成，其作用一方面可以遮挡空气中的杂物;另一方面可以起导风的作用。 1.2.7 集水池

集水池是由钢筋混泥土构成的水池，承接冷却塔喷淋下来的水滴，汇集导流冷却后的循环水，供系统循环换热使用。 1.2.8 外壳

冷却塔的塔体四周外壳均为玻璃钢预制成块状部件，运输到现场后再拼装而成，顶部由δ= 3的钢板进行无缝焊接。拼接处均用胶水粘接后固定,防止冷却塔渗水漏风，维持冷却塔的负压状态，从而保证冷却塔的冷却效果。 1.2.9 风筒

风筒材料为玻璃钢拼装而成，并用胶水粘接进行了防渗漏处理。风筒垂直剖面为双曲线型，其水平截面最小处为螺旋桨水平中心截面，以确保冷却风机运行时的风口形成,从而保证冷却塔的运行效率。

1.3 设备技术参数

设备名称：玻璃钢冷却塔

设备型号：ZNDL；流量Q=200m3/h； 进水温度为60～80℃时，△t=10～20℃；

电机功率7.5KW；

冷却塔框架为钢材焊接成型，全部采用优质钢材镀锌处理，表面涂漆；紧固件都采用镀锌处理；整体牢固、耐用；

围护结构采用聚脂玻璃钢构件，玻璃钢板表面有均匀的胶衣层，厚度为0.3-0.4㎜；

收水器收水效率高，通风阻力小，能保证飞溅水量小于总循环水量的0.001%；收水器材质为FRP材质，具有足够的强度，耐腐蚀、抗老化；色泽鲜亮，外观颜色为草绿色；设备噪音低，冷却效率高；正常使用寿命保证5年。

1.4 运行过程中各处压力参数

水泵出口管道处压力0.40MPa； 车间内管道压力0.35MPa；

冷却塔进水管道底部压力0.3MPa，上部压力0.1MPa。

1.5 运行中存在的缺陷

1.5.1

淋水填料每年更换一次，存在一定的材料消耗和劳工量；淋水填料作用是降低冷却水的水温，淋水填料产生的温降达到整个塔温降的60％～70％，可见淋水填料的质量与性能在很大程度上决定了冷却塔的冷却能力。但淋水填料更换时，材料选择往往得不到保证。 1.5.2

水气在淋水填料中进行热交换，因为填料的结垢，堵塞而引起冷却效率差； 1.5.3

淋水填料老化，坠落水池或混在循环水中，对水污染严重，无法满足生产工艺需要，因而水池中的每年至少需更换4次。 1.5.4

淋水填料安装密集，对冷却风的阻力很大，影响风机抽风效果，风机工效降低，导致冷却塔冷却能力降低。 1.5.5

由于靠风机强冷，需配备一定功率的电机，且长期运行，存在较大的电能消耗。

1.5.6

由于风机的运行，产生一定的噪音污染，尤其是在夏季，6台风机经常同时运行，噪音叠加，严重影响从业职工的身心健康。 1.5.7

淋水填料在使用过程中，一会结垢，二会粘附水中的杂质（泥沙）。冬季停用期间，又会经常发生结冰现象，势必增加冷却塔的载重负荷，造成塔体压塌事故，以至于影响正常生产，给厂家带来经济损失。神火铝业公司永城铝厂曾于07年发生两期冷却塔压塌事故。

针对上述冷却塔在运行过程中存在的缺陷，重点围绕节能环保和减少安全隐患的目的，经过专业技术人员科学分析，严密论证，探索实践，组织进行了两次成功改造，达到了预期目的。

2 河南神火铝业有限公司冷却塔的应用改造 2.1 初步改造

2.1.1 改造的背景

节能减排指的是降低能源浪费和降低废气废水等污染物排放，是全世界长久以来一直关注的焦点问题，人们已思考了很多方案，采取了很多措施，投注了很多精力与财力。我国更是大大加强了节能减排工作，发布了加强节能减排工作的决定，制定了促进节能减排的一系列政策措施，各地区、各部门相继做出了工作部署，节能减排工作取得了一定的进展，但整体工作面临的形势依然十分严峻，因而需把此当作影响民生的头等大事，提出明确的目标，制定严格的措施。同时其本身也是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。

冷却塔电动风机是消耗电能的主要设备之一，而我国在用冷却塔技术落后，许多企业风机电机选型偏大；循环水泵系统因严重汽蚀或多年失修而效率低下；风、水、热交换介质三者未能很好匹配等，凡此种种直接导致了冷却塔冷却效果的降低和能耗的增加。因此，在目前能源紧张的严峻现实中，全方位的对冷却塔进行节能改造已成为当务之急。

河南神火铝业公司永城铝厂工业用水总循环水量约5000m3/h，拥有冷却塔近20台，均存在上述1.5中所述的缺陷，导致水资源流失过多、电能消耗较大和环境污染严重，有悖于国家和地方的节能环保政策，影响企业的健康发展，亟待解决。

2.1.2 改造的目的

冷却塔的高效低耗能是冷却塔技术发展历程中永恒不变的目标，因而改造的主要目的体现在2个方面：1.提高冷却塔的冷却效果；2.降低冷却塔的电能消耗。同时兼顾考虑以下3个方面：1.减少水资源的流失；2.降低对自然环境的污染程度；3.冷却塔运行更加安全稳定。 2.1.3 改造的探索方向

提高冷却塔的冷却效果，减少电能消耗有两种方向：

一是从设计上节能，强调冷却塔的研究，优化冷却塔配件（如填料、配水、

收水器等）， 改善和完善冷却塔的设计方法（如流场的分析、配水配风的均匀性、等），从而提高效率、降低能耗。

二是对目前正在运行的数量庞大的冷却塔进行挖潜改造， 提高效率降低能耗。

目前主要通过以下途径，实现冷却塔的高效节能。 1.提升冷却塔的换热效率

高效率的冷却塔，为完成设计任务所需的气水比就低，风量小，耗功就小， 以往研究提高冷却塔效率，着重点放在淋水装置（填料）上，如填料的构形（孔隙率、比表面积）、材质（亲水性、强度），而忽略了获得填料特性时的边界条件及模化试验时受到试验边界条件的制约，使填料特性Ka = Agm·qn或N = Aλm 性能发挥受到限制的情况，在冷却塔的设计时无论边界条件和气象、水温变化情况如何，均把热力特性方程中的“A”作为常数考虑，加上工业塔中的配水条件和配风条件与实验室的条件相差甚远，所以未能充分体现出填料特性的潜力。对比国内外同类填料的热力特性发现，虽然都是薄膜式填料，单位体积的质量相近， 比表面和孔隙率相近，仅细部构形有别，但热力特性相差较大，性能高的填料为完成相同的设计任务，所需的气水比则小得多，风机功率就低得多。因此除了继续开发新的填料品种外，也要注重现有填料的潜力，改进试验装置及方法，在进行热力测试的同时，也应对试验时的配水均匀性及进气的均匀性以及不同淋水密度和不同风速下的特征给予区分，并在不同的气象条件与不同的运行区段加以论证，使填料的特性能得以充分和有效的运用。

2.降低冷却塔的供水扬程

冷却塔的能耗除电机外，还有热水送上配水系统的水泵功耗，其耗电量远大于风机，以4000m3/h（Δt＝10℃ τ＝28℃）循环水为例，风机轴功率耗电为137kW/h， 而把4000m3／h的水提升至10m 扬程的水泵所耗电能为：

1.06×（4000/3600）×1000 ×10 /（102 × 0.8×0.86）＝167.8（kW/h） 比风机耗电多了22.4％，若能降低2.0 m 的扬程，可节约电耗约33kW/h， 这是个不小的数值。

众所周知，降低进风口高度、减少供水管道的阻力和采用低压喷嘴都可以降低水泵的扬程。为了实现上述目标，我们分别进行进风口形式（包括不同的百叶及导流檐等）和低压喷头的配水均匀度的试验。

试验证明，当风量不变，随着进风口降低，进风流速提高，进风口阻力增加。烟气试验发现进风口上沿的尖端效应也越显著，这说明《机械通风冷却塔工艺设计规范》对冷却塔的进风口面积比要有一定的限制，但从冷却塔设计的总体而言，在进风口上沿增加导流板，可以大大改善进入填料气流的均匀性，填料的热力特性得到充分挖掘。判断气均匀分布与否，可以通过某特征断面（如气室处的某断面）的静压与进风口的动压之比（又称压力比）来决定。当压力比大于5～8时，可认为气流是均匀的。降低供水压力除减少进风口高度外，另一个重要步骤就是选用配水均匀，低压力的喷嘴，为满足这两项要求，我们在喷嘴试验装置上进行喷嘴的筛选，分别测试喷嘴的流量与压力，喷射高度与喷射角，喷嘴的流量系数，每个喷嘴布水的均匀性，优者首选。在此基础上，再进行配水系统如主管、支管、连接喷嘴的管壁等的优化水力计算。目前在对有限的喷嘴种类测试后，比较理想的低压喷嘴为K2、NS5A、GEA上喷喷嘴等。

3.改变风机动力源

循环水在起到冷却作用后，系统中富余一定的能量，即存在富余水压。在回水系统中，考虑设计一种特殊结构（可认为一种微型水轮机）取代电机（包括传动轴、减速机），使驱动方式由电力改为水力，利用系统中的富余能量作为风机动力源。由于工作动力来自循环水泵的富余扬程,该扬程不仅能够保证特殊结构（含有扇叶或直接与风机相连）的正常运转,产生足够的冷却风量，而且不会增加循环水泵的电能消耗，起到明显的节能效果，改变传统冷却塔风机耗电的历史。

2.1.4 改造方案

初步改造的重点是解决冷却塔的缺陷，同时设法节约能耗。依据2.1.3中1的内容，重点研究淋水填料，使填料的特性能得以充分和有效的运用。在生产企业不具备实验条件，组织比较困难。因而在主要解决冷却塔的缺陷同时，依据2.1.3中2的内容，来提高冷却塔的性能。

1.弊端改造探索

根据1.5可知淋水填料带来很多的弊端，起初主要围绕淋水填料分析，着重提高填料性能，解决淋水填料的弊端，并没有获得良好的措施。后经反复考虑决定减去冷却塔中的淋水填料，改造为无填料冷却塔，是最好也是最根本的办法。

但如何保证或提高冷却塔的冷却效果成为需要改进的难题。具体为：（1）湿热的回水在塔内如何分配；（2）如何增大水与空气的接触面积和延长水与空气的

接触时间。

在保留原冷却塔风机（功率7.5 kW/h）的基础上，设计一种新的配水结构代替原冷却塔的淋水喷嘴，本文中称该配水结构为射流器，具体结构参考结构简图，功效参考下述结构介绍。可有效解决减去填料后冷却塔的改造难题。

2.节能探索及效果

射流器的安装有两种方案：1）安装在原冷却塔淋水喷嘴的位置（即冷却塔顶部）；2）安装在冷却塔进风百叶窗上部（该位置已接近冷却塔底部）。对比分析如下：两者高度差2米。

根据水泵耗能计算公式，以200m/h（Δt＝10℃ τ＝28℃）循环水为例，把200m3/h的水提升2m 扬程的水泵所耗电能为：

1.06×（200/3600）×1000 ×2 /（102 × 0.8×0.86）＝1.7（kW/h） 若能降低2.0 m 的扬程，可节约电耗约1.7kW/h，常年类算这是个不小的数值。

由于循环水系统水泵采取变频控制，降低系统能耗非常明显，采取第二种安装方案后，较之原冷却塔和第一种安装方案，降低水泵电耗为：

1.7kW/h × 24h × 365 = 14892 kW/a

同时，采取第二种安装方案射流器出口压力达到0.3MPa。而在实际运行过程中，射流器出口压力达到0.1MPa即可满足生产正常进行。即相当于减少输送2.0m扬程的水泵能耗：14892 kW/a。

总节约能耗为：14892 kW/a × 2 = 29784 kW/a 3.具体改造步骤

按照上述改造探索方向的具体思路，围绕本次改造的目的，重点在塔体内部逐步进行改造。

1）除去塔体内的淋水填料及其支架，彻底杜绝淋水填料给生产带来的各种弊端。要保护其它部件不受伤害。

2）拆除塔体内顶部的淋水器。

3）将塔体内的分配水系统改造，除去上部配水系统，仅保留塔体底部的主配水系统。

4）对底部的主配水管道进行加工，在主管道平面内沿圆周方向，分布焊接4组（每组3个）分水支管，支管上部焊接法兰片，便于与其它部件连接。

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5）通过现场试验，按照工艺要求制作射流器，并单独试验效果，最终确定各部件的相关尺寸。

6）将加工制作的射流器，按位置要求安装在底部的主配水管道上。 7）整台设备送电运行。 4.改造后的结构组成

按照上述步骤改造后，冷却塔的结构主要由电机及减速器、扇叶、风筒、收水器、气流分配装置、塔体、配水系统、射流器、进风百叶窗、立柱等组成，结构简图见图2。

电机及减速器扇叶风筒气流分配装置收水器中塔体射流器配水系统进风百叶窗立柱

1）射流器

射流器是改造后冷却塔内部的核心结构，其本身是一组特殊的喷头组（材质

均为国标钢材）：射流器中心为一公共蓄水管，尺寸为Ф90×150㎜，底部用国标法兰与总配水系统连接，起到主分配循环水热水的作用；四周分布四个圆柱形喷头Ф40×50㎜（相互夹角90º），由Ф14×2.5㎜的辅助钢管与公共蓄水管连接，Ф14×2.5㎜辅助钢管由法兰分为两段，便于单个喷头的拆卸修理。

在冷却塔运行过程中，湿热的水在回水余压的作用下，由总配水系统分配后进入射流器，射流器起到局部分配液体水的作用，结构简图见图3。

蓄水管喷嘴喷头图 32）圆柱形喷头由两部分组成

下部设计为圆柱状Ф40×50㎜，当湿热的水进入喷头内部时，由于循环水系统余压的存在，相当一部分水雾化为细小颗粒（表面积扩大约3倍，即3.14：1）。

上部设计为喇叭口形状Ф6×Ф18×30㎜。当水流进入后，便沿喇叭口内壁以圆锥状大范围的向外射出。这样很大程度的增大了液体水的表面积，便于充分与冷空气接触，达到较好的冷却目的，结构简图见图4。

喇叭口圆柱体图 4

5.冷却过程

介质水在起到冷却作用后进入冷却塔，由于冷却连续进行，管中水的剩余压力仍在0.1MPa左右，进入塔中射流器后，射流器便将高温介质水喷射雾化成0.5－1mm的细颗粒，向上喇叭状的大范围喷出，塔体内即布满水珠和水的细小颗粒，同时受到顶部功率7.5Kw的风机的强行冷却。干燥的空气经过风机的抽动后，自进风网处进入冷却塔内；饱和蒸汽压力大的高温水分子向压力低的空气流动，当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸汽表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的，满足生产使用。 2.1.5 主要优点

1.取消了传统的淋水填料，使水气不在淋水填料中进行热交换，解决了因为填料的结垢，堵塞而引起的冷却效率差；

2.大大节省了更换淋水填料的成本，每年节约3万元的材料费用，也节省了人力资源；

3.射流喷头连接在配水系统管道上，均匀分布在冷却塔下部，与收水器底部的高度差为2.3-3.3m，这样水从喷头喷出后呈雾状，水滴一上一下的落差约在4.6-6.6m，存在两个冷却时效，使水与空气充分接触，冷却效率明显提高；电能消耗低，不用填料、造价低寿命长，符合GB7190.1-1997国家标准。

4.扇叶旋转风力受阻减小，冷却效果提高；

5.减少水的污染，改造前后对比，每年换水由4次减为1次，单台节约水源约200×3＝600m3/年；

6.改进了收水器，在塔顶部安装二层高效收水器，使水滴在收水器中撞击机率远高于常规收水器，一层收水器可以把上升的水珠碰撞后下落，第二层起到收水作用，水滴不致溢出，热空气被排出塔外，、飘水率1×10-3，几乎无飘水现象。 2.1.6 仍然存在的缺陷

1.由于必须使用风机，存在长期的电能消耗和噪音污染，若以每天运行20小时计算，单台消耗电能7.5×24×365＝65700KW/h，约39420元/年。

2.射流器的结构不是十分合理，尤其是喷头雾化效果不是十分理想，需进一步改进。

2.1.7 冷却塔的使用维护

根据厂的实际情况,我们对冷却塔的使用维护进行了总结。

1.夏季环境温度25℃以上(T≥25℃) ,因环境温度较高,为满足工艺生产需要, 4座冷却塔的冷却风机全部启动,全天候24小时不间断运行,循环水温度t≤30℃,能满足工艺需要。

2.春秋季环境温度10℃≤T≤25℃,因环境温度不高,根据水温情况基本开1至3台冷却塔风机(一般情况下只开2台) ,即可控制循环水温度t≤30℃,以满足工艺生产需要,且采取轮换开、停各风机,并检查其运行情况。

3.冬季环境温度T≤10℃,基本上不开冷却塔风机。冷却塔要用自然通风冷却即风筒的自然拨风将空气吸入塔内与水滴逆向接触进行换热。在环境温度T≤0℃停冷却塔时,保证循环水水温t > 5℃,并对冷却塔进行换油和维护检修等等。维护维修性工作在该时间内进行,而且要进行彻底以保证来年夏季的高强度运行。这种操作方法根据气候、温度合理使用冷却塔,既满足了工艺需要,又使设施得到了有效维护,而且节省能源,值得提倡。

4.在生产使用过程中，常见故障原因与处理对策见表1。

表1

故障 原因 对策 1.调节水量至设计标准 2.改善通风环境 3.改善通风环境 4.调整风叶角度 5.清除尘垢及藻类 6.清除入风口网阻塞 1.清除尘垢及藻类 2.过滤网清洗干净 3.调整浮球阀位置 4.更换与选还水量相符水泵 1.风叶长度减小 2.紧固风叶螺栓 3.校正角度 1.调整配水管角度 2.水槽水位降低 3.重新更换挡水板 4.减小循环水量 1.循环水量过多 2.风量不均 冷却水3.热空气再循环现象产生 温升高 4.风量不足 5.配水水管阻塞 6.入风口网阻塞 1.水孔阻塞 冷却水2.过滤网堵塞 量过少 3.水位过低 4.循环泵浦选错误 异常噪音及振动 1.风叶碰风筒内壁 2.风叶安装不当 3.风机不平衡 1.配水管回转过快（LBC） 水滴过2.水槽水位过高溢出 量飞溅 3.挡水板失效 4.循环水量过多

2.2 冷却塔的二次改造（节能环保冷却塔） 2.2.1 改造的目的

目前我国的能源问题已经成为制约经济发展和社会发展的重要因素，为此国务院从战略和全局的高度做出了《关于加强节能工作的决定》，要求各级地方政府和企业要充分认识节能工作的重要性和紧迫性，并采取有力措施，调动社会各方面力量做好节能工作。对多数企业而言，电费是未被企业控制的最后一项成本。在电力市场解除管制以前，买谁家的电是难以选择的，企业在用电价格方面的谈判力度很小，更重要的在于，人们普遍认为电费开支是难以被控制的，交电费是天经地义，因为用电设备消耗多少电，是同其机电特性所决定的，主观的控制无能为力，此种观念是不正确的。 前文冷却塔初步改造后，解决了冷却塔的许多缺陷，节约了可观的电能消耗。但依然存在上述2.1.6中所述的缺陷。因而需依据2.1.3中3的内容，进一步探索改造，来优化冷却塔的性能，最大程度的降低电能消耗。

2.2.2 改造方案

在初步改造1个多月后，针对初步改造后2.1.6所述的缺陷，技术人员又进行了思考分析：

一是本着为企业降低生产成本，减少电耗的目的，探索省去冷却电机的方法，经分析存在风机扇叶的动力源——循环水富余水压，继而考虑到对射流器进行升级改造；二是针对射流器喷头雾化效果不是十分理想这一缺陷作改进，喷头下部采取球形结构，液体水在其内部更容易形成涡流，使喷射出去的雾化的水量百分比将大大增加。

1.具体改造步骤

按照上述要求，围绕改造的目的，在塔体内部进行二次改造。

1）保留初步改造时，在主管道平面内沿圆周方向分布焊接的4组（每组3个）分水支管。

2）设计计算射流器蓄水管、喷头及扇叶的尺寸。 3）对加工材料选材。 4）对轴承、密封等进行选型。 5）加工制作射流器配件。

6）组装射流器，并进行效果试验，逐步改进直至达到良好效果。 7）将制作射流器的按位置要求安装在底部的主配水管道上。 8）整台设备送电运行。

2.改造后的结构组成

主要结构组成：风筒、收水器、气流分配装置、塔体、配水系统、射流器（自带扇叶）、进风百叶窗、立柱等，结构简图见图5。

风筒气流分配装置收水器中塔体射流器配水系统进风百叶窗立柱 1）射流器

在初步改造的基础上，将公共蓄水管设计为自由旋转机构，并在其管壁上焊接4个扇叶。

射流器中心为一公共蓄水管，尺寸为Ф90×150㎜，底部用密封轴承和辅助管道与总配水系统连接，起到主分配循环水热水的作用。并设计为自由旋转机构，循环水喷出时，在水的反作用力下能够沿反方向灵活旋转；

四周分布4个球形喷头Ф40×5㎜（相互夹角90º），由Ф14×2.5㎜的辅助钢管与公共蓄水管连接，Ф14×2.5㎜辅助钢管由法兰分为两段，便于单个喷头的拆卸修理。

4个70×400×1.5㎜冷却扇叶（相互夹角90º，与喷头错开），直接固定在蓄水管外壁上，能随蓄水管自由旋转，产生强劲的冷却风力，结构简图见图6。

蓄水管工作时喷水方向喷嘴喷头扇叶工作时顺时针自由旋转图 6

2）球形喷头由两部分组成

下部设计为球形Ф40×5㎜，当湿热的水进入喷头内部时，由于循环水系统余压的存在，在内部充分形成蜗流，大部分水雾化为细小颗粒（表面积扩大约3倍，即3.14：1）。

上部设计为喇叭口形状Ф6×Ф18×30㎜，方向与水平面夹角60º。当水流进入后，便沿喇叭口内壁以圆锥状大范围的向外射出。

这样完全扩大了液体水的表面积，便于充分与冷空气接触，达到了的冷却目的。结构如图：

喇叭口圆柱体图 73）蓄水管与配水支管的装配

装配后要保证两方面的条件：一蓄水管的灵活旋转；二密封性能良好。因而，要合理的选择材料，尽量减少结构的重量；同时在轴与蓄水管的配合处，采用机械密封，确保不会渗漏。

图8中蓄水管尺寸为Ф90×5×150㎜，中上部均布4个Ф14的出水孔；内轴（冷却塔配水系统支管）坯料为Ф38×5的钢管；轴承为带密封深沟球轴承6307，设计有轴承压盖，压紧螺栓为M3×6，与内轴采用过盈配合连接，可承受一定的轴向力；密封为Ф35的机械密封。

蓄水管出水孔机械密封轴承轴承压盖配水支管图 8 3.冷却过程

介质水在起到冷却作用后进入冷却塔，由于冷却连续进行，管中水的剩余压力仍在0.10MPa左右，进入塔中射流器后，喷头组便将高温介质水喷射雾化成0.5－1mm细颗粒。沿600方向斜向上喷出，同时给射流器（喷头组）一组反作用力，使冷却塔的射流器高速反方向旋转，最高速度可达约1000转/分。使风扇产生几乎与使用传统风机相同的冷却风量。同样，干燥的空气经过风机的抽动后，自进风网处进入冷却塔内；饱和蒸汽压力大的高温水分子向压力低的空气流动，当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸汽表面和

空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的，满足生产使用。 2.2.3 节能效果

1.保留初步改造射流器的安装方案，将射流器安装在冷却塔进风百叶窗上部（该位置接近冷却塔底部）。与原冷却塔相比，把200m3/h的水降低2m 的扬程，减少水泵所耗能为：

1.06×（200/3600）×1000 ×2 /（102 × 0.8×0.86）＝1.7（kW/h） 即1.7kW/h × 24h × 365 = 14892 kW/a

同样射流器出口压力只需达到0.1MPa即可满足生产正常进行。即相当于减少输送2.0 m扬程的水泵能耗：14892 kW/a。

共节约能耗为：14892 kW/a × 2 = 29784 kW/a

2.因冷却塔的射流器已自带风扇，起着几乎同样的冷却作用，故可省去装在顶部的风机（减少风机维护费用约500元/年）。若以每天运行24小时计算，单台节约电能：

7.5 kW/h×24h×365＝65700KW/a

合计：29784 kW/a + 65700KW/a = 95484 kW/a 2.2.4 其他主要优点

在初步改造的基础上，又增添了以下优点：

1.直接从球形喷头喷出，与圆柱状喷头相比，雾化效果更好，冷却表面积扩大约3倍（即3.14：1）；

2.在射流器下方安装水气分配装置，起到进风均匀分配，使水均匀下落至底面并和进来的冷风再次充分接触。

3.取消了电机和减速机，使冷却塔重心下移，增加了运行环境安全性。 4.传统冷却塔电机有漏电伤人，火花爆炸的潜在危险，而改造后的冷却塔不用电，可从根本上杜绝因电机漏电、断电、火花爆炸而产生的安全隐患，在防爆区域内可安全运行。

5.随着季节的变化，射流器的转速随着循环水流量的增减而增减，风量也随之增减，使冷却塔的气水比稳定在最佳状态，达到冷却效果最好。

6.取消了电机和减速箱，因此可有效的降低因机械传动和摩擦引发的振动和噪声，杜绝了漏油的可能，大大减少对环境的污染。

7.飘水率仅为原来的十分之一，可有效的减少飘水对周围环境的影响。 8.设计严谨，结构合理，运转平稳，可靠性高，可长期连续运转，没有易损件，寿命可达10万小时。 2.2.5 冷却塔的使用维护

根据厂的实际情况,对冷却塔的使用进行了总结。

1.夏季环境温度25℃以上(T≥25℃) ,因环境温度较高,为满足工艺生产需要, 5座冷却塔启动,全天候24小时不间断运行,循环水温度t≤30℃,能满足工艺需要。

2.春秋季环境温度10℃≤T≤25℃,因环境温度不高,根据水温情况基本开2至3台冷却塔 (一般情况下只开2台) ,即可控制循环水温度t≤30℃,以满足工艺生产需要,且采取轮换开,并检查其运行情况。

3.冬季环境温度T≤10℃,基本上开1台或不开冷却塔。在环境温度T≤0℃停冷却塔时,保证循环水水温t > 5℃,并对冷却塔进行维护检修等等。维护维修性工作在该时间内进行,保证夏季的高强度运行。这种操作方法根据气候、温度合理使用冷却塔,既满足了工艺需要,又使设施得到了有效维护,而且节省能源,值得提倡。

4.在生产使用过程中，常见故障原因与处理对策参见表1。

2.3 冷却塔改造前、初步改造与二次改造后的比较

2.3.1 使用性能比较

在冷却塔二次改造后，将该冷却塔的运行状况、使用性能与初步改造、改造前进行比较如下表2：

表 2

名称 项目 电 水 原冷却塔 无节约 须经常补水 电机、传动轴、减速机需经常维护、检修 爆炸危险环境需配置防爆电机；冬季有压塌安全隐患 噪音大于85分贝, 对环境有振动、飘水的影响 1×10 -3初步改造 节约29784 kW/a 无须经常补水 中 电机、传动轴、减速机需经常维护、检修 二次改造 节约95484 kW/a 无须经常补水 低 可长期连续工作 运行费用 高 可靠性 安全性 爆炸危险环境需配置防爆高 电机；冬季无压塌安全隐患 噪音大于85分贝, 对环境有振动、飘水的影响 1×10 -4环保性 飘水率 噪音小于75分贝, 对环境无污染 1×10 -4

2.3.2 冷却效果比较

为保证改造后满足生产正常运行，对水温参数进行了24小时连续监测记录，将2008年6月10日、7月30日、9月30日的监测结果，对比如下表3：

通过表3中记录数据可以看出，改造后的冷却塔不仅达到了同样的冷却效果，而且节能环保。

表 3

温度 2008年6月10日 2008年7月10日 2008年9月10日 改造前 初步改造 二次改造 时间 进塔水温 出塔水温 进塔水温 出塔水温 进塔水温 出塔水温 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 40 40 40 40 40 40 40 40 42 41 43 43 43 43 42 42 41 41 41 40 40 40 40 40 30 30 30 30 30 30 30 30 31 31 32 32 32 32 31 31 31 31 30 30 30 30 30 30 40 40 40 40 40 40 40 40 42 41 43 43 43 43 42 42 41 41 41 40 40 40 40 40 30 30 30 30 30 30 30 30 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 30 30 30 30 30 30 40 40 40 40 40 40 40 40 42 41 43 43 43 43 42 42 41 41 41 40 40 40 40 40 28 28 28 28 28 28 28 28 29 29 31 31 31 31 31 31 31 31 29 29 28 28 28 28

2.5 节能环保冷却塔的推广价值

2.5.1 经济效益

1.在保证设计参数的前提下，以射流器取代风机电机，完全省去电机的能耗，节电100%。河南省永城市的工业用电电价为0.6元/kWh，单台节约95484 kW/a ，5台冷却塔比有填料冷却塔节省28.6万元/年。结合目前国内冷却塔保有量约20

万台～30万台，按照本文中改造的200m3/h标准计算（实际上要大于这个标准），年节约费用约：（20万台～30万台）×5.73万元=1.15×105～1.72×105万元。

2.冷却塔的飘水损失仅为传统冷却塔十分之一，从而可减少补充水量，节约相应的水费支出。

3.由于水动风机冷却塔移除了风机电机和减速箱，因此可节约相应的维修保养费用。 2.5.2 环境效益

1.6台冷却塔相对改造前，年可减排淋水填料污染18t；

2.移除了风机电机和减速箱，因此可大大降低冷却塔的震动和噪声； 3.飘水损失减少，可降低飘水对周围环境的影响。 2.5.3 投资回收期

改造投资回收期 =（2万元/台×6）/ 28.6万元×12月=5.03月，即大约5-6个月内回收。 2.5.4 适用对象

该改造技术在石化、化工、冶金、电力、建筑、医药、中央空调等领域的逆流冷却塔上均可应用。在已建成冷却塔的改造和新建冷却塔的选型等方面，如果能充分考虑到节水节能的需要，冷却塔的先进技术，在工程实践上具有十分重要的应用推广价值。

3 结 论

冷却塔是化工、冶金、电力、纺织等企业不可缺少的设备，传统的冷却塔都是用电机带动冷却塔内的风机转动降低水温，以每小时200吨流量的传统冷却塔为例，一年就要消耗近25万千瓦时的电量。河南神火铝业公司对该改造技术进行了初步推广，取得了很好的节能效果，经济效益也非常明显。如果将其现有的冷却塔全部利用该技术进行改造，一年可节约电费500万元以上。

本文二次改造后的节能环保冷却塔，利用原循环水系统中的富余能量，驱动专用射流器，实际是一种微型水轮机，从而取代传统的电机作为风机动力，改电力驱动为水力驱动，改变了传统冷却塔用电的历史。当然初步改造的塔顶排风方式也是较为理想的一种冷却塔，两者都将热水经喷头产生内旋流形成细微雾状化喷出，使雾状存在、向上喷顺流亦下落逆流两个冷却时效。雾化均匀无中空现象，冷却效果稳定、电能消耗低，不用填料、造价低寿命长，符合GB7190.1-1997国家标准。使用范围较广：冶金、食品、化工、高浊、高温、防腐冷却塔等。据了解该改造技术为属国内首创，主要经济技术指标达国内先进水平。

2009年随着我国冷却塔市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。技术工艺的优劣直接决定企业的市场竞争力。了解国内外冷却塔生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。目前，国内市场上生产冷却塔的企业大大小小约有一千家左右，但产品质量却是参差不齐，由于价格混乱，也造成了整个行业的混乱，但从行业发展情况来看，目前市场规模仍处于上升状态。据统计2008年以湖南省为例，冷却塔市场约达5000万元的规模，国内市场总量则达40亿元左右。

本文二次改造成型的冷却塔——新型高效节能环保冷却塔，符合我国节约资源的基本国策和构建节约型社会的战略需要，商业应用前景从冷却塔的应用领域、上下游产品、国内外生产现状、国内潜在生产厂家、国外生产厂家及规模、国内外产量走势、市场状况及预测、供需状况分析及预测、国内需求厂家等诸多方面进行比较分析，有着很强的推广范围和使用价值，竞争优势突出，前景相当乐观。