無填料噴霧式冷卻塔

無填料噴霧式冷卻塔是一種新型的冷卻塔，相較於傳統型冷卻塔取消了填料，採用高效低壓離心霧化裝置將水噴射成微小霧滴，增大了傳熱面積，改善了冷卻效果，降低了運行及維護成本。

基本介紹

• 中文名：無填料噴霧式冷卻塔
• 外文名：No packing spray type cooling tower
• 性質：新型的冷卻塔
• 方法：採用高效低壓離心霧化裝置
• 目的：降低運行及維護成本

無填料噴霧式冷卻塔的發展

（1）下噴式噴霧冷卻塔

填料式冷卻塔如果使用在水質較差的系統中，塔內填料容易堵塞，另外填料易老化、變形、脆裂，易產生溝流現象，填料碎片還會堵塞工藝系統的設備和管道，影響氣、水原始分布，降低塔內的有效換熱面積。針對這些問題，國外首先開始試用下噴式噴霧冷卻塔，這是一種和傳統的填料式冷卻塔完全不同的新型冷卻塔。熱水通過塔上部的布水管從與之連線的多個噴頭向下噴灑，在塔內重新分布並與自下而上流動的冷空氣逆流接觸，水在冷卻塔內是呈霧狀與冷空氣換熱，大大增加了與冷空氣的接觸面積，使氣水接觸比表面積增大，與填料塔相比較，氣水接觸比表面積增大10%以上。另外，由於水在冷卻塔內呈霧狀，使塔內冷卻介質的流動阻力大大減小，與填料塔相比較，在冷卻空間對冷風的阻力從90～ 110Pa降至30Pa，阻力降低60%以上，風機、電機節電35%，通風量增大20%。

雖然下噴式噴霧冷卻塔有這些明顯的優勢，但是在下噴的過程中，如果水由於壓力或其它的原因無法充分地噴灑開來，有時甚至形成水流向下淌，不能使水呈霧狀，會影響氣水接觸的比表面積，水下落的速度也會較快，導致氣水換熱時間不足。如果出現這種情況，會減弱無填料噴霧塔的優勢，從而使得噴霧冷卻塔的降溫效果和填料式冷卻塔的降溫效果差別不大。從實際的使用情況來看，這種下噴式噴霧冷卻塔儘管還有一些方面有待改進，但基本上能夠滿足生產需要，目前國內有少數廠家採用這種塔型。

（2）上噴式噴霧冷卻塔

隨著冷卻塔技術的不斷發展，現在的噴霧塔大多由下噴式改為上噴式。在塔內設定多組向上噴霧的裝置，採用與冷風順向噴霧的方法，使冷卻具有順流和逆流兩個過程。首先，噴頭將水與冷風同向向上噴出，在順流換熱的過程中水滴被冷風吹散霧化，達到一定高度後霧化的細小水滴開始向下運動，與冷風逆流換熱。與填料塔和下噴式噴霧冷卻塔相比較，水在上噴式無填料噴霧冷卻塔內的換熱時間長，降溫效果要明顯優於前兩種塔。所以從操作過程來看上噴式塔保留了下噴式塔的優點，同時徹底解決了它的兩個主要缺點，即水不易形成霧狀和下落速度較快，使降溫效果得到了很大程度的提高。

目前這種塔型正在國內較大面積地推廣，從降溫效果上看，要比填料塔好得多，特別是在高溫水的降溫上更加明顯。同樣的條件下，採用無填料噴霧冷卻塔可降低溫度10℃左右，在降溫效果上具有很明顯的優勢。

基本原理

從熱力學角度，無填料噴霧冷卻塔和傳統填料冷卻塔都屬於濕式冷卻塔，主要通過水與空氣直接接觸時的熱濕交換進行熱量傳遞。熱濕交換的結果是熱量由水傳給空氣，水溫下降，空氣溫度和含濕量增加。

由熱力學理論可知，溫差是傳熱過程的推動力，而水蒸汽分壓力則是濕（質）交換的推動力。空氣與水接觸時，部分水吸收主體水的熱量，蒸發形成水蒸汽，水蒸汽很快進入附近空氣中，在水表面形成飽和空氣邊界層。飽和空氣邊界層和主流水之間存在熱傳導，同時與主流空氣之間存在分子擴散和紊流擴散。正是這些擴散作用，使得邊界層的飽和空氣與主流空氣不斷摻混，主流空氣越來越接近飽和狀態，因此，水與空氣的熱濕交換過程可以視為水蒸發吸熱過程、水與飽和空氣邊界層之間的導熱過程和主流空氣與邊界層空氣不斷混合過程的疊加。假定與空氣接觸的水質量無限大，空氣與水的接觸時間無限長，即在所謂極限條件下，那么全部空氣都能達到等於水溫的飽和狀態。而在冷卻塔系統中，極限情況就是水溫降低到進入冷卻塔的空氣初狀態下的濕球溫度。

眾所周知，冷卻塔的冷卻降溫效果取決於3個方面：（1）氣水比，即塔內冷卻空氣量與冷卻水量的比值；（2）塔內冷卻空氣和冷卻水接觸的比表面積；（3）冷卻水在塔內與空氣的換熱時間。無填料噴霧冷卻塔去除了填料，極大地減小了塔內系統阻力，增大了冷卻空氣量，從而增大了氣水比；同時，無填料噴霧冷卻塔通過噴霧裝置將冷卻水霧化成細小水滴，在換熱區內熱水滴與冷風進行顯熱交換和潛熱交換，增加了換熱面積，從而增大了氣液接觸的比表面積。

結構特點

1、無填料噴霧冷卻塔採用高效低壓離心霧化裝置作為冷卻元件取代了傳統的填料塔的填料和布水裝置，使整塔幾乎成為一個空塔，結構大大簡化。

2、無填料噴霧冷卻塔在取消填料和布水裝置後，將霧化裝置安裝在進風道上方，水的噴射方向與軸流風機抽吸的冷風同向，同時水有上升和下降兩個過程，冷卻也有順流冷卻和逆流冷卻兩個過程。

3、無填料噴霧冷卻塔是通過霧化裝置將水噴成霧狀，使空氣和水的微小粒狀均勻接觸，而填料塔是通過布水噴頭將水分布在填料上以膜狀與冷風接觸。

4、無填料噴霧式塔因填料取消，使塔體載荷大大減小，勿需更多支承梁板，土建結構簡化，節約土建投資。

優點

1、阻力小、冷卻溫差大、效果好

該型冷卻塔由於取消了填料，塔的系統阻力降至原來的1/2，在風機相同的情況下，由風機特性曲線可知，風量增至原來的1.2倍。氣水比也增至原來的1.2倍，因此冷卻溫差較填料塔大2℃。無填料噴霧式冷卻塔噴霧霧粒均勻、無堵塞、無維修、運行穩定可靠。由於無填料冷卻塔的冷卻元件（高效低壓離心霧化裝置）將水噴射成0.5mm微小霧滴，其比表面積遠大於水被填料分散成膜狀的比表面積，氣水傳熱表面積大，且布水均勻，避免了填料老化變形及堵塞而產生的死區、溝流等導致冷卻點溫度分布不均勻現象，冷卻效果明顯優於填料塔。

2、壽命延長

該型克服了填料塔填料老化、變形脆裂和布水噴頭堵塞及沖落、填料脆片堵塞管道、泵和換熱器等一系列影響塔和工藝系統設備性能的現象。其壽命較填料塔延長叄年以上。

3、運行費用低，後期維護費用少

節能效果顯著：低壓霧化裝置工作壓力僅為0.035MPa，比水壓自轉式霧化裝置工作壓力0.2MPa低0.17MPa，配套水泵功率大大降低。無填料噴霧塔系統阻力為填料塔的1/2左右，在冷卻水量、風機相同時，配套電機功率降至填料塔的60%，節能效果顯著，加之消除了清洗更換填料和布水噴頭的費用，運行費用大大降低。

無填料噴霧冷卻塔的改進思路

無填料噴霧式冷卻塔雖然比填料式冷卻塔在降溫上有了很大的改善，但是其結構和使用情況還不完善，仍然有待進一步改進。下面針對現有的噴霧冷卻塔在結構上的缺點提出幾點改進思路：

（1）利用塔內有效高度

現在的噴霧冷卻塔在噴頭設計上有一定的缺陷，因為在熱水上塔壓力較高時，由於目前採用的噴頭技術上的缺陷，水被噴頭噴出的高度有限，為了使向上噴出的水達到最高點（即以不飛出收水器為極限），噴霧噴頭的位置也相應較高，這樣液滴在下落時利用了塔內的最大高度，但噴頭以下的高度在水滴向上飛行過程中沒有利用，首先損失了水的壓力，其次使水在塔內的停留時間減少。在熱水上塔壓力較低的情況下，噴霧噴頭的位置就必須設計得較低，利用靜壓使熱水從噴頭噴出時具有一定的噴出速度，以保證熱水能形成噴霧狀態。但在這種情況下，液滴無法達到收水器的高度，噴頭上部的部分空間沒有被有效地利用，難以達到理想的冷卻效果。可以說，現有的噴霧式冷卻塔設計主要受噴頭噴水高度的限制，因此噴頭的結構設計還有待進一步地改進。

（2）減少噴頭數量，提高噴頭效率

水從噴頭飛出後以細小液滴的形式和空氣進行換熱是最佳的，但是塔內噴頭數量多，會導致相應的布水管線複雜，細小液滴在下落時遇到管線會在其外表面凝聚，形成小的水流向下淌，然後降落，這樣會減少水與空氣的接觸面積，降低冷卻效果。現有的噴霧裝置所使用的噴頭通常每小時的噴量是3噸，冷卻水量在500噸的冷卻塔需要噴頭多達167個，這樣多的噴頭需要在塔內分布很多的支管，從而使細小液滴在下落到這些支管上的時候凝聚。

現在使用的噴頭，水從噴孔噴出時只能旋出一層水流，如果能夠改進噴頭的結構，按角度和高度不同分出多層水流，則單個噴頭的噴量就會增加，這對於改善塔內的氣水分布也是很重要的。因此，如何使單個噴頭的設計噴量增加，減少噴頭數量，同時儘量使水均勻分布開來並形成細小的液滴，是將來噴頭設計時應著重考慮的一個問題。

（3）套用水流噴射技術

噴霧技術的套用在國外的研究已經達到了較高的水平，據美國Baitore Airced公司的最新設計成果，採用水流噴射技術，冷卻塔不但沒有填料，風機也省去了，但是熱水需要達到一定的壓力。熱水通過壓力噴頭噴向塔內，同時帶入大量的空氣，空氣和水流在塔內分散、擾動並充分地接觸，在接觸和蒸發過程中完成熱量的傳遞，使水得到充分的冷卻。由於沒有風機，這種冷卻塔的運行噪音較小。

一種無填料二次霧化噴霧冷卻塔

在無填料噴霧冷卻塔中，僅依靠噴霧裝置還不能將冷卻水霧化到理想的霧滴狀態，水滴粒徑仍比較大。同時，霧化後的小水滴在塔內分布也不均勻，通常是霧化噴嘴正下方的水滴分布密集，其它區域相對稀疏。另外，在塔內有一定的壁流現象，從而造成塔內冷卻水換熱不充分，影響冷卻塔整體的降溫效果。因此，為了改善上述缺陷，無填料二次霧化噴霧冷卻塔在採用旋流霧化噴頭的基礎上增加了二次霧化裝置，來增強其霧化效果。

塔體概述

無填料二次霧化噴霧冷卻塔的基本結構如圖所示。

從上到下主要由電動機、風機、收水器、進水管、漩流霧化噴頭、二次霧化裝置、進風百葉窗、集水盤、出水管和支座組成，是一種新型的實驗階段的噴霧冷卻塔。在塔內均勻設定了多個向下噴霧的漩流霧化噴頭，與常規的噴霧冷卻塔不同，它不僅採用了新型的漩流霧化噴頭，而且在霧化噴頭下方還布置了二次霧化裝置。熱水在水泵加壓後通過塔上部的布水管從與之連線的多個漩流霧化噴頭向下噴灑形成霧化水滴。高速的霧化水滴與布置在霧化噴頭下方的二次霧化裝置碰撞使水滴再次霧化，在塔內重新分布並與自下而上流動的冷空氣逆流接觸。水在冷卻塔內是呈霧狀與冷空氣換熱，大大增加了與冷空氣的接觸面積，使氣水接觸比表面積大大增大，同時，使水滴重新分布，更加均勻。

霧化部件介紹

1、漩流霧化噴頭

現有霧化噴頭，通常採用離心原理，將進水通過噴嘴和空氣混合霧化，這類噴頭的缺點是噴射霧滴的直徑隨進入噴頭的壓頭相關性很高，在水壓偏低的系統霧滴粒徑偏大，影響了水滴的傳熱傳質。同時由於噴嘴的噴射擴散角較大且存在中空現象，在小型塔容易產生壁流和水滴分布不均現象。無填料二次霧化噴霧冷卻塔採用了一種霧化均勻且避免中空噴水的漩流霧化噴頭，如圖所示。

對應不同的水質，漩流霧化噴頭採用工程塑膠或者不鏽鋼製成。漩流進水管與供水乾管採用螺紋連線，進水管內徑同時與漩流腔內圓、漩流腔底面相切。漩流腔為圓柱體，漩流腔上部與漩流收縮腔連線。漩流收縮腔為圓錐體結構，漩流收縮腔與漸縮噴管和漸擴噴管組成的霧化噴嘴相連。漸縮噴管和漸擴噴管採用拉法爾噴管形狀設計。漸擴噴管與噴嘴出口連線，噴嘴出口四周設有噴嘴引風孔和遮水沿。噴嘴引風孔直徑為1mm~3mm，遮水沿高度為3mm~10mm。噴嘴出口與噴嘴引風孔和遮水沿組合控制擴散角度和淋水均勻性。其工作原理為：經過水泵加壓後，水從漩流進水管沿切線進入漩流腔，隨著水向漩流腔的中心流動，曲率半徑越小，根據角動量守恆原理，其切線速度越大，在進入漸縮噴管和漸擴噴管時，水具有較高的旋轉速度，較高的切線旋轉速度有利於水滴克服表面張力形成較小的霧化水滴；水高速流出漸擴噴管時帶動噴管出口區域的氣體流動使得噴管的出口區域形成負壓，從而使氣體通過噴嘴引風孔進入噴頭，強化水滴的霧化，同時由於噴嘴引風孔的空氣流動方向是向中心引風，與出水方向相交，一方面強化了傳熱交換，另一方面使得部分水滴落在中心區域，緩解了霧化噴頭中空現象；在噴嘴的四周布置了遮水沿，可以有效地控制水滴噴射流的擴散角度，從而減少壁流現象的發生。

2、二次霧化裝置

由於受水壓和霧化噴頭本身結構的限制，水經噴頭霧化後的水滴直徑具有一定的限值，為了得到更小直徑的水滴或霧滴，在無填料噴霧冷卻塔中引入一種二次霧化裝置，從而通過輔助手段來達到二次霧化水滴的目的。二次霧化裝置為格柵狀，材質為鋁合金，厚度為15mm，格柵孔為邊長10mm的小正方形，小正方形邊厚為0.5mm。其工作原理為：水經漩流霧化噴頭噴出後，形成快速下降的水滴，由於霧化噴頭具有一定的擴散角，因此水滴下降與豎直方向具有一定的夾角。當快速下降的水滴與二次霧化裝置碰撞時，一部分水滴直接撞在格柵孔邊緣上而被切成更小的水滴，大部分水滴會與格柵孔的側面碰撞而分裂成許多更小的水滴，從而達到二次霧化水滴的目的，增大水滴與空氣的接觸面積。同時，二次霧化裝置還具有整流作用，水滴與二次霧化裝置碰撞後，在塔內重新均勻分布，有效避免了水滴分布疏密不均的現象，有利於水與空氣的充分換熱。