于 洋，刘志刚

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

工业生产过程中往往会产生大量的热量，导致产品或生产设备温度上升。为了保证产品质量和生产设备的运行安全，可通过冷却介质带走生产过程中产生的部分热量。水分子由于具有极大的极性和很强的生产氢键的能力，导致水的内聚力很大。要改变水的形态，需要较多的热量和温度，也就是说水具有储存或放出较多热量的能力。正是因为水的这种特性，且容易获得、价格便宜，所以水常常作为冷却介质被广泛使用。

1 冷却构筑物的分类

利用水的蒸发及空气与水的传热原理带走水中的热量、降低水温的构筑物称为冷却构筑物。水的冷却构筑物包含水面冷却池、喷水冷却池及冷却塔3种[1]。水面冷却池作为最早使用的一种冷却系统，其原理是利用自然蒸发使已吸收热量的水冷却后再循环使用。它的特点是冷却过程较缓慢、效率较低、冷却温差较小、占地面积大、能耗较少、管理运行方便。

2 水面冷却池

水面冷却池是利用水体自然水面通过蒸发、对流、辐射等方式向大气中传质、传热，从而散除水中热量的敞开式冷却构筑物（自然或人工建造）[1]，一般分为两种。

1）水面面积有限的水体，包括水深小于3 m的浅水冷却池（池塘、浅水库、浅湖泊）和水深大于4 m的深水冷却池（深水库、深湖泊等）。其中，浅水冷却池因为水深不足3 m，正处于吸收太阳短波辐射量较多的范围，水流以水平流向流动为主，只能依靠水面散热来降低水温。深水冷却池因为水深超过3 m，水温递减速度快，形成自然条件下的冷热水分层，且水池越深，分层效果越明显，温差越大。由于产生温差异重流，冷却后的冷水下沉，热水上浮，两者的对流有利于表层热水的散热冷却。因此，深水冷却池相对浅水冷却池来说效果更好，能有效地改善运行的经济合理性。

2）水面面积很大的水体或者水面面积相对冷却水量很大的水体，包括河道、大型湖泊、海湾等。利用此类自然水体冷却循环水时，需注意以下几点：（1）无论处于枯水期还是丰水期，水体的水量、水质和水温均应满足工业企业取水和冷却的要求；（2）应征得水利、农业、渔业、航运、海洋、海事和环境保护等相关部门的许可方能采用[2]；（3）存在水利工程管理单位向工业企业征收的供水费问题。因此，是否采取利用自然水体冷却循环水的方案，取决于工程的具体条件和技术经济综合分析。

排入冷却池热水的排水口高程上应接近自由水面，出流平顺，保证水面平静，有利于散热。取水口应在池底淤积层以上热水层以下的冷水层，保证水质水温满足要求。为了充分地利用池面与大气的热交换，应尽量使水流分布均匀，减少死水区。

3 工程应用案例

某铜冶炼项目需对渣包进行喷淋冷却处理，渣包运至渣缓冷场后，先空冷24 h，再喷淋水冷54 h。

3.1 工艺条件

渣包喷淋冷却水要求水温不得高于60℃，喷淋后排水水温为65℃。给水量为280 m3/h，回水量为270 m3/h。

3.2 冷却工艺及设备配置

1）冷却工艺。常规采用的冷却工艺为机械通风冷却循环供水方式，即渣包喷淋热水—回水管（沟）—热水池—热水泵—冷却塔—冷水池—冷水泵—渣包喷淋用水。根据该工程对喷淋冷却水的水温差要求不高和自身的水质情况，考虑采用自然冷却的方式。具体的流程为：渣包喷淋热水流至排水沟，汇合后流入露天混凝土冷却池；露天冷却池内热水通过自然散热的方式降温，冷却后的水经回水泵用于渣包喷淋用水。为保证水质，在回水泵出水管上设置全自动自清洗过滤器1台。正常情况下，冷却池补水采用厂区回用水供给；当厂区回水用水系统停止供水时，为厂区生产给水供给。

2）设备配置。设置自吸式回水泵2台，1用1备，单台性能为：流量Q=300 m3/h，H=33 m，N=75 kW。另配套自清洗过滤器1台，Q=300 m3/h，N=0.25 kW。

3.3 设计计算

损失的热量包括水池表面蒸发损失的热量，池壁、池底传导、管道等损失的热量，补充水加热损失的热量3部分。

1）水池表面蒸发损失的热量（Qs），按公式[3]计算可得：

式中：Qs为池水表面蒸发损失的热量，kJ/h。β为压力换算系数，可取133.32 Pa。ρ为水的密度，取1 kg/L。γ为与池水温度相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热，kJ/kg。μw为水池水面上的风速，m/s。一般 μw按下列规定采用：室内水池μw=0.2～0.5 m/s；露天水池μw=2～3 m/s取2 m/s。Pb为与水池水温相等的饱和空气的水蒸汽分压力，Pa，取60°C时对应的值为19 933 Pa；Pq为水池的环境空气的水蒸汽压力，Pa，取28°C时对应的值为3 781.5 Pa；As为水池的水表面积，m2；B为标准大气压力，Pa；B’为当地的大气压力，Pa。

2）池壁、池底传导、管道等损失的热量（Qt），一般按水池表面蒸发损失的20%计算。

3）补充水加热损失的热量（Qb），按公式[3]计算可得：

式中：Qb为补充水加热损失的热量，kJ/h；c为水的比热，4.187 6 kJ/（kg·℃）；Vb为水池每日的补充水量，L/d；为 10 m3/h，即 240 000 L；Td为水池设计温度，取60℃；Tf为水池补充水的温度，℃；th为加热时间，h。

4）可冷却的循环水量（Q），按公式[4]计算可得：

式中：Q为可冷却水量，m3/h；t1为排水温度，取65℃；t2为取水温度，取60℃。

因H=Qs+Qt+Qb，综合上述公式计算得出As=191.2 m2。根据水池的水表面积As=191.2 m2，设计露天冷却池尺寸为15 m×15 m，深度4 m，底部预留0.6 m的淤积层。冷却池布置在较空旷的场地，并设置DN100的厂区回用水管和DN100的厂区生产给水管用于补水。通过设置在回水泵出口管道上的温度计对水温进行监测，使水温无论在冬季及夏季均满足工程要求。

4 结语

本项目通过设置露天冷却池及回水泵满足了工程要求。与同规模常规方法相比，少设置了冷却塔、热水泵、热水池等设备及构筑物，占地节省近半，电机功率节省150 kW，但冷却池表面经常有雾气存在。当项目对喷淋冷却水的水温差要求不高、冷却水量不大，且周边环境要求不严时，可考虑采用自然冷却的方式。