本文通过对饱合聚酯树脂生产线的冷却循环水系统进行流体力学和热力学分析，发现原冷却水流程存在严重的设计缺陷，改进后的冷却水流程可为公司年节电近百万千瓦时。

在化工生产领域，由于生产工艺流程中温度控制的需要，冷却循环水系统是其中的重要组成部分。其中水泵作为循环水的动力源是能源消耗的主要设备。如何根据工艺要求，选择合适的水泵及安装位置是我们设备管理及技术人员的职责所在。下面通过对我公司现用的冷却系统进行流体力学及热平衡计算，以此为依据，进行合理的水泵选型和定置，为公司降低成本和节能减排作出了重要贡献。

聚酯树脂生产中冷却系统的组成包括：冷却介质（水）、水泵、连接管道、热交换器（U型换热器和横冷凝器）、冷却塔。

冷却工艺路线的比较

原冷却水工艺路线

所有循环冷却水均取至1楼水池，流入U型换热器和横冷凝器的冷却水直接进冷却塔，然后回流到一楼水池；钢带冷却回水回流到一楼水池，与冷却塔回水混在一起降温（如图1）。

改造后冷却水工艺路线

U型换热器和横冷凝器循环水共用一台水泵，取水口在楼顶水池，然后再回流至冷却塔进行降温；钢带上水的取水口也设在楼顶水池，自流至钢带，再从钢带回流到一楼水池；钢带高温回水和冷却塔补水混在一起由水泵从一楼水池提升到冷却塔进行冷却，高出限定水位的循环水回流到一楼水池（如图2）。

冷却系统的流体力学及热平衡计算

原管路的流体力学和热力学分析

a、U型换热器管道的沿程损失和局部损失计算（管道直径：d=￠89，管长L=66m；水泵流量：Q=50m3/h；12只弯头,局部损失系数ζ1=0.291；2只蝶阀,局部损失系数ζ2=0.15；常温下水的平均运动粘性系数：γ=1.3×10-6m2/s）。

管道内水的流速：v=Q/（T×S）=50/（3600×0.04×0.04×3.14）=2.76m/s（式中T表示时间，单位：秒；S表示截面积，单位：平方米，下同）。雷诺数： Re=vd/γ=（2.76×0.08）/（1.3×10-6）=169846>2000；沿程阻力系数： λ=0.3164/（Re0.25）=0.0156；沿程损失： hl=λ×L×v2/（2d×g）= 0.0156×66×2.762/（2×0.08×9.8）=5m（水柱）；局部损失： h2=（12×ζ1+2×ζ2）×v2/（2×g）=（12×0.291+2×0.15）× 2.762/（2×9.8）=1.47m（水柱）；取水口与冷却塔出水口高程：h=20m；水头损失： H=5+1.47+20=26.47<32m。

因此原水泵选型可以使用。

b、横冷凝器管道的沿程损失和局部损失计算（管道直径：d=￠100，管长L=66m、水泵流量：Q=33.3m3/h、12只弯头,ζ1=0.291、2只蝶阀, ζ2=0.15）。

管道内水的流速：v=Q/（T×S）=33.3/（3600×0.05×0.05×3.14）=1.178m/s。雷诺数： Re=vd/γ=（1.178×0.1）/（1.3×10-6）=90615.4>2000；沿程阻力系数：λ=0.3164/（Re0.25）=0.0182；沿程损失：hl=λ×L×v2/（2d×g）= 0.0182×66×1.1782/（2×0.1×9.8）=0.85m（水柱）；局部损失： h2=（12×ζ1+2×ζ2）× v2/（2×g）=（12×0.291+2×0.15）× 1.1782/（2×9.8）=0.27m（水柱）；取水口与冷却塔出水口高程：h=20m；水头损失：H=0.85+0.27+20=21.12<32m。

因此原水泵选型可以使用。

c、钢带上水泵管道的沿程损失和局部损失计算（管道直径：d=￠50，管长L=20m、水泵流量：Q=25m3/h、7只弯头,ζ1=0.291、2只蝶阀, ζ2=0.15、γ=1.3×10-6m2/s）。管道内水的流速：v=Q/（T×S）=25/（3600×0.025×0.025×3.14）=3.5m/s；雷诺数： Re=vd/γ=（3.5×0.05）/（1.3×10-6）=134615.4>2000；沿程阻力系数： λ=0.3164/（Re0.25）=0.0165；沿程损失： hl=λ×L×v2/（2d×g）= 0.0165×20×3.52/（2×0.05×9.8）=4.125m（水柱）；局部损失： h2=（7×ζ1+2×ζ2）× v2/（2×g）=（7×0.291+2×0.15）× 3.52/（2×9.8）=1.46m（水柱）；取水口与进钢带出水口压高程：h=7m；水头损失： H=4.125+1.46+7=12.585<32m。

因此原水泵选型可以使用。

d、原热平衡计算

冷却塔和热媒炉的校核：

公司使用的是上虞市大地制冷设备有限公司生产的200m3/h型号，标准冷却参数：在气温31.5℃时，进水口温度37℃，出水口温度32℃。按此计算，其冷却效果为100万大卡热媒炉的供热量。公司按现在每一条线配一台100万大卡热媒炉和冷却循环水量计算冷却塔的数量为8只（冷却塔最大处理水量：38400t/d>36000t/d，满足使用要求）。

一楼水池水温的平衡，现阶段一楼水池内水的热量来源只有钢带冷却水。其带来的热量可由以下数据确定：

取聚酯树脂的比热容：0.6卡/℃.克（水的比热容：1卡/℃.克；甘油的比热容：0.566卡/℃.克；聚酯比热容按0.6卡/℃.克计算）、每釜聚酯树脂重：6t。

导热油的比热容：0.368卡/℃.克（生产厂提供资料）、反应釜中导热油重：1t。

每釜成品聚酯降温时放出的热量（大卡）：Q=0.6×（190-30）×6000=57.6万（大卡）；1条线一昼夜4釜料降温时通过钢带释放的热量（大卡）：Q1=57.6×4=230.4万（大卡）；1条线一昼夜4釜料降温时通过热交换器放出的热量（大卡）：Q2=（0.6×（240-190）×6000+0.368×（240-190）×1000）×4=79.36万（大卡）；把这些热量进行热交换所需循环水量：Q水=200×（230.4+79.36）/100=618.72t；6条线钢带冷却所需总循环水量：Q总水=200×（230.4+79.36）×6/100=3712.32t；1条线4只水泵一昼夜的循环水量：Q泵=50×3×24+100×1×24=6000t；6条线24只水泵昼夜总循环水量：Q总泵=6000×6=36000t。

由于聚酯降温时有部分热量（1/4）是通过U型热交换器带走的，因此实际需要通过热交换的水量应小于现在的统计量，只有水泵最大供水量的1/10，小于2800t，因此一楼水池水温可以平衡。

改造后管路的流体力学和热力学分析

a、横冷凝器、U型换热器管道的沿程损失和局部损失计算（管道直径：d=￠89，管长L=83m；水泵流量：Q=50m3/h；18只弯头,ζ1=0.291；3只蝶阀,1只三通阀， ζ2=0.15；1只进水滤网，ζ3=6 ；γ=1.3×10-6m2/s）管道内水的流速：v=Q/（T×S）=50/（3600×0.04×0.04×3.14）=2.76m/s；雷诺数：Re=vd/γ=（2.76×0.08）/（1.3×10-6）=169846>2000；沿程阻力系数：λ=0.3164/（Re0.25）=0.0156；沿程损失：hl=λ×L×v2/（2d×g）= 0.0156×83×2.762/（2×0.08×9.8）=6.29m（水柱）；局部损失：h2=（18×ζ1+4×ζ2+ζ3）× v2/（2×g）=（18×0.291+4×0.15+6）× 2.762/（2×9.8）=4.6m（水柱）；冷却塔进口水压：h=3.86m（生产厂提供）；水头损失=6.29+2.27+4.6=13.16<20m，因此该水泵可使用。

b、钢带上水管道自流流量计算（管道进出水管口压差：△P =11m水柱、管道直径：d=￠65，管长L=37m；原水泵流量：Q=25m3/h；1只进水滤网，ζ1=6；4只弯头, ζ2=0.291；2只蝶阀, ζ3=0.15；γ=1.3×10-6m2/s）原设计流量管道流速：v=Q/（T×S）=25/（3600×0.03252×3.14）=2.094m/s；雷诺数：Re=vd/γ=（2.094×0.065）/（1.3×10-6）=104700>2000；沿程阻力系数：λ=0.3164/（Re0.25）=0.01759；管道出口流量：Q=μcA（2g△P）0.5；流量系数：μc=1/（1+∑λiLi/di+∑ζi）0.5；μc=1/（1+0.01759×37/0.065+6+4×0.291+0.15×2） 0.5=0.233；Q=0.233×0.03252×3.14×（2×9.8×11） 0.5=0.01135m3/s=40.85m3/h>25m3/h。

因此，这种取水方式可以满足使用要求。

c、同理，应用上述计算公式，对于钢带回水和冷却塔补水共用的水泵，可以方便地得到放心使用的结果。

d、冷却塔数量的校核：

6条生产线每天循环水量合计：（50×3×6+（100+50））×24=25200t。冷却塔的数量可减少到6只（冷却塔最大处理水量：28800t>25200t,满足使用要求）。

e、一楼水池水温的平衡

6条线一昼夜24釜料降温时通过钢带释放的热量（大卡）：Q6=230.4×6=1382.4万（大卡）。6条线钢带冷却所需总循环水量：Q总水=200×1382.4/100=2764.8t。

原统计平均日冷却塔蒸发水量：200t。

1台100m3/h流量和1台100m3/h的水泵一昼夜进冷却塔的水量：Q进冷却塔水量=100×24+50×24=3600t＞2764.8t+200t。因此，一楼水池水温可以平衡。

冷却系统的进一步节能措施

由于U型换热器只在物料保温和降温时使用，总用时约8h。因此，可以在这个串联冷却回路中安装一个远程控制三通阀，在U型换热器不工作时，切断进U型换热器的水流，使横冷凝器冷却回水直接回流至冷却塔。这样可以减小部分水泵电机的负荷，有一定的节能效果。

U型换热器管道的沿程损失和局部损失计算（管道直径：d=￠89，管长L=40m；水泵流量：Q=50m3/h；6只弯头,局部损失系数ζ1=0.291；2只蝶阀, 局部损失系数ζ2=0.15；常温下水的平均运动粘性系数：
γ=1.3×10-6m2/s）管道内水的流速：v=Q/（T×S）=50/（3600×0.04×0.04×3.14）=2.76m/s。雷诺数： Re=vd/γ=（2.76×0.08）/（1.3×10-6）=169846>2000；沿程阻力系数：λ=0.3164/（Re0.25）=0.0156；沿程损失： hl=λ×L×v2/（2d×g）= 0.0156×40×2.762/（2×0.08×9.8）=3.03m（水柱）；局部损失： h2=（6×ζ1+2×ζ2）×v2/（2×g）=（6×0.291+2×0.15）×2.762/（2×9.8）=0.795m（水柱）；总压力损失：H= hl+ h2 =3.03+0.73=3.76m。

每只U型换热器工作8?h/d计算节能量（水泵效率：0.73）：Q电=3.76×50×（24-8）×1000×9.8/3600/0.73=20kwh；6条线18只U型换热器年总节电量（按320天）：Q总电=20×18×320=11.52万kwh。

小结

此次冷却系统改造后，按6条线生产线年生产320天计算，可节电约78.72万kwh，为公司节能减排作出了重要贡献。

通过对公司现有的冷却系统进行流体力学和热力学分析，发现原设计流程的缺陷，找到了解决问题的方法。

运用所学知识对现有工艺流程进行科学分析，改进现有流程，找出并解决目前存在问题，对从事设备管理的人员有一定的借鉴作用。