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1、冷却塔供冷系统设计中应该注意的问题郑 钢 宋 吉 (上海通惠开利空调设备有限公司)摘 要 针对冷却塔供冷系统中的供冷形式的选择、 供水温度的选择、 切换温度的确定、 冷水温度的控制以及冷却水泵与系统的匹配等问题进行讨论。关键词 冷却塔 供水温度Some problems of design for cooling tower systemZheng Gang Song Ji(Shanghai Tonghui2Carrier Air Conditioning Equipment Co. ,Ltd. )ABSTRACT Discusses some problems such as water s
2、upply temperature , switch temperature ,cold water temperature ,the match between water pump and system and so on.KEY WORDS cooling tower ;water supply temperature冷却塔供冷利用自然冷源,解决冬季、 过渡季 某些建筑的供冷需要,减少制冷机运行时间,从而 得到显著的节能效果。笔者针对冷却塔供冷系统 设计和运行中的几个问题,如供冷形式的选择、 供 水温度的选择、 切换温度的确定、 冷水温度的控制 以及冷却水泵与系统特性的匹配等进行了讨论。
3、1 供冷形式的选择 冷却塔供冷大致有如下4种形式:1)开式冷 却塔加过滤器;2)开式冷却塔加热交换器;3)封 闭式冷却塔;4)制冷剂的自然循环。这4种形式 各有特点,在供冷形式的选择时应该加以考虑。1. 1 开式冷却塔加过滤器(直接供冷系统) 在夏季,系统的工作与常规空调的运行一致, 但在过渡季,当环境温度足够低时,从冷却塔来的 冷却水就直接进入冷冻水系统进行循环,包括进入 空调系统的末端调节装置内,如风机盘管、 诱导器 等,如图1所示。从能源节约的角度来讲,这样的 系统效果最好。不过,开式直接供冷系统需要将冷 却水系统与冷冻水系统相连通,这样相对较脏的冷 却水会污染干净的冷冻水系统,极易堵塞
4、冷冻水系 统中的末端空调装置。为减少冷却水对管道的堵塞和腐蚀,系统采用专门的水处理设备和专门的过滤器。加过滤器的 系统分为2种:一种为全过滤系统,如图1a所示; 一种为部分过滤系统,如图1b所示。全过滤系统 意味着系统中所有的杂质将经过过滤器,从根本上 消除阀门和换热器堵塞的可能性,但是有些污物会 留在滤料中,增加了水泵的扬程。部分过滤的优点 是不增加系统的水泵扬程,可以在需要的时候回洗, 而且不需要有过多的滤料,分流量的大小取决于水 质的好坏,大约为泵额定流量的5 %10 %。 关于水处理方面的问题,应用直接供冷系统需 要承担较高的水处理费用,但是其换热效果是最好 的,仅1个水泵运行,而且不
5、需要增加任何换热器, 这是在选择时所作的综合考虑。1. 2 开式冷却塔加热交换器(间接供冷系统) 间接供冷系统的布置如图2所示,加装一个板 式换热器与制冷机组并联,从冷却塔来的冷却水通 过换热器与闭合环路中的冷却水进行热交换。因 此冷却水系统和冷冻水系统是隔离的,从而避免了 冷冻水系统被污染、 腐蚀和堵塞问题。板式换热器 在中温低压的水循环中是最适用的,体积小,换热 能力强,能够最小程度地减小换热温差。但是间接 供冷系统的缺点就是对能量的利用效率不及直接第6卷 第2期 2 0 0 6年4月 制 冷 与 空 调REFRIGERATION AND AIR - CONDITIONING 75278收
6、稿日期:2005203229通讯作者:郑钢,Email :gelenzheng 图1 开式全过滤直接供冷系统(a) ,开式部分过滤直接供冷系统(b)供冷系统,换热温差加大,而且间接供冷时需要运 行两套水泵系统,另外热交换器以及相应的阀门和 控制系统也增加了初投资。1. 3 封闭式冷却塔 闭式系统(图3)与开式直接供冷系统的相似 之处在于它也是用从冷却塔供给的冷却水直接进 行供冷。不同的是它的冷却水系统是封闭的,冷却 水未暴露在大气或灰尘中,这样解决了堵塞问题。但冷却塔的出水温度比开式冷却塔高。在夏季正 常运行时,降低了冷却塔的效率,过渡季降低了冷 却塔供冷的节能效果,而且冷却塔的盘管还需要另外
7、的防冻保护。1. 4 制冷剂的自然循环(图4)在夏季,此系统和传统系统的运行是一样的。在过渡季或冬季大气温度降低时,冷凝器和蒸发器 之间的阀门被打开,允许制冷剂蒸汽进入冷凝器, 同时液态制冷剂靠重力流到蒸发器,此时压缩机不 工作。由于热交换受到制冷剂相变的限制,实际负 荷能力往往低于25 % ,因此只能在一年中很少的时间内才能采用,满负荷对于制冷剂迁移循环式冷 却塔是不可能的。从上面的分析可以看出,这4种方式各有优缺67制 冷 与 空 调 第6卷 图4 制冷剂自然循环系统点,在选择时要综合考虑正常运行和冷却塔供冷运 行两种情况,根据地区气候差异、 建筑功能差异、 初投资和运行费用来决定冷却塔供
8、冷形式。一般说来采用开式直接供冷和间接供冷的较多,因此笔者 将重点分析这2种形式。2 供水温度和切换温度的选择2. 1 供水温度的选择 供水温度的选择需根据如下因素加以综合考虑。1)潜在的冷量需求和可以允许的相对湿度的 限制;2)过渡季或冬季显热负荷的大小;3)建筑物空调系统末端装置的运行特性。4)在变风量系统中,由于冷冻水温度上升所导致的风机能量的消耗与增加。2. 2 切换温度的选择切换温度是指从常规的机械制冷切换到冷却 塔供冷时的大气湿球温度。切换温度与供水温度关系密切,供水温度越高,其相应的切换温度也越高,能利用冷却塔供冷的时间就越长。供水温度要 求的限制决定了切换温度。另外需要说明的一
9、个定义是冷幅,也就是冷却塔供水温度与大气湿球温 度的差值,切换温度根据供水温度与冷幅之差而得 到。一些文献中以及一些暖通设计人员将冷幅看作一定值,而且认为冷幅是按照夏季冷却塔正常工作 时的工况来确定,这样的做法是不对的。 从冷却塔工作原理可以看出,冷却塔能将水温降低的原因在于,水在蒸发过程中需要吸收热量从 而使没有蒸发的水温度降低,水温降低的程度取决 于蒸发水量,蒸发水量取决于空气的饱和程度。当 空气的含湿量饱和后,没有水的蒸发,只有空气和水的显热交换就很难再降低水的温度,供水温度的 极限是空气湿球温度,即冷幅为零时,当然这是理 想情况,冷却塔需要无限大。夏季空气温度高,空 气含湿量较高,因此
10、冷幅较小,当湿球温度为28 时,一般的冷却塔的冷幅为4,即供水温度为32。但是当空气温度下降后,空气的饱和含湿量 会减小,水分的蒸发会减少,水温的下降也会减少, 冷幅会变大。对于上述的冷却塔,当空气湿球温度 为7 时,冷幅增加到8,出水温度为15,将无 法满足设计者设想的11 供水温度的要求。所以,在确定切换温度时要考虑到冷幅变化影 响。计算过程为:1)根据冷却塔生产厂家的试验数据,可以回 归 得 到 冷 幅 T关 于 湿 球 温 度Ts的 方 程 T=f ( Ts) ,按照一次函数或二次函数的形式就能满足精度要求;2)根据供水温度Tw=Ts+T,得到Tw=Ts+f ( Ts) ,求解此方程就
11、能得到供水温度Tw时的切换温度Ts。 如上海地区,冷却塔的供水温度设为13,对 某品牌逆流强迫通风型冷却塔上海冬季运行的试 验数据回归,可得冷幅与湿球温度的关联式为T= - 0. 19Ts+ 9. 33。然后可得供水温度与切换温 度的关系为Tw= 0. 81Ts+ 9. 33。最后,将供水温 度13 输入上式,可计算出切换温度为4. 5。 通过上述计算发现,如果供水温度设为13, 切换温度是4. 5。对于间接供冷系统中,还需要考虑板换的换热温差(一般为2) ,也就是设定水 温13 时,冷却塔的出水温度只能有11,带入上 式计算可知切换湿球温度为2,供冷时间减少。 解决这个问题的方法有三个,一是
12、尽可能的选 择较高的供水温度。另一是改变冷却塔设计标准, 也就是说冷却塔的设计将遵守过渡季节或冬季的 标准,而不是夏季标准。如设计标准定湿球温度为7 时,冷却塔的冷幅为4,这样能增加过渡季 的使用时间。但是这样设计的冷却塔对于夏季工况来说就会很大,冷却水温度太低,使得制冷机组的 冷凝温度太低,也不利于系统的稳定,并且成本也会 大幅上升。第三种方法就是充分利用冷幅,在冷却塔77第2期 郑钢等:冷却塔供冷系统设计中应该注意的问题 供冷时,将在夏季时作为备用的冷却塔加以利用。3 冷水温度的控制 冷却塔供冷系统运行时,采用供水温度尽可能 高,并能满足需要的冷水供给系统,增加冷却塔的 供冷时间,为了实现
13、最大程度的节能效果,就需要对冷水水温进行控制。 用三通阀控制冷却盘管,并且反馈一个位置信 号给控制系统。控制系统通过一个简单的控制方 式来定期检查所有阀门是否全部开启,如果所有阀 门未全部开启,冷水的设定温度就能升高一个单位步长的调节温度,如0. 25。一段时间后(具体时 间由系统的反应时间来确定)再次检查阀门的开启 度,如果仍然没有全部开启,那么冷水温度的设定 值就再升高一个步长。相反,如果控制系统检测到 系统的所有阀门全部开启,那么将设定温度降低一个步长。 这种控制方法在制冷系统中经常使用,但对于 冷却塔供冷来说,就显得尤为重要,因为能够增加 冷却塔的供冷时间,从而使节能效果更加显著。4
14、水泵特性分析对于间接供冷系统,在冷却塔供冷和夏季正常 工作时均为两套水泵各自工作,水泵的工作特性没 有大的改变,因此对于按照夏季工况设计的水泵在 过渡季供冷运行时将不会产生较大的问题。但对 于直接供冷系统,则只采用一套水泵工作,通常情况下,由于蒸发回路的阻力要小于冷凝回路的阻 力,并且冷冻水泵经常被用来作变流量供给,控制 系统也很复杂,会出现冷却塔的流量低于最小流量 的情况。因此,选择冷却水泵而不是冷冻水泵作为 直接供冷系统的水泵。由于阻力特性的差别,可能会出现下面几种情况:1)冷却水泵的额定流量大于系统要求,但其 额定扬程比系统要求要低。冷却水泵将会降低流 量提高扬程,这种情况下只需检查流量
15、是否满足冷 却塔的最低流量要求。2)冷却水泵的额定流量小于系统要求,但其额定扬程比系统要求高。冷却水泵将会降低扬程、 增大流量。当流量变化较大时,必须检查大流量时 电机功率的增加是否在允许范围之内,否则水泵将 出现过载而烧毁,同时还要确定冷却塔是否能承担 所增加的流量。3)冷却水泵的额定扬程低于系统要求,流量 与系统要求大体一致。这种情况下检验是否有用 回路较多的冷凝器的可能性,来减少系统的阻力, 并且还能提高制冷机的效率。如果无法改变,另外 一种办法是将冷却水泵的出口和冷冻水泵进口相连接,串联两套水泵系统运行。4)冷却水泵的额定扬程和流量都低于系统要 求,此时可以考虑加装多台冷却水泵或将备用
16、水泵 也投入运行,变化开启台数以适应冷却塔供冷时系 统扬程和流量的要求。5 结束语1)冷却塔四种冷形式各有利弊,在选择时要 根据地区气候差异、 建筑功能差异、 初投资和运行 费用来决定冷却塔供冷形式。2)供水温度选择要尽可能的高,这样能增加系统的供冷时间,最大程度地利用 “免费” 冷源。切 换温度的选择要考虑冷幅变化的影响。3)冷水温度的合理控制也能增加系统的供冷 时间。4)要仔细计算水泵特性,否则水泵扬程、 流量达不到系统要求,严重时还会使水泵过载而烧毁。参 考 文 献1 周松.用冷却塔代替制冷机供冷的应用及分析.安装, 2000 ,(4) .2 曹琦,付晓光,谢明华.冷却塔供冷的工程实现.制冷与空调, 2001 ,(5) .3 马最良,孙宇辉.冷却塔供冷技术在我国应用的模拟与预测分
