空調(diào)水系統(tǒng)中的冷卻塔節(jié)能性研究論文
摘 要：通過分析不同因素對(duì)冷卻塔冷卻能力的影響，從運(yùn)行過程中節(jié)約風(fēng)機(jī)、水泵等能耗的觀點(diǎn)出發(fā)，總結(jié)了利用冷卻塔節(jié)能的各種實(shí)施方法。室外空氣濕球溫度，入口水溫，及冷卻水量的變化都將引起冷卻塔冷卻能力的變化。為了用戶的最大限度節(jié)能，冷卻塔的生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)與制造過程中應(yīng)多考慮冷卻塔的自控功能，并且提供冷卻塔在冬夏兩種工況的熱工參數(shù)。
關(guān)鍵詞：冷卻塔；溫度調(diào)節(jié)器；節(jié)能；冷卻塔供冷
冷卻塔被廣泛地應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)及工業(yè)設(shè)備的冷卻水系統(tǒng)。對(duì)于空調(diào)用戶而言，冷卻塔的功耗在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗中也占有一定的比例，而且由于其使用頻率高，累計(jì)能耗是十分可觀的。從節(jié)能的角度講，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中冷卻塔的耗能給予同樣的重視，系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)整體考慮。為了適應(yīng)越來越高的節(jié)能要求，我們應(yīng)該分析影響冷卻塔冷卻能力的因素，從運(yùn)行過程中節(jié)約風(fēng)機(jī)、水泵等能耗的觀點(diǎn)出發(fā)，找出冷卻塔節(jié)能的各種實(shí)施方法，在能源日趨緊張的今天，是一項(xiàng)十分有意義的工作。
當(dāng)前，國內(nèi)外冷卻塔的節(jié)能研究(以機(jī)械通風(fēng)濕式塔為主)主要集中在以下幾個(gè)方面：
(1)改進(jìn)冷卻塔體的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化冷卻塔內(nèi)部構(gòu)件的布置，使氣、水分布均化，減少阻力，提高效率；
(2)改進(jìn)冷卻塔運(yùn)行方式，減少能耗；
(3)高溫水在進(jìn)入冷卻塔之前，先進(jìn)行一定的“預(yù)處理”，使水進(jìn)入冷卻塔后能增大與空氣的接觸面積和接觸時(shí)間，以達(dá)到節(jié)水和節(jié)能的目的。
1.冷卻塔性能
在制冷空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻塔起著非常重要的作用。從熱力學(xué)方面考慮有3種基本形式的冷卻塔：濕式(蒸發(fā)式)、干式、濕干混合式。目前應(yīng)用較廣泛的是濕式(蒸發(fā)式)冷卻塔。冷卻水通過冷卻塔與外界空氣同時(shí)進(jìn)行著熱量和質(zhì)量的交換，熱量分為顯熱和潛熱兩部分。冷卻水通過冷卻塔與外界空氣同時(shí)進(jìn)行著熱量和質(zhì)量的交換，熱量分為顯熱和潛熱兩部分。假若換熱量全部為水的.潛熱，則冷卻水降低6℃，蒸發(fā)的水量不及供水量的1/100。冷卻塔的性能與溫度范圍和接近度有關(guān)。溫度范圍是指冷卻塔出水與進(jìn)水的溫度差。冷卻塔的選擇與以下幾個(gè)因素有關(guān)：需冷卻的熱負(fù)荷，冷卻的溫度范圍，接近度，濕球溫度。
2.冷卻塔的冷卻能力
冷卻塔的冷卻作用是通過水與空氣進(jìn)行直接或間接的熱、質(zhì)交換來實(shí)現(xiàn)的。為了達(dá)到節(jié)能的目的，首先我們應(yīng)該清楚影響冷卻塔冷卻能力的各個(gè)因素，以便在運(yùn)行過程中采取適當(dāng)?shù)拇胧估鋮s負(fù)荷與冷卻能力相匹配，盡可能地節(jié)省能耗。對(duì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的冷卻塔而言，影響冷卻塔的冷卻能力的主要因素有：室外空氣(濕球)溫度、冷卻水入口溫度、冷卻水量及誘導(dǎo)風(fēng)量等。
(1)室外空氣(濕球)溫度
冷卻塔出口水溫度的理論極限值為室外空氣的濕球溫度。因此，當(dāng)水量一定，入口水溫一定時(shí)，室外空氣的濕球溫度越低，與入口水溫之差越大，冷卻塔冷卻能力就越強(qiáng)。但是我們必須注意的是冷卻水溫度太低的話，制冷機(jī)組的冷凝壓力會(huì)大幅度降低。因?yàn)閷?duì)于制冷機(jī)冷凝器冷凝壓力有一個(gè)低限，冷凝溫度也有一個(gè)低溫限制，所以冷凝溫度過低，將導(dǎo)致制冷機(jī)組運(yùn)行容易出現(xiàn)故障。
(2)入水口溫差
當(dāng)冷卻水量一定，室外空氣濕球溫度一定時(shí)，隨著冷卻塔入口水溫的增加，入口水溫及出口水溫與空氣濕球溫度之差都將增加，促進(jìn)了冷卻，因此冷卻能力會(huì)增加。但是對(duì)于某一結(jié)構(gòu)形式已確定的冷卻塔而言，由于冷卻能力的限制，可能使出水口水溫有較大的升高，這樣可能導(dǎo)致制冷機(jī)組的冷凝壓力過高，使機(jī)組制冷量不足。
(3)冷卻水量
當(dāng)冷卻水入口水溫、空氣濕球溫度一定時(shí)，冷卻水量增加，冷卻塔的總?cè)莘e傳熱系數(shù)也會(huì)增加，雖然冷卻水溫降有所減少，但總的效果還會(huì)使制冷能力增加。但也要注意的是，由于水量的增加，將使配管內(nèi)的腐蝕、管內(nèi)壓力損失增加。因此必須在檢驗(yàn)循環(huán)水泵，制冷機(jī)組及冷卻塔等設(shè)備的使用條件后才能確定。
3.冷卻塔的運(yùn)行與節(jié)能途徑
由上所述，室外空氣濕球溫度，入口水溫，及冷卻水量的變化都將引起冷卻塔冷卻能力的變化。因此，如果在運(yùn)行過程中，當(dāng)室外空氣(濕球)溫度變化或冷卻負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，充分利用上述特性，采用適當(dāng)?shù)拇胧┍厝荒茏龅绞估鋮s塔的冷卻能力與冷卻負(fù)荷相匹配，從而節(jié)省運(yùn)行能耗。
(1)通過溫度調(diào)節(jié)器控制風(fēng)機(jī)的啟、停
當(dāng)冬季室外空氣(濕球)溫度降低時(shí)，冷卻塔的冷卻能力增加，出口水溫降低，由溫度調(diào)節(jié)器感知水溫，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到防止水溫過低及節(jié)能的目的。
(2)通過調(diào)速裝置改變風(fēng)機(jī)用電機(jī)的轉(zhuǎn)速
由于室外空氣濕球溫度的變化是隨機(jī)性的，采用調(diào)速裝置可以改變風(fēng)機(jī)用電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，從而獲得更好的節(jié)能效果，同時(shí)也可以減少風(fēng)機(jī)的啟、停次數(shù)，延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。根據(jù)生產(chǎn)的需要預(yù)先設(shè)定供水溫度，由氣候氣象環(huán)境對(duì)水溫的影響、系統(tǒng)換熱條件的改變對(duì)水溫的影響，用溫感探頭的實(shí)測值反應(yīng)出來，最終通過調(diào)控降溫設(shè)備的能耗來穩(wěn)定供水溫度，實(shí)現(xiàn)自控節(jié)能。
(3)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)控制
當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)有幾臺(tái)冷卻塔或每臺(tái)冷卻塔有幾臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)量的調(diào)節(jié)可以通過風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)控制來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需要來確定風(fēng)機(jī)開啟的臺(tái)數(shù)，因此這種調(diào)節(jié)手段更強(qiáng)，調(diào)節(jié)范圍更大，且水溫比較穩(wěn)定，尤適合在制冷負(fù)荷變化不大而室外空氣參數(shù)變化大的情況下使用，工業(yè)用冷卻塔上最為實(shí)用。表3-1 為維持冷卻塔出水溫度32℃不變，室外空氣濕球溫度變化與風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)變化對(duì)應(yīng)表。風(fēng)機(jī)的開與停，可以采用手動(dòng)，也可通過溫感來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。根據(jù)測量供水溫度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的開、停機(jī)數(shù)量達(dá)到控溫節(jié)能的目的，從而節(jié)省冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗。
表 3－1
(4)封閉式冷卻塔灑水泵的運(yùn)行控制
當(dāng)室外空氣(濕球)溫度降低或者冷卻負(fù)荷減少時(shí)，可通過設(shè)置在冷卻塔內(nèi)的溫控器關(guān)閉灑水泵，節(jié)約灑水泵的能耗。當(dāng)灑水泵停止運(yùn)行時(shí)，冷卻水僅僅靠與空氣的顯熱交換來冷卻。
(5)冷卻塔進(jìn)水控制
以往的研究基本上局限于冷卻塔本身，而對(duì)冷卻塔的處理對(duì)象——待冷卻高溫水卻涉及很少，如果讓高溫水在進(jìn)入冷卻塔之前，先進(jìn)行一定的“預(yù)處理”，改變氣、水之間的傳熱、傳質(zhì)性能，同樣也能達(dá)到節(jié)水和節(jié)能的目的。同濟(jì)大學(xué)[5]做法：以現(xiàn)有的冷卻塔為基礎(chǔ)，在進(jìn)水管裝上溶氣設(shè)備(溶氣罐或射流溶氣器)，利用一定的壓力將空氣溶于進(jìn)水中，然后再進(jìn)行冷卻。改進(jìn)后的冷卻塔的容積散質(zhì)系數(shù)比原來提高15％—20％，冷卻效率大大提高。
(6)冷卻塔直接供冷系統(tǒng)。
在前面已經(jīng)講到，在空調(diào)的水系統(tǒng)中，通常情況下，被冷卻塔冷卻的水流經(jīng)制冷機(jī)組的冷凝器，形成冷卻塔——冷凝器的冷卻水循環(huán)環(huán)路，系統(tǒng)的另一循環(huán)環(huán)路為蒸發(fā)器——用戶的冷凍水環(huán)路。如果當(dāng)室外空氣濕球溫度下降到某一值時(shí)，制冷機(jī)組可以停止運(yùn)行，由冷卻塔冷卻的冷卻水可直接送入用戶空調(diào)末端，形成冷卻塔——用戶的循環(huán)環(huán)路，即冷卻塔直接供冷的模式。這樣，設(shè)計(jì)通過兩個(gè)途徑節(jié)省能耗：1)停止制冷機(jī)組可以節(jié)省大部分能耗，2)系統(tǒng)的循環(huán)水泵由冷卻水泵與冷凍水泵同時(shí)運(yùn)行變成只有冷卻水泵運(yùn)行。
對(duì)空調(diào)用戶而言，所消耗電量為制冷機(jī)組、冷卻塔、水泵等系統(tǒng)各部分耗電量的總和。因此，節(jié)約各部分的耗電量對(duì)于用戶同等重要，這樣才有可能保證系統(tǒng)總體上節(jié)能。在空調(diào)系統(tǒng)中利用冷卻塔節(jié)能，可以從改變其自身的運(yùn)行工況著手，也可以從冷卻塔系統(tǒng)的角度，充分利用冷卻塔的冷卻能力。為了用戶的最大限度節(jié)能，冷卻塔的生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)與制造過程中應(yīng)多考慮冷卻塔的自控功能，并且提供冷卻塔在冬夏兩種工況的熱工參數(shù)。
4.結(jié)論
我國是個(gè)淡水嚴(yán)重短缺的國家，而經(jīng)濟(jì)確以驚人的速度增長，人民生活水平的提高，使得空調(diào)的普及率迅速升高，因此對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的冷卻塔節(jié)水節(jié)能提出了更高的要求，雖然冷卻塔的運(yùn)行節(jié)能往往被忽視，但筆者相信，隨著控制技術(shù)的不斷提高和制造成本的不斷下降，冷卻塔的節(jié)能技術(shù)將會(huì)被用戶更多地接受和采用。冷卻塔的節(jié)能有多條途徑，而且隨著研究工作的不斷深入，還會(huì)有各種新的方法不斷出現(xiàn)。各種方法、途徑之間不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。在實(shí)際操作中，既可以從某一角度對(duì)冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造，也可以從多方面綜合評(píng)價(jià)，最終目的都是為了使冷卻塔效率達(dá)到最優(yōu)，節(jié)能節(jié)水率達(dá)到最高，以緩解當(dāng)前緊張的水資源和能源問題。
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