無風(fēng)機(jī)冷卻塔節(jié)能應(yīng)用探討
作者：湖北武漢辦事處 時(shí)間：2021-05-20 09:11 閱讀：
概述：冷卻塔對(duì)于工業(yè)發(fā)展和舒適生活至關(guān)重要。它的發(fā)展與人類文明和生活質(zhì)量息息相關(guān)。為達(dá)到冷卻塔的冷卻效果和高進(jìn)水/出水水溫差（Δt）的效率性能，已應(yīng)用了許多現(xiàn)代高科技，而冷卻塔的設(shè)計(jì)著重于輕巧，緊湊，外觀優(yōu)雅，和耐用性。這項(xiàng)研究研究了無風(fēng)機(jī)冷卻塔在醫(yī)院中央空調(diào)的冷卻器冷卻水系統(tǒng)中的性能，并討論了無風(fēng)機(jī)冷卻塔在實(shí)際使用中遇到的問題和解決方案，并探討了是否還有改進(jìn)的空間根據(jù)運(yùn)行過程中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能。這項(xiàng)研究還驗(yàn)證了制造商指定的性能和優(yōu)勢(shì)，以便將來為相同類型的冷卻塔的設(shè)計(jì)和安裝提供參考。大多數(shù)早期的冷卻塔通過自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)散熱，從而導(dǎo)致體積非常大且造價(jià)昂貴。此外，由于自然通風(fēng)，無法控制水溫，風(fēng)速和風(fēng)向。因此，這些冷卻塔僅用于某些發(fā)電廠，某些化學(xué)設(shè)備中的冷卻水再循環(huán)，并且僅用于學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1945年第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，由于全球工業(yè)的迅猛發(fā)展和生活水平的提高，對(duì)冷卻水的需求急劇增加。為了達(dá)到受控，穩(wěn)定的冷卻水條件并節(jié)省水資源，冷卻塔被廣泛使用，因?yàn)樗亲罱?jīng)濟(jì)的設(shè)備。結(jié)果，冷卻塔隨著生活水平的提高和工業(yè)發(fā)展而發(fā)展，并且不斷改進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)較高的進(jìn)水/出水水溫差（Δt）效率性能并降低噪音并節(jié)省水和功率，經(jīng)過數(shù)十年的研究和開發(fā)，冷卻塔的外觀和尺寸逐漸減小，效率得到了提高。此外，其性能，材料，噪音和成本降低也得到了顯著改善。
現(xiàn)有的冷卻塔按外觀可分為圓形塔和方形塔。冷卻方法包括逆流，逆流逆流，直接連通和噴霧冷卻。就用途而言，冷卻塔可分為無風(fēng)機(jī)，密封，防白煙，超高，超低噪音和超陸地效率塔?？梢愿鶕?jù)不同條件選擇不同類型的冷卻塔。本研究選擇無風(fēng)機(jī)冷卻塔在醫(yī)院中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用作為目標(biāo)，并討論了制造商規(guī)定的優(yōu)于風(fēng)扇冷卻塔的特性（Chen，2003）：
安靜的設(shè)計(jì)：無風(fēng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)，減速器，旋轉(zhuǎn)機(jī)械，噪音低于超低噪音冷卻塔
冷卻方式：無需外部電源的冷卻水噴霧動(dòng)力通風(fēng)
懸架裝置：無振動(dòng)，無需減震器
濺水損失和防塵能力：塔頂通風(fēng)孔處安裝了五折阻水器，用于液水分離。除防塵外，噴水損失在0.001?0.009％之間（根據(jù)噴射壓力）。與傳統(tǒng)塔相比，減少了90％以上的水濺損失，并減少了軍團(tuán)菌的傳播
結(jié)構(gòu)方法：模塊化單元設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定，用于空調(diào)設(shè)備的FRP材料，整個(gè)結(jié)構(gòu)由熱浸鍍鋅鋼板材料制成。具有耐長期腐蝕和侵蝕，使用壽命長的特點(diǎn)，并與建筑設(shè)計(jì)融為一體，外觀精美
運(yùn)行和維護(hù)成本：由耐腐蝕材料制成的靜態(tài)組件組成。因此，沒有磨損，維護(hù)費(fèi)用低
本研究僅討論了是否有提高無風(fēng)機(jī)冷卻塔能源效率的空間。
無風(fēng)機(jī)冷卻塔的組成和原理：無風(fēng)機(jī)冷卻塔的組件包括主體，水盤，擋風(fēng)板，降噪毯，散熱材料，擴(kuò)散器，噴嘴組和阻水板，如圖1所示。管道安裝系統(tǒng)見圖2（Chen，2003）。
無風(fēng)機(jī)冷卻塔的散熱原理是應(yīng)用流體力學(xué)（Mott和Hsu，2005）在冷卻水泵的壓力下通過從噴嘴噴出冷卻水來形成水幕。
水濾網(wǎng)的流動(dòng)在冷卻塔內(nèi)部和外部產(chǎn)生壓力差，以將外部空氣吸入冷卻塔。然后，通過擴(kuò)散器，吸入的外部空氣有規(guī)律地通過散熱材料，使冷卻水與外部空氣充分接觸，從而在冷卻水的噴淋和降落過程中將熱量傳遞到外部空氣中，從而達(dá)到冷卻效果。 。因此，無風(fēng)機(jī)冷卻塔中沒有使用風(fēng)扇或傳動(dòng)設(shè)備來防止包括機(jī)械噪聲，振動(dòng)和風(fēng)扇冷卻塔維護(hù)在內(nèi)的問題（Qi和Liu，2008； Qi等，2007； Jin等，2007）。
無風(fēng)機(jī)材料和方法
對(duì)無風(fēng)機(jī)冷卻塔節(jié)能應(yīng)用的討論是要理解的：如圖2的循環(huán)管線安裝系統(tǒng)圖所示，旁通管A和旁通管B的作用以及冷卻水中安裝變頻器的效果中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)上的水泵，應(yīng)用變頻器后在節(jié)能方面還有改進(jìn)的空間，以及無風(fēng)機(jī)冷卻塔入口水壓對(duì)入口/出口水溫差（Δt）變化的影響。
經(jīng)過測(cè)試的無風(fēng)機(jī)冷卻塔安裝在醫(yī)院中，并用于其中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)。其外觀見圖3a，冷卻水系統(tǒng)圖見圖3b。
醫(yī)院的中央空調(diào)由300RT旋轉(zhuǎn)式，520RT離心式和600RT離心式冷卻器組成。如圖3b所示，520RT和600RT離心式制冷機(jī)共享一個(gè)750RT無風(fēng)機(jī)冷卻塔，這是本測(cè)試的主題。
旁通管A：旁通管A安裝在圖4a中的520RT（R123制冷劑）離心式冷卻器冷凝器的入口側(cè)。為了精確控制流量，平衡閥用作水開關(guān)以精確控制水流量。測(cè)試方法是將平衡閥的開度分為8個(gè)部分。從0開始，每個(gè)開關(guān)打開1/8，并在圖4b中記錄總共9個(gè)冷卻塔入口/出口水溫，在圖4c中記錄冷卻塔入口壓力。
另外，觀察并記錄了與制冷機(jī)有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如圖4d中的制冷機(jī)冷凝器進(jìn)出口溫度，圖4e中的制冷機(jī)功耗以及圖4f中的外部空氣溫度和濕度，以供參考。
如圖4b所示，當(dāng)冷卻塔入口壓力增加到1.55kg·cm-2以上時(shí)，冷卻塔入口/出口水溫差（Δt）保持在3℃。
與圖3-5相比，不斷增加的冷卻塔入口壓力并不意味著冷卻塔入口/出口水溫的相對(duì)升高。在給定壓力下，不斷增加的冷卻水泵功率消耗無法提高冷卻塔效率。
根據(jù)以上分析并與圖4d中的冷水機(jī)冷凝器進(jìn)出口溫度，圖4e中的冷水機(jī)能耗和圖4f中的外部空氣濕度進(jìn)行比較，圖4b中提到的數(shù)據(jù)曲線隨著外部溫度的變化而變化?？諝鉂穸?，這是由于負(fù)載而不是冷卻塔入口壓力的變化而引起的。
旁通管B：旁通管B安裝在圖5的750RT無風(fēng)機(jī)冷卻塔的入口側(cè)。由于它位于冷卻水泵的入口端，在以下情況下可能導(dǎo)致冷卻器冷凝器入口水溫過高。開啟后，由于冷凝器內(nèi)部壓力上升，致冷機(jī)保護(hù)開關(guān)啟動(dòng)，以停止冷機(jī)。但是，當(dāng)冬季外部空氣溫度極低時(shí)，應(yīng)將其打開僅討論了是否有提高無風(fēng)機(jī)冷卻塔能源效率的空間。
無風(fēng)機(jī)冷卻塔的組成和原理：無風(fēng)機(jī)冷卻塔的組件包括主體，水盤，擋風(fēng)板，降噪毯，散熱材料，擴(kuò)散器，噴嘴組和阻水板，如圖1所示。管道安裝系統(tǒng)見圖2（Chen，2003）。
無風(fēng)機(jī)冷卻塔的散熱原理是應(yīng)用流體力學(xué)（Mott和Hsu，2005）在冷卻水泵的壓力下通過從噴嘴噴出冷卻水來形成水幕。
水濾網(wǎng)的流動(dòng)在冷卻塔內(nèi)部和外部產(chǎn)生壓力差，以將外部空氣吸入冷卻塔。然后，通過擴(kuò)散器，吸入的外部空氣有規(guī)律地通過散熱材料，使冷卻水與外部空氣充分接觸，從而在冷卻水的噴淋和降落過程中將熱量傳遞到外部空氣中，從而達(dá)到冷卻效果。 。因此，無風(fēng)機(jī)冷卻塔中沒有使用風(fēng)扇或傳動(dòng)設(shè)備來防止包括機(jī)械噪聲，振動(dòng)和風(fēng)扇冷卻塔維護(hù)在內(nèi)的問題（Qi和Liu，2008； Qi等，2007； Jin等，2007）。
材料和方法
對(duì)無風(fēng)機(jī)冷卻塔節(jié)能應(yīng)用的討論是要理解的：如圖2的循環(huán)管線安裝系統(tǒng)圖所示，旁通管A和旁通管B的作用以及冷卻水中安裝變頻器的效果中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)上的水泵，應(yīng)用變頻器后在節(jié)能方面還有改進(jìn)的空間，以及無風(fēng)機(jī)冷卻塔入口水壓對(duì)入口/出口水溫差（Δt）變化的影響。
經(jīng)過測(cè)試的無風(fēng)機(jī)冷卻塔安裝在醫(yī)院中，并用于其中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)。其外觀見圖3a，冷卻水系統(tǒng)圖見圖3b。
醫(yī)院的中央空調(diào)由300RT旋轉(zhuǎn)式，520RT離心式和600RT離心式冷卻器組成。如圖3b所示，520RT和600RT離心式制冷機(jī)共享一個(gè)750RT無風(fēng)機(jī)冷卻塔，這是本測(cè)試的主題。
旁通管A：旁通管A安裝在圖4a中的520RT（R123制冷劑）離心式冷卻器冷凝器的入口側(cè)。為了精確控制流量，平衡閥用作水開關(guān)以精確控制水流量。測(cè)試方法是將平衡閥的開度分為8個(gè)部分。從0開始，每個(gè)開關(guān)打開1/8，并在圖4b中記錄總共9個(gè)冷卻塔入口/出口水溫，在圖4c中記錄冷卻塔入口壓力。
另外，觀察并記錄了與制冷機(jī)有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如圖4d中的制冷機(jī)冷凝器進(jìn)出口溫度，圖4e中的制冷機(jī)功耗以及圖4f中的外部空氣溫度和濕度，以供參考。
如圖4b所示，當(dāng)冷卻塔入口壓力增加到1.55kg·cm-2以上時(shí)，冷卻塔入口/出口水溫差（Δt）保持在3℃。
與圖3-5相比，不斷增加的冷卻塔入口壓力并不意味著冷卻塔入口/出口水溫的相對(duì)升高。在給定壓力下，不斷增加的冷卻水泵功率消耗無法提高冷卻塔效率。
根據(jù)以上分析并與圖4d中的冷水機(jī)冷凝器進(jìn)出口溫度，圖4e中的冷水機(jī)能耗和圖4f中的外部空氣濕度進(jìn)行比較，圖4b中提到的數(shù)據(jù)曲線隨著外部溫度的變化而變化?？諝鉂穸?，這是由于負(fù)載而不是冷卻塔入口壓力的變化而引起的。
因此，冷卻塔入口/出口水溫差（Δt）與冷卻塔入口壓力有些相關(guān)。
旁通管B：旁通管B安裝在圖5的750RT無風(fēng)機(jī)冷卻塔的入口側(cè)。由于它位于冷卻水泵的入口端，在以下情況下可能導(dǎo)致冷卻器冷凝器入口水溫過高。開啟后，由于冷凝器內(nèi)部壓力上升，致冷機(jī)保護(hù)開關(guān)啟動(dòng)，以停止冷機(jī)。但是，當(dāng)冬季外部空氣溫度極低時(shí)，應(yīng)將其打開適當(dāng)提高冷凝器入口溫度，以防止冷卻器保護(hù)開關(guān)由于低壓而停止冷卻器。因此，水開關(guān)應(yīng)使用比例二通閥控制流量。需要注意的是，比例二通閥的開關(guān)控制應(yīng)由安裝在冷卻塔出水管外部的溫度傳感器控制，而不是由安裝在室內(nèi)或冷水機(jī)組冷凝器中的溫度傳感器控制。入口。
這是因?yàn)樵诙臼覂?nèi)溫度高于外部溫度時(shí)，比例二通閥可能無法及時(shí)打開和關(guān)閉。
帶有變頻器的冷卻水泵：如制造商指定的無風(fēng)機(jī)冷卻塔的第六個(gè)特征所示，無風(fēng)機(jī)冷卻塔不需要風(fēng)扇，但揚(yáng)程相對(duì)較高，其總功耗相當(dāng)于傳統(tǒng)的水冷卻塔。本節(jié)討論在泵中安裝變頻器（Serna-Gonzalez等，2010）對(duì)冷卻水系統(tǒng)功耗的影響。變頻器降低頻率后測(cè)得的功耗如圖6a所示。與圖6b中的冷卻水泵頻率變化趨勢(shì)圖，圖6c中的冷水機(jī)組能耗百分比趨勢(shì)圖和圖6d中的外部空氣溫度和濕度趨勢(shì)圖的實(shí)際運(yùn)行記錄相比，可以知道冷卻水當(dāng)部分裝載冷水機(jī)時(shí)，水泵確實(shí)有卸載空間，而當(dāng)完全加載冷卻水水泵時(shí)，沒有節(jié)能空間。
根據(jù)（旁通管A）的測(cè)試數(shù)據(jù)，旁通管A的安裝是為了將無風(fēng)機(jī)冷卻塔的入口壓力提高到進(jìn)出口水溫差（Δt）的最大壓力，主要是因?yàn)樯崂鋮s效率取決于噴霧動(dòng)能。然而，由于在總體設(shè)計(jì)和規(guī)劃過程中水頭和管道阻力的因素，冷卻水泵通常設(shè)計(jì)得過大或不足。與某些醫(yī)院經(jīng)過測(cè)試的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)一樣，兩臺(tái)冷水機(jī)（一臺(tái)用于運(yùn)行，一臺(tái)用于備用）共用一個(gè)無風(fēng)機(jī)冷卻塔，這是考慮到對(duì)住院病人的不利影響并節(jié)省了成本。然而，由于圖7a和b中的兩個(gè)冷卻器具有不同的噸位和不同的冷凝器進(jìn)出口管，因此使用了不同馬力的冷卻水泵。
具有較小冷凝器管的冷凝器在功能上等效于流量限制，從而導(dǎo)致冷卻塔入口壓力相對(duì)不足并降低了效率。但是，通過安裝旁通管A可以改善這種缺點(diǎn)。同時(shí)，冷凝器管較大的冷水機(jī)到冷卻塔的壓力已超過測(cè)試的1.55 kg cm-2，因此，無需安裝旁通管A和。通過變頻器減載控制達(dá)到節(jié)能效果。
與（旁通管B）中的分析相似，當(dāng)外部溫度不低于冷水機(jī)最低冷卻水溫度或在冬季時(shí)，旁通管B無用。但是，應(yīng)在冬季啟動(dòng)冷水機(jī)時(shí)安裝它。由溫度傳感器控制的雙向閥溫度設(shè)置應(yīng)參考原始制冷機(jī)制造商提供的手冊(cè)。
在正常情況下，空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)間最多，而峰值負(fù)荷時(shí)間運(yùn)行率低于20％。因此，在80％的運(yùn)行時(shí)間中，它具有節(jié)能空間。根據(jù)泵的親和力定律，流量（Q），揚(yáng)程（H），轉(zhuǎn)速（N）和制動(dòng)馬力（BHP）之間的關(guān)系如下（Tsai等，2004； Hung，2004）：
水流量與轉(zhuǎn)速成正比
揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比
制動(dòng)功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比
因此，降低泵的轉(zhuǎn)速可以減少揚(yáng)程和流量，甚至可以大大降低功耗。根據(jù)泵的親和力定律，流量與功耗的立方成正比；因此，節(jié)能效率相當(dāng)高。
圖6b顯示了冷卻水泵頻率變化趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，在采用變頻器控制的冷卻水泵的情況下，冷水機(jī)組主要在晚上和冬季的部分負(fù)荷下運(yùn)行。冷卻水泵已考慮具有良好的節(jié)能效果，而不是制造商指定的傳統(tǒng)水冷卻塔的等效總功耗。實(shí)際上，節(jié)能率相當(dāng)高。當(dāng)冷水機(jī)在冬季運(yùn)行時(shí)，由于冷卻水泵的負(fù)載減小，冷卻塔入口壓力降低，從而導(dǎo)致冷卻塔的散熱效果降低，同時(shí)使冷凝器入口冷卻水溫度足夠高，從而避免了低壓保護(hù)裝置關(guān)閉導(dǎo)致冷卻器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
無風(fēng)機(jī)冷卻塔的冷卻性能會(huì)隨機(jī)頭的變化而變化。噴嘴頭在6?16 M范圍內(nèi)，冷卻塔的冷卻性能在40?100％之間。僅當(dāng)制冷機(jī)負(fù)載在40?100％之間時(shí)，才可以視為控制噴嘴頭的操作。如在圖6a的變頻器功耗趨勢(shì)記錄中所述，更改變頻器的頻率可以更改冷卻水泵的轉(zhuǎn)速，從而相應(yīng)地降低泵的功率損耗。當(dāng)變頻器的頻率從60 Hz降低到30 Hz時(shí)，功耗可以從46 Kw降低到6 Kw，即從60 HP降低到7.5 HP。該研究進(jìn)一步探討了降低變頻器頻率（即降低功耗）的可能性。在測(cè)試的早期，由于流量太低，冷卻器冷凝器的進(jìn)/出口水溫差降低到了20 Hz，超過了原始設(shè)計(jì)值。為避免對(duì)冷卻器性能和管道規(guī)模造成負(fù)面影響，變頻器的最低頻率設(shè)置為30 Hz。
比較圖6c中的冷水機(jī)能耗百分比趨勢(shì)，圖6b中的冷卻水泵頻率變化趨勢(shì)和圖6d中的外部空氣溫度趨勢(shì)，當(dāng)冷水機(jī)部分處于冷卻狀態(tài)時(shí)，有減小冷卻水泵負(fù)荷的空間已加載。但是，當(dāng)制冷機(jī)滿載時(shí)，冷卻水泵沒有節(jié)能的空間。
以湖北武漢醫(yī)院的750 RT無風(fēng)機(jī)冷卻塔為例，冷卻水泵的功耗可以降低到7.5 HP。但是，普通的750 RT型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中使用的冷卻水泵大約為30?40 HP，風(fēng)扇電機(jī)為25 HP。在部分負(fù)載情況下節(jié)省的功率最多為風(fēng)扇電機(jī)的25 HP。冷卻水泵的固定功率消耗約為30?40 HP。如圖所示，無風(fēng)機(jī)冷卻塔的能耗低于機(jī)械通風(fēng)冷卻塔（Wang，2007）。它在中央空調(diào)系統(tǒng)中局部裝載冷卻水方面處于節(jié)能領(lǐng)先地位。
結(jié)論
冷水機(jī)組的負(fù)荷隨外部空氣溫度和現(xiàn)場(chǎng)需求而變化，而冷卻塔的散熱也隨之變化。在四個(gè)季節(jié)以及白天至晚上的外部空氣條件不同的情況下，普通型冷卻塔風(fēng)扇（泵）的固定風(fēng)（水）量不一定是最佳的。實(shí)際上，一年中設(shè)計(jì)外部空氣溫度和濕度的平均時(shí)間少于2.5％。因此，在超過97.5％的運(yùn)行時(shí)間中，風(fēng)扇（泵）運(yùn)行以產(chǎn)生低于設(shè)計(jì)值的冷卻水，并浪費(fèi)了大量能量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)冷卻水溫度下降1°C時(shí)，冷水機(jī)可節(jié)能1.5％至2.5％。應(yīng)根據(jù)冷卻器的特性以及外部空氣溫度和濕度的限制，盡可能降低冷卻水的入口溫度。為了提高空調(diào)系統(tǒng)的整體性能，應(yīng)同時(shí)考慮冷卻塔的優(yōu)化運(yùn)行和冷水機(jī)的運(yùn)行。
無風(fēng)機(jī)冷卻塔市場(chǎng)份額低的主要原因，除了其昂貴的成本外，還在于公眾缺乏了解。這項(xiàng)研究期望該研究中提供的示例可以提供有關(guān)冷卻塔的更多知識(shí)。無風(fēng)機(jī)冷卻塔的實(shí)際應(yīng)用仍有改進(jìn)的空間。例如，可以稍微修改噴嘴組入口之前的集水管，以使每個(gè)噴嘴的壓力均勻，同時(shí)提高防波堤以增加散熱冷卻距離，從而提高整體效率。然而，隨著環(huán)保意識(shí)的提高，低噪音，低污染的無風(fēng)機(jī)冷卻塔將是可行的選擇。