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無風機冷卻塔節能應用探討

概述:冷卻塔對于工業發展和舒適生活至關重要。它的發展與人類文明和生活質量息息相關。為達到冷卻塔的冷卻效果和高進水/出水水溫差(Δt)的效率性能,已應用了許多現代高科技,而冷卻塔的設計著重于輕巧,緊湊,外觀優雅,和耐用性。這項研究研究了無風機冷卻塔在醫院中央空調的冷卻器冷卻水系統中的性能,并討論了無風機冷卻塔在實際使用中遇到的問題和解決方案,并探討了是否還有改進的空間根據運行過程中記錄的數據進行節能。這項研究還驗證了制造商指定的性能和優勢,以便將來為相同類型的冷卻塔的設計和安裝提供參考。
 
大多數早期的冷卻塔通過自然通風實現散熱,從而導致體積非常大且造價昂貴。此外,由于自然通風,無法控制水溫,風速和風向。因此,這些冷卻塔僅用于某些發電廠,某些化學設備中的冷卻水再循環,并且僅用于學術實驗目的。 1945年第二次世界大戰結束后,由于全球工業的迅猛發展和生活水平的提高,對冷卻水的需求急劇增加。為了達到受控,穩定的冷卻水條件并節省水資源,冷卻塔被廣泛使用,因為它是最經濟的設備。結果,冷卻塔隨著生活水平的提高和工業發展而發展,并且不斷改進。為了實現較高的進水/出水水溫差(Δt)效率性能并降低噪音并節省水和功率,經過數十年的研究和開發,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。
 
中央空調無風機冷卻塔

現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,冷卻塔可分為無風機,密封,防白煙,超高,超低噪音和超陸地效率塔??梢愿鶕煌瑮l件選擇不同類型的冷卻塔。本研究選擇無風機冷卻塔在醫院中央空調冷卻水系統中的應用作為目標,并討論了制造商規定的優于風扇冷卻塔的特性(Chen,2003):
 
安靜的設計:無風機,電動機,減速器,旋轉機械,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力通風
 
懸架裝置:無振動,無需減震器
 
濺水損失和防塵能力:塔頂通風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(根據噴射壓力)。與傳統塔相比,減少了90%以上的水濺損失,并減少了軍團菌的傳播
 
結構方法:模塊化單元設計,性能穩定,用于空調設備的FRP材料,整個結構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,并與建筑設計融為一體,外觀精美
 
運行和維護成本:由耐腐蝕材料制成的靜態組件組成。因此,沒有磨損,維護費用低
 
本研究僅討論了是否有提高無風機冷卻塔能源效率的空間。
 
無風機冷卻塔的組成和原理:無風機冷卻塔的組件包括主體,水盤,擋風板,降噪毯,散熱材料,擴散器,噴嘴組和阻水板,如圖1所示。管道安裝系統見圖2(Chen,2003)。
 
無風機冷卻塔的散熱原理是應用流體力學(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。
 
水濾網的流動在冷卻塔內部和外部產生壓力差,以將外部空氣吸入冷卻塔。然后,通過擴散器,吸入的外部空氣有規律地通過散熱材料,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,從而達到冷卻效果。 。因此,無風機冷卻塔中沒有使用風扇或傳動設備來防止包括機械噪聲,振動和風扇冷卻塔維護在內的問題(Qi和Liu,2008; Qi等,2007; Jin等,2007)。
 
無風機材料和方法
對無風機冷卻塔節能應用的討論是要理解的:如圖2的循環管線安裝系統圖所示,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冷卻水系統上的水泵,應用變頻器后在節能方面還有改進的空間,以及無風機冷卻塔入口水壓對入口/出口水溫差(Δt)變化的影響。
 
經過測試的無風機冷卻塔安裝在醫院中,并用于其中央空調冷卻水系統。其外觀見圖3a,冷卻水系統圖見圖3b。
 
醫院的中央空調由300RT旋轉式,520RT離心式和600RT離心式冷卻器組成。如圖3b所示,520RT和600RT離心式制冷機共享一個750RT無風機冷卻塔,這是本測試的主題。
 
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。為了精確控制流量,平衡閥用作水開關以精確控制水流量。測試方法是將平衡閥的開度分為8個部分。從0開始,每個開關打開1/8,并在圖4b中記錄總共9個冷卻塔入口/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有關的數據,例如圖4d中的制冷機冷凝器進出口溫度,圖4e中的制冷機功耗以及圖4f中的外部空氣溫度和濕度,以供參考。
 
如圖4b所示,當冷卻塔入口壓力增加到1.55kg·cm-2以上時,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。
 
根據以上分析并與圖4d中的冷水機冷凝器進出口溫度,圖4e中的冷水機能耗和圖4f中的外部空氣濕度進行比較,圖4b中提到的數據曲線隨著外部溫度的變化而變化??諝鉂穸?,這是由于負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無風機冷卻塔的入口側。由于它位于冷卻水泵的入口端,在以下情況下可能導致冷卻器冷凝器入口水溫過高。開啟后,由于冷凝器內部壓力上升,致冷機保護開關啟動,以停止冷機。但是,當冬季外部空氣溫度極低時,應將其打開僅討論了是否有提高無風機冷卻塔能源效率的空間。
 
無風機冷卻塔的組成和原理:無風機冷卻塔的組件包括主體,水盤,擋風板,降噪毯,散熱材料,擴散器,噴嘴組和阻水板,如圖1所示。管道安裝系統見圖2(Chen,2003)。
 
無風機冷卻塔的散熱原理是應用流體力學(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。
 
水濾網的流動在冷卻塔內部和外部產生壓力差,以將外部空氣吸入冷卻塔。然后,通過擴散器,吸入的外部空氣有規律地通過散熱材料,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,從而達到冷卻效果。 。因此,無風機冷卻塔中沒有使用風扇或傳動設備來防止包括機械噪聲,振動和風扇冷卻塔維護在內的問題(Qi和Liu,2008; Qi等,2007; Jin等,2007)。
 
材料和方法
對無風機冷卻塔節能應用的討論是要理解的:如圖2的循環管線安裝系統圖所示,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冷卻水系統上的水泵,應用變頻器后在節能方面還有改進的空間,以及無風機冷卻塔入口水壓對入口/出口水溫差(Δt)變化的影響。
 
經過測試的無風機冷卻塔安裝在醫院中,并用于其中央空調冷卻水系統。其外觀見圖3a,冷卻水系統圖見圖3b。
 
醫院的中央空調由300RT旋轉式,520RT離心式和600RT離心式冷卻器組成。如圖3b所示,520RT和600RT離心式制冷機共享一個750RT無風機冷卻塔,這是本測試的主題。
 
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。為了精確控制流量,平衡閥用作水開關以精確控制水流量。測試方法是將平衡閥的開度分為8個部分。從0開始,每個開關打開1/8,并在圖4b中記錄總共9個冷卻塔入口/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有關的數據,例如圖4d中的制冷機冷凝器進出口溫度,圖4e中的制冷機功耗以及圖4f中的外部空氣溫度和濕度,以供參考。
 
如圖4b所示,當冷卻塔入口壓力增加到1.55kg·cm-2以上時,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。
 
根據以上分析并與圖4d中的冷水機冷凝器進出口溫度,圖4e中的冷水機能耗和圖4f中的外部空氣濕度進行比較,圖4b中提到的數據曲線隨著外部溫度的變化而變化??諝鉂穸?,這是由于負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。
 
旁通管B:旁通管B安裝在圖5的750RT無風機冷卻塔的入口側。由于它位于冷卻水泵的入口端,在以下情況下可能導致冷卻器冷凝器入口水溫過高。開啟后,由于冷凝器內部壓力上升,致冷機保護開關啟動,以停止冷機。但是,當冬季外部空氣溫度極低時,應將其打開適當提高冷凝器入口溫度,以防止冷卻器保護開關由于低壓而停止冷卻器。因此,水開關應使用比例二通閥控制流量。需要注意的是,比例二通閥的開關控制應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或冷水機組冷凝器中的溫度傳感器控制。入口。
 
這是因為在冬季室內溫度高于外部溫度時,比例二通閥可能無法及時打開和關閉。
 
帶有變頻器的冷卻水泵:如制造商指定的無風機冷卻塔的第六個特征所示,無風機冷卻塔不需要風扇,但揚程相對較高,其總功耗相當于傳統的水冷卻塔。本節討論在泵中安裝變頻器(Serna-Gonzalez等,2010)對冷卻水系統功耗的影響。變頻器降低頻率后測得的功耗如圖6a所示。與圖6b中的冷卻水泵頻率變化趨勢圖,圖6c中的冷水機組能耗百分比趨勢圖和圖6d中的外部空氣溫度和濕度趨勢圖的實際運行記錄相比,可以知道冷卻水當部分裝載冷水機時,水泵確實有卸載空間,而當完全加載冷卻水水泵時,沒有節能空間。
 
根據(旁通管A)的測試數據,旁通管A的安裝是為了將無風機冷卻塔的入口壓力提高到進出口水溫差(Δt)的最大壓力,主要是因為散熱冷卻效率取決于噴霧動能。然而,由于在總體設計和規劃過程中水頭和管道阻力的因素,冷卻水泵通常設計得過大或不足。與某些醫院經過測試的中央空調冷卻水系統一樣,兩臺冷水機(一臺用于運行,一臺用于備用)共用一個無風機冷卻塔,這是考慮到對住院病人的不利影響并節省了成本。然而,由于圖7a和b中的兩個冷卻器具有不同的噸位和不同的冷凝器進出口管,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,從而導致冷卻塔入口壓力相對不足并降低了效率。但是,通過安裝旁通管A可以改善這種缺點。同時,冷凝器管較大的冷水機到冷卻塔的壓力已超過測試的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到節能效果。
 
與(旁通管B)中的分析相似,當外部溫度不低于冷水機最低冷卻水溫度或在冬季時,旁通管B無用。但是,應在冬季啟動冷水機時安裝它。由溫度傳感器控制的雙向閥溫度設置應參考原始制冷機制造商提供的手冊。
 
在正常情況下,空調系統在部分負荷下運行時間最多,而峰值負荷時間運行率低于20%。因此,在80%的運行時間中,它具有節能空間。根據泵的親和力定律,流量(Q),揚程(H),轉速(N)和制動馬力(BHP)之間的關系如下(Tsai等,2004; Hung,2004):
 
水流量與轉速成正比
揚程與轉速的平方成正比
制動功率與轉速的立方成正比
 
因此,降低泵的轉速可以減少揚程和流量,甚至可以大大降低功耗。根據泵的親和力定律,流量與功耗的立方成正比;因此,節能效率相當高。
 
圖6b顯示了冷卻水泵頻率變化趨勢。根據對實際運行測試數據的分析,在采用變頻器控制的冷卻水泵的情況下,冷水機組主要在晚上和冬季的部分負荷下運行。冷卻水泵已考慮具有良好的節能效果,而不是制造商指定的傳統水冷卻塔的等效總功耗。實際上,節能率相當高。當冷水機在冬季運行時,由于冷卻水泵的負載減小,冷卻塔入口壓力降低,從而導致冷卻塔的散熱效果降低,同時使冷凝器入口冷卻水溫度足夠高,從而避免了低壓保護裝置關閉導致冷卻器停止運轉。
 
無風機冷卻塔的冷卻性能會隨機頭的變化而變化。噴嘴頭在6?16 M范圍內,冷卻塔的冷卻性能在40?100%之間。僅當制冷機負載在40?100%之間時,才可以視為控制噴嘴頭的操作。如在圖6a的變頻器功耗趨勢記錄中所述,更改變頻器的頻率可以更改冷卻水泵的轉速,從而相應地降低泵的功率損耗。當變頻器的頻率從60 Hz降低到30 Hz時,功耗可以從46 Kw降低到6 Kw,即從60 HP降低到7.5 HP。該研究進一步探討了降低變頻器頻率(即降低功耗)的可能性。在測試的早期,由于流量太低,冷卻器冷凝器的進/出口水溫差降低到了20 Hz,超過了原始設計值。為避免對冷卻器性能和管道規模造成負面影響,變頻器的最低頻率設置為30 Hz。
 
比較圖6c中的冷水機能耗百分比趨勢,圖6b中的冷卻水泵頻率變化趨勢和圖6d中的外部空氣溫度趨勢,當冷水機部分處于冷卻狀態時,有減小冷卻水泵負荷的空間已加載。但是,當制冷機滿載時,冷卻水泵沒有節能的空間。
 
以湖北武漢醫院的750 RT無風機冷卻塔為例,冷卻水泵的功耗可以降低到7.5 HP。但是,普通的750 RT型機械通風冷卻塔中使用的冷卻水泵大約為30?40 HP,風扇電機為25 HP。在部分負載情況下節省的功率最多為風扇電機的25 HP。冷卻水泵的固定功率消耗約為30?40 HP。如圖所示,無風機冷卻塔的能耗低于機械通風冷卻塔(Wang,2007)。它在中央空調系統中局部裝載冷卻水方面處于節能領先地位。
 
結論
冷水機組的負荷隨外部空氣溫度和現場需求而變化,而冷卻塔的散熱也隨之變化。在四個季節以及白天至晚上的外部空氣條件不同的情況下,普通型冷卻塔風扇(泵)的固定風(水)量不一定是最佳的。實際上,一年中設計外部空氣溫度和濕度的平均時間少于2.5%。因此,在超過97.5%的運行時間中,風扇(泵)運行以產生低于設計值的冷卻水,并浪費了大量能量。根據經驗,當冷卻水溫度下降1°C時,冷水機可節能1.5%至2.5%。應根據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。為了提高空調系統的整體性能,應同時考慮冷卻塔的優化運行和冷水機的運行。
 
無風機冷卻塔市場份額低的主要原因,除了其昂貴的成本外,還在于公眾缺乏了解。這項研究期望該研究中提供的示例可以提供有關冷卻塔的更多知識。無風機冷卻塔的實際應用仍有改進的空間。例如,可以稍微修改噴嘴組入口之前的集水管,以使每個噴嘴的壓力均勻,同時提高防波堤以增加散熱冷卻距離,從而提高整體效率。然而,隨著環保意識的提高,低噪音,低污染的無風機冷卻塔將是可行的選擇。
 

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