无风机冷却塔节能应用探讨
作者：湖北武汉办事处 时间：2021-05-20 09:11 阅读：
概述：冷却塔对于工业发展和舒适生活至关重要。它的发展与人类文明和生活质量息息相关。为达到冷却塔的冷却效果和高进水/出水水温差（Δt）的效率性能，已应用了许多现代高科技，而冷却塔的设计着重于轻巧，紧凑，外观优雅，和耐用性。这项研究研究了无风机冷却塔在医院中央空调的冷却器冷却水系统中的性能，并讨论了无风机冷却塔在实际使用中遇到的问题和解决方案，并探讨了是否还有改进的空间根据运行过程中记录的数据进行节能。这项研究还验证了制造商指定的性能和优势，以便将来为相同类型的冷却塔的设计和安装提供参考。大多数早期的冷却塔通过自然通风实现散热，从而导致体积非常大且造价昂贵。此外，由于自然通风，无法控制水温，风速和风向。因此，这些冷却塔仅用于某些发电厂，某些化学设备中的冷却水再循环，并且仅用于学术实验目的。 1945年第二次世界大战结束后，由于全球工业的迅猛发展和生活水平的提高，对冷却水的需求急剧增加。为了达到受控，稳定的冷却水条件并节省水资源，冷却塔被广泛使用，因为它是最经济的设备。结果，冷却塔随着生活水平的提高和工业发展而发展，并且不断改进。为了实现较高的进水/出水水温差（Δt）效率性能并降低噪音并节省水和功率，经过数十年的研究和开发，冷却塔的外观和尺寸逐渐减小，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显着改善。
现有的冷却塔按外观可分为圆形塔和方形塔。冷却方法包括逆流，逆流逆流，直接连通和喷雾冷却。就用途而言，冷却塔可分为无风机，密封，防白烟，超高，超低噪音和超陆地效率塔。可以根据不同条件选择不同类型的冷却塔。本研究选择无风机冷却塔在医院中央空调冷却水系统中的应用作为目标，并讨论了制造商规定的优于风扇冷却塔的特性（Chen，2003）：
安静的设计：无风机，电动机，减速器，旋转机械，噪音低于超低噪音冷却塔
冷却方式：无需外部电源的冷却水喷雾动力通风
悬架装置：无振动，无需减震器
溅水损失和防尘能力：塔顶通风孔处安装了五折阻水器，用于液水分离。除防尘外，喷水损失在0.001?0.009％之间（根据喷射压力）。与传统塔相比，减少了90％以上的水溅损失，并减少了军团菌的传播
结构方法：模块化单元设计，性能稳定，用于空调设备的FRP材料，整个结构由热浸镀锌钢板材料制成。具有耐长期腐蚀和侵蚀，使用寿命长的特点，并与建筑设计融为一体，外观精美
运行和维护成本：由耐腐蚀材料制成的静态组件组成。因此，没有磨损，维护费用低
本研究仅讨论了是否有提高无风机冷却塔能源效率的空间。
无风机冷却塔的组成和原理：无风机冷却塔的组件包括主体，水盘，挡风板，降噪毯，散热材料，扩散器，喷嘴组和阻水板，如图1所示。管道安装系统见图2（Chen，2003）。
无风机冷却塔的散热原理是应用流体力学（Mott和Hsu，2005）在冷却水泵的压力下通过从喷嘴喷出冷却水来形成水幕。
水滤网的流动在冷却塔内部和外部产生压力差，以将外部空气吸入冷却塔。然后，通过扩散器，吸入的外部空气有规律地通过散热材料，使冷却水与外部空气充分接触，从而在冷却水的喷淋和降落过程中将热量传递到外部空气中，从而达到冷却效果。 。因此，无风机冷却塔中没有使用风扇或传动设备来防止包括机械噪声，振动和风扇冷却塔维护在内的问题（Qi和Liu，2008； Qi等，2007； Jin等，2007）。
无风机材料和方法
对无风机冷却塔节能应用的讨论是要理解的：如图2的循环管线安装系统图所示，旁通管A和旁通管B的作用以及冷却水中安装变频器的效果中央空调冷却水系统上的水泵，应用变频器后在节能方面还有改进的空间，以及无风机冷却塔入口水压对入口/出口水温差（Δt）变化的影响。
经过测试的无风机冷却塔安装在医院中，并用于其中央空调冷却水系统。其外观见图3a，冷却水系统图见图3b。
医院的中央空调由300RT旋转式，520RT离心式和600RT离心式冷却器组成。如图3b所示，520RT和600RT离心式制冷机共享一个750RT无风机冷却塔，这是本测试的主题。
旁通管A：旁通管A安装在图4a中的520RT（R123制冷剂）离心式冷却器冷凝器的入口侧。为了精确控制流量，平衡阀用作水开关以精确控制水流量。测试方法是将平衡阀的开度分为8个部分。从0开始，每个开关打开1/8，并在图4b中记录总共9个冷却塔入口/出口水温，在图4c中记录冷却塔入口压力。
另外，观察并记录了与制冷机有关的数据，例如图4d中的制冷机冷凝器进出口温度，图4e中的制冷机功耗以及图4f中的外部空气温度和湿度，以供参考。
如图4b所示，当冷却塔入口压力增加到1.55kg·cm-2以上时，冷却塔入口/出口水温差（Δt）保持在3℃。
与图3-5相比，不断增加的冷却塔入口压力并不意味着冷却塔入口/出口水温的相对升高。在给定压力下，不断增加的冷却水泵功率消耗无法提高冷却塔效率。
根据以上分析并与图4d中的冷水机冷凝器进出口温度，图4e中的冷水机能耗和图4f中的外部空气湿度进行比较，图4b中提到的数据曲线随着外部温度的变化而变化。空气湿度，这是由于负载而不是冷却塔入口压力的变化而引起的。
旁通管B：旁通管B安装在图5的750RT无风机冷却塔的入口侧。由于它位于冷却水泵的入口端，在以下情况下可能导致冷却器冷凝器入口水温过高。开启后，由于冷凝器内部压力上升，致冷机保护开关启动，以停止冷机。但是，当冬季外部空气温度极低时，应将其打开仅讨论了是否有提高无风机冷却塔能源效率的空间。
无风机冷却塔的组成和原理：无风机冷却塔的组件包括主体，水盘，挡风板，降噪毯，散热材料，扩散器，喷嘴组和阻水板，如图1所示。管道安装系统见图2（Chen，2003）。
无风机冷却塔的散热原理是应用流体力学（Mott和Hsu，2005）在冷却水泵的压力下通过从喷嘴喷出冷却水来形成水幕。
水滤网的流动在冷却塔内部和外部产生压力差，以将外部空气吸入冷却塔。然后，通过扩散器，吸入的外部空气有规律地通过散热材料，使冷却水与外部空气充分接触，从而在冷却水的喷淋和降落过程中将热量传递到外部空气中，从而达到冷却效果。 。因此，无风机冷却塔中没有使用风扇或传动设备来防止包括机械噪声，振动和风扇冷却塔维护在内的问题（Qi和Liu，2008； Qi等，2007； Jin等，2007）。
材料和方法
对无风机冷却塔节能应用的讨论是要理解的：如图2的循环管线安装系统图所示，旁通管A和旁通管B的作用以及冷却水中安装变频器的效果中央空调冷却水系统上的水泵，应用变频器后在节能方面还有改进的空间，以及无风机冷却塔入口水压对入口/出口水温差（Δt）变化的影响。
经过测试的无风机冷却塔安装在医院中，并用于其中央空调冷却水系统。其外观见图3a，冷却水系统图见图3b。
医院的中央空调由300RT旋转式，520RT离心式和600RT离心式冷却器组成。如图3b所示，520RT和600RT离心式制冷机共享一个750RT无风机冷却塔，这是本测试的主题。
旁通管A：旁通管A安装在图4a中的520RT（R123制冷剂）离心式冷却器冷凝器的入口侧。为了精确控制流量，平衡阀用作水开关以精确控制水流量。测试方法是将平衡阀的开度分为8个部分。从0开始，每个开关打开1/8，并在图4b中记录总共9个冷却塔入口/出口水温，在图4c中记录冷却塔入口压力。
另外，观察并记录了与制冷机有关的数据，例如图4d中的制冷机冷凝器进出口温度，图4e中的制冷机功耗以及图4f中的外部空气温度和湿度，以供参考。
如图4b所示，当冷却塔入口压力增加到1.55kg·cm-2以上时，冷却塔入口/出口水温差（Δt）保持在3℃。
与图3-5相比，不断增加的冷却塔入口压力并不意味着冷却塔入口/出口水温的相对升高。在给定压力下，不断增加的冷却水泵功率消耗无法提高冷却塔效率。
根据以上分析并与图4d中的冷水机冷凝器进出口温度，图4e中的冷水机能耗和图4f中的外部空气湿度进行比较，图4b中提到的数据曲线随着外部温度的变化而变化。空气湿度，这是由于负载而不是冷却塔入口压力的变化而引起的。
因此，冷却塔入口/出口水温差（Δt）与冷却塔入口压力有些相关。
旁通管B：旁通管B安装在图5的750RT无风机冷却塔的入口侧。由于它位于冷却水泵的入口端，在以下情况下可能导致冷却器冷凝器入口水温过高。开启后，由于冷凝器内部压力上升，致冷机保护开关启动，以停止冷机。但是，当冬季外部空气温度极低时，应将其打开适当提高冷凝器入口温度，以防止冷却器保护开关由于低压而停止冷却器。因此，水开关应使用比例二通阀控制流量。需要注意的是，比例二通阀的开关控制应由安装在冷却塔出水管外部的温度传感器控制，而不是由安装在室内或冷水机组冷凝器中的温度传感器控制。入口。
这是因为在冬季室内温度高于外部温度时，比例二通阀可能无法及时打开和关闭。
带有变频器的冷却水泵：如制造商指定的无风机冷却塔的第六个特征所示，无风机冷却塔不需要风扇，但扬程相对较高，其总功耗相当于传统的水冷却塔。本节讨论在泵中安装变频器（Serna-Gonzalez等，2010）对冷却水系统功耗的影响。变频器降低频率后测得的功耗如图6a所示。与图6b中的冷却水泵频率变化趋势图，图6c中的冷水机组能耗百分比趋势图和图6d中的外部空气温度和湿度趋势图的实际运行记录相比，可以知道冷却水当部分装载冷水机时，水泵确实有卸载空间，而当完全加载冷却水水泵时，没有节能空间。
根据（旁通管A）的测试数据，旁通管A的安装是为了将无风机冷却塔的入口压力提高到进出口水温差（Δt）的最大压力，主要是因为散热冷却效率取决于喷雾动能。然而，由于在总体设计和规划过程中水头和管道阻力的因素，冷却水泵通常设计得过大或不足。与某些医院经过测试的中央空调冷却水系统一样，两台冷水机（一台用于运行，一台用于备用）共用一个无风机冷却塔，这是考虑到对住院病人的不利影响并节省了成本。然而，由于图7a和b中的两个冷却器具有不同的吨位和不同的冷凝器进出口管，因此使用了不同马力的冷却水泵。
具有较小冷凝器管的冷凝器在功能上等效于流量限制，从而导致冷却塔入口压力相对不足并降低了效率。但是，通过安装旁通管A可以改善这种缺点。同时，冷凝器管较大的冷水机到冷却塔的压力已超过测试的1.55 kg cm-2，因此，无需安装旁通管A和。通过变频器减载控制达到节能效果。
与（旁通管B）中的分析相似，当外部温度不低于冷水机最低冷却水温度或在冬季时，旁通管B无用。但是，应在冬季启动冷水机时安装它。由温度传感器控制的双向阀温度设置应参考原始制冷机制造商提供的手册。
在正常情况下，空调系统在部分负荷下运行时间最多，而峰值负荷时间运行率低于20％。因此，在80％的运行时间中，它具有节能空间。根据泵的亲和力定律，流量（Q），扬程（H），转速（N）和制动马力（BHP）之间的关系如下（Tsai等，2004； Hung，2004）：
水流量与转速成正比
扬程与转速的平方成正比
制动功率与转速的立方成正比
因此，降低泵的转速可以减少扬程和流量，甚至可以大大降低功耗。根据泵的亲和力定律，流量与功耗的立方成正比；因此，节能效率相当高。
图6b显示了冷却水泵频率变化趋势。根据对实际运行测试数据的分析，在采用变频器控制的冷却水泵的情况下，冷水机组主要在晚上和冬季的部分负荷下运行。冷却水泵已考虑具有良好的节能效果，而不是制造商指定的传统水冷却塔的等效总功耗。实际上，节能率相当高。当冷水机在冬季运行时，由于冷却水泵的负载减小，冷却塔入口压力降低，从而导致冷却塔的散热效果降低，同时使冷凝器入口冷却水温度足够高，从而避免了低压保护装置关闭导致冷却器停止运转。
无风机冷却塔的冷却性能会随机头的变化而变化。喷嘴头在6?16 M范围内，冷却塔的冷却性能在40?100％之间。仅当制冷机负载在40?100％之间时，才可以视为控制喷嘴头的操作。如在图6a的变频器功耗趋势记录中所述，更改变频器的频率可以更改冷却水泵的转速，从而相应地降低泵的功率损耗。当变频器的频率从60 Hz降低到30 Hz时，功耗可以从46 Kw降低到6 Kw，即从60 HP降低到7.5 HP。该研究进一步探讨了降低变频器频率（即降低功耗）的可能性。在测试的早期，由于流量太低，冷却器冷凝器的进/出口水温差降低到了20 Hz，超过了原始设计值。为避免对冷却器性能和管道规模造成负面影响，变频器的最低频率设置为30 Hz。
比较图6c中的冷水机能耗百分比趋势，图6b中的冷却水泵频率变化趋势和图6d中的外部空气温度趋势，当冷水机部分处于冷却状态时，有减小冷却水泵负荷的空间已加载。但是，当制冷机满载时，冷却水泵没有节能的空间。
以湖北武汉医院的750 RT无风机冷却塔为例，冷却水泵的功耗可以降低到7.5 HP。但是，普通的750 RT型机械通风冷却塔中使用的冷却水泵大约为30?40 HP，风扇电机为25 HP。在部分负载情况下节省的功率最多为风扇电机的25 HP。冷却水泵的固定功率消耗约为30?40 HP。如图所示，无风机冷却塔的能耗低于机械通风冷却塔（Wang，2007）。它在中央空调系统中局部装载冷却水方面处于节能领先地位。
结论
冷水机组的负荷随外部空气温度和现场需求而变化，而冷却塔的散热也随之变化。在四个季节以及白天至晚上的外部空气条件不同的情况下，普通型冷却塔风扇（泵）的固定风（水）量不一定是最佳的。实际上，一年中设计外部空气温度和湿度的平均时间少于2.5％。因此，在超过97.5％的运行时间中，风扇（泵）运行以产生低于设计值的冷却水，并浪费了大量能量。根据经验，当冷却水温度下降1°C时，冷水机可节能1.5％至2.5％。应根据冷却器的特性以及外部空气温度和湿度的限制，尽可能降低冷却水的入口温度。为了提高空调系统的整体性能，应同时考虑冷却塔的优化运行和冷水机的运行。
无风机冷却塔市场份额低的主要原因，除了其昂贵的成本外，还在于公众缺乏了解。这项研究期望该研究中提供的示例可以提供有关冷却塔的更多知识。无风机冷却塔的实际应用仍有改进的空间。例如，可以稍微修改喷嘴组入口之前的集水管，以使每个喷嘴的压力均匀，同时提高防波堤以增加散热冷却距离，从而提高整体效率。然而，随着环保意识的提高，低噪音，低污染的无风机冷却塔将是可行的选择。