章立新+趙懷超+高明+葉軍+王之肖+萬前

摘 要： 在工業(yè)中，當(dāng)采用水冷式冷水機(jī)組制冷時，若環(huán)境濕球溫度比所需冷凍水溫度低3～5 ℃，可關(guān)閉制冷機(jī)，利用閉塔直接冷卻.闡述了混流型閉式冷卻塔的工作原理，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.針對具體工程實例，對天津某化工公司的制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，同時比較風(fēng)冷、水冷及閉塔直冷三種方式的能耗.實驗表明：風(fēng)冷與水冷的全年耗電量相差不大；冬季水冷與閉塔直冷耗電比接近于8.5∶1，閉塔直冷節(jié)能率高達(dá)87%以上.

關(guān)鍵詞： 混流型閉式冷卻塔； 數(shù)學(xué)模型； 直接供冷； 節(jié)能

中圖分類號： TB 61+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： When the atmospheric wet bulb temperature is 35 ℃ lower than the required temperature of chilled water，the chiller can be turned off and the closed cooling tower can be used directly in the industry.In this paper，the working principle of mixed flow type closed cooling tower was described.The corresponding mathematical model was established.According to a specific engineering project，energysaving remoulding of the refrigeration system in a chemical company was made in Tianjin.The comparison of power consumption among air cooling，water cooling and direct cooling by closed cooling tower was made at the same time.The results showed that the annual power consumption between air cooling and water cooling was equivalent more or less，while the ratio of water cooling to direct cooling by closed cooling tower was about 8.5 to 1 in winter.The energysaving rate of direct cooling by closed cooling tower was more than 87%.

Keywords： mixed flow type closed cooling tower； mathematical model； direct cooling； energysaving

冷卻塔主要通過水的蒸發(fā)向空氣排放工藝流程中循環(huán)工質(zhì)所攜帶的廢熱，包括開式冷卻塔和閉式冷卻塔，后者也稱為干濕式冷卻塔[1].它們的冷卻極限、能耗以及投資比空氣直接冷卻都要低，故廣泛應(yīng)用于能源電力、鋼鐵冶金、石油化工、制冷空調(diào)以及輕工、食品等行業(yè)，與工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活緊密相連.目前，當(dāng)使用水冷式冷水機(jī)組制取冷凍水冷卻工藝流體時，若外界環(huán)境濕球溫度比所需冷凍水溫度低3～5 ℃（即達(dá)到冷卻塔的經(jīng)濟(jì)逼近度），且采用閉式冷卻塔時，因其冷卻水不與空氣直接接觸，冷卻水的水質(zhì)能滿足冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的要求，故可以關(guān)閉制冷機(jī)組，將冷凍水管路切換至冷卻水系統(tǒng)，利用閉式冷卻塔直接冷卻工藝流體.這是一項可行的節(jié)能供冷技術(shù)，滿足國家當(dāng)前的節(jié)能、減排、低碳、環(huán)保等政策要求.從文獻(xiàn)[2-7]可以看出，雖然該技術(shù)方案不是最新提出的，但由于過去的閉式冷卻塔本身在技術(shù)成熟度、造價以及與系統(tǒng)匹配性等方面的原因，該節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的成功案例不多，直到近年才開始受到較為廣泛的重視.針對具體工程實例，采用散熱效率高、造價低廉、維護(hù)方便的混流型閉式冷卻塔對天津某化工企業(yè)的制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造.改造后的實驗表明：當(dāng)環(huán)境條件滿足要求時，將制冷模式切換為閉塔直接供冷，相比于冬季水冷或風(fēng)冷的節(jié)能和節(jié)水效果明顯，因此，該應(yīng)用值得推廣.

1 混流型閉式冷卻塔的工作原理

混流型閉式冷卻塔主要由間壁式換熱器（包括盤管、板片等）、填料、配水系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、噴淋水泵、收水器、集水盆等部件組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.該冷卻塔的工作原理為：在系統(tǒng)循環(huán)泵的驅(qū)動下，來自工藝系統(tǒng)的冷卻水流經(jīng)間壁式換熱器，經(jīng)壁面向外放熱；集水盆中的噴淋水在噴淋水泵驅(qū)動下經(jīng)配水系統(tǒng)噴灑到間壁式換熱器上，在其表面形成均勻分布的流動水膜，從換熱器壁面吸熱，同時又向空氣放熱，而后再流到填料上進(jìn)一步向空氣放熱，最后流回到集水盆；環(huán)境空氣在塔頂風(fēng)機(jī)驅(qū)動下從塔體上方和塔體下方側(cè)面的進(jìn)風(fēng)口同時進(jìn)入塔內(nèi)，分別流經(jīng)間壁式換熱器和填料，在與噴淋水進(jìn)行熱質(zhì)傳遞后成為接近于飽和狀態(tài)的濕熱空氣，再經(jīng)收水器去除其攜帶的小水滴后排放給大氣.

2 數(shù)學(xué)模型

本文中混流型閉式冷卻塔采用管式換熱器，閉塔運行時，同時發(fā)生傳熱傳質(zhì).混流型閉式冷卻塔內(nèi)氣流較為復(fù)雜，設(shè)計計算可分為盤管區(qū)和填料區(qū)兩部分，其中噴淋水始終在塔內(nèi)循環(huán)，將其考慮為熱量傳遞介質(zhì)，進(jìn)、出口噴淋水溫twi、two均保持不變，且twi=two.

2.1 盤管區(qū)

2.1.1 熱力性能計算

盤管區(qū)傳熱傳質(zhì)模型如圖2所示，其中：tw為噴淋水溫度，℃；ia1為流經(jīng)盤管區(qū)空氣的焓，J·kg-1（干空氣）；tf為被冷卻水溫度，℃；ta1為流經(jīng)盤管區(qū)的空氣干球溫度，℃；i*為噴淋水溫度所對應(yīng)的飽和濕空氣焓，J·kg-1（干空氣）.傳熱傳質(zhì)過程包括冷卻盤管內(nèi)被冷卻工質(zhì)與管外噴淋水的傳熱過程和管外噴淋水膜與空氣之間的熱質(zhì)傳遞過程[8-9].endprint

2.2 填料區(qū)

填料區(qū)的物理模型如圖3所示，噴淋水由盤管區(qū)流向填料區(qū)，在填料表面形成水膜，水膜與空氣發(fā)生傳熱傳質(zhì)后被冷卻.噴淋水失去的熱量全被空氣帶走，即水損失的熱量等于流經(jīng)填料區(qū)空氣增加的焓值，因此熱平衡方程式為

3 應(yīng)用實例

3.1 實施方案

天津某化工公司生產(chǎn)流程中需要7～9 ℃的

工藝?yán)鋬鏊?該企業(yè)在生產(chǎn)中，原來采用水冷式冷水機(jī)組制取冷凍水冷卻工藝流體，在冷卻水系統(tǒng)中使用開式冷卻塔，系統(tǒng)24 h不間斷運行，能耗巨大.為節(jié)省運行費用，預(yù)設(shè)在冬季停止運行制冷機(jī)組和附屬設(shè)備，利用閉式冷卻塔直接供冷.為達(dá)到設(shè)計目的，應(yīng)滿足以下要求：① 環(huán)境空氣濕球溫度要比需求的冷凍水溫度低3～5 ℃；② 滿足閉塔直冷的工況應(yīng)具有持續(xù)性，至少保持5 h以上，以免頻繁啟停壓縮機(jī).由于該企業(yè)所需的冷凍水溫度為7～9 ℃，則濕球溫度必須在4 ℃以下.參考中國氣象網(wǎng)公布的天津市氣象資料，冬季平均氣溫低于0 ℃，相對濕度為40%～50%，相當(dāng)長一段時間的氣象條件滿足設(shè)計要求，并且最冷時期噴淋水溫不低于0 ℃.采用混流型閉式冷卻塔對系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，其運行系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示.在天氣較熱時，關(guān)閉閥門5、6，打開閥門1、2、3、4，制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)從冷凍水中吸收熱量，汽化成低溫低壓的蒸汽，接著被壓縮機(jī)吸入、壓縮成高溫高壓的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向閉式冷卻塔的循環(huán)冷卻水釋放熱量，并由閉式冷卻塔最終將熱量排放給大氣.與此同時，冷凝后的高壓液體，經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流為低壓低溫的制冷劑，再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化，達(dá)到循環(huán)制冷的目的.當(dāng)氣象條件滿足閉式冷卻塔直接供冷時，關(guān)閉閥門1、2、3、4，打開閥門5、6，冷凍水直接流經(jīng)閉塔將熱量排放給大氣.

3.2 混流型閉式冷卻塔設(shè)計

混流型閉式冷卻塔設(shè)計參數(shù)為：冷凍水的最低溫度不高于9 ℃，進(jìn)出口溫差5 ℃，冷凍水總流量為200 t·h-1，配置了額定制冷量為1 188 kW的螺桿式冷水機(jī)組，COP（性能系數(shù)）為5.6.工況條件1為：當(dāng)閉式冷卻塔冷卻制冷機(jī)組循環(huán)工質(zhì)時，按大氣壓力99.4 kPa、環(huán)境空氣干球溫度31.5 ℃、濕球溫度28 ℃、進(jìn)口水溫37 ℃、出口水溫32 ℃、冷卻水流量250 t·h-1設(shè)計.工況條件2為：當(dāng)閉式冷卻塔直接冷卻冷凍水時，按大氣壓力99.4 kPa、環(huán)境空氣干球溫度8 ℃、濕球溫度4 ℃、進(jìn)口水溫14 ℃、出口水溫9 ℃、冷凍水流量200 t·h-1設(shè)計.計算結(jié)果如圖5所示.比較圖5（a）、（b）表明，閉式冷卻塔冬季直接供冷時所需換熱盤管面積、風(fēng)量及噴淋水量較大，因此以工況條件2的最終設(shè)計結(jié)果[即按圖5（b）配置]加工閉塔，其他工況通過風(fēng)機(jī)變頻以適應(yīng)實際需求.選用兩臺可直冷的混流型閉式冷卻塔SMF125即能滿足要求.單模塊的盤管計算面積為353.6 m2，實際設(shè)計面積為360.1 m2.盤管采用25 mm×2.5 mm的鍍鋅鋼管，42列22層，叉排布置，其水平中心距為0.055 m，豎直間距為0.443 m，盤管模塊總尺寸為5.020 m×2.290 m×1.100 m，噴淋水量為200 m3·h-1，風(fēng)量為174 000 m3·h-1，單臺塔的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸為5.060 m×4.600 m×4.965 m.

需要指出的是，本例中不存在最冷時噴淋水結(jié)冰的問題，但如氣象條件可能在最冷時導(dǎo)致噴淋水結(jié)冰，則還需按閉式冷卻塔停止噴淋而作為空氣冷卻器使用時進(jìn)行設(shè)計計算，但此時可關(guān)閉填料區(qū)的進(jìn)風(fēng)口，從而增加盤管區(qū)的風(fēng)量.根據(jù)以往經(jīng)驗[14]，通常要以此時設(shè)計的盤管數(shù)兼顧閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)特點作為最終設(shè)計的結(jié)果.

4 能耗分析

在工業(yè)制冷中，冷水機(jī)組有風(fēng)冷和水冷兩種形式，將冬季閉式冷卻塔直接供冷系統(tǒng)作為第三種方式.由于工藝流體流量不斷變化，相應(yīng)的冷負(fù)荷會同步波動.在不同負(fù)荷的運行條件下，制冷機(jī)

組的耗電量動態(tài)變化.因此，要比較在不同運行負(fù)荷下三種系統(tǒng)的耗電量.根據(jù)工廠生產(chǎn)的需要，選擇匹配的制冷機(jī)組，考慮到經(jīng)濟(jì)實用性，一般實際運行負(fù)荷在設(shè)備總負(fù)荷的1/3以上.

4.1 風(fēng)冷與水冷對比

美國某企業(yè)對水冷式冷水機(jī)組和風(fēng)冷式水冷機(jī)組分別在1/3負(fù)荷、2/3負(fù)荷以及全負(fù)荷運行時的耗電量進(jìn)行對比實驗[15].以制冷量1 160 kW壓縮機(jī)組為例，風(fēng)冷的冷水機(jī)組功率為305 kW，冷凝風(fēng)機(jī)功率為45 kW；水冷的冷水機(jī)組功率為250 kW，冷卻水泵功率為38 kW，冷卻塔風(fēng)機(jī)功率為11 kW.對比結(jié)果如表1所示.由表1中可知，在全負(fù)荷時，風(fēng)冷機(jī)組的耗電量比水冷機(jī)組高15%左右，但在2/3負(fù)荷時，兩者基本持平，而在1/3負(fù)荷時，風(fēng)冷機(jī)組的耗電量比水冷機(jī)組低30%左右.圖6為風(fēng)冷與水冷的耗電量對比.對圖6進(jìn)行積分計算幾何面積，得出風(fēng)冷和水冷耗電量比例接近1.2∶1.考慮到水冷機(jī)組在設(shè)備保養(yǎng)方面的費用（冷卻塔系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)、水處理、冷凝器清洗等）較風(fēng)冷機(jī)組高，綜合看來，風(fēng)冷機(jī)組和水冷機(jī)組能耗相差不大.

4.2 冬季水冷和閉塔直冷對比

以天津某化工公司制冷量為1 188 kW的冷水機(jī)組為例，冷凝器排熱量約為1 400 kW.在冬季使用時，由于冷卻水與環(huán)境的溫差較大，開式冷卻塔可以不開風(fēng)機(jī)進(jìn)行自然冷卻，此時，冷水機(jī)組功率為250 kW，油泵功率為3 kW，冷卻水泵功率為30 kW.當(dāng)需要9 ℃的工藝?yán)鋬鏊覞袂驕囟葹? ℃左右時，所設(shè)計的兩臺可直冷的SMF125混流型閉式冷卻塔完全可以滿足生產(chǎn)需求，其共配有兩臺功率為4 kW的噴淋水泵，四臺功率為7.5 kW的風(fēng)機(jī)，冷凍水水泵功耗與原來的一致.對改造前后的冬季制冷系統(tǒng)進(jìn)行耗電量數(shù)據(jù)采集，實驗對比結(jié)果如表2所示.由表2中可知：在1/3負(fù)荷、2/3負(fù)荷以及全負(fù)荷下運行時，水冷機(jī)組的耗電量分別是相同負(fù)荷下閉塔直冷的7.4倍、8.6倍、12倍.圖7為冬季水冷和閉塔直冷耗電量對比.針對圖7進(jìn)行積分計算幾何面積，得出水冷和閉塔直冷耗電量比例接近8.5∶1，采用閉塔直冷節(jié)約耗電量約為250 kW，節(jié)能效率高達(dá)87%以上.以一天工作24 h計，每月30 d計，工業(yè)用電1.0元·（kW·h）-1計算，冬季四個月可節(jié)省電費72萬元左右，基本上一年左右可回收改造成本.endprint

5 結(jié) 論

（1） 采用混流型閉式冷卻塔對水冷式冷水制冷機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造，改造后的制冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定且制冷效率較高，節(jié)約耗電量約為250 kW.

（2） 比較了風(fēng)冷機(jī)組、水冷機(jī)組以及閉塔直冷的耗電量.風(fēng)冷與水冷的全年耗電量相差不大；冬季水冷與閉塔直冷耗電量比例接近于8.5∶1，節(jié)能效率高達(dá)87%以上.考慮更換閉式冷卻塔設(shè)備費用，基本上一年左右可回收改造成本.

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