中央空调冷却塔的技术原理与应用详解

中央空调冷却塔的技术原理与应用详解

冷却塔是中央空调系统中不可或缺的关键设备，其主要功能是将系统中的冷却水冷却至所需温度，以维持空调系统的正常运转。冷却塔利用水与空气之间的热湿交换原理，通过将热水雾化或膜化，与空气直接接触，使水温降低，同时将热量排放到大气中，实现冷却水的循环利用。合理选择和运行冷却塔，不仅可以显著提高中央空调系统的能源效率，还能够保障系统的稳定运行和可靠性。

（示意图，不对应文中任何具体信息）

冷却塔的工作原理

冷却塔的工作过程可以简单概括为"水降温,空气升温"。具体而言,高温冷却水在塔内经过填料表面时,与空气形成充分的接触,通过显热传递和潜热传递两种方式实现热量交换:

1、显热传递:

由于水滴或水膜与空气之间存在温度差,根据热力学第二定律,热量会从高温物体传递到低温物体,使得水温下降,空气温度升高。显热传递速率遵循牛顿冷却定律,与水空温差和接触面积成正比。

2、潜热传递:

当高温水与空气接触时,部分水会蒸发到空气中,形成水蒸气。水分子由液态变为气态,需要吸收汽化潜热,从而带走水中的热量,起到降温作用。潜热传递量占冷却塔总传热量的60%以上,是影响冷却效果的主要因素。蒸发量的大小与水温、空气湿度、接触时间等参数密切相关。

除了显热和潜热传递,冷却塔内还存在复杂的流体流动和传质过程,如水雾的形成与运动、空气的对流与扩散等,共同影响着传热传质效果。冷却塔的核心部件如填料、喷淋装置和通风系统,都是为了强化上述传热传质过程而设计的。通过合理优化塔内构件和工艺参数,可以显著提升冷却塔的换热效率和运行性能。

在实际工程中,影响冷却塔换热效果的关键参数主要包括:

1、进风温度:塔外空气的干球温度,反映空气的初始热容。进风温度越低,冷却效果越好。

2、湿球温度:反映空气的含湿量,是影响蒸发潜热传递的决定性因素。湿球温度越低,空气吸收水蒸气的能力越强,冷却效果越好。

3、进出水温度:冷却水的初始温度和目标温度,代表了冷却塔所需要传递的热量。进出水温差越大,传热驱动力越足,传热速率越高。

4、水气比:单位空气流量所对应的水流量。水气比会影响水滴的飞溅、雾化效果,以及空气的湿度变化。存在最佳水气比值,一般为0.8~1.2之间。

5、填料特性:填料的比表面积、孔隙率、亲水性等参数,决定了水膜的形成质量和与空气的接触效率。

6、塔高与截面积:影响塔内水雾的停留时间和空气的流速分布。塔高越大,截面积越大,换热效果越好,但投资和运行成本也越高。

因此,在冷却塔的设计和运行中,需要综合平衡上述参数,在满足冷却效果的前提下,兼顾经济性和可靠性,以达到最佳的技术经济性能。

常见闭式冷却塔的结构类型

常见的闭式冷却塔按照进风方向和填料布置方式,可分为横流式和逆流式两大类型。两种类型各有特点,适用于不同的应用工况。

1、横流式冷却塔

横流式冷却塔的特点是空气从塔体侧面进入,与填料中自上而下流淌的水膜呈90°横向流动,最后从塔体另一侧排出。其优点是结构紧凑、占地面积小、进风均匀,非常适合空间受限的场合。

横流塔的主要构件包括:

(1) 塔体:一般采用玻璃钢或不锈钢材质,具有强度高、重量轻、耐腐蚀等特点。

(2) 集水盘:位于塔底部,用于收集冷却后的水,并引入回水管道。

(3) 填料:采用波纹形或蜂窝状聚丙烯材料,比表面积大,孔隙率高,能够有效增强传热与传质效果。

(4) 除水器:安装在出风口,捕捉夹带的水滴,降低水的飞溅损失。

(5) 风机:提供塔内空气流动的动力,多采用轴流风机,效率高,噪音低。

(6) 电机:驱动风机旋转,一般采用防水防爆型,可实现变频调速。

2、逆流式冷却塔

逆流式冷却塔的特点是空气从塔底进入,与从上至下喷淋的热水呈逆向流动,最后从塔顶排出。其优点是填料利用率高、出水温度低、通风动力小,适合大型工业冷却系统。

逆流塔的主要构件包括:

(1) 塔体:高度较高,一般采用钢筋混凝土结构,抗风压能力强。

(2) 集水盘:与横流塔类似,用于收集冷却水。

(3) 填料:采用斜交错、迷宫式等复杂通道结构,延长空气与水的接触时间,强化传热效果。

(4) 喷淋装置:由高度可调的喷头组成,将热水均匀喷淋到填料表面,并雾化成细小水滴,与逆向上升的冷风充分接触。

(5) 百叶窗:设置在塔底部,用于调节进风量和进风角度,优化塔内气流组织。

(6) 风机和电机:与横流塔类似,但布置在塔顶部。

除了横流和逆流式,还有复合流、径流等其他类型冷却塔,但应用较少。冷却塔的选型需要综合考虑工程的冷却负荷、进出水温、湿球温度、占地面积、噪声控制等诸多因素,并针对水质条件、运行工况、经济性等要求,优化填料和喷淋系统的设计参数。下面将详细介绍冷却塔选型的一般方法和步骤。

冷却塔的选型方法

冷却塔的选型是确定其技术参数和规格型号的过程,直接关系到工程的投资成本和运行效果。选型时需要综合分析冷却塔在空调系统中的作用、负荷特性、环境条件等因素,遵循"以需定供"的原则,优化技术经济指标。一般选型步骤如下:

1、确定冷却负荷:

根据空调系统的设计工况,包括空调制冷量、冷冻水进出水温度、冷冻水设计流量等参数,计算冷却塔所需分担的热负荷指标。

2、选择设计工况:

根据工程项目所在地的气象参数,如夏季设计湿球温度、进风干球温度等,确定冷却塔在不同工况下的性能要求。

3、确定填料形式:

根据冷却水的水质情况、换热效果要求、风阻特性等因素,选择合适的填料种类和布置方式,如蜂窝式、斜交错式、迷宫式等。

4、选择塔型与布置:

根据可用场地面积、景观协调性、噪声控制要求等,选择合适的冷却塔型式(如横流或逆流)、单塔容量和台数,并合理布置。

5、优化结构参数:

在满足冷却负荷的前提下,通过优化填料比表面积、喷淋密度、通风系数等参数,使塔内达到最佳的热工性能和水力条件。

6、校核运行工况:

对冷却塔在不同负荷、湿球温度、进水温度等工况下的运行性能进行校核,确保其能够满足全年运行的需求。

7、确定机电选型:

根据风量、静压等参数,选择高效节能的风机和电机产品,优化叶轮直径、转速、功率等,在降低能耗的同时,兼顾可靠性和经济性。

下面举例说明具体的选型计算过程:

【例】某大型商场采用集中式空调系统,设计冷量为3000kW,冷冻水进水温度12℃,出水温度7℃,设计流量为350m³/h。该地区夏季设计湿球温度为28℃,冷却塔进风干球温度35℃。要求选择合适的冷却塔型号和台数。

解:

(1) 冷却塔热负荷 Q=制冷量+冷水泵热量+冷机能耗=3000+350×(12-7)×4.186/3600+3000/4=4475kW

(2) 进出水温差 Δt=(Q/c_p )/(ρ∙q_v )=(4475×3600)/(4.186×1000×350)=11.6℃

(3) 进出水温度 t_1=12+11.6=23.6℃,t_2=12℃

(4) 选填料为弧形波纹形,比表面积150m²/m³,填料高度1.8m

(5) 查询相关工程手册,按照湿球温度28℃,进水温度23.6℃,填料高度1.8m,估算单台塔设计工况下的额定散热量为1600kW

(6) 塔数 n=Q/Q_单台=4475/1600=2.8≈3台

(7) 考虑实际工程选型,采用3台容量为1600kW的逆流式冷却塔并联运行。

(8) 选用外径4m,高度3.5m的玻璃钢圆形逆流塔,配套5.5kW变频调速轴流风机。

可见,冷却塔的选型需要在设计指标、空间条件、水质状况、材料特性、运行工况等多方面因素之间权衡取舍,以期达到冷却效果、投资成本、能源效率、环境友好性的最佳平衡。同时,还需考虑到冷却塔在实际运行中的调节控制策略,避免设计裕度过大而造成能源浪费。

冷却塔水流量的调节

冷却塔作为空调冷热源系统的末端设备,其运行工况往往会随室内外负荷、环境参数、系统特性等因素变化而发生波动。为适应这种变化,需要灵活调节冷却水的流量和温度,维持冷却塔的热平衡,提高系统的PartialLLoad性能。

冷却塔水流量调节的常用方式有:

1、定流量两挡调节:通过开关冷却水泵,实现冷却塔的50%和100%两档流量调节,适用于负荷变化不大的系统。

2、定流量多级调节:通过开关多台并联的小流量冷却水泵,实现冷却塔流量的多级调节,适用于负荷变化中等的系统。

3、变流量连续调节:通过冷却水泵的变频调速,或采用调节阀控制回水管路的阻力,实现冷却塔流量的无级连续调节,适用于负荷变化频繁的系统。

4、组合调节:结合定流量和变流量的调节方式,兼顾不同工况下的控制精度和运行稳定性。如采用定流量调节和旁通管路相结合的方式。

不同的流量调节方式应与冷却塔的台数配置、运行工况、控制策略相匹配。其调节原理可分为以下几类:

1、恒温调节:根据冷却水出水温度与设定值的偏差,采用PID控制器调节冷却水泵的频率或阀门开度,稳定冷却水出水温度。

2、恒流调节:维持冷却水泵的定流量运行,通过变频控制风机的转速,调节塔内的热负荷分配,间接控制出水温度。

3、负荷跟踪调节:根据空调系统的实际冷量需求,采用DDC控制器调节冷却水泵和风机的运行参数,使冷却塔的供热量与负荷需求相适应。

4、优化调节:在满足冷却效果的前提下,通过优化冷却塔的运行工况,如调整水气比、热负荷分配等参数,达到节能降耗的目的。

需要注意的是,冷却塔水流量的调节应避免过于频繁,以减少水泵和风机的启停次数,延长设备的使用寿命。同时,在调节过程中应密切关注冷却塔的运行工况,如水温、水位、震动等参数,及时发现和排除异常情况,确保安全平稳运行。

结论

本文系统地概述了中央空调冷却塔的工作原理、结构类型、选型方法和运行控制策略,阐述了其作为湿法换热设备在空调冷源侧的重要作用和应用。

主要结论和启示如下:

冷却塔利用水与空气的热湿交换降低冷却水温度,显热和潜热传递是其主要换热机理,而填料、喷淋、风机等是强化传热传质的关键构件。

横流式、逆流式是两种常见的闭式冷却塔类型,其结构布置和进风方式各有特点,需根据工程条件合理选用。

冷却塔选型时要综合考虑热负荷、环境参数、水质状况等因素,兼顾冷却效果、投资成本、能耗指标、环保性能,优化塔型参数和台数配置。

针对负荷和工况的变化,采用定流量、变流量等多种水流调节方式,匹配合适的控制策略,可显著提高冷却塔的PartialLLoad效率和运行灵活性。

加强冷却塔的运行监测和维护管理,是确保其安全、高效、持久运行的重要保证。要及时清洗填料、检修风机、处理水质等,消除安全隐患。

可以预见,随着建筑节能和空调系统优化的需求日益凸显,高效智能的冷却塔产品和成套技术必将得到更加广泛的应用。同时,在不同气候区、水资源禀赋、环境条件下,因地制宜地开发适用的冷却塔系统,优化其设计选型、控制运行方案,提高其在城镇空调和工业冷却领域的覆盖率,对于建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。