2017, Vol. 33
2. 浙江万享科技股份有限公司, 浙江 长兴 313100 ;
3. 中广核工程有限公司, 广东 深圳 518057
2. Zhejiang Wanxiang Technology Co., Changxing 313100, China ;
3. China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518057, China
冷却塔主要通过水的蒸发向空气排放工艺流程中循环工质所携带的废热, 包括开式冷却塔和闭式冷却塔, 后者也称为干湿式冷却塔[1].它们的冷却极限、能耗以及投资比空气直接冷却都要低, 故广泛应用于能源电力、钢铁冶金、石油化工、制冷空调以及轻工、食品等行业, 与工业生产和人们的日常生活紧密相连.目前, 当使用水冷式冷水机组制取冷冻水冷却工艺流体时, 若外界环境湿球温度比所需冷冻水温度低3~5 ℃(即达到冷却塔的经济逼近度), 且采用闭式冷却塔时, 因其冷却水不与空气直接接触, 冷却水的水质能满足冷冻水循环系统的要求, 故可以关闭制冷机组, 将冷冻水管路切换至冷却水系统, 利用闭式冷却塔直接冷却工艺流体.这是一项可行的节能供冷技术, 满足国家当前的节能、减排、低碳、环保等政策要求.从文献[2-7]可以看出, 虽然该技术方案不是最新提出的, 但由于过去的闭式冷却塔本身在技术成熟度、造价以及与系统匹配性等方面的原因, 该节能技术应用的成功案例不多, 直到近年才开始受到较为广泛的重视.针对具体工程实例, 采用散热效率高、造价低廉、维护方便的混流型闭式冷却塔对天津某化工企业的制冷系统进行节能改造.改造后的实验表明:当环境条件满足要求时, 将制冷模式切换为闭塔直接供冷, 相比于冬季水冷或风冷的节能和节水效果明显, 因此, 该应用值得推广.
1 混流型闭式冷却塔的工作原理混流型闭式冷却塔主要由间壁式换热器(包括盘管、板片等)、填料、配水系统、风机、喷淋水泵、收水器、集水盆等部件组成, 内部结构如图 1所示.该冷却塔的工作原理为:在系统循环泵的驱动下, 来自工艺系统的冷却水流经间壁式换热器, 经壁面向外放热; 集水盆中的喷淋水在喷淋水泵驱动下经配水系统喷洒到间壁式换热器上, 在其表面形成均匀分布的流动水膜, 从换热器壁面吸热, 同时又向空气放热, 而后再流到填料上进一步向空气放热, 最后流回到集水盆; 环境空气在塔顶风机驱动下从塔体上方和塔体下方侧面的进风口同时进入塔内, 分别流经间壁式换热器和填料, 在与喷淋水进行热质传递后成为接近于饱和状态的湿热空气, 再经收水器去除其携带的小水滴后排放给大气.
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图 1 混流型闭式冷却塔结构图 Fig.1 Structure of mixed flow type closed cooling tower |
本文中混流型闭式冷却塔采用管式换热器, 闭塔运行时, 同时发生传热传质.混流型闭式冷却塔内气流较为复杂, 设计计算可分为盘管区和填料区两部分, 其中喷淋水始终在塔内循环, 将其考虑为热量传递介质, 进、出口喷淋水温twi、two均保持不变, 且twi=two.
2.1 盘管区 2.1.1 热力性能计算盘管区传热传质模型如图 2所示, 其中:tw为喷淋水温度, ℃; ia1为流经盘管区空气的焓, J·kg-1(干空气); tf为被冷却水温度, ℃; ta1为流经盘管区的空气干球温度, ℃; i*为喷淋水温度所对应的饱和湿空气焓, J·kg-1(干空气).传热传质过程包括冷却盘管内被冷却工质与管外喷淋水的传热过程和管外喷淋水膜与空气之间的热质传递过程[8-9].
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图 2 盘管区传热传质模型 Fig.2 Model of heat and mass transfer in coil |
盘管内冷却水失去的热量dQf即为传递给管外喷淋水水膜的热量, 单位为W, 有
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(1) |
式中:cf为管内冷却水的比热, J·kg-1·℃-1; qf为管内冷却水的质量流量, kg·s-1; K0为从冷却水直至喷淋水的传热系数, W·m-2·℃-1; dz为微元高度段的传热面积, m2.
喷淋水膜在盘管区向空气的传热量Qa1包括显热和潜热两部分, 即由温差产生的显热和由浓度差产生的传质潜热组成.假设刘易斯因子为1, 热量传递等效为焓差产生, 即
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(2) |
式中:qa1为流经盘管区空气的质量流量, kg·s-1; KM为喷淋水向空气流的传质系数, kg·m-2·s-1·ΔX-1, ΔX为含湿量差的单位, kg(水蒸气)·kg(干空气)-1.
2.1.2 传热和传质系数的确定(1) 管内冷却水到喷淋水之间的总传热系数K0[10]
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(3) |
式中:di、do分别为管内径和外径, m; dm为传热管的对数平均直径, m; δ为管壁厚度, m; λ为管壁热导率, J·m-1·℃-1; ri、ro分别为管内、外壁上的污垢热阻, m2·℃·W-1; hi为管内冷却水与管内表面之间的对流换热系数, W·m-2·℃-1; h0为管外喷淋水与管外表面之间对流换热系数, W·m-2·℃-1.
冷却盘管采用错排, h0建议采用Parker等[11]得出的传热关系式, 并乘以修正系数ξ1(因空气流向不同, 由实验确定), 即
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(4) |
式中, Γ为流过单位宽度的流量, kg·m-1·h-1.
(2) 喷淋水与空气间的传质系数KM[12]
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(5) |
式中:m为湿空气温-湿图中的饱和曲线斜率, m=dia1/dtw, J·kg(干空气)-1·℃-1; h′为喷淋水与空气之间的对流换热系数, W·m-2·℃-1, 在1.389＜Γ/do＜3.051、0.694＜Gmax＜5.278的范围内h′=11 630 W·m-2·℃-1; Gmax为最小截面处湿空气的质量流速, kg·m-2·s-1; hD为喷淋水与空气流之间的传质分系数, kg·m-2·s-1·ΔX-1, 建议采用Hasan推荐的公式[13], 并乘以修正系数ξ2(因空气流向不同, 由实验确定), 即
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(6) |
填料区的物理模型如图 3所示, 喷淋水由盘管区流向填料区, 在填料表面形成水膜, 水膜与空气发生传热传质后被冷却.喷淋水失去的热量全被空气带走, 即水损失的热量等于流经填料区空气增加的焓值, 因此热平衡方程式为
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图 3 填料区传热传质模型 Fig.3 Model of heat and mass transfer in the packing area |
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(7) |
式中:cw为填料区喷淋水温降范围内的平均比热容, J·kg-1·℃-1; qw为喷淋水的质量流量, kg·h-1; qa2为流经填料区空气的质量流量, kg·h-1; ia2为流经填料区空气的焓, J·kg-1.
空气焓值与水温是沿着x和z两个方向(即冷却塔的纵深和高度方向)变化.填料的容积散质系数为βxv, 同时考虑换热过程中的水蒸发损失, 引入系数K, 则式(7)变为
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(8) |
式中:V为填料体积, m3; βxυ为填料容积散质系数, kg·m-3·h-1; K为蒸发系数.
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(9) |
天津某化工公司生产流程中需要7~9 ℃的工艺冷冻水.该企业在生产中, 原来采用水冷式冷水机组制取冷冻水冷却工艺流体, 在冷却水系统中使用开式冷却塔, 系统24 h不间断运行, 能耗巨大.为节省运行费用, 预设在冬季停止运行制冷机组和附属设备, 利用闭式冷却塔直接供冷.为达到设计目的, 应满足以下要求:①环境空气湿球温度要比需求的冷冻水温度低3~5 ℃; ②满足闭塔直冷的工况应具有持续性, 至少保持5 h以上, 以免频繁启停压缩机.由于该企业所需的冷冻水温度为7~9 ℃, 则湿球温度必须在4 ℃以下.参考中国气象网公布的天津市气象资料, 冬季平均气温低于0 ℃, 相对湿度为40%~50%, 相当长一段时间的气象条件满足设计要求, 并且最冷时期喷淋水温不低于0 ℃.采用混流型闭式冷却塔对系统进行节能改造, 其运行系统设计如图 4所示.在天气较热时, 关闭阀门5、6, 打开阀门1、2、3、4, 制冷工质在蒸发器内从冷冻水中吸收热量, 汽化成低温低压的蒸汽, 接着被压缩机吸入、压缩成高温高压的蒸汽后排入冷凝器, 在冷凝器中向闭式冷却塔的循环冷却水释放热量, 并由闭式冷却塔最终将热量排放给大气.与此同时, 冷凝后的高压液体, 经节流装置节流为低压低温的制冷剂, 再次进入蒸发器吸热汽化, 达到循环制冷的目的.当气象条件满足闭式冷却塔直接供冷时, 关闭阀门1、2、3、4, 打开阀门5、6, 冷冻水直接流经闭塔将热量排放给大气.
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图 4 改造后的运行系统 Fig.4 Operating system after remoulding |
混流型闭式冷却塔设计参数为:冷冻水的最低温度不高于9 ℃, 进出口温差5 ℃, 冷冻水总流量为200 t·h-1, 配置了额定制冷量为1 188 kW的螺杆式冷水机组, COP(性能系数)为5.6.工况条件1为:当闭式冷却塔冷却制冷机组循环工质时, 按大气压力99.4 kPa、环境空气干球温度31.5 ℃、湿球温度28 ℃、进口水温37 ℃、出口水温32 ℃、冷却水流量250 t·h-1设计.工况条件2为:当闭式冷却塔直接冷却冷冻水时, 按大气压力99.4 kPa、环境空气干球温度8 ℃、湿球温度4 ℃、进口水温14 ℃、出口水温9 ℃、冷冻水流量200 t·h-1设计.计算结果如图 5所示.比较图 5(a)、(b)表明, 闭式冷却塔冬季直接供冷时所需换热盘管面积、风量及喷淋水量较大, 因此以工况条件2的最终设计结果[即按图 5(b)配置]加工闭塔, 其他工况通过风机变频以适应实际需求.选用两台可直冷的混流型闭式冷却塔SMF125即能满足要求.单模块的盘管计算面积为353.6 m2, 实际设计面积为360.1 m2.盘管采用ϕ25 mm×2.5 mm的镀锌钢管, 42列22层, 叉排布置, 其水平中心距为0.055 m, 竖直间距为0.443 m, 盘管模块总尺寸为5.020 m×2.290 m×1.100 m, 喷淋水量为200 m3·h-1, 风量为174 000 m3·h-1, 单台塔的外形结构设计尺寸为5.060 m×4.600 m×4.965 m.
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图 5 混流型闭式冷却塔计算结果 Fig.5 Calculation results of mixed flow type closed cooling tower |
需要指出的是, 本例中不存在最冷时喷淋水结冰的问题, 但如气象条件可能在最冷时导致喷淋水结冰, 则还需按闭式冷却塔停止喷淋而作为空气冷却器使用时进行设计计算, 但此时可关闭填料区的进风口, 从而增加盘管区的风量.根据以往经验[14], 通常要以此时设计的盘管数兼顾闭式冷却塔结构特点作为最终设计的结果.
4 能耗分析在工业制冷中, 冷水机组有风冷和水冷两种形式, 将冬季闭式冷却塔直接供冷系统作为第三种方式.由于工艺流体流量不断变化, 相应的冷负荷会同步波动.在不同负荷的运行条件下, 制冷机组的耗电量动态变化.因此, 要比较在不同运行负荷下三种系统的耗电量.根据工厂生产的需要, 选择匹配的制冷机组, 考虑到经济实用性, 一般实际运行负荷在设备总负荷的1/3以上.
4.1 风冷与水冷对比美国某企业对水冷式冷水机组和风冷式水冷机组分别在1/3负荷、2/3负荷以及全负荷运行时的耗电量进行对比实验[15].以制冷量1 160 kW压缩机组为例, 风冷的冷水机组功率为305 kW, 冷凝风机功率为45 kW; 水冷的冷水机组功率为250 kW, 冷却水泵功率为38 kW, 冷却塔风机功率为11 kW.对比结果如表 1所示.由表 1中可知, 在全负荷时, 风冷机组的耗电量比水冷机组高15%左右, 但在2/3负荷时, 两者基本持平, 而在1/3负荷时, 风冷机组的耗电量比水冷机组低30%左右.图 6为风冷与水冷的耗电量对比.对图 6进行积分计算几何面积, 得出风冷和水冷耗电量比例接近1.2:1.考虑到水冷机组在设备保养方面的费用(冷却塔系统维护保养、水处理、冷凝器清洗等)较风冷机组高, 综合看来, 风冷机组和水冷机组能耗相差不大.
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表 1 风冷与水冷的耗电量对比 Table 1 Comparison of power consumption between air cooling and water cooling |
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图 6 风冷与水冷的耗电量对比 Fig.6 Comparison of power consumption between air cooling and water cooling |
以天津某化工公司制冷量为1 188 kW的冷水机组为例, 冷凝器排热量约为1 400 kW.在冬季使用时, 由于冷却水与环境的温差较大, 开式冷却塔可以不开风机进行自然冷却, 此时, 冷水机组功率为250 kW, 油泵功率为3 kW, 冷却水泵功率为30 kW.当需要9 ℃的工艺冷冻水且湿球温度为4 ℃左右时, 所设计的两台可直冷的SMF125混流型闭式冷却塔完全可以满足生产需求, 其共配有两台功率为4 kW的喷淋水泵, 四台功率为7.5 kW的风机, 冷冻水水泵功耗与原来的一致.对改造前后的冬季制冷系统进行耗电量数据采集, 实验对比结果如表 2所示.由表 2中可知:在1/3负荷、2/3负荷以及全负荷下运行时, 水冷机组的耗电量分别是相同负荷下闭塔直冷的7.4倍、8.6倍、12倍.图 7为冬季水冷和闭塔直冷耗电量对比.针对图 7进行积分计算几何面积, 得出水冷和闭塔直冷耗电量比例接近8.5:1, 采用闭塔直冷节约耗电量约为250 kW, 节能效率高达87%以上.以一天工作24 h计, 每月30 d计, 工业用电1.0元·(kW·h)-1计算, 冬季四个月可节省电费72万元左右, 基本上一年左右可回收改造成本.
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表 2 冬季水冷和闭塔直冷耗电量对比 Table 2 Comparison of power consumption between direct cooling by closed towers and water cooling |
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图 7 冬季水冷和闭塔直冷耗电量对比 Fig.7 Comparison of power consumption between direct cooling by closed towers and water coolingunits in winter |
(1) 采用混流型闭式冷却塔对水冷式冷水制冷机组进行节能改造, 改造后的制冷系统运行稳定且制冷效率较高, 节约耗电量约为250 kW.
(2) 比较了风冷机组、水冷机组以及闭塔直冷的耗电量.风冷与水冷的全年耗电量相差不大; 冬季水冷与闭塔直冷耗电量比例接近于8.5:1, 节能效率高达87%以上.考虑更换闭式冷却塔设备费用, 基本上一年左右可回收改造成本.
| [1] |
沙战, 周亚素. 干湿式冷却塔研究现状及发展前景[J]. 能源研究与信息, 2009, 25(4): 192-197. |
| [2] |
GOSWAMI DAVE REVELIOTTY C N. Free cooling by cooling tower water[J]. ASHRAEJ, 1987(1): 32-37. |
| [3] |
JOHN C HENSLEY. The application of cooling towers for free cooling[J]. ASHRAE, 1994, 7(3): 817-823. |
| [4] |
PASCAL STABAT DOMINIQUE MARCHIO. Simplified model for indirect-contact evaporative cooling-tower be-haviour[J]. Applied Energy, 2004, 78(4): 433-451. DOI:10.1016/j.apenergy.2003.09.004 |
| [5] |
李永安, 常静, 徐广利, 等. 封闭式冷却塔供冷系统气象条件分析[J]. 暖通空调, 2005, 35(6): 107-108. |
| [6] |
张璐璐, 张欢, 由世俊, 等. 闭式冷却塔用于冬季直接供冷的设计及节能分析[J]. 山东建筑大学学报, 2007, 22(1): 65-69. |
| [7] |
朱东升, 涂爱民. 闭式冷却塔直接供冷及其经济性分析[J]. 暖通空调, 2008, 38(4): 100-103. |
| [8] |
GAN G, RIFFAT S B. Numerical simulation of closed wet cooling towers for Chilled ceiling systems[J]. Applied Thermal Engineering, 1999, 19(12): 1279-1296. DOI:10.1016/S1359-4311(99)00002-2 |
| [9] |
ALA HASAN KAI SIREN. Theoretical and computational analysis of closed wet cooling towers and its applications in cooling of buildings[J]. Energy and Buidlings, 2002, 34(5): 477-486. |
| [10] |
朱冬生, 郑伟业, 等. 闭式冷却塔的数值分析[J]. 流体机械, 2013, 41(1): 59-62. |
| [11] |
PARKER R O, TREYBALL R E. The heat mass transfer characteristics of evaporative coolers[J]. Chemical Engineering and Processing Symposium Series, 1962, 57(32): 138-147. |
| [12] |
尾花英朗. 热交换器设计手册[M](下册). 石油工业出版社, 1982: 417-443.
|
| [13] |
MERKEL F. Verdunstungskuehlung[M]. Berlin: VDI Forschungsarbeiten, 1925, 3275.
|
| [14] |
章立新, 姬翔宇, 等. 干湿交替运行的闭塔设计与节水方案的计算研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015, 5: 85-88. |
| [15] |
王树俊. 关于风冷和水冷冷水机组的耗电量问题[J]. 暖通空调, 1997, 27(3): 24-25. |