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    新標準下冷水機組與冷卻塔選配方法探討

    關鍵詞:冷卻塔|冷卻塔價格|冷卻塔生產|廣州冷卻塔|冷水機|螺桿機|中央空調|

    描述:我國現行冷水機組和冷卻塔兩個行業規定的標準工況冷卻水進出水溫度不同,造成了在使用時一方必須變工況運行、實際出力達不到標況值的問題。通過分析提出適合廣州地區的選配設計方法——按照冷卻塔進出水溫度標準選擇冷水機組,并通過計算推導出冷水機組制冷量修正系數。這為設計師在沒有變工況數據的情況下提供了設計參考,并為其他地區的選配設計提供方法參考。

         

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    我國現行冷水機組和冷卻塔兩個行業規定的標準工況冷卻水進出水溫度不同,造成了在使用時一方必須變工況運行、實際出力達不到標況值的問題。通過分析提出適合廣州地區的選配設計方法——按照冷卻塔進出水溫度標準選擇冷水機組,并通過計算推導出冷水機組制冷量修正系數。這為設計師在沒有變工況數據的情況下提供了設計參考,并為其他地區的選配設計提供方法參考。

    前言

    廣州地區通信機樓冷負荷需求較大、并且通信設備需要不間斷運行,因此廣州地區大部分通信機樓采用中央空調集中供冷方式,常見的冷源配置是水冷式冷水機組,并配套相應的冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔,通過空調冷卻水循環系統不斷地為冷水機組提供冷卻水。GB/T18430.1—2001及GB/T18430.1—2007將冷水機組冷卻水的進出水溫度由32/37℃修改為30/35℃,因此,現在大部分冷水機組樣本資料標明的制冷量皆是在該條件下的制冷量。然而,另一方面,GB/T 7190.1—2008中冷卻塔進出水標準仍為37/32℃。這兩個不同的標準造成了在使用時一方必須變工況運行、實際出力達不到標況值的問題。在沒有變工況數據的情況下,如何合理設計選配冷水機組及冷卻塔成為設計師需要解決的問題。

    選配設計方法

    冷卻塔是用空氣同水的接觸(直接或間接)來冷卻水的裝置。水與空氣直接接觸稱為濕式(或稱開式)冷卻塔,水與空氣間接接觸稱為干式(或稱封閉式)冷卻塔。本文主要討論常用的濕式冷卻塔。

    冷卻水的進出水溫度由32/37℃修改為30/35℃,其目的顯然是為了提高冷水機組效率節省能源,但是冷卻塔行業卻沒有相應更改標準,這是有一定原因的。我們平常所說的溫度一般是干球溫度,此外還有濕球溫度。由于濕球溫度決定了空氣的含熱量,因此它對于確定用戶夏季冷負荷(冷水機組容量)、冷卻塔效率以及冷水機組效率等諸多方面均將產生很大影響。冷卻塔冷卻的基本原理之一是利用水本身的蒸發潛熱來冷卻水,即塔中的冷卻水是通過填料的巨大表面在一定空氣流速的條件下,通過蒸發部分冷卻水而冷卻的。在已知條件下(填料種類、氣水比、冷卻水進出水溫度和熱負荷等),冷卻塔出水溫度的決定因素就是濕球溫度。如在該設計參數條件下運行,濕球溫度就是該冷卻塔冷卻水出水溫度所能達到的更低理論極限值,又稱為水的冷卻極限。理論上水溫可以降到濕球溫度,但實際上達不到。要使水溫降到濕球溫度,冷卻塔尺寸需無限大,水與空氣接觸的時間要無限長,這顯然是不可能的。冷卻塔出水溫度和濕球溫度之間的溫度差稱為冷幅高,顯然冷幅高越大冷卻塔處理效率越高,一般冷幅高為4-5℃。我國幅員遼闊,各主要城市夏季濕球溫度tsh差異很大,其中:tsh≥25℃的有114個城市,tsh≥26℃的有102個城市,tsh≥27℃的有76個城市,tsh≥28℃的有31個城市,廣州地區夏季濕球計算溫度為27.7℃。如果冷卻塔出水溫度定為30℃,則tsh≥28℃的城市的冷幅高僅為2℃,回旋余地非常小,冷卻水要保證出水溫度不升高是很困難的。而且,GB50019-2003規定的這一濕球溫度是每年不保證50h的濕球溫度,即每年有50h濕球溫度將高于上述的計算濕球溫度,在此期間,冷卻塔若要保證進出水溫差不變,其出水溫度將會隨著濕球溫度的升高而升高,將會引起冷水機組運行條件的惡化,導致冷凝溫度升高,制冷量下降,無法滿足通信機樓的制冷量要求,不能保證機房溫度在設計溫度范圍內,甚至影響冷水機組的壽命。眾所周知,各地濕球溫度是客觀事實、無法以人的意志改變,因此,冷卻塔進出水為37/32℃這一標準是有其現實意義的,也適合廣州地區。

    為使冷水機組和冷卻塔匹配運行,有兩種方法:方法一是按冷水機組冷卻水進出水溫度標準選用冷卻塔,方法二是按冷卻塔進出水溫度標準選用冷水機組。

    2.1 按照冷水機組冷卻水進出水溫度標準選用冷卻塔

    若采用方法一,按冷水機組冷卻水進出水溫度標準選用冷卻塔,冷水機組冷卻水進水溫度為 30℃。廣州地區夏季濕球計算溫度為27.7℃,這樣,冷卻塔冷幅高僅為2.3℃(一般為4~5℃),冷卻塔必然處于變工況狀態下運行,其處理能力大大下降。即使增加了冷卻塔的容量,也由于冷幅高過小,要維持冷卻水出水溫度不變也是很困難的。因此,在廣州地區,有的單位吸取他人的教訓,為了確保冷水機組冷卻水溫度不至于大幅度上升而采取“雙塔”措施。當按照冷水機組冷卻水進出水溫度30/35℃選用冷卻塔時,冷卻塔選型要放大47.4%至75.2%,表1為廣州地區常用冷卻塔品牌A的對比數據。

    更進一步分析, GB50019-2003規定的夏季濕球計算溫度是指“每年不保證50小時”,換言之,在高溫而迫切需要降溫的關鍵時刻,若一天中有4小時超過夏季濕球計算溫度,那就意味著每年累計有12天通信機房內空調的現狀將超過預定的設計值(有的地方情況甚至更加惡化)。這種天氣情況下,冷卻塔若要保證進出水溫差不變,其出水溫度將會隨著濕球溫度的升高而升高,將會引起冷水機組運行條件的惡化,導致冷凝溫度升高,制冷量下降,無法滿足通信機樓的制冷量要求,不能保證機房溫度在設計溫度范圍內,這對要求不間斷正常供冷的通信機樓是不允許的。

    表1 廣州地區冷卻塔品牌A在不同冷卻水進出水溫度下的選型對比

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    注:(1)所選為方形橫流塔,填料系數相同,各型號設計工況相同。

    (2)冷卻塔型號對應的冷卻水量為進出水溫37/32℃、濕球溫度28℃下的處理量。

    顯然,一味加大冷卻塔型號需要付出很大代價:初投資增加,日后維護費用增加,安裝面積增加或因安裝面積不足而使工程無法實施。由于冷卻水溫度還受當地室外空氣濕球溫度的限制,有時即使采取“雙塔”措施也無法滿足冷水機組冷卻水進水溫度為30℃的要求。

    2.2 按照冷卻塔進出水溫度標準選用冷水機組

    若采用方法二,按照冷卻塔進出水溫度標準選擇冷水機組,當冷負荷固定、冷卻水流量和進出水溫度差維持不變時,冷卻水的出水溫度(32℃)高于冷水機組的標況值(30℃),其后果是降低冷水機組的效率,制冷量達不到樣本標注值,冷水機組處于變工況狀態下運行。

    下面來分析制冷量的變化。以工程中應用大多的蒸汽壓縮式制冷循環為例,如圖1,1-2-3-4-1為飽和循環過程;實際循環為回熱循環1’-2’-3’-4’-1’(為簡便計算,假設蒸發器和冷凝器中的過程等壓,考慮一定的吸氣過熱度和絕熱節流)。其中1-1’過程過熱,兩狀態點壓力相同,記為p1=p1’;1’狀態點溫度t1’為過熱溫度;1’-2’為絕熱壓縮過程,等熵壓縮;2’-2-3-3’是制冷劑在冷凝器中等壓冷卻和凝結;3-3’為過冷;3-4和3’-4’分別是絕熱節流過程,記為h3=h4和h3’=h4’。

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    圖1 lgp-h圖上的飽和循環和回熱循環

    由熱力計算得實際循環的單位質量制冷量為:

    q= h1’- h4 (式1)

    而h3=h4

    因此有q= h1’- h3 (式2)

    不同制冷劑單位質量制冷量有所不同。當制冷劑為R22、R123、R134a、R407c和R410a時,制冷機空調工況為:蒸發溫度5℃,蒸氣過熱溫度15℃。當制冷劑為R717時,制冷機空調工況為:蒸發溫度為5℃,蒸氣過熱溫度10℃。

    查制冷劑飽和狀態下熱力性質表(或壓焓圖),得冷凝溫度時飽和液體比焓h3;查制冷劑飽和狀態下熱力性質表(或壓焓圖),得蒸發溫度時(如標況5℃)飽和蒸汽壓力P1;由P1’=P1及t1’=蒸汽過熱溫度,查過熱蒸汽熱力性質表(或壓焓圖)得h1’。

    本文著重分析冷卻水進水溫度不同引起的冷水機組制冷量變化,因此為簡化分析過程,假定蒸發溫度不變、蒸氣過熱溫度不變,分別為5℃和15℃(除R717蒸汽過熱溫度為10℃外)。制冷機冷凝溫度按如下方法確定:冷凝溫度比冷卻水進出口平均溫度高5~7℃。當冷卻水進出水溫度為30/35℃時,其冷凝溫度為37.5~39.5℃;當冷卻水進出水溫為32/37℃時,其冷凝溫度為39.5~41.5℃。冷凝溫度升高,制冷量下降。比較冷凝溫度為37.5℃和41.5℃時的制冷量,就可以看出該兩個冷卻水進水溫度時引起的制冷量變化值。表2至表7為各種常用制冷劑的計算結果。

    表2 兩標況冷卻水進水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R22)

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    注:查文獻6附錄2-2及附錄2-6。

    表3 兩標況冷卻水進水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R123)

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    注:查文獻6附錄2-3及附錄2-7。

    表4 兩標況冷卻水進水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R134a)

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    注:查文獻6附錄2-4及附錄2-8。

    表5 兩標況冷卻水進水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R407c)

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    注:查文獻8附圖5。

    表6 兩標況冷卻水進水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R410a)

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    注:查文獻8附圖6。

    表7 兩標況冷卻水進水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R717)

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    注:查文獻6附錄2-5及附錄2-9。

    計算結果表明:按照冷卻塔標準選擇冷水機組,冷水機組處于變工況情況下運行,其制冷量隨制冷劑不同減少1.72%~6.40%。

    結論

    從以上分析可知,對于廣州地區,若按冷水機組冷卻水進出水溫度標準選用冷卻塔,冷卻塔選型需放大47.4%至75.2%,并且冷卻水溫度還受當地濕球溫度的限制,嚴重時將導致冷卻塔無法正常工作,這對要求不間斷正常供冷的通信機樓是不允許的。若按冷卻塔進出水溫度標準選用冷水機組,冷水機組處于變工況情況下運行,其制冷量減少1.72%~6.40%。

    顯然,按冷卻塔冷卻水進出水溫度標準選用冷水機組較易實施,對于通信機樓供冷安全更有保障,可靠性高。具體選配設計方法是:當制冷劑為R22時,按冷水機組的制冷能力比標況值下降3.15%左右選配;當制冷劑為R123時,按冷水機組的制冷能力比標況值下降2.67%左右選配;當制冷劑為R134a時,按冷水機組的制冷能力比標況值下降3.80%左右選配;當制冷劑為R407c時,按冷水機組的制冷能力比標況值下降4.88%左右選配;當制冷劑為R410a時,按冷水機組的制冷能力比標況值下降6.40%左右選配;當制冷劑為R717時,按冷水機組的制冷能力比標況值下降1.72%左右選配。由于通信機樓要求不間斷正常供冷的特殊性,因此冷水機組的選擇應以保證供冷安全為前提,在此基礎上還應選擇部分負荷性能系數高的冷水機組,以降低能耗。

    注:

    GB/T18430.1—2001.蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組 第1部分:工業或商業用及類似用途的冷水(熱泵)機組

    GB/T18430.1—2007.蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組 第1部分:工業或商業用及類似用途的冷水(熱泵)機組

    GB/T 7190.1—2008.玻璃纖維增強塑料冷卻塔 第1部分:中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔


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