金洪文，郭改英，高 杲

（1.長春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院；2.吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長春130012）

中央空調(diào)水冷機(jī)組是給建筑物提供冷量的設(shè)備，主要由冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)組成，冷凍水是轉(zhuǎn)移冷量的載體，通過水將室內(nèi)熱量去除降溫。水冷機(jī)組在運(yùn)行過程中，制冷劑在冷凝器中釋放的冷凝熱，仍然需要水作為載體將這部分熱量轉(zhuǎn)移出去，通過室外的冷卻塔將這部分熱量冷卻降溫，這個(gè)循環(huán)過程就是冷卻水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)連接在冷機(jī)和冷卻塔之間，和大氣直接接觸，屬于開式系統(tǒng)，看似非常簡單的系統(tǒng)，卻在設(shè)計(jì)、運(yùn)行中屢屢出現(xiàn)問題［1］，因此，冷卻水系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到運(yùn)行都需要嚴(yán)格遵守規(guī)范要求，才能保障水冷機(jī)組正常運(yùn)行。

1 案例

長春某汽車配件廠，新上2臺(tái)水冷機(jī)組（特靈水冷機(jī)組3 2 7RT，冷卻水量233m3／h，冷凍水量為198m3／h），配置的冷卻塔為組合式的，由3臺(tái)組合到一體的方式，屬于方形橫置式，處理冷卻水560m3／h，冷卻塔對(duì)應(yīng)進(jìn)水和出水管徑為：進(jìn)水6根DN125，總進(jìn)水管為DN300，出水管為3根DN150，總出水管也為DN300，冷卻塔牌子為海冷牌。冷卻水泵3臺(tái)，2用1備，型號(hào)為265m3／h，N＝30kW，H＝22mH2O，原理圖如圖1。在原理圖中增加電動(dòng)閥門的目的是系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，冷卻水不用經(jīng)過冷卻塔直接進(jìn)入短循環(huán)，防止冷卻水的溫度過低引起機(jī)器過冷保護(hù)，造成頻繁啟機(jī)，止回閥門是和電動(dòng)閥門配合工作的，過濾器是處理開式系統(tǒng)中的雜質(zhì)的。這樣配置的現(xiàn)象是：無論開幾臺(tái)冷卻水泵，冷卻塔的水都外溢，不能正常循環(huán)，冷水機(jī)組也就無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)改造前原理

從原理圖和現(xiàn)場情況看，冷卻水泵將水推入冷卻塔中，而回水是靠重力自流回到水箱中的，如果中間沒有水箱設(shè)置，回水有水泵吸程的作用，水流動(dòng)能快些。如果想讓系統(tǒng)正常工作，現(xiàn)有的3根DN150的回水管內(nèi)流速應(yīng)是2.5m／s，主管到DN300的流速應(yīng)是1.9m／s。然而在現(xiàn)場啟動(dòng)1臺(tái)水泵工作時(shí)將冷卻塔水盤充滿水后停泵，記錄泵工作時(shí)間是30min，實(shí)際通過的水量是133.5m3／h，觀察和計(jì)算水靠重力自流時(shí)間，能計(jì)算出實(shí)際3根DN150管內(nèi)流速是0.7m／s，與要求的2.5m／s流速相差甚遠(yuǎn)。

如果想達(dá)到重力自流且水盤不溢水，有2個(gè)方法：一是加大管徑，減小管道阻力；另一個(gè)是增加進(jìn)出水口的落差，為水流動(dòng)提高位置水頭［2］。

從流速角度分析，如果想讓2臺(tái)水泵正常工作，水盤不溢流，從冷卻塔出口所連接的管道DN150在管徑不改變的情況下，需要增加管道數(shù)量，即增大管道斷面積。單根DN150管道在流速為0.7m／s的情況下，流過的流量為44.5m3／h，2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行流量最大值為477m3／h，這樣需要10.7根DN150管道才能滿足水盤不溢水。故此解決管道截面問題的辦法是：管徑不變，增加管道根數(shù)8根；或者管徑和管道數(shù)量都變化為6根DN200管道。從實(shí)際情況看，3臺(tái)并聯(lián)的冷卻塔出口無法接11根DN150的管道，只能采取變化管徑DN200的管道6根的辦法，這樣在冷卻塔出口重新開孔。回水總管DN300的管道在單根支管通過流量為44.5m3／h時(shí)流速為0.52m／s，2臺(tái)泵啟動(dòng)后這樣的流速流過477m3／h流量需要管徑為DN600，因此將冷卻塔回水總管調(diào)整為DN600。

從增加進(jìn)出口水點(diǎn)位置水頭方面來分析，需要建立進(jìn)水口和出水口2個(gè)界面1－1和2－2的能量方程，利用流體力學(xué)伯努利方程［3］有：

式中：z1、z2為過流斷面1－1、2－2上單位重量液體位置水頭為過流斷面1－1、2－2上單位重量液體壓強(qiáng)水頭為過流斷面1－1、2－2上單位重量液體流速水頭；hω1－2為單位重量液體通過流段1－2的平均水頭損失。

以2－2界面為基準(zhǔn)，則1－1界面的z1是個(gè)界面都與大氣相通，因此二者的壓強(qiáng)水頭相等。入口1－1界面速度υ1為0，出口2－2界面υ2為0.7m／s，則求出兩個(gè)界面之間的水頭損失。這兩個(gè)界面的水頭損失主要是兩部分組成［4－5］：一部分是局部阻力損失，另一部分是沿程損失。因?yàn)閺睦鋮s塔到水箱總長度不足15m，為此，阻力主要來自局部損失的DN300止回閥和DN300過濾器以及冷卻塔出口的DN150的蝶閥阻力。根據(jù)已知條件，可以計(jì)算出工作狀態(tài)下該段水頭損失。因?yàn)槔鋮s水泵直接在水箱中抽水，因此，冷卻塔的水到水箱之間處于重力自流狀態(tài)。根據(jù)已知條件有：

整理得：hω1－2＝0.473m。

然而止回閥和過濾器的局部阻力損失幾乎和水頭損失相等，為此也就能說明水流速度非常低的原因。在原有管徑不變的條件下，如果想提高流速，只能增大進(jìn)出口落差，通過伯努利方程可以計(jì)算，如果2臺(tái)水泵工作最大流量為477m3／h時(shí)，通過3根DN150管道水流速度應(yīng)為2.5m／s，才能保證水盤不溢水，在此條件下落差至少應(yīng)為：

在實(shí)際處理過程中，人為將進(jìn)出口落差增加到1.3m，同時(shí)將管徑也進(jìn)行調(diào)整，還有管路中的一些構(gòu)件也進(jìn)行重新調(diào)整布置，具體如圖2所示。經(jīng)過改造，一次試車成功。

圖2 中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)改造后原理圖

2 結(jié)論

通過冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障，判斷分析管道阻力偏大，位置水頭偏小，經(jīng)過調(diào)整冷卻水進(jìn)出水點(diǎn)落差，改變冷卻水回水管徑，改變水流動(dòng)工況。達(dá)到冷卻水在2臺(tái)泵開啟水不外溢，系統(tǒng)正常運(yùn)行。為此，我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)注意，冷卻水系統(tǒng)中間設(shè)置水箱后，冷卻塔回水是靠重力回水，而供水是靠泵的壓力，因此除管徑配比有嚴(yán)格要求外，重力回水位置水頭也相當(dāng)重要。在冷卻水系統(tǒng)中有水箱和無水箱時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待，冷卻塔管徑的配備是按無中間水箱配備的，當(dāng)使用條件改變時(shí)，冷卻水系統(tǒng)也應(yīng)相應(yīng)做出調(diào)整。

［1］沈健.空調(diào)制冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2003（1）：56－59.

［2］張吉光，楚廣明.空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的分析［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，1999（2）：47－49.

［3］彭洲.空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行［J］.中國給水排水，1998（2）：51－52.

［4］張泉.空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的探討［J］.黑龍江科技信息，2007（10）：10.

［5］薛貴鈺.空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的探討［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2012（23）：263.