侯紅立

摘要： 冷卻塔是冷卻水循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是能源消耗的重點(diǎn)設(shè)備.在目前要求節(jié)能減排的大背景下，冷卻塔節(jié)能刻不容緩.探討冷卻塔如何節(jié)能，分別從依托新技術(shù)發(fā)展對冷卻塔設(shè)計(jì)進(jìn)行革新、對已有冷卻塔技術(shù)進(jìn)行改造以及控制冷卻塔運(yùn)行等方面進(jìn)行分析，認(rèn)為目前冷卻塔行業(yè)的節(jié)能應(yīng)從以下方面著手：一是冷卻塔供應(yīng)商提供高效節(jié)能優(yōu)化的冷卻塔；二是對已有冷卻塔系統(tǒng)中效率低下的零部件進(jìn)行替換或改進(jìn)；三是冷卻塔使用者對冷卻塔的運(yùn)行進(jìn)行合理的管理.

關(guān)鍵詞： 冷卻塔； 節(jié)能； 熱負(fù)荷

中圖分類號(hào)： TU 991.42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： Cooling tower is the key equipment and main energy consumption device in cooling water circulation system.In the context of energysaving and emissionreduction，how to reduce energy consumption of cooling tower is getting more and more urgent for us.The analysis including innovation of cooling tower design based on new technology，retrofit of existing cooling tower and control of cooling tower operation was conducted.The energysaving of cooling tower can be achieved from the following three aspects including high efficiency cooling tower selection，replacement of the inefficient components in the existing ones and management improvement of cooling tower operation.

Keywords： cooling tower； energysaving； heat load

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺問題越來越嚴(yán)重.循環(huán)冷卻水在工業(yè)用水中普遍使用，是能源消耗的重點(diǎn)領(lǐng)域.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國循環(huán)水每年耗電約300～450億kW·h[1].冷卻塔是冷卻水循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備，也是循環(huán)水耗能的重要部件.在要求節(jié)能減排的大背景下，冷卻塔自身的節(jié)能刻不容緩.我國冷卻塔行業(yè)起步比發(fā)達(dá)國家晚，但發(fā)展迅速，與國外相比差距逐漸縮小，特別是近年來由于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在填料、散水裝置及風(fēng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中得到越來越多的應(yīng)用，使得冷卻塔的研究創(chuàng)新方面得到較快發(fā)展，這也為冷卻塔的節(jié)能提供了保障.本文從以下幾個(gè)方面分析冷卻塔節(jié)能中仍有待加強(qiáng)的工作：通過先進(jìn)的科技手段如數(shù)值模擬方法推動(dòng)冷卻塔節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)；對已有冷卻塔中影響換熱能力的零部件進(jìn)行挖潛改造或替換；加強(qiáng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的科學(xué)管理，如冷卻塔的控制及循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)處理等，優(yōu)化配置，著眼長遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的能源節(jié)約.

1依靠數(shù)值模擬技術(shù)推動(dòng)冷卻塔節(jié)能

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多冷卻塔生產(chǎn)廠家已開始或嘗試采用計(jì)算機(jī)流場模擬手段對冷卻塔開展分析和計(jì)算，并在冷卻塔的諸多細(xì)節(jié)中考慮采用節(jié)能措施，提高冷卻塔效率.比如，針對動(dòng)能回收風(fēng)筒、氣室導(dǎo)流、均勻布水系統(tǒng)（包括噴嘴的篩選）、低能耗高效率填料的篩選、最佳進(jìn)風(fēng)高度的確定、水泵揚(yáng)程的優(yōu)化選擇以及降低濕空氣回流率以提升冷卻塔運(yùn)行效果等進(jìn)行研究.采用微觀研究方法可快速、直觀地描述研究對象的狀態(tài)，包括溫度場、速度場、壓力場、分子擴(kuò)散軌跡等.這樣就可以針對性地采取各種方法，促進(jìn)冷卻塔節(jié)能.

1.1確定高效率填料及其運(yùn)行的合適區(qū)間

淋水填料是冷卻塔的核心部件，是冷卻塔中空氣與熱水進(jìn)行熱質(zhì)交換的主要場所，其熱力性能和阻力性能直接影響冷卻塔的冷卻效果，也是間接體現(xiàn)能耗高低的關(guān)鍵部件，因此要充分掌握高效填料的應(yīng)用條件.一般來說，高效填料的散質(zhì)系數(shù)大，比表面積大，但是其阻力小，能耗低.對比國內(nèi)外同類填料的熱力特性發(fā)現(xiàn)，雖然它們都是薄膜式填料，單位體積的密度相近，比表面和孔隙率也相近，僅細(xì)節(jié)部分的構(gòu)造有所區(qū)別，但熱力特性相差較大.性能高的填料完成相同的設(shè)計(jì)任務(wù)，所需的氣水比小，風(fēng)機(jī)耗功少.除了繼續(xù)開發(fā)新的填料品種外，也要注重開發(fā)現(xiàn)有填料的潛力，改進(jìn)試驗(yàn)裝置及方法.在進(jìn)行熱力測試的同時(shí)，對不同淋水密度和風(fēng)速下的填料特性給予區(qū)分，并針對不同的氣象條件與不同的運(yùn)行區(qū)間加以論證，這樣填料的特性才能在實(shí)踐中得到充分有效的運(yùn)用.不應(yīng)在冷卻塔的設(shè)計(jì)時(shí)不顧其運(yùn)行的邊界條件和氣象條件、進(jìn)出水水溫等，將熱力特性方程βxv=Bgmqn，Ω=Aλm1[2]中的系數(shù)A和B均作為常數(shù)考慮，其中：βxv為容積散質(zhì)系數(shù)；m、m1、n均為試驗(yàn)常數(shù)，不同冷卻塔均有各自的常數(shù)；g為空氣質(zhì)量流量；q為冷卻塔的淋水密度；Ω為冷卻數(shù)；λ為氣水比.另外，實(shí)際冷卻塔中的配水條件和配風(fēng)條件與實(shí)驗(yàn)室的條件不盡相同，所以設(shè)計(jì)出的冷卻塔不能充分發(fā)揮出填料特性，結(jié)果導(dǎo)致冷卻塔在運(yùn)行中難以達(dá)到節(jié)能效果.

1.2研究并模擬散水系統(tǒng)

冷卻塔的散水系統(tǒng)通常包括主管、支管、噴嘴等.研究散水系統(tǒng)除了追求噴嘴的均勻性外，還要考慮復(fù)合布置時(shí)噴嘴布水的均勻性，以及噴嘴的散水壓力.目前低壓力噴嘴的工作水壓一般在1.0～3.0 m.改善冷卻塔布水的均勻性，對噴嘴的合理布置設(shè)計(jì)特別重要.冷卻塔良好的熱力特性和布水均勻性密不可分.布水均勻性不好，復(fù)合分布的評價(jià)系數(shù)均方差σ就大，那么冷卻塔高效與節(jié)能就無從談起.目前可以利用計(jì)算機(jī)CFD （computational fluid dynamics）模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的手段，提高噴嘴分布的均勻性，從而明顯縮短布水均勻性的驗(yàn)證時(shí)間，提升效率.

1.3采用模擬手段改善冷卻塔流場

冷卻塔內(nèi)空氣流動(dòng)時(shí)經(jīng)過的通道十分復(fù)雜，如氣流經(jīng)過入口轉(zhuǎn)彎、淋水填料入口與出口的突然收縮和擴(kuò)大、收水器中氣流轉(zhuǎn)折及氣液分離、風(fēng)筒入口和出口的轉(zhuǎn)彎變化等過程.氣流的急劇變化使得流動(dòng)的阻力加大，冷卻塔風(fēng)機(jī)靜壓增大，還有流速的驟變更易引起氣流分離等問題.這種現(xiàn)象使得冷卻塔耗能增加，塔內(nèi)風(fēng)速分布不均勻.比如，模擬研究發(fā)現(xiàn)，一定條件下氣流在冷卻塔流場中的壓力比在5～8時(shí)，就要設(shè)計(jì)導(dǎo)流檐[3]，否則入口氣流的渦流，有時(shí)會(huì)造成通過塔壁周圍填料的風(fēng)速僅為整個(gè)冷卻塔填料平均風(fēng)速的20%，而這部分填料面積約占整個(gè)填料面積的10%～20%.于是這些填料難以充分發(fā)揮散熱作用，熱力性能就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求.流場模擬時(shí)可以通過模擬流體的流動(dòng)、換熱等物理現(xiàn)象，在較短的時(shí)間內(nèi)預(yù)測冷卻塔內(nèi)的流場，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，并為設(shè)計(jì)提供參考.模擬后通過較少的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即可獲得更為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)，使得空氣流在冷卻塔內(nèi)的流道合理緊湊，零部件的阻力進(jìn)一步減小，使冷卻塔節(jié)能技術(shù)的發(fā)展更迅速.

為了使冷卻塔的節(jié)能技術(shù)得到健康有序地發(fā)展，相關(guān)機(jī)構(gòu)擬定了節(jié)能冷卻塔的標(biāo)準(zhǔn)，如CQC 3136—2012[4]，使冷卻塔節(jié)能的量化指標(biāo)有了評價(jià)與遵循的依據(jù).

2挖潛改造推動(dòng)已有冷卻塔的節(jié)能

由于受技術(shù)條件等限制，冷卻塔可能在零部件和各部件匹配優(yōu)化等方面存在諸多需要挖潛改造之處，比如散水系統(tǒng)、高效填料以及氣流通道中易造成氣流繞流分離和脫流的零部件等.通過挖潛改造可提高冷卻塔運(yùn)行效率，降低能源消耗.下面對此進(jìn)行簡要論述.

2.1散水系統(tǒng)選用壓力低、均方差小的噴嘴

減小循環(huán)水的供水壓力，降低循環(huán)水水泵的揚(yáng)程時(shí)，節(jié)能效果顯著.例如，系統(tǒng)循環(huán)水量為1 000 m3·h-1時(shí)，揚(yáng)程降低2 m，可節(jié)能7.8 kW.按每年運(yùn)行4 000 h計(jì)，可節(jié)電31 200 kW·h，節(jié)能量十分可觀.另外，入風(fēng)口高度降低也可以降低冷卻塔供水揚(yáng)程，但是要與冷卻塔入風(fēng)口風(fēng)速一并考慮.入風(fēng)口高度降低，入風(fēng)面積隨之減小，入口風(fēng)速則會(huì)增加，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓增大，反而使風(fēng)機(jī)耗能增加，達(dá)到一定程度時(shí)氣流分離的渦流現(xiàn)象嚴(yán)重，又會(huì)使冷卻塔性能降低.

2.2改善氣流通過構(gòu)件時(shí)的通道

冷卻塔入風(fēng)口、風(fēng)機(jī)下緣、風(fēng)筒入口支撐梁、散水系統(tǒng)及其支撐架等，通常會(huì)影響氣流通過.將一些支撐梁或支撐架的直角改造成圓弧，以減少支撐梁或支撐架后氣體繞流分離和渦流區(qū)域，可降低系統(tǒng)運(yùn)行的空氣阻力.目前已有許多這方面的工程改造案例，并取得了很好的效果.

3從控制冷卻塔運(yùn)行著手進(jìn)行節(jié)能

3.1因地制宜規(guī)劃選用和使用冷卻塔

眾所周知，我國地域廣闊，各地氣象條件千差萬別，冷卻塔運(yùn)行的氣象條件、用途等都不同，要因地制宜地規(guī)劃選用和使用冷卻塔.冷卻塔運(yùn)行時(shí)，可以對出塔水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)出水溫度調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得出塔水溫接近設(shè)備預(yù)設(shè)的溫度，這樣既有利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，又有利于延長設(shè)備的使用壽命.目前常用的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式有選用雙速電機(jī)或者采用變頻控制，控制技術(shù)也十分成熟.下面舉例說明運(yùn)行控制方式對冷卻塔節(jié)能產(chǎn)生的影響.

例如，上海夏季空調(diào)外界設(shè)計(jì)濕球溫度為28.2 ℃，冷卻循環(huán)水的進(jìn)、出塔水溫分別為37、32 ℃，若循環(huán)水量為1 000 m3·h-1，則在該條件下冷卻塔選用的風(fēng)機(jī)功率為37 kW.

規(guī)劃冷卻塔時(shí)應(yīng)考慮上海室外溫度.2001—2010年上海地區(qū)每月平均氣溫如圖1所示.

空調(diào)負(fù)荷，即空調(diào)區(qū)夏季計(jì)算的熱量可根據(jù)下列各項(xiàng)確定[5]：① 通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量；② 通過外窗進(jìn)入的太陽輻射熱量；③ 人體散熱量；④ 照明散熱量；⑤ 設(shè)備、器具、管道及其他內(nèi)部熱源的散熱量；⑥ 食物或者其他物料的散熱量；⑦ 滲透空氣帶入的熱量；⑧ 伴隨著各種散濕過程中產(chǎn)生的各種潛熱量.

由于應(yīng)用場合不同，各因素產(chǎn)生熱量的比例不同.本文僅考慮由氣溫變化引起的對流所產(chǎn)生的負(fù)荷.根據(jù)氣象條件，5～9月一般是使用空調(diào)的月份.最熱的月份7月和8月平均氣溫接近30 ℃，負(fù)荷最大；6月和9月平均溫度為25 ℃，負(fù)荷次之；5月室外平均溫度在22 ℃左右，負(fù)荷最小，暫且忽略.

假設(shè)僅考慮熱對流，且7月負(fù)荷為Q，估算空調(diào)每月負(fù)荷與7月的比值.

熱對流熱量為

式中：CLE為外墻、屋頂或者外窗形成的逐時(shí)冷負(fù)荷，W；K為外墻、屋頂或者外窗傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；F為外墻、屋頂或者外窗傳熱面積，m2；tw1為外墻、屋頂或者外窗逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算溫度，℃； tn為夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度，℃.

分別將各月份溫度條件代入式（1），求得各月負(fù)荷與最熱月負(fù)荷比值，結(jié)果如圖2所示.

冷卻塔釋放的熱量與風(fēng)量一次方成正比，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一次方成正比，而風(fēng)機(jī)耗功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比.即相同的風(fēng)機(jī)在

相同角度下，有

式中：n1、n2為冷卻塔風(fēng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速；G1、G2

為冷卻塔風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的風(fēng)量；N1、N2為冷卻塔風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)消耗的軸功率.

基于以上負(fù)荷和風(fēng)機(jī)功率消耗與風(fēng)量比的關(guān)系，假定設(shè)計(jì)條件為：冷卻塔進(jìn)水溫度為37 ℃，出水溫度為32 ℃，濕球溫度為28.2 ℃，冷卻水循環(huán)水量為1 000 m3·h-1.不同控制方式下，冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)耗電量計(jì)算結(jié)果如表1所示.

由表1可以看出，采用變頻控制節(jié)能最顯著，即用電量最省，僅為常規(guī)單速電機(jī)消耗電量的50.9%；雙速控制能耗次之，為常規(guī)控制耗電的57.4%.可見，冷卻塔規(guī)劃和采用的控制方式不同，其電能消耗量差異較大，所以合理的規(guī)劃和選用對冷卻塔系統(tǒng)節(jié)能的意義非同一般.對于空調(diào)領(lǐng)域中負(fù)荷隨季節(jié)變化的場合，應(yīng)采用變頻器控制.采用變頻器控制還有一個(gè)作用，由于它是根據(jù)負(fù)載變化不斷地調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)量，冷卻塔出水溫度保持相對穩(wěn)定，水溫保持穩(wěn)定，這對主機(jī)運(yùn)行有極大的好處，不容易產(chǎn)生“液擊”等問題，有利于主機(jī)及制冷系統(tǒng)運(yùn)行.