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冷却塔设计
摘要:
空调制冷的冷却水系统一般是开式系统,相对比较简单,因而,经常不被设计人员所重视。
本文就冷却水系统的承压、水泵扬程的确定、多台冷却塔的并联、系统的启停顺序、节能控制等问题谈谈自己的观点,供大家参考。
关键词:
冷却水承压扬程冷却塔并联变频控制
一、冷却塔的位置要考虑系统设备承压要求:
冷却水系统形式主要有两种:
水泵前置式和水泵后置式,如图1、2。
确定时要考虑水系统的承压能力。
水系统的承压能力最大的地方是水泵出口,如图中的A点,系统承压有以下三种情况:
系统停止运行时,水泵出口压力为系统静水压力h=Z;系统瞬时启动,但动压尚未形成时,水泵出口压力为系统静水压力和水泵全压之和h=Z+HP;正常运行时,水泵出口压力为该点静水压力与水泵静压之和h=Z+HP-v2/2g。
冷水机组冷凝器耐压,目前国产机组一般为981KPa。
水泵壳体的耐压取决于轴封的形式,水泵吸入侧压力在981KPa以上时,要使用机械密封。
冷却塔如果设在高层建筑主楼屋面,产生的压力高于机组的承压能力时,冷却水泵宜设在冷水机组的冷凝器出口,以降低冷凝器工作压力。
有人会提出疑问:
水泵入口负压过大,会产生气蚀。
事实上,
冷却塔与冷水机组之间的高差,远大于管路阻力和冷凝器阻力,并且水泵还有一个容许吸上真空高度。
笔者的同学曾经设计一个工程,机房在地下,裙房屋顶为人员活动空间,业主要求在120米高的屋面安装冷却塔,系统最大承压要超过1.2MPa与水泵全压之和。
这就造成产生的静压太高,冷凝器不能承受,同时对水泵轴封和软接头提出了更高要求。
解决方法一:
选用能承受高静压的设备和管道配件,这将大大增加工程造价。
解决方法二:
如图3,设两个冷却水箱、两套冷却水泵。
一个高温冷却水箱、一个低温冷却水箱,一套冷却水泵从低温水箱抽水进入冷凝器后进入高温水箱,另一套冷却水泵从高温水箱抽水送入冷却塔,然后回流到低温水箱。
但要注意:
冷却塔处要采取一定的措施,避免停泵时水全部流入低温水箱。
水箱要满足冷却塔到机房的充注水量,水箱的水位也不好控制;这样水泵的扬程太高(图中h高度的扬程浪费了),这不是一个经济的做法。
解决方法三:
加板式热交换器隔绝高压,但冷却塔选用要有余量,如图4。
笔者认为,对于某些建设方的不合理的要求,设计人员不要迁就。
此类工程最好把冷却塔放在放在裙楼上。
二、冷却水泵扬程的确定
冷却水系统水泵扬程计算应该是系统阻力(管道、管件、冷凝器阻力之和),冷却塔集水盘水位至冷却塔布水器的高差,冷却塔布水器所需压力组成,并附加5%-10%裕量。
设计人员常犯的错误,是一见到开式系统就计算系统的高差。
冷却塔虽然是开式系统,但是因为冷却塔自带集水盘,相当于水箱放在屋顶,这部分水静压和供水管上升所需静压相抵消,所以只需计入冷却塔底盘和布水管的高差就可以。
某工程空调冷却水系统:
2台水泵+2台冷却塔并联,水泵设计流量400t/h,扬程40m。
调试时遇到如下问题:
单台水泵运行时,若泵出口阀门开度>30%,水泵振动较剧烈,泵前、后压力表跳动,配电柜电流表跳动;若泵出口阀门开度<25%,水泵基本可以稳定运行,电流表显示为90A。
经计算,当电流为90A时,水泵流量假定为400t/h,效率按70%计,则扬程约17m,设计者大概把冷却塔和水泵的高差计入了扬程,所以水泵扬程大了一倍。
幸好阀门开得小,否则水泵可能会烧电机。
再看另一种情况:
在实际工程中,由于诸多原因,建筑屋面不允许放置冷却塔,而冷凝器又设于高处,形成如图5所示的系统。
这种系统当水泵停止运行时,管道内冷却水回到塔中而形成真空,产生虹吸而倒流,冷却塔集水盘处会溢水满地。
设计时一般采取一定的措施,如在冷却水管的顶端安装一个真空破坏阀,如图6。
或在顶部设通气管,如图7。
《暖通空调》2003年第4期《冷却塔处于系统下部时的水力分析》一文提出:
当系统高度太高时,在冷却塔进水处设电动阀,以防止系统停止运行时水流空,笔者认为不如图6、7方便、简单。
下面我们分析一下图7,首先,假设ab段阻力为hab,bc段阻力为hbc,水泵扬程为H,冷却塔所需出流水压为hlq。
第一种情况:
h2=hbc+hlq,水泵扬程仅需克服ab段阻力和ab之间的高差,即H=hab+h1+h2,此时通气管的高度h3高度可为0,这是理想情况。
第二种情况:
h2 很显然,当通气管的高度h3>hbc+hlq-h2时,水才不会从通气管内流出来。 第三种情况: h2>hbc+hlq,水泵扬程仅需克服ab段阻力和ab之间的高差扬程H=hab+h1+h2,h3=0。 但是,冷却塔出水中混入大量空气,水泵扬程部分被浪费了,增加了电能消耗,这不是一个经济的做法。 综上所说,第一种情况是少见的,第二种情况是普遍的,第三种情况应尽量避免的。 为了使系统正常经济的运行,系统高度不宜太高,设计时应进行详细计算,当出现第三种情况时,可以通过增加bc段阻力来避免。 三、多台冷却塔的并联问题 规范要求选主机时要尽量做到大小搭配,以便适应负荷的变化,但这时冷凝器、水泵、冷却塔连接起来就很麻烦了。 在工程上,多台冷却塔并联运行时,配管方式一般有5种方式,见图8-12. 图9管线布置最复杂,占用空间大,但流量分配合理,运行可靠性高。 图8、10、11管线布置简单,但是,经常出现溢流和补水现象,主要原因是: 1、一般在塔的进水管上安装了电动阀,而出水管上未装,不运行的塔进水阀关闭,但出水管连通。 当单台运行时,用的那台冷却塔水盘中水位上升,引起溢流,而其他不运行的塔的水盘则不停的补水。 2、各塔水量分配不平衡,主要是管路布置问题,有的塔进水管道阻力小,出水管道阻力大;进水多出水少,造成溢流。 有的塔则相反,不停的补水。 3、几台大小不同的冷却塔连在一起时,塔中水位不一样高,水盘低的塔必然溢流。 基于上述问题,设计时要注意平衡问题,包括水位平衡和水量平衡,通常对于合流进水方式,采取以下几种措施: 1、对于图8,每台冷却塔的进出水管上设电动阀,并与水泵和冷却塔风机连锁控制。 2、对于图8,10,11,各冷却塔(包括大小不同的塔)水位控制在同一高度,高差不应大于30mm。 在各塔之间安装平衡管,并加大出水管的共用管段的管径。 3、对于图8,11,为平衡各冷水机组水量,可在各台冷水机组出水口设平衡阀。 图12管线布置简单,系统流量也易平衡,笔者常采用此方式。 1冷却水温度对冷水机组制冷量的影响 我们都知道: 从运行费来讲,在蒸发温度和压缩机转数一定的情况下,冷凝温度越低,制冷系数越大,耗电量就越小。 据测算,冷凝温度每增加1℃,单位制冷量的耗功率约增加3%-4%.所以,从这一角度来讲,保持冷凝温度稳定对提高冷水机组的制冷量是有益的。 但为达到1冷却水温度对冷水机组制冷量的影响 我们都知道: 从运行费来讲,在蒸发温度和压缩机转数一定的情况下,冷凝温度越低,制冷系数越大,耗电量就越小。 据测算,冷凝温度每增加1℃,单位制冷量的耗功率约增加3%-4%.所以,从这一角度来讲,保持冷凝温度稳定对提高冷水机组的制冷量是有益的。 但为达到此目的,需采取以下措施: 增加冷凝器的换热面积和冷却水的水量;或提高冷凝器的传热系数,但是,对于一个空调冷却系统来说,增加冷凝器的面积几乎是不可能的。 增加冷却水的水量势必增加水在冷凝器内的流速,这将影响制冷机的寿命,同时还增加了冷却水泵的耗电和管材浪费等一系列问题,而且效果也不尽理想。 增大冷却塔的型号,考虑一定量的富余系数尚可,但如果盲目加大冷却塔的型号,以追求降低冷却水温也是得不偿失的,而且,冷却水温度还受当地气象参数的限制。 提高冷凝器冷却水侧的放热系数,是实际和有效的,而提高放热系的有效途径是减小水侧的污垢热阻,对冷却水补水进行有效的处理. 2冷却水的补水问题 冷却塔水量损失,包括三部分: 蒸发损失,风吹损失和排污损失,即: Qm=Qe+Qw+Qb 式中: Qm为冷却塔水量损失;Qe为燕发水量损失;Qw为风吹量损失;Qb为排污水量损失。 (1)蒸发损失 Qe=(0.001+0.00002θ)ΔtQ (1) 式中: Qe为蒸发损失量;Δt为冷却塔进出水温度差;Q为循环水量;θ为空气的干球温度。 (2)风吹损失水量 对于有除水器的机械通风冷却塔,风吹损失量为 Qw=(0.2%~0.3%)Q (2) (3)排污和渗漏损失 该损失是比较机动的一项,它与循环冷却水质要求、处理方法、补充水的水质及循环水的浓缩倍数有关。 浓缩倍数的计算公式: N=Cr/Cm 式中: N为浓缩倍数;Cr为循环冷却水的含盐量;Cm为补充水的含盐量. 根据循环冷却水系统的含盐量平衡,补充水带进系统的含盐最应等于排污,风吹和渗偏水中所带走的含盐量. QmCm=(Qw+Qb)Cr N=Cr/Cm=Qm/(Qw+Qb)=(Qe+Qw+Qb)/(Qw+Qb)(3) Qm=QeN/(N一1) 浓缩倍数为补充水含盐量和经浓缩后冷却水中的含盐量之比,《建筑给水排水设计手册》推荐N值,一般情况下最高不超过5~6。 N值过大,排污和渗漏损失大,必然造成水浪费,N值过小,补水量小,冷却水浓度大,会造成系统的污垢和腐蚀。 由式 (1)可以计算出蒸发水量,再由 (2)风吹损失水量,最后由式(3)计算出排污和渗漏损失水量。 3冷却水的水质 目前,由于空调冷却系统大多数为敞开式循环系统,它效果好,造价低,在工程中得到广泛应用,但是经蒸发冷却后浓缩,水中的C,Mg,Cl,Si等离子,溶解固体,悬浮物相应增加,由于空气中和水福化接触,溶氧量增加,CO大量散失,游离的CO含量降低,碳酸钙浓度降低,如不加强管理,空气中污染物如灰尘、杂物进人系统,会繁殖徽生物绿澡及粘泥,此时污垢和粘泥可引起垢下腐蚀,而腐蚀产品又形成污垢,最后造成设备及管道演蚀穿孔而被停机,冷却水的水指标。 目前尚无确切的资料和标准,空调冷却水对水质的要求幅度较宽,主要应从冷却水对设备腐蚀,积垢堵塞及设备清洗难易等情况考虑,其参考指标见下表 针对以上分析,冷却水在冷却塔内蒸发散热的过程中水质不断发生变化,引起积垢、腐蚀和堵塞,目前,空调冷却补水多采用自来水,对于大型的空调冷却水系统,仅靠补充少量优质自来水是不起作用的,冷却水必须进行处理。 4循环冷却水处理 由于空调冷却水系统的结垢、腐蚀和藻类滋生不是在短期内形成的,也不会在短期内对系统有破坏性的影响,所以,往往得不到运行管理人员足够的重视。 另外,由于空调冷却水系统比较简单,设计人员对其重视不够,并且,冷却水的处理是给排水专业和暖通专业均相关的专业,而冷却水系统多是由暖通专业人员搞,所以,难免造成先天设计不尽合理.在设计过程中针对空调冷却水系统易结垢腐蚀和菌藻滋生的特点,其处理方法也与冷冻水系统有所不同。 冷却水的处理方法可分为化学法和物理法。 (1)化学法。 目前,大型冷却水系统多采用化学方法,为此必须在冷却水中加入阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂及其配套的清洗剂等,从而形成了冷却水的全套水处理技术。 可供设计大型空调冷却水处理的参考。 化学处理方法的原理如图1。 由于阻垢可保证传热效果(节能),级蚀剂、杀菌灭藻剂可减少设备腐蚀,延长设备寿命均属正效益,所以被世人所关注,国外各大水处理公司都把此技术作为第一重点来抓,据报道1987年工业水处理剂(冷却水部分)销誉值为5.86亿美元,年初1992年销售值为7.65亿美元,年增长率为6写。 近几年来,随着我国国民经济的快速发展,对水处理剂的研究和开发也有了长足的发展. (2)加药处理法: 该方法较早应用于热水锅炉和船泊水处理,近几年来,该方法也被用于冷却水系统,常用的药剂多为固态晶体硅酸盐被膜缓蚀剂。 实践证明,有以下几点需要注意: 不同的被膜剂要求有不同的溶解温度,对于把加药灌设在循环水系统上的,水温往往能达到溶解温度,而对于把加药灌设在补水系统上的,应特别注意防止水温过低,如果水温过低,被膜缓蚀剂的溶解不好,就会影响缓蚀的作用。 (3)物理方法: 是近几年开始普遍广泛使用的一种方法,该方法运行费用低、使用方便、易于控制、无污染是一种比较理想的水处理方法,实际上国外早在60年代便把注意力由化学方法转移到物理方的开发上来。 目前,应用的物理方法有磁力法、电解法、超声法、静电法等。 电解法能抑制水垢的附着,但是除垢不彻底,且具有电解孔蚀的危险;早期应用的磁力法稳定性比较差,长时间使用不能控制积垢,必须定期清扫积聚在控制器中的氧化铁;而静电法则克服了上述诸方法的缺点,并且,除了防垢和溶垢外,还有显著的杀菌灭藻的效能。 但是静电法和电子水处理法缓蚀作用较专用的化学缓蚀略低,在一般空调冷却水系统内可不考虑采用其它缓蚀方法。 而在一些对缓蚀要求较高的系统最好同时适量添加一些缓蚀剂,可获得更好效果。 5冷却水系统的管道布置 冷却水系统的管道布置虽然比较简单,但如果考虑不周,也会出现一些问题。 由于循环冷却水系统是开式系统,如果冷却塔集水盘容积小或冷却塔距水泵距离太远及并联运行的冷却塔出水管阻力平衡严重失调,就会使空气混入水中,进入水泵并压入管道中,引起严重的水锤致使水泵出水管及其管件损坏。 所以,冷却水系统应注意下列几个问题: (1)冷却塔并联使用时管道阻力平衡,冷却塔与泵的距离不能太远;泵应布置在冷水机组的前边(即将冷却水压入冷水机组中);并且,泵应作成自灌式;避免泵的吸水管上下翻弯。 另外,冷却泵、冷水机组、冷却塔宜做成一一对应,以便于调节和流量平衡,如果不能实现上述控制时,应采用自动控制系统,冷却塔的进出口处均应设电磁阀,且应同步开、关。 或在每台冷却塔的进、出水管上设置平衡阀以保证每台冷却塔的进水量满足其额定流量.为提高吸水管的集水量,设计吸水管时可适当加大吸水管的管径。 (2)选择冷却塔时首先应注意产品样本给出的性能参数与该产品实际性能的差距。 其中包括产品样本的不实及工程建设地点的气象条件与产品标定性能的测试条件不同等因素。 要按照工程地点的气象条件进行校核。 并应根据该产品的工程应用经验采取相应的调整措施。 有时不得不采用较大的裕量系数。 (3)冷却塔一般安装在高层建筑的裙房屋面。 因距离主楼较近,所以尚应考虑冷却塔的吸风距离、防火、噪声、漂雾等问题。 关于冷却塔的吸风距离国家规范作了详细的规定。 (4)选择冷却水泵时要根据冷却水系统的循环阻力,输水高差及自由水头决定,不宜富裕过多。 水泵的流量应按校核后的冷水温差决定。 多台泵并联工作时要按并联曲线进行计算和校核。 不能盲目地按台数进行水量叠加。 (5)关于冷却水系统的集水池,以往在设计冷却水设备时,其集水池的容积大多按冷却水量的10%设置(见空调制冷手册)。 这一要求在选用集水型冷却塔时已不适用.集水型冷却塔带有自身的集水箱,其容量较小,但实际证明亦能满足冷却水泵工作的需要。 目前的空调冷却水系统,白于受建筑条件的限制,多数无法设置大型、符合10%冷却水觉要求的集水他。 所以,依靠冷却塔本身的集水箱并做好水位保持及补水即可。 有关资料推荐,集水箱的容积一般为冷却水量的2%一3%,建筑条件许可增设水池,其容量也不宜过大,不需要按冷却水量的1O%设置。 只要能容纳冷却水系统的水量,能够保证冷却水泵正常起动和工作即可。
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