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循环冷却系统的优化设计
【摘要】
冷却塔是一种重要工业循环用水装置,它利用不同温度的空气和水两种介质通过直接接触和间接接触方式来降低水温以达到循环用水的目的。
在大型中央空调系统中,由冷却塔和冷水机组组成的空调水系统的能耗约占整个空调系统能耗的55%左右,其中冷却塔子系统的耗电量占整个系统耗电里的15%左右,而目前的空调冷却塔系统的设计是按全年最不利工况进行设计的,如何改善其工作状况,实现节能的目的,具有重要意义。
由于整个暖通空调系统是按最大负荷设计,而空调系统大多数时间内处于部分负荷状况下运行,如果能根据负荷在线找出空调系统的最佳工作点,并通过控制系统实现能量最佳匹配,将大幅度地降低空调系统能耗。
本文通过分析冷却塔系统中各个主要设备的能耗特点,提出了对冷却塔系统节能的优化方案,使得冷却塔组在任何工况下运行都能保持最佳的运行状态,从而起到节能的效果。
本文中通过控制风机台数并配以风阀启闭及变流量下全塔组配水为关键的节能技术,辅以塔体优化、设计及检测等方面的科技进步,以此将成本降到最低并且充分发挥冷却水的冷却潜力提高循环使用率从而使节能效益最大化,达到节能减排的目的。
研究出一种控制简单、能耗小、散热面积利用充分的冷却控制方法,通过搭建模型,模拟一台冷却塔组来实现上述控制方法。
本实验台加入了PLC装置,对当下冷却塔组进行仿真控制,配合目前流行的自动化设备,通过传感器的数据采集等,对冷却塔组的整体结构、换热面积、循环水流速等相关因素进行设计和改善,真正实现了自动控制。
同时进行冷却塔组实验平台的模型搭建、选型,通过更多的实验数据来增强节能冷却塔组的说服力。
关键词:
冷却塔;节能;PLC;自动控制系统
【Abstract】
Coolingtowerisanimportantindustrialwaterrecyclingdevice,twomediausingdifferenttemperaturesofairandwaterthroughdirectcontactandindirectcontactmethodtolowerthewatertemperaturetoachievethepurposeofcirculatingwater.Air-conditioningwatersystembythecoolingtowerandchillerenergyconsumptionaccountsforabout55%oftheenergyconsumptionoftheentireairconditioningsystem,andcoolingtowersubsystempowerconsumptionaccountedforabout15%oftheoverallsystempowerconsumptioninalargecentralairconditioningsystemwhilethedesignofair-conditioningcoolingtowersystemisdesignedaccordingtotheannualmostunfavorableconditions,Thesignificanceofhowtoimprovetheirworkingconditionsandtoachievethepurposeofenergysavingasgreatphilosophicallyasitisscientifically.BestmatchoftheentireHVACsystemisdesignedaccordingtothemaximumload,whiletheair-conditioningsystemisrunningunderpartialloadconditionsmostofthetime.Accordingtotheload-linetofindouttheoptimumoperatingpointoftheair-conditioningsystems,andairconditioningenergyconsumptionwillbereducedbyadjustthesystemtoachieveenergywillsignificantly.
Basedontheanalysisofenergyconsumptionforcoolingtowersystemsineachofthemajorequipmentcharacteristics,presentssystemoptimizedschemeforenergysavingofcoolingtower,coolingtowersetrunningunderanyconditiontomaintaintoprunningcondition,therebymakingtheenergy-savingeffect.Thisarticlebycontrollingthefannumberandwithatowerunderwindvalveandvariableflowwaterdistributionasakeysetofenergy-savingtechnology,supplementedbyToweroptimization,designandtesting,thescientificandtechnologicalprogress,tominimizethecostandfullyrealizethepotentialcoolingofcoolingwaterincreasingtherecyclingrateinordertomaximizeenergyefficiency,achievethegoalofenergyconservationandemissionreduction.
Developedasimplecontrol,smallpowerconsumption,heatdissipationareafullofcoolingcontrolmethodbybuildingamodelthatsimulatedacoolingtowersettoachievethecontrolmethod.ThebenchjoinedthePLCdevice,onthecurrentcoolingtowersimulationcontrolgroup,withthecurrentpopularautomationequipment,viathesensordataacquisition,ofcoolingtowerintheoverallstructure,heattransferarea,circulatingwaterflowrateandotherfactorsrelatedtodesignandimprovetrueautomation.Parallelmodelofcoolingtowerexperimentalplatformconstruction,selection,bygroupofmoreexperimentaldatatoenhancetheenergyefficiencyofcoolingtowersofpersuasion.
Keywords:
CoolingTower;EnergyConservation;PLC;AutomaticControlSystem
1 绪论
1.1 背景及意义
中央空调系统的能耗一般占整个建筑耗电量的50%以上,空调系统是按满足用户最大需求而设计的,但是目前实际情况是,我国的暖通空调系统绝大多数处在低效的运行状态,造成运行效率低,能源严重浪费[1]。
近几年上海技术监督局抽查的10幢只能商用大楼,仅有2幢尚且处于较好的运行状况。
在中央空调控制系统普及率和自动化水平较高的新加坡,2008年统计调查,其能耗功效比都在1.2—1.5KW/Ton之间,中央空调系统功效比理论最低可以达到0.62KW/Ton[2]。
造成这种现象的原因是多方面的。
首先,在设计方面,没有考虑到房间的季节、时间朝向等因素的冷负荷变化,而是按房间最大冷负荷加上一个较大的安全裕量而进行设计的。
实际的最大冷负荷低于设计冷负荷,且机组大部分时间是在部分负荷下运行的,这就导致在大多数中央空调水系统中出现大流量、小温差的运行状态,造成二级泵的能量巨大损耗等;其次在控制方面,主机和部分末端装置有自动控制装置,但是没有形成中央空调系统的集中控制,总的来说就是自动控制水平偏低。
当外界环境产生变换时,没能及时作出应变,导致很大程度的浪费[5]。
如何使空调机组连续、可靠、安全、高效运转已经成为符合现代企业管理要求、提高生产效益、改善生活环境、适应我国能源政策的主要课题之一。
中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国,能源供应持续增长,为经济社会发展提供了重要的支撑的同时,也付出了巨大资源和环境被破坏的代价,这两者之间的矛盾日趋突出,节能减排越来越受到重视。
在民用和工业生产中,会产生大量废热,废水,但是有时又因为废水的温度过高,不能直接应用,我国是淡水资源极为匮乏的国家,人均淡水资源仅为世界人均量的四分之一。
严重稀缺的水资源,相当脆弱的水生态环境,却支撑着人类历史上最大规模的生存与经济活动,水和能源的危机日趋严峻,缺水引起的生态环境退化、人居环境恶化等问题日益突出,已成为制约我国经济发展的瓶颈,直接影响到我国全面建设小康社会的进程,发展节水节能型工业及农业、建设节水节能型社会,是我国目前及今后很长一段时间内极为重要的战略任务,而节水的最好途径便是使水能够循环利用。
国外发达国家,水的重复使用率达75~85%。
同国际水平相比,我国还有很大差距,工业用水重复利用率只有20~30%,特别是五大高用水工业(火力发电、钢铁、石化造纸、纺织)水的循环使用率不高,尚有进一步提升的很大空间。
要提高循环使用率,除国家制定一系列节水政策外,应进一步深入研究循环水系统中的节水技术与设备。
冷却塔是循环冷却水系统中的关键设备,其耗能是循环冷水系统耗能的重要组成部分,深入研究冷却塔设计工艺,使其技术先进、经济合理、高效低耗,是提高水的循环使用效率的行之有效的具体举措,具有重要的社会意义和经济价值[6]。
1.2 冷却塔
冷却塔是一种将水冷却的装置,利用水和空气的接触,通过蒸发作用来散去工业上或制冷空调中产生的废热的一种设备。
其工作的基本原理是:
干燥(低焓值)的空气经过风机的抽动后,自进风网处进入冷却塔内;饱和蒸汽分压力大的高温水分子向压力低的空气流动,湿热(高焓值)的水自播水系统洒入塔内[3]。
当水滴和空气接触时,一方面由于空气与水的直接传热,另一方面由于水蒸汽表面和空气之间存在压力差,在压力的作用下产生蒸发现象,将水中的热量带走即蒸发传热,从而达到降温之目的。
水在其中与渡过的空气进行热交换、质交换,致使水温下降;它广泛应用于空调循环水系统和工业用循环水系统中。
在一定水处理情况下,冷却效果是冷却塔重要性之一,在选用冷却塔时,主要考虑冷却程度、冷却水量、湿球温度是否有特殊要求,通常安装在通风比较好的地方[7]。
冷却塔属热交换设备系统。
进行热交换的二种介质即水与空气无间隔。
冷却塔利用空气将通过其的水冷却,传热特点是水向空气传导热不须通过壁面,而是在直接接触过程中进行的。
冷却水塔中,水在填料中形成水膜或水滴,在与空气直接接触的过程,同时发生热和质的传递;热传是由于水与空气的温差,而质传是由于水的表面蒸发形成的水蒸汽水断地向空气中扩散,同时把水汽化潜热带入空气,在热量与质量的传递过程,水冷却的过程叫做蒸发冷却过程,因此水在蒸发冷却过程中所散发的热量是由两部分所组成,即接触散热(传导和对流)和蒸发散热[4]。
使用冷却塔的目的是达到一定的降温效果,其主要取决于散热片、风机风量、冷却塔使用水量,以及良好的通风条件,安装位置也有一定的影响。
①散热片:
是冷却塔的关键部件,小型塔一般采用PVC片材热压或热吸式,大型塔会采用木材,主要目的使空气与水的须在不影响风阻时,越大越好,同时热交换率也达到最大,散热片影响传热的效果的两个参数,主要是散热片形状和高度,在进行水塔安装,尽是不要损坏散热片,以免散热片水流不畅。
②风机风量:
其主要加速塔中空气流动,加速空气与水的热,带走热量。
影响风机风量主要是风叶形状即风叶宽长度和本身偏有,风叶转速、安装角度、转速与电机及传动比等[8]。
另外,在风量一定的情况下,同种类型塔,冷却水量小的比冷却水量大的冷却效果要好些。
热水自主机房通过水泵以一定的压力经过管道、横喉、曲喉、中心喉将循环水压至冷却塔的播水系统内,通过播水管上的小孔将水均匀地播洒在填料上面;干燥的低晗值的空气在风机的作用下由底部入风网进入塔内,热水流经填料表面时形成水膜和空气进行热交换,高湿度高晗值的热风从顶部抽出,冷却水滴入底盆内,经出水管流入主机。
一般情况下,进入塔内的空气、是干燥低湿球温度的空气,水和空气之间明显存在着水分子的浓度差和动能压力差,当风机运行时,在塔内静压的作用下,水分子不断地向空气中蒸发,成为水蒸气分子,剩余的水分子的平均动能便会降低,从而使循环水的温度下降。
从以上分析可以看出,蒸发降温与空气的温度(通常说的干球温度)低于或高于水温无关,只要水分子能不断地向空气中蒸发,水温就会降低。
但是,水向空气中的蒸发不会无休止地进行下去。
当与水接触的空气不饱和时,水分子不断地向空气中蒸发,但当水气接触面上的空气达到饱和时,水分子就蒸发不出去,而是处于一种动平衡状态。
蒸发出去的水分子数量等于从空气中返回到水中的水分子的数量,水温保持不变。
由此可以看出,与水接触的空气越干燥,蒸发就越容易进行,水温就容易降低[9]。
1.3 优化设计内容
本次毕业设计将通过建立一个完整的循环冷却系统实验装置,在原有的冷却系统模型的基础上,对冷却系统进行改造。
(1)对原有的冷却系统模型的大小尺寸进行缩小,尤其是比较“笨拙”的控制箱体进行改造,使其能成为一个可拆卸可重组的小巧轻便的实验装置。
(2)原有的实验台仍然是手动控制,在优化的过程中,使整个实验装置达到智能化、自动化的目的。
(3)在实验装置组装完成之后实验过程中,使冷却系统在完成冷却要求的同时,令整个能耗达到最小,寻找出节能优化的最优算法。
在传统冷却塔的基础上,循环冷却系统实验装置冷却能力将会大大提升,达到真正意义上的稳定、经济、节能、高效。
该实验装置,也加强了它的可操作性,在装置的硬件组装和拆卸方面加强我们工科学生的动手能力。
2 冷却系统实验装置的设计
冷却塔组的设计步骤:
1)确定循环冷却系统实验装置的形式
2)计算出由作用范围决定的风机负荷决定的供水量
3)选择水系统形式,进行供回水的管线布置
4)进行绝热材料与绝热层厚度的选择与计算
5)风机的选型
6)确定冷却系统实验装置的箱体结构
7)冷却系统实验装置的基本电气设备的选型
2.1 冷却塔类型的选择
2.1.1 横流塔与逆流塔的对比
1)逆流塔:
水自上而下通过配水装置淋洒在淋水填料上,被填料切割分散成水膜或水滴,在重力作用下自上向下流动,空气在风机的作用下自下而上通过淋水填料,空气与水流相逆而行。
优点:
(1)逆流冷却塔热力性能好,分三个冷却段:
①布水器到填料顶这一空间,此段的水温较高,所以仍可将热量传给空气。
②填料水与空气热交换段。
③填料至集水池空间淋水段(北京冷却塔,水在此段被冷却称之为“尾效”)。
我国北方水温可下降1-2℃。
综上所述,逆流塔比横流塔在相同的情况下,填料体积小20%左右,逆流塔热交换过程更合理,冷效更高。
(2)配水系统不易堵塞、淋水填料保持清洁不易老化、湿气回流小、防冻化冰措施更容易。
多台可组合设计,北京冷却塔在冬季以所需的水温水量可合并单台运行或全部停开风机。
(3)施工安装检修容易、费用低,常用在空调和工业大、中型冷却循环水中。
主要应用领域:
在工程中要求效率高,气阻力相对大,体积小薄膜式填料。
2)横流塔:
水流从塔上部垂直落下,空气水平流动通过淋水填料,气流与水流正交的冷却塔。
优点:
(1)水压头较小,耗电少
(2)噪声小
(3)水损失较小,更经济,更符合可持续发展
(4)布水方式合理,采用重力自然落下的布水系统,散水孔不易堵塞,且布水均匀,最大限度地提高了填料性能
(5)模块组合后,效率不变,而逆流塔效率降低[10]
主要应用领域:
填料体积大,但通气阻力较小的小型系统中。
综合横流塔与逆流塔的优点及其主要的应用领域,在本次的模型设计中我们选择了横流式的冷却塔。
2.1.2 开式塔与闭式塔的选择
1)闭式冷却塔(也叫蒸发式空冷器或密闭式冷却塔):
将管式换热器置于塔内,通过流通的空气、喷淋水与循环水的热交换保证降温效果。
简单的说,即:
一个内循环、一个外循环。
没有填料,主核心部分为紫铜管。
①内循环:
与对象设备对接,构成一个封闭式的循环系统(循环介质为软水)。
为对象设备进行冷却,将对象设备中的热量带出到冷却机组。
②外循环:
在冷却塔中,为冷却塔本身进行降温。
不与内循环水相接触,只是通过冷却塔内的紫铜管进行换热散热。
在此种冷却方式下,通过自动控制,根据水温设置电机的运行。
由于是闭式循环,其能够保证水质不受污染,很好的保护了主设备的高效运行,提高了使用寿命。
外界气温较低时,可以停掉喷淋水系统,起到节水效果。
随着国家节能减排政策的实施和水资源的日益匮乏,近几年密闭式冷却塔在钢铁冶金、电力电子、机械加工、空调系统等行业得到了广泛的应用[11]。
优点:
(1)提高生产效率,软化水循环,无结垢、无堵塞、无损失
(2)延长设备寿命,保障设备可靠、稳定运行,减少故障,杜绝事故
(3)全封闭循环、无杂质进入、无介质蒸发、无污染
(4)提高厂房利用系数,无需水池,减少占地,节省空间
(5)占用空间小,安装、移动、布置方便,结构紧凑
(6)操作方便,运行稳定,自动化程度高
(7)节约运行成本,多种模式自动切换,智能控制
2)开式冷却塔:
通过将循环水以喷雾方式,喷淋到玻璃纤维的填料上,通过水与空气的接触,达到换热,再有风机带动塔内气流循环,将与水换热后的热气流带出,从而达到冷却。
优点:
水质要求不是很高、散热好、成本低、易维护、占地面积少。
2.1.3 小结
经过开式塔与闭式塔的对比可知,由于模型对水质的要求不是很高,而且经费有限,最后我们决定用开式塔。
综合这两方面的因素我们最终选择的冷却塔模型的类型为开始的横流式冷却塔。
因为横流塔塔筒内是空的,气流速度可以高一些,因此塔筒直径可以比同容量的逆流塔小,相应降低了造价。
2.2 冷却塔单个塔体的尺寸选择
1)在实际应用中塔体尺寸对应[12]
表2-1 实体尺寸
型号
外形总尺寸
冷却水量
m3/h
长mm
宽mm
高mm
H400T04
8800
4200
4635
400
H500T04
9600
4400
4685
500
2)根据实际的塔来确定模型的尺寸
表2-2 模型尺寸
塔型
长mm
宽mm
高mm
单塔尺寸
300
150
160
单塔尺寸
300
150
170
塔组尺寸
300
450
160
塔组尺寸
300
450
170
小结:
根据实际尺寸可以得出单塔的长和宽的比例为2:
1,因此在选型的时候我们选择了300*150,而且为了便于组装,为了让模型的体积尽量小但是又能起到实验的目的,我们选择了3个单个冷却塔来组成冷却塔组,总长度为300*450。
在选择时我们起初选择盆底距水槽高度为160mm,但由于在布置管道时管道就占据了20mm,为了保证进风口风量大约为1:
1,于是我们又加大了盆底距水槽高度为170mm。
2.3 冷却系统的配水
配水均匀是冷却塔设计的关键环节之一,直接关系到冷却塔效率、能耗与投资。
但冷却塔的配水问题并没有得到普遍重视,缺乏系统的理论研究,因此配水成为冷却塔设计中被弱视的一个环节。
实测表明,在配水不均匀的情况下,最大与最小淋水密度之差达2~4倍,由于配水不均导致的水温差达4~5℃的现象也曾有过。
因此研究冷却塔的配水均匀性问题,不仅有技术意义而且有经济和现实意义。
但是国内外尚没有明确的冷却塔管式配水压力降和配水均匀性计算方法,本文将从理论分析入手,对其计算方法进行探讨,给出明确实用的管式配水压力降和配水均匀性计算方法[13]。
2.3.1 用小孔代替喷头
在实际的冷却塔配水均匀问题由两方面问题组成,一是配水喷头的选择与布置,二是配水管道的布置与水力计算。
前者要解决的是单个喷头喷溅范围内喷洒在淋水填料上的水量均匀与否的问题,后者要解决的是淋水面积内全部喷头的出水量是否趋同的问题。
在实际的应用中,二者是相辅相成,缺一不可的,两者都处理好才能达到配水均匀的目的。
但是由于喷头的布置是相对于大孔而言的,而且流量小时喷头溅洒不均,因此在模型的制作中我们的用小孔代替了大孔,从而省略了喷头,这样在配水的均匀性上也就更加合理化了,而且省掉了喷头的流量特性、喷头的喷洒范围(喷洒半径)、喷头的喷洒均匀性、喷头的成组布置及其配水均匀性计算等一系列的大量的计算量及其类型选择,即节省了经费也省掉了很多的时间,而且使得模型更加的简约可靠[14]。
2.3.2 管道的选择
冷却塔气动与热力计算理论建立的基本假设条件之一即是配水均匀,可见均匀配水的重要性。
研究冷却塔配水就是为了解决配水均匀性的问题,也是冷却塔设计的关键环节,直接关系到冷却塔效率、能耗与投资,但迄今中外冷却塔文献中均无系统、全面、准确的计算方法,很多设计所追求的配水均匀、合理的配水管径确定基本靠经验与试验。
配水管道的布置与水力计算,实现了满足工程要求的配水均匀性、配水管径和配水压力的准确计算。
冷却塔的配水形式一般有:
管式配水系统、槽式配水系统、池式配水系统、槽管混合系统等,因池式、槽式配水占去的挡风面积太大、施工与检修不方便,且水压力的调节性及配水的均匀性差,因此近些年被各种塔型普遍采用的配水方式是管式配水系统,因此本文仅以管式配水所涉及的问题进行讨论。
冷却塔管式配水系统由配水干管、配水管及配水喷头组成[14]。
配水管管径选用的原则是:
达到冷却塔配水均匀的配水管管径即是设计管径。
由于水在管路的流动过程中,会慢慢地变少,为了达到节能的效果,我们本来打算采用渐缩的管道,但是由于模型的尺寸较小,到小管道时没有合适的管子,在最后的制作过程中通过上述计算我们选择了管径为10mm的均匀管路,而没有采用渐缩管。
2.3.3 溢流槽的设计
由于在运行时时,我们发现当负荷变小时,流量随着变小会导致水槽内部布水不均,严重时还会出现断流的现象,这样会影响水在填料上的换热效率,降低冷却塔性能,因此在设计时我们采用了溢流槽的设计,这样不仅解决了连通管带来的不便而且很好的解决了配水的均匀性,而且还能进一步缩小两边供水管道沿程阻力的不平衡率,这样能在一定程度时
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