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全工况节能冷却的理论基础与技术应用

作者:admin日期:2016-09-30 21:09

1前言

在温室效应与资源短缺的大背景下,为缓解资源环境约束,应对全球气候变化,促进经济发展方式转变,建设资源节约型、环境友好型社会,增强可持续发展能力,我国制定了“十二五”节能减排约束性目标规划,并得到了各行业的响应。

冷却塔行业经过几十年的技术发展,产品技术无论从风机和电机的效率、热力性能、节水指标等都得到了较大的提高。根据行业的应用功能需求不同,技术产品衍生了各种类型,如横流、逆流、混流,开式、闭式、干湿式混合,自然通风、无风机射流、旋转喷雾、水轮机驱动风机等产品,并形成了较为成熟的各类产品的标准与规范。产品的标准与规范是为了保证其热力性能可满足被冷却设备的运行要求,其热力性能标准围绕满足最不利气候和最大负荷时散热要求制定,形成了行业统一的标准工况指标。但节能是单独考虑冷却产品标准工况下的自身效率,还是对其在整个工艺过程中的各种变量的综合效率,是本文要探讨的方向。

2应用背景与现状

以压缩式制冷的空调系统为例,其通常由空调冷机、末端设备、冷冻循环泵、冷却循环泵、冷却塔组成,空调冷机的配置对应生产过程最大负荷,而泵与冷却塔也对应主机及系统技术参数配置。由于季节不同和末端冷负荷变化等,实际使用中系统90%以上时间处于20%-70%负荷之间运行。为适应生产工艺过程负荷变量及从节能考量,空调系统设计通常采用多套主机、多种功率方案,冷却水进出共管,通过循环泵阀管路与冷却塔、主机冷凝器构成冷却系统。

随着科技技术的进步,空调冷机、循环泵、冷却风机都有了变容量、变频等节能调节技术,但从节能角度来看,它们之间的节能关系是不可独立而言的,需要在各种工况变量下,系统综合能效的融合分析。

1) 冷机:冷机的运行台数和单机的变容量或变频调节依据是末端设备的冷负荷。在末端设备冷负荷定量的条件下,冷机运行多少台和单机运行于多少比例的压缩段能得到最佳COP,其控制技术各大品牌冷机制造厂家均有较为成熟的应用技术,此时影响冷机COP的最大因素就是冷却水温。由图1可知,在同样的系统冷负荷和气候条件下,冷却水温越低(不低于最低保护温度),则冷机相应的冷凝温度越低,制冷量不断增加,功耗不断降低,因此冷机COP能效越高,越节能。空调冷机冷却工况的行业技术标准为:冷却水温的进水30℃、出水35℃,且在不低于20℃~22℃的冷机低温保护温度及高至冷却塔标况的32℃供水温度之间,对冷机COP能效的影响基本呈线性关系,即冷却水温每相差1℃,COP值影响3%。

图1 制冷循环的压焓图

2)冷却水循环泵:冷却泵的运行台数和单泵的变频调节通常以冷却进出水温差为依据,空调系统冷却进出水标准设计温差为5℃,由于散热量等于流量与温差的乘积,低于5℃温差的循环水流量偏大(实际运行中,大部分冷却进出水温差处于在2℃~5℃之间),而电机消耗的功率又与其运行频率的立方成正比关系,故冷却泵按热负荷对应的控制运行台数并且变频运行,对系统节能有着很大的价值和空间。

3)冷却塔:冷却塔的冷却能力主要受散热面积、空气流通量、气候条件的影响。                                                               

在空调系统中,所用冷却塔的散热面多由薄膜式填料形成,在填料上水膜分布相对均匀,并与合理的冷却空气量形成对流,才能达到设计散热能力。冷却塔产品是根据设计循环水量在标准工况下设计、制造和检测的,最大循环水量变量不允许偏离设计水量一定范围,否则冷却塔热力性能将较大偏离原设计状态。而在多冷却塔组合系统的实际运行过程中,由于进水口远近距离不同、管道阻力复杂等因素,造成各塔进水流量分配不均匀,通常采用调节阀门开度消除此影响,而一旦系统负荷、循环流量低于85%,该调节手段随即失效,循环流量低于60%以下时,近端进水量超大,远端进水量偏低,最终造成填料挂膜不全。而水量大的地方进风阻力大、无水膜处进风阻力小,风流往阻力小处流通,水流量大、携热量大处冷却风量却少,此即为实际运行与理论设计的热力性能偏离现象,称之为冷却塔的“水力失调”。该现象在如图2的多塔组合中,由于工程、管理等复杂因素造成电动阀失效时,尤为严重。在冷却塔与冷机一一对应运行时,虽然不易发生“水力失调”,但部分负荷下,却无法充分利用所有冷却塔填料的散热面积,以提升冷却性能。

图2    冷却塔组的布管方式

在蒸发冷却过程中,合理的气水比也是一个重要的因素。冷却逼近度在逼近极限状态下,付出再大的风机功耗、增加再大空气流通量,得到较低的冷却逼近度,对整系统的COP能效贡献通常是负的,即是耗能的。而在大部分多冷却塔组合系统里,通常存在塔组中间无隔板或部分隔板联通模式,部分风机开启时,停用风机的出风口短路回流现象,造成了有效风量低下,同时“水力失调”也会使部分空气流通量不能充分发挥其冷却效能。

在气候方面,一年四季气候变化相对复杂,即使在夏天空调季节,一天24小时的波动范围(干球温度10℃~15℃,湿球温度5℃~-10℃)也较大,如图3所示,这就使得在实际运行管理过程中实时根据气候条件确定合理的冷却水目标逼近度成了艰难的管理任务。

综上所述,冷机负荷可带来水泵循环水量调节空间,而循环水量及其形成的管道阻力变量影响冷却塔进水口流量分配,进而影响冷却塔散热效能,而气候条件实时变化影响节能管理,最终影响冷机不同工况条件下的COP。

现行空调的多塔组冷却系统设计,通常采用冷机、泵、冷却塔一对一运行模式,水路联通及风路联通,或水路联通而风路独立;运行管理也分手动控制与定冷却目标水温(30℃或32℃)及所谓的模糊化、自适应、自学习自动控制方式。无论冷却塔组采用哪种模式及控制方式,在空调系统部分负荷下没有解决水量均匀分布问题,冷却塔组热力性能就难以保证;

图3   夏季一天中干湿球温度变化

循环泵的变频节能空间较小;且期望实时根据气候条件用最低的风机功耗达到理想冷却水目标逼近度也难以实现,因此,全年冷却水温平均偏离3℃~10℃,对冷机COP影响9%~30%。该问题因跨行业的系统融合关系,且涉及双流体、温度、压力等复杂变量,而冷却塔制造技术相对简单,行业地位被忽视,造成其对系统节能影响得不到重视。图4是现行冷却塔组存在的几个常见问题。

图 4    现行冷却塔组存在的几个常见问题

3 全工况节能冷却技术

 

“全工况”区别于冷却塔以恒定的标准工况和对应冷机一对一的设计模式,可自适应实际运行中气候条件、系统负荷、循环流量分配、风机状态等各种工况的即时变化,实现全工况条件下节能运行的要求。如图5所示,“全工况节能冷却”集成为一套整体的冷却系统,

图5   全工况节能冷却系统

可即时自平衡水量分配,充分利用所有填料换热面积,自动感测负荷和环境条件,对应演算冷却塔的热力性能曲线,自动调整风机运行状态,为冷机保证最佳冷却水温,使系统始终运行在合理的COP能效范围内,达到真正的高效节能要求。图5是全工况节能冷却系统。

其关键技术有:

1)多级自平衡配水技术:

采用塔组内统一平衡配水,一级进水消能槽,左右流量平衡分配;二级进水端流槽,消除紊流、远近流量均衡分配,使其水量平衡控制在15%以内;联通水盘,进行三级水量平衡分配,使流量平衡差额控制在10%以内,解决变流量、自平衡配水要求。

2)涡旋动能变流量喷头技术:

喷头进水口采用曲线开口,平衡各喷头间液位水平高度;圆锥型内壁螺旋引流,促使水流形成涡旋运动,增加低流量、低压力时喷头的出口动能,解决流经各喷头间的水量不均匀和低流量时水流扩散覆盖效果差的问题。

3)自力式整流止回风阀技术:

各冷却塔模块间风路联通,风机出口处加装自力式整流止回风阀,杜绝空气从停用风机口短路回流,实现风机运行个数随系统散热需求调节;轴流风机流场特性专用风阀技术,实现风压自开、重力自闭;随风筒出口流场特性设计低阻力并具有整流效果,变螺旋上行流场状态为垂直射流,提升风机出风压力、提高热流上升高度,减少多塔组合受外界气流影响,产生湿热空气回吸对冷却塔热力性能的影响。

从旧项目节能改造后实际运行参数分析,部分负荷(25-80%)时,热力性能提高13%-157%;整系统COP提高10%-35%以上,投资回报期在2个空调季左右。

全工况节能冷却系统改变传统多冷机系统一对一设计模式,采用总冷量配套一体化塔组,除上述节能效益外,还有如下优点:

1) 可减少电动联动阀的投入,降低故障概率;

2) 停用时风阀关闭,可减少灰尘、杂物、阳光进入造成的水质问题;

3) 优化管理,减少运行管理疏失及工作强度,方便维护。

“全工况节能冷却”概念由上海艾客制冷科技有限公司率先提出,得到上海理工大学等单位的技术支撑和不断优化,取得了各环节技术突破及自有知识产权,科技查新、水平检索结论均为“具有新颖性和总体达到国际先进水平”。 该项目获得了“上海市技术发明二等奖”、“中国机械工业科技进步三等奖”、“德国xplore新型自动化国际科技竞赛三等奖”、第十四届中国国际工业博览会高校展区一等奖”、 “上海市高新技术成果转化项目认证”、“上海市自主创新产品认证”,为上海市市政项目优先采购产品。 产品已在全国多个新项目及旧系统改造工程中得到应用,节能效果显著。

4结论

 

本文通过对多模块组合冷却系统中冷却塔运行效能、冷却水泵功与冷机COP等特性进行的分析,期望能提升行业关于实际运行冷却效率对系统能耗影响的重要性认识,促进冷却塔行业技术标准及规范的革新。空调能耗是工业及商业过程中的耗能大户,“全工况节能冷却”对原有系统节能改造及新系统优化节能设计带来了新突破,其节能空间及社会价值意义巨大,希望借助《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》之力,加快其产业化进程,为全球“节能减排”事业做贡献。

 

 

本文来自上海艾客制冷科技有限公司的项目研究,若有疑问,请联系该公司!