優(yōu)化冷卻塔布水結(jié)構(gòu)提高冷卻塔熱濕交換效率

謝厚春，陳延凡，孫世華

（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司合肥卷煙廠，安徽合肥 230601）

0 引言

對(duì)大中型空調(diào)系統(tǒng)而言，水冷式冷水機(jī)組是采用得最為普遍的冷源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷水機(jī)組的能耗占到整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的30%以上。作為整個(gè)制冷機(jī)組節(jié)能計(jì)劃的一部分，冷卻塔換熱效率的高低對(duì)冷水機(jī)組和冷卻塔綜合能耗的下降有著積極意義。冷卻水溫與冷水機(jī)組主機(jī)及冷卻塔能耗之間是相互影響的關(guān)系：對(duì)于機(jī)械式冷卻塔來說，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高、冷卻水的溫度就會(huì)越低，此時(shí)冷卻塔的耗電越多；可是對(duì)于主機(jī)來說，在一定溫度范圍內(nèi)，冷卻水溫度越低、主機(jī)耗電越少。反之，冷卻塔轉(zhuǎn)速越低，冷卻水的溫度越高，這樣冷卻塔的耗電越少。但對(duì)于主機(jī)來說，由于進(jìn)入冷凝器的水溫升高，相應(yīng)的主機(jī)耗電會(huì)增加。

從合肥卷煙廠冷水機(jī)組的運(yùn)行情況來看，夏季開啟冷水系統(tǒng)制冷除濕時(shí)，冷凍水進(jìn)回水溫差始終保持在3℃左右，說明末端空調(diào)冷負(fù)荷基本上處于恒定狀態(tài)。但是，實(shí)際上冷水機(jī)組90%都是在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的，電流負(fù)載率都達(dá)到了96%。而影響此狀態(tài)的主要因素是室外濕球溫度的高低變化和冷卻塔自身熱濕交換的效率高低，直接導(dǎo)致冷卻水回水溫度偏離了制冷機(jī)組最佳運(yùn)行的冷凝溫度。

1 現(xiàn)狀調(diào)研與分析

每年的6月～9月，是江淮地區(qū)高溫高濕環(huán)境期。在這一期間，卷煙工業(yè)的制冷空調(diào)系統(tǒng)都運(yùn)行在制冷去濕再熱工況下，即：被處理的車間空氣被表冷器降溫至露點(diǎn)溫度，析出冷凝水后再進(jìn)入蒸汽加熱段，升溫至合理送風(fēng)溫濕度。這樣既消耗制冷量又多消耗蒸汽再熱量，但這是恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)無法避免的夏季處理工況。每當(dāng)該工況運(yùn)行時(shí)，雖然制冷系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)均處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，但依然未達(dá)到理想的冷卻效果。于是，從冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行能力調(diào)研制冷去濕再熱工況下是否滿足運(yùn)行需求。從現(xiàn)場調(diào)查現(xiàn)狀來看，冷卻塔的換熱效率未能充分發(fā)揮是直接導(dǎo)致冷卻塔自身能源浪費(fèi)和影響冷水機(jī)組能耗的主要原因。而導(dǎo)致冷卻塔熱濕交換效果差的直接原因在于塔頂布水的嚴(yán)重不均勻（如管道阻力、管道出口布局、塔頂布水板結(jié)構(gòu)等因素），現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)每組冷卻塔中的水與填料的實(shí)際接觸面平均不到40%（圖1）。

圖1 冷卻塔有效利用率不到40%

實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明，只要保證每組冷卻塔都能充分進(jìn)行熱濕交換，一般情況下可以減少3組冷卻塔（共6組冷卻塔）開啟，這樣直觀上可以降低冷卻塔30%～50%電耗。為了達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，首先想到的是進(jìn)行人工調(diào)節(jié)閥門，使得每組冷卻塔的進(jìn)水流量達(dá)到一致。根據(jù)合肥卷煙廠動(dòng)力車間冷水機(jī)組的配置情況（3組冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)6組冷卻塔），分別從運(yùn)行1組冷水機(jī)組逐步至全部運(yùn)行3組冷水機(jī)組進(jìn)行水流量調(diào)節(jié)。

經(jīng)過一周時(shí)間的調(diào)節(jié)運(yùn)行，得出如下結(jié)論：當(dāng)3組機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，打開6組冷卻塔的塔頂布水結(jié)構(gòu)觀察，雖然有所改善，但依然不能保證水量的均勻布置，甚至出現(xiàn)部分塔頂溢流狀況，說明隨著總水流量大小的變化，進(jìn)入每組塔頂?shù)乃髁恳苍谧兓Ｍ瑫r(shí)，由于塔頂布水結(jié)構(gòu)中間肋板的間隔作用，水流不能達(dá)到其他布水區(qū)域（圖1），所以需要進(jìn)一步考慮解決方案：主要從換熱效果上來解決。從水滴與空氣交換情況來看，影響水滴散熱的主要因素是空氣的濕球溫度（不能人為改變）及水滴的尺寸大小，濕球溫度低和水滴直徑尺寸小均能明顯地增加熱濕交換效果。

2 現(xiàn)場測量與設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)場根據(jù)進(jìn)水的水流、水量大小情況，設(shè)計(jì)折流擋板，使水流均勻地分布到每個(gè)布水槽內(nèi)（圖2）。這樣不但能保證從每個(gè)布水槽內(nèi)布水孔下落的水量均勻，而且增大了水與填料的接觸面積（從40%提高至100%），從而使水滴尺寸也更細(xì)小均勻，熱濕交換效果明顯提高（圖3）。

3 效果驗(yàn)證與節(jié)能意義

圖2 現(xiàn)場測量設(shè)計(jì)

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整，最終確定了導(dǎo)流槽設(shè)計(jì)尺寸，6組冷卻塔共計(jì)24組布水結(jié)構(gòu)加裝導(dǎo)流槽，使水流均勻分布，增大熱交換面積，冷卻效果大大提高，節(jié)能成果非常顯著：項(xiàng)目實(shí)施前1臺(tái)制冷機(jī)，6組冷卻塔全部滿負(fù)荷運(yùn)行；項(xiàng)目實(shí)施后，2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，只需3組冷卻塔滿足運(yùn)行。充分提高了冷卻塔自身換熱效率，減少了3～4組冷卻塔的開機(jī)運(yùn)行，即減少202 kW電機(jī)運(yùn)行，按實(shí)際供冷季節(jié)5個(gè)月計(jì)算冷卻塔自身能耗下降可節(jié)約363 600 kW·h電量。

圖3 改造后效果明顯

同時(shí)，通過本次的技術(shù)理論與數(shù)據(jù)分析為指導(dǎo)、現(xiàn)場檢查驗(yàn)證，解決了設(shè)備系統(tǒng)實(shí)際問題并且效果顯著，不但鼓舞了相關(guān)技術(shù)人員的改革創(chuàng)新的信心，也提高了他們分析問題、解決問題的能力。