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隨著社會、經濟的發(fā)展, 能源短缺問題越來越嚴重.循環(huán)冷卻水在工業(yè)用水中普遍使用, 是能源消耗的重點域.據(jù)不統(tǒng)計, 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)的關鍵設備, 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算機數(shù)值模擬技術在填料、散水裝置及風機開發(fā)設計中得到越來越多的應用, 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.本文從以下幾個方面分析冷卻塔節(jié)能中仍有待加強的工作:通過的科技手段如數(shù)值模擬方法推動冷卻塔節(jié)能優(yōu)化設計; 對已有冷卻塔中影響換熱能力的零部件進行挖潛改造或替換; 加強冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的科學管理, 如冷卻塔的控制及循環(huán)水系統(tǒng)的水質處理等, 優(yōu)化配置, 著眼長遠, 實現(xiàn)整個循環(huán)水系統(tǒng)的能源節(jié)約.

近年來, 隨著科學技術的迅速發(fā)展, 數(shù)值模擬與計算機技術的不斷, 許多冷卻塔生產廠家已開始或嘗試采用計算機流場模擬手段對冷卻塔開展分析和計算, 并在冷卻塔的諸多細節(jié)中考慮采用節(jié)能措施, 提高冷卻塔效率.比如, 針對動能回收風筒、氣室導流、均勻布水系統(tǒng) (包括噴嘴的篩選)、低能耗率填料的篩選、進風高度的確定、水泵揚程的優(yōu)化選擇以及降低濕空氣回流率以提升冷卻塔運行效果等進行研究.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、分子擴散軌跡等.這樣就可以針對性地采取各種方法, 促進冷卻塔節(jié)能.

淋水填料是冷卻塔的核心部件, 是冷卻塔中空氣與熱水進行熱質交換的主要場所, 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)能耗高低的關鍵部件, 因此要充分掌握填料的應用條件.一般來說, 填料的散質系數(shù)大, 比表面積大, 但是其阻力小, 能耗低.對比國內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, 僅細節(jié)部分的構造有所區(qū)別, 但熱力特性相差較大.性能高的填料完成相同的設計任務, 所需的氣水比小, 風機耗功少.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, 改進試驗裝置及方法.在進行熱力測試的同時, 對不同淋水密度和風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行區(qū)間加以論證, 這樣填料的特性才能在實踐中得到充分有效的運用.不應在冷卻塔的設計時不顧其運行的邊界條件和氣象條件、進出水水溫等, 將熱力特性方程β_xv=Bg^mqⁿ, Ω=Aλ^m₁[2]中的系數(shù)A和B均作為常數(shù)考慮, 其中:β_xv為容積散質系數(shù); m、m₁、n均為試驗常數(shù), 不同冷卻塔均有各自的常數(shù); g為空氣質量流量; q為冷卻塔的淋水密度; Ω為冷卻數(shù); λ為氣水比.另外, 實際冷卻塔中的配水條件和配風條件與實驗室的條件不盡相同, 所以設計出的冷卻塔不能充分發(fā)揮出填料特性, 結果導致冷卻塔在運行中難以達到節(jié)能效果.

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, 還要考慮復合布置時噴嘴布水的均勻性, 以及噴嘴的散水壓力.目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計特別重要.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, 復合分布的評價系數(shù)均方差σ就大, 那么冷卻塔與節(jié)能就無從談起.目可以利用計算機CFD (computational fluid dynamics) 模擬和試驗相結合的手段, 提高噴嘴分布的均勻性, 從而明顯縮短布水均勻性的驗證時間, 提升效率.

冷卻塔內空氣流動時經過的通道十分復雜, 如氣流經過入口轉彎、淋水填料入口與出口的突然收縮和擴大、收水器中氣流轉折及氣液分離、風筒入口和出口的轉彎變化等過程.氣流的急劇變化使得流動的阻力加大, 冷卻塔風機靜壓增大, 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, 塔內風速分布不均勻.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, 就要設計導流檐^[3], 否則入口氣流的渦流, 有時會造成通過塔壁周圍填料的風速僅為整個冷卻塔填料平均風速的20%, 而這部分填料面積約占整個填料面積的10%~20%.于是這些填料難以充分發(fā)揮散熱作用, 熱力性能就達不到設計要求.流場模擬時可以通過模擬流體的流動、換熱等物理現(xiàn)象, 在較短的時間內預測冷卻塔內的流場, 為實驗提供指導, 并為設計提供參考.模擬后通過較少的實驗驗證, 即可獲得更為準確的設計依據(jù), 使得空氣流在冷卻塔內的流道合理緊湊, 零部件的阻力進一步減小, 使冷卻塔節(jié)能技術的發(fā)展更迅速.

為了使冷卻塔的節(jié)能技術得到健康有序地發(fā)展, 相關機構擬定了節(jié)能冷卻塔的標準, 如CQC 3136—2012^[4], 使冷卻塔節(jié)能的量化指標有了評價與遵循的依據(jù).

由于受技術條件等限制, 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)、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行效率, 降低能源消耗.下面對此進行簡要論述.

減小循環(huán)水的供水壓力, 降低循環(huán)水水泵的揚程時, 節(jié)能.例如, 系統(tǒng)循環(huán)水量為1 000 m³·h^-1時, 揚程降低2 m, 可節(jié)能7.8 kW.按每年運行4 000 h計, 可節(jié)電31 200 kW·h, 節(jié)能量十分可觀.另外, 入風口高度降低也可以降低冷卻塔供水揚程, 但是要與冷卻塔入風口風速一并考慮.入風口高度降低, 入風面積隨之減小, 入口風速則會增加, 風機運行的全壓增大, 反而使風機耗能增加, 達到一定程度時氣流分離的渦流現(xiàn)象嚴重, 又會使冷卻塔性能降低.

冷卻塔入風口、風機下緣、風筒入口支撐梁、散水系統(tǒng)及其支撐架等, 通常會影響氣流通過.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)運行的空氣阻力.目已有許多這方面的工程改造案例, 并取得了很好的效果.

, 我國地域廣闊, 各地氣象條件千差萬別, 冷卻塔運行的氣象條件、用途等都不同, 要因地制宜地規(guī)劃選用和使用冷卻塔.冷卻塔運行時, 可以對出塔水溫實時監(jiān)測, 根據(jù)出水溫度調節(jié)冷卻塔風機的轉速, 使得出塔水溫接近設備預設的溫度, 這樣既有利于設備穩(wěn)定運行, 又有利于延長設備的使用壽命.目常用的風機轉速控制方式有選用雙速電機或者采用變頻控制, 控制技術也十分成熟.下面舉例說明運行控制方式對冷卻塔節(jié)能產生的影響.

例如, 上海夏季空調外界設計濕球溫度為28.2 ℃, 冷卻循環(huán)水的進、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機功率為37 kW.

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

圖 1 上海地區(qū)每月平均氣溫 (2001—2010年)Fig.1 Monthly mean temperature in Shanghai (2001-2010)

空調負荷, 即空調區(qū)夏季計算的熱量可根據(jù)下列各項確定^[5]:① 通過圍護結構傳入的熱量; ② 通過外窗進入的太陽輻射熱量; ③ 人體散熱量; ④ 照明散熱量; ⑤ 設備、器具、管道及其他內部熱源的散熱量; 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生的各種潛熱量.

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

假設僅考慮熱對流, 且7月負荷為Q, 估算空調每月負荷與7月的比值.

熱對流熱量為

(1)

式中:CL_E為外墻、屋頂或者外窗形成的逐時冷負荷, 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; t_w1為外墻、屋頂或者外窗逐時冷負荷計算溫度, ℃; t_n為夏季空調室內計算溫度, ℃.

分別將各月份溫度條件代入式 (1), 求得各月負荷與熱月負荷比值, 結果如圖 2所示.

圖 2 各月負荷與熱月負荷比值Fig.2 Ratio of monthly heat load to heat load in the hottest month

冷卻塔釋放的熱量與風量一次方成正比, 風機風量與風機轉速一次方成正比, 而風機耗功率與風機轉速的三次方成正比.即相同的風機在相同角度下, 有

(2)

式中:n₁、n₂為冷卻塔風機不同的轉速; G₁、G₂為冷卻塔風機在不同轉速下對應的風量; N₁、N₂為冷卻塔風機在不同轉速下對應消耗的軸功率.

基于以上負荷和風機功率消耗與風量比的關系, 假定設計條件為:冷卻塔進水溫度為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, 冷卻塔風機電機耗電量計算結果如表 1所示.

表 1 不同控制方式下電機耗電量Table 1 Motor power consumption under different operation modes

由表 1可以看出, 采用變頻控制節(jié)能顯著, 即用電量省, 僅為常規(guī)單速電機消耗電量的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.對于空調域中負荷隨季節(jié)變化的場合, 應采用變頻器控制.采用變頻器控制還有一個作用, 由于它是根據(jù)負載變化不斷地調整風機轉速來改變風量, 冷卻塔出水溫度保持相對穩(wěn)定, 水溫保持穩(wěn)定, 這對主機運行有大的好處, 不容易產生“液擊”等問題, 有利于主機及制冷系統(tǒng)運行.

在討論冷卻塔運行節(jié)能時, 循環(huán)冷卻水的水質處理是常常被忽略的一個問題.但是循環(huán)水處理對冷卻塔節(jié)能同樣重要.要使冷卻塔穩(wěn)定運行, 必須對循環(huán)水水質加以控制.因為冷卻塔主要是靠蒸發(fā)傳質進行熱量的傳遞.隨著循環(huán)水中水分子的蒸發(fā), 其鈣鎂離子濃度不斷加大, 于是結垢問題變得突出.污垢往往存在于冷卻塔構件上, 影響冷卻塔通風, 造成通風阻力增加, 風機耗功增加.結垢嚴重時也同樣影響布水, 水流經填料的通道變小, 循環(huán)水難以通過, 甚至會造成填料的坍塌.目市場上采用物理、化學等多種方法改善循環(huán)水水質, 使得循環(huán)水少結垢或延緩結垢, 以確保冷卻塔處于良好的運行狀態(tài), 大大延長其性能衰減的時間.常見的化學處理方法是在循環(huán)水中加入阻垢劑和殺菌滅藻劑等減緩循環(huán)管路、換熱器壁面及冷卻塔內污垢的生成; 也有在循環(huán)水中加入臭氧作為殺生劑^[6]破壞微生物的生存環(huán)境, 使污垢難以附著在循環(huán)系統(tǒng)的構件上, 從而提高冷卻塔換熱效率, 使冷卻塔節(jié)能效果在運行中得以積累.

在目節(jié)能減排的大環(huán)境下, 冷卻塔節(jié)能刻不容緩.對于新塔來說優(yōu)化設計很重要, 要運用新的科技手段來設計冷卻塔, 優(yōu)化冷卻塔中的填料、布水、風機及塔內流場等; 對于已經運行多年的已有冷卻塔進行改造, 更換落后、低效能的零部件, 改進影響流場的部件等; 冷卻塔的運行管理也必須加以重視, 采用雙速電機或變頻控制等合理的方式使風機轉速隨冷卻塔的負荷變化而變化, 從而達到節(jié)能的目的.另外, 對循環(huán)冷卻水水質進行檢測和處理, 以減少系統(tǒng)中結垢, 保持冷卻塔運行, 節(jié)約能源消耗.