冷却水塔的优化设计

冷却水塔的优化设计

摘要：本文主要从两方面探讨冷却水塔的优化设计：一是对冷却水塔内冷却水系统进行优化，改进后的冷却水系统能减少卧式壳管式冷凝器结水垢量甚至不结水垢；二是对冷却水塔通风机进行优化，用水轮机代替冷却水塔电动机，利用水轮机增压来推动风机工作，节省了冷却水塔电动机的耗能，达到节能目的。

关键词：冷却水塔冷却水系统制冷系数水轮机节能

冷却水塔按通风方式不同有自然通风和机械通风两种，当前空调制冷常用的冷却水塔以机械通风冷却水塔为主，机械通风冷却水塔按不同的分类方式又可分为圆形、方形、横流式、逆流式等（如图1所示），在市面上都比较多见。但不管是哪种冷却水塔，都存在耗电较多、维修保养较复杂及冷却效果受塔顶排出湿热空气回流影响等缺点。本文针对传统冷却水塔的缺点，提出了两种优化冷却水塔的方案模型。

图1 冷却水塔

一、优化设计冷却水塔内冷却水系统

传统的冷却水系统如图2所示：冷却水的流程从冷却水塔水池→冷却水泵→卧式壳管式冷凝器→冷却水塔布水器→填料→冷却塔水池，如此循环来实现对冷凝器内制冷剂的冷凝。由于水池中的水来源于自来水自动补水，水中含有钙、镁离子，在高温的冷凝器中会形成水垢而附着在冷凝器的内壁，影响热量的传递，导致冷凝温度上升，从而降低了制冷系数，增加了制冷空调设备的耗功量。

图 2 传统的冷却水塔结构及冷却水系统图

针对传统冷却水系统存在的问题，优化后的冷却水系统如图3所示：系统需增加一个膨胀水箱、一个水泵及一个电子除垢仪。改进后的冷却水塔有两个水循环系统：第一个水循环系统是冷却水从冷却水塔内盘管下部→电子除垢仪→冷却水泵→卧式壳管式冷凝器

→冷却水塔内盘管上部→冷却塔内盘管下部，此系统为闭式系统；第二个水循环系统是水从冷却水塔水池→水泵→冷却水塔布水器

→盘管翅片→冷却水塔水池，此系统为开式系统。两个水系统一起循环来实现对冷凝器内制冷剂的冷凝。

图 3 优化后的冷却水塔结构及冷却水系统图

冷却水系统优化后系统优势有二：

第一，提高制冷系数。两种冷凝方式相比较：优化前，蒸发温度5℃，过热温度15℃，冷凝温度42℃（由于水垢的影响，冷凝温度会随着水垢的增加而升高，假定平均超过空调工况所对应的冷凝温度2℃），过冷温度随之升高至37℃，由压焓图计算得理论制冷系数为5.2；优化后，按空调工况蒸发温度5℃，过热温度15℃，冷凝温度40℃，过冷温度35℃，经计算得理论制冷系数可提高到5.7，同比升高11%，可大幅度节省能源。

第二，节省了维护保养成本。由于优化后用来直接冷却卧式壳管式冷凝器的水系统是闲式系统，而且系统加装了电子除垢仪，冷凝器结水垢少或甚至不结水垢，因此优化后的水系统也不用清洗冷凝器水垢，节约了维护保养成本。

二、优化设计冷却水塔内通风机

传统的冷却水塔如图2所示，制造上用电动机驱动风机，需消耗电能，在使用过程中冷却水塔电动机还有漏电伤人、火花爆炸等潜在危险。优化后的冷却水塔如图4所示，其主体结构不变，只是用水轮机代替电动机，水轮机充分利用冷却水塔散热系统循环水的余压来获得输出功率，并驱动风机工作，达到散热目的。优化后完全省去电动机，完全节省了电动机的能耗。水轮机应用于冷却水塔后系统优势如下：

1.节能

冷却水塔用水轮机取代电动机，完全节省了电动机的运行电耗，且没有增加循环水泵的运行电流，达到100%节省电动机电能的目的。

图 4 用水轮机驱动风机示意图

2.节省了维护保养成本

使用水轮机的冷却水塔系统故障点少，以一台水轮机代替电动机、减速器和传动系统，可以实现长时间无故障运行，可为使用单位节省大量的维护和更换冷却水塔的电动机和减速器的费用和人力。

3.高效

水轮机直接驱动风机，不需再通过其他减速器等，且随着水流量的变化而风量相应变化，始终稳定在较好的气水比，可确保散热效果。

4.低噪声

水轮机的能量转换在水流道内完成，并且取消了电动机及减速机，消除了低频电磁声及大幅降低了机械噪声。

5.适用范围广

适用于旧塔节能改造，圆形、方形（含逆流或横流）冷却水塔。在安装水轮机时，可保留原有冷却水塔外型结构、尺寸不改变，水轮机冷却水塔的冷效、风机风速、气水比、噪声均比原有电动机驱动风机冷却水塔有不同程度的改善，各种技术指标均能达到冷却水塔设计要求。

参考文献：

[1]殷浩，徐德胜.制冷原理[m].上海：上海交通大学出版社，2009.

[2]魏龙.制冷空调机器设备[m].北京：电子工业出版社，2007.

[3]金湖庭.空气调节与中央空调装置[m].北京：中国劳动社会保障出版社，2002.

[4]李佐周，卫宏毅，铭伦.制冷与空调设备原理及维修[m].北京：高等教育出版社，2004.

（作者单位：广东省机械技师学院）