9.3 冷却水系统在线视频

下面我们就来看看冷却水系统

冷却水系统主要由冷却水泵

冷水机组的冷凝器 冷却塔 管道

以及各处的阀门组成

有的冷却水系统还有贮水箱

在这里我们需要了解

关于冷却水系统的这些问题

冷却水系统的形式

有何特点？

冷却水泵的扬程确定的方法？

冷却水系统的调节是否应该加旁通？

设置冷却水槽时

槽体的位置对扬程的影响

冷却水泵设置在冷水机组前端 还是后端好呢？

首先看看冷却塔

这是一些冷却塔的外型

这里有最常见的开式冷却塔

包括横流式冷却塔和逆流式冷却塔

逆流式冷却塔的形状有方形和圆形

另外还有闭式冷却塔

可以看到闭式冷却塔内部有盘管和填料

目前最常用的冷却塔是逆流开式冷却塔

这是它的结构原理图

典型的冷却塔由冷却水进水管 布水器

填料 风机 贮水盘 出水管 补水装置

溢水管以及外壳组成

冷却水从下部的进水管进入上部的布水器

向下喷到填料上往下流动

室外空气由塔顶的风机驱动进入塔内

从下向上流

冷却水与室外空气直接接触

进行接触式的逆流热质交换

填料的作用是延长空气和水的接触时间

提高热质交换的效率

贮水盘里面是冷却降温后的水

又流回到冷凝器中

这种冷却塔的进风与出风口有较大的高差

可以避免进出风短路

塔的形状有圆形和方形

圆形逆流塔的进风百叶可沿着圆周来进行布置

方形塔可在四周布置

这样进风比较均匀

冷却效果好

圆形塔直径比同样性能的方形塔要大

受占地面积的限制

它的使用场合受到一定的限制

另一种常用的冷却塔是横流式冷却塔

它的进风与出风口的高差小于逆流塔

但是水平方向比逆流塔宽

所以空气进入塔内在从顶部排出

与冷却水呈逆叉流热质交换

它的效率不如逆流塔高

如果出风口处受到某种气流

或者其他物体的影响和阻碍

就可能使进出风出现短路

进水口在塔体的顶部

通常要求塔上方有水平干管

管道的布置稍有些困难

这是一种引射式冷却塔

它不需要风机

采用高速的水通过喷水口射出

引射一定量的空气进入塔内与水进行热交换而把水冷却下来

它的优点是没有风机等运转设备

可靠性高 稳定性好 噪声小

但缺点是设备尺寸偏大 造价相对较贵

由于对射流的流速有较高要求

所以需要较高的进塔水压

冷却水泵扬程比较大

前面介绍的几种冷却塔都是开式冷却塔

也就是冷却水直接与室外空气接触

把冷却水带出来的冷凝器的排热量

通过热质交换的途径排到室外空气中

但是由于冷却水全程与室外空气直接接触

室外空气达到零度以下的时候会有冻结的危险

另外贮水盘也很容易进入室外的污染物

所以水质并不满足进入空调系统换热器的要求

而闭式冷却塔就可以避免上述缺点

这是一种间接蒸发式换热设备

冷却水在全封闭的盘管里流动

风机驱动室外空气与冷却水盘管进行换热

这时

冷却水温与室外空气的干球温度的差

是主要的换热驱动力

很明显

这与以冷却水温与室外空气湿球温度的差

为换热驱动力的开式冷却塔相比

换热效率要差得多

为了提高换热效率

这种冷却塔在盘管外（表）面可以喷淋循环水

使冷却水管表面尽量逼近室外空气的湿球温度

这样在塔内就出现了三股换热流体

冷却水 空气 循环水

即便如此

它的换热效果依然比开式塔要差

因为多了一个循环泵

水泵的电耗也比较高

但这种冷却塔的优势是

完全封闭的冷却水系统能够保证水质

不易被污染

所以冷却水也可以进表冷器 风机盘管等

空气处理设备

在室外温度较低的时候

比如过渡季 冬季

可以作为蒸发冷却式制冷水设备

把冷却水直接当做空调系统的冷水使用

减少制冷机组的运行时间

我们把这种方式叫做Free cooling

也就是免费供冷

冷却水系统有两种连接形式

一种是一塔对一泵的形式

就是一台制冷机 一台冷却泵

和一台或者一组冷却塔串联

联动运行

这个环路是独立的

它的运行与其他机组的运行无关

另一种是冷却泵和制冷机串联

然后并联在一起

把所有的冷却塔也并联在一起

然后用一根母管与冷水机组串联

后面这种连接形式是更为常用的

前面我们讲过

冷水系统应该避免水泵并联

冷水机组并联

中间用一根母管来串联

也就是“先并后串”的形式

为什么在冷却水系统里

却常用这种“先并后串”的形式呢？

下面我们就来分析一下两种不同类型的系统

有什么特点

先看这种一塔对一泵的形式

这种方法调节简单

制冷机运行的时候

不用考虑其他设备是怎么运行的

但缺点是在部分负荷的时候

有一部分制冷机停止运行了

它串接的冷却塔也就不能用了

也就是说不能充分利用冷却塔的冷却面积

获得更大的冷却的好处

再看先并后串的系统

在部分负荷的时候

尽管有一部分制冷机停止运行

但是运行的制冷机依然可以利用所有的冷却塔

来对冷却水进行冷却

这时候可能不用开冷却塔风机

或者只需要进行风机变频就可以满足要求了

还可以节省风机用电

但需要注意的是

当只有少量泵运行的时候

由于冷却塔是并联的系统

阻力曲线没有改变

就会可能出现流量过大而烧毁泵电机的风险

比如这张图上本来是两台泵并联运行

工作点是A

当只有一台泵运行

系统阻力却没有改变的时候

一台泵的工作点就落到了B

流量比两台泵并联运行的时候单台泵的流量大很多

为了避免这种情况出现

往往需要安装限流阀

当扬程过剩的时候会自动增加阀的阻力

避免单台泵的流量过大

我们都知道

冷却水的温度越低

制冷机的COP就越高

在额定设计工况下

冷却水的进出口水温差是5℃

但在实际的运行过程中

受冷负荷大小和室外空气参数的影响

进出口水温差不一定可以达到5℃

但我们都希望冷却塔的出水温度尽可能地低

能尽量逼近空气的湿球温度

但是制冷机对冷却水的最低温度也有限制

以避免冷凝温度过低导致制冷机不能正常运行

所以

在室外湿球温度偏低的气候条件下

就需要有一个冷却水出口温度的调节设施

来控制冷却水的出口温度以满足制冷机的要求

冷却水系统的温度调节方法有两种

第一种是风机变频来控制冷却水的出水温度

第二种是利用三通阀和储水箱

通过混水调节来控制冷却水的出水温度

这是通过风机变频

来调节冷却水出口温度的系统示意图

通过冷却水出水管上的温度传感器

来感知出水温度

当出水温度偏低的时候

风机就开始降低频率

减少与冷却水热交换的风量

避免出水温度过低

在这里我们可以看到

在冷却塔的贮水底盘上有一个补水设施

这是因为冷却水与空气的热质交换中

大部分热量

是通过冷却水在空气中蒸发而带走的

因此在冷却过程中

冷却水量是会不断减少的

另外

冷却水还有飞溅损失量

也就是说

水滴在空气里流动的过程中

有部分没有蒸发

呈液态的形式就被甩出了塔外

因此为了保持冷却水系统中的水量恒定

补水设施是必要的

这是通过混水

来调节水温的冷却水出口温度控制系统的示意图

这个系统的特点是有一个贮水槽

水泵直接从贮水槽抽水送入制冷机的冷凝器

所以要控制贮水槽内的温度

三通阀的作用是

根据温度传感器测得的冷凝器入口的水温

把冷凝器出口的水进行分流

如果贮水槽内的温度偏低

三通阀只允许部分冷却水进入冷却塔被冷却

而另一部分则直接进入贮水槽

与被冷却过的水混合后再进入冷凝器

采用开式冷却塔的冷却水系统是一个开式系统

所以

它的冷却水泵的扬程计算方法

与闭式的冷水系统的计算方法是有差别的

它包括以下几个部分

第一部分跟闭式冷水系统类似

就是管路沿程阻力加局部阻力

还有冷凝器的阻力

冷凝器阻力的大小

依据制冷机的类型不同而不同

吸收式制冷机的冷凝器的阻力

比压缩式制冷机冷凝器的阻力要大

第二部分就与开式系统有关了

包括布水器喷嘴的出口余压

和开式液面之间的高差形成的水柱静压

水柱静压首先包括

布水器与冷却塔贮水底盘液面之间的高差

如果另外还加设了冷却水的贮水槽

那么还要加上冷却塔贮水底盘

与贮水槽液面之间的高差

由于这是一个开式系统

所以贮水槽的位置

对冷却泵的扬程大小影响是很大的

比如在这个图中

贮水槽如果放在冷却塔附近

贮水槽的液面与冷却塔底盘的液面比较接近

甚至是同一平面

需要的扬程就比较小

如果放在了冷凝器附近

所需要的水泵扬程就需要加上这段高差

加大了冷却泵的扬程

例如这个案例

实际上为了保证冷却塔正的常运行

冷却泵只需要15m水柱的扬程

但是因为安装了一个与冷却塔底盘标高差了28米的

贮水槽

最后不得不选了43米扬程的冷却泵

使得冷却水泵的电耗增加了一倍多

至于冷却水泵的位置

普遍设置在冷凝器的进口

当然这时冷凝器的承压比较大

如果冷却塔设置的位置

比制冷机房的位置高很多

就需要考察冷凝器的耐压能力了

但在实际工程中大部分的情况下

冷却塔设置的位置

并不会比制冷机房的位置高很多

比如说

制冷机房设置在地下2层

冷却塔设置在5层裙房的顶部

这样他们的高差一般不会超过50米

而由于冷却水系统

的规模往往都要比冷水系统的规模小

所以

冷却泵的扬程往往比冷水泵的扬程要小

很少超过30米

所以

冷凝器的承压是很少会超标的

如果把冷却泵设置在冷凝器的出口

在回水侧回路流动阻力损失

大于冷凝器的静水柱承压的情况下

在冷凝器侧的水路就有可能出现负压

产生气蚀

因此是需要避免的

这张图表示的就是这样的一个水压图

我们可以看到在冷凝器侧就会出现负压了

除了作为夏季空调的排热设施以外

冷却塔另外还有一个用途

就是可以在过渡季和冬季充当免费冷源

就是所谓的Free cooling

我们来看一看这个图

夏季的时候冷却塔正常给冷凝器提供冷却水

蒸发器给空调的空气处理设备提供冷水

到了过渡季或者冬季的时候

冷水机组停止运行

切断冷却水进入冷凝器的阀门

冷却水就进入到右侧的这个热交换器中

热交换器的另一侧是空调系统的冷水回路

也就是说

冷却塔通过换热器与空调系统间接相联

向空调系统提供冷水

这是开式冷却塔的方案

当室外温度接近或低于零度的时候

冷却塔会有冻结的风险

因此

冷却水侧需要加入防冻液

这是闭式冷却塔为空调系统免费供冷的方案

夏季的时候是这样运行的

冷却水进入冷凝器

蒸发器为空调系统提供冷水

但是在冬季或者过渡季免费供冷的时候

通过几个三通阀的切换

冷却水就可以作为冷水

直接进入到空气处理设备中了

在冷却水系统的设计中

会有一些细节的问题

导致很大的错误

例如

这个冷却塔不合理旁通的问题就是其中之一

在很多实际工程项目中

多台冷却塔并联的时候

往往根据负荷变化情况调节风扇开启数量

就像这个图所表现的那样

这个项目有三台制冷机

三台冷却泵

以及三台并联的冷却塔

当只有一台制冷机和一台冷却泵运转的时候

就开启一台冷却塔的风扇

另外（两台）冷却塔的风扇停止运转

但是

水流却是给三台冷却塔均匀分布的

这样就导致了

开启风扇的冷却塔水温降得很大

达到了7℃

但是

另外两台没有开启风扇的冷却塔

水温下降只有1℃

三台冷却塔的出水混在一起

导致供回水温差只有3℃

但这台正常运转的制冷机

是在满负荷运行的

供回水温差只有3℃

是不能满足要求的

有部分工程为了解决这个旁通问题

就在冷却塔的出水管上

安装了与风扇联动的阀门

当风扇停止运转的时候

阀门也关闭

以便让风扇停转的冷却塔不要再走水

结果导致大量冷却水

从不工作的冷却塔的水盘溢走

实际上更好的解决办法是

所有的冷却塔都均匀布水

而所有的冷却塔上的风扇都采用变频控制

在部分负荷的时候

所有的风扇都低速运行

既达到了节省风扇电耗的目的

也能保证出水温度满足运转的制冷机的要求