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新标准下冷水机组与冷却塔选配方法探讨

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描述:我国现行冷水机组和冷却塔两个行业规定的标准工况冷却水进出水温度不同,造成了在使用时一方必须变工况运行、实际出力达不到标况值的问题。通过分析提出适合广州地区的选配设计方法——按照冷却塔进出水温度标准选择冷水机组,并通过计算推导出冷水机组制冷量修正系数。这为设计师在没有变工况数据的情况下提供了设计参考,并为其他地区的选配设计提供方法参考。

     

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我国现行冷水机组和冷却塔两个行业规定的标准工况冷却水进出水温度不同,造成了在使用时一方必须变工况运行、实际出力达不到标况值的问题。通过分析提出适合广州地区的选配设计方法——按照冷却塔进出水温度标准选择冷水机组,并通过计算推导出冷水机组制冷量修正系数。这为设计师在没有变工况数据的情况下提供了设计参考,并为其他地区的选配设计提供方法参考。

前言

广州地区通信机楼冷负荷需求较大、并且通信设备需要不间断运行,因此广州地区大部分通信机楼采用中央空调集中供冷方式,常见的冷源配置是水冷式冷水机组,并配套相应的冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔,通过空调冷却水循环系统不断地为冷水机组提供冷却水。GB/T18430.1—2001及GB/T18430.1—2007将冷水机组冷却水的进出水温度由32/37℃修改为30/35℃,因此,现在大部分冷水机组样本资料标明的制冷量皆是在该条件下的制冷量。然而,另一方面,GB/T 7190.1—2008中冷却塔进出水标准仍为37/32℃。这两个不同的标准造成了在使用时一方必须变工况运行、实际出力达不到标况值的问题。在没有变工况数据的情况下,如何合理设计选配冷水机组及冷却塔成为设计师需要解决的问题。

选配设计方法

冷却塔是用空气同水的接触(直接或间接)来冷却水的装置。水与空气直接接触称为湿式(或称开式)冷却塔,水与空气间接接触称为干式(或称封闭式)冷却塔。本文主要讨论常用的湿式冷却塔。

冷却水的进出水温度由32/37℃修改为30/35℃,其目的显然是为了提高冷水机组效率节省能源,但是冷却塔行业却没有相应更改标准,这是有一定原因的。我们平常所说的温度一般是干球温度,此外还有湿球温度。由于湿球温度决定了空气的含热量,因此它对于确定用户夏季冷负荷(冷水机组容量)、冷却塔效率以及冷水机组效率等诸多方面均将产生很大影响。冷却塔冷却的基本原理之一是利用水本身的蒸发潜热来冷却水,即塔中的冷却水是通过填料的巨大表面在一定空气流速的条件下,通过蒸发部分冷却水而冷却的。在已知条件下(填料种类、气水比、冷却水进出水温度和热负荷等),冷却塔出水温度的决定因素就是湿球温度。如在该设计参数条件下运行,湿球温度就是该冷却塔冷却水出水温度所能达到的更低理论极限值,又称为水的冷却极限。理论上水温可以降到湿球温度,但实际上达不到。要使水温降到湿球温度,冷却塔尺寸需无限大,水与空气接触的时间要无限长,这显然是不可能的。冷却塔出水温度和湿球温度之间的温度差称为冷幅高,显然冷幅高越大冷却塔处理效率越高,一般冷幅高为4-5℃。我国幅员辽阔,各主要城市夏季湿球温度tsh差异很大,其中:tsh≥25℃的有114个城市,tsh≥26℃的有102个城市,tsh≥27℃的有76个城市,tsh≥28℃的有31个城市,广州地区夏季湿球计算温度为27.7℃。如果冷却塔出水温度定为30℃,则tsh≥28℃的城市的冷幅高仅为2℃,回旋余地非常小,冷却水要保证出水温度不升高是很困难的。而且,GB50019-2003规定的这一湿球温度是每年不保证50h的湿球温度,即每年有50h湿球温度将高于上述的计算湿球温度,在此期间,冷却塔若要保证进出水温差不变,其出水温度将会随着湿球温度的升高而升高,将会引起冷水机组运行条件的恶化,导致冷凝温度升高,制冷量下降,无法满足通信机楼的制冷量要求,不能保证机房温度在设计温度范围内,甚至影响冷水机组的寿命。众所周知,各地湿球温度是客观事实、无法以人的意志改变,因此,冷却塔进出水为37/32℃这一标准是有其现实意义的,也适合广州地区。

为使冷水机组和冷却塔匹配运行,有两种方法:方法一是按冷水机组冷却水进出水温度标准选用冷却塔,方法二是按冷却塔进出水温度标准选用冷水机组。

2.1 按照冷水机组冷却水进出水温度标准选用冷却塔

若采用方法一,按冷水机组冷却水进出水温度标准选用冷却塔,冷水机组冷却水进水温度为 30℃。广州地区夏季湿球计算温度为27.7℃,这样,冷却塔冷幅高仅为2.3℃(一般为4~5℃),冷却塔必然处于变工况状态下运行,其处理能力大大下降。即使增加了冷却塔的容量,也由于冷幅高过小,要维持冷却水出水温度不变也是很困难的。因此,在广州地区,有的单位吸取他人的教训,为了确保冷水机组冷却水温度不至于大幅度上升而采取“双塔”措施。当按照冷水机组冷却水进出水温度30/35℃选用冷却塔时,冷却塔选型要放大47.4%至75.2%,表1为广州地区常用冷却塔品牌A的对比数据。

更进一步分析, GB50019-2003规定的夏季湿球计算温度是指“每年不保证50小时”,换言之,在高温而迫切需要降温的关键时刻,若一天中有4小时超过夏季湿球计算温度,那就意味着每年累计有12天通信机房内空调的现状将超过预定的设计值(有的地方情况甚至更加恶化)。这种天气情况下,冷却塔若要保证进出水温差不变,其出水温度将会随着湿球温度的升高而升高,将会引起冷水机组运行条件的恶化,导致冷凝温度升高,制冷量下降,无法满足通信机楼的制冷量要求,不能保证机房温度在设计温度范围内,这对要求不间断正常供冷的通信机楼是不允许的。

表1 广州地区冷却塔品牌A在不同冷却水进出水温度下的选型对比

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注:(1)所选为方形横流塔,填料系数相同,各型号设计工况相同。

(2)冷却塔型号对应的冷却水量为进出水温37/32℃、湿球温度28℃下的处理量。

显然,一味加大冷却塔型号需要付出很大代价:初投资增加,日后维护费用增加,安装面积增加或因安装面积不足而使工程无法实施。由于冷却水温度还受当地室外空气湿球温度的限制,有时即使采取“双塔”措施也无法满足冷水机组冷却水进水温度为30℃的要求。

2.2 按照冷却塔进出水温度标准选用冷水机组

若采用方法二,按照冷却塔进出水温度标准选择冷水机组,当冷负荷固定、冷却水流量和进出水温度差维持不变时,冷却水的出水温度(32℃)高于冷水机组的标况值(30℃),其后果是降低冷水机组的效率,制冷量达不到样本标注值,冷水机组处于变工况状态下运行。

下面来分析制冷量的变化。以工程中应用大多的蒸汽压缩式制冷循环为例,如图1,1-2-3-4-1为饱和循环过程;实际循环为回热循环1’-2’-3’-4’-1’(为简便计算,假设蒸发器和冷凝器中的过程等压,考虑一定的吸气过热度和绝热节流)。其中1-1’过程过热,两状态点压力相同,记为p1=p1’;1’状态点温度t1’为过热温度;1’-2’为绝热压缩过程,等熵压缩;2’-2-3-3’是制冷剂在冷凝器中等压冷却和凝结;3-3’为过冷;3-4和3’-4’分别是绝热节流过程,记为h3=h4和h3’=h4’。

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图1 lgp-h图上的饱和循环和回热循环

由热力计算得实际循环的单位质量制冷量为:

q= h1’- h4 (式1)

而h3=h4

因此有q= h1’- h3 (式2)

不同制冷剂单位质量制冷量有所不同。当制冷剂为R22、R123、R134a、R407c和R410a时,制冷机空调工况为:蒸发温度5℃,蒸气过热温度15℃。当制冷剂为R717时,制冷机空调工况为:蒸发温度为5℃,蒸气过热温度10℃。

查制冷剂饱和状态下热力性质表(或压焓图),得冷凝温度时饱和液体比焓h3;查制冷剂饱和状态下热力性质表(或压焓图),得蒸发温度时(如标况5℃)饱和蒸汽压力P1;由P1’=P1及t1’=蒸汽过热温度,查过热蒸汽热力性质表(或压焓图)得h1’。

本文着重分析冷却水进水温度不同引起的冷水机组制冷量变化,因此为简化分析过程,假定蒸发温度不变、蒸气过热温度不变,分别为5℃和15℃(除R717蒸汽过热温度为10℃外)。制冷机冷凝温度按如下方法确定:冷凝温度比冷却水进出口平均温度高5~7℃。当冷却水进出水温度为30/35℃时,其冷凝温度为37.5~39.5℃;当冷却水进出水温为32/37℃时,其冷凝温度为39.5~41.5℃。冷凝温度升高,制冷量下降。比较冷凝温度为37.5℃和41.5℃时的制冷量,就可以看出该两个冷却水进水温度时引起的制冷量变化值。表2至表7为各种常用制冷剂的计算结果。

表2 两标况冷却水进水温度下的制冷量变化(制冷剂为R22)

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注:查文献6附录2-2及附录2-6。

表3 两标况冷却水进水温度下的制冷量变化(制冷剂为R123)

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注:查文献6附录2-3及附录2-7。

表4 两标况冷却水进水温度下的制冷量变化(制冷剂为R134a)

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注:查文献6附录2-4及附录2-8。

表5 两标况冷却水进水温度下的制冷量变化(制冷剂为R407c)

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注:查文献8附图5。

表6 两标况冷却水进水温度下的制冷量变化(制冷剂为R410a)

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注:查文献8附图6。

表7 两标况冷却水进水温度下的制冷量变化(制冷剂为R717)

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注:查文献6附录2-5及附录2-9。

计算结果表明:按照冷却塔标准选择冷水机组,冷水机组处于变工况情况下运行,其制冷量随制冷剂不同减少1.72%~6.40%。

结论

从以上分析可知,对于广州地区,若按冷水机组冷却水进出水温度标准选用冷却塔,冷却塔选型需放大47.4%至75.2%,并且冷却水温度还受当地湿球温度的限制,严重时将导致冷却塔无法正常工作,这对要求不间断正常供冷的通信机楼是不允许的。若按冷却塔进出水温度标准选用冷水机组,冷水机组处于变工况情况下运行,其制冷量减少1.72%~6.40%。

显然,按冷却塔冷却水进出水温度标准选用冷水机组较易实施,对于通信机楼供冷安全更有保障,可靠性高。具体选配设计方法是:当制冷剂为R22时,按冷水机组的制冷能力比标况值下降3.15%左右选配;当制冷剂为R123时,按冷水机组的制冷能力比标况值下降2.67%左右选配;当制冷剂为R134a时,按冷水机组的制冷能力比标况值下降3.80%左右选配;当制冷剂为R407c时,按冷水机组的制冷能力比标况值下降4.88%左右选配;当制冷剂为R410a时,按冷水机组的制冷能力比标况值下降6.40%左右选配;当制冷剂为R717时,按冷水机组的制冷能力比标况值下降1.72%左右选配。由于通信机楼要求不间断正常供冷的特殊性,因此冷水机组的选择应以保证供冷安全为前提,在此基础上还应选择部分负荷性能系数高的冷水机组,以降低能耗。

注:

GB/T18430.1—2001.蒸气压缩循环冷水(热泵)机组 第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组

GB/T18430.1—2007.蒸气压缩循环冷水(热泵)机组 第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组

GB/T 7190.1—2008.玻璃纤维增强塑料冷却塔 第1部分:中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔


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