蒸发式冷却器配用风机的节能与降噪

蒸发式冷却器配用风机的节能与降噪 摘要摘要 通过对蒸发式冷却器配用风机能耗问题及噪声形成机理的分析 结合当今风机节能降噪的一些实践性应用 总结 了关于风机节能降噪的实用方法 认为在风机结构优化 叶片采用大直径宽叶片 前倾式结构 的基础上采用多台风机 独立启停控制 并使用变频风机能够使风机节能效果达到最优 且风机的噪音问题能够得到很好的解决 关键词关键词 蒸发式冷却器 风机 节能 降噪 优化 蒸发式冷却器主要是利用冷却水蒸发时吸收潜热而使制冷剂蒸气凝结的原理 制冷剂蒸气在管内凝 结时放出的热量通过油膜 管壁及污垢传给管外的水膜 再通过水的蒸发将热量传递给空气 由风机运 转提供流动空气 蒸发时产生的水蒸汽被流动空气带走 由于部分冷却水在蒸发时同时吸收蒸气和周围 冷却水的热量 蒸发式冷却器本身起到了冷却塔的作用 不需要再配备冷却塔 故系统紧凑 占地面积 小 因实际补充水量为水冷式的 1 25 1 50 1 其特别适用于缺水地区 在气候干燥处更为有效 另外 蒸发式冷却器的冷凝温度比风冷式冷凝器的约低 8 11 比水冷式冷凝器的约低 3 5 可大大降低 压缩机所消耗的能量 作为蒸发式冷却器的一个重要组成部件 风机的设计选型对蒸发冷的使用性能及应用效力非常重要 风机的使用性能主要体现在能耗和噪声两大问题上 1 风机的能耗分析 蒸发冷配用风机使用时牵涉到风机风量的调节问题 若蒸发式冷却器在使用时保持配用风机按定风量送风 即与其联动的电机转数不变 由于蒸发式冷 却器配风量在设计时是按最大冷凝负荷计算的 设计者或用户在选择风机设备时 通常留有 10 15 的设计余量 实际上系统在全年的运行中 大部分时间是处在部分负荷状态下 设备容量不能充分利用 运行效率低 在部分负荷下运行的风机仍是额定风量送风 致使风量富余 特别是当蒸发冷在低负荷下 运转时 风量的过度富余对换热效率并没有明显提高 反而因风机功耗不变 冷却水飘散率增大 蒸发 冷单位负荷的功耗增加 使性能系数 COP 下降很多 经济效率极低 同时风机的噪音问题愈加凸显 总结国内外蒸发式冷却器配用风机的能耗研究 可采用以下几种方式进行节能 1 1 合理确定风压和风量 通过分析和计算 或进行一些测试 或参考同类的设备系统的实测数据 确定设备系统所需要的最 大风压和最大风量考虑到所提供的测试数据的测试误差以及运行时设备性能的变化 实际选用风机时风 量和风压可以取 叫从节能角度考虑 应当尽可能精确地计 1 05 1 10 1 00 1 15 算出所需要的风压和风量 使实际运行值和计算数据相差最好不超过 10 这样风机能在高效率区域 中工作 此外 为了正确确定调节方式 方便调节 还必须估算出风机经常使用的和最小的风压风量 2 1 2 优化风机结构 使用低转速 大流量直联式轴流风机 风机叶片采用大直径宽叶片 前倾式结构 特点是风阻小 风量大 噪音小 性能佳 效率高 从机械性能考虑 由于电机与风机直联 减少了传动部件 传动效 率很高 例如 洛阳隆华生产的蒸发冷及烟台冰轮生产的蒸发冷都是使用此类风机 不同的是 隆华生 产的蒸发冷采用专用中空铝合金风机叶轮 冰轮生产的蒸发冷采用全铝合金风机叶片 另外 通过调整 动叶安装角进行调节 可以收到明显的节能效果 但风机叶片直径也不能太大 否则会造成叶片端部速 度很大 不利于降噪 1 3 风机风量调节 蒸发式冷却器的冷凝负荷在全年的运行中 大部分时间是处在部分负荷状态下 也就是说 全年 90 以上的时间都有节能的余地 故配用风机通常采用风量调节 适应冷凝负荷的变化 使风机功耗相 应发生变化 使用效率保持在较高的范围内 风量调节方式如下 1 3 1 改变电机 风机转速 A 温度控制 即采用温度传感器测温并连接温度控制器 通过温度变化控制风机电机电源的通断 当冷凝负荷降低时在冷却循环水量不变的情况下 冷凝器制冷剂液体出口温度势必下降 降低至一定温 度时 温感控制动作 断电关机 风机停转 持续一段时间后 制冷剂液体出口温度上升 直升至温控 器设定温度 温感控制动作 通电开机 风机转动 此控制方法利用冷凝温差控制控制风机转速 简单 实用 节能效果显著 但风机的开 关过于频繁 可能会导致开关和风机马达过热而影响使用寿命 因 此 温控器要设定合适的温度精度范围 使风机的开关频率控制在合适的数值 3 B 电机变频调节 通过改变电机频率来对风机进行无级调速 调节风量 使其与冷凝负荷变化相 对应 使制冷剂液体出口温度稳定 实现最有效地冷凝效果 变频调速有如下特点 1 调速效率高 2 调速范围大 3 调速精度高 4 启动电流小 而且 容易实现闭环控制 5 电机机械故障少 维修方便的优点 又能达到节电的显著效果 是风机交流 调速节能的理想方法 4 但同时增加了生产成本 在一定程度上限制了其应用 C 电机极数变换 电机极数可变 不同的极数变化可使风机获得高低不同的 2 3 种转速 冷却 负荷大时 风机高转速大风量运转 冷却负荷小时 风机低转速小风量运转 显然低转速要比高转速节 能 而且还能降低冷却塔风机噪声 减少对周边环境的影响 此控制系统马达极数的变化由冷却塔出水 温度来控制 通过改变风机 电机的转速可以对蒸发式冷却器排热量进行较宽范围的调节 下面就常规的定转速 电机 多速电机 变频电机做分析比较 具体见表1 表1 变转速工况排热量和运行功率调节范围比较 定转速双速双速三速变频 电机 4P4P 6P4P 8P4P 6P 8P10 50 Hz 转速 r min 1500900 1500750 1500750 900 1500300 1500 转速 10060 10050 10050 60 10020 100 风量 10060 10050 10059 60 10020 100 排热量 10068 10059 10059 68 10029 100 运行功率 10022 10013 10013 22 1001 100 注 表中 P 是与风机联动的电机的磁极对数 同时代表电机转速 如 4P 代表电机是 2 极 转速 3000 2 1500 r min 1 3 2 改变风机起停台数 对较大负荷的蒸发式冷却器 可设计成多台风机组合 多台电机组合 通过不同台数风机 电机的 启停来改变排热量 当风机停止运转时 因自然对流换热的存在 蒸发式冷却器仍可达到其 10 的排 热量 下面以 3 台风机为例比较启停控制的能量调节和运行功率 具体见表 2 表 2 启停控制排热量调节和运行功率比较 单电机三电机两电机电机 功率22kW7 5kW 7 5kW 7 5kW7 5KW 15kW 启停控制ONON ON ONOFF ON ONOFF OFF ONON ONOFF ONON OFF 风量 10010066 733 310033 366 7 排热量 10010070 40 1004070 运行功率 kW 2222 57 5 27 522 57 515 运行功率 10010066 733 310033 366 7 注 70 是 2 台 66 7 的运转风机和 1 台 10 的停止运转风机的自然对流排热量之和 同理 40 是 1 台 33 的正常 运转风机和 2 台 10 的停止运转风机的自然对流排热量之和 如果负荷低于 40 只须开启一台小电机 如果负荷在 40 70 之间 只须开启一台大电机或 者是两台小电机 例 以 25 的额定负荷工作时 小电机的运行时间为 62 5 25 40 100 以 50 的额定负荷工作时 大电机或 2 台小电机的运行时间为 71 4 50 70 100 因此启停电机 风机的 方法从运行时耗上节省了能源消耗 由表 2 还可以看出 三电机运转与两电机运转在能量调节和运行能耗方面没有区别 因此设计产品 时兼顾日后运行中减少故障点 大多采用一大一小两电机组合 但是采用这种调节方式要注意在独立运 转的风机间加设分隔板以防空气直流排走 1 3 3 多种方式组合的调节方法 由上述数据分析可知 电机功耗变化率较排热量变化率大 节能效果明显 但是除了变频调节外 其他方式均为间歇性阶段化调节 因此可以考虑对上述调节方法进行多种组合加大调节范围 减小波段 差距 比如多台风机独立启停控制与变速或变频相结合的方法 文献5介绍了一种 BALT IGU ARD 的风机系统 将同一风机配用一大一小两台电机 小电机为大电机2 3额定转速时风机所需的电机功率 可以是变速或变频电机 大电机用于额定负荷时工作 小电机用于部分负荷工作 这种方式不仅具有很 高的节能优势 而且大 小电机二者可以互为备用 在24h无停机运转的过程中可将小电机功率提高到 接近大电机功率 大大提高生产的安全性 已在国外多个项目中得到很好的验证 图1 BALTIGUARD 风机系统 2 风机的噪声分析 6 2 1 风机噪声分类 蒸发式冷却器配用风机是一种低压头 大流量 无前后导叶的单级引风式轴流风机 其噪声主要包 括 电机运转产生的电磁噪声 传动系统产生的机械噪声和气动噪声 这其中又以气动噪声为主 1 气动噪声 风机的气动噪声主要由旋转噪声和涡流噪声两部分组成 旋转噪声是由运转的叶片与 静止部件相对运动引起空气压力脉动 旋转时叶片的上下型面不同形成的压力差而产生的噪声 涡流噪 声是叶片旋转时 由于叶片推动旋转面区间和叶尖周围空间的空气形成涡流 在叶片表面和风筒壁面形 成强紊流喘振 进而分裂成涡流产生的噪声波 2 传动系统噪声 空冷风机的传动系统有2种形式 叶轮直径 4 5 m时一般采用三角胶带轮传动 叶轮直径 4 7 m时 大多采用齿轮减速器传动 传动系统噪声对整台空冷装置的噪声有l 3dB的影响 三角胶带的传动噪声小于齿轮啮合传动产生的噪声 3 电动机噪声 与风机叶轮相比 电动机运转的电磁噪声产生的影响很小 电动机对单台空冷装置 的噪声水平的影响 1dB 可通过选用高性能电机来减少电机噪声 2 2 降噪方法 采用主动控制气动噪声的方式是最有效的降噪途径 目前 控制风机气动噪声最有效的措施 7 是 1 降低叶轮转速 加大叶片宽度 叶轮转速是影响风机噪声的重要因素 降低转速可以明显地降低 风机气动噪声 但随着转速的降低 风机的风量和风压也将下降 解决这一矛盾可采用加大叶片宽度 增加叶轮实度的方法提高风量和风压 2 采用前掠型