冷却塔与应用

冷却塔与应用Preparedby:1课程内容第一部分：冷却塔种类与结构第二部分：冷却塔性能第三部分：常见术语第四部分：冷却塔应用要点Preparedby:2强制通风逆流冷却塔有多种类型的设计和批量生产工艺，并且每一种都有不计其数的规格供选择。并非所有的类型都适用于实际应用。因此，有必要了解每一种冷却塔的优缺点。在以下讨论中，我们只考虑在商用空调中使用的冷却塔，而不考虑那些工业应用的。机械通风：这种类型的冷却塔使用单个或多个风扇来提供定量的空气通过冷却塔。它们的热效率趋于稳定，极少受到干湿球温度变化的影响。使用风扇控制气流为冷却塔运行能力的调节提供了一个方法。通过调节风机速度或循环风机数量实现调节。机械通风塔有两种形式：1-压入式通风2-抽吸式通风

压入式通风下一页介绍了一种压入式通风塔。风机设置在塔的气流入口。这种塔的进口风速高于出口风速。这些塔可能接受再循环空气而工作稳定性没有抽吸式通风塔好。在寒冷地区，当进行再循环或者气流湿度较大时，通风风机容易结冰和失稳。这些塔的特点是使用离心式风机，风机消耗的马力要超过螺旋式风机。然而，他们能在高静压的环境中运行，所以当再循环可以避免时，风机就能远离塔设置。这种塔结构紧凑而且费用比抽吸式塔低。Preparedby:3压入式逆流塔风机强制空气通过冷却塔使用离心式风机－马力大－静压高进口风速高出口风速低－可能产生空气再循环－在寒冷地区风机结冰越小成本越低逆流－空气与水反向流动应用－暖通（冷水机组），净化工艺Preparedby:4抽吸式逆流塔气流在轴流风机抽吸下通过冷却塔，这种类型塔的出口速度高于进口速度3到4倍（大约5mph）。因此，这出口气流再循环的可能性很小。当风扇在暖气流中，结冰的可能性低。抽吸式逆流塔具有从15GPM到700,000GPM广泛的范围。在上述两种冷却塔中，气流都是与水流反向的，这也是冷却塔分类的另一种方法。Preparedby:5抽吸式逆流塔出口风速高－近似5MPH的风速－无再循环－风机在热气流中运行－风机不会结冰使用广泛－15到700，000GPM逆流设计－气流与水反向应用－HVAC(冷水机组）－净化工艺Preparedby:6逆流特点无论是压入式还是抽吸式强制通风高压水喷嘴空气阻力损失大高水泵压头风机功率大设备尺寸小投资低Preparedby:7抽吸式交叉流塔交叉（横）流塔内的气流水平经过填料与下降的水流接触。水送入填料上方的水箱，在重力作用下通过水箱底部的孔分布流过填料。因而不需要压力喷雾系统，水泵的马力可以降低。因为填料暴露在外，因此冷却塔在工作时也可以检修。交叉流塔填料可以是单侧或双侧的。单侧塔适用于主导风向或空气通向塔的途径有限制的情况。Preparedby:8抽吸式交叉流塔利用重力供水－水泵功率低空气水平通过填料与水接触填料位于设备的1侧或2侧空气压降低－风机功率低尺寸较大初投资较大应用－暖通空调(冷水机组）－工业冷却Preparedby:9冷却塔填料塔的填料层＝热交换制造商为了提高热交换能力尽量发展填料的形式三种基本类型－飞溅式填料－水膜式填料－直接喷淋（没有填料）Preparedby:10飞溅式交叉流塔飞溅式填料打断并且击碎垂直的水流，这是通过水平安置的一组平行叉列的挡水板实现的。与空气接触的最大的水表面是通过多次的水流下落并飞溅成小水滴而形成的，水也可以浸湿每块挡水板的表面。飞溅式填料空气压力损失小而且不易被水流阻塞。然而，它对水流是否充足很敏感。挡水板必须水平放置，否则水在通过填料时会顺着挡水板形成许多分散的水流，效率就会降低。木质板条（主要是花旗松）作为挡水板材料已很长时间。现在塑料得到广泛应用。钢或铝只是在对强度有要求的大型钢结构塔时才使用。飞溅式填料在逆流和交叉流塔都可使用。Preparedby:11飞溅式交叉流塔挡水板溅散水流阻断水流纵向溅落水流被溅散成小水滴连续的水平分流最大的水表面积挡水板材料－木板条或塑料条主要用于交叉气流空气压力损失低不易阻塞Preparedby:12典型的薄膜式填料薄膜式填料使水形成薄膜，同时流过很大的垂直表面，最大程度地使水与空气流接触。与飞溅式相比在相同的体积里它可以提供更大的冷却能力。然而，它对于水的不良分布和阻塞十分敏感的。冷却塔的设计保证了均匀的水膜和空气分布。薄膜通常由PVC塑料制成的，这种材料易于制成具有很大表面积的形状。Preparedby:13典型的薄膜式填料使水形成薄膜水流过大的垂直表面更有效的热交换易阻塞PVC是常用的材料Preparedby:14喷淋塔喷淋式冷却塔内没有热交换填料，水流经过喷嘴后被雾化，然后水、气在塔内以逆流方式接触换热。这种类型的冷却塔适用于需要冷却高温水的情况，并不适用于普通冷凝器。他们也被用于水质有可能损坏填料换热表面的情况。Preparedby:15喷淋塔无填料依靠水、气接触高压喷嘴雾化水泵的费用较高初投资低没有其它形式效率高用于冷却高温水不适用于冷水机组

Preparedby:16课程内容第一部分：冷却塔种类与结构第二部分：冷却塔性能第三部分：常见术语第四部分：冷却塔应用要点Preparedby:17冷却塔的性能

蒸发冷却减少的显热正好等于使空气饱和的潜热量。如果能获得低于进口空气露点温度的连续的喷淋水，空气就能通过喷淋水冷却和除湿。让水在低于露点温度时冷却，一种方式是用制冷系统中的冷冻水。另一种方式是用再循环水喷淋的冷却盘管。喷淋式盘管在夏季运行时可提高冷却盘管的性能和提供精确的温湿度控制。在冬天这个过程刚好相反，可对空气升温和加湿。在这个例子中，加热喷淋水使出口空气的湿球温度高于进口空气。热的喷淋水被冷却，同时散热和加湿空气。蒸发式冷却，作为前面已经讨论过的话题，使用循环水喷淋以使空气达到饱和状态。我们将依照我们迄今所获得的知识在此原理上进一步深化。假设喷淋水和排出空气的温度与进气温度具有相同的湿球温度。空气被冷却和加湿变成与进口空气湿球温度相同温度的饱和空气。下页在焓湿图上表示了蒸发式冷却。这一过程是沿着进入空气的湿球线发生的，而且接近于饱和线。Preparedby:18冷却塔的性能

蒸发冷却在理想过程中，喷出水温=饱和出风干球温度=入风湿球温度=65F热量用来到蒸发水并使空气饱和、冷却。空气被冷却并且加湿如果喷出水温度低于40DP，空气变冷并且除湿。水的作用就是一个冷却盘管。也可喷温水来加热空气。Preparedby:19冷却塔-无负荷当压缩机停止运行、冷凝器中没有热量加给冷却水循环。冷却水进入和离开冷却塔的温度是一样的，如下叶所示在85℉。通过冷却的塔气流被冷却和饱和就像流过湿地。事实上，在零负荷情况下，冷却水泵运转时，从焓湿图上看起来就像湿地冷却。Preparedby:20冷却塔-无负荷 在没有负荷时，入水和出水温度将恒为85F水将蒸发到空气中。空气将被冷却到饱和状态65F。冷却塔是一台“沼泽”冷却器。

Preparedby:21冷却塔—峰值负荷当压缩机运行时，热量首先释放到冷凝器，然后传给冷却水，高峰负荷时水温从85℉升高10℉到95℉。冷却塔利用蒸发过程将冷却水重新降到85℉，即使室外干球温度是100℉。当室外空气干球温度高于冷却水的进口温度时，用室外空气的显热来冷却水是不可能的。蒸发潜热冷却是冷却塔冷却水的方式，所以冷却水可以再循环到冷凝器继续从机械制冷系统中释放出热量。Preparedby:22冷却塔—峰值负荷当水通过冷却塔时，温度从95F被冷却到85F。水通过蒸发被冷却—水蒸气加入到空气中。进入的空气被冷却加湿到饱和的出风温度。

Preparedby:23冷却塔—峰值负荷当压缩设备开始工作时，冷却塔的功能与蒸发冷却器将热传给喷淋水是一样的。机械制冷系统通过冷凝器排热。比如，当室外空气是100℉/65℉，冷却水进塔温度是95℉，合理的出口空气温度是89℉/85℉。为了完成这个过程，通过冷却塔的空气必须被加湿，从每磅干空气36GR增加到178GR。室外空气也会稍稍冷却，从100℉到89℉。在低于高峰负荷时，室外空气干球温度降低，室外空气温度稍微增加而不是降低。这些原理可应用于空调业。焓湿图的知识及其应用是经济有效地设计空调系统所必需的。Preparedby:24冷却塔—峰值负荷WETBULBTEMPERATURE85807570AIRENTERINGCOOLINGTOWER100/65°F36GRAINS/LB.656090178GRAINS/LB.WATERLEAVESTOWER95WATERENTERSTOWERCOOLINGTOWERAIRLEAVING89/85°FCooledHumidifiedPreparedby:25课程内容第一部分：冷却塔种类与结构第二部分：冷却塔性能第三部分：常见术语第四部分：冷却塔应用要点Preparedby:26冷却塔的术语计算冷却塔的换热：冷却塔的热负荷是冷水机组中的冷凝器排除的那部分热量。对于冷却塔，有一些常用的术语：GPM是冷却塔的流量Range为冷却塔进出水的温差500=8.33lb/galx60min/hr以上这些参数用来确定冷却塔的热交换量，具体计算如下：冷却塔的热交换量BTUH=GPMxRx500冷却塔运行湿球温度（WB）经过冷却塔的水接近空气的湿球温度。在选择冷却塔时，我们需要确定冷却塔能正常运行的最不利条件。这样，我们所关心的湿球温度就不是平均湿球温度MWB。选择冷却塔时，要用到“ASHRAE基本原理”第26章中，表格1的WB/MDB栏中0.4％的不保证湿球温度。冷幅：定义为冷却塔的出水温度和0.4%不保证湿球温度之差值。7F或是8F的冷幅是较为典型的。Preparedby:27冷却塔的术语热负荷（btu/h)=GPM×R×500－GPM＝通过塔的水流量－R＝温降＝（入口－出口）水温－500＝8.33/lb/gal×60min/hr空气湿球温度－冷却塔水温接近这个温度－利用ASHRAE资料查出－“ASHRAE基本原理”第26章第1条，WB/MDB栏，推荐0.4%的不保证湿球温度.－不保证时间（8760小时/年×0.4%＝35小时/年)－不要使用平均湿球温度MWB冷幅－离开冷却塔的水温与0.4％的不保证湿球温度的差值Preparedby:28冷却塔的术语 带有冷却塔的冷水机组循环中，冷却塔必须排除冷却器中冷凝产生的热量。冷凝产热（要除去全部的热量）等于蒸发器吸热加上压缩机的压缩热。制冷设备的效率影响冷却塔的散热量/每冷吨。让我们看下面两个例子：蒸发器制冷量＝12000Btu/h典型的压缩热范围大约1.2对于1.20冷却塔散热量＝12000*1.2＝14400Btu/h对于1.25冷却塔散热量＝1.25*12000＝15000Btu/h经典的数据，冷却回路中的水量为3.0GPM/每冷吨。来自于：GPM=(15000Buth)/(10*500)=3.0冷却塔温降为10F目前市场上大型制冷却设备的冷凝热/冷量比很少高于1.15的。所以，制冷设备效率越高，冷却塔的尺寸越小。Preparedby:29冷却塔的术语 冷却塔散热量－冷凝器放热＝蒸发器冷量＋压缩热－蒸发器冷量＝12000Btu/h－一般压缩热是20-25%左右－冷却塔散热量＝12000×1.2＝14400Btu/h－冷却塔散热量＝12000×1.25＝15000Btu/h更新的冷水机组是在1.15级的。较旧的冷水机组是在1.25级的。传统的冷凝器流量是每蒸发器冷吨3.0GPM。在15000Btu/h，和10F的温降范围，冷却塔循环流量是－GPM=(15000）/(10*500)=3.0（GPM/冷吨）Preparedby:30冷幅与温降冷幅冷却塔的尺寸和效率确定了冷幅。一般效率的大型冷却塔可提供接近空气的湿球温度的冷却水，而不象那些有很高效率的而稍小型的塔。两台同样效率的塔，运行时的填料和空气流量都成比例。下图说明，设基准塔尺寸为1.0，则尺寸增至2.0时冷幅将会从15F降到7F。在相同的湿球温度下，大型塔的出水更冷。而且，曲线是一条趋近于5F的渐近线。因此，制造商不会认可小于5F的冷幅。如果冷幅降低有何影响？温降再下页是温降对塔尺寸的影响，提高温降即减小尺寸。提高温降意味着塔的进水温度升高和GPM减少。Preparedby:31冷幅与冷却塔的型号180

140100601.41.21.00.8TowerSizeFactorRangeVariance-%BaseTower:10FRangeIncreasingrange,decreasingGPM,decreasestowersizeWhatimpactwouldthishaveonthechiller?200Preparedby:32影响冷却塔尺寸的因素因素冷却塔尺寸制冷机尺寸GPM减少降低增加冷幅减小增加降低温降减小增加 降低无论怎样使冷却塔型号变小，都将使制冷机的型号变大！！！设计者必须优化冷却塔和制冷机的组合。Preparedby:33课程内容第一部分：冷却塔种类与结构第二部分：冷却塔性能第三部分：常见术语第四部分：冷却塔应用要点Preparedby:34应用要点下面三页提供一些冷却塔的使用要点。关键是冷却塔运行时—就像冷水机组—需要恒定的水流量。塔的冷却能力受流经塔的气流影响。所以塔的位置应在室外新鲜空气流通的地方。象空气冷却设备一样，在低温环境中使用变速风机是有利的。最后，离开塔的水温为85F并非不可思议，它是室外湿球温度的函数。让它降低到冷水机组最低的工作范围。冷凝器的进水温度每降低1F，制冷设备的效率可提高1％到3％。Preparedby:35应用