矿井降温论文——冷却塔供冷技术

中国矿业大学

2016级硕士研究生课程考试试卷

考试科目矿井降温

考试时间2017.06

学生姓名周桂平

学号TS16120099P3TM

所在院系安全工程学院

任课教师菅从光

中国矿业大学研究生院培养管理处印制

冷却塔供冷技术

摘要：本文先通过对冷却塔的基本工作原理、分类及组成等基础知识进行了介绍，从而进一步对冷却塔供冷系统的原理、系统形式及其经济性影响因素进行说明，并展望了这一技术在中国的应用前景。

关键词：冷却塔；冷却塔供冷；直接供冷；间接供冷；

Abstract:This article first through the basic knowledge about the basic principle, classification and composition of cooling tower are introduced and the principle, system factors and economic impact so as to form for further cooling system for cooling tower is described, and the application prospect of this technology in the China.

Keywords:Cooling tower；Cooling tower system;Direct cooling；Indirect cooling；

一、引言

水是人类生存与发展的生命线，是国民经济与生态环境的命脉，是实现可持续发展的重要物质基础。我国是一个淡水资源严重缺乏的国家，总贮量居世界第五位。人均拥有量为美国的5/1，日本的2/1，世界人均的4/1，而且分布很不平衡，不少城市和地区发生过水荒。由于工业高速发展，一方面大量消耗淡水，一方面又大量排放废水，不仅破坏了生态平衡而且污染了环境。城市是用水大户，占到总用水量的%

%

70，工业企业又是城市的用水大户，占了城市用水量的

~

80

80

~

%

70，而工业用水中又有%

70为冷却用水，可以循环冷却重复使用，%

%

80

~

所以采用循环冷却水系统是节约用水措施的重中之重。而冷却塔正是冷却循环水系统中的关键设备。

在20世纪80年代，美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）就提出了“water-side free cooling”水侧免费供冷，即冷却塔供冷的概念。随后美国和欧洲大批学者对冷却塔供冷开展了大量的研究，并投入到实际工程应用中。到了90年代，该项技术在美国及欧洲地区工程应用已经十分广发。我国从90年代初引入了冷却塔供冷的概念，其后针对这一技术从系统原理、模拟与预测分析、系统能耗分析以及工程应用等多方面开展了大量的研究。尤其在21世纪的前十年中，这一技术更是取得了突飞猛进的进展，相关业界对冷却塔供冷技术的研究与应用

已经有了相当成熟的理论和经验，工程实践也证明了冷却塔供冷系统的节能潜力。

目前，国内新建和已经建成的开敞式现代办公楼中的空调方式多采用风机盘管加新风系统。这些建筑物的内区往往要求空调系统全年供冷，而在过渡季或冬季，当室外空气焓值低于室内空气设计焓值时又无法利用加大新风量来进行免费供冷。对此，应该利用冷却塔供冷技术，通过水系统来利用自然冷源。当室外空气湿球温度低到某个值以下时，关闭冷水机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，提供建筑空调所需要的冷负荷。在空调系统中，冷水机组的能耗有极高的比例，如用冷却塔供冷技术可少开或不开冷水机组，其节能效果将会是显著的。

二、冷却塔供冷的原理

冷却塔是利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去工业上或制冷空调中产生的废热的一种设备。基本原理是：干燥（低焓值）的空气经过风机的抽动后，自进风网处进入冷却塔内，饱和蒸汽分压力大的高温水分子向压力低的空气流动，湿热（高焓值）的水自播水系统洒入塔内。当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸汽表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，带走蒸发潜热，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的。

冷却塔的工作过程。以圆形逆流式冷却塔的工作过程为例：热水自主机房通过水泵以一定的压力经过管道、横喉、曲喉、中心喉将循环水压至冷却塔的播水系统内，通过播水管上的小孔将水均匀地播洒在填料上面；干燥的低晗值的空气在风机的作用下由底部入风网进入塔内，热水流经填料表面时形成水膜和空气进行热交换，高湿度高晗值的热风从顶部抽出，冷却水滴入底盆内，经出水管流入主机。一般情况下，进入塔内的空气是干燥低焓值的空气，水和空气之间明显存在着水分子的浓度差和动能压力差，当风机运行时，在塔内静压的作用下，水分子不断地向空气中蒸发，成为水蒸汽分子，剩余的水分子的平均动能便会降低，从而使循环水的温度下降。从以上分析可以看出，蒸发降温与空气的温度（通常说的干球温度）低于或高于水温无关，只要水分子能不断地向空气中蒸发，水温就会降低。但是，水向空气中的蒸发不会无休止地进行下去。当与水接触的空气不饱和时，水分子不断地向空气中蒸发，但当水气接触面上的空气达到饱和时，水分子就蒸发不出去，而是处于一种动平衡状态。蒸发出去的水分子数量等于从空气中返回到水中的水分子的数量，水温保持不变。由此可以看出，与水接触的空气越干燥，蒸发就越容易进行，水温就越容易降。

三、冷却塔的分类及基本组成

3.1 冷却塔分类

冷却塔分类见表1。

3.2 冷却塔组成

（1）淋水填料

将需要冷却的水（热水）多次溅洒成水滴或形成水膜，以增加水和空气的接触面积和时间，促进水和空气的热交换。

水的冷却过程主要在淋水填料中进行。

（2）配水系统

将热水均匀分布到整个淋水填料上，热水分布均匀与否，对冷却效果影响很大。如水量分配不均匀，不仅直接降低冷却效果，也会造成部分冷却水滴飞溅而飘逸到塔外。

（3）通风设备

在机械通风冷却塔中利用通风机产生预计的空气流量，以保证要求的冷却效果。

（4）空气分配装置

利用进风口、百叶窗和导风板等装置，引导空气均匀分布于冷却塔整个截面上。

（5）通风筒

通风筒的作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，并将排出冷却塔

的湿热空气送往高空减少湿热空气回流。

机械通风冷却塔的通风筒又称风筒。风筒式自然通风冷却塔的通风筒起通风和将湿热空气送往高空的作用。

（6）除水器

将排出湿热空气中所携带的水滴与空气分离，减少逸出水量损失和对周围环境的影响。

（7）塔体

冷却塔的外部围护结构，机械通风冷却塔和风筒式自然通风冷却塔的塔体是封闭的，起到支撑、维护和组织合适气流的功能；开放式冷却塔的塔体沿塔高做成开敞的，以便自然风进入塔体。

（8）集水池

设于冷却塔下部，汇集淋水填料落下的冷却水，有时集水池还具有一定的储备容积，起调节流量作用。

（9）输水系统

进水管将热水送到配水系统，进水管上设置阀门，以调节冷却塔的进水量，出水管将冷却后的水送往用水设备或循环水泵。在集水池还装设补充水管、排污管、溢流管、放空管等，必要时还可在多台冷却塔之间设连通管。

（10）其他设备

包括检修门、检修梯、走道、照明、电气控制、避雷装置以及必要时设置的飞行障碍标志等，有时为了测试需要还设置冷却塔测试部件。

上述各种部件的不同组合，构成各种形式和用途的冷却塔：开放点滴式冷却塔、风筒式自然通风冷却塔、抽风（或鼓风）逆流式冷却塔、抽风横流式冷却塔等。

图1 冷却塔简图

四、冷却塔供冷系统

冷却塔供冷按冷却水是否直接进入空调末端设备来划分可分为:冷却塔直接

供冷系统和冷却塔间接供冷系统。

4.1 冷却塔直接供冷系统

冷却塔直接供冷系统是一种通过旁通管道将冷水环路和冷却水环路连在一起的系统。在夏季,系统在常规空调水系统条件下工作,在过渡季和冬季,当室外湿球温度下降到某个值时,就可以通过阀门打开旁通,同时关闭制冷机,转入冷却塔供冷模式。

直接供冷系统的主要特点是：系统形式较简单，没有中间换热过程，因此在相同室外气象条件下可利用的冷水温度较间接式系统低；开式系统的冷却水易受大气污染，在进入冷水系统后会造成系统内腐蚀或结垢，从而缩短系统使用寿命，影响系统运行的稳定性，因此此系统需要采用专门的水处理设备；直接供冷时整个空调水系统管路发生较大变化，需校核水泵性能是否匹配。图2为冷却塔直接供冷系统图。

图2 冷却塔直接供冷系统图

4.2 冷却塔间接供冷系统

冷却塔间接供冷系统是装设一个板式换热器,将冷却水环路和冷水环路隔开,使之相互独立,不直接接触,能量传递依靠板式换热器来进行。图中实线即为系统在冷却塔供冷状态运行时的流程示意。这种方式的特点是冷水不受冷却水的污染,但与冷却塔直接供冷相比,存在中间换热损失,效率有所将低。

间接式系统的主要特点是：冷却水环路与冷水环路相互独立，保证了冷水管路的卫生条件；因为存在一个换热过程，与直接式供冷系统相比，若达到同样的供冷效果，要求冷却水温度更低一些，一般相差C

~

1；增加了换热设备和较

2

多管道，系统形式相对复杂；由于冷凝器与换热器一次侧，因此需要对冷却水泵和冷水泵均进行校核。目前正规的空调工程中，为保障系统运行的可靠性，多选择间接式供冷系统。图3为冷却塔间接供冷系统图。

图3 冷却塔间接供冷系统图

五、影响冷却塔供冷系统经济性的主要因素

提高系统经济性，换句话说就是通过对空调水系统的设计和优化，最大限度地利用冷却塔供冷，增加冷却塔供冷时数。影响冷却塔供冷系统经济性的因素主要有以下几点。

5.1 系统的供冷温度

选择合理的冷却水供水温度,既可以满足室内冷负荷的要求,又能最大限度地增加冷却塔供冷时间,从而降低运行费用,达到节能效果。

5.2 系统设备选择

在一定的室外湿球温度和建筑负荷条件下,冷却塔填料尺寸越大,其出口水温越低,因此,合理选择冷却塔可以最大限度地增加供冷时数。如果条件允许,可以串联多台冷却塔来增加冷却效果,从而增加供冷时数。

5.3 地理气候条件

我国地域辽阔,由于北方地区低于给定湿球温度的时数多于南方地区,所以,北方地区采用冷却塔供冷有更好的节能效果。根据不同地区的气候特点,选择尽可能高的冷却塔供冷切换温度,最大限度地增加冷却塔供冷时间,从而增加节能潜力。

5.4 建筑负荷特点

对于带有内区的办公大楼、大型实验室以及具有高显热的大中型计算机房,一般都有全年稳定的冷负荷,在冬季和过渡季节,利用冷却塔供冷会节省大量的运行费用,因此有广阔的应用前景。

六、结语

冷却塔供冷技术在我国发展很快，我国的大部分地区，特别是严寒地区，在

过渡季节采用冷却塔供冷技术不但可以满足空调舒适度的要求，还可以减少冷冻机的运行时间和降低供冷费用，具有明显的经济效益。因此，在能源供应日益紧张的情况下，冷却塔供冷技术具有很好的应用前景。

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