优化冷却塔布水结构提高冷却塔热湿交换效率

谢厚春，陈延凡，孙世华

（安徽中烟工业有限责任公司合肥卷烟厂，安徽合肥 230601）

0 引言

对大中型空调系统而言，水冷式冷水机组是采用得最为普遍的冷源。据统计，冷水机组的能耗占到整个中央空调系统能耗的30%以上。作为整个制冷机组节能计划的一部分，冷却塔换热效率的高低对冷水机组和冷却塔综合能耗的下降有着积极意义。冷却水温与冷水机组主机及冷却塔能耗之间是相互影响的关系：对于机械式冷却塔来说，风扇转速越高、冷却水的温度就会越低，此时冷却塔的耗电越多；可是对于主机来说，在一定温度范围内，冷却水温度越低、主机耗电越少。反之，冷却塔转速越低，冷却水的温度越高，这样冷却塔的耗电越少。但对于主机来说，由于进入冷凝器的水温升高，相应的主机耗电会增加。

从合肥卷烟厂冷水机组的运行情况来看，夏季开启冷水系统制冷除湿时，冷冻水进回水温差始终保持在3℃左右，说明末端空调冷负荷基本上处于恒定状态。但是，实际上冷水机组90%都是在非设计工况下运行的，电流负载率都达到了96%。而影响此状态的主要因素是室外湿球温度的高低变化和冷却塔自身热湿交换的效率高低，直接导致冷却水回水温度偏离了制冷机组最佳运行的冷凝温度。

1 现状调研与分析

每年的6月～9月，是江淮地区高温高湿环境期。在这一期间，卷烟工业的制冷空调系统都运行在制冷去湿再热工况下，即：被处理的车间空气被表冷器降温至露点温度，析出冷凝水后再进入蒸汽加热段，升温至合理送风温湿度。这样既消耗制冷量又多消耗蒸汽再热量，但这是恒温恒湿空调系统无法避免的夏季处理工况。每当该工况运行时，虽然制冷系统冷却水系统均处于满负荷运转，但依然未达到理想的冷却效果。于是，从冷却水系统运行能力调研制冷去湿再热工况下是否满足运行需求。从现场调查现状来看，冷却塔的换热效率未能充分发挥是直接导致冷却塔自身能源浪费和影响冷水机组能耗的主要原因。而导致冷却塔热湿交换效果差的直接原因在于塔顶布水的严重不均匀（如管道阻力、管道出口布局、塔顶布水板结构等因素），现场检查发现每组冷却塔中的水与填料的实际接触面平均不到40%（图1）。

图1 冷却塔有效利用率不到40%

实际运行实验证明，只要保证每组冷却塔都能充分进行热湿交换，一般情况下可以减少3组冷却塔（共6组冷却塔）开启，这样直观上可以降低冷却塔30%～50%电耗。为了达到预期目标，首先想到的是进行人工调节阀门，使得每组冷却塔的进水流量达到一致。根据合肥卷烟厂动力车间冷水机组的配置情况（3组冷水机组对应6组冷却塔），分别从运行1组冷水机组逐步至全部运行3组冷水机组进行水流量调节。

经过一周时间的调节运行，得出如下结论：当3组机组满负荷运行时，打开6组冷却塔的塔顶布水结构观察，虽然有所改善，但依然不能保证水量的均匀布置，甚至出现部分塔顶溢流状况，说明随着总水流量大小的变化，进入每组塔顶的水流量也在变化。同时，由于塔顶布水结构中间肋板的间隔作用，水流不能达到其他布水区域（图1），所以需要进一步考虑解决方案：主要从换热效果上来解决。从水滴与空气交换情况来看，影响水滴散热的主要因素是空气的湿球温度（不能人为改变）及水滴的尺寸大小，湿球温度低和水滴直径尺寸小均能明显地增加热湿交换效果。

2 现场测量与设计方案

现场根据进水的水流、水量大小情况，设计折流挡板，使水流均匀地分布到每个布水槽内（图2）。这样不但能保证从每个布水槽内布水孔下落的水量均匀，而且增大了水与填料的接触面积（从40%提高至100%），从而使水滴尺寸也更细小均匀，热湿交换效果明显提高（图3）。

3 效果验证与节能意义

图2 现场测量设计

经过反复试验调整，最终确定了导流槽设计尺寸，6组冷却塔共计24组布水结构加装导流槽，使水流均匀分布，增大热交换面积，冷却效果大大提高，节能成果非常显著：项目实施前1台制冷机，6组冷却塔全部满负荷运行；项目实施后，2台机组运行，只需3组冷却塔满足运行。充分提高了冷却塔自身换热效率，减少了3～4组冷却塔的开机运行，即减少202 kW电机运行，按实际供冷季节5个月计算冷却塔自身能耗下降可节约363 600 kW·h电量。

图3 改造后效果明显

同时，通过本次的技术理论与数据分析为指导、现场检查验证，解决了设备系统实际问题并且效果显著，不但鼓舞了相关技术人员的改革创新的信心，也提高了他们分析问题、解决问题的能力。