制冷空调系统：冷却水与冷凝水管路优化设计

1、蒸发式冷却塔系统
蒸发式冷却塔是利用水的蒸发潜热 , 将循环冷却水冷却至接近湿球温度的换热设备。高温冷却水在塔体内与流动空气直接接触 , 一部分水蒸发吸热 , 带走水中的热量 , 从而使水温降低并在集水池回收利用 [1] 。其优点是换热效率高、冷却水温度低、设备投资省 ; 缺点是耗水量大、受环境湿球温度影响、水质易变坏、冬季易结冰 [2] 。因此 , 蒸发式冷却塔广泛应用于通风良好、湿球温度适宜的场合 , 如商业建筑、宾馆饭店等。  

蒸发式冷却塔按换热方式可分为逆流式、横流式和混合流式三种 [3] 。逆流式冷却塔的水流与气流逆向流动 , 塔体狭长 , 占地小 , 易形成气流短路 ; 横流式冷却塔的水流与气流正交 , 进风口设置于侧面 , 塔体矮胖 , 占地大 , 不易形成气流短路 ; 混合流式兼有逆流和横流的特点 , 水气流部分并流部分逆流 , 塔型介于两者之间。工程设计时应根据场地条件、进风方向等因素合理选择。

2、闭式冷却塔系统
闭式冷却塔是采用水 - 水换热的间接蒸发冷却设备。循环冷却水在盘管内流动 , 而喷淋水在塔体内与空气直接接触 , 通过铜管壁间接传热将冷却水冷却 [4] 。其优点是循环水不与空气接触 , 水质稳定不易污染 ; 水温波动小 , 接近环境干球温度 ; 无泵空化和结垢等问题。缺点是换热效率相对较低 , 冷却水温度较高 , 设备和运行费用高 [5] 。闭式冷却塔适用于洁净要求高、严寒和风沙地区 , 如电子厂房、石化装置等。  

闭式冷却塔常见的盘管形式有光管型、翅片管型和螺旋管型 [6] 。光管型传热系数较低 , 管束直径大 , 塔体尺寸大 ; 翅片管型传热面积大 , 传热系数高 , 但水阻较大 , 铜管加工困难 ; 螺旋管型换热效率高 , 布水均匀 , 但制造工艺复杂 , 成本较高。工程设计时 , 应兼顾传热性能和投资成本。  

3、干式冷却器系统
干式冷却器是利用空气对流换热原理 , 将循环冷却水冷却至接近环境干球温度的换热设备。冷却管分为若干排 , 冷却水在管内流动 , 空气在管外流动 , 通过铜管壁传热 [7] 。其优点是不耗水 , 运行费用低 ; 设备结构简单 , 不易结垢 ; 运行可靠 , 维护方便。缺点是换热效率低 , 冷却水温度较高 ; 受环境干球温度影响大 , 夏季制冷效果差 ; 散热风机功耗大 , 噪声高 [8] 。干式冷却器多用于资源匮乏、水价昂贵的地区 , 如偏远工厂、野外工地等。  

干式冷却器按管束形式可分为直列式、并列式和兼有直并列三种 [9] 。直列式冷却器的管束呈矩阵状 , 换热均匀 , 布置紧凑 , 但管程较长 , 水阻大 ; 并列式冷却器的管束并联 , 进出水口集中 , 布置灵活 , 但换热不均 , 效率较低 ; 直并列式兼具两者特点 , 布置相对灵活 , 换热效果适中。设计时 , 应根据场地条件、负荷特性等因素权衡。

1、系统水力计算
冷却水系统的水力计算是确定管路布置、水泵选型、运行工况的基础。其核心是根据设计流量和管路阻力 , 计算系统所需的扬程和功率 [10] 。计算步骤如下 :  

(1) 根据冷水机组的制冷量和冷凝器进出水温差 , 确定冷却水设计流量 ;  

(2) 根据流量、流速经验值 , 初选冷却水管道直径 ;  

(3) 估算管道长度 , 查阻力手册 , 计算管道沿程阻力和局部阻力 ;  

(4) 计算塔体进出口阻力、水处理装置阻力、冷凝器水阻等 ;  

(5) 计算管道高程差 , 得出系统总扬程 ;  

(6) 根据扬程、流量、效率 , 计算水泵功率 , 并选择水泵型号 ;  

(7) 校核管道流速 , 优化管径 , 必要时返回步骤 (2) 重新计算。  

需要注意的是 , 管道流速宜控制在 1.0~2.5m/s, 过低则管径过大 , 占空间 ; 过高则噪声大 , 水锤严重 [11] 。水泵扬程宜留有 10% 的裕量 , 效率不宜低于 75% 。  

2、关键设备选型
冷却塔和冷却水泵是冷却水系统的关键设备 , 其选型应考虑以下因素 :  

(1) 冷却塔 : 应根据设计冷负荷 , 结合当地空气参数 , 优选填料和布水装置 , 确定塔体尺寸和风机功率 , 兼顾传热性能和运行费用 [12] 。对于蒸发式冷却塔 , 还应核算补水量和排污量 , 并设置溢流和排污管。  

(2) 冷却水泵 : 一般选用单级双吸离心泵 , 应满足系统流量和扬程要求 , 并与水泵性能曲线相匹配 [13] 。泵的材质应根据水质情况选用 , 如普通水质选铸铁 , 腐蚀性水质选不锈钢等。泵的备用数量视负荷重要性而定 , 一般设置一用一备。  

对于闭式冷却塔和干式冷却器 , 还应重点关注铜管材质、壁厚、换热面积等参数对传热效率和水阻的影响。

3、管路系统布置
冷却水管路应力求简洁、紧凑 , 减少弯头、阀门等附件 , 降低投资和运行费用。管路布置应遵循以下原则 :  

(1) 冷却塔宜靠近主机房布置 , 减小管路长度 ; 当回水管较长时 , 应采取坡度敷设 , 便于排空和坡度流动 [14] 。  

(2) 应合理划分冷却水支管系统 , 做到各支路用水均衡 , 局部阻力配置合理 [15] 。当高差较大时 , 可设置减压孔板或平衡管。  

(3) 合理设置截止阀、调节阀、止回阀、排气阀等附件 , 便于调节水量、倒空管道、防止倒流、排除空气等 [16] 。  

(4) 露天管道应做好保温 , 采取电伴热等防冻措施 ; 地下管道应防潮 , 内防腐蚀外防水 [17] 。  

(5) 噪声较大的设备如水泵 , 应设减振基础 , 采取隔音、消声等降噪措施 [18] 。  

4、水质处理措施
冷却水水质的控制与处理 , 是保证系统高效运行、延长设备寿命的关键。蒸发式冷却塔水质处理应把握以下要点 :  

(1) 补水水质 : 补水水质应优于循环水质 , 一般采用市政自来水。当采用地表水、井水等其他水源时 , 应进行预处理 [19] 。  

(2) 水质标准 : 循环冷却水的水质标准因行业而异 , 一般硬度应低于 450ppm,pH 值宜控制在 6.5~8.5, 电导率应低于 1000μs/cm[20] 。  

(3) 水质监测 : 应定期检测循环水的 pH 值、硬度、电导率、浊度、菌落总数等指标 , 发现异常及时调整 [21] 。  

(4) 水处理方法 : 常用的水处理方法有加药、旁滤、排污等。加药是在系统中投加阻垢剂、杀菌灭藻剂等药剂 ; 旁滤是采用机械过滤器去除悬浮物和泥沙 ; 排污是定期排放一部分浓缩水 , 补充新鲜水 [22] 。  

闭式冷却塔和干式冷却器水侧一般采用软化水 , 也应定期检测水质 , 必要时进行药物杀菌和清洗除垢。

5、节能控制策略
冷却水系统的运行费用主要来自冷却塔风机和水泵 , 因此节能控制的重点是优化塔水温度和流量。主要策略包括 :  

(1) 温度控制 : 在满足冷水机组运行的前提下 , 适当提高冷却水供水温度 , 可减小冷却塔的热负荷 , 降低风机功耗 [23] 。可采用变频控制等方式调节风机转速。  

(2) 流量控制 : 根据负荷变化 , 采用变流量控制冷却水流量 , 减小输配功耗。可采用变频调速、水泵切换等方式实现 [24] 。  

(3) 分区控制 : 对于多台冷水机组或分区供冷的系统 , 可根据各区域负荷情况 , 分别控制相应的冷却塔和水泵 , 实现分区独立运行 [25] 。  

(4) 定时控制 : 对于非 24 小时运行的系统 , 可采取定时启停控制 , 减少非工作时间的能耗浪费 [26] 。  

(5) 余热利用 : 冬季可利用冷却水余热 , 对其它房间或生活热水进行预热 , 提高能源综合利用效率 [27] 。

1、倒 U 型封存器的设计
倒 U 型封存器是冷凝水管路的核心部件 , 其作用是阻止空调机组停机时 , 冷凝水倒流回风管。设计要点包括 :  

(1) 封存器容积 : 应根据空调机组的制冷量和风管静压 , 计算冷凝水最大存水量 , 并选择容积略大的封存器 [28] 。一般容积宜大于 5L 。  

(2) 高度差 : 进水管与出水管的高度差 , 即封存器的封存高度 , 应大于风管最大正压与最大负压之和 [29] 。常取 200~400mm 。  

(3) 存水弯管径 : 存水弯管的公称直径应与连接管径相同 , 一般 DN25~DN40, 过大会增加阻力 , 过小易堵塞 [30] 。  

(4) 存水弯位置 : 存水弯应设置在空调机组冷凝水盘以下 , 最低点高于疏水管 200mm 以上 , 以防止虹吸现象 [31] 。

2、冷凝水管道设计
冷凝水管道的设计应综合考虑排水速度、管阻力、施工难易等因素。一般应遵循以下原则 :  

(1) 管径选择 : 冷凝水管径应满足排水流量要求 , 并控制水流速度在 0.6~1.2m/s[32] 。过大会增加投资 , 过小易堵塞。  

(2) 坡度设置 : 水平敷设的冷凝水管道坡度宜为 1%~2%, 立管应垂直安装 [33] 。坡度过小不利排水 , 过大占空间。  

(3) 弯头设计 : 冷凝水管道应少用弯头 , 必要时宜采用大半径弯头或 45° 弯头 [34] 。 90° 弯头易堵塞。  

(4) 清扫口 : 在管道转弯、拐角等处应设置清扫口 , 并留出足够检修空间 [35] 。  

(5) 防堵措施 : 宜在冷凝水盘排水口设置集水槽 , 槽内装滤网 , 以拦截杂物 [36] 。对于易产生油污的场所 , 还应考虑设置隔油设施。  

3、关键附件选用
为保证冷凝水管路安全可靠运行 , 还应合理选用以下关键附件 :  

(1) 真空破坏器 : 在冷凝水盘与封存器之间设置真空破坏器 , 以防止负压吸空水封 [37] 。常采用虹吸式或膜片式。  

(2) 定压膨胀罐 : 在冷凝立管上设置定压膨胀罐 , 利用空气弹性调节管内压力 , 以适应空调系统启停 [38] 。罐体容积宜为管道容积的 30%~50% 。  

(3) 疏水阀 : 在水平管道低点和立管底部设置疏水阀 , 及时排除冷凝水 [39] 。常采用浮球式或热静力式。  

(4) 止回阀 : 在泵后设置止回阀 , 防止泵停时冷凝水倒流 [40] 。  

(5) 过滤器 : 在泵前设置过滤器 , 防止冷凝水杂质进入泵内 [41] 。

冷却水系统与冷凝水管路是互为条件、互相影响的 , 设计时应综合考虑 , 优化匹配。以某办公楼的空调工程为例 :  

该工程采用螺杆式冷水机组 , 制冷量为 2 台 ×1200kW 。冷却水系统采用蒸发式冷却塔 , 设计干球温度 35℃, 湿球温度 28℃, 冷却塔出水温度 32℃, 进水温度 37℃, 冷却水流量 190m3/h 。空调机组采用卧式暗装型 , 风管最大正压 500Pa, 最大负压 -300Pa, 冷凝水最大流量为 2m3/h 。

1、针对该工程 , 在设计冷却水系统时 , 应重点把握以下环节 :  

(1) 根据冷水机组的冷却水量和温差 , 计算选择合适的冷却塔型号 , 宜选用逆流式或横流式 ;  

(2) 根据冷却水管道的敷设长度和当地水质情况 , 选择合适的管材 , 如普通区域采用镀锌钢管 , 腐蚀区域采用不锈钢管 ;  

(3) 合理设置冷却水支路 , 并匹配调节阀 , 以平衡各支路水量 ; 在远离主机房的回水支管 , 应考虑加大管径或设置平衡管 ;  

(4) 根据冷却塔的进风方向 , 优化塔体布置 , 避免噪声扰民 ; 考虑利用屋顶空间 , 减小占地 ;  

(5) 在冷却水管道的适当位置设置放空阀、排污阀等 , 并做好管道保温 , 以便于系统调试和检修。  

2、在设计冷凝水管路时 , 应把握以下要点 :  

(1) 根据空调机组的制冷量和风管压力 , 计算冷凝水最大存量 , 并选择容积合适的倒 U 型存水弯 , 高度差应大于 800mm;  

(2) 合理选择冷凝水管径 , 竖向排水立管宜采用 DN40, 卧式暗装机组可采用 DN25, 并控制管内水速不超过 1.0m/s;  

(3) 在最不利点设置真空破坏器 , 选用 DN25 虹吸式 ; 在泵后设置 DN40 浮球式疏水阀和止回阀 , 以保证排水顺畅 ;  

(4) 在冷凝水管道转弯、拐角处设置清扫口 , 并预留 200mm×200mm 的检修口 , 以便清理 ;  

(5) 选用容积为 100L 的定压罐 , 连接在冷凝立管顶部 , 缓冲水锤 ; 在水泵入口前设置 DN50 的 Y 型过滤器。  

3、在系统调试和运行阶段 , 还应注意以下优化措施 :  

(1) 根据冷水机组的实际运行工况 , 优化冷却水温度和流量设定值 , 在满足冷却需求的同时尽量降低冷却塔风机和水泵的能耗 ;  

(2) 加强水质监测和处理 , 控制水质参数在合理范围内 , 减少水垢和腐蚀对设备的危害 ; 定期清洗冷却塔填料和散热盘管 ;  

(3) 利用智能控制系统 , 根据负荷变化优化冷却水系统的启停和调节 ; 针对不同季节 , 合理调整运行方式和参数 ;  

(4) 做好管路和设备的日常维护 , 定期巡检 , 及时排除故障隐患 ; 加强管道保温和防腐 , 延长使用寿命。  

总之 , 冷却水系统与冷凝水管路的设计应坚持安全、节能、经济、环保的原则 , 从全局出发 , 兼顾各方面因素 , 力求实现最优化。这就要求制冷工程师不仅要掌握专业理论知识 , 还要积累丰富的实践经验 , 善于创新 , 勇于优化 , 以期达到事半功倍的效果。