冷却水塔免费制冷的应用

1、 如今, 空调与制冷系统应用在各行各业中, 夏季负荷侧通常需要7 冷冻水, 这一温度远远低于冷却水塔能够提供的水温32 , 因此就需要启动冷水机组制冷, 典型的压缩式制冷空调系统如图1。典型夏季工况的压缩式制冷空调系统中, 7 冷冻水经过空调末端设备热交换吸收负荷侧的热量后冷冻水温升至12 , 并在冷水机组蒸发器中将热量传递给制冷剂; 同时制冷剂受热气化后在压缩机中被做功压缩成高压高温气体后经过冷凝器与29 的冷却水进行热交换, 冷却水带走冷凝器中制冷剂热量后温升至35 , 最终在冷却水塔内将热量传给外界空气后形成温降。 图中, 冷却水流量为3加仑每分钟每冷顿( 0.182升每秒冷顿, 冷冻水

2、流量为2.4加仑每分钟每冷顿( 0.227升每秒冷顿。 值得注意的是, 冷却水流量和冷冻水流量之间的差别反映了冷却水与大气的换热量超过冷冻水在负荷侧吸收的热量, 这是因为压缩机的压缩做功工况产生的额外热量需要向外界传递; 所以冷却水塔必须带走125% 的负荷侧热量。图2表明了压缩式制冷空调系统中冷却水塔出水温度和外界湿球温度、 负荷之间的关系。 从图中可以清楚地看出, 随着室外环境湿球温度下降或者室内负荷下降, 冷却水塔出水温度也相应下降。 特别是过渡季节和冬季, 当室外环境湿球温度足够低的条件下, 冷却水塔出水温度可以满足空调系统的制冷需求; 也就是说在这个时期, 当空调系统配备有适当管路系

3、统, 空调末端设备就可以直接使用冷却水塔出水处理室内负荷, 而不必启动冷水机组压缩机, 节约了压缩机和冷冻水泵等的运行费用, 这就是所谓的冷却水塔免费制冷的概念。考虑到负荷实际情况和冷水温度要求, 从图2可以看出室外湿球温度必须小于10 , 冷却水塔免费制冷才能得到应用。 因此冷却水塔免费制冷的应用极大受制于外界环境条件。 在北纬地区, 年平均温度变化明显, 所以冷却水塔免费制冷的时间可能图1典型的压缩式制冷空调系统图2冷却水塔出水温度、 外界湿球温度、 负荷关系冷却水塔免费制冷的应用黄斌贝Shanghai Energy Conservation 33 占全年运行时间的75% 。 相反, 在低

4、纬度的南部气候条件下, 在湿球温度的限制下, 冷却水塔免费制冷的利用时间仅为全年运行时间的20% 。 同样室内负荷的变化也将影响冷却水塔免费制冷的利用, 图2中当室内负荷下降50% 时( 典型的过渡季节舒适性空调工况, 冷却水塔免费制冷模式下所利用的冷却水塔出水温度将高于全负荷工况下的冷却水塔出水温度10 ; 也就是说室内负荷越小, 冷却水塔免费制冷适用条件越宽。 从地理条件出发, 这一因素将使得冷却水塔免费制冷的全年使用时间上升500小时至2000小时。通常冷却水塔免费制冷模式分为两类: 直接免费制冷和间接免费制冷直接免费制冷直接免费制冷是最简单、 热效率最高的形式, 然而也是最不宜推广的形

5、式。 如图3所示: 直接免费制冷系统通过一个简单的旁通管路连接冷凝器和蒸发器水系统, 将冷却水塔和系统负荷衔接起来。 图中的虚线表明冷却水塔免费制冷冷却水运行线路。由于直接免费制冷两套水系统中未设置热交换器, 冷却水塔的性能直接影响室内负荷。 显然两套水系统循环水泵中的只有一套能够运行。 一般情况下, 往往使用冷却水泵组。 这样就确保了冷却水塔运行的扬程和流量, 维持在设计工况, 因此也保证了其运行效率。假设负荷维持不变, 冷却水塔出水温度为14 是可接受的, 此时12000BTU/hr/ton下的冷水温升为4 , 所以冷却水塔进水温度为18 。 分析图2, 可以发现在美国堪萨斯地区, 室内全

6、负荷条件下, 冷却水塔出水温度为14 的外界湿球温度为5 , 全年大约有3475小时能够提供冷却水塔免费制冷模式。 室内半负荷条件下, 冷却水塔出水温度为14 的外界湿球温度为9.5 , 全年大约有4570小时能够提供冷却水塔免费制冷模式。 该例说明了室内负荷与冷却水塔免费制冷适用条件之间的反比关系。不推广直接免费制冷的原因在于该运行模式将两套水汽系统直接混合, 等于将开放式水系统与闭式水系统连通, 掺混后水系统中水质问题会对运行造成影响, 所以应用直接免费制冷模式时, 必须安装特殊过滤装置防止水垢生成。间接免费制冷间接免费制冷系统通过安装简单的热交换器, 管路平行连接旁通冷水机组( 见图4,

7、 得以实现冷却水塔免费制冷而不受水系统水质问题影响。 鉴于水系统的较小温差和压力, 可以选用板式热交换器, 因为板式热交换器能够在小温差下正常热交换。 如图4, 全负荷工况免费制冷模式下, 负荷侧温差为10 , 冷却水塔侧温差为8 , 这是由于两套水系统间流量的差异造成的。 然而假设热交换器的传热温差2 , 则冷却水塔需要产生12 的冷却水, 才能保证负荷侧的14 的冷冻水。 在此情况下, 全负荷下, 冷却水塔免费制冷全年运行时间为2670小时; 半负荷下, 冷却水塔免费制冷全年运行时间为4025小时。如果选用更加昂贵的2华氏温度差的热交换器, 半负荷、 全负荷下冷却水塔免费制冷的运行时间将分

8、别增加275小时和400小时。 同时也应考虑热交换器的压降, 冷却水塔侧热交换器的压降不能高于冷凝器的压降, 否则冷却水塔的水流量将减少,图3直接免费制冷系统示意图34Shanghai Energy Conservation 效率高, 外形尺寸小, 初投资少; CO 2在低温下液体的粘性小, 流动阻力小, 泵的功耗小, 同时, 可以选用小管径的管路, 减少了连接管路的初投资。在较高的冷凝温度下, 可以利用热回收换热器, 加热水来回收冷凝器散发的热量, 加热的水用于沐浴或食品加工, 这不仅减少了对环境的热污染, 同时回收废热, 减少能量的消耗, 保护环境、 节约能源。 NH 3/CO2复叠式超市

9、制冷系统的能效提高, 减少了电力的消耗, 大大减少了温室气体的排放, 保护了环境。 3结论通过对NH 3/CO2复叠式超市制冷系统与R22和R404A 超市制冷系统的分析比较可以得出结论: NH 3/CO2复叠式超市制冷系统的性能高于R22和R404A 超市制冷系统的性能。NH 3/CO2复叠式超市制冷系统设备结构紧凑、 外形尺寸小, 初投资少; 利用热回收换热器, 加热的水用于沐浴或食品加工处理, 可以充分回收废热, 减少热污染。NH 3/CO2复叠式超市制冷系统, 不仅节约能源, 而且保护环境, 是很有发展前景的绿色环保制冷系统。 参考文献:2KitzmillerW.R.Advantage

10、sofC02-Ammonia system for low-temperature refrigerationJ.Power,1932(1:92-94.3PettersenAJ,Jakobsen A. A dry ice slurry systemforlowtemperaturerefrigerationA.International Symposium on Refrigeration in Sea Transport Today and in the Future C.Gdansk,Poland, 19944BAXTER V. Advances in supermarket refrig

11、eration systems A.7thInt Energy Agency Conf On Heat Pumping TechnologiesC.Beijing,2002.5Gerrit. NH3/CO2Supermarket Refrigeration System with CO2in the Cooling and Freezing Section. Technical, Energetic and Economical Issues, 2004.运行效率将下降。 所以, 选择热交换器应同时考虑压力和温度要求。相对于直接免费制冷, 间接免费制冷最显著的优点是运行中大量减少了冷水机组的清洁和维护内容。推广应用冷却水塔免费制冷的根本目的是利用冷却水塔延长空调系统运行时间, 在停用冷水机组压缩机情况下, 控制室内发热负荷, 减少运行成本。 因此在许多地区过渡季节和冬季, 如果当地水源条件允许情况下, 针对建筑内区发热负荷特点