【美国JMP学习课堂】冷却塔和冷却器设计二

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第七部分：分段冷却塔和冷却器

是否要确保您设计的系统中的冷却塔能够按预期运行？如果您是设计工程师，你有责任概述您设计的冷却塔系统的分期序列。您是唯一拥有有关这些特定塔的专业知识和知识的人，可以正确完成工作。

在控制承包商或控制供应商对系统进行编程之前，他或她需要从您那里获得可接受的操作顺序列表，以概述每个设备在每个阶段将要执行的操作。

您如何制定这样的清单？让我们来看一个使用图1所示系统的设计细节的示例。

图1

在这里，我们有（3）500吨冷却塔，每个冷却塔的设计流量为1500 GPM。因为您是设计工程师，所以您会偶然发现，您明智地选择了这些冷却塔，以实现50％的量程比或750 GPM的最小流量。冷却塔包括堰坝，因此即使在这些低流量条件下，您也能免受干燥空气疾病的侵扰。（如果前两个句子中的任何一个使您感到困惑，请参阅第5部分：保持最小和最大流量）。请记住，创建过渡顺序的责任之一是确保来自冷却器的流量在可接受的范围内分布在各个冷却塔之间。在这种情况下，我们的总流量范围可以从900 GPM（由最小的冷却器决定）一直到3900 GPM（1500 GPM + 1500 GPM + 900 GPM）。

让我们从需求最少的冬季条件开始，我们只需要运行最小的冷水机组即可。请注意，在图1中，我们指示在此阶段，我们已将300吨冷水机和Pump 1一起启动，而其他两个500吨冷水机和相关的泵已关闭。我们还指出了900 GPM的流量，这远远高于我们最低的750 GPM冷却塔流量。最后，我们注意到两个1号塔的阀都是打开的，而其他1个塔的阀则保持关闭。

这代表了我们冷凝器水回路的最低运行条件。从这里开始，我们增加了每一个额外的容量阶段，接下来是冷却器2的运行，冷却塔1和2之间的流量分配各为750 GPM。（在此特定条件下运行单个冷却塔也是可以接受的，但是通常在750 GPM下运行两个冷却塔要比在1500 GPM下运行一个冷却塔效率更高）。

图1

从最低流量/需求状态一直到最高流量/需求状态，我们将继续研究所有可能的运行方案，这三个冷却器和冷却塔的总流量为3900 GPM，制冷量为1300吨。请注意，在此峰值需求条件下，我们仍略低于每个冷却塔的总流量，因此不存在设备溢出的危险。

一旦完成了冷水机和冷却塔的可能操作顺序列表，您就将其交给控制承包商或供应商，他或她将制定如下流程图：

当然，这是他们（不是您！）将为最终用户执行的编程的直观表示。但是，它们将基于您工程师所指定的排序阶段，因为您知道冷却塔的最小和最大流量条件，而他们不知道。

第八部分：泵吸入和排放管道

正确管道输送冷却塔/冷凝器水泵的吸入和排出至关重要。如果安装不当，则可能会发生一些相当灾难性的事件。

从吸入管道开始，重要的是要采取预防措施，避免形成气穴，这会在很短的时间内损坏泵。请记住，冷却塔的水充满了空气，因此管道中的空气是给定的。您只需要确保避免塔架与泵吸入口之间的压力突然下降，郭鹏学暖通否则空气可能会从水中“弹出”，进入泵内并损坏泵轴。取决于水温的另一个潜在问题是，如果压降过大以至于在进入泵时一定量的水闪蒸成蒸汽，则可能会发生气穴现象。

以下是吸水管道的一些最佳实践：

确保偏心配件位于吸入管道的顶部，以使管道的顶部平坦。偏心配件用于上游位置的管道直径大于下游配件的情况。偏心配件（也称为偏心减压器）安装在泵的吸入侧，以确保空气不会积聚在管道中。图1和2显示了偏心配件的“推荐”和“不推荐”安装。

尽量使吸管保持笔直且不受约束。阀门，过滤器和配件最好位于泵的排放侧。理想情况下，塔与吸气法兰之间的压降不应超过5英尺。请记住，水中的任何压力下降都会导致夹带的空气冒出气泡。

请注意，偶尔会在泵的吸入口处产生轻微的负压。这最有可能在首次打开泵时发生，并且是由于冷却塔和泵之间的管路中的瞬时压力小下降所致。一或两个psi的负压是很常见的，通常不是问题。请记住，如果压降足够大且水温足够高，则水可能会沸腾，这意味着泵会发生气穴现象。

在泵吸入口上安装复合压力表！如果仪表只测量正压力，您如何知道是否有负压力？零读数只有在使用复合表时才可以信任！

在排放方面，主要的问题是确保在关闭泵的情况下，不会使水塔注水。避免塔水浸的最佳方法是安装一个水管，以将所有水收集在冷凝器侧。适当长度的水路段将仅允许最小量的水滴入塔中。（图3）。

图3

以下是排放管道的一些最佳做法：

将任何水平管道放在泵的排放侧，低于溢流高度。如果无法做到这一点，请确保安装水管，以防止排水进入冷却塔。

在泵的出口处安装一个非止回阀，以防止任何回流。

根据ASHRAE 90.1-2010设计表确定泵的排放管道尺寸。请记住，ASHRAE现在为冷却塔/冷凝器水系统分配了最大管道尺寸。

在确定泵的尺寸时，请在管道上包括结垢因素。诸如冷却塔之类的开放式系统会变脏，因此一定程度的压降会随着时间的流逝而发生。通常可接受5到10英尺的安全系数。

第九部分：控制浓度循环

成功的冷却塔操作和性能涉及以下两个方面的微妙平衡：（1）防止水中溶解的固体（例如钙，镁，氯和二氧化硅）引起过多的水垢和/或腐蚀；（2）节省化妆水水。连续稀释冷却塔水并补充大量补充水只是为了保持矿物质的比例降低，这是昂贵，低效且对环境不负责任的。但是，您如何确定需要多少补充水以将矿物质保持在可承受的范围内？

了解集中的周期

关键是控制冷却塔的浓缩周期。术语“浓缩循环”仅是循环冷却塔的固体含量与原始原始补充水的固体含量之间的比较。因此，如果循环水的固体浓度是补充水的四倍，则浓缩循环为4。

记录下来，大多数冷却塔在高达4或6个浓缩周期内都可以正常运行，这意味着它们可以以原始补充水中溶解固体量的4到6倍成功运行。但是，这将取决于其他一些变量，包括您所在区域的水质以及您选择的化学处理方案。

节约冷却塔水

工程师或工厂经理必须指定所需的浓缩周期，并相应地控制冷却塔的排污（放空）。排空或排出是从冷却设备中排出的水，目的是去除过多的矿物质。出血过多，您浪费了水；渗出太少，会导致水垢和/或腐蚀。

建议通过实际测量水中固体浓度的系统自动控制排放量，尽管并非总是如此。手动放气非常普遍，但随着对缺水问题的担忧在美国各地不断增加，最有可能将其淘汰。在某种程度上，郭鹏学暖通建筑法规已经规定了冷却塔的用水量，并且该规定还在不断增加。高性能绿色建筑设计标准189.1 – 2009，陆军工程兵团以及许多其他新建建筑已经采用了该标准，其中包括冷却塔的以下节水要求：

冷却塔必须根据标准中列出的特定阈值配备补给和排污表，电导率控制器和溢出警报。

冷却塔还必须配备高效的除水器，以将漂移减少到最大流量为逆流塔的再循环水量的0.002％和横流塔的0.005％。

从空调冷却塔排出的水必须根据水的硬度加以限制。对于总硬度小于200 ppm（碳酸钙）的补充用水，至少需要五个浓缩循环。总硬度超过200 ppm的补充用水至少需要进行3.5个浓缩循环。唯一的例外是水超过1500 mg的溶解固体或150 pp的二氧化硅。

还应注意，此标准中还有其他强制性规定，涉及冷却系统其他地方的用水效率。这里值得一提的此类规定是要求从容量大于65,000 Bth / h（19kW）的空调装置中回收冷凝水，以供再次使用。您可能会注意到，这不是一个特别大的冷却系统-仅5吨。空气处理器冷凝水是回收冷却塔补充水的好选择，因为冷凝水的矿物质含量低，并且在冷却塔负荷最高时通常是最丰富的。

第十部分：横流塔和逆流塔的区别

大多数商用HVAC专业人士可能已经意识到，冷却塔有两种不同的类型：错流和逆流。虽然两者都通过将空气吹过水而进行蒸发冷却的原理进行操作，但这两种类型的冷却塔的物理构造差异很大。

逆流冷却塔将空气从冷却塔的底部向上拉出，通过填充介质并从顶部排出，同时加压喷嘴沿气流的相反方向向下喷水。填充介质位于干燥空气入口上方和喷嘴下方，并贯穿冷却塔的整个宽度。气流和水流彼此平行，但方向相反。

横流式冷却塔通过整个塔架外侧的百叶窗将空气吸入。风扇将冷却塔内的空气水平吸入两侧的填充介质，然后通过冷却塔中心的开放空间向上吸入。冷凝器热水从顶部的水盆进入横流冷却塔，然后通过小孔排放到包含填充介质的空间中。横流式冷却塔没有任何喷雾装置-水仅靠重力就垂直排入冷却塔。同样，横流冷却塔中的气流垂直于水流运行，然后旋转90度以退出设备中心。

由于其更垂直的设计，与逆流冷却塔相比，逆流冷却塔的占地面积通常较小。毕竟，它们的热交换/填充介质区域遍及冷却塔的整个宽度，而错流式冷却塔的中央有一个开放空间，空气通过该开放空间排出。对于错流式冷却塔，该开放空间可导致更易于维护的设计。另一方面，由于喷嘴，逆流冷却塔可能需要更高的扬程泵，这通常会使冷凝器泵的扬程要求增加3至6 psig。因此，工程师必须对所有冷凝器水/冷却塔管道完成详细的扬程损失计算，这一点至关重要。无论您选择哪种冷却塔，ASHRAE都需要这样做，但是，如果您选择了逆流塔而没有考虑到这一点，则可能是非常不幸的遗漏。取决于系统的总容量，喷嘴会严重影响您的泵压头需求。将增加的泵头纳入冷凝器水系统的生命周期成本中也很重要。

第十一部分：避免常见陷阱

我们终于到了冷却塔系列的结尾！但是在抛开话题之前，我们认为最好回顾一下冷却塔/冷凝器水设计中的一些最常见的陷阱以及如何避免这些陷阱。我们在以前的博客中都提到了所有这些内容，但是我们经常看到它们，其后果可能非常严重，以至于每个人都应发出最终警告。请避免出现这些情况，我们保证每个人（从您的设备供应商到您的化学处理专家）都会更加快乐。

低流量通过塔

每个冷却塔都有一个最低流量要求，该要求由允许的调节比确定。ASHRAE 90.1-2010要求最低调低50％（即3000 GPM的塔将能够以低至1500 GPM的速度运行。）但是，郭鹏学暖通较旧的塔通常没有这么高的调低范围。许多现有的冷却塔，例如下面示例中的冷却塔，其调节比仅为35％。我们经常在这里看到流量低的问题。用户跌破最低流量，开始遇到问题，不明白为什么。

通过冷却塔的流量低怎么办？正如我们在本系列文章的第5部分中讨论的那样，低流量导致干燥空气疾病，并最终在冷却塔换热表面上形成矿物质沉积。维持最小流量的目的是使冷却塔的所有内表面保持足够湿润，从而通过不允许填充物中的干燥通道（记住空气像阻力最小的路径）来促进一致的热传递，并避免矿物堆积。向上。否则，您的冷却塔风扇会更加努力地工作，以克服只会使情况变得更糟的问题。

图1

考虑一下图1中的实际示例，该示例显示了所有六个3000 GPM冷却塔都在运行，而只有一个6000 GPM冷凝器正在运行。这些是较旧的冷却塔，其调节比仅为35％，这意味着它们必须保持至少1950 GPM才能正常运行。有六个塔，只有一个冷凝器运行，每个塔仅接收1000 GPM的流量。由于它们的流量已远远低于1950 GPM的最低阈值，他们都患有干燥空气疾病。干燥的冷却塔永远无法达到其容量，因此即使运行六个冷却塔，它们也无法仅维持一个冷凝器的供应温度。

解决方案？用阀门关闭冷却塔，这样在单个冷凝器运行期间只能运行三个。这使每个塔的流量为2000 GPM，使其超出最低流量要求。

停工时塔楼泛滥

根据制造商的规范安装时，冷却塔的设计不会淹没。塔底的集水池设计用于容纳塔的“下拉体积”，其中包括填充物中的全部水量，热甲板以及向塔抽水的高架供水。但是，如果冷凝器及其相关的管道位于比冷却塔高的高度，则所有设备中的水最有可能在重力作用下排入塔中，从而在关闭泵时导致其溢流，如图所示在图2中。

图2

为避免这种情况，您必须在冷凝器和冷却塔之间安装一个集水器（水管），以在泵关闭时收集可能从冷凝器设备和管道中排出的水。

启动时抽干

在启动时将泵抽干是关闭时先前淹没塔的必然结果。如果您不安装集水器来收集塔上方冷凝器和管道中的水，则塔一旦关闭，塔就会泛滥，并且大部分水会从集水槽的侧面溢出。然后，当您重新打开泵时，系统中没有足够的水，并且开始泵干，这导致泵空化。（图3）。

同样，解决方案是安装集水器。

图3

抽吸管道中的空气阱

当管道安装成垂直绕过线性管道路径（例如道路）的某种障碍时，会在吸入口中形成空气陷阱。

请记住，冷却塔是敞开的，并且水始终是阻力最小的路径，因此很容易理解为什么在这种情况下泵可能无法泵送。穿过道路的垂直和水平管道中都有一个巨大的空气陷阱。您不能责怪该泵–因为它的目的是泵送水而不是空气。

图4

解决此问题的唯一永久解决方案是重新布置道路下方的管道。在短期内，唯一的解决方案是物理上堵塞冷却器下水道排水装置，并将水直接注入道路上的管道中，保持冷却塔排水装置堵塞，直到所有管道都装满为止。（一个人站在塔架内部，在一块胶合板的顶部，阻止排水管回流到塔架中，这一次对我们有用。）此解决方案足以满足要求，直到关闭泵，并且泵的原液后退并从泵中流出。冷却塔排水口。同样，管道设计是关键。