吳 敏 ，楊 浩

(1.重慶太和空調(diào)自控有限公司，重慶400025；2.紅塔煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司，云南玉溪623100)

1 冷卻塔供冷

南方地區(qū)卷煙廠聯(lián)合廠房各車間的冷負(fù)荷特性是不同的，通常由于工藝設(shè)備較多，卷接包車間、膨脹煙絲車間、濾棒成型車間等發(fā)熱量較大，需常年供冷，而儲(chǔ)絲房、成品庫(kù)、輔料庫(kù)、貯葉房等冷負(fù)荷較小，需夏季供冷、冬季加熱。同時(shí)，卷煙生產(chǎn)和輸送過程中，煙絲往往從周圍空氣中吸收水份，造成車間濕負(fù)荷接近于0，因此，卷煙廠常年供冷車間熱濕比呈現(xiàn)+∞的趨勢(shì)。常年供冷車間室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)范圍為22(冬)～25(夏)±2℃，相對(duì)濕度設(shè)計(jì)范圍為60(全年)±5%。

根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)和ε=+∞的熱濕比,由焓濕圖可知對(duì)應(yīng)夏季室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)的最低送風(fēng)溫度為18℃,對(duì)應(yīng)冬季室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)的送風(fēng)溫度為15℃?？紤]到制冷時(shí)室內(nèi)溫度升高有利于節(jié)能，全年建議用夏季室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，現(xiàn)以18℃作為冬季送風(fēng)溫度進(jìn)行分析。根據(jù)空調(diào)機(jī)表冷盤管的換熱特性，對(duì)應(yīng)18℃送風(fēng)溫度的冷水供水溫度應(yīng)在13℃左右。

一般而言，額定工況下冷卻塔的出水溫度比空氣濕球溫度高5℃左右。如采用冷卻塔直接供冷，對(duì)應(yīng)的冷水溫度為13℃，空氣濕球溫度為8℃。由于此種方式冷水為開式循環(huán)，容易造成空調(diào)機(jī)表冷器銅管氧腐蝕及結(jié)垢，故一般采用板式換熱器間接供冷，冷卻塔出水由冷卻水泵壓進(jìn)板換一次側(cè)再流回冷卻塔，空調(diào)機(jī)表冷器出水由冷水泵壓進(jìn)板換二次側(cè)再流回空調(diào)機(jī)表冷器。這樣可避免空調(diào)機(jī)銅管腐蝕及結(jié)垢，但由于板換傳熱存在2℃的溫差，因此板換二次側(cè)出水溫度為13℃，冷卻塔出水溫度為11℃，空氣濕球溫度為6℃。根據(jù)文獻(xiàn)[2]昆明市標(biāo)準(zhǔn)年氣象參數(shù)據(jù)庫(kù)中“昆明市標(biāo)準(zhǔn)年空氣濕球溫度全年變化趨勢(shì)圖”和“昆明市標(biāo)準(zhǔn)年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)統(tǒng)計(jì)圖”，可知昆明市全年室外空氣濕球溫度小于6℃的時(shí)間1 080 h計(jì)45 d(圖1、圖2)。

圖1 昆明市標(biāo)準(zhǔn)年空氣濕球溫度全年變化趨勢(shì)

圖2 昆明市標(biāo)準(zhǔn)年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)統(tǒng)計(jì)

昆明卷煙廠動(dòng)力中心冷站配4臺(tái)雙效蒸汽型吸收冷水機(jī)組，總裝機(jī)容量為4×4 069 kW。昆明卷煙廠冬季常年供冷車間空調(diào)系統(tǒng)所需冷量的為動(dòng)力中心冷站總裝機(jī)容量的30%左右(據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，南方地區(qū)卷煙廠各季常年供冷車間空調(diào)系統(tǒng)所需的冷量為動(dòng)力中心冷站總裝機(jī)容量的15%～30%左右)。因此，動(dòng)力中心二臺(tái)吸收冷水機(jī)各配置1臺(tái)板換及對(duì)應(yīng)的旁通管路系統(tǒng)。系統(tǒng)進(jìn)入冬季運(yùn)行工況，由控制器判斷室外空氣濕球溫度是否小于或等于6℃,滿足時(shí),由常規(guī)冷水機(jī)供冷模式切換到冷卻塔供冷模式,并開啟和關(guān)閉對(duì)應(yīng)管路上的季節(jié)切換電動(dòng)閥。

1.1 冷卻塔冬季供冷工況熱工計(jì)算及系統(tǒng)運(yùn)行分析

動(dòng)力中心制冷站二臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組備配置一臺(tái)板式熱交換器及對(duì)應(yīng)的管路系統(tǒng)。每臺(tái)板式熱交換器一次側(cè)與二次側(cè)設(shè)計(jì)溫差為8℃，換熱量按一臺(tái)冷水機(jī)組相同的制冷量進(jìn)行設(shè)計(jì)，即4 069 kW。二次側(cè)(冷水)流量為700 m3/h,一次側(cè)(冷卻水)流量為1 302/2 m3/h,冷卻塔冬季供冷運(yùn)行工況的冷卻水出水溫度按11℃設(shè)計(jì)，板式換熱器二次側(cè)至空調(diào)機(jī)的供水溫度按13℃設(shè)計(jì)，回水溫度按18℃設(shè)計(jì)。

冷卻塔一般按夏季工況下為冷水機(jī)組散熱進(jìn)行的設(shè)備選型，夏季工況下冷卻水進(jìn)出水設(shè)計(jì)溫度為37.5℃/32℃，昆明市夏季空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度為25.8℃,濕球溫度為19.9℃。當(dāng)冷卻塔用于冬季供冷時(shí),其出水溫度按上述分析為11℃,冬季冷卻塔供冷運(yùn)行模式下仍然利用現(xiàn)有的冷卻塔和冷水泵、冷卻水泵,因此冷卻水流量和冷卻塔風(fēng)量保持不變。

冷卻塔運(yùn)行時(shí),水—空氣在冷卻塔內(nèi)部進(jìn)行換熱,并滿足如下能量平衡式:

Qw=LwCw(tw1-tw2)

(1)

QA=G(i2-i1)

(2)

Qw=QA

(3)

式中:QW為循環(huán)水在冷卻塔中被冷卻的熱量,即冷卻塔從循環(huán)冷卻水中帶走的熱量(kcal/h)；QA為空氣在冷卻塔被加熱,加濕帶走的熱量(kcal/h)；LW為冷卻塔循環(huán)水量(m3/h)；GW為水的定壓比熱(1kcal/kg℃)；tw1、tw2為冷卻塔循環(huán)水進(jìn)出水溫度；G為冷卻塔通風(fēng)量(kg/h)；i2、il為冷卻塔空氣進(jìn)出口焓值(kcal/kg干)。

1.2 冬夏兩季供冷工況

下述分析假定空氣經(jīng)過冷卻塔的出風(fēng)達(dá)到最佳熱交換下的狀態(tài)點(diǎn)，即相對(duì)濕度為80%，出風(fēng)干球溫度為冷卻水的進(jìn)水溫度，以此來判斷現(xiàn)有冷卻塔是否能滿足冬季供冷工況的換熱能力。冬季冷卻塔進(jìn)風(fēng)參數(shù)采用昆明地區(qū)3月份的月平均干球溫度14.9℃和月平均濕球溫度8.4℃。

1.2.1 夏季供冷工況

冷卻塔進(jìn)風(fēng)溫度為25.8℃,進(jìn)風(fēng)濕球溫度為19.9℃,進(jìn)風(fēng)焓i1=67.5 kcal/kg干。

冷卻塔冷卻水進(jìn)水溫度37.5℃,冷卻水出水溫度32℃,冷卻塔出風(fēng)溫度37.5℃,冷卻塔出風(fēng)相對(duì)濕度80%,冷卻塔出風(fēng)焓i2=147 kcal/kg干。

1.2.2 冬季供冷工況

冷卻塔進(jìn)風(fēng)溫度14.9℃,進(jìn)風(fēng)濕球溫度8.4℃,進(jìn)風(fēng)焓i3=30kcal/kg干。

假定冬季冷卻塔冷卻水流量為夏季的50%,根據(jù)公式(1)計(jì)算，即：

4069×860=1302/2×1000(tw1-11)

冷卻塔冷卻水進(jìn)水溫度tw1：

冷卻塔出風(fēng)溫度為16.4℃,冷卻塔出風(fēng)相對(duì)濕度80%,冷卻塔出風(fēng)焓i2=46.4 kcal/kg干。

冷卻塔冷卻水出水溫度:tw2=11℃。

按夏季工況:冷卻水流量1 302 m3/h,冷卻塔冷卻水進(jìn)出水溫差5.5℃.冷卻水進(jìn)水溫度37.5℃,冷卻水出水溫度32℃,大氣濕球溫度27℃,查上海金日冷卻塔樣本,選擇1組橫流式冷卻塔,型號(hào)為KSD-N2000,為4個(gè)500RT的橫流式冷卻塔,體積風(fēng)量為796 800 m3/h,質(zhì)量風(fēng)量為772 896 kg/h,冷卻水額定流量1 468.8 m3/h,電機(jī)功率5.5 kW×8。

冬季冷卻塔總風(fēng)側(cè)散熱量QA=G(i2-il)=772896×(46.4-30)=12675494 kcal/h=14 739 kW

1.3 冬季冷卻塔運(yùn)行選擇

冬季運(yùn)行2個(gè)500RT橫流式冷卻塔(對(duì)應(yīng)1臺(tái)制冷量為4 069 kW的板換)，總風(fēng)側(cè)散熱量7 369 kW，總水側(cè)冷卻水流量1 302/2 m3/h,冷卻塔冷卻水進(jìn)水溫度16.4℃，冷卻塔冷卻水出水溫度11℃，電機(jī)功率4×5.5 kW。

(1)板式換熱器選擇。

一次側(cè)(冷卻塔冷卻水回路):板換進(jìn)水溫度11℃,板換出水溫度16.4℃,冷卻水流量1 302/2 m3/h。

二次側(cè)(空調(diào)機(jī)冷水回路):板換進(jìn)水溫度18℃,板換出水溫度13℃,冷水流量700 m3/h。

計(jì)算算術(shù)平均溫差

(2)確定傳感器熱系數(shù)K。

假定二次側(cè)冷水流速vc=0.2 m/s,則一次側(cè)冷卻水流速vh=0.2×1.08=0.22 m/s(二次側(cè)冷水溫差Δt=18-13=5℃,一次側(cè)冷卻水溫差Δt=16.4-11=5.4℃,則5.4/5=1.08),查圖4.4-12(文獻(xiàn)[1] P201),得：

K=3100 W/m2·℃

(3)所需換熱面積F。

換熱量Q=(1302/2)×1000×1×(16.4-11)=3515400 kcal/h=4 088 kw符合要求。

驗(yàn)算傳熱系數(shù)K:

板換換熱面積為732.6 m2,總片數(shù)1 017片,型號(hào)BR70。

(4)一、二次水側(cè)阻力。

一次側(cè)冷卻水平均溫度13.7℃(冷側(cè)),二次側(cè)冷水平均溫度15.5℃(熱側(cè))，查圖4.4-13(文獻(xiàn)[1] P201),根據(jù)冷側(cè)冷卻水流速0.19 m/s,熱側(cè)冷水速度0.21 m/s,查得一次冷卻水側(cè)阻力為0.001 8 MPa(0.18 mH2O)，二次冷水側(cè)阻力為0.0018 MPa(0.18 mH2O)。

冬季總換熱量為4 882 kW,考慮板換易結(jié)垢,不易清洗,選擇換熱量為4 069 kW/臺(tái)換熱面積732.6 m2/臺(tái),總片數(shù)1 017片/臺(tái),型號(hào)BR70/臺(tái),2臺(tái)板換。

(5)季節(jié)切換電動(dòng)開關(guān)蝶閥選擇。

溴化鋰吸收冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)水管DN450電動(dòng)開關(guān)蝶閥1個(gè),冷水出水管DN450電動(dòng)開關(guān)蝶閥1個(gè)。

板換:一次側(cè)(冷卻水)板換進(jìn)水管DN450電動(dòng)開關(guān)蝶閥1個(gè),二次側(cè)(冷水)板換進(jìn)水管DN450電動(dòng)開關(guān)蝶閥1個(gè)。

共2臺(tái)板換,2臺(tái)溴化鋰吸收冷水機(jī),故共8個(gè)DN450電動(dòng)開關(guān)蝶閥。

綜上所述,考慮板換易結(jié)垢影響換熱，應(yīng)考慮適當(dāng)放大傳熱面積，冷卻塔冬季供冷運(yùn)行情況如下：

一組冷卻塔(4個(gè)500RT橫流式冷卻塔)。

冷卻水流量1 302 m3/h。冷卻水進(jìn)水溫度16.4℃,冷卻水出水溫度11℃,冷卻水出水溫度11℃,電機(jī)功率8×5.5 kW。

2臺(tái)板式換熱器(換熱量4 069 kW/臺(tái))。

1臺(tái)冷卻水泵,冷卻水流量1302 m3/h,電機(jī)功率160 kW。

2臺(tái)冷水泵,總冷水流量1 400 m3/h,電機(jī)功率2×110 kW。

(6)冬季運(yùn)行能耗分析如表1。

表1 冷卻塔冬季運(yùn)行能耗分析

上述節(jié)能效果分析假定冷站溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組在冬季工況時(shí)采用變水溫節(jié)能運(yùn)行,冷水供水溫度為13℃,和額定工況(冷水供水溫度7℃)相比,每提高1℃節(jié)能3.5%。利用冷卻塔供冷時(shí),在設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)應(yīng)注意冷卻塔、冷卻水泵、冷水泵、冷水機(jī)組均應(yīng)并聯(lián)。冷卻塔供冷由于增加了2臺(tái)板換,季節(jié)切換電動(dòng)閥、旁通管路等，初投資增加440萬元。

2 空調(diào)機(jī)新風(fēng)供冷

全年室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)為溫度25℃,相對(duì)濕度60%,對(duì)應(yīng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為溫度18℃,焓值為48kg/kg干,絕對(duì)含濕量為12g/kg干,相對(duì)濕度為95%。當(dāng)新風(fēng)焓小于表冷器露點(diǎn)焓(與送風(fēng)點(diǎn)焓相同)時(shí)進(jìn)行新風(fēng)供冷、蒸汽加濕,新風(fēng)焓大于或等于表冷器露點(diǎn)焓(48kg/kg干),進(jìn)行冷水供冷、蒸汽加熱。

2.1 一次混和點(diǎn)絕對(duì)含濕量

式中:G1為回風(fēng)風(fēng)量(kg/h)；Gw為新風(fēng)風(fēng)量(kg/h)；G為送風(fēng)風(fēng)量(kg/h)；dNo為室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)絕對(duì)含濕量(g/kg干)。按室內(nèi)溫度25℃,相對(duì)濕度60%,查焓濕圖知dNo=12 g/kg干；dw為昆明地區(qū)1月、2月、3月、4月1日～4月13日、11月13日～11月16日、12月18日～12月31日的室外日平均含濕量dw=5.8g/kg干,新風(fēng)比變化為0.2～1。

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

一次混和點(diǎn)絕對(duì)含濕量平均值為:

=8.28 g/kg干

冷卻塔供冷模式:

平均含濕量差Δd=dNO-dc=12-10.76=

1.24 g/kg干

全新風(fēng)供冷模式:

平均含濕量差Δd=dNO-dw=12-5.8=6.2 g/kg干

新風(fēng)線性增加供冷模式:

根據(jù)上述參數(shù)作常年供冷車間蒸汽加濕量計(jì)算如表2。

表2 常年供冷車間蒸汽加濕量

2.2 新風(fēng)供冷運(yùn)行時(shí)間

由上述可知卷煙廠常年供冷車間空調(diào)機(jī)送風(fēng)點(diǎn)溫度18℃, 送風(fēng)相對(duì)濕度95%,送風(fēng)濕球溫度17℃,當(dāng)室外新風(fēng)為全新風(fēng),新風(fēng)濕球溫度為17℃,新風(fēng)供冷結(jié)束,轉(zhuǎn)為冷水機(jī)組供冷。查“昆明市標(biāo)準(zhǔn)年空氣濕球溫度全年變化趨勢(shì)圖”知新風(fēng)濕球溫度小于17℃的時(shí)間為270 d,由于空調(diào)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為每天18 h,故新風(fēng)供冷運(yùn)行時(shí)間為4 860 h,其余時(shí)間各種模式運(yùn)行,方式相同(冷水機(jī)組供冷,新風(fēng)比m=0.2)，故只比較4 860 h的運(yùn)行成本。所有模式空調(diào)機(jī)風(fēng)機(jī)電耗相同,故不計(jì)空調(diào)機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)行成本。

溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組供冷模式在4 860 h運(yùn)行有810 h需開冷水機(jī)組,冷水供水溫度為13℃，新風(fēng)比m=0.2。其余4 050 h采用新風(fēng)線性增加供冷,新風(fēng)比m由0.2線性增加到1,不開冷水機(jī)組。

冷卻塔供冷模式在4 860 h運(yùn)行時(shí)有810 h無需制冷機(jī),只由冷卻塔供冷,冷水供水溫度為13℃,新風(fēng)比m=0.2。其余4 050 h采用新風(fēng)線性增加供冷,新風(fēng)比m由0.2線性增加到1,不開冷水機(jī)組。

新風(fēng)線性增加供冷模式在4 860 h運(yùn)行時(shí),無需制冷機(jī),新風(fēng)比新風(fēng)比m由0.2線性增加到1。

全新風(fēng)供冷模式在4 860 h運(yùn)行時(shí),無需制冷機(jī),新風(fēng)比m=1。

3 常年供冷車間全年運(yùn)行費(fèi)用

(1)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組供冷運(yùn)行成本L1。

L1=470841+2.867×810×110+8.6×4050×110=455.759萬元

(2)冷卻塔供冷運(yùn)行成本L2。

L2=171720+2.867×810×110+8.6×4050×110=425.847萬元

(3)全新風(fēng)供冷運(yùn)行成本L3。

L3=14.334×4860×110=766.296萬元

(4)新風(fēng)線性增加供冷運(yùn)行成本L4。

L4=8.6×4860×110=459.756萬元

由上述分析可知:昆明卷煙廠常年供冷車間全年運(yùn)行費(fèi)用由低到高依次為冷卻塔供冷、溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組供冷、新風(fēng)線性增加供冷、全新風(fēng)供冷。冬季冷卻塔供冷模式比溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組供冷模式每年可節(jié)約29.91萬元,冷卻塔供冷模式需增加220萬元初投資，投資回收期為7.36年。冷卻塔供冷初投資主要為板換的費(fèi)用，如板換的使用年限低于7.36年,冬季采用冷卻塔供冷就不合理。反之,則合理。

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版，2008

[2] 中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005