循環冷卻水降溫系統設計

目前, 我國2/3 的大中城市面臨著缺水的窘境, 其中有40 多個城市常年供水不足, 100 多個城市缺水,北方的個別城市由于嚴重缺水已經影響到社會經濟的發展和居民的正常生活。而工業用水占整個城市用水的60% , 其中循環冷卻水占整個工業用水的60%～70%[2]。

在國內, 常用的工業循環冷卻水系統是冷水塔循環冷卻水系統。在高溫、高濕氣候條件下, 就會出現水溫超限、蒸發損失過多等問題, 以至于需要大量補充新水和排放污水, 從而造成極大的水資源浪費。

因此, 為了解決水溫超限的問題, 本文先分析了冷卻塔出口溫度與新水補充量之間的關系, 在此基礎上提出一種土壤蓄冷式的循環冷卻水降溫系統。

1 冷卻塔進口溫度與新水補充流量分析

冷水塔換熱模型簡化為換熱器物理模型。

首先, 對換熱過程進行定性分析。在換熱器單元微小面積dA 換熱過程中, 其換熱量為: 由于冷卻水進口溫度升高時, Δt 變小, 為了保證換熱量不變, 所以必須增加傳熱系數K, 即增加冷卻水一側的對流換熱系數hi, 而hi 與流體的物性參數和流動狀態有關, 在此模型中, 物性參數不變, 所以只有加大冷卻水流量才能增加換熱系數。即冷卻水進口溫度t'1 增加, 則冷卻水流量( 新水補充) q'1 增加。

然后, 采用NTU換元法進行定量計算, 以不同熱流體( 工質) q1c1 為參數, 得到不同的傳熱單元數NTU 和換熱效能數e示, 盡管工質不同, 但都存在一個冷卻水溫度臨界點, 當超過這一點時, 所需冷卻水流量增加很快。當超過臨界點時, 每增加0.5℃, 流量幾乎增加1 倍, 且成幾何級數增長; 且當冷卻水進口溫度達到一定溫度時, 無論怎樣增加冷卻水流量都不能降低工質的溫度, 從而造成冷卻水的大量流失。

2 工業循環冷卻水降溫系統設計

工業循環冷卻水降溫系統, 如圖3 所示。其工作流程為:

( 1) 夜間, 環境溫度較低, 冷卻塔冷卻能力增強, 一邊可以為工業生產過程提供必需冷量, 同時有富余冷量提供。此時打開水泵1, 同時啟動冷水機組, 把富余冷量存儲在土壤源中。

( 2) 白天, 關閉水泵1 和冷水機組, 當出現高溫、高濕氣候, 水溫超限時,打開水泵2, 把夜間存儲在土壤源中的冷量釋放出來, 滿足正常工業生產過程的需要。

( 3) 在溫度較低的月份, 冷卻塔在白天和夜間都有富余冷量產生。此時, 把冷量長期存儲在土壤源中, 而在高溫高濕的月份釋放出來, 使冷卻水溫度保持在工作范圍內, 從而更好地維護工業生產, 節約水源。

設計優勢: 采用這種技術作為循環冷卻水降溫的技術措施, 可以有效地控制冷卻水的溫度, 能使冷卻水的溫度不受季節和天氣條件的影響, 保證工藝生產正常進行; 同時減少高溫、高濕天氣的新水補充量和排污量, 達到節水的效果。

此外, 由于土壤蓄冷的作用, 能夠保有一定的降溫能力儲備, 可以為生產調度提供更大的回旋余地;而且冷水機組在夜間電網低谷時段使用, 電力廉價,從而增強企業對市場的適應能力。

土壤的蓄冷、釋冷過程是一個含濕多孔介質體內帶有周期性凍融相變的熱濕傳遞耦合過程[4～6], 其運行特性受諸多因素的相互影響和制約, 如埋管的管材與尺寸、埋管間距、土壤狀況、預蓄冷時間、流體的流量及蓄冷入口溫度等。