CN201003930Y - 一种冷却水塔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冷却水塔，其包括冷却水塔主体，湿度计，可以变频控制的水泵，多个温度量测器与具运算功能的控制器。必要的数据如冷却水塔最大容许操作范围，冷却水塔传热性能，外界空气的湿球温度与接近度的关系式等，利用数值方法加以运算而内建于控制器。冷却水塔运转时，通过温度量测器的量测，并将程序传送至控制器，在控制器内比较实际数据与预先计算的数据，求得最适合的冷却水流量与冷却空气流量值。再由控制器分别控制冷却水泵与冷却水塔内的冷却风扇，而达到最适合的流量。本实用新型不仅可自动调整冷却空气流量，更可调整冷却水流量，以大幅节省冷却水塔使用的能源。

Description

一种冷却水塔

技术领域

本实用新型涉及一种空调系统，尤其是指一种用于空调系统中的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔。

背景技术

随着国内民生富裕，中央空调系统的使用量亦随之增加，致使空调的用电量成为夏季尖峰用电居高不下的主因之一。如何改善空调能源的使用效率，以降低夏季尖峰用电量，成为国内节约能源政策的重要课题之一。

公知中央空调系统的主要元件配置及操作原理如图1所示，基本上包含五道热量交换的循环系统，由左侧的室内空调负载逐次向外，既有室内空气与冷却盘管4做热交换；冰水与冷媒在蒸发器3中做热交换；之后冷媒与冷却水在冰水主机的冷凝器2中做热交换；最后则是冷却水和室外空气在冷却水塔1中做热交换。

上述最后一道热交换程序“冷却水和室外空气在冷却水塔中从事热交换过程”的电力使用量仍较高，具有可进一步改善的空间，本实用新型即是针对上述最后一道热交换程序提出的。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，以改善和克服上述公知技术的缺陷，减少中央空调系统的电力使用量。

本实用新型的技术解决方案是：一种可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其中该冷却水塔包括冷却水塔主体、湿度计、可以变频控制的水泵、多个温度量测器及具有运算功能的控制器，该冷却水塔主体为一个或多组并联使用，以吸入冷却空气以冷却流入的冷却水，所述湿度计装设于冷却水塔，量测吸入的冷却空气的湿球温度变化值，所述可以变频控制的冷却水泵装设于冷却水流道中以控制冷却水流量，且多个温度量测器分别装设于冷却空气及冷却水的进出口处，以量测各温度的变化值并与控制器连接，此外至少一个控制器用以计算冷却空气的湿球温度及冷却水进出冷却水塔时的温差，其中控制器内预先设定最大容许操作条件和内建外气的湿球温度对应的接近度的数据用以处理前述控制器所得的数据，以决定最佳冷却水流量及冷却空气流量的数据。

本实用新型的特点和优点是：在过去为了节省冷却水塔的能源消耗，随冰水主机的热负载改变而自动调整进出冷却水塔的冷却空气流量，为主要的方法，以达到节能目的。本实用新型为能更有效利用能源，所提的崭新冷却水塔控制系统，随冰水主机的热负载改变，不但可自动调整冷却空气流量，更可调整冷却水流量，可大幅节省冷却水塔使用的能源。本实用新型包括冷却水塔主体、湿度计、可以变频控制的水泵、多个温度量测器与具有运算功能的控制器。必要的数据如冷却水塔最大容许操作范围、冷却水塔传热性能、外界空气的湿球温度与接近度的关系式等，利用数值方法加以运算而内建于控制器。冷却水塔运转时，通过温度量测器的量测，并将程序传送至控制器，在控制器内比较实际数据与预先计算的数据，求得最适合的冷却水流量与冷却空气流量值，再由控制器分别控制冷却水泵与冷却水塔内的冷却风扇，而达到最适合的流量。本实用新型克服了现有技术的缺陷，提出了崭新的节约能源方法，可减少中央空调系统的电力使用量，降低尖峰用电的压力。

附图说明

图1为公知的中央空调系统图。

图2为本实用新型的冷凝器与冷却水塔作动详图。

图3为微小距离的热平衡图。

图4为系统控制架构图。

图5为外界的湿球温度WB与接近AP关系图。

附图标号说明：

1.冷却水塔                  11.风扇

12.冷却盘                   13.水槽

14.温度量测器(量测得T_G1)    15.温度量测器(量测得T_G2)

16.湿度计                   2.冷凝器

21.温度量测器(量测得T_L1)    22.温度量测器(量测得T_L2)

23.冷却水泵                 24.控制器

25.控制器                   26.控制器

3.蒸发器                    4.室内风机冷却盘管

5.压缩机                    6.冰水泵

7.膨胀阀

具体实施方式

图2为冷凝器(Condensor)2与冷却水塔(cooling tower)1之间的作动详图。M_L为冷却水流量，用以冷却冷凝器内的工作流体(冷媒)，冷却水的温度因而上升为T_L1从冷凝器流出。随之被输送至冷却水塔1的入口。一般通过重力作用，高温T_L1的冷却水从冷却水塔的入口流经冷却塔内的冷却盘12，往下流至冷却水塔底部的水槽13，为能冷却往下流的冷却水，一般利用装设在冷却水塔上方的抽气风扇11，从冷却水塔1的下方入口抽取外界低温的冷却空气流量为M_G，温度为T_G1，使其往上流，以冷却往下流的冷却水，且于冷却水塔1连接湿度计16用以量测吸入的冷却空气的湿球温度变化值，其中冷却空气吸收了温度较高的冷却水，因此在上方离开冷却水塔1时，温度上升为T_G2，严格的说，冷却空气会因加入蒸发的水气而使流量有所增加，但一般近似视M_G为一定。相反地，冷却水则从T_L1的较高温度被冷却为T_L2，流量虽因水的蒸发作用而略减，但一般仍会近似视M_L为定值。此温度为T_L2的冷却水再进入冷凝器2，执行新的回圈作用。图2中控制器24可调整设定从冷却水塔流出的冷却水的温度，并将T_L2的温度信号传送给控制器26。控制器25可以计算及调整设定冷却水的温度差ΔT(T_L1-T_L2)，并将温度差的信号传送给控制器26。控制器26则整合各种信号，并送出指令调整设定冷却水塔风扇11和冷却水泵23的转速和流量。

由于能量守恒(energy conservation)的关系，从冷却水塔上方流入、下方流出的冷却水所传出的总热量，必须和从冷却水塔下方流入，上方流出的冷却空气所获得的总热量相等。若以微观而言，冷却水和冷却空气之间的热交换可如图3表示。在此微量距离dx之间冷却水的传出热量

dQ_L＝-M_L×C_L×(ΔT_L)    (式1)

(式1)中ΔT_L为此区间的温度差，C_L为冷却水的比热(specific heat)，假设不随温度改变而改变，可视为定值，式中负号表示热量的传出。

同样的，冷却空气可获得的热量dQ_G为

dQ_G＝M_G×(ΔH)    (式2)

(式2)中ΔH为此区冷却空气的焓差(enthalpy difference)，由下式算出

ΔH＝H_(TG+dTG)-H_(TG)    (式3)

H_(TG)和H_(TG+dTG)分别为进入和离开微量空间时的空气的焓值，(式1)和(式2)必须相等所以

dQ_G＝M_G×(ΔH)＝-M_L×C_L×(ΔT_L)＝dQ_L    (式4)

一般在工程应用上，dQ_G亦可近似由下式求得

$d{Q}_G=\frac{f}{k}(H_s-H)\mathrm{dA}$ (式5)

(式5)中的f为热对流系数(convection heat coefficient)，k依使用的冷却液体和冷却气体的物理性质而决定，其值近似常数。H为此区间的未饱和空气(unsaturated air)的焓值，而H_s为此区间的为冷却水表面温度(以冷却水的温度近似)所对应的饱和空气(saturated air)的焓值。H和H_S均为温度函数，(H_S-H)表示热量由冷却水表面的空气流至周遭的冷却空气，dA为此区间的热传面积。

若将微量距离，扩充至整体冷却塔，则下式成立。

$-{\∫}_{T_{L3}}^{T_{L2}}{M}_L\×C_L\mathrm{dT}={\∫}_0^A\frac{f}{k}(\mathrm{Hs}-H)\mathrm{dA}$ (式6)

式中A表示为冷却塔中冷却盘(12)的总热传面积。(式6)可改写成下式。

${\∫}_0^A\frac{f}{k}\mathrm{dA}=\frac{\mathrm{fA}}{k}=-{\∫}_{\mathrm{TL}1}^{\mathrm{TL}2}\frac{M_L\×C_L}{(H_s-H)}d{T}_L$ (式7)

实际计算则用下式

$\frac{\mathrm{fA}}{k}=-M_L\×C_L\×\mathrm{\ΔT\Σ}\frac{1}{(H_s-H)}$ (式8)

式中(H_S-H)表示体积增量内的平均焓差。ΔT为体积增量的温度差，当(式8)等号右边的值为已知时，可利用数值方法(numerical method)求得等号

边的值。当

的值为已知时，则可求得等号右边各参数的值。

一般制造商销售冷却塔时，会提供冷却水塔在热负载为100％时的冷却水流量M_L，冷却空气流量M_G，范围度(range)RT，接近度(approach)AP。进入冷凝器时冷却水的温度上限T_L2，离开冷凝器时冷却水的温度上限T_L1，外界空气的湿球温度WB。

接近度AP的意义是指冷却水离开冷却塔时的温度(T_L2)和冷却空气进入冷却塔时的湿球温度(wet bulb temperature)WB两者的差值，亦即

T_L2＝WB+AP(式9)

范围度RT的意义是指冷却水进出冷却塔的温度差，亦即

RT＝T_L1-T_L2    (式10)

而冷凝器2的负载Q_L，可由下式求得

Q_L＝M_L×C_L×(T_L1-T_L2)    (式11)

代换后可得

Q_L＝M_L×C_L×RT           (式12)

冷却空气的总热量Q_G则为下式表示

Q_G＝M_G×(H_TG2-H_TG1)＝Q_L  (式13)

实际应用冷却水塔性能计算时，利用湿度计16量测仪器测得进入冷却水塔的冷却空气的湿球温度WB和冷却水量M_L，以及设定的比值MLG，再依次求得T_L2和T_L1。代入(式8)，可求出 的值。由f、A和k所具有的物理意义而言，

的值可视为一种非常有意义的冷却塔性能系数，当M_L、MLG和WB值保持一定时，此冷却水塔性能系数

亦需维持定值，利用此关系则可由数值计算反算当冷凝器2的热负载改变时(亦即RT值改变)的T_L2、T_L1和AP的变化。得知T_L2和T_L1的变化后，可通过数值计算并调整冷却水M_L和MLG比值，而使T_L2和T_L1达到最佳状态，此调整过程可有效的达到节约能源的目的。本实用新型的主要内容在下列所示实施例中做具体说明。

实施例1：以某一厂为例，制造商提供的运算元据如下条件；

冷却水流量  M_L＝30GPM(每分钟30加仑)

冷却空气流量M_G＝25GPM(每分钟25加仑(＝256磅))

冷却水和冷却空气的质量流量比

MLG(M_L/M_G)＝1.2

范围度RT＝10

接近度AP＝7

冷却空气流入冷却塔的湿球温度WB＝83

冷却水流出冷凝器的温度上限T_L2为

T_L2＝WB+AP＝83+7＝90

T_L1＝T_L2+RT＝90+10＝100

此组(T_L2＝90，T_L1＝100)数据为在WB＝83时冷却水进出冷凝器的温度上限，亦即所设定的最大容许操作条件。

此时冷凝器热负载Q_C可由下式求得，

Q_C＝M_L×C_L×(T_L1-T_L2)15000Btu/hr

C_L＝1Btu/lb-

的值由(式8)可求得

$\frac{\mathrm{fA}}{k}=0.976$

实施例2：冷凝器的热负载降低时，T_L1和T_L2的变化。

当操作条件M_L、M_G和WB与例1相同，而冷凝器的热负载降低时，由冷凝器的温度量测器21、22可得知冷却水的进出温度T_L1和T_L2的变化。其改变后的数值分别为T_L1＝95，T_L2＝88。

由上述(式11)，可计算热负载Q_C

Q_C＝M_L×C_L×(T_L1-T_L2)10500Btu/hr

和例1的Q_C相比，约为70％(＝10500/15000)，亦即下降30％。由于此时的操作条件M_L、M_G和WB与例1相同，因此

的值也必须和例1相同，

为0.976。利用此 $\frac{\mathrm{fA}}{k}=0.976$ 的条件，代入(式8)，亦可求得一组对应的T_L1和T_L2。通过数值计算，可知T_L1＝95.24，T_L2＝88.24，由温度量测器(21)和(22)所得量测值约为T_L1＝95，T_L2＝88，两者可近似视为相等。以下的节能的实施例以70％的热负载为依据。

实施例3：

冷凝器的热负载降低时的因应措施。降低冷却空气流量M_G，以使冷却水进入冷凝器的温度T_L2从例2的88上升成例1的上限温度90，以节约电力能源。

由例2中得知，冷凝器的热负载降低为例1的70％时，进入冷凝器的冷却水温度T_L2变为88，为节约电力能源，此时将冷却空气的流量M_G减少，冷却水塔的冷却能力因而降低，致使冷却水的温度上升。由于进入冷凝器的冷却水温度上限为90，通过冷却水温度量测器度22的控制，即可达成目的，在此同时节约了电力能源。这种节能方式目前巳被广泛使用，中国台湾专利公告编号“305447”、名称为“能量可随负载变化自动调整变化的冷却水塔”的前案专利亦是采用这种方式。由前述的数值计算方法可得知；此时的状态如下

T_L1＝97，T_L2＝90， $\frac{\mathrm{fA}}{k}=2.802$

冷却空气流量巳经改变，当然 的值亦随之改变，冷凝器的热负载Q_C可由下式求得。

Q_C＝M_L×C_L×(T_L1-T_L2)10500Btu/hr

仍为例1的70％。

实施例4：

冷凝器的热负载降低时，本实用新型所提供的因应措施。同时降低冷却水M_L与冷却空气M_G流量，使冷却水进出冷凝器的温度从例2的T_L1＝95，T_L2＝88；上升为如前述冷凝器最大容许操作条件T_L1＝100，T_L2＝90。

此方法先降低冷却水流量M_L，之后调降与冷却空气流量M_G，较例3的前案专利所提方法更大幅降低电力能源，达到更有效的节能效果，此方式即是本实用新型的主要内容。

由例3得知，降低冷却空气量可使进出冷凝器的水温上升为T_L1＝97，T_L2＝90。但是冷凝器的上限温度为T_L1＝100，T_L2＝90，由数据得知T_L1仍有3(＝100-97)的利用范围。因此在维持Q_C为10500Btu/hr的条件下，用前述的数值计算方法可求出当冷却水量M_L＝21GPM，冷却空气流量M_L＝18GPM，MLG＝1.167时，可使T_L1＝100，T_L2＝90达到上限温度，此时 的值变为0.960，冷凝器的热负载Q_C，可由下式求得

Q_C＝M_L×C_L×(T_L1-T_L2)＝21×CL×(100-90)10500Btu/hr

可知仍为10500Btu/hr，结果得知下降冷却水流量，并下降冷却空气流量，仍可维持在例1的操作范围。

由计算结果可验证当热负载变成70％时，冷却水流量大约为原来(例1)冷却水流量的70％(＝21GPM/30GPM)。由此结论应用于冷却水流量的控制方法如下；

从冷却水的温度量测器21和22中得知冷凝器的热负载降低后的温度T_L1＝95、T_L2＝88，求出两者的温度差ΔT＝7。冷凝器T_L1和T_L2两者设定的上限温度的温差ΔT＝10(＝100-90)，两者的比值为0.7(＝7/10)。冷却水流量则从原来在上限温度状态的30GPM下降30％而调整成为21GPM(＝30GPM×0.7)，而后再调整冷却空气流量M_G，使从温度量测器21和22的读数分别为T_L1＝100、T_L2＝90为止。由于冷却水输送所需的能量远大于冷却空气，降低冷却水的流量，必可大幅节省水泵23的耗能，因此本案的节能方式不但远优于例3中前案的节能方式，且经数值计算推导与实测的验证，的确正确无误，并且确实可行。整体控制如图4。图中虚线所包含的内容在实际应用时，可由可编程逻辑控制器加以整合。

实施例5：当冷凝器的热负载仍为100％而外界环境变冷，使外界空气湿球温度WB从83(例1)降低成81时，应如何调整冷整冷却水的进出温度T_L1和T_L2的值。

由于冷凝器的热负载仍为100％，冷却水和冷却空气流量仍分别为M_L＝30GPM，M_G＝25GPM。MLG仍为1.2(＝30/25)冷凝器100％的热负载Q_C由例1可知为15000Btu/hr，故冷却水塔的

值仍为0.976，范围度RT维持在10，而此时外界的WB值降为81时，以上述条件利用前述的数值计算方法可求得符合此状态的冷却水进出口温度T_L1＝98.5、T_L2＝88.5。此时接近度AP由原来(例1)的7.0改变为7.47，在冷凝器100％热负载下。接近度AP和冷却空气进入冷却塔时的湿球温度WB之间的关系，可用前述数值计算方法求得，其关系如图5。当WB为81时，AP约为7.5。冷却水的T_L2＝WB+AP为最佳值，所以T_L2＝81+7.5＝88.5

此时若欲节能，如例3的前案方式，单独将冷却空气量M_G降低，使MLG变为1.65，可节省冷却塔风扇的电力能源，使T_L1＝100、T_L2＝90，

值变为0.974。

一般系统，冰水机作功(主要由压缩机5)的能量约为冷却塔作功(主要由风扇11)能量的15倍。当降低冷却空气流量而使T_L2从88.5上升至90，节省了风扇的电力能源，但伴随的结果使T_L1从98.5上升至100，使冰水机作功增加，耗损更多能量，总体而言，因小失大，无法达到节约的效果。因此例3的前案，从设定固定的T_L2从90(此数据由制造商提供，在满载且外界WB为83的条件)的方式，无法达成节省的效果。

反观本实用新型的方式，可由图5的结果，调整T_L2为88.5，在冷却水和冷却空气流量仍分别为M_L＝30GPM，M_G＝25GPM的条件下得到T_L1为98.5，由于冷凝器的进出水温已下降，表示冰水机所作的功降低，因而达到节能的目的。在此时若试图增加冷却空气的流量以使T_L2的温度低于88.5，这将会是只增加能源使用而徒劳无功的，因为由图5得知，WB加上AP将是T_L2的最低值。当此时冷凝器的热负载降低时，则可依例4本案所提方法加以调整，可节省更多能源。因此当冷却空气的温度量测器14量测得知外界空气的湿球温度(WB)值下降时，依图5的结果设定进入冷凝器的冷却水上限温度，可达到最佳使用状态，亦即达到最有效的能源使用条件。

Claims (12)

1.一种可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其中该冷却水塔包括冷却水塔主体、湿度计、可以变频控制的水泵、多个温度量测器及具有运算功能的控制器，其特征在于：该冷却水塔主体为一个或多组并联使用，以吸入冷却空气冷却流入的冷却水，所述湿度计装设于冷却水塔，所述可以变频控制的冷却水泵装设于冷却水流道中，且多个温度量测器分别装设于冷却空气及冷却水的进出口处，并与控制器连接，其中至少包括一个用以计算冷却空气的湿球温度及冷却水进出冷却水塔时的温差的控制器，其中该控制器内预先设定有最大容许操作条件和内建外气的湿球温度对应的接近度的数据。

2.如权利要求1所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述冷却水塔主体包含可以变频控制的冷却风扇、冷却盘和水槽。

3.如权利要求2所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述可以变频控制的冷却风扇是由控制器控制其冷却空气流量的多寡。

4.如权利要求1所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述可以变频控制的冷却水泵由控制器控制其冷却水流量的多寡。

5.如权利要求1所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，该冷却水塔包括有四个温度计及三个控制器。

6.如权利要求5所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述四个温度量测器中的两个，分别装设于进出冷凝器的冷却水流道，以分别量测冷却水进出冷凝器时的水温，并和控制器连结。

7.如权利要求5所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述四个温度量测器中的两个，分别装设于进出冷却水塔的冷却空气进口以及出口处，以量测冷却空气进出冷却水塔时的温度，并和控制器连结。

8.如权利要求5所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述三个控制器中的第一控制器内含计算程序，接收湿度计和装设于冷却水塔的冷却空气进口的温度量测器所撷取的数据，该第一控制器与另一第二控制器连结。

9.如权利要求8所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述三个控制器中的第三控制器与装设于进出冷凝器的冷却水流道的两个温度量测器连结。

10.如权利要求8所述的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，所述三个控制器中的第二控制器内设定有最大容许操作条件，并与第一及第三控制器连结，且其撷取依照量测的外界空气湿球温度和冷却水的进出口温度差数据，并与最大容许操作条件比对相互比较决定最佳冷却水流量以及冷却空气流量，并输送信号至可以变频控制的冷却水泵以及一可以变频控制的冷却空扇。

11.如权利要求1的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，外界空气的湿球温度对应接近度的数据内建于控制器内。

12.如权利要求1的可随负载改变而自动调整冷却水流量与冷却空气流量的冷却水塔，其特征在于，控制器同时控制并联使用多台同型的冷却水塔。

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