专利名称：一种冷却水塔的制作方法
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。
图l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-l.冷却水塔12.冷却盘14.温度量测器(]16.湿度计21.温度量测器'23.冷却水泵25.控制器3.蒸发器5.压縮机7.膨胀阀!l得T,Gl溯得Tu )11.风扇 13.水槽15.温度量测器(量测得Tc2 ) 2.冷凝器22.温度量测器(量测得TY2 ) 24.控制器 26.控制器4.室内风机冷却盘管 6.冰水泵躺錯放图2为冷凝器(Condensor) 2与冷却水塔(cooling tower) 1之间的作动 详图。^^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Tu从冷凝器流出。随之被输送至冷却水塔l的入口。 一般通过重力 作用，高温Tu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 Mc，温度为T。，使其往上流，以冷却往下流的冷却水，且于冷却水塔1连
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。为一定。相反地，冷却水则从Tu的较高温度被冷却为1Y2,流量虽因水的蒸发作用而略减，但 一般仍会近似视Mt为定值。此温度为TY2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 1Y2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AT (Tu—TY2)，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<formula>formula see original document page 7</formula> (式l) (式l)中ATY为此区间的温度差，(^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dQc为<formula>formula see original document page 7</formula> (式2) (式2)中厶H为此区冷却空气的烚差(enthalpy difference),由下式算出<formula>formula see original document page 7</formula>(式3 )H (TC)和H (Te+dT 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<formula>formula see original document page 7</formula> (式4 ) 一般在工程应用上，dQe亦可近似由下式求得d QG = { (H「H) d A (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Hs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Hs均为温 度函数，(Hs—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。—J;"M,XC丄dT-J:f(他一/z)d A (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(r/^=^i=—r^￡^ri (式7)Jo t t J711 1实际计算则用下式f = -M￡xC￡xA 二"J (式8)式中(Hs—H)表示体积增量内的平均焓差。厶T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)求得等号孕边的值。当孕的值为已知时，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Ml，冷却空气流量Mg,范围度(range) RT,接近度(approach) AP。进 入冷凝器时冷却水的温度上限TY2，离开冷凝器时冷却水的温度上限Tu，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(TV2)和冷却空气进入冷 却塔时的湿球温度(wet bulb te即erature) WB两者的差值，亦即Tl2=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=TU—TL2 (式10)而冷凝器2的负载ql,可由下式求得QL=ML X CL X ( TU_TL2) (式11 )代换后可得QL=ML X CL X RT (式12 )冷却空气的总热量Qs则为下式表示QG=MG X ( HTG2—HTG1) =Ql (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Ml,以及设定的比值MLG,再依次求得TY2和Tu。代入(式8),可求出孕的值。由f、 A和k所具有的物理意义而言， 孕的值可视为一种非常有意义的冷却塔性能系数，当艮、MLG和WB值保持一定时，此冷却水塔性能系数孕亦需维持定值，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IY2、 TY,和AP的变化。得知1Y2 和TY,的变化后，可通过数值计算并调整冷却水Mi和MLG比值，而使TY2和TY,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l: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ML=30GPM (每分钟30加仑)冷却空气流量MG=25GPM (每分钟25加仑(=256磅))冷却水和冷却空气的质量流量比MLG (ML/MG) =1.2范围度RT = 10°F接近度AP=7°F冷却空气流入冷却塔的湿球温度WB=83°F 冷却水流出冷凝器的温度上限T"为 TL2=WB+AP=83°F+7°F =90°F TU=TL2+RT=90°F + 10°F = 100°F 此组a2=90°F， TU = 100T)数据为在冊=83下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Qc可由下式求得， QC=MLXCLX (TL1—TL2) — 15000Btu/hr CL=1 Btu/lb - °F孕的值由(式8)可求得 ^=0. 976A:实施例2:冷凝器的热负载降低时，Tu和T^的变化。当操作条件Ml、 Me和WB与例l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TY,和TY2的变化。其改变后的数 值分别为Tu二95T， Tu=88°F。由上述(式ll),可计算热负载QcQC=MLXCLX (Tu—TL2) — 10500Btu/hr和例l的Qc相比，约为70% (=10500/15000)，亦即下降30%。由于此时 的操作条件Ml、 Mg和WB与例1相同，因此丑的值也必须和例1相同，左为A: A:0.976。利用此孕=0.976的条件，代入(式8)，亦可求得一组对应的Tu和TL2。通过数值计算，可知Tu-95.24下，Tl2-88.24下，由温度量测器(21)和 (22)所得量测值约为Tu二95下，乙=88下，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Mc，以使冷却水进 入冷凝器的温度T^从例2的88下上升成例1的上限温度90°F，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TY2变为88°F，为节约电力能源，此时将冷却空气的流量Mc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°F，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<formula>formula see original document page 11</formula>冷却空气流量巳经改变，当然孕的值亦随之改变，冷凝器的热负载Qc可由 下式求得。QC=M l X C l X ( Tu —TL2 ) — 10500 Btu / 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 ,与冷却空气M c流量，使冷却水进出冷凝器的温度从例2的Tu = 95 。F， TY2 =88 °F;上升为如前述冷凝器最大容许操作条件Tu = 100 。F， TY2= 90 °F。此方法先降低冷却水流量M,，之后调降与冷却空气流量Me,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Tu= 97下， TL2= 90下。但是冷凝器的上限温度为Tu二 100 。F， TL2= 90 °F，由数据得知 Tu仍有3 °F(=100 。F—97下)的利用范围。因此在维持Qc为10500 Btu / hr 的条件下，用前述的数值计算方法可求出当冷却水量M^21GPM，冷却空气流量 ML= 18 GPM, MLG = 1.167时，可使TL1 = 100 °F， TL2 = 90 T达到上限温度，此时孕的值变为0.960，冷凝器的热负载Qc，可由下式求得<formula>formula see original document page 11</formula>
可知仍为10500 Btu / 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l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% (=21 GPM / 30 GPM)。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Tu = 95 °F、 TL2= 88 T，求出两者的温度差厶T = 7 T。冷凝器Tu和T"两者设 定的上限温度的温差AT = 10 T(= 100下一90 T)，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30 GPM下降30 %而调整成为21 GPM (=30GPMX 0. 7)，而后再调整冷却空气流量M"使从温度量测器21和 22的读数分别为Tu= 100下、TL2= 90 。F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下(例1)降低成81下时，应如何调整冷整冷却水的进出 温度Tu和Tl2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30 GPM， MG= 25 GPM。 MLG仍为1.2 (=30 / 25)冷凝器100 %的热负载Qc由例1可知为15000 Btu / hr，故冷却水塔的^值仍为0. 976,范围度RT维持在10下，而此时外界的WB值降为81下时，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Tu= 98.5下、TL2= 88.5下。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下时，AP约为7.5下。冷却水的Tl2= WB+AP
为最佳值，所以1\2= 81T+7. 5 T= 88.5 T此时若欲节能，如例3的前案方式，单独将冷却空气量Mc降低，使MLG变为1.65，可节省冷却塔风扇的电力能源，使Tu= 100下、90 T， ^值 变为0. 974。一般系统，冰水机作功(主要由压縮机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L从88. 5下上升至90下， 节省了风扇的电力能源，但伴随的结果使Tu从98.5下上升至100 °F，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TY2从90下(此数据由制造商提供，在满载且外界 WB为83下的条件)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Tu为88.5'F，在冷却水 和冷却空气流量仍分别为ML= 30 GPM, Mr 25 GPM的条件下得到Tu为98. 5 T， 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TV2的温度低于88.5下，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Tu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。
权利要求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。
专利摘要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。
文档编号F28F27/00GK201003930SQ200620132939
公开日2008年1月9日 申请日期2006年8月31日 优先权日2006年8月31日
发明者王吉一, 黄文正 申请人:王吉一