閉式涼水塔冷卻水系統的溫度控制與防凍改造

羅 庸

（湖南福瑞印刷有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

印刷設備外接的冷卻水，要求溫度在18～35 ℃。公司采用閉式涼水塔做為冷卻水系統的制冷設備，安裝于室外，這是一種非常節能的制冷方法。但在冬季低溫環境下，冷卻水溫度將低于10 ℃甚至更低；在冬季冰點環境下，系統長時間停止工作后，閉式涼水塔的表冷器紫銅管會因冷卻水結冰而凍裂。

1 改造前系統工作原理與運行分析

改造前系統工作原理如圖1 所示，選用閉式涼水塔做為系統的制冷設備，內含兩個水循環系統：①涼水塔噴淋泵─表冷器翅片─水池─涼水塔噴淋泵所構成的內循環系統；②表冷器紫銅管─外循環水泵─熱交換器─表冷器紫銅管所構成的外循環系統。閉式涼水塔的核心部件為帶有散熱翅片的紫銅管表冷器，噴淋泵從水池抽取低溫水后，將水從表冷器頂部噴淋在紫銅管散熱翅片上，水自流而下落入水池；同時，散熱風扇工作，低溫空氣從涼水塔四周下部位置進入，經紫銅管散熱翅片后被風扇排出；通過水冷和風冷的形式使散熱翅片降溫，從而冷卻表冷器紫銅管內部外循環系統的冷卻水，完成與外界空氣的熱交換。內循環水系統為開式系統；外循環水系統的熱交換器一般為釬焊板式熱交接器，因此為閉式系統。

公司于2018 年4 月在廠房屋頂安裝4 套互為獨立的閉式涼水塔冷卻水系統，選用南方某品牌的閉式涼水塔做為制冷設備。安裝時，廠家僅配備簡單的電氣控制系統，散熱風扇和噴淋泵均為手動單獨開啟與停止，系統無溫度控制和檢測，外循環系統采用閉式系統。涼水塔冷卻水系統自安裝后，運行平穩，水溫在要求的范圍內。但這種制冷方式決定冷卻水溫度受環境溫度影響大，受季節氣候影響的特征明顯。由于系統無人值守，其電氣控制又為手動控制，系統一經開啟便處于制冷模式，冬季低溫環境下，外循環系統冷卻水溫度過低，可達10 ℃甚至更低，遠低于印刷設備所要求18～35 ℃的水溫范圍，影響印刷設備的正常運行。另外，極端低溫條件下，在系統長時間停機時，表冷器紫銅管出現過兩次因冷卻水冰凍而破裂的情況。

2 原因分析與對策

2.1 水溫問題

分析涼水塔的工作原理，其制冷有兩種途徑：水冷與風冷，噴淋泵工作則進行水冷，散熱風扇工作，則進行風冷。夏季高溫季節，由于環境溫度高，為確保制冷量，此時同時開啟噴淋泵和散熱風扇，以滿足冷卻水的水溫要求。低溫環境下，涼水塔的制冷能力其實已有過剩，單獨開啟噴淋泵或散熱風扇已能滿足冷卻水水溫要求；極端低溫環境下，單獨開啟噴淋泵或散熱風扇時，涼水塔的制冷能力也將過剩，在涼水塔手動控制模式下，噴淋泵和散熱風扇始終同時工作，致使系統水溫與外界環境溫度基本一致，甚至達到冰點。使噴淋泵和散熱風扇在受控條件下自動運行是解決水溫問題的關鍵所在。

2.2 表冷器紫銅管凍裂問題

表冷器安裝于涼水塔內頂部位置，與外界環境相通，因外循環冷卻水系統為閉式系統的緣故，其紫銅管內保持滿水狀態。系統長時間停止工作時，外循環冷卻水不再流動，在環境溫度低于冰點時，紫銅管冷卻水冰凍，此時就會出現紫銅管被凍裂的現象。一般來說將冷卻水排出一部分，紫銅管內冷卻水全部排放，凍裂問題即能解決。

3 改造方案

3.1 溫度控制

圖2 為改造后溫度控制電路圖，以PT100 型溫度傳感器做為水溫檢測元件，將信號接入E5CC-RX2ASM-800 溫控器。外循環水泵開啟，自動控制激活，噴淋泵、散熱風扇開關自動位置為溫控器自動控制，保留手動控制；外循環系統的循環水泵出口安裝E52-P20C-N 溫度傳感器，水溫設定值為18 ℃。噴淋泵啟停控制：水溫＝設定值＋參數1，噴淋泵啟動，水溫≤設定值，噴淋泵停止；散熱風扇的啟停控制：水溫＝設定值＋參數2，風扇啟動，水溫≤設定值＋參數2－參數3，風扇停止；參數1＝3 ℃，參數2＝4.2 ℃，參數3＝3.2 ℃。

圖2 改造后溫控電路

這種控制方式下，涼水塔的運行在冬季低溫季節受到溫度控制。冷卻水溫度≤18 ℃時，噴淋泵、散熱風扇全部停止，外循環系統的冷卻水溫度不再下降；冷卻水溫度≥22.2 ℃時噴淋泵、散熱風扇全部啟動，冷卻水溫度快速下降；這樣，系統工作時，當水溫下降至19 ℃散熱風扇首先停止工作，水溫繼續下降至18 ℃噴淋泵也停止工作；相反，當水溫升高至21 ℃噴淋泵首先啟動，水溫繼續升高至22.2 ℃散熱風扇也啟動。考慮到系統管路較長，冷卻水實際水溫控制有所延時，因而將溫度傳感器安裝于外循環水泵的出口，并取水溫設定值為18 ℃，系統管路末端的實際溫度較設定值高1～3 ℃，但并不影響印刷設備的運行。

3.2 防凍改造

表冷器紫銅管防凍裂的改造方案如下：將外循環系統由閉式系統改為開式系統，改造后防冰凍原理如圖3 所示。在閉式涼水塔出水口與外循環水泵入口之間安裝一個儲水箱，水箱上方開口并加蓋，將外循環系統由閉式改變成開式系統。水箱足夠大，保證開機水位處于水箱1／3 以上位置，停機水位處于水箱2／3 以下位置，使得系統停止工作時表冷器紫銅管內的冷卻水能自動全部回流至水箱且不外溢。這樣便可保護表冷器紫銅管不被凍裂。但由于外循環冷卻水系統已變成開式系統，雖然水箱開口已加蓋，但系統還是存在水量減少的可能，為此水箱加裝自動補水的浮球閥。水箱的進水口位于水箱上部，系統工作時，經表冷器紫銅管冷卻后回流的水將引起的水面波動，進而引起浮球閥擺動，并因此加速其損壞。所以在水箱中間偏進水口一側設置隔板，將水箱分隔成左右兩室，隔板上布滿小孔，起到緩沖水流波動的作用，以穩定浮球閥。同時，安裝水箱時，盡量靠近涼水塔，以縮短管道長度，這樣能減小水箱容積，降低制作成本。

圖3 改造后防冰凍原理

4 改造效果（圖4）

圖4 改造后運行現場

自2019 年9 月開始，對4 套閉式涼水塔冷卻水系統進行了溫度控制和防凍改造，至今已運行2 年。冬季最低水溫能控制在18 ℃以上，表冷器紫銅管亦未凍裂，浮球閥使用壽命長，系統工作穩定，改造成功。實際運行情況表明，低溫環境下工作，散熱風扇停機較多，大多只需噴淋泵工作即可滿足制冷的要求，節能效果明顯。

5 結語

閉式涼水塔的制冷方式是一種節能環保的冷卻水制取方法，系統結構簡單、運行平穩、故障率低、應用范圍廣。實踐表明，安裝時注意所處位置通風良好、無陽光直射，確保夏季制冷所需；并做好低溫環境下的水溫控制和防凍保護，閉式涼水塔冷卻水系統值得大力推廣。