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摘要針對(duì)地鐵空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的特殊要求,提出了噴霧間接蒸發(fā)冷卻器與噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器兩種方案,簡(jiǎn)要分析了兩種方案的工作原理和節(jié)能效果,計(jì)算表明,采用噴霧冷卻設(shè)備替代1臺(tái)600m3/h機(jī)械通風(fēng)冷卻塔時(shí),在不考慮冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)上,僅冷卻塔補(bǔ)水水費(fèi)一項(xiàng)每年就可節(jié)約17萬元。

關(guān)鍵詞地鐵噴霧冷卻冷水機(jī)組噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器

0引言

近年來,我國(guó)大力發(fā)展城市軌道交通,尤其鼓勵(lì)地鐵的發(fā)展,繼北京、上海、廣州、深圳多條地鐵線開通運(yùn)營(yíng)后,很多大型城市正在或即將修建地鐵,由于地鐵站空調(diào)系統(tǒng)需要對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫,因此,在地鐵建設(shè)中不可避免會(huì)涉及冷卻塔的設(shè)置問題。由于地鐵線路所經(jīng)過的區(qū)域多是城市繁華地帶,地面上設(shè)置冷卻塔的空間有限或根本沒有,將冷卻塔安裝在地面上不僅影響城市景觀和規(guī)劃,而且給周圍環(huán)境帶來噪聲污染和衛(wèi)生隱患。因此,研究地鐵專用的冷卻器替代目前設(shè)置在地面的冷卻塔,對(duì)解決地鐵冷卻塔設(shè)置的問題具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前地鐵空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中所采用的冷卻塔是針對(duì)設(shè)置在室外進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的,分為橫流式和逆流式兩種,冷卻塔體積巨大,塑料填料間距很小,安裝于地鐵排風(fēng)通道中必然影響地鐵排風(fēng);為避免冷卻水被外界空氣污染,冷卻水不宜與外界空氣接觸,因此,普通開式冷卻塔不宜用于地鐵空調(diào)系統(tǒng),而封閉式冷卻塔和蒸發(fā)式冷凝器由于換熱效率等問題而不適合在地鐵站中使用,本文提出新型閉式噴霧冷卻器和新型噴霧冷凝器兩種方案,并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1噴霧冷卻技術(shù)研究成果

自Maclaine-cross和Banks建立間接蒸發(fā)冷卻計(jì)算模型以來,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者以此為基礎(chǔ)對(duì)噴霧間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。楊強(qiáng)生等人基于Merkel方程,實(shí)驗(yàn)研究了噴霧空氣冷卻器的傳熱傳質(zhì)過程,通過回歸的方法得到容積散質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式[1]。梅國(guó)暉等人研究了高溫表面噴霧冷卻傳熱系數(shù)、氣水霧化噴嘴最佳氣水比和噴射方向?qū)婌F冷卻換熱的影響,研究表明,噴霧冷卻過程存在最佳氣水比,但最佳氣水比不是固定不變的,它隨著水壓的增加而減小;在低水流密度下,噴射角90°處噴霧傳熱系數(shù)最大,其他噴射角度的傳熱系數(shù)大致以噴射角90°處對(duì)稱,在高水流密度下,隨噴射角度增加而顯著增加[2-4]。劉振華通過數(shù)值計(jì)算方法討論了液滴與空氣速度比和噴霧條件之間的相互關(guān)系,認(rèn)為在自由射流情況下,速度比的變化使流體形成在噴嘴附近的非穩(wěn)定區(qū)和下游的穩(wěn)定區(qū),在均一流情況下則不存在非穩(wěn)定區(qū),在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)速度比與模型類別、噴霧距離和初始速度無關(guān);在噴霧距離大于0.5m后,可認(rèn)為速度比進(jìn)入穩(wěn)定區(qū),其大小取決于液滴直徑和空氣沖擊速度,空氣沖擊速度越大,速度比越接近1,液滴直徑越小;液滴直徑小于100μm,可認(rèn)為速度比等于1,對(duì)工程計(jì)算沒有影響[5]。JunghoKim詳盡研究了噴霧冷卻的傳熱機(jī)理和目前噴霧冷卻模型的優(yōu)缺點(diǎn),研究了物體表面形狀、噴霧傾斜角度和重力對(duì)噴霧冷卻的影響[6]。最近,美國(guó)國(guó)家航空航天局的EricA.Silk等人研究了3種強(qiáng)化表面的噴霧冷卻效果和噴射傾斜角度(噴射軸向與物體表面法向夾角)對(duì)噴霧冷卻的影響,在噴霧溫度為20.5℃時(shí),分析了冷卻水管采用3種不同肋片表面對(duì)冷卻效果的影響,研究表明,相對(duì)于平表面而言,直肋片表面熱流密度最大,且噴射傾斜角度為30°時(shí),熱流密度可提高75%[7]。

2噴霧冷卻與淋水冷卻的比較

2.1能耗比較

開式噴霧通風(fēng)冷卻塔由于采用噴霧裝置,改變了機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的工藝結(jié)構(gòu),不需要淋水填料,所需的風(fēng)機(jī)功率很小甚至不需要風(fēng)機(jī),因此,節(jié)省設(shè)備的初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,表1是一種噴霧冷卻塔與機(jī)械通風(fēng)冷卻塔能耗比較[8]。

2噴霧冷卻與淋水冷卻的比較

2.1能耗比較

開式噴霧通風(fēng)冷卻塔由于采用噴霧裝置,改變了機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的工藝結(jié)構(gòu),不需要淋水填料,所需的風(fēng)機(jī)功率很小甚至不需要風(fēng)機(jī),因此,節(jié)省設(shè)備的初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,表1是一種噴霧冷卻塔與機(jī)械通風(fēng)冷卻塔能耗比較[8]。

從表1可以看出,當(dāng)冷卻水量從75m3/h增加到700m3/h時(shí),在沒有考慮普通冷卻塔配套設(shè)施能耗和運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)上,噴霧冷卻塔與相應(yīng)規(guī)格的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔相比,綜合節(jié)能效率在30%~50%之間,噴霧冷卻效益顯著。

噴霧冷卻器設(shè)置在地鐵排風(fēng)通道內(nèi),水霧與冷卻器表面的換熱量最終必須由通道內(nèi)排風(fēng)帶走,因此,空氣的溫濕度決定了冷卻器的換熱效果,而通道內(nèi)空氣的溫濕度與室外空氣溫濕度差別很大,因此,實(shí)現(xiàn)相同排熱量所需冷卻器的體積相對(duì)會(huì)大一些,相應(yīng)設(shè)備功率會(huì)增大,這樣,不可避免地要增加部分能耗和初投資及運(yùn)行費(fèi)用。

由于冷卻塔設(shè)置在地鐵排風(fēng)通道內(nèi),必然會(huì)造成通道的排風(fēng)斷面減小,排風(fēng)阻力增大,由局部阻力計(jì)算公式可知,局部阻力與通道的局部阻力系數(shù)和速度的二次冪的乘積成正比,當(dāng)通道排風(fēng)斷面減小一半時(shí),則局部阻力將為原來的4倍,因此,要實(shí)現(xiàn)相同排風(fēng)量,排風(fēng)機(jī)的功率可能會(huì)增大。

2.2費(fèi)用比較

假定某地鐵制冷站冷卻塔選用橫流式冷卻塔,型號(hào)為DBHZ2—600,9.6萬元/臺(tái),設(shè)計(jì)進(jìn)、出口水溫分別為37℃/32℃,濕球溫度為28℃,占地面積43m2,高度為3.61m,風(fēng)機(jī)功率為12kW,風(fēng)量為351m3/h,A聲級(jí)噪聲為56.6dB;循環(huán)水泵選用1臺(tái)軸流泵,流量為400m3/h,功率為7.5kW,凝結(jié)水泵選用1臺(tái)軸流泵,流量為750m3/h,功率為3kW,水泵費(fèi)用為0.75萬元;循環(huán)水泵運(yùn)行費(fèi)用為5.58萬元/a,凝結(jié)水泵運(yùn)行費(fèi)用為2.23萬元/a(電費(fèi)為0.85元/(kWh),水費(fèi)為2.8元/t,水、電價(jià)來自于重慶市自來水公司和重慶市電力公司;冷卻塔和水泵信息來自阿里巴巴網(wǎng)2007-3-15報(bào)價(jià))。

冷卻塔的運(yùn)行費(fèi)用包括水泵的運(yùn)行費(fèi)用和補(bǔ)給水的費(fèi)用,要維持冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),需定期補(bǔ)給循環(huán)水,年補(bǔ)給水量ΔL為[9]

式中Q為冷卻水的循環(huán)量,t/h;K為系數(shù),取0.14;h為冷卻塔全年運(yùn)行時(shí)間,h;m為冷卻倍率,取60。

假定系統(tǒng)全天運(yùn)行24h,一年按365d計(jì)算,求得年補(bǔ)給水量應(yīng)為66225.6t,年補(bǔ)水費(fèi)為18.54萬元,冷卻塔風(fēng)機(jī)年運(yùn)行費(fèi)用為8.94萬元,則冷卻塔年運(yùn)行費(fèi)用為35.29萬元。假設(shè)采用噴霧冷卻的設(shè)備費(fèi)用與采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的設(shè)備費(fèi)用相同,但由于噴霧所需水量為機(jī)械通風(fēng)的補(bǔ)水量的5%,因此,在不考慮冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)上,僅系統(tǒng)補(bǔ)水水費(fèi)一項(xiàng)就可節(jié)約17萬元左右。

2.3耗水量比較

如上所述,假定某地鐵制冷站采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔時(shí)需要冷卻水量為600m3/h,配套冷卻塔進(jìn)、出口水溫為37℃/32℃。假定噴霧溫度為34℃,含濕量為34.94g/kg,蒸發(fā)率為0.6~0.8,那么噴霧速率1.8~2.4kg/s就可實(shí)現(xiàn)冷卻水降溫,全年所需水量為1763~2645t。若采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔,如上述計(jì)算可知,年補(bǔ)水量為66225.6t,同樣,采用噴淋水冷卻時(shí),按相關(guān)規(guī)范,最小噴淋水量為100kg/(m3·h),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴霧冷卻所需水量[10],因此,單從耗水量而言,冷卻方式宜采取噴霧冷卻。

3噴霧間接蒸發(fā)冷卻器與噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器

3.1噴霧間接蒸發(fā)冷卻器

噴霧冷卻塔與普通機(jī)械通風(fēng)冷卻塔不同之處在于噴霧裝置的應(yīng)用,噴霧裝置是一種射流元件,是噴霧冷卻塔的核心部件,它取代了傳統(tǒng)冷卻塔的填料和風(fēng)機(jī),通過噴嘴產(chǎn)生的內(nèi)旋流作用,有效地保證了低壓狀態(tài)的霧化度,利用低壓液流通過旋流霧化噴頭形成霧化,噴霧流的反作用力推動(dòng)它作反向旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生由下部吹向霧流的風(fēng)力,霧化水滴與進(jìn)塔空氣在霧化狀態(tài)條件下進(jìn)行換熱,達(dá)到預(yù)期的降溫效果[8]。

噴霧冷卻塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,質(zhì)量輕,噪聲低,耐腐蝕,不易堵塞,使用壽命長(zhǎng),除了省卻風(fēng)機(jī)、填料,降低成本費(fèi)用外,還降低了塔體的自重,減少由填料阻塞引起的冷卻塔維修,冷卻效果穩(wěn)定,但是由于它和普通開式冷卻塔一樣與外界空氣直接接觸,不能保證冷卻水水質(zhì),而且冷卻效果易受空氣參數(shù)影響。

封閉式冷卻塔由于冷卻水在處理過程中不與外界空氣接觸,冷卻水質(zhì)不會(huì)受到外界的污染,但地鐵空調(diào)系統(tǒng)中如果采用噴淋水來冷卻封閉式冷卻塔內(nèi)的冷卻水,不僅冷卻效果劣于普通開式冷卻塔,冷卻塔的體積非常大,而且由于存在大量的飄逸損失,噴淋水用水量大,與將冷卻塔設(shè)置在地面相比得不償失,因此,綜合噴霧冷卻塔和封閉式冷卻塔的優(yōu)點(diǎn),本文提出了一種新型的封閉式噴霧冷卻器。

噴霧間接蒸發(fā)冷卻器利用氣水霧化噴嘴將經(jīng)過處理的少量水霧化,噴到冷卻器表面,形成一層均勻水膜,通過水膜蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)冷卻器內(nèi)部冷卻水降溫。它既能保證冷卻水不受污染,又能達(dá)到冷卻效果,而且由于噴霧所用的水經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?不會(huì)堵塞噴霧裝置,能緩解冷卻盤表面結(jié)垢問題。噴霧間接蒸發(fā)冷卻器研究的核心問題是霧化效果和水膜的完整性、均勻性和厚度。

3.2噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器

蒸發(fā)式冷凝器是目前制冷系統(tǒng)中常用的一種間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備,主要特點(diǎn)是耗水量少,節(jié)電和結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,熱效率高。一般水冷式冷凝器每kg冷卻水能帶走4~6kJ的熱量,而蒸發(fā)式冷凝器每kg水蒸發(fā)能帶走約580kJ的熱量,所以蒸發(fā)式冷凝器的理論耗水量只有一般水冷式冷凝器的1%。考慮冷卻水的飛濺以及蒸發(fā)、溢水等損失,實(shí)際耗水量約為一般水冷式冷凝器循環(huán)水量的5%~10%。

由于噴霧冷卻能在冷卻器表面形成相對(duì)完整均勻的水膜,冷卻效率更高,所需水量少,目前噴霧冷卻多用于高溫物體表面的冷卻降溫,因此,研發(fā)一種耗水量少的新型噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器,可以解決地鐵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置冷卻塔的問題。

該方案的最大優(yōu)勢(shì)在于不用設(shè)置冷卻塔,節(jié)省冷卻塔及配套設(shè)施的初投資和運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境問題,采用噴霧冷卻的方法,由于所需的水量很少,噴霧水源問題就很容易解決,可以對(duì)噴霧所用的水進(jìn)行軟化處理,防止堵塞噴霧裝置和緩解冷凝器表面結(jié)垢。

噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器實(shí)質(zhì)上是本文所述噴霧間接蒸發(fā)冷卻器的一個(gè)改進(jìn)方案,要開發(fā)它,除了要解決閉式噴霧冷卻器的霧化效果,水膜均勻性、完整性和厚度等問題以外,還必須與廠商協(xié)商設(shè)置冷凝器與冷水機(jī)組設(shè)備接口,對(duì)管道進(jìn)行保溫,研究冷凝器與機(jī)組距離對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備性能的影響,確定機(jī)組性能隨二者間距變化的曲線,這其中涉及系統(tǒng)壓力損失、制冷劑壓力與機(jī)組壓力匹配等問題。

4結(jié)論

本文的兩種方案可實(shí)現(xiàn)地鐵空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔不設(shè)在城市地面上的設(shè)想,能節(jié)省目前冷卻水系統(tǒng)中部分輔助設(shè)備的初投資和運(yùn)行費(fèi)用,機(jī)組制冷量越大,節(jié)水效益越明顯,特別是在缺水地區(qū),該項(xiàng)技術(shù)的效益更為明顯,但是,還有以下問題需要解決:

1)保證噴霧壓力的相對(duì)穩(wěn)定,維持運(yùn)行壓力在適當(dāng)范圍內(nèi),使冷卻效果不受流量變動(dòng)等的影響。

2)研發(fā)一套噴霧裝置,使換熱器表面水膜完整、均勻,且厚度很小,通過該裝置實(shí)現(xiàn)間歇噴霧冷卻,建立噴霧評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3)研發(fā)換熱效率高、空氣側(cè)阻力小的新型換熱器。

4)建立噴霧間接蒸發(fā)冷卻器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

5)噴霧水軟化處理,緩解冷卻器表面結(jié)垢。

6)解決噴霧冷卻冷凝器與機(jī)組的集成問題及建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

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