地鐵空調系統冷卻技術探討摘要 針對地鐵空調冷卻水系統的特殊要求,提出了噴霧間接蒸發冷卻器與噴霧間接蒸發冷卻冷凝器兩種方案,簡要分析了兩種方案的工作原理和節能效果,計算表明,采用噴霧冷卻設備替代1臺600m3/h機械通風冷卻塔時,在不考慮冷卻塔運行費用的基礎上,僅冷卻塔補水水費一項每年就可節約17萬元。關鍵詞 地鐵 噴霧冷卻 冷水機組 噴霧間接蒸發冷卻冷凝器0 引言 近年來,我國大力發展城市軌道交通,尤其鼓勵地鐵的發展,繼北京、上海、廣州、深圳多條地鐵線開通運營后,很多大型城市正在或即將修建地鐵,由于地鐵站空調系統需要對冷卻水進行降溫,因此,在地鐵建設中不可避免會涉及冷卻塔的設置問題。由于地鐵線路所經過的區域多是城市繁華地帶,地面上設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劃,而且給周圍環境帶來噪聲污染和衛生隱患。因此,研究地鐵專用的冷卻器替代目前設置在地面的冷卻塔,對解決地鐵冷卻塔設置的問題具有現實意義。 目前地鐵空調冷卻水系統中所采用的冷卻塔是針對設置在室外進行設計制造的,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,安裝于地鐵排風通道中必然影響地鐵排風;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系統,而封閉式冷卻塔和蒸發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,并對其進行簡要分析。1 噴霧冷卻技術研究成果 自Maclaine-cross和Banks建立間接蒸發冷卻計算模型以來,國內外專家學者以此為基礎對噴霧間接蒸發冷卻技術進行了大量的研究。楊強生等人基于Merkel方程,實驗研究了噴霧空氣冷卻器的傳熱傳質過程,通過回歸的方法得到容積散質系數的關聯式[1]。梅國暉等人研究了高溫表面噴霧冷卻傳熱系數、氣水霧化噴嘴最佳氣水比和噴射方向對噴霧冷卻換熱的影響,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°處噴霧傳熱系數最大,其他噴射角度的傳熱系數大致以噴射角90°處對稱,在高水流密度下,隨噴射角度增加而顯著增加[2-4]。劉振華通過數值計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系,認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定區和下游的穩定區,在均一流情況下則不存在非穩定區,在穩定區內速度比與模型類別、噴霧距離和初始速度無關;在噴霧距離大于0.5m后,可認為速度比進入穩定區,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,可認為速度比等于1,對工程計算沒有影響[5]。JunghoKim詳盡研究了噴霧冷卻的傳熱機理和目前噴霧冷卻模型的優缺點,研究了物體表面形狀、噴霧傾斜角度和重力對噴霧冷卻的影響[6]。最近,美國國家航空航天局的EricA.Silk等人研究了3種強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) 對噴霧冷卻的影響,在噴霧溫度為20.5℃時,分析了冷卻水管采用3種不同肋片表面對冷卻效果的影響,研究表明,相對于平表面而言,直肋片表面熱流密度最大,且噴射傾斜角度為30°時,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 開式噴霧通風冷卻塔由于采用噴霧裝置,改變了機械通風冷卻塔的工藝結構,不需要淋水填料,所需的風機功率很小甚至不需要風機,因此,節省設備的初投資和運行維護費用,表1是一種噴霧冷卻塔與機械通風冷卻塔能耗比較[8]。2 噴霧冷卻與淋水冷卻的比較2.1 能耗比較 開式噴霧通風冷卻塔由于采用噴霧裝置,改變了機械通風冷卻塔的工藝結構,不需要淋水填料,所需的風機功率很小甚至不需要風機,因此,節省設備的初投資和運行維護費用,表1是一種噴霧冷卻塔與機械通風冷卻塔能耗比較[8]。 從表1可以看出,當冷卻水量從75m3/h增加到700m3/h時,在沒有考慮普通冷卻塔配套設施能耗和運行費用的基礎上,噴霧冷卻塔與相應規格的機械通風冷卻塔相比,綜合節能效率在30%~50%之間,噴霧冷卻效益顯著。
噴霧冷卻器設置在地鐵排風通道內,水霧與冷卻器表面的換熱量最終必須由通道內排風帶走,因此,空氣的溫濕度決定了冷卻器的換熱效果,而通道內空氣的溫濕度與室外空氣溫濕度差別很大,因此,實現相同排熱量所需冷卻器的體積相對會大一些,相應設備功率會增大,這樣,不可避免地要增加部分能耗和初投資及運行費用。 由于冷卻塔設置在地鐵排風通道內,必然會造成通道的排風斷面減小,排風阻力增大,由局部阻力計算公式可知,局部阻力與通道的局部阻力系數和速度的二次冪的乘積成正比,當通道排風斷面減小一半時,則局部阻力將為原來的4倍,因此,要實現相同排風量,排風機的功率可能會增大。2.2 費用比較 假定某地鐵制冷站冷卻塔選用橫流式冷卻塔,型號為DBHZ2—600,9.6萬元/臺,設計進、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,風機功率為12kW,風量為351m3/h,A聲級噪聲為56.6dB;循環水泵選用1臺軸流泵,流量為400m3/h,功率為7.5kW,凝結水泵選用1臺軸流泵,流量為750m3/h,功率為3kW,水泵費用為0.75萬元;循環水泵運行費用為5.58萬元/a,凝結水泵運行費用為2.23萬元/a(電費為0.85元/ (kWh),水費為2.8元/t,水、電價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2007-3-15報價)。 冷卻塔的運行費用包括水泵的運行費用和補給水的費用,要維持冷卻系統正常運轉,需定期補給循環水,年補給水量ΔL為[9] 式中 Q為冷卻水的循環量,t/h;K為系數,取0.14;h為冷卻塔全年運行時間,h;m為冷卻倍率,取60。 假定系統全天運行24h,一年按365d計算,求得年補給水量應為66225.6t,年補水費為18.54萬元,冷卻塔風機年運行費用為8.94萬元,則冷卻塔年運行費用為35.29萬元。假設采用噴霧冷卻的設備費用與采用機械通風冷卻塔的設備費用相同,但由于噴霧所需水量為機械通風的補水量的5%,因此,在不考慮冷卻塔運行費用的基礎上,僅系統補水水費一項就可節約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械通風冷卻塔時需要冷卻水量為600m3/h,配套冷卻塔進、出口水溫為37℃/32℃。假定噴霧溫度為34℃,含濕量為34.94g/kg,蒸發率為0.6~0.8,那么噴霧速率1.8~2.4kg/s就可實現冷卻水降溫,全年所需水量為1763~2645t。若采用機械通風冷卻塔,如上述計算可知,年補水量為66225.6t,同樣,采用噴淋水冷卻時,按相關規范,最小噴淋水量為100kg/(m3·h),遠遠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 噴霧間接蒸發冷卻器與噴霧間接蒸發冷卻冷凝器3.1 噴霧間接蒸發冷卻器 噴霧冷卻塔與普通機械通風冷卻塔不同之處在于噴霧裝置的應用,噴霧裝置是一種射流元件,是噴霧冷卻塔的核心部件,它取代了傳統冷卻塔的填料和風機,通過噴嘴產生的內旋流作用,有效地保證了低壓狀態的霧化度,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它作反向旋轉,產生由下部吹向霧流的風力,霧化水滴與進塔空氣在霧化狀態條件下進行換熱,達到預期的降溫效果[8]。 噴霧冷卻塔結構簡單,質量輕,噪聲低,耐腐蝕,不易堵塞,使用壽命長,除了省卻風機、填料,降低成本費用外,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,而且冷卻效果易受空氣參數影響。 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,冷卻水質不會受到外界的污染,但地鐵空調系統中如果采用噴淋水來冷卻封閉式冷卻塔內的冷卻水,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點,本文提出了一種新型的封閉式噴霧冷卻器。 噴霧間接蒸發冷卻器利用氣水霧化噴嘴將經過處理的少量水霧化,噴到冷卻器表面,形成一層均勻水膜,通過水膜蒸發實現冷卻器內部冷卻水降溫。它既能保證冷卻水不受污染,又能達到冷卻效果,而且由于噴霧所用的水經過適當的處理,不會堵塞噴霧裝置,能緩解冷卻盤表面結垢問題。噴霧間接蒸發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 噴霧間接蒸發冷卻冷凝器 蒸發式冷凝器是目前制冷系統中常用的一種間接蒸發冷卻設備,主要特點是耗水量少,節電和結構緊湊,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,而蒸發式冷凝器每kg水蒸發能帶走約580kJ的熱量,所以蒸發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、溢水等損失,實際耗水量約為一般水冷式冷凝器循環水量的5%~10%。 由于噴霧冷卻能在冷卻器表面形成相對完整均勻的水膜,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,研發一種耗水量少的新型噴霧間接蒸發冷卻冷凝器,可以解決地鐵空調系統設置冷卻塔的問題。 該方案的最大優勢在于不用設置冷卻塔,節省冷卻塔及配套設施的初投資和運行產生的環境問題,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,可以對噴霧所用的水進行軟化處理,防止堵塞噴霧裝置和緩解冷凝器表面結垢。 噴霧間接蒸發冷卻冷凝器實質上是本文所述噴霧間接蒸發冷卻器的一個改進方案,要開發它,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,還必須與廠商協商設置冷凝器與冷水機組設備接口,對管道進行保溫,研究冷凝器與機組距離對系統其他設備性能的影響,確定機組性能隨二者間距變化的曲線,這其中涉及系統壓力損失、制冷劑壓力與機組壓力匹配等問題。4 結論 本文的兩種方案可實現地鐵空調系統冷卻塔不設在城市地面上的設想,能節省目前冷卻水系統中部分輔助設備的初投資和運行費用,機組制冷量越大,節水效益越明顯,特別是在缺水地區,該項技術的效益更為明顯,但是,還有以下問題需要解決: 1)保證噴霧壓力的相對穩定,維持運行壓力在適當范圍內,使冷卻效果不受流量變動等的影響。 2)研發一套噴霧裝置,使換熱器表面水膜完整、均勻,且厚度很小,通過該裝置實現間歇噴霧冷卻,建立噴霧評價指標體系。 3)研發換熱效率高、空氣側阻力小的新型換熱器。 4)建立噴霧間接蒸發冷卻器性能評價指標體系。 5)噴霧水軟化處理,緩解冷卻器表面結垢。 6)解決噴霧冷卻冷凝器與機組的集成問題及建立相應的評價指標體系。參考文獻:[1]楊強生,鐃欽陽,范云良.噴霧強化空氣冷卻器的實驗研究[J].上海交通大學學報,1999,33(3):313-317[2]梅國暉,武榮陽,孟紅記,等.氣水霧化噴嘴最佳氣水比的確定[J].鋼鐵釩鈦,2004,25(2):49-51[3]梅國暉,孟紅記,謝植.噴射方向對噴霧冷卻換熱的影響[J].東北大學學報:自然科學版,2004,25(4):374-377[4]梅國暉,武榮陽,孟紅記,等.高溫表面噴霧冷卻傳熱系數的理論分析[J].冶金能源,2004,23(6):18-22[5]劉振華.微細噴霧時噴霧氣流中液滴和空氣速度比的研究[J].上海交通大學學報,1996,30(3):97-102[6]KimJungho.Spraycoolingheattransfer:thestateoftheart[J].InternationalJournalofHeatandFluidFlow,2007,28(4),753-767[7]SilkEA,KimJungho,KigerK.Spraycoolingofenhancedsurfaces:impactofstructuredsurfacegeometryandsprayaxisinclination[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2006,49(25):4910-4920[8]胡國林,李麗萍.一種新型噴霧通風冷卻塔[J].給水排水,2001,27(4):90-91[9]李文良,張早校.用空冷器代替冷卻塔的技術經濟性分析[J].節能,2004,265(8):18-21[10][日]尾花英朗.熱交換器設計手冊[M].徐中權,譯.北京:烴加工出版社,1987
噴霧冷卻器設置在地鐵排風通道內,水霧與冷卻器表面的換熱量最終必須由通道內排風帶走,因此,空氣的溫濕度決定了冷卻器的換熱效果,而通道內空氣的溫濕度與室外空氣溫濕度差別很大,因此,實現相同排熱量所需冷卻器的體積相對會大一些,相應設備功率會增大,這樣,不可避免地要增加部分能耗和初投資及運行費用。 由于冷卻塔設置在地鐵排風通道內,必然會造成通道的排風斷面減小,排風阻力增大,由局部阻力計算公式可知,局部阻力與通道的局部阻力系數和速度的二次冪的乘積成正比,當通道排風斷面減小一半時,則局部阻力將為原來的4倍,因此,要實現相同排風量,排風機的功率可能會增大。2.2 費用比較 假定某地鐵制冷站冷卻塔選用橫流式冷卻塔,型號為DBHZ2—600,9.6萬元/臺,設計進、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,風機功率為12kW,風量為351m3/h,A聲級噪聲為56.6dB;循環水泵選用1臺軸流泵,流量為400m3/h,功率為7.5kW,凝結水泵選用1臺軸流泵,流量為750m3/h,功率為3kW,水泵費用為0.75萬元;循環水泵運行費用為5.58萬元/a,凝結水泵運行費用為2.23萬元/a(電費為0.85元/ (kWh),水費為2.8元/t,水、電價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2007-3-15報價)。 冷卻塔的運行費用包括水泵的運行費用和補給水的費用,要維持冷卻系統正常運轉,需定期補給循環水,年補給水量ΔL為[9] 式中 Q為冷卻水的循環量,t/h;K為系數,取0.14;h為冷卻塔全年運行時間,h;m為冷卻倍率,取60。 假定系統全天運行24h,一年按365d計算,求得年補給水量應為66225.6t,年補水費為18.54萬元,冷卻塔風機年運行費用為8.94萬元,則冷卻塔年運行費用為35.29萬元。假設采用噴霧冷卻的設備費用與采用機械通風冷卻塔的設備費用相同,但由于噴霧所需水量為機械通風的補水量的5%,因此,在不考慮冷卻塔運行費用的基礎上,僅系統補水水費一項就可節約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械通風冷卻塔時需要冷卻水量為600m3/h,配套冷卻塔進、出口水溫為37℃/32℃。假定噴霧溫度為34℃,含濕量為34.94g/kg,蒸發率為0.6~0.8,那么噴霧速率1.8~2.4kg/s就可實現冷卻水降溫,全年所需水量為1763~2645t。若采用機械通風冷卻塔,如上述計算可知,年補水量為66225.6t,同樣,采用噴淋水冷卻時,按相關規范,最小噴淋水量為100kg/(m3·h),遠遠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 噴霧間接蒸發冷卻器與噴霧間接蒸發冷卻冷凝器3.1 噴霧間接蒸發冷卻器 噴霧冷卻塔與普通機械通風冷卻塔不同之處在于噴霧裝置的應用,噴霧裝置是一種射流元件,是噴霧冷卻塔的核心部件,它取代了傳統冷卻塔的填料和風機,通過噴嘴產生的內旋流作用,有效地保證了低壓狀態的霧化度,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它作反向旋轉,產生由下部吹向霧流的風力,霧化水滴與進塔空氣在霧化狀態條件下進行換熱,達到預期的降溫效果[8]。 噴霧冷卻塔結構簡單,質量輕,噪聲低,耐腐蝕,不易堵塞,使用壽命長,除了省卻風機、填料,降低成本費用外,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,而且冷卻效果易受空氣參數影響。 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,冷卻水質不會受到外界的污染,但地鐵空調系統中如果采用噴淋水來冷卻封閉式冷卻塔內的冷卻水,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點,本文提出了一種新型的封閉式噴霧冷卻器。 噴霧間接蒸發冷卻器利用氣水霧化噴嘴將經過處理的少量水霧化,噴到冷卻器表面,形成一層均勻水膜,通過水膜蒸發實現冷卻器內部冷卻水降溫。它既能保證冷卻水不受污染,又能達到冷卻效果,而且由于噴霧所用的水經過適當的處理,不會堵塞噴霧裝置,能緩解冷卻盤表面結垢問題。噴霧間接蒸發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 噴霧間接蒸發冷卻冷凝器 蒸發式冷凝器是目前制冷系統中常用的一種間接蒸發冷卻設備,主要特點是耗水量少,節電和結構緊湊,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,而蒸發式冷凝器每kg水蒸發能帶走約580kJ的熱量,所以蒸發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、溢水等損失,實際耗水量約為一般水冷式冷凝器循環水量的5%~10%。 由于噴霧冷卻能在冷卻器表面形成相對完整均勻的水膜,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,研發一種耗水量少的新型噴霧間接蒸發冷卻冷凝器,可以解決地鐵空調系統設置冷卻塔的問題。 該方案的最大優勢在于不用設置冷卻塔,節省冷卻塔及配套設施的初投資和運行產生的環境問題,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,可以對噴霧所用的水進行軟化處理,防止堵塞噴霧裝置和緩解冷凝器表面結垢。 噴霧間接蒸發冷卻冷凝器實質上是本文所述噴霧間接蒸發冷卻器的一個改進方案,要開發它,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,還必須與廠商協商設置冷凝器與冷水機組設備接口,對管道進行保溫,研究冷凝器與機組距離對系統其他設備性能的影響,確定機組性能隨二者間距變化的曲線,這其中涉及系統壓力損失、制冷劑壓力與機組壓力匹配等問題。4 結論 本文的兩種方案可實現地鐵空調系統冷卻塔不設在城市地面上的設想,能節省目前冷卻水系統中部分輔助設備的初投資和運行費用,機組制冷量越大,節水效益越明顯,特別是在缺水地區,該項技術的效益更為明顯,但是,還有以下問題需要解決: 1)保證噴霧壓力的相對穩定,維持運行壓力在適當范圍內,使冷卻效果不受流量變動等的影響。 2)研發一套噴霧裝置,使換熱器表面水膜完整、均勻,且厚度很小,通過該裝置實現間歇噴霧冷卻,建立噴霧評價指標體系。 3)研發換熱效率高、空氣側阻力小的新型換熱器。 4)建立噴霧間接蒸發冷卻器性能評價指標體系。 5)噴霧水軟化處理,緩解冷卻器表面結垢。 6)解決噴霧冷卻冷凝器與機組的集成問題及建立相應的評價指標體系。參考文獻:[1]楊強生,鐃欽陽,范云良.噴霧強化空氣冷卻器的實驗研究[J].上海交通大學學報,1999,33(3):313-317[2]梅國暉,武榮陽,孟紅記,等.氣水霧化噴嘴最佳氣水比的確定[J].鋼鐵釩鈦,2004,25(2):49-51[3]梅國暉,孟紅記,謝植.噴射方向對噴霧冷卻換熱的影響[J].東北大學學報:自然科學版,2004,25(4):374-377[4]梅國暉,武榮陽,孟紅記,等.高溫表面噴霧冷卻傳熱系數的理論分析[J].冶金能源,2004,23(6):18-22[5]劉振華.微細噴霧時噴霧氣流中液滴和空氣速度比的研究[J].上海交通大學學報,1996,30(3):97-102[6]KimJungho.Spraycoolingheattransfer:thestateoftheart[J].InternationalJournalofHeatandFluidFlow,2007,28(4),753-767[7]SilkEA,KimJungho,KigerK.Spraycoolingofenhancedsurfaces:impactofstructuredsurfacegeometryandsprayaxisinclination[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2006,49(25):4910-4920[8]胡國林,李麗萍.一種新型噴霧通風冷卻塔[J].給水排水,2001,27(4):90-91[9]李文良,張早校.用空冷器代替冷卻塔的技術經濟性分析[J].節能,2004,265(8):18-21[10][日]尾花英朗.熱交換器設計手冊[M].徐中權,譯.北京:烴加工出版社,1987
