地铁空调系统冷却技术探讨摘要 针对地铁空调冷却水系统的特殊要求,提出了喷雾间接蒸发冷却器与喷雾间接蒸发冷却冷凝器两种方案,简要分析了两种方案的工作原理和节能效果,计算表明,采用喷雾冷却设备替代1台600m3/h机械通风冷却塔时,在不考虑冷却塔运行费用的基础上,仅冷却塔补水水费一项每年就可节约17万元。关键词 地铁 喷雾冷却 冷水机组 喷雾间接蒸发冷却冷凝器0 引言 近年来,我国大力发展城市轨道交通,尤其鼓励地铁的发展,继北京、上海、广州、深圳多条地铁线开通运营后,很多大型城市正在或即将修建地铁,由于地铁站空调系统需要对冷却水进行降温,因此,在地铁建设中不可避免会涉及冷却塔的设置问题。由于地铁线路所经过的区域多是城市繁华地带,地面上设置冷却塔的空间有限或根本没有,将冷却塔安装在地面上不仅影响城市景观和规划,而且给周围环境带来噪声污染和卫生隐患。因此,研究地铁专用的冷却器替代目前设置在地面的冷却塔,对解决地铁冷却塔设置的问题具有现实意义。 目前地铁空调冷却水系统中所采用的冷却塔是针对设置在室外进行设计制造的,分为横流式和逆流式两种,冷却塔体积巨大,塑料填料间距很小,安装于地铁排风通道中必然影响地铁排风;为避免冷却水被外界空气污染,冷却水不宜与外界空气接触,因此,普通开式冷却塔不宜用于地铁空调系统,而封闭式冷却塔和蒸发式冷凝器由于换热效率等问题而不适合在地铁站中使用,本文提出新型闭式喷雾冷却器和新型喷雾冷凝器两种方案,并对其进行简要分析。1 喷雾冷却技术研究成果 自Maclaine-cross和Banks建立间接蒸发冷却计算模型以来,国内外专家学者以此为基础对喷雾间接蒸发冷却技术进行了大量的研究。杨强生等人基于Merkel方程,实验研究了喷雾空气冷却器的传热传质过程,通过回归的方法得到容积散质系数的关联式[1]。梅国晖等人研究了高温表面喷雾冷却传热系数、气水雾化喷嘴最佳气水比和喷射方向对喷雾冷却换热的影响,研究表明,喷雾冷却过程存在最佳气水比,但最佳气水比不是固定不变的,它随着水压的增加而减小;在低水流密度下,喷射角90°处喷雾传热系数最大,其他喷射角度的传热系数大致以喷射角90°处对称,在高水流密度下,随喷射角度增加而显著增加[2-4]。刘振华通过数值计算方法讨论了液滴与空气速度比和喷雾条件之间的相互关系,认为在自由射流情况下,速度比的变化使流体形成在喷嘴附近的非稳定区和下游的稳定区,在均一流情况下则不存在非稳定区,在稳定区内速度比与模型类别、喷雾距离和初始速度无关;在喷雾距离大于0.5m后,可认为速度比进入稳定区,其大小取决于液滴直径和空气冲击速度,空气冲击速度越大,速度比越接近1,液滴直径越小;液滴直径小于100μm,可认为速度比等于1,对工程计算没有影响[5]。JunghoKim详尽研究了喷雾冷却的传热机理和目前喷雾冷却模型的优缺点,研究了物体表面形状、喷雾倾斜角度和重力对喷雾冷却的影响[6]。最近,美国国家航空航天局的EricA.Silk等人研究了3种强化表面的喷雾冷却效果和喷射倾斜角度(喷射轴向与物体表面法向夹角) 对喷雾冷却的影响,在喷雾温度为20.5℃时,分析了冷却水管采用3种不同肋片表面对冷却效果的影响,研究表明,相对于平表面而言,直肋片表面热流密度最大,且喷射倾斜角度为30°时,热流密度可提高75%[7]。2 喷雾冷却与淋水冷却的比较2.1 能耗比较 开式喷雾通风冷却塔由于采用喷雾装置,改变了机械通风冷却塔的工艺结构,不需要淋水填料,所需的风机功率很小甚至不需要风机,因此,节省设备的初投资和运行维护费用,表1是一种喷雾冷却塔与机械通风冷却塔能耗比较[8]。2 喷雾冷却与淋水冷却的比较2.1 能耗比较 开式喷雾通风冷却塔由于采用喷雾装置,改变了机械通风冷却塔的工艺结构,不需要淋水填料,所需的风机功率很小甚至不需要风机,因此,节省设备的初投资和运行维护费用,表1是一种喷雾冷却塔与机械通风冷却塔能耗比较[8]。 从表1可以看出,当冷却水量从75m3/h增加到700m3/h时,在没有考虑普通冷却塔配套设施能耗和运行费用的基础上,喷雾冷却塔与相应规格的机械通风冷却塔相比,综合节能效率在30%~50%之间,喷雾冷却效益显著。
喷雾冷却器设置在地铁排风通道内,水雾与冷却器表面的换热量最终必须由通道内排风带走,因此,空气的温湿度决定了冷却器的换热效果,而通道内空气的温湿度与室外空气温湿度差别很大,因此,实现相同排热量所需冷却器的体积相对会大一些,相应设备功率会增大,这样,不可避免地要增加部分能耗和初投资及运行费用。 由于冷却塔设置在地铁排风通道内,必然会造成通道的排风断面减小,排风阻力增大,由局部阻力计算公式可知,局部阻力与通道的局部阻力系数和速度的二次幂的乘积成正比,当通道排风断面减小一半时,则局部阻力将为原来的4倍,因此,要实现相同排风量,排风机的功率可能会增大。2.2 费用比较 假定某地铁制冷站冷却塔选用横流式冷却塔,型号为DBHZ2—600,9.6万元/台,设计进、出口水温分别为37℃/32℃,湿球温度为28℃,占地面积43m2,高度为3.61m,风机功率为12kW,风量为351m3/h,A声级噪声为56.6dB;循环水泵选用1台轴流泵,流量为400m3/h,功率为7.5kW,凝结水泵选用1台轴流泵,流量为750m3/h,功率为3kW,水泵费用为0.75万元;循环水泵运行费用为5.58万元/a,凝结水泵运行费用为2.23万元/a(电费为0.85元/ (kWh),水费为2.8元/t,水、电价来自于重庆市自来水公司和重庆市电力公司;冷却塔和水泵信息来自阿里巴巴网2007-3-15报价)。 冷却塔的运行费用包括水泵的运行费用和补给水的费用,要维持冷却系统正常运转,需定期补给循环水,年补给水量ΔL为[9] 式中 Q为冷却水的循环量,t/h;K为系数,取0.14;h为冷却塔全年运行时间,h;m为冷却倍率,取60。 假定系统全天运行24h,一年按365d计算,求得年补给水量应为66225.6t,年补水费为18.54万元,冷却塔风机年运行费用为8.94万元,则冷却塔年运行费用为35.29万元。假设采用喷雾冷却的设备费用与采用机械通风冷却塔的设备费用相同,但由于喷雾所需水量为机械通风的补水量的5%,因此,在不考虑冷却塔运行费用的基础上,仅系统补水水费一项就可节约17万元左右。2.3 耗水量比较 如上所述,假定某地铁制冷站采用机械通风冷却塔时需要冷却水量为600m3/h,配套冷却塔进、出口水温为37℃/32℃。假定喷雾温度为34℃,含湿量为34.94g/kg,蒸发率为0.6~0.8,那么喷雾速率1.8~2.4kg/s就可实现冷却水降温,全年所需水量为1763~2645t。若采用机械通风冷却塔,如上述计算可知,年补水量为66225.6t,同样,采用喷淋水冷却时,按相关规范,最小喷淋水量为100kg/(m3·h),远远大于喷雾冷却所需水量[10],因此,单从耗水量而言,冷却方式宜采取喷雾冷却。3 喷雾间接蒸发冷却器与喷雾间接蒸发冷却冷凝器3.1 喷雾间接蒸发冷却器 喷雾冷却塔与普通机械通风冷却塔不同之处在于喷雾装置的应用,喷雾装置是一种射流元件,是喷雾冷却塔的核心部件,它取代了传统冷却塔的填料和风机,通过喷嘴产生的内旋流作用,有效地保证了低压状态的雾化度,利用低压液流通过旋流雾化喷头形成雾化,喷雾流的反作用力推动它作反向旋转,产生由下部吹向雾流的风力,雾化水滴与进塔空气在雾化状态条件下进行换热,达到预期的降温效果[8]。 喷雾冷却塔结构简单,质量轻,噪声低,耐腐蚀,不易堵塞,使用寿命长,除了省却风机、填料,降低成本费用外,还降低了塔体的自重,减少由填料阻塞引起的冷却塔维修,冷却效果稳定,但是由于它和普通开式冷却塔一样与外界空气直接接触,不能保证冷却水水质,而且冷却效果易受空气参数影响。 封闭式冷却塔由于冷却水在处理过程中不与外界空气接触,冷却水质不会受到外界的污染,但地铁空调系统中如果采用喷淋水来冷却封闭式冷却塔内的冷却水,不仅冷却效果劣于普通开式冷却塔,冷却塔的体积非常大,而且由于存在大量的飘逸损失,喷淋水用水量大,与将冷却塔设置在地面相比得不偿失,因此,综合喷雾冷却塔和封闭式冷却塔的优点,本文提出了一种新型的封闭式喷雾冷却器。 喷雾间接蒸发冷却器利用气水雾化喷嘴将经过处理的少量水雾化,喷到冷却器表面,形成一层均匀水膜,通过水膜蒸发实现冷却器内部冷却水降温。它既能保证冷却水不受污染,又能达到冷却效果,而且由于喷雾所用的水经过适当的处理,不会堵塞喷雾装置,能缓解冷却盘表面结垢问题。喷雾间接蒸发冷却器研究的核心问题是雾化效果和水膜的完整性、均匀性和厚度。3.2 喷雾间接蒸发冷却冷凝器 蒸发式冷凝器是目前制冷系统中常用的一种间接蒸发冷却设备,主要特点是耗水量少,节电和结构紧凑,占地面积小,热效率高。一般水冷式冷凝器每kg冷却水能带走4~6kJ的热量,而蒸发式冷凝器每kg水蒸发能带走约580kJ的热量,所以蒸发式冷凝器的理论耗水量只有一般水冷式冷凝器的1%。考虑冷却水的飞溅以及蒸发、溢水等损失,实际耗水量约为一般水冷式冷凝器循环水量的5%~10%。 由于喷雾冷却能在冷却器表面形成相对完整均匀的水膜,冷却效率更高,所需水量少,目前喷雾冷却多用于高温物体表面的冷却降温,因此,研发一种耗水量少的新型喷雾间接蒸发冷却冷凝器,可以解决地铁空调系统设置冷却塔的问题。 该方案的最大优势在于不用设置冷却塔,节省冷却塔及配套设施的初投资和运行产生的环境问题,采用喷雾冷却的方法,由于所需的水量很少,喷雾水源问题就很容易解决,可以对喷雾所用的水进行软化处理,防止堵塞喷雾装置和缓解冷凝器表面结垢。 喷雾间接蒸发冷却冷凝器实质上是本文所述喷雾间接蒸发冷却器的一个改进方案,要开发它,除了要解决闭式喷雾冷却器的雾化效果,水膜均匀性、完整性和厚度等问题以外,还必须与厂商协商设置冷凝器与冷水机组设备接口,对管道进行保温,研究冷凝器与机组距离对系统其他设备性能的影响,确定机组性能随二者间距变化的曲线,这其中涉及系统压力损失、制冷剂压力与机组压力匹配等问题。4 结论 本文的两种方案可实现地铁空调系统冷却塔不设在城市地面上的设想,能节省目前冷却水系统中部分辅助设备的初投资和运行费用,机组制冷量越大,节水效益越明显,特别是在缺水地区,该项技术的效益更为明显,但是,还有以下问题需要解决: 1)保证喷雾压力的相对稳定,维持运行压力在适当范围内,使冷却效果不受流量变动等的影响。 2)研发一套喷雾装置,使换热器表面水膜完整、均匀,且厚度很小,通过该装置实现间歇喷雾冷却,建立喷雾评价指标体系。 3)研发换热效率高、空气侧阻力小的新型换热器。 4)建立喷雾间接蒸发冷却器性能评价指标体系。 5)喷雾水软化处理,缓解冷却器表面结垢。 6)解决喷雾冷却冷凝器与机组的集成问题及建立相应的评价指标体系。参考文献:[1]杨强生,铙钦阳,范云良.喷雾强化空气冷却器的实验研究[J].上海交通大学学报,1999,33(3):313-317[2]梅国晖,武荣阳,孟红记,等.气水雾化喷嘴最佳气水比的确定[J].钢铁钒钛,2004,25(2):49-51[3]梅国晖,孟红记,谢植.喷射方向对喷雾冷却换热的影响[J].东北大学学报:自然科学版,2004,25(4):374-377[4]梅国晖,武荣阳,孟红记,等.高温表面喷雾冷却传热系数的理论分析[J].冶金能源,2004,23(6):18-22[5]刘振华.微细喷雾时喷雾气流中液滴和空气速度比的研究[J].上海交通大学学报,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]胡国林,李丽萍.一种新型喷雾通风冷却塔[J].给水排水,2001,27(4):90-91[9]李文良,张早校.用空冷器代替冷却塔的技术经济性分析[J].节能,2004,265(8):18-21[10][日]尾花英朗.热交换器设计手册[M].徐中权,译.北京:烃加工出版社,1987
喷雾冷却器设置在地铁排风通道内,水雾与冷却器表面的换热量最终必须由通道内排风带走,因此,空气的温湿度决定了冷却器的换热效果,而通道内空气的温湿度与室外空气温湿度差别很大,因此,实现相同排热量所需冷却器的体积相对会大一些,相应设备功率会增大,这样,不可避免地要增加部分能耗和初投资及运行费用。 由于冷却塔设置在地铁排风通道内,必然会造成通道的排风断面减小,排风阻力增大,由局部阻力计算公式可知,局部阻力与通道的局部阻力系数和速度的二次幂的乘积成正比,当通道排风断面减小一半时,则局部阻力将为原来的4倍,因此,要实现相同排风量,排风机的功率可能会增大。2.2 费用比较 假定某地铁制冷站冷却塔选用横流式冷却塔,型号为DBHZ2—600,9.6万元/台,设计进、出口水温分别为37℃/32℃,湿球温度为28℃,占地面积43m2,高度为3.61m,风机功率为12kW,风量为351m3/h,A声级噪声为56.6dB;循环水泵选用1台轴流泵,流量为400m3/h,功率为7.5kW,凝结水泵选用1台轴流泵,流量为750m3/h,功率为3kW,水泵费用为0.75万元;循环水泵运行费用为5.58万元/a,凝结水泵运行费用为2.23万元/a(电费为0.85元/ (kWh),水费为2.8元/t,水、电价来自于重庆市自来水公司和重庆市电力公司;冷却塔和水泵信息来自阿里巴巴网2007-3-15报价)。 冷却塔的运行费用包括水泵的运行费用和补给水的费用,要维持冷却系统正常运转,需定期补给循环水,年补给水量ΔL为[9] 式中 Q为冷却水的循环量,t/h;K为系数,取0.14;h为冷却塔全年运行时间,h;m为冷却倍率,取60。 假定系统全天运行24h,一年按365d计算,求得年补给水量应为66225.6t,年补水费为18.54万元,冷却塔风机年运行费用为8.94万元,则冷却塔年运行费用为35.29万元。假设采用喷雾冷却的设备费用与采用机械通风冷却塔的设备费用相同,但由于喷雾所需水量为机械通风的补水量的5%,因此,在不考虑冷却塔运行费用的基础上,仅系统补水水费一项就可节约17万元左右。2.3 耗水量比较 如上所述,假定某地铁制冷站采用机械通风冷却塔时需要冷却水量为600m3/h,配套冷却塔进、出口水温为37℃/32℃。假定喷雾温度为34℃,含湿量为34.94g/kg,蒸发率为0.6~0.8,那么喷雾速率1.8~2.4kg/s就可实现冷却水降温,全年所需水量为1763~2645t。若采用机械通风冷却塔,如上述计算可知,年补水量为66225.6t,同样,采用喷淋水冷却时,按相关规范,最小喷淋水量为100kg/(m3·h),远远大于喷雾冷却所需水量[10],因此,单从耗水量而言,冷却方式宜采取喷雾冷却。3 喷雾间接蒸发冷却器与喷雾间接蒸发冷却冷凝器3.1 喷雾间接蒸发冷却器 喷雾冷却塔与普通机械通风冷却塔不同之处在于喷雾装置的应用,喷雾装置是一种射流元件,是喷雾冷却塔的核心部件,它取代了传统冷却塔的填料和风机,通过喷嘴产生的内旋流作用,有效地保证了低压状态的雾化度,利用低压液流通过旋流雾化喷头形成雾化,喷雾流的反作用力推动它作反向旋转,产生由下部吹向雾流的风力,雾化水滴与进塔空气在雾化状态条件下进行换热,达到预期的降温效果[8]。 喷雾冷却塔结构简单,质量轻,噪声低,耐腐蚀,不易堵塞,使用寿命长,除了省却风机、填料,降低成本费用外,还降低了塔体的自重,减少由填料阻塞引起的冷却塔维修,冷却效果稳定,但是由于它和普通开式冷却塔一样与外界空气直接接触,不能保证冷却水水质,而且冷却效果易受空气参数影响。 封闭式冷却塔由于冷却水在处理过程中不与外界空气接触,冷却水质不会受到外界的污染,但地铁空调系统中如果采用喷淋水来冷却封闭式冷却塔内的冷却水,不仅冷却效果劣于普通开式冷却塔,冷却塔的体积非常大,而且由于存在大量的飘逸损失,喷淋水用水量大,与将冷却塔设置在地面相比得不偿失,因此,综合喷雾冷却塔和封闭式冷却塔的优点,本文提出了一种新型的封闭式喷雾冷却器。 喷雾间接蒸发冷却器利用气水雾化喷嘴将经过处理的少量水雾化,喷到冷却器表面,形成一层均匀水膜,通过水膜蒸发实现冷却器内部冷却水降温。它既能保证冷却水不受污染,又能达到冷却效果,而且由于喷雾所用的水经过适当的处理,不会堵塞喷雾装置,能缓解冷却盘表面结垢问题。喷雾间接蒸发冷却器研究的核心问题是雾化效果和水膜的完整性、均匀性和厚度。3.2 喷雾间接蒸发冷却冷凝器 蒸发式冷凝器是目前制冷系统中常用的一种间接蒸发冷却设备,主要特点是耗水量少,节电和结构紧凑,占地面积小,热效率高。一般水冷式冷凝器每kg冷却水能带走4~6kJ的热量,而蒸发式冷凝器每kg水蒸发能带走约580kJ的热量,所以蒸发式冷凝器的理论耗水量只有一般水冷式冷凝器的1%。考虑冷却水的飞溅以及蒸发、溢水等损失,实际耗水量约为一般水冷式冷凝器循环水量的5%~10%。 由于喷雾冷却能在冷却器表面形成相对完整均匀的水膜,冷却效率更高,所需水量少,目前喷雾冷却多用于高温物体表面的冷却降温,因此,研发一种耗水量少的新型喷雾间接蒸发冷却冷凝器,可以解决地铁空调系统设置冷却塔的问题。 该方案的最大优势在于不用设置冷却塔,节省冷却塔及配套设施的初投资和运行产生的环境问题,采用喷雾冷却的方法,由于所需的水量很少,喷雾水源问题就很容易解决,可以对喷雾所用的水进行软化处理,防止堵塞喷雾装置和缓解冷凝器表面结垢。 喷雾间接蒸发冷却冷凝器实质上是本文所述喷雾间接蒸发冷却器的一个改进方案,要开发它,除了要解决闭式喷雾冷却器的雾化效果,水膜均匀性、完整性和厚度等问题以外,还必须与厂商协商设置冷凝器与冷水机组设备接口,对管道进行保温,研究冷凝器与机组距离对系统其他设备性能的影响,确定机组性能随二者间距变化的曲线,这其中涉及系统压力损失、制冷剂压力与机组压力匹配等问题。4 结论 本文的两种方案可实现地铁空调系统冷却塔不设在城市地面上的设想,能节省目前冷却水系统中部分辅助设备的初投资和运行费用,机组制冷量越大,节水效益越明显,特别是在缺水地区,该项技术的效益更为明显,但是,还有以下问题需要解决: 1)保证喷雾压力的相对稳定,维持运行压力在适当范围内,使冷却效果不受流量变动等的影响。 2)研发一套喷雾装置,使换热器表面水膜完整、均匀,且厚度很小,通过该装置实现间歇喷雾冷却,建立喷雾评价指标体系。 3)研发换热效率高、空气侧阻力小的新型换热器。 4)建立喷雾间接蒸发冷却器性能评价指标体系。 5)喷雾水软化处理,缓解冷却器表面结垢。 6)解决喷雾冷却冷凝器与机组的集成问题及建立相应的评价指标体系。参考文献:[1]杨强生,铙钦阳,范云良.喷雾强化空气冷却器的实验研究[J].上海交通大学学报,1999,33(3):313-317[2]梅国晖,武荣阳,孟红记,等.气水雾化喷嘴最佳气水比的确定[J].钢铁钒钛,2004,25(2):49-51[3]梅国晖,孟红记,谢植.喷射方向对喷雾冷却换热的影响[J].东北大学学报:自然科学版,2004,25(4):374-377[4]梅国晖,武荣阳,孟红记,等.高温表面喷雾冷却传热系数的理论分析[J].冶金能源,2004,23(6):18-22[5]刘振华.微细喷雾时喷雾气流中液滴和空气速度比的研究[J].上海交通大学学报,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]胡国林,李丽萍.一种新型喷雾通风冷却塔[J].给水排水,2001,27(4):90-91[9]李文良,张早校.用空冷器代替冷却塔的技术经济性分析[J].节能,2004,265(8):18-21[10][日]尾花英朗.热交换器设计手册[M].徐中权,译.北京:烃加工出版社,1987
