地鐵空調(diào)系統(tǒng)冷卻技術論文

1、地鐵空調(diào)系統(tǒng)冷卻技術論文    摘要:針對地鐵空調(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,簡要分析了兩種方案的工作原理和節(jié)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(jié)約17萬元。 關鍵詞地鐵噴霧冷卻冷水機組噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器 0引言 近年來,我國大力發(fā)展城市軌道交通,尤其鼓勵地鐵的發(fā)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(diào)系統(tǒng)需要對冷卻水進行降溫,因此,在地鐵建設中

2、不可避免會涉及冷卻塔的設置問題。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置在地面的冷卻塔,對解決地鐵冷卻塔設置的問題具有現(xiàn)實意義。 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(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

3、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(fā)冷卻計算模型以來,國內(nèi)外專家學者以此為基礎對噴霧間接蒸發(fā)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(zhì)過程,通過回歸的方法得到容積散質(zhì)系數(shù)的關聯(lián)式1。梅國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

4、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(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;在噴霧距離大于0.5m后,可認為速度比進入穩(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100m,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

5、目前噴霧冷卻模型的優(yōu)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(jié)構(gòu),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(jié)省設備的初投

6、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(guī)格的機械通風冷卻塔相比,綜合節(jié)能效率在30%50%之間,噴霧冷卻效益顯著。 噴霧冷卻器設置在地鐵排風通道內(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,實現(xiàn)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(nèi)

7、,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(shù)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(xiàn)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DBHZ2600,9.6萬元/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(huán)水泵選用1臺軸流泵,流量為400m3/h,功率為7.5kW,凝結(jié)水泵選用1臺軸流泵,流量為750m3/h,功率為3kW

8、,水泵費用為0.75萬元;循環(huán)水泵運行費用為5.58萬元/a,凝結(jié)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(wǎng)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(tǒng)正常運轉(zhuǎn),需定期補給循環(huán)水,年補給水量L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為冷卻塔全年運行時間,h;m為冷卻倍率,取60。 假定系統(tǒng)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

9、.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(tǒng)補水水費一項就可節(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(fā)率為0.60.8,那么噴霧速率1.82.4kg/s就可實現(xiàn)冷卻水降溫,全年所需水量為17632645t。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

10、水冷卻時,按相關規(guī)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(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(tǒng)冷卻塔的填料和風機,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它作反向旋轉(zhuǎn),產(chǎn)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(tài)條件下進行換熱,達到預期的降溫效果8。 噴霧冷卻塔結(jié)構(gòu)簡單

11、,質(zhì)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(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,本文提出了一種新型的封閉式噴霧冷卻器

12、。 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,又能達到冷卻效果,而且由于噴霧所用的水經(jīng)過適當?shù)奶幚?不會堵塞噴霧裝置,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)冷卻設備,主要特點是耗水量少,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46kJ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

13、耗水量只有一般水冷式冷凝器的1%?？紤]冷卻水的飛濺以及蒸發(fā)、溢水等損失,實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)設置冷卻塔的問題。 該方案的最大優(yōu)勢在于不用設置冷卻塔,節(jié)省冷卻塔及配套設施的初投資和運行產(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(jié)垢。 噴霧間接蒸發(fā)冷卻冷凝器實質(zhì)上是本文所述噴

14、霧間接蒸發(fā)冷卻器的一個改進方案,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(tǒng)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(tǒng)壓力損失、制冷劑壓力與機組壓力匹配等問題。超級秘書網(wǎng) 4結(jié)論 本文的兩種方案可實現(xiàn)地鐵空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔不設在城市地面上的設想,能節(jié)省目前冷卻水系統(tǒng)中部分輔助設備的初投資和運行費用,機組制冷量越大,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(wěn)定,維持運行壓力在適當范圍內(nèi),使冷卻效果不受流量變動等的影響。 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,通過該裝置實現(xiàn)間歇噴霧冷卻,建立噴霧評價指標體系。 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)冷卻器性能評價指標體系。 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):313-3172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,20