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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(shè)置在室外進(jìn)行設(shè)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(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,并對其進(jìn)行簡要分析。

1噴霧冷卻技術(shù)研究成果

自Maclaine-cross和Banks建立間接蒸發(fā)冷卻計算模型以來,國內(nèi)外專家學(xué)者以此為基礎(chǔ)對噴霧間接蒸發(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(guān)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(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,對工程計算沒有影響[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,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(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(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)備的初投資和運行維護(hù)費用,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)備的初投資和運行維護(hù)費用,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,在沒有考慮普通冷卻塔配套設(shè)施能耗和運行費用的基礎(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,實現(xiàn)相同排熱量所需冷卻器的體積相對會大一些,相應(yīng)設(shè)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(shè)置在地鐵排風(fēng)通道內(nèi),必然會造成通道的排風(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,則局部阻力將為原來的4倍,因此,要實現(xiàn)相同排風(fēng)量,排風(fēng)機(jī)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(shè)計進(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,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)。

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(shè)備替代1臺600m3/h機(jī)械通風(fēng)冷卻塔時,在不考慮冷卻塔運行費用的基礎(chǔ)上,僅冷卻塔補(bǔ)水水費一項每年就可節(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

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(jìn)行降溫,因此,在地鐵建設(shè)中不可避免會涉及冷卻塔的設(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,對解決地鐵冷卻塔設(shè)置的問題具有現(xiàn)實意義。