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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。