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1、地铁空调系统冷却论文：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
2、 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
3、 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
4、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 o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100 U m, W认为速度比等于1,对工程计算没有影响5 o JunghoKi
5、m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 o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. 5C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%7O2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
6、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 。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 81o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。 1殖客冷幻塔写机
7、城谢凤冷却雷能H比牧冷加木(mV hl近手Ki八P.K/k*功。、心httiOkwUlt兹率帆械透域塔IA06X1. 773.04)2.61(I. *4JJ. IK10(165l0675.504.782.4551. 4bISOMBO65XJU7. 50ft 52).!4lb2072S.(KI11 00q 57IM7$6 SIIS 00BJMW64135717. 3918.00IS f5K. 2652 n4(X1M140?510 4122 00iv ItX *45.500150214.2330 0026 1)911.8645. 46HM70ISO3l OOm叫4.41虬14TOO70K019.
8、4437 00w n12 7.1W 57住；机*懑力却塔*氏几*鲁,力扣棒家“冲GR 7190 V 10 t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幕的乘积成 正比，当通道排风断面减小一半时，则局
9、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 DBHZ2600, 9. 6万元/台，设计进、出口水温分别为37C /32C,湿球温度为28C,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/ (
10、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 L为9L = 5.4m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
11、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37C /32C o假定喷雾温度为34C,含湿量为34. 94g/kg,蒸发率 为0. 60. 8,那么喷雾速率1. 82. 4kg/s就可实现冷却水降温, 全年所需水量为17632645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
12、/(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 。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
13、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
14、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，能缓解冷却盘表而结垢问题。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46kJ 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
15、般水冷式冷凝器的1%O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%o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
