地鐵專用間接蒸發(fā)冷卻器布水方式優(yōu)化

劉 珊，何葉從，傅俊萍，曹金洲，石 沛

（1.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，長沙410076；2.湖南天人機(jī)電設(shè)備安裝有限公司，長沙410076）

目前，中國地鐵建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，根據(jù)規(guī)劃，到2020年，28個(gè)城市將建成177條軌道交通線路，總長約6 100km。為了給乘客提供舒適的環(huán)境，地鐵站空調(diào)系統(tǒng)大多需在地鐵站外安裝冷卻塔排出站內(nèi)熱量，但由于地鐵沿線都是城市繁華區(qū)域和主干道，很難在地鐵站外地面上找到既與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，又滿足冷卻塔安裝環(huán)境的安裝位置。因此，研究適于地鐵等地下建筑的專用冷卻器來替代目前常用的冷卻塔，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

蒸發(fā)式冷卻器因其節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于空調(diào)、化工、制冷、電力等領(lǐng)域［1－4］，學(xué)者們對其傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析進(jìn)行了大量研究，管內(nèi)冷卻水流速、空氣流速及溫濕度、噴淋密度、換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素影響其性能［5－11］。Leidenfrost等［12］指出換熱器表面的水膜完全包裹管束是設(shè)備達(dá)到最佳換熱性能的必要條件。黃翔等［13］提出采用包覆吸水材料、改進(jìn)布水器結(jié)構(gòu)型式來改善換熱器表面水膜均勻性、完整性，提高冷卻器的傳熱傳質(zhì)效率。文獻(xiàn)［14］中對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器在氣液順流、逆流、叉流條件下的傳熱特性進(jìn)行了對比研究，得出叉流條件下局部Nu數(shù)最大，將其設(shè)置于地鐵排風(fēng)道水平段為最佳。文獻(xiàn)［15］提出了旋轉(zhuǎn)噴霧間接蒸發(fā)冷卻器，其研究表明兩側(cè)旋轉(zhuǎn)噴霧冷卻換熱能力比固定噴霧冷卻提高32%，比噴淋水冷卻提高80%，換熱器表面包覆吸水材料時(shí)，前期運(yùn)行時(shí)換熱性能提高，長期運(yùn)行后，熱阻增加，比光管噴淋水冷卻換熱效果差，通過實(shí)測地下坑道排風(fēng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，地下排風(fēng)通道內(nèi)的熱源、濕源對坑道排風(fēng)參數(shù)影響很小，將冷卻塔移入站臺內(nèi)部可行，但該研究還存在布水器泄漏、能耗和阻力偏大的問題需繼續(xù)深入研究。

筆者提出采用全新的兩側(cè)旋轉(zhuǎn)布水器替換文獻(xiàn)［15］中的利用氣流反作用力的自旋式兩側(cè)旋轉(zhuǎn)布水器，將其安裝于地鐵排風(fēng)坑道水平段，利用地下坑道的排風(fēng)系統(tǒng)將地鐵站內(nèi)熱量排出，以替代傳統(tǒng)的冷卻塔。對換熱器的布水方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化研究，并分析噴水量、噴水溫度、轉(zhuǎn)速等因素對其換熱性能的影響，以改善表面水膜傳熱傳質(zhì)微環(huán)境，提高換熱效率。

1 研究內(nèi)容及方案

主要優(yōu)化研究換熱器在3種不同布置方式時(shí)換熱性能，3種布置方式如圖1所示。布置方式1中：1）換熱器與XOY、XOZ平面垂直，氣流方向與Y軸平行；2）將第1種布置方式中的換熱器沿XOZ平面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為第2種布置方式，其中氣流方向不變，布置方式1、2中，氣流方向均與換熱器中心開孔方向垂直；3）將第2種布置方式中的換熱器沿YOZ平面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為第3種布置方式，其中氣流方向也不變，且正好與換熱器中心開孔方向平行。

在實(shí)驗(yàn)研究確定的最佳布水方式下，進(jìn)一步研究各影響因素對蒸發(fā)冷卻器換熱性能的影響。由于蒸發(fā)冷卻器的換熱過程涉及質(zhì)交換和氣液兩相流，其性能涉及的相關(guān)因素較多，因此通過采用正交實(shí)驗(yàn)［16］來逐步分析其對兩側(cè)旋轉(zhuǎn)布水間接蒸發(fā)冷卻器換熱性能的影響。

圖1 換熱器3種布置方式

整個(gè)試驗(yàn)臺由風(fēng)洞系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、噴淋水系統(tǒng)、試驗(yàn)設(shè)備以及測量和控制設(shè)備組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

由于該換熱器安裝在地鐵站排風(fēng)道水平段，外掠空氣垂直掠過水膜表面，且在一定的外掠空氣參數(shù)下，因此，為提供上述實(shí)際使用條件，搭建與恒溫恒濕室相結(jié)合的回流式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺。通過恒溫恒濕室產(chǎn)生達(dá)到試驗(yàn)要求的空氣溫濕度，然后從其出風(fēng)口由風(fēng)機(jī)將空氣吸至風(fēng)洞中，風(fēng)洞出風(fēng)口連接恒溫恒濕室的回風(fēng)口，形成一個(gè)循環(huán)封閉風(fēng)洞系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率以改變風(fēng)速。采用德國testo635型便攜式溫濕度儀測量風(fēng)洞試驗(yàn)段入口處空氣溫濕度，運(yùn)用QDF－3型熱球式電風(fēng)速儀測量其風(fēng)速，并對測試結(jié)果進(jìn)行修正。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

為了使換熱器獲得恒定的冷卻水進(jìn)口溫度，采用冷卻水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)由熱水箱、熱水泵、電磁流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器以及相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門組成。熱水箱內(nèi)配備了40kW的溫控型電加熱器進(jìn)行自動加熱，以保持換熱器進(jìn)水溫度的恒定。

噴淋水系統(tǒng)主要由冷卻塔、熱泵、冷水箱、冷水泵、布水裝置和測量設(shè)備等構(gòu)成，系統(tǒng)的布水方式為換熱器兩側(cè)旋轉(zhuǎn)布水，采用旋轉(zhuǎn)布水裝置來實(shí)現(xiàn)，由傳動裝置驅(qū)動管徑為10mm配水橫干管以換熱器側(cè)面中心線為軸旋轉(zhuǎn)，在橫干管上等間距設(shè)置若干與其軸線垂直且在一個(gè)平面上的布水立管，布水立管上設(shè)置其出口方向垂直布水立管軸線且與布水裝置橫干管軸線平行的噴嘴，第一根和最后一根布水立管沿立管軸線等間距設(shè)置1個(gè)噴嘴，其余布水立管上等間距設(shè)置2個(gè)噴嘴，其噴射方向相反。每兩根立管間叉排兩組換熱管束，構(gòu)成一個(gè)換熱單元，若干個(gè)換熱單元沿橫干管軸向并聯(lián)設(shè)置，組成換熱器盤管，傳動裝置驅(qū)動橫干管旋轉(zhuǎn)布水，實(shí)現(xiàn)換熱管表面水膜的均勻性、完整性。噴嘴噴淋水采用壓力配水，冷卻塔為其提供相應(yīng)的噴淋水溫度，并采用精度為0.1℃的水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量，以對其進(jìn)行校核。噴水量用LZB－15S玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測得，其量程為16～160L／h。

試驗(yàn)設(shè)備由兩組翅片管束并聯(lián)構(gòu)成，即一個(gè)換熱單元。翅片管束尺寸210mm×200mm×44mm，銅管管徑10mm×0.33mm，翅片間距2.2mm，管間距25mm，翅片管束側(cè)面中心開孔尺寸30mm×25mm×44mm。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在換熱器進(jìn)出口處分別安裝了LCD－280S型數(shù)顯溫度計(jì)，并用精度為0.1℃的水銀溫度計(jì)對其進(jìn)行校核。將數(shù)顯溫度計(jì)測試結(jié)果與冷卻水系統(tǒng)中溫度傳感器所測結(jié)果進(jìn)行對比，以減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。

試驗(yàn)臺采用了基于組態(tài)軟件制成的冷卻水和噴淋水動態(tài)控制系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況選用相應(yīng)的冷卻水流量、換熱器進(jìn)水溫度、冷水箱水溫等，記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有冷卻水系統(tǒng)的流量，換熱器進(jìn)、出口水溫和壓力，熱水箱水溫，冷水箱水溫等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對換熱器采用“垂直氣流方向、平行氣流方向、開孔正對氣流方向”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)雷諾準(zhǔn)則、努謝爾特準(zhǔn)則，管內(nèi)壁與管內(nèi)工質(zhì)的對流換熱系數(shù)與管內(nèi)流速有關(guān)，因此，依據(jù)文獻(xiàn)［17］中管內(nèi)推薦流速0.975～1.59m／s，實(shí)驗(yàn)取冷卻水流量600、800、1 000L／h作為研究范圍，使管中水流處于紊流狀態(tài)，有利于換熱。根據(jù)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中安裝于地鐵站空調(diào)排風(fēng)通道內(nèi)，空調(diào)排風(fēng)溫度為26℃±2℃，實(shí)驗(yàn)取空氣溫度26℃。為避免風(fēng)速過大使噴淋水飄逸，影響換熱器表面水膜分布，并依據(jù)文獻(xiàn)［18］中的最佳迎面風(fēng)速，實(shí)驗(yàn)取空氣速度2.86m／s。噴淋水溫度取環(huán)境溫度27.9±0.1℃左右，冷卻水進(jìn)口溫度依據(jù)冷卻塔的設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度37℃，實(shí)驗(yàn)中取37.7℃±0.1℃。根據(jù)文獻(xiàn)［15］中對自旋式兩側(cè)旋轉(zhuǎn)布水器的轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)取轉(zhuǎn)速76r／min，噴水量取值50L／h，相應(yīng)的噴淋密度119.05kg／（m·h），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種不同布置方式時(shí)換熱器進(jìn)出口溫差趨勢圖

圖3 為換熱器在3種不同布置方式下冷卻水流量變化時(shí)的進(jìn)出口溫差趨勢圖。通過試驗(yàn)結(jié)果分析得出，換熱器在3種不同布置方式下，冷卻水流量為600、800、1 000L／h時(shí)，其進(jìn)出口壓力差均為0.03、0.06、0.1MPa，可見，3種不同布置方式時(shí)對換熱器的進(jìn)出口壓力差影響較小。隨著冷卻水流量由600L／h增加至800L／h，進(jìn)出口溫差減小，但換熱量增加。冷卻水流量為800L／h時(shí)，與600L／h時(shí)相比，換熱量在垂直氣流布置時(shí)增加了4.17%，平行氣流布置時(shí)增加了6.06%，開孔正對氣流布置時(shí)增加了8.97%。在3種布置方式中，換熱器開孔正對氣流布置時(shí)換熱量最大，與垂直氣流布置時(shí)相比，平行氣流布置時(shí)換熱量增加了28.06%，中心開孔正對氣流布置時(shí)換熱量增加了61.53%，其原因在于：1）當(dāng)換熱器垂直布置時(shí)，其表面的水膜分布較其他兩種布置方式相比不均勻，且水膜與空氣熱質(zhì)交換后不能迅速排走，使表面水膜厚度不斷增加，熱阻增大，換熱效率下降；2）換熱器垂直、平行氣流布置時(shí)，當(dāng)空氣掠過換熱器表面時(shí)，水膜與空氣的熱質(zhì)交換使空氣中的水蒸氣分壓力不斷增加，空氣的傳質(zhì)能力不斷被削弱，使以潛熱交換為主的翅片蒸發(fā)式冷卻器換熱能力逐漸下降，而換熱器開孔正對氣流布置時(shí)，空氣掠過換熱器表面時(shí)間短，空氣與水膜熱質(zhì)交換后被快速排走，由新的來流空氣取代。因此，開孔正對氣流布置時(shí)換熱器性能最佳，為其最優(yōu)布水方式。

換熱器開孔正對氣流布置時(shí)，影響其性能的因素為：噴水量、噴水溫度、冷卻水流量及進(jìn)口溫度、空氣溫度和速度、旋轉(zhuǎn)布水裝置轉(zhuǎn)速，正交試驗(yàn)因素水平表如表1所示，選用正交表L27（313）來安排實(shí)驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出轉(zhuǎn)速的提高使換熱器的換熱量先增大后減小，與轉(zhuǎn)速為50r／min相比，轉(zhuǎn)速為76r／min時(shí)換熱量提高1.41%；與轉(zhuǎn)速為100r／min相比，轉(zhuǎn)速為76r／min時(shí)換熱量提高1.55%，表明換熱器開孔正對氣流布置時(shí)旋轉(zhuǎn)布水裝置存在最佳轉(zhuǎn)速。同時(shí)，換熱器的換熱量隨著噴水量的增加、空氣流速增大、冷卻水流量增加、冷卻水進(jìn)口溫度的提高而增大，隨著噴水溫度、空氣溫度的升高而減少，但各因素的影響程度有所差異，其中，冷卻水進(jìn)口溫度由35℃上升到39℃時(shí)，與35℃時(shí)相比，換熱量分別提高17.78%、37.62%；噴水量由40L／h增加到60L／h時(shí)，與40L／h時(shí)相比，換熱量分別提高3.70%、8.79%；空氣速度由2.5m／s增加到3m／s時(shí)，與2.5m／s時(shí)相比，換熱量分別提高3.55%、8.43%；冷卻水流量600L／h增加到1000L／h時(shí)，與600L／h時(shí)相比，換熱量分別提高0.82%、5.26%；噴水溫度由27℃上升到31℃時(shí)，與27℃時(shí)相比，換熱量分別降低3.73%、8.11%；空氣溫度由24℃上升到28℃時(shí)，與24℃時(shí)相比，換熱量分別降低8.08%、15.84%，可見，冷卻水進(jìn)口溫度的改變對換熱器性能影響最為顯著，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度為39℃時(shí)，換熱量為1.14kW／m2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 噴水量、噴水溫度、轉(zhuǎn)速的水平趨勢圖

圖5 空氣溫度、速度的水平趨勢圖

圖6 冷卻水流量、冷卻水進(jìn)口溫度的水平趨勢圖

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)研究得出換熱器在開孔正對氣流布置時(shí)換熱性能最佳，為其最優(yōu)布水方式。在此布置方式下，冷卻器的旋轉(zhuǎn)布水裝置轉(zhuǎn)速存在最佳值76r／min，換熱器換熱量隨著噴水量、空氣流速、冷卻水流量、冷卻水進(jìn)口溫度的增加而增大，隨著噴水溫度、空氣溫度的升高而減小。其中，冷卻水進(jìn)口溫度的改變對換熱器換熱性能的影響最為顯著，冷卻水進(jìn)口溫度為39℃時(shí)，換熱量比35℃時(shí)提高了37.62%，換熱量為1.14kW／m2，其他因素對換熱器換熱性能的影響從主到次的順序?yàn)榭諝鉁囟取娝?、空氣速度、噴水溫度、冷卻水流量。

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