地鐵專用間接蒸發冷卻器布水方式優化

摘要：

為了解決常規間接蒸發冷卻器由于表面水膜均勻性、完整性差而導致換熱效率低的問題，提出了兩側旋轉布水間接蒸發冷卻器，進行了3種布置方式下的換熱性能實驗，運用正交實驗對影響換熱器性能的因素進行研究，研究表明：開孔正對氣流方向時換熱器換熱性能最佳，且旋轉布水裝置存在最佳轉速76 r/min，噴水量、空氣流速、冷卻水流量、冷卻水進口溫度的增加使換熱器的換熱量增大，噴水溫度、空氣溫度的升高使換熱器的換熱量減少，其中冷卻水進口溫度的改變對換熱性能的影響最為顯著，溫度由35 ℃上升到39 ℃時，換熱量提高37.62%，單位面積換熱量為1.14 kW，該換熱器可安裝于地下車站排風坑道內，可有效地解決地鐵站冷卻塔安裝位置難題。

關鍵詞：

間接蒸發冷卻器；地鐵；布置方式；換熱性能

中圖分類號：

TU831.4

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）05001105

Optimization of Subway Indirect Evaporative Cooler Water Distribution Methods

Liu Shan1， He Yecong1， Fu Junping1， Cao Jinzhou2， Shi Pei1

（1. College of Energy and Power Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410076， P. R. China；2. Hunan G H Mechinery Equipment Installation Co.Ltd， Changsha 410076， P. R. China）

Abstract：

In conventional indirect evaporative cooler， the lack of uniformity and integrity of water film surface results in low thermal efficiency. To solve the problem，an indirect evaporative cooler with rotating water on both sides is put forward. The experiment was carried out to explore the heat transfer performance of heat exchanger under three types of arrangement and the factors influence the performance were studied by orthogonal experiment. The study results show that when the hole is on the direction of air flow， the thermal performance of heat exchanger is optimal and the recommended rate of rotating water distribution installation 76 r/min. Heat exchange increases with the increase of water spray quantity， air velocity， cooling water flow rate， cooling water inlet temperature and decrease with increase of water temperature， air temperature cooling water inlet temperature has the most significant effect on the performance of heat transfer. And when the temperature increases form 35 ℃ to 39 ℃， the heat transfer improved 37.62%， Heat transfer in per unit area is about 1.14 kW. The heat exchanger can be installed in exhaust tunnel of underground stations， which can effectively solve the subway station cooling tower installation location problem.

Key words：

indirect evaporative cooler； subway； arrangement； heat transfer performance

目前，中國地鐵建設已進入快速發展時期，根據規劃，到2020年，28個城市將建成177條軌道交通線路，總長約6 100 km。為了給乘客提供舒適的環境，地鐵站空調系統大多需在地鐵站外安裝冷卻塔排出站內熱量，但由于地鐵沿線都是城市繁華區域和主干道，很難在地鐵站外地面上找到既與周邊環境協調，又滿足冷卻塔安裝環境的安裝位置。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，具有重要的工程應用價值。

蒸發式冷卻器因其節能、結構緊湊等優點被廣泛應用于空調、化工、制冷、電力等領域[1-4]，學者們對其傳熱性能的實驗研究和理論分析進行了大量研究，管內冷卻水流速、空氣流速及溫濕度、噴淋密度、換熱器結構參數等因素影響其性能[5-11]。Leidenfrost等^[12]指出換熱器表面的水膜完全包裹管束是設備達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、改進布水器結構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效率。文獻[14]中對全膜流板式蒸發冷卻器在氣液順流、逆流、叉流條件下的傳熱特性進行了對比研究，得出叉流條件下局部Nu數最大，將其設置于地鐵排風道水平段為最佳。文獻[15]提出了旋轉噴霧間接蒸發冷卻器，其研究表明兩側旋轉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，前期運行時換熱性能提高，長期運行后，熱阻增加，比光管噴淋水冷卻換熱效果差，通過實測地下坑道排風參數發現，地下排風通道內的熱源、濕源對坑道排風參數影響很小，將冷卻塔移入站臺內部可行，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深入研究。

筆者提出采用全新的兩側旋轉布水器替換文獻[15]中的利用氣流反作用力的自旋式兩側旋轉布水器，將其安裝于地鐵排風坑道水平段，利用地下坑道的排風系統將地鐵站內熱量排出，以替代傳統的冷卻塔。對換熱器的布水方式進行實驗優化研究，并分析噴水量、噴水溫度、轉速等因素對其換熱性能的影響，以改善表面水膜傳熱傳質微環境，提高換熱效率。

1 研究內容及方案

主要優化研究換熱器在3種不同布置方式時換熱性能，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平面順時針旋轉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平面順時針旋轉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。

在實驗研究確定的最佳布水方式下，進一步研究各影響因素對蒸發冷卻器換熱性能的影響。由于蒸發冷卻器的換熱過程涉及質交換和氣液兩相流，其性能涉及的相關因素較多，因此通過采用正交實驗^[16]來逐步分析其對兩側旋轉布水間接蒸發冷卻器換熱性能的影響。

由于該換熱器安裝在地鐵站排風道水平段，外掠空氣垂直掠過水膜表面，且在一定的外掠空氣參數下，因此，為提供上述實際使用條件，搭建與恒溫恒濕室相結合的回流式風洞實驗臺。通過恒溫恒濕室產生達到試驗要求的空氣溫濕度，然后從其出風口由風機將空氣吸至風洞中，風洞出風口連接恒溫恒濕室的回風口，形成一個循環封閉風洞系統，通過調節風機頻率以改變風速。采用德國testo635型便攜式溫濕度儀測量風洞試驗段入口處空氣溫濕度，運用QDF-3型熱球式電風速儀測量其風速，并對測試結果進行修正。

為了使換熱器獲得恒定的冷卻水進口溫度，采用冷卻水系統。冷卻水系統由熱水箱、熱水泵、電磁流量計、壓力傳感器和溫度傳感器以及相應的調節閥門組成。熱水箱內配備了40 kW的溫控型電加熱器進行自動加熱，以保持換熱器進水溫度的恒定。

噴淋水系統主要由冷卻塔、熱泵、冷水箱、冷水泵、布水裝置和測量設備等構成，系統的布水方式為換熱器兩側旋轉布水，采用旋轉布水裝置來實現，由傳動裝置驅動管徑為10 mm配水橫干管以換熱器側面中心線為軸旋轉，在橫干管上等間距設置若干與其軸線垂直且在一個平面上的布水立管，布水立管上設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置1個噴嘴，其余布水立管上等間距設置2個噴嘴，其噴射方向相反。每兩根立管間叉排兩組換熱管束，構成一個換熱單元，若干個換熱單元沿橫干管軸向并聯設置，組成換熱器盤管，傳動裝置驅動橫干管旋轉布水，實現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的噴淋水溫度，并采用精度為0.1 ℃的水銀溫度計進行測量，以對其進行校核。噴水量用LZB-15S玻璃轉子流量計測得，其量程為16～160 L/h。

試驗設備由兩組翅片管束并聯構成，即一個換熱單元。翅片管束尺寸210 mm×200 mm×44 mm，銅管管徑10 mm×0.33 mm，翅片間距2.2 mm，管間距25 mm，翅片管束側面中心開孔尺寸30 mm×25 mm×44 mm。為保證實驗數據的可靠性，在換熱器進出口處分別安裝了LCD-280S型數顯溫度計，并用精度為0.1 ℃的水銀溫度計對其進行校核。將數顯溫度計測試結果與冷卻水系統中溫度傳感器所測結果進行對比，以減小實驗數據的誤差。

試驗臺采用了基于組態軟件制成的冷卻水和噴淋水動態控制系統記錄實驗數據，根據實驗工況選用相應的冷卻水流量、換熱器進水溫度、冷水箱水溫等，記錄的實驗數據有冷卻水系統的流量，換熱器進、出口水溫和壓力，熱水箱水溫，冷水箱水溫等。

2 實驗結果

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”進行實驗研究，根據雷諾準則、努謝爾特準則，管內壁與管內工質的對流換熱系數與管內流速有關，因此，依據文獻[17]中管內推薦流速0.975～1.59 m/s，實驗取冷卻水流量600、800、1 000 L/h作為研究范圍，使管中水流處于紊流狀態，有利于換熱。根據設備在實際應用中安裝于地鐵站空調排風通道內，空調排風溫度為26 ℃±2 ℃，實驗取空氣溫度26 ℃。為避免風速過大使噴淋水飄逸，影響換熱器表面水膜分布，并依據文獻[18]中的最佳迎面風速，實驗取空氣速度2.86 m/s。噴淋水溫度取環境溫度27.9±0.1 ℃左右，冷卻水進口溫度依據冷卻塔的設計進口溫度37 ℃，實驗中取37.7 ℃±0.1 ℃。根據文獻[15]中對自旋式兩側旋轉布水器的轉速的實驗研究，實驗取轉速76 r/min，噴水量取值50 L/h，相應的噴淋密度119.05 kg/（m·h），實驗結果如圖3所示。

圖3為換熱器在3種不同布置方式下冷卻水流量變化時的進出口溫差趨勢圖。通過試驗結果分析得出，換熱器在3種不同布置方式下，冷卻水流量為600、800、1 000 L/h時，其進出口壓力差均為0.03、0.06、0.1 MPa，可見，3種不同布置方式時對換熱器的進出口壓力差影響較小。隨著冷卻水流量由600 L/h增加至800 L/h，進出口溫差減小，但換熱量增加。冷卻水流量為800 L/h時，與600 L/h時相比，換熱量在垂直氣流布置時增加了4.17%，平行氣流布置時增加了6.06%，開孔正對氣流布置時增加了8.97%。在3種布置方式中，換熱器開孔正對氣流布置時換熱量最大，與垂直氣流布置時相比，平行氣流布置時換熱量增加了28.06%，中心開孔正對氣流布置時換熱量增加了61.53%，其原因在于：1）當換熱器垂直布置時，

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，當空氣掠過換熱器表面時，水膜與空氣的熱質交換使空氣中的水蒸氣分壓力不斷增加，空氣的傳質能力不斷被削弱，使以潛熱交換為主的翅片蒸發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，空氣掠過換熱器表面時間短，空氣與水膜熱質交換后被快速排走，由新的來流空氣取代。因此，開孔正對氣流布置時換熱器性能最佳，為其最優布水方式。

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

由實驗結果分析得出轉速的提高使換熱器的換熱量先增大后減小，與轉速為50 r/min相比，轉速為76 r/min時換熱量提高1.41%；與轉速為100 r/min相比，轉速為76 r/min時換熱量提高1.55%，表明換熱器開孔正對氣流布置時旋轉布水裝置存在最佳轉速。同時，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，冷卻水進口溫度由35 ℃上升到39 ℃時，與35 ℃時相比，換熱量分別提高17.78%、37.62%；噴水量由40 L/h增加到60 L/h時，與40 L/h時相比，換熱量分別提高3.70%、8.79%；空氣速度由2.5 m/s增加到3 m/s時，與2.5 m/s時相比，換熱量分別提高3.55%、8.43%；冷卻水流量600 L/h增加到1000 L/h時，與600 L/h時相比，換熱量分別提高0.82%、5.26%；噴水溫度由27 ℃上升到31 ℃時，與27 ℃時相比，換熱量分別降低3.73%、8.11%；

3 結 論

通過實驗研究得出換熱器在開孔正對氣流布置時換熱性能最佳，為其最優布水方式。在此布置方式下，冷卻器的旋轉布水裝置轉速存在最佳值76 r/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，冷卻水進口溫度為39 ℃時，換熱量比35 ℃時提高了37.62%，換熱量為1.14 kW/m2，其他因素對換熱器換熱性能的影響從主到次的順序為空氣溫度、噴水量、空氣速度、噴水溫度、冷卻水流量。參考文獻：

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