蒸發冷卻技術在玻璃制造業應用

衛晨 黃翔 孫哲 范坤

西安工程大學環境與化學工程學院

0 引言

玻璃制造業車間的內熱源主要由工藝生產工程中熔制池窯、退火爐等輻射熱源構成，附近工作區人員的輻射得熱非常大[1]。為改善工作人員的勞動環境，必須采取有效的降溫和通風措施。以往，在高溫車間多采用開天窗、加排氣風帽等自然通風或者設置排風扇來進行通風換氣。這些措施雖然能滿足通風要求，但是降溫效果卻不理想，尤其是在散熱源附近的工作區，采用通風措施很難滿足對工作人員周圍環境溫度的要求。對于像玻璃制造車間這類含有輻射熱源的場合，采用蒸發冷卻技術具有十分明顯的效果[2]。

1 蒸發冷卻技術原理介紹及其優勢

1.1 直接蒸發冷卻（DEC）

直接蒸發冷卻是利用淋水填料層（噴水室噴水、冷卻塔噴水或其它絕熱加濕設備）直接與待處理的空氣接觸來冷卻空氣的。這時由于水的蒸發，空氣將會因不斷地把自身的顯熱傳遞給水而得以降溫，空氣的顯熱轉化為潛熱，空氣既得以降溫，又實現了含濕量的增加，這是一個絕熱、降溫、加濕過程[3]。直接蒸發冷卻過程在焓濕圖上如圖1所示。

圖1 直接蒸發冷卻過程

1.2 間接蒸發冷卻（IEC）

間接蒸發冷卻是利用一股輔助氣流（二次空氣）先經噴淋水（循環水）直接蒸發冷卻，溫度降低后，再通過空氣—空氣換熱器來冷卻待處理空氣（一次空氣），并使之溫度降低。由此可見，待處理空氣通過間接蒸發冷卻所實現的便不再是等焓降溫過程，而是等濕降溫過程，從而避免由于加濕而把過多濕量帶入室內[3]。間接蒸發冷卻系統既可設計為一級的，也可設置為多級的使得降溫幅度加大。間接蒸發冷卻過程在焓濕圖上如圖2所示。

圖2 間接蒸發冷卻過程

1.3 蒸發式冷氣機

蒸發式冷氣機就是采用蒸發冷卻原理，采用全空氣運行方式，用循環水泵不間斷地把水箱內的水抽出，并通過布水系統均勻地噴淋在填料層上，室外空氣經過填料層被等焓降溫，再由送風機將被處理過的空氣強制送入室內，室內污濁的熱空氣通過敞開的門窗或者由機械排風方式排出室外，如圖3所示[4]。蒸發式冷氣機結構緊湊且可做成上出風、側出風、下出風等多種形式。

圖3 蒸發式冷氣機結構示意圖

與傳統的機械制冷空調相比較，蒸發式冷氣機具有通風換氣、加濕、降溫、凈化、除味于一體的功效；能徹底地改善室內空氣品質，將室外新鮮的空氣送入室內，保持室內空氣的含氧量與污染物濃度；并且具有投資運行費用、降溫效果明顯、安裝維護方便快捷；除此之外蒸發冷卻空調在處理空氣的過程中，直接使用水作為制冷劑，而不是CFCs，因此對大氣環境無污染，特別環保。現如今有關的蒸發型冷氣機標準已發布[5]。

2 蒸發冷卻在玻璃制造車間的應用案例及效果分析

2.1 工程概況

西安某玻璃制品有限公司，生產車間面積30m×70m，熔制、成形和退火工藝工程主要集中在車間中間區域進行，車間內工作人員活動范圍也主要集中在車間中部，見圖4。

圖4 生產車間空調系統平面圖

由于在玻璃生產過程中，熔窯的溫度可達到1300～1600℃，而成形和退火工序也需要在較高的溫度下完成，所以在這附近的工人輻射得熱特別大，工作環境溫度在夏天可高達45℃以上，十分惡劣。工人在這樣的環境下工作經常產生胸悶、乏力、精神疲憊等不良反應，體內溫度全靠汗液來調節，消耗體內大量的水分和鹽分，心臟負擔增加，容易發生脫水和中暑現象，嚴重影響企業的生產效率和產品質量。該企業曾采取自然通風和機械排風等多種方法，均不能取得良好的效果。對于傳統的機械制冷空調，由于初投資和運行費用均過于龐大，在此車間內也無法得到有效地運用。

2.2 應用蒸發式冷氣機的可行性分析

由于夏季車間內工作環境炎熱且衛生條件差，采用蒸發式冷氣機全新風運行，可有效地將室外新鮮空氣進行降溫后送入室內，從而使工人的工作環境空氣涼爽、衛生、潔凈。

查閱《中國建筑熱環境分析氣象數據集》可得西安的氣象資料：夏季空調室外計算干球溫度tw=35.1℃，夏季空調室外計算濕球溫度ts=25.8℃。

根據西安市氣象條件，蒸發式冷氣機按85%的直接蒸發冷卻效率計算，夏季出風口溫降（冷氣機進出口溫差）：△t=(tw-ts)×η=(35.1-25.8)×85%=7.9℃。則出風口溫度約為t2=27.2℃。以上的溫降幅度和出風溫度均可以滿足車間的生產工作要求[6～7]。

2.3 空調方案的確定

選用某公司生產的蒸發式冷氣機2臺，每臺送風量約為30000m3/h，總送風量約為60000m3/h。

該系統采用側送風方式在車間相對的兩面長墻上開孔各設置一臺蒸發式冷氣機，冷氣機選取上出風式接送風彎管進入車間，風管標高3m。由于該車間內熱源和人員工作區域相對比較接近、集中，所以采用工位送風的方式將被處理的新風送到工作人員頭頂向下吹出，以便達到更好的降溫效果。具體施工過程中根據生產工藝和工作區實際需要開設送風口的位置，送風口標高2～2.3m。如圖5所示。

圖5 工作區送風口示意圖

車間的排風通過敞開的門窗借助冷氣機送風產生的車間內正壓實現，有效地將車間內渾濁空氣排出，同時省去了設置排風機的投資和運行費用。

2.4 蒸發式冷氣機運行后的實測資料和分析

在2012年6月下旬一天中午對該車間進行了相關測試。測試儀器：testo480多功能測量儀一臺，溫度測量范圍-20～70℃，精度±0.5℃；風速測量范圍0～+20m/s，精度±（0.03m/s+4%測量值）；相對濕度測量范圍0～100%RH，精度±（1.8%RH+0.7%測量值）。

圖6 被污染后的填料實物

現場為兩臺30000m3/h風量上送風的蒸發式冷氣機，風管沿工作區的工作道布置進行局部工位送風。在測試中，發現車間周圍的空氣含粉塵較多，很容易使填料污染、結垢、堵塞，影響冷氣機的運行效果（圖6）。為此該企業在蒸發式冷氣機四周的進風面上加裝了一層過濾網來減輕粉塵對冷氣機中填料的污染，即使如此填料的平均使用壽命仍在一年左右，需要每年就更換一次填料，所花費用較高。筆者認為，在類似周圍環境粉塵含量較高的工業場合使用蒸發式冷氣機，可對其中的填料進行分層，采用兩層填料布置，上游區的填料較薄，下游區的填料較厚。這樣大多數粉塵在上游區填料就被吸附攔截下來，對下游區的填料起到保護的作用，而且每次只需更換上游區被污染嚴重的填料即可，節省更換填料的費用。

測試時，當天室外的氣象參數：tg=34℃，φ=33.8%，測試具體數據如圖7所示。

圖7 玻璃生產車間六月某天測試數據

通過圖7可以看出，使用蒸發式冷氣機對工作區進行工位送風，送風溫度在27℃左右，可維持工作區的平均溫度在31℃左右。隨著中午室外溫度的升高，工作區仍然能保持較低的溫度，降溫效果明顯。

經過測試，送風口的風速在5～6m/s之間，送達接觸人體時風速約在4m/s左右，在較高的迎面風速條件下，雖然工作區溫度高于30℃，但依然不會使工作人員感到難受[8]，滿足相關規范的工業車間人體熱舒適性要求。測試得車間內工作區相對濕度為48.6%，對于玻璃生產車間這種高溫場所，空氣相對濕度較低，非常干燥，采用蒸發式冷氣機工位送風可對工作區起到加濕作用，滿足人體熱舒適對相對濕度的要求。

另一方面，由于采用全新風系統運行，不斷地送入室外新風，能有效地排除工作區被污染的渾濁空氣，使得車間空氣質量良好，工人工作的舒適性、積極性顯著提高，企業的生產效率也隨之得以提升。

此系統運行模式也可靈活多變的調節：春秋季可作為通風系統（關閉相關供水系統），對車間內進行換氣；冬季時由于車間內含有輻射熱源，此系統可作為加濕通風系統，對車間進行適當的加濕，保持室內人員良好的舒適性。

3 結論

通過相關的測試與分析得知，對于此高溫生產車間，由于輻射熱很大，僅運用自然通風達不到對工作區域的降溫要求，滿足不了其中人員的舒適性和健康要求。在這種情況下應用蒸發冷卻技術結合工位送風的空調系統[9]具有以下的優勢與效果。

1）初投資少，運行費用低。與傳統空調相比，蒸發式冷氣機制冷設備簡單，無需復雜的輔助設施和管路系統，而且由于采用工位送風，只需對工作區的空氣進行處理，其設備身價和安裝費約為傳統空調的1/3，運行耗電量約為傳統空調的1/8，節能效果十分出眾。

2）空氣品質高。由于采用全新風運行方式，能有效地降級車間污染物濃度，保證車間人員的衛生健康狀態。

3）利于環保。由于蒸發冷卻利用水的相變潛熱來制冷，沒有使用CFCs，因此對大氣環境沒有任何破壞與污染。

此外，本研究并非僅針對非潮濕地區玻璃生產車間，對于類似的含有大顯熱熱源，熱濕比較大的工業車間，采用蒸發冷卻空調技術都可達到良好的降溫通風效果，把節能、環保諸多優勢體現出來[10]。

[1]王承遇.玻璃制造工藝[M].北京:化學工業出版社,2006

[2]檀志恒,強天偉,沈恒根.蒸發冷卻空調在工業廠房的應用研究[J].制冷與空調,2006,(2):63-66

[3]黃翔.空調工程[M].北京:機械工業出版社,2009

[4]蒸發式冷氣機(GB/T 25860-2010)[S].2010

[5]汪超,黃翔,張明圣,等.《商業或工業用的蒸發型冷氣機》標準制定的若干問題探討[J].暖通空調,2009,39(9):20-23

[6]工業企業設計衛生標準(GBZ1-2002)[S].2002

[7]工作場所有害因素職業接觸極限(GBZ2-2002)[S].2002

[8]田元媛,許為全.熱濕環境下人體反應的實驗研究[J].暖通空調,2003,27(2):27-30

[9]堯德華,黃翔,吳志湘.蒸發冷卻與工位-環境送風相結合空調系統的應用分析[J].制冷空調與電力機械,2009,127(30):69-71

[10]強天偉.通風空調設備用蒸發冷卻節能技術的研究[D].上海:東華大學,2006