地鐵用間接蒸發冷卻器換熱性能影響因素

摘要：為解決地鐵站冷卻塔設置難題，提出了一種采用低速電機驅動旋轉布水裝置的間接蒸發冷卻器，在兩種布置方式下，對其換熱性能進行了單因素實驗，并運用正交實驗法對較優布置方式下影響換熱器換熱的因素進行了分析。結果表明：兩種布置方式下，噴嘴與蒸發冷卻器的間距、兩組換熱管束間距均存在最佳值，噴嘴雙側旋轉布水優于單側旋轉布水；換熱器平行氣流布置且噴嘴雙側旋轉布水為較優布置方式，此時，換熱器換熱量隨噴水量、轉速、空氣速度、冷卻水進口溫度的增加以及噴水溫度、空氣溫度的降低而增大，其中，冷卻水進口溫度對換熱器換熱影響最為顯著，其他因素對其換熱的影響從主到次順序為：噴水量、空氣溫度、空氣速度、噴水溫度、轉速、冷卻水流量。

關鍵詞：間接蒸發式冷卻器；換熱性能；布置方式；地鐵

中圖分類號：TU831.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）05-0122-07

Abstract：An indirect evaporative cooler installed with a rotary water distribution device which is driven by a low-speed motor， was proposed to solve the installation location problem of cooling tower in subway station. Single factor experimental method was used to investigate the heat transfer performance of indirect evaporative cooler under two types of arrangement. And under the optimal arrangement， the factors that affected the heat transfer performance were analyzed by orthogonal experimental method. The experimental results showed that the distance between nozzle and evaporative cooler and the distance between two sets of heat exchange coil under two types of arrangement both had optimal values. Rotating water on both sides was superior to rotating water on the one side. Heat exchanger arranged parallel to the air flow with nozzles rotating water on both sides was the better arrangement. And under this arrangement， heat exchange increased with the increase of spray water quantity， rotational speed， air velocity， cooling water flow rate and cooling water inlet temperature， and the decrease of spray temperature and air temperature. The cooling water inlet temperature had the most significant effect on heat transfer performance and other factors that affected the heat transfer performance from main to secondary were spray water quantity， air temperature， air velocity， spray temperature， rotational speed and cooling water flow rate.

Key words：indirect evaporative cooler； heat transfer performance； arrangement； subway

當前，中國地鐵事業日新月異，而地鐵站空調系統的冷卻塔卻存在安裝位置難題。一般而言，將冷卻塔直接安裝在站內的排風坑道內，可作為解決冷卻塔設置難題最簡單的方案。但冷卻塔體積龐大，內部填料間距較小，如果將冷卻塔安裝在排風坑道內，必然導致排風系統動力設備的初投資和運行成本增大。因此，研發體積較小、空氣側阻力小、耗水量少并可安裝在地鐵站排風坑道內的高效換熱設備，對于解決地鐵站冷卻塔設置難題以及推進地鐵建設發展具有重要意義。

間接蒸發式冷卻器作為將空冷與水冷融為一體的高效換熱器，被廣泛應用于空調、電力、化工、制冷等領域[1-6]。科研人員通過大量理論及實驗研究[7-18]，發現間接蒸發冷卻器具有結構緊湊、節能、節水等優勢，但實際過程中，常規間接蒸發式冷卻器還存在表面水膜均勻性、完整性差，水膜與換熱器壁面及水膜與空氣的換熱效率不高等問題。因此，提出了一種采用低速電機驅動旋轉布水裝置的間接蒸發冷卻器，并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，以替代傳統冷卻塔。

Ana等[19]運用單因素實驗法主要研究了間接蒸發式冷卻器在垂直氣流和平行氣流兩種布置下，噴嘴與換熱器間距、兩組換熱管束間距以及噴嘴單、雙側旋轉布水等對間接蒸發式冷卻器換熱性能的影響，進而得出較優布置方式，并在此布置方式下，運用正交實驗法[19]分析噴水溫度、管內冷卻水流量、冷卻水進口溫度等因素對其換熱性能的影響，以改善換熱器表面水膜傳熱傳質微環境，進而提高換熱效率，為旋轉布水技術在實際中的應用提供參考依據。

1 實驗方案

實驗中換熱器由兩組翅片管束并聯構成，即一個換熱單元，翅片管束側面中心開孔以實現其雙側旋轉布水，開孔尺寸為30 mm×25 mm×44 mm，每個換熱單元換熱面積為1.69 m2。翅片管式換熱器模型及其實體圖如圖1所示。圖2所示為其兩種布置方式，垂直氣流布置（a）：換熱器立管與XOY、YOZ平面垂直，氣流方向與X軸平行；平行氣流布置（b）：將第一種布置方式中的換熱器沿YOZ平面逆時針旋轉90°為平行氣流布置方式，其中氣流方向不變。

實驗采用低速電機驅動旋轉布水裝置，通過改變電機電源頻率實現對旋轉布水裝置的轉速調節，通過控制轉速，避免了常規旋轉布水器中雜質易導致裝置停止轉動等問題。圖3所示為旋轉布水裝置平面圖，布水裝置的橫干管上可等間距設置若干布水立管，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。由于本文提出的旋轉布水間接蒸發冷卻器安裝在地鐵站排風通道水平段內，為了獲得其在實際使用環境中相應的數據，搭建與恒溫恒濕室相結合的回流式風洞實驗臺，將間接蒸發式冷卻器安裝在風洞內進行實驗，通過調節恒溫恒濕室內的空氣溫度和濕度，以提供設備在實際工程運行中所處環境的空氣參數。采用安裝溫控型電加熱器的熱水箱進行自動加熱，為換熱器提供恒定的冷卻水進口溫度，利用冷卻塔和熱泵為實驗提供相應溫度的噴淋水，并采用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。

2 實驗結果與分析

旋轉布水間接蒸發冷卻器安裝于地鐵排風通道內時，其換熱器表面水膜蒸發吸收的汽化潛熱來自于兩部分：是換熱盤管內熱水放出的熱量，傳熱的動力是盤管內熱水與噴淋水之間的溫差，這部分熱量是熱水降溫需要被帶走的熱量；二是空調排風與噴淋水之間的傳熱量，噴淋水與空氣的傳熱傳質過程始終由水膜與空氣的顯熱換熱和水膜蒸發的潛熱換熱兩種過程耦合構成，由于蒸發換熱的潛熱遠大于其顯熱交換的熱量，水膜與空氣的傳熱傳質過程的強化方向應著重強化水膜與空氣的傳質過程，增大潛熱傳遞量在整個能量傳遞中的比重。由于噴淋水在噴淋到換熱器表面形成水膜過程中，空氣中水蒸氣分壓強不可避免地會增大，由傳熱傳質理論可知，水膜向空氣的質擴散通量必然降低，空氣參數受到噴淋水的影響越大，水膜與空氣的傳質推動力降低越大。因此，通過實驗對影響換熱器換熱的因素進行分析，優化布水方式，盡可能削弱噴淋水對空氣參數傳質能力的影響，最大限度利用水膜與空氣傳質能力，對于提高其換熱效率具有十分重要的意義。

2.1 間接蒸發冷卻器換熱性能的單因素實驗研究

根據雷諾準則、努謝爾特準則及實用節能手冊[20]推薦的管內流速，實驗取冷卻水流量為600 L/h，使管中水流處于紊流狀態，利于換熱。由于實際應用中地鐵站空調排風溫度為26±2 ℃，實驗取空氣溫度26±0.5℃。為避免風速過大使噴淋水飄逸，影響換熱器表面水膜分布，并依據節能手冊的推薦最佳迎面風速，實驗取空氣速度2.86 m/s。根據文獻[8]對自旋式旋轉布水器的轉速的實驗研究，本實驗取布水裝置轉速為76 r/min。根據節能手冊中提及的單位寬度上的噴淋水量的取值一般為50～200 kg/（m·h），實驗中，噴嘴單側布水時取噴水量為30 L/h，噴嘴雙側布水時取值50 L/h，相應的噴淋密度119.05 kg/（m·h）。噴淋水溫度取環境溫度28±0.5 ℃，冷卻水進口溫度依據冷卻塔的設計進口溫度，實驗中取37.8±0.1 ℃。進而運用單因素實驗法研究間接蒸發式冷卻器在垂直氣流和平行氣流兩種布置方式下，噴嘴與換熱器間距、兩組換熱管束間距對蒸發式冷卻器換熱性能的影響，并對比噴嘴單、雙側旋轉布水時的換熱效果，優化布水方式。實驗中各參數取值如表1。

由圖4（a）、4（b）知，兩種布置方式下，隨著噴嘴與換熱器間距、兩組換熱管束間距的增大，換熱量都是先增大至一定數值后保持不變，而間距相等的情況下，換熱器平行氣流布置時的換熱量均比垂直布置時高。可見，兩種布置方式下，噴嘴與換熱器的間距、兩組換熱管束間距均存在最佳值，使得換熱器換熱性能達到最優。原因在于，噴嘴的噴射角不變，隨著兩間距適當地增大，換熱器表面濕潤系數增大，換熱管外壁與管外水膜的對流換熱增強，提高了熱交換效率，但當間距繼續增大時，液滴到達換熱盤管表面的速度下降，后排換熱盤管表面水膜的分布受到的影響不大，換熱管外側換熱效果變化不大。同時，隨著間距的增大，噴淋水受風截面相應增加，對流沖刷過程中攜帶走的水量會相應越大，但由于此時空氣流速保持不變，且受風截面增加量很小，因而，忽略其對噴淋水冷卻效率的影響。

由圖4（c）知，噴嘴雙側布水與單側布水相比，換熱器垂直氣流布置時換熱量提高了30.8%，平行氣流布置時則提高了19%。而平行氣流布置與垂直氣流布置相比，噴嘴雙側布水時換熱量提高了5%，噴嘴單側布水時提高了15.4%，而且換熱器平行氣流布置且噴嘴雙側旋轉布水時的換熱量最高。由此可見，噴嘴雙側布水優于單側布水，平行氣流布置優于垂直氣流布置，原因在于，單側布水時換熱器的另一側表面得不到充分濕潤，而當雙側布水時，整個換熱器表面水膜分布較完整，換熱管外壁與管外水膜能夠很好地完成對流換熱。換熱器平行氣流布置時，其表面的水膜分布較垂直氣流布置時更均勻，而當換熱器垂直氣流布置時，水膜與空氣熱質交換后不能迅速排走，表面水膜厚度不斷增加，從而熱阻增大，換熱效率降低。因此，換熱器平行氣流布置且噴嘴雙側旋轉布水為較優布水方案，此時換熱量為0.74 kW/m2。

2.2 間接蒸發冷卻器換熱性能的正交實驗研究

由2.1知，換熱器平行氣流布置且噴嘴雙側旋轉布水為較優布水方案，在此基礎上，運用正交實驗法

進一步研究兩側旋轉布水間接蒸發式冷卻器在平行氣流布置方式下，噴水量、噴水溫度、管內冷卻水流量、冷卻水進口溫度、空氣溫度、空氣速度、旋轉布水裝置轉速等因素對其換熱性能的影響。正交實驗因素水平如表2所示，選用正交表L27（313）來安排實驗。

從圖5可以看出，隨著噴水量的增加、轉速的提高、空氣速度的增大、冷卻水進口溫度的升高，換熱器換熱量呈現增加趨勢，但各因素的影響程度有所不同。其中，當噴水量為50 和60 L/h時，換熱量比噴水量為40 L/h時分別提高了7.68%、18.26%；當布水裝置轉速由50 r/min升高到100 r/min時，與轉速為50 r/min時的換熱量相比，分別提高了1.56%、4.06%；當空氣速度為2.75 m/s、3 m/s時，與空氣速度為2.5 m/s時相比，換熱量分別提高了7.79%、8.54%；同時，考慮到由于空氣速度的增加，空氣與噴淋水對流沖刷過程中攜帶走的水量會相應增大，將會對噴淋水的冷卻效率有一定影響，但由于實驗選取的風速均在節能手冊推薦的最佳迎面風速2.5～3 m/s范圍內，避免了由于風速過大使得噴淋水飄逸，影響噴淋水的冷卻效率。當冷卻水進口溫度由35 ℃升高到39 ℃時，與溫度為35 ℃時相比換熱量分別提高了16.08%、36.01%。而隨著噴水溫度、空氣溫度的升高，換熱器換熱量卻呈現減少趨勢，其中，噴水溫度由27 ℃上升到31 ℃時，與27 ℃時換熱器的換熱量相比，分別降低了4.69%、8.03%；空氣溫度由24 ℃上升到28 ℃時，與24℃時相比換熱量分別降低了5.82%、11.23%。冷卻水流量的增大使換熱量呈先減少后增加趨勢。與冷卻水流量為800 L/h相比，冷卻水流量為600、1 000 L/h時，換熱量分別增加了2.50%、2.29%，可見，并不是冷卻水流量越大換熱器的換熱性能越好，冷卻水流量只有在一定的范圍內增加時，換熱量才呈現上升趨勢。以上可知，冷卻水進口溫度的改變對換熱器換熱性能影響最為顯著，當冷卻水進口溫度為39 ℃時，單位面積換熱量為0.902 kW。

為了進一步分析各因素對換熱器換熱性能的影響程度，分別運用極差分析法和方差分析法對正交實驗結果進行了分析，如表3、表4所示。

對比兩表結果可知，兩種分析方法得出的各因素對換熱器換熱性能影響的主次順序排列中僅空氣速度和噴水溫度的前后排列順序不同，其他因素的排列順序一致，可以認為按兩種分析方法排出的主次順序相同：冷卻水進口溫度、噴水量、空氣溫度、空氣速度、噴水溫度、轉速、冷卻水流量。其中改變冷卻水流量對換熱的影響最小，即此時換熱器換熱量受管內側的對流換熱過程影響較小，而受管外側的對流傳熱傳質影響較大，其中，管外側的對流傳熱傳質包括管外壁與水膜的傳熱過程和水膜與空氣的傳熱傳質過程。而噴淋水在換熱器表面形成水膜過程中，噴淋水與空氣的傳熱傳質過程是由水膜與空氣的顯熱換熱和水膜蒸發的潛熱換熱耦合構成，由于蒸發換熱的潛熱遠大于其顯熱交換的熱量，可知換熱過程中空氣側熱阻為主要熱阻，因此，蒸發式冷卻器換熱過程應著重強化水膜與空氣的傳熱傳質過程。

3 結 論

通過實驗研究得出：間接蒸發式冷卻器在垂直氣流和平行氣流布置方式下，噴嘴與換熱器的間距、兩組換熱盤管間距均存在最佳值；噴嘴雙側布水優于單側布水，且同等布水方式下，換熱器平行氣流布置優于垂直氣流布置；換熱器平行氣流布置且噴嘴雙側旋轉布水為較優布置方式，此時，換熱器換熱量隨著噴水量、轉速、空氣速度及冷卻水進口溫度的增加以及噴水溫度、空氣溫度的降低而增大，而冷卻水流量只有在一定的范圍內增加時，換熱量才會呈現上升趨勢，各因素對間接蒸發式冷卻器換熱性能的影響從主到次順序為：冷卻水進口溫度、噴水量、空氣溫度、空氣速度、噴水溫度、轉速、冷卻水流量，這也為開發地鐵用兩側旋轉布水間接蒸發式冷卻器提供了實驗依據。

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