蒸发冷却技术在玻璃制造业应用

2013-06-29卫晨黄翔孙哲范坤

建筑热能通风空调 2013年2期

卫晨黄翔孙哲范坤

西安工程大学环境与化学工程学院

0 引言

玻璃制造业车间的内热源主要由工艺生产工程中熔制池窑、退火炉等辐射热源构成，附近工作区人员的辐射得热非常大[1]。为改善工作人员的劳动环境，必须采取有效的降温和通风措施。以往，在高温车间多采用开天窗、加排气风帽等自然通风或者设置排风扇来进行通风换气。这些措施虽然能满足通风要求，但是降温效果却不理想，尤其是在散热源附近的工作区，采用通风措施很难满足对工作人员周围环境温度的要求。对于像玻璃制造车间这类含有辐射热源的场合，采用蒸发冷却技术具有十分明显的效果[2]。

1 蒸发冷却技术原理介绍及其优势

1.1 直接蒸发冷却（DEC）

直接蒸发冷却是利用淋水填料层（喷水室喷水、冷却塔喷水或其它绝热加湿设备）直接与待处理的空气接触来冷却空气的。这时由于水的蒸发，空气将会因不断地把自身的显热传递给水而得以降温，空气的显热转化为潜热，空气既得以降温，又实现了含湿量的增加，这是一个绝热、降温、加湿过程[3]。直接蒸发冷却过程在焓湿图上如图1所示。

图1 直接蒸发冷却过程

1.2 间接蒸发冷却（IEC）

间接蒸发冷却是利用一股辅助气流（二次空气）先经喷淋水（循环水）直接蒸发冷却，温度降低后，再通过空气—空气换热器来冷却待处理空气（一次空气），并使之温度降低。由此可见，待处理空气通过间接蒸发冷却所实现的便不再是等焓降温过程，而是等湿降温过程，从而避免由于加湿而把过多湿量带入室内[3]。间接蒸发冷却系统既可设计为一级的，也可设置为多级的使得降温幅度加大。间接蒸发冷却过程在焓湿图上如图2所示。

图2 间接蒸发冷却过程

1.3 蒸发式冷气机

蒸发式冷气机就是采用蒸发冷却原理，采用全空气运行方式，用循环水泵不间断地把水箱内的水抽出，并通过布水系统均匀地喷淋在填料层上，室外空气经过填料层被等焓降温，再由送风机将被处理过的空气强制送入室内，室内污浊的热空气通过敞开的门窗或者由机械排风方式排出室外，如图3所示[4]。蒸发式冷气机结构紧凑且可做成上出风、侧出风、下出风等多种形式。

图3 蒸发式冷气机结构示意图

与传统的机械制冷空调相比较，蒸发式冷气机具有通风换气、加湿、降温、净化、除味于一体的功效；能彻底地改善室内空气品质，将室外新鲜的空气送入室内，保持室内空气的含氧量与污染物浓度；并且具有投资运行费用、降温效果明显、安装维护方便快捷；除此之外蒸发冷却空调在处理空气的过程中，直接使用水作为制冷剂，而不是CFCs，因此对大气环境无污染，特别环保。现如今有关的蒸发型冷气机标准已发布[5]。

2 蒸发冷却在玻璃制造车间的应用案例及效果分析

2.1 工程概况

西安某玻璃制品有限公司，生产车间面积30m×70m，熔制、成形和退火工艺工程主要集中在车间中间区域进行，车间内工作人员活动范围也主要集中在车间中部，见图4。

图4 生产车间空调系统平面图

由于在玻璃生产过程中，熔窑的温度可达到1300～1600℃，而成形和退火工序也需要在较高的温度下完成，所以在这附近的工人辐射得热特别大，工作环境温度在夏天可高达45℃以上，十分恶劣。工人在这样的环境下工作经常产生胸闷、乏力、精神疲惫等不良反应，体内温度全靠汗液来调节，消耗体内大量的水分和盐分，心脏负担增加，容易发生脱水和中暑现象，严重影响企业的生产效率和产品质量。该企业曾采取自然通风和机械排风等多种方法，均不能取得良好的效果。对于传统的机械制冷空调，由于初投资和运行费用均过于庞大，在此车间内也无法得到有效地运用。

2.2 应用蒸发式冷气机的可行性分析

由于夏季车间内工作环境炎热且卫生条件差，采用蒸发式冷气机全新风运行，可有效地将室外新鲜空气进行降温后送入室内，从而使工人的工作环境空气凉爽、卫生、洁净。

查阅《中国建筑热环境分析气象数据集》可得西安的气象资料：夏季空调室外计算干球温度tw=35.1℃，夏季空调室外计算湿球温度ts=25.8℃。

根据西安市气象条件，蒸发式冷气机按85%的直接蒸发冷却效率计算，夏季出风口温降（冷气机进出口温差）：△t=(tw-ts)×η=(35.1-25.8)×85%=7.9℃。则出风口温度约为t2=27.2℃。以上的温降幅度和出风温度均可以满足车间的生产工作要求[6～7]。

2.3 空调方案的确定

选用某公司生产的蒸发式冷气机2台，每台送风量约为30000m3/h，总送风量约为60000m3/h。

该系统采用侧送风方式在车间相对的两面长墙上开孔各设置一台蒸发式冷气机，冷气机选取上出风式接送风弯管进入车间，风管标高3m。由于该车间内热源和人员工作区域相对比较接近、集中，所以采用工位送风的方式将被处理的新风送到工作人员头顶向下吹出，以便达到更好的降温效果。具体施工过程中根据生产工艺和工作区实际需要开设送风口的位置，送风口标高2～2.3m。如图5所示。

图5 工作区送风口示意图

车间的排风通过敞开的门窗借助冷气机送风产生的车间内正压实现，有效地将车间内浑浊空气排出，同时省去了设置排风机的投资和运行费用。

2.4 蒸发式冷气机运行后的实测资料和分析

在2012年6月下旬一天中午对该车间进行了相关测试。测试仪器：testo480多功能测量仪一台，温度测量范围-20～70℃，精度±0.5℃；风速测量范围0～+20m/s，精度±（0.03m/s+4%测量值）；相对湿度测量范围0～100%RH，精度±（1.8%RH+0.7%测量值）。

图6 被污染后的填料实物

现场为两台30000m3/h风量上送风的蒸发式冷气机，风管沿工作区的工作道布置进行局部工位送风。在测试中，发现车间周围的空气含粉尘较多，很容易使填料污染、结垢、堵塞，影响冷气机的运行效果（图6）。为此该企业在蒸发式冷气机四周的进风面上加装了一层过滤网来减轻粉尘对冷气机中填料的污染，即使如此填料的平均使用寿命仍在一年左右，需要每年就更换一次填料，所花费用较高。笔者认为，在类似周围环境粉尘含量较高的工业场合使用蒸发式冷气机，可对其中的填料进行分层，采用两层填料布置，上游区的填料较薄，下游区的填料较厚。这样大多数粉尘在上游区填料就被吸附拦截下来，对下游区的填料起到保护的作用，而且每次只需更换上游区被污染严重的填料即可，节省更换填料的费用。

测试时，当天室外的气象参数：tg=34℃，φ=33.8%，测试具体数据如图7所示。

图7 玻璃生产车间六月某天测试数据

通过图7可以看出，使用蒸发式冷气机对工作区进行工位送风，送风温度在27℃左右，可维持工作区的平均温度在31℃左右。随着中午室外温度的升高，工作区仍然能保持较低的温度，降温效果明显。

经过测试，送风口的风速在5～6m/s之间，送达接触人体时风速约在4m/s左右，在较高的迎面风速条件下，虽然工作区温度高于30℃，但依然不会使工作人员感到难受[8]，满足相关规范的工业车间人体热舒适性要求。测试得车间内工作区相对湿度为48.6%，对于玻璃生产车间这种高温场所，空气相对湿度较低，非常干燥，采用蒸发式冷气机工位送风可对工作区起到加湿作用，满足人体热舒适对相对湿度的要求。

另一方面，由于采用全新风系统运行，不断地送入室外新风，能有效地排除工作区被污染的浑浊空气，使得车间空气质量良好，工人工作的舒适性、积极性显著提高，企业的生产效率也随之得以提升。

此系统运行模式也可灵活多变的调节：春秋季可作为通风系统（关闭相关供水系统），对车间内进行换气；冬季时由于车间内含有辐射热源，此系统可作为加湿通风系统，对车间进行适当的加湿，保持室内人员良好的舒适性。