南通市建筑设计研究院 王立忠(2)中间道路
摘要：本文通过一个工程实例，较为详细地叙述了如何提取含Cl－和Fe2O3等浓度较高废水中冷量的过程，对机组和系统的设计作了重点介绍，以期为以后从河水、湖水或废水、污水中提取冷热量的水源热泵机组等系统提供些许经验和借鉴，实现以最小代价获取更多冷、热量的节能概念。
关键词：喷淋废水、水质问题、冷量提取、热湿交换效率、喷咀直径
1、 问题的提出：
英瑞纤维（如东）有限公司细纱车间共有细纱机68台，3万纱绽，由于工厂位于城郊，故仍被允许使用地下水直接喷淋，深井水水温t＝18℃，喷淋后直接作为废水排掉的水温为22℃，两个空调室据厂方提供的资料显示井水出水量为200T/h。尽管如此，夏季8dc-dc变换器月份细纱
车间温度仍高达37.5~40℃（车弄内温度甚至高于40℃）湿度66%以上，这样高温高湿的环境不仅工人无法忍受，更重要的是由于近几年来纺织厂使用的棉花含糖量上升，使得在湿度过大时细纱很容易粘在皮辊上出现断头，给生产造成很大的困难，鉴于上述情况，考虑到节省能耗节省投资等因素，决定充分利用空调室喷淋后200T/h排掉的废水中的冷量以解决细纱车间的降温去湿问题。
2、 废水中冷量提取的具体方案：
从前述可知，作为废水排掉的喷淋后深井水，水温为22℃，根据厂方提供的资料其水量为200T/h，如果将其升高5℃，将可吸收100万Kcal/h的热量，如果能利用它将高温高湿车间的热量移除，从能源利用角度考虑将是十分理想的节能方案！为此设计了下列制冷系统，见系统原理图2.1。
从图中可以看出，其实就是利用22℃的废水对制冷机组进行冷却，带走冷凝排热，但机组的工况与常规工况完全不同。
2.1、 水质问题及其解决办法
2.1.1、 22℃的空调废水水温十分理想，但其水质工况十分糟糕，首先由于该厂地处如东境内，距黄海不过十几公里，临近宋代的范公堤，所以地下水中Cl－含量较高。这在设计制冷机组的冷凝器时要充分考虑介质的腐蚀性，比如换热器铜管进行加厚处理，或使用镍－铂合金铜，本设计中根据厂方意见为节省投资采取了加厚铜管的处理方法，将原来ф16*1.1 mm铜管管束改为ф19*1.5mm管束，延长腐蚀年限，增加使用寿命。
2.1.2、 更麻烦的是水中Fe2O3和所含的短纤维的问题，前已述及空调废水由来自地下60m处浅井水经与细纱车间湿热空气喷淋后形成，实践中发现井水中含铁量较高，二价铁离子一旦与空气接触即被氧化成三氧化二铁沉淀，（工人称之为“黄泥巴”或铁锈），这种沉淀物极易附着在喷水室构件及管壁表面。工程设计和实施前还有一个问题令人十分担心，即细纱车间“飞花”现象十分严重，虽经“尘笼”过滤器过滤，但进入洗涤室的空气中仍有大量短纤维存在，故空调废水中亦会有絮状纤维通过制冷机的冷凝器。上述两个问题直接影响到制冷机的工作状况及产冷量的大小，严重时机器会高压保护，停止工作。为解决这个难题，首先采取多设置过滤网的方法，废水进入冷却水池前经过自动反冲回转式过滤器过滤，之后再经过闸式双层不锈钢网过滤，最后进入水泵吸水口前的过滤网过滤后进入制冷机，这样的措施至多只能阻挡纤维进入冷凝器，不能很好地阻止前已述及的Fe2O3沉淀物 进入机组，所以在制冷机设计制作时，还采取了放大水流速度，加大对管壁的冲刷，使水中含有粘状的Fe2O3沉淀物难以附着在换热器的铜管内壁。经过夏季高温季节连续运行两个月的实践表明，采取上述措施确实收到了良好的效果，拆开冷凝器水端端盖，无堵塞现象，上部一半铜管内壁尚能见到“铜”，但是下部一半铜管已经被Fe2O3较淡地附着一层，就是这样一层很薄的附着物，在冷冻机其它工况不变（尤其是空调喷淋废水进出水温不变）的情况下，竟然在无间断使用一个月后使得高压从13.5kg/cm2升至17kg/cm2，所以一段时间后必须使用稀盐酸进行清洗。
图2.1 系统原理图
2.2、 特殊工况下制冷机组的设计
2.2.1、 制冷机冷量的确定
细纱车间主要是设备散热，通过计算其总冷负荷为1540kw，热湿比ε＝Δh/Δd＝490029kj/kg，原来两个空调室的送风量为35万m3/h，夏季高温季节时采用90%的回风，室内设计参数按厂方生产要求取t＝35℃，ф＝46%，通过i－d图的计算可知，（参见图-2），系统所需的总冷量应为Q＝L. Δi＝112.47kg/s.（78.8-63.8）＝1687.6kw，前已述及厂方提供的资料中井水出水量为200T/h，温升为4℃（18℃上升到22℃），井水提供的冷量为930.4kw，故制冷机产冷量应为1687.6-930.4＝757kw＝65万Kcal/h。
已知参数：
室外状态点W：33.0℃ 28.6℃ 72% 23.3g/kg 93.0kJ/kg
室内状态点N：35.0℃ 25.3℃ 46% 16.4g/kg 77.5kJ/kg
室内空调冷负荷：1540.870KW ; 室内空调湿负荷：11.320kg/h; 新风量：30000m3/h钢丝胶带
计算结果：
总送风量（O—N）：357654 m3/h
空调制冷量（C—O）：1687.590KW
空调器进风状态点参数C：34.8℃ 25.6℃ 48% 17.0g/kg 78.8kJ/kg
空调器出风状态点参数O：22.0℃ 21.7℃ 98% 16.4g/kg 63.8kJ/kg
送风状态点O：22.0℃ 21.7℃ 98% 16.4g/kg 63.8kJ/kg
混风比（N—C—W）：8%
热湿比（N—W）：490029 kJ/kg
2.2.2、 制冷机设计工况的确定
2.2.2.1、 机组蒸发温度的计算
从i－d计算可知，送风状态点（亦可称之为露点）干球温度t2＝22定心支片℃，湿球温度ts2＝21.7℃，进入双级喷淋室的新风和回风混合后状态点参数为干球温度t1＝34.8℃，湿球温度ts1＝25.6℃，该工程是典型的利用天然水源作为第一级喷水，用冷冻水作第二级喷水的双级喷水室，故采用减焓双级喷水室的热工计算方法，
ts1－ts2
t s1―tj
η为双级喷水室总的湿球温度传热效率，η＝η还可以通过《空调设计手册》表6-54查出为0.28，从上述公式可求出tj＝11.7℃，故冷冻机出水温度取11℃，则机组蒸发温度t0＝11-5＝6℃。
2.2.2.2、 机组冷凝温度的计算
井水喷淋后空调回水温度可达22℃，其出水量可达200T/h，远高于65万Kcal/h制冷机冷却水量160T/h的要求。考虑到冷却水质较为污浊其污垢系数较大的因素，（污垢系数按常规的两倍计算为0.172m2S℃/KJ）冷凝温度tk按35℃取值。冷凝器换热钢管为防止结垢，将管内水流速变为常规的1.5倍，为此适当将管束减少，（为保证换热面积不变须同时适当加长管束），为加强换热在管束外部做螺旋流道，管外侧做压花螺纹，撕破层流。
2.2.2.3、 压缩机的选择
根据莱复康压缩机Refcomp-Leonardo计算软件可求出，当选用SRC-S-305压缩机在上述条件下（且其过冷、过热度均按5℃取值）其制冷量及功耗和COP值分别为：
Q0＝381.3KW N＝68.3KW COP＝5.583
选用两台压缩机Q＝762.6KW＝65.6万Kcal/h
2.2.2.4、 上述一系列的措施和办法，主要目的就是要充分利用22℃的空调废水（本来直接
排入下水道中）用最小的代价换取减焓去湿用的t＝11℃的空调冷水，所设计的螺杆式冷水机其COP值可达5.6，实践中若能实现这一方案将是一个十分节能的空调制冷系统。
2.3、 人工冷源喷水室的节能设计
2.3.1、 喷水室与表冷器的选择
当水温低于空气露点温度时，采用喷水室和表冷器均能实现热、湿交换，尤其是湿交换直接决定减焓降湿的效果，采用喷水室时是喷咀喷出的所有细小水滴间与空气发生热、湿交换，采用表冷器时当热阻过大或冷水水温过高时其热、湿交换效果会劣于喷水室；更为主要的一点是，细纱车间的飞花虽经深井水喷淋和第一道挡水板的“拦截”但仍会有一部分进入表冷器表面，加之空气中少量的深井水亦会将Fe包边角钢2O3带入表冷器，会使狭小空间内表冷器传热性能快速下降，并很难清洗，另外表冷器加挡水板的风阻远大于喷水室的风阻，这将直接影响送风量的大小，因此采用喷水室较符合实际情况。
2.3.2、 喷水室的节能设计
由于系改造工程，受空间狭小的限制，增加的人工冷源，只能在一个角落内设置，要想增
加热湿交换效率，充分利用人工冷源的冷量，必须在喷咀布置、孔径选择以及挡水板的形式上多做考虑。
2.3.2.1、 喷排的布置
设计中由于考虑到水苗要充分覆盖的因素，甚至产生了喷咀越多越好的想法，故按三排设计。实践表明，由于喷水量有限，喷咀过多，使得雾化效果较差，实际上三排喷咀并不比双排喷咀在热工性能方面有多大优越性，在双排的喷水室中，对喷比两排均逆喷效果更好。这些通过反复实验均得到了验证，在相同的进水温度时从三排改为两排对喷后进出水温差由原来 的Δt＝3℃提高到Δt＝3.6℃（其出水量均大于冷冻机额定水量）
2.3.2.2、 喷咀及孔径的选择
选用喷射角度达120-135°的PY-Ⅰ型喷咀，一般的理论认为，按喷咀喷出的水滴直径有粗喷、中喷和细喷之分，细喷水滴直径仅为0.05~0.2mm，与空气接触时温度升高快，容易蒸发，所以适用于空气加湿过程，当喷咀直径≥3mm时，可以得到中喷和粗喷，此时喷出的水滴直径较大（中喷为0.15~0.25mm，粗喷为0.2~0.5mm），与空气接触时温度升高慢，
不易蒸发，适用于空气冷却干燥过程。根据这一理论，并考虑到水质不是很理想故选择了d0＝5mm的喷咀直径，实际调试中发现喷出的水滴直径确实够大，但冷却干燥（减焓降湿）的效果并不理想，后改用d0＝3mm的合成皮革PY-Ⅰ喷咀，其雾化程度明显加强，通过实测处理前后空气的焓差明显增大。
2.3.2.3、 挡水板的选择
在《对降低喷水室能耗，提高热湿交换效率的几点探索》一文中从理论上分析了三种挡水板的特点，并推荐采用一种改良蛇形挡水板，其特点是过水量小，而风阻力亦小，（其阻力系数为ξ＝2.89，而折板型挡水板ξ＝13）此次把它用于工程实践算是对上述理论分析的一种检验。为减少工人定期拆除挡水板清洗的负担，此次特意让生产厂订制了一种搭扣式连接的方法，使用结果表明，喷淋室改造前后（即增加新挡水板前后）风量无明显变化，亦无过水现象。
3、 实践结果总结
3.1、 实践表明上述从喷淋废水中回收冷量的做法十分有效，深井水可以从原来的18℃提升到30℃再排放，将原来的4℃温升提高到了12℃温升，见下图：
根据热平衡关系可求出：X＝200 ＝87.5T/h
通过实测数据计算证明其深井水出水量仅为87.5T/h，远小于厂方提供的200T/h的水量，故上述该套系统向车间提供的冷量应为
Q＝ * 1000－∑N＝1029KW
其中∑N为压缩机功率，冷却泵冷冻泵功率之和为192KW，该数据比车间计算需冷量减少658.6KW，这主要是因为实际深井水量与厂方提供的相差甚远，不仅直接减少冷量，而且使得进入冷凝器的温度由22℃变为26.5℃（为防止水泵吸空池内水必须混合一部分冷凝器排水使用），故使得机组工况点发生变化，冷凝温度由原设计35℃变为40℃，制冷机的产冷量亦相应减少。尽管如此细纱车间仍达到了令人比较满意的程度，温度比原来下降4℃，相对湿度在50%~58%之间，夏季高温天气已能正常生产。
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