黃曉慶，張 旭，葉 蔚

（同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克虾?01804）

我國火力機(jī)組發(fā)電量占總發(fā)電量的80%以上，火力發(fā)電是我國需水量最大的行業(yè)之一.按照我國電力工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，今后應(yīng)著重建設(shè)在煤礦附近的“坑口電站”，缺水問題是此發(fā)展規(guī)劃的最大障礙.在電站中最有效的節(jié)水措施就是發(fā)展空冷技術(shù)，但空冷技術(shù)在應(yīng)用過程中，受環(huán)境氣溫影響較大.特別在夏天，由于環(huán)境氣溫高，空冷器熱流體出口溫度滿足不了工藝要求.為了解決這一矛盾，可采用蒸發(fā)冷卻強(qiáng)化空冷器空氣側(cè)的換熱方法，常用換熱設(shè)備包括：混合（干／濕）系統(tǒng)、噴淋式空冷器及增濕型空冷器（包括填料增濕及噴霧增濕）.其中，噴霧增濕型空冷器通過噴嘴對入口空氣進(jìn)行噴霧冷卻的方式因其系統(tǒng)相對簡單，初投資低且回報(bào)率高，并易于對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造而受到青睞［1－3］.

根據(jù)形狀和噴射的特點(diǎn)，噴嘴主要有以下幾種類型：壓力式霧化噴嘴、旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴、雙流體霧化噴嘴、超聲霧化噴嘴、撞擊式霧化噴嘴等.本文采用壓力式螺旋型噴嘴TF6進(jìn)行入口空氣冷卻的試驗(yàn)研究，包括TF6噴嘴流量特性試驗(yàn)、一二排TF6噴霧降溫試驗(yàn)、一三排TF6噴霧降溫試驗(yàn)［4－5］.

1 試驗(yàn)裝置及工況表

試驗(yàn)系統(tǒng)包括四部分：高溫?zé)煔庀到y(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)和測試系統(tǒng).圖1是噴霧降溫試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.高溫?zé)煔庀到y(tǒng)包含循環(huán)風(fēng)機(jī)、高智能熱風(fēng)爐、風(fēng)管、排煙口、高溫測量段等；通風(fēng)系統(tǒng)包含風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)調(diào)速裝置、風(fēng)道、通風(fēng)系統(tǒng)測量段等；噴淋系統(tǒng)包含水箱、高壓水泵、輸水段、噴嘴、接水盤、噴淋測量段等.

試驗(yàn)段為2 500mm×1 450mm×800mm的長方形箱體，頂部布置四排噴嘴，排與排間距為500 mm，同排噴嘴間距為725mm，底部設(shè)置接水盤，具體布置如圖1所示.試驗(yàn)所用噴嘴為壓力式螺旋型噴嘴TF6，實(shí)心錐，噴霧角90°，外螺紋管徑0.635cm（1／4英寸），具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.試驗(yàn)主要測量參數(shù)及儀器儀表詳見表1，用Fluke每10s對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集.試驗(yàn)工況如表2所示，其中一二排TF6噴嘴噴淋七組工況，一三排TF6噴嘴噴淋二組工況.

圖1 噴霧降溫試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of spray cooling system（unit：mm）

表1 試驗(yàn)主要測量參數(shù)及儀器儀表Tab.1 Major measurement parameters and instruments

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of nozzle

2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)根據(jù)熱濕交換原理，進(jìn)行噴霧降溫空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)的計(jì)算.試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，主要取決于空氣側(cè)參數(shù)（干濕球溫度）的準(zhǔn)確性.

表2 試驗(yàn)工況表Tab.2 Test conditions

溫差是熱交換的推動(dòng)力，而水蒸氣分壓力差則是濕（質(zhì)）交換的推動(dòng)力［6］.

當(dāng)空氣與水在一微元面積dA上接觸時(shí)，空氣溫度變化為dt，顯熱交換量

式中：G為與水接觸的空氣量，kg·s－1；cp為空氣的定壓比熱容，J·（kg·℃）－1；h為空氣與水表面間顯熱交換系數(shù)，W·（m2·℃）－1；t，tb為主體空氣和邊界層空氣溫度，℃；A為水與空氣的接觸面積，m2.

式中：hmp為空氣與水表面間按水蒸氣分壓力差計(jì)算的濕交換系數(shù)，kg·（N·s）－1；Pq，Pqb為主體空氣和邊界層空氣的水蒸氣分壓力，Pa；w為主體空氣含濕量，kg·kg－1.

由于水蒸氣分壓力差在比較小的溫度范圍內(nèi)可以用具有不同濕交換系數(shù)的含濕量差代替，所以濕交換量也可寫成

式中：hmw為空氣與水表面間按含濕量差計(jì)算的濕交換系數(shù)，kg·（m2·s）－1；wb為邊界層空氣的含濕量，kg·kg－1.

式中：r為溫度tb時(shí)水的汽化潛熱，J·kg－1.

因?yàn)榭偀峤粨Q量dQz＝dQx＋dQq，可得

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 TF6流量特性

TF6流量特性試驗(yàn)中，測量了二排TF6噴嘴（4個(gè)）同時(shí)噴淋的L及p（設(shè)置7個(gè)壓力控制值：2.0，3.0，5.0，7.0，10.0，15.0，20.0bar），擬合得到TF6的流量特性

式中：l為單個(gè)噴嘴流量，L·min－1；p為噴嘴壓力，bar.變化趨勢如圖3所示.

3.2 熱濕交換過程分析

本文以一二排TF6噴嘴噴淋工況2為例分析噴霧降溫的熱濕交換過程.如圖4所示，入口空氣取樣斷面干球溫度tdb為79.2℃，濕球溫度twb為36.4℃.開啟噴淋系統(tǒng)，隨著p的升高（設(shè)置10個(gè)壓力控制值：0.5，0.7，1.0，2.0，3.0，5.0，7.0，10.0，15.0，20.0bar），L增大，tdb明顯降低，twb略微下降.當(dāng)p達(dá)到7.0bar時(shí)，tdb基本達(dá)到twb，繼續(xù)增加p，tdb下降不明顯，但tdb逐漸接近并等于twb.

根據(jù)熱濕交換原理，具體分析一二排TF6噴嘴噴淋工況2的熱濕交換過程，如圖5所示.p達(dá)到7.0bar時(shí)，tdb下降不再明顯，即Qx隨著p的升高而絕對值增大，當(dāng)p達(dá)到7.0bar時(shí)，顯熱交換平衡.隨著p的增加，Qq隨著空氣含濕量的增加而增大，但p達(dá)到7.0bar后，空氣析濕，Qq下降.Qz存在平衡再下降的趨勢.

圖5 一二排TF6工況2熱濕交換過程Fig.5 Heat and mass transfer in TF6 Line 1and 2，Condition 2

3.3 關(guān)聯(lián)式擬合

根據(jù)蒸發(fā)冷卻原理，入口空氣干濕球溫差ΔT為空氣干球溫降的驅(qū)動(dòng)力，即通過蒸發(fā)冷卻方式，tdb所能達(dá)到的冷卻極限為twb.圖6列出了一二排TF6七組工況冷卻效果（取樣斷面干球溫降Δtdb）隨ΔTV（V為蒸發(fā)率）的變化.七組工況呈現(xiàn)共同趨勢，即隨著ΔTV的增大，Δtdb增大，但達(dá)到某一特定值時(shí)，ΔTV逐漸減小，Δtdb繼續(xù)增大，此時(shí)空氣析濕.由此可以判斷，在達(dá)到某一特定值前，空氣降溫的主要機(jī)理為蒸發(fā)冷卻，在達(dá)到某一特定值后，空氣降溫的主要機(jī)理為水與空氣間的對流換熱.因此，應(yīng)該對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合.

圖6 一二排TF6Δtdb隨ΔTV的變化Fig.6 ΔtdbvsΔTVin TF6Line 1and 2

本文對以蒸發(fā)冷卻為主要降溫機(jī)理的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，擬合出Δtdb與ΔTL間的關(guān)系

ΔT代表蒸發(fā)冷卻的驅(qū)動(dòng)力，L與液滴表面積密切相關(guān)，擬合結(jié)果具有物理意義.此外，相關(guān)系數(shù)R2＝0.943 43，擬合結(jié)果可靠，如圖9所示.

3.4 TF6不同位置噴淋降溫效果比較

圖7，8分別為一三排TF6工況1空氣取樣斷面溫度變化及熱濕交換過程，其變化趨勢與一二排TF6工況2類似.同樣擬合出一三排TF6Δtdb與ΔTL間的關(guān)系

其擬合的相關(guān)系數(shù)R2＝0.953 67，擬合結(jié)果可靠，如圖9所示.

對一二排TF6及一三排TF6的冷卻效果擬合曲線進(jìn)行比較，如圖9所示.當(dāng)ΔTL相同時(shí)，一二排TF6的噴霧降溫效果略好于一三排TF6.

4 結(jié)論

（1）通過分析TF6流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到單個(gè)TF6噴嘴的l與p的平方根成正比，其比例系數(shù)為3.18.

（2）在一二排TF6七個(gè)工況和一三排TF6二個(gè)工況中，當(dāng)p達(dá)到7.0bar時(shí)，tdb基本達(dá)到twb，繼續(xù)增加p，tdb下降不明顯.在蒸發(fā)冷卻為主要機(jī)理的降溫過程中，L并不是越多越好，而是存在一個(gè)最佳壓力.當(dāng)超過最佳壓力時(shí)，空氣析濕，主要降溫機(jī)理為水與空氣間的對流換熱.

（3）本文對以蒸發(fā)冷卻為主要降溫機(jī)理的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，擬合出一二排TF6及一三排TF6冷卻效果Δtdb與ΔTL間的關(guān)系，并給出關(guān)系式的適用范圍.相關(guān)系數(shù)接近1，擬合結(jié)果可靠.擬合式中ΔT代表蒸發(fā)冷卻的驅(qū)動(dòng)力，L與液滴面積密切相關(guān)，擬合結(jié)果具有物理意義.

（4）對一二排TF6及一三排TF6的冷卻效果擬合曲線進(jìn)行比較，說明當(dāng)ΔTL相同時(shí)，一二排TF6的噴霧降溫效果略好于一三排TF6，即排間距500mm略好于1 000mm.

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