劉百?gòu)?qiáng) 陳良才

(1．中國(guó)石油化工股份有限公司武漢分公司； 2．華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

淋水與空氣混合的兩相流動(dòng)廣泛用于開式冷卻塔、閉式冷卻塔及蒸發(fā)式冷凝器等蒸發(fā)冷卻設(shè)備中。目前，液滴和氣體兩相流的研究主要在數(shù)學(xué)模型的深入、數(shù)值計(jì)算方法的完善以及液滴光學(xué)測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)與開發(fā)等方面展開[1]，但在氣液混合流場(chǎng)的溫濕度測(cè)量方面，進(jìn)展似乎不明顯，這主要是因?yàn)橐旱魏蜌怏w混合在一起，一般的測(cè)量方法很難將二者分開[2～4]。

開式冷卻塔內(nèi)噴淋水與流動(dòng)空氣的換熱主要是在填料區(qū)完成的，但噴淋區(qū)內(nèi)噴淋水與流動(dòng)空氣的換熱并非可以忽略不計(jì)。環(huán)境空氣經(jīng)過噴淋區(qū)時(shí)，淋水肯定有蒸發(fā)，空氣濕度也會(huì)增加。填料區(qū)空氣入口溫濕度與環(huán)境空氣溫濕度肯定不同，即噴淋區(qū)的換熱會(huì)影響到填料區(qū)的空氣入口邊界條件。與此類似，閉式冷卻塔和蒸發(fā)式冷凝器的換熱雖然主要在管束區(qū)完成，但噴淋區(qū)的蒸發(fā)和換熱也會(huì)影響到管束區(qū)空氣入口邊界條件。

蒸發(fā)冷卻設(shè)備常規(guī)傳熱設(shè)計(jì)時(shí)，通常將環(huán)境空氣溫濕度條件直接作為空氣進(jìn)入填料區(qū)或管束區(qū)的條件，忽略了空氣經(jīng)過噴淋區(qū)的溫度變化和濕度的增大。也有的研究者或設(shè)計(jì)人員將管束換熱特性乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來反映填料區(qū)或管束區(qū)入口空氣條件與環(huán)境空氣條件的差異[5]。這樣簡(jiǎn)單處理的原因主要是噴淋區(qū)中空氣與水滴混合在一起，測(cè)溫傳感器伸入噴淋區(qū)后，很難做到只接觸空氣而不接觸水滴。若將測(cè)溫傳感器放進(jìn)一般的百葉窗，再伸入噴淋區(qū)，雖然百葉窗能阻擋下落水滴進(jìn)入百葉窗，但阻擋不了上行風(fēng)裹挾水滴進(jìn)入百葉窗，打濕測(cè)溫傳感器。

針對(duì)氣水逆向流場(chǎng)的特點(diǎn)，筆者采用了能有效分離空氣與噴淋水滴，可同時(shí)測(cè)量空氣干濕球溫度的裝置[6]，為計(jì)算冷卻設(shè)備的蒸發(fā)量和蒸發(fā)換熱量提供了可靠的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。

1 測(cè)溫裝置

本測(cè)溫裝置的設(shè)計(jì)思路是設(shè)法避免水滴接觸測(cè)量氣溫的熱電偶，同時(shí)盡量縮小采樣器尺寸，以減少它對(duì)氣水主流的干擾。

測(cè)溫裝置如圖1所示，其中的測(cè)氣溫裝置主要由氣水分離的濕空氣采樣器、測(cè)氣溫的熱電偶、采樣管和溫度巡檢儀組成。采樣器主體是帶有避雨集氣罩的俯角進(jìn)風(fēng)格柵，裝在其內(nèi)部的熱電偶經(jīng)過采樣管與溫度巡檢儀相連。這樣，就能測(cè)量噴淋區(qū)空氣溫度。

圖1 噴淋區(qū)氣水分離和測(cè)溫裝置示意1——采樣器；2——采樣點(diǎn)氣溫?zé)犭娕迹?——膠塞；4——溫度巡檢儀；5——干球溫度熱電阻；6——濕球溫度熱電阻；7——引風(fēng)管；8——引風(fēng)機(jī)；9——水盒

由于水的密度遠(yuǎn)大于空氣密度，空氣在俯角進(jìn)風(fēng)口會(huì)折流而走，而水滴在離心力的作用下被沖到采樣器壁面上，并在表面張力作用下聚集成大水滴，然后在重力作用下沿器壁向下流動(dòng)，最后由采樣器底孔排出。即使少數(shù)慣性較小的小水滴附著在熱偶桿表面，由于水滴稀疏和來量很少，熱偶表面也不可能形成水膜，且在液固附著力和表面張力作用下，細(xì)小水滴基本不流動(dòng)，不會(huì)打濕熱偶的感溫頭，且會(huì)在流動(dòng)空氣的作用下蒸發(fā)消失。所以，該裝置能對(duì)噴淋區(qū)空氣溫度t1db進(jìn)行準(zhǔn)確有效的測(cè)量。

該裝置測(cè)量噴淋區(qū)內(nèi)空氣濕球溫度t1wb的原理是：用風(fēng)機(jī)將氣水分離后采樣器內(nèi)的濕空氣抽至引風(fēng)管內(nèi)的干濕球溫度計(jì)；待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，巡檢儀記錄引風(fēng)管內(nèi)的干球溫度t2db和濕球溫度t2wb，輸入到程序中，算出含濕量d2；根據(jù)質(zhì)量守恒定律，從采樣器到引風(fēng)管干濕球溫度計(jì)處若風(fēng)量連續(xù)穩(wěn)定，則含濕量不變，那么采樣器處的含濕量d1=d2；由采樣器處的空氣干球溫度t1db和含濕量d1，可利用程序算出采樣器處的空氣濕球溫度t1wb。采樣器放在不同位置，就可測(cè)出不同位置處的空氣含濕量，進(jìn)而算得空氣流動(dòng)路線上不同截面之間的含濕量之差和蒸發(fā)量。

2 蒸發(fā)量的計(jì)算

圖2所示的是石油化工廠制氫裝置中的蒸發(fā)式冷凝器，首先采用上述測(cè)量方法測(cè)量噴淋區(qū)和管束區(qū)空氣干濕球溫度，然后計(jì)算噴淋區(qū)和管束區(qū)各自的蒸發(fā)量。

圖2 蒸發(fā)式冷凝器及測(cè)量截面示意圖1——環(huán)境截面；2——噴淋區(qū)空氣出口截面；3——管束區(qū)空氣出口截面

蒸發(fā)式冷凝器的工況條件為：

大氣壓 100 100Pa

水箱水溫 29℃

環(huán)境氣溫 25℃

空冷器換熱管束迎面風(fēng)速 2.5m/s

干空氣質(zhì)量流量Qma65.031 8kg/s

因?yàn)榭諝飧蓾袂驕囟扰c氣壓的高低有關(guān)，故需測(cè)出有關(guān)截面的氣壓值和對(duì)應(yīng)的引風(fēng)管氣壓值(表1)，其中測(cè)量得到的采樣點(diǎn)干球溫度t1db、引風(fēng)管內(nèi)干球溫度t2db和濕球溫度t2wb也列于表1。另外，測(cè)量環(huán)境干濕球溫度時(shí)，引風(fēng)管很短，環(huán)境采樣點(diǎn)的值與引風(fēng)管內(nèi)的干濕球溫度值相同。

表1 各截面測(cè)量和計(jì)算的濕空氣參數(shù)

注：DA表示干空氣。

表1中的采樣點(diǎn)計(jì)算濕球溫度t1wb、采樣點(diǎn)計(jì)算相對(duì)濕度φ1和計(jì)算含濕量d1按以下步驟計(jì)算：

a. 測(cè)得噴淋區(qū)空氣出口截面1的氣壓p1為100 077 Pa、干球溫度t1db為26.10℃；

b. 測(cè)得噴淋區(qū)空氣出口截面1對(duì)應(yīng)的引風(fēng)管氣壓p2為100 026 Pa、干球溫度t2db為25.80℃、濕球溫度t2wb為24.22℃；

c. 計(jì)算引風(fēng)管絕對(duì)濕球溫度T2wb=t2wb+273.15；

d. 計(jì)算對(duì)應(yīng)引風(fēng)管濕球溫度的飽和蒸汽分壓p2swb，具體算式為lnp2swb=C1/T2wb+C2+C3T2wb+C4T2wb2+C5T2wb3+C6T2wb4+C7lnT2wb，式中各項(xiàng)系數(shù)取值分別為C1=-5674.5359、C2=6.3925247、C3=-0.9677843×10-2、C4=0.62215701×10-6、C5=0.20747825×10-8、C6=-0.9484024×10-12、C7=4.1635019；

f. 根據(jù)質(zhì)量守恒，得d1=d2；

g. 已知p1=100 077Pa、t1db=26.10℃、d1=18.72 g/kgDA，根據(jù)上述算式編程迭代，求解反函數(shù)t1wb，得到采樣點(diǎn)計(jì)算濕球溫度t1wb=24.30℃，采樣點(diǎn)計(jì)算相對(duì)濕度φ1=86.40%；

h. 噴淋區(qū)中，空氣含濕量的增量為d1=18.72-13.02 =5.70g/kgDA；

i. 噴淋區(qū)中的蒸發(fā)量Qmw1=Qma·d1=65.0318×5.7=370.7g/s。

以上的編程計(jì)算和編程迭代求解反函數(shù)可用計(jì)算機(jī)離線進(jìn)行，也可將測(cè)量數(shù)據(jù)采集與程序放在同一計(jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行在線計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)。

另外，與上述步驟相似，將管束區(qū)空氣出口截面2的測(cè)量值p2、t2db、t2wb代入程序，可算得d2=42.14g/kgDA、t1wb=37.38℃、φ1=93.67%；管束區(qū)中，空氣含濕量的增量為Δd1=42.14-18.72 =23.42g/kgDA、蒸發(fā)量Qmw1=QmaΔd1=65.0318×23.42 =1.523kg/s、蒸發(fā)換熱量Φ1=Qmw1×r=1.523×2430.9 =3702.37kW，其中r表示汽化潛熱。

從計(jì)算看出，總蒸發(fā)水量ΣQmw1=370.7+523=1893.7g/s。其中，噴淋區(qū)蒸發(fā)量的占比為370.7/1893.7=0.1958=19.58%，這是因?yàn)檎舭l(fā)式冷凝器的熱流體在管內(nèi)，不在噴淋區(qū)。所以，噴淋區(qū)的蒸發(fā)不僅對(duì)換熱無貢獻(xiàn)，而且因其增大了空氣含濕量而削弱了空氣吸收蒸發(fā)潛熱的能力。但噴淋區(qū)的存在又是不可避免的。

由以上計(jì)算結(jié)果分析得知：

a. 噴淋區(qū)蒸發(fā)量的占比近20%，可增加水耗，并對(duì)空氣吸收蒸發(fā)潛熱能力的削弱是不可忽略的；

b. 管束區(qū)進(jìn)口空氣的含濕量與環(huán)境空氣的含濕量差別較大，將環(huán)境空氣當(dāng)作管束區(qū)進(jìn)口空氣是不合適的；

c. 常規(guī)算法(由設(shè)備出口空氣與進(jìn)口空氣的含濕量差來計(jì)算)計(jì)入了噴淋區(qū)蒸發(fā)，算出的蒸發(fā)換熱量大于實(shí)際的蒸發(fā)換熱量。

3 結(jié)論

3.1本測(cè)溫方法能將噴淋區(qū)的淋水和空氣有效分離，保證噴淋區(qū)氣溫測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.2噴淋區(qū)淋水的蒸發(fā)對(duì)管內(nèi)熱流體散熱無貢獻(xiàn)，而且會(huì)明顯削弱空氣吸收蒸發(fā)潛熱的能力，這種影響不宜忽略。

3.3蒸發(fā)冷卻設(shè)備的實(shí)際蒸發(fā)換熱量小于由設(shè)備進(jìn)出口空氣含濕量差算出的蒸發(fā)換熱量。

3.4蒸發(fā)冷卻設(shè)備的噴淋區(qū)、管束區(qū)或填料區(qū)的蒸發(fā)量，可通過本測(cè)量和計(jì)算方法準(zhǔn)確求得。

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