壓力式螺旋型噴嘴降溫特性試驗

黃曉慶，張 旭，葉 蔚

（同濟大學(xué)暖通空調(diào)及燃氣研究所，上海201804）

我國火力機組發(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行噴霧冷卻的方式因其系統(tǒng)相對簡單，初投資低且回報率高，并易于對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造而受到青睞［1－3］.

根據(jù)形狀和噴射的特點，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進行入口空氣冷卻的試驗研究，包括TF6噴嘴流量特性試驗、一二排TF6噴霧降溫試驗、一三排TF6噴霧降溫試驗［4－5］.

1 試驗裝置及工況表

試驗系統(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是噴霧降溫試驗系統(tǒng)示意圖.高溫?zé)煔庀到y(tǒng)包含循環(huán)風(fēng)機、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)機及風(fēng)機調(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.試驗所用噴嘴為壓力式螺旋型噴嘴TF6，實心錐，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)進行一次采集.試驗工況如表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 噴霧降溫試驗系統(tǒng)示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of spray cooling system（unit：mm）

表1 試驗主要測量參數(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 試驗原理

試驗根據(jù)熱濕交換原理，進行噴霧降溫空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)的計算.試驗結(jié)果的準確性和可靠性，主要取決于空氣側(cè)參數(shù)（干濕球溫度）的準確性.

表2 試驗工況表Tab.2 Test conditions

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

當(dāng)空氣與水在一微元面積dA上接觸時，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時水的汽化潛熱，J·kg－1.

因為總熱交換量dQz＝dQx＋dQq，可得

3 試驗結(jié)果分析

3.1 TF6流量特性

TF6流量特性試驗中，測量了二排TF6噴嘴（4個）同時噴淋的L及p（設(shè)置7個壓力控制值：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達到7.0bar時，tdb基本達到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達到7.0bar時，tdb下降不再明顯，即Qx隨著p的升高而絕對值增大，當(dāng)p達到7.0bar時，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)動力，即通過蒸發(fā)冷卻方式，tdb所能達到的冷卻極限為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，但達到某一特定值時，ΔTV逐漸減小，Δtdb繼續(xù)增大，此時空氣析濕.由此可以判斷，在達到某一特定值前，空氣降溫的主要機理為蒸發(fā)冷卻，在達到某一特定值后，空氣降溫的主要機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)冷卻為主要降溫機理的數(shù)據(jù)段進行擬合，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行比較，如圖9所示.當(dāng)ΔTL相同時，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流量特性試驗數(shù)據(jù)，得到單個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TF6七個工況和一三排TF6二個工況中，當(dāng)p達到7.0bar時，tdb基本達到twb，繼續(xù)增加p，tdb下降不明顯.在蒸發(fā)冷卻為主要機理的降溫過程中，L并不是越多越好，而是存在一個最佳壓力.當(dāng)超過最佳壓力時，空氣析濕，主要降溫機理為水與空氣間的對流換熱.

（3）本文對以蒸發(fā)冷卻為主要降溫機理的數(shù)據(jù)段進行擬合，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行比較，說明當(dāng)ΔTL相同時，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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