霧化與水浴混合加濕實驗裝置研制

秦汝祥，徐同震，劉雅瑞，高偉，陳文濤，周亮

(1.安徽理工大學 能源與安全學院， 安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室， 安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學 機械工程學院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

水分對煤低溫氧化有著重要影響，空氣濕度能否影響煤低溫氧化進程，進而影響煤自燃，是一個值得關(guān)注的問題。為獲得不同相對濕度的空氣，國內(nèi)相關(guān)學者及研究機構(gòu)在針對空氣濕度對煤自燃特性的影響進行研究時，設計和選用了不同類型的加濕裝置。張辛亥等[1]自主設計了水浴加濕裝置進行煤自燃的臨界空氣濕度研究，該裝置通過水浴加濕實現(xiàn)了空氣小流量范圍內(nèi)的加濕。肖旸等[2]采用超聲波霧化方式設計了空氣加濕裝置，能快速實現(xiàn)空氣的精準加濕，但需要手動控制加濕氣體出口的開啟與關(guān)閉。馮晉榮[3]直接選用霧化加濕器并對其改進組裝實現(xiàn)空氣的加濕處理，配制的濕空氣一定程度上受到所選裝置的影響。Ma Dong等[4]為配制不同相對濕度空氣進行煤自燃與空氣濕度關(guān)系的實驗研究，在實驗前使用市場成品加濕設備對空氣加濕處理后放入瓶中儲存，進而獲得不同相對濕度空氣進行后續(xù)實驗研究，這樣配制的濕空氣由于經(jīng)歷二次保存，在進行實驗時空氣相對濕度難免會發(fā)生變化，產(chǎn)生誤差，影響后續(xù)實驗的準確性。

從以上文獻可看出，這些加濕裝置基本是采用單一加濕方式，存在加濕精度較低、加濕變化范圍較小、未完全實現(xiàn)自動化加濕等問題。為實現(xiàn)空氣加濕的精準變化與自動化控制，本文依據(jù)空氣與水接觸的熱濕交換原理[5]，在分析現(xiàn)有高壓霧化加濕系統(tǒng)基礎上，提出水浴與高壓霧化相結(jié)合的混合加濕方法，研制了一套加濕精度高、操作簡單的混合加濕實驗裝置。該裝置主要用于實驗室內(nèi)研究空氣濕度不同時與煤的低溫氧化之間存在的關(guān)聯(lián)性。

1 混合加濕實驗裝置加濕方法及運行原理

測試發(fā)現(xiàn)霧化加濕與水浴加濕相互組合能夠起到較好的加濕效果。水浴加濕時，空氣進入水中，形成大小不一的空氣泡，在這些空氣泡表面，水氣邊界層很容易發(fā)生分子擴散與紊流擴散，從而產(chǎn)生熱質(zhì)交換。水浴加濕效果因空氣泡大小、空氣泡在水中停留的時間而不同[6]。高壓霧化加濕是一種等焓加濕方式，采用高壓泵將水壓提升到一定壓力后，經(jīng)霧化噴嘴噴射出去，形成細小水霧與空氣接觸，實現(xiàn)空氣的等焓加濕[7]。采用水浴和高壓霧化相結(jié)合的混合加濕方式，擴大了裝置的濕度調(diào)節(jié)范圍。

空氣通過空氣泵進入密封箱體內(nèi)實現(xiàn)加濕，空氣泵和流量計根據(jù)實驗需求調(diào)節(jié)進入裝置的空氣流量。通過進氣管進入箱體的空氣與裝置底部的水接觸，實現(xiàn)水浴加濕。水浴加濕后的空氣從水面出來后繼續(xù)與箱體內(nèi)經(jīng)過高壓霧化的水霧接觸，從而實現(xiàn)了高壓霧化加濕。裝置出氣口處裝有濕度控制器，濕度控制器根據(jù)需要可以進行不同相對濕度的設置，能夠?qū)ρb置內(nèi)的空氣進行實時檢測。濕度控制器將檢測到的數(shù)據(jù)反饋到常閉電磁閥開關(guān)控制處，電磁閥收到反饋后控制閥門開啟與關(guān)閉。當空氣相對濕度達到實驗要求時，閥門開啟，加濕完成。如此循環(huán)往復，保證加濕后的空氣恒定輸出。

2 混合加濕實驗裝置結(jié)構(gòu)及其加濕過程

2.1 裝置整體結(jié)構(gòu)

霧化與水浴混合加濕實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括高壓霧化加濕系統(tǒng)和水浴加濕系統(tǒng)，利用常閉電磁閥、濕度控制器及調(diào)節(jié)裝置等調(diào)節(jié)控制裝置內(nèi)的空氣加濕量。霧化加濕系統(tǒng)由霧化噴嘴、擋水導流板、高壓噴霧機等組成，水浴加濕系統(tǒng)由空氣泵、流量計、進氣管、金屬格網(wǎng)、進排水管路、泄水口等組成。

圖1 混合加濕實驗裝置結(jié)構(gòu)

2.2 高壓霧化加濕系統(tǒng)

高壓霧化加濕系統(tǒng)中霧化裝置選用型號為JDT-12A的全自動型噴霧機，其具有噪聲低、能夠進行缺水保護和霧化性能穩(wěn)定的優(yōu)點。霧化噴嘴采用壓力型陶瓷微晶鋯噴嘴，孔徑為0.3 mm，噴霧量為0.002 5 kg/s，霧化粒徑為5～15 μm。不同粒徑的噴霧對空氣加濕過程會產(chǎn)生不同影響，陶瓷微晶鋯噴嘴霧化以后的顆粒細微，能實現(xiàn)水霧與空氣充分接觸。裝置頂部和側(cè)面均裝有霧化噴嘴，與箱體呈90°垂直安裝。箱體內(nèi)的霧化噴嘴采用頂部和側(cè)面的安裝方式，能實現(xiàn)側(cè)噴和逆噴的雙選擇加濕方式，加濕時主要使用頂部噴嘴逆噴加濕，逆噴加濕具有較好的加濕效果[8-10]。根據(jù)不同的加濕方式選擇不同噴嘴管路閥門的開啟與關(guān)閉。高壓霧化裝置實物如圖2所示。

(a) 高壓噴霧機

(b) 霧化噴嘴

2.3 水浴加濕系統(tǒng)

水浴加濕系統(tǒng)主要通過空氣在水面下與水接觸實現(xiàn)加濕。水浴加濕系統(tǒng)中，金屬格網(wǎng)被安裝在水面以下，通過進氣管進入箱體的氣泡在金屬格網(wǎng)作用下被均分形成細小空氣泡，增大了空氣泡的表面積，使空氣與水能夠充分接觸進而實現(xiàn)空氣加濕。裝置內(nèi)部裝有進排水管路，進排水管路在裝置內(nèi)的管口略高于水面，裝置外部管口與內(nèi)部管口處于同一水平面上，箱體內(nèi)的水通過外部進排水口進入。由于進排水管路采用的是等高U型管路的設計方式，當水位達到設定高度時，無法再繼續(xù)增高，這樣也保證了箱體具有較高的密封性。裝置底部裝有泄水口，實驗結(jié)束后排出箱體內(nèi)部的水。水浴加濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水浴加濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 混合加濕實驗裝置箱體結(jié)構(gòu)尺寸

箱體尺寸主要取決于加濕方式。加濕裝置的最高加濕目標為空氣相對濕度為98%。由空氣與水接觸的熱濕交換原理可知，空氣與水進行熱質(zhì)交換時間較長，水浴加濕不能完全達到實驗要求的濕度，因此，通過高壓霧化加濕彌補這一缺陷。高壓霧化的理想加濕效果與多個因素有關(guān)：首先，與噴出的水霧粒徑有關(guān)，粒徑越小，加濕效果越好；其次，與加濕段長度有關(guān)，高壓霧化加濕效果最好的長度范圍為0.45～1.1 m[11-12]?；谶x用的霧化加濕系統(tǒng)，對霧化噴嘴輻射范圍進行實驗測定，發(fā)現(xiàn)霧化后的輻射直徑約為30 cm，故箱體的寬度選為30 cm。繼續(xù)進行實驗發(fā)現(xiàn)，進氣管上孔洞的大小和間距影響水浴加濕后空氣含濕量，因此，為實現(xiàn)更好的水浴加濕效果，進氣管上孔洞按不同距離分配。對進氣管孔洞實行不同間距分配后測試發(fā)現(xiàn)，當箱體的長度為60 cm時，裝置既能保證進氣管孔洞出來的氣體相互之間不產(chǎn)生干擾，同時也能保證箱體內(nèi)水霧的均勻分配，實現(xiàn)空氣均勻加濕。綜合上述分析，箱體的長、寬、高定為60 cm×30 cm×60 cm。

4 加濕量計算

在密封箱體內(nèi)進行高壓霧化加濕需考慮多方面因素對加濕效果的影響，國內(nèi)外相關(guān)學者研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高壓霧化進入箱體內(nèi)的水分并不能完全被吸收，所以，必須考慮高壓霧化加濕的噴霧量和能被空氣吸收的有效加濕量[13-15]。高壓霧化加濕量是指在標準工況下，噴出水霧在單位時間內(nèi)被空氣吸收的水量(又稱為有效加濕量)。噴霧量是指霧化加濕器在正常工作狀態(tài)下，單位時間內(nèi)(通常指每小時)所有噴嘴噴出水霧總和。

噴霧有效加濕量的計算公式為

E=ρQ(X2-X1)K

(1)

式中:E為有效加濕量， kg/s；ρ為空氣的密度，ρ=1.2 kg/m3；Q為新風量，m3/s；X1為加濕前空氣的含濕量，kg/kg干空氣；X2為加濕后空氣的含濕量，kg/kg干空氣；K為安全系數(shù)，K=1.1。

所需噴霧量的計算公式為

W=E/η

(2)

式中：W為噴霧量， kg/s；η為加濕效率，對于全新風組來說，η=33%。

根據(jù)式(1)和式(2)，不同工況下空氣參數(shù)及加濕量見表1。

表1 空氣參數(shù)及其有效加濕量

由表1可知，空氣加濕需要的噴霧量范圍為0.000 14 ～0.001 8 kg/s，選定的霧化噴嘴噴霧量為0.002 5 kg/s，設計符合實驗要求。

5 濕度檢測與調(diào)控裝置

箱體裝有濕度控制器和濕度調(diào)節(jié)裝置，濕度控制器測濕范圍為0～99%RH,控制精度為0.1%RH，能夠?qū)崿F(xiàn)箱體內(nèi)空氣加濕量的精準測試，濕度調(diào)節(jié)裝置能對目標空氣相對濕度完成調(diào)節(jié)，空氣相對濕度調(diào)節(jié)范圍為20%～98%。實驗時，只需通過調(diào)整濕度控制器數(shù)值，設置需要配制空氣的相對濕度，同時調(diào)節(jié)流量計控制通入裝置內(nèi)空氣的流量，濕度調(diào)節(jié)裝置就可根據(jù)設置目標對加濕后的空氣相對濕度進行調(diào)節(jié)，點擊啟動按鈕后加濕裝置自動運行實現(xiàn)不同流量空氣的快速加濕。裝置啟動后，濕度控制器根據(jù)實驗設定參數(shù)檢測箱體內(nèi)空氣相對濕度的變化，當空氣相對濕度達到實驗設定值時，濕度控制器產(chǎn)生感應，將感應到的信號反饋到常閉電磁閥開關(guān)控制處，電磁閥收到反饋后，控制箱體出氣口打開，達到設置要求的濕空氣通過箱體出氣口進入下一實驗裝置。若箱體內(nèi)部空氣相對濕度未達到實驗要求，濕度控制器繼續(xù)運行檢測，電磁閥門關(guān)閉，箱體始終處于密封狀態(tài)，直至空氣相對濕度達到設定值以后電磁閥門開啟。通過濕度控制器能對加濕后的空氣進行快速感應，從而實現(xiàn)了空氣加濕的精準控制。濕度控制器具體運行原理如圖4所示。

圖4 濕度控制器運行原理

6 裝置運行可靠性驗證

對研制的霧化與水浴混合加濕實驗裝置進行實驗測試，判斷其加濕運行的可靠性。為確保實驗結(jié)果的可靠性，始終保持裝置入口空氣相對濕度為20%。通過改變裝置入口的通風量以及目標相對濕度，觀測在不同通風量下的空氣濕度變化情況，每組實驗測試多組，然后求取平均值進行分析，具體測試結(jié)果見表2。由表2可知，裝置內(nèi)加濕后平均相對濕度與目標相對濕度的誤差小于3%，說明該加濕裝置的加濕精度較高，能實現(xiàn)不同范圍空氣的加濕需求。當空氣流量發(fā)生改變時，裝置加濕效果不受影響，能夠繼續(xù)完成空氣的精準加濕，滿足了不同通風量下空氣的加濕需求。

表2 不同通風量下的空氣濕度測試結(jié)果

7 結(jié)論

(1) 霧化和水浴混合加濕實驗裝置依據(jù)空氣與水直接接觸時的熱濕交換原理，采用等焓加濕方式，將水浴加濕和高壓霧化加濕相結(jié)合，既縮短了空氣加濕時間，又實現(xiàn)了大范圍空氣加濕處理。

(2) 實驗裝置操作簡單，內(nèi)部設計安裝了閉環(huán)參數(shù)檢測與調(diào)控裝置，根據(jù)實驗要求設置好相應參數(shù)后只需啟動開關(guān)，裝置就能自動運行實現(xiàn)空氣的加濕處理。

(3) 空氣是在一個密封箱體內(nèi)加濕，結(jié)合濕度控制器實時感應加濕后的空氣濕度，能保證加濕后的空氣濕度達到實驗設計要求，降低了后續(xù)實驗誤差。