空冷機組噴霧增濕霧滴蒸發的分析與研究

近年來，為解決直接空冷機組在夏季高溫季節普遍存在出力受限，不能滿發的問題，很多國內已投運的直接空冷機組在空冷凝汽器入口加裝了噴霧增濕裝置（噴濕裝置），見圖1。

其工作原理如下：水經過噴嘴霧化形成一定粒徑的霧滴，霧滴在運動過程中與空氣充分混合并迅速蒸發.由于水的汽化潛熱較大，水蒸發時會大量吸收空氣中的熱量，從而降低空氣的干球溫度。然后，將降溫后的濕空氣送到空冷散熱器，以提高空冷島的換熱量。在該系統中，噴嘴的布置高度，布置角度對該裝置的效率影響非常大。所以，研究霧滴的蒸發與傳熱是進一步研究噴霧增濕系統的重要基礎。

一、霧滴在靜止環境下的蒸發和傳熱分析

霧化水滴在空冷單元內的蒸發過程是非常復雜的物理過程。它涉及到動量、熱量和質量的傳遞以及輸運等復雜過程，水霧是由很多不同粒徑的離散小霧滴群所構成的，由于氣流的湍流脈動而引起的不規則運動有可能使很多小水滴相互碰撞聚并成較大水滴。這個過程目前尚無法給出定量的數學描述。所以要精確地分析水滴的蒸發過程，必須忽略霧滴之間的聚并和相互作用，然后根據動量、熱量和質量傳遞和輸運的基本原理，結合適當的多相流動模型，建立起氣體和霧滴群運動動量方程、氣體和霧滴群之間熱量傳遞的能量方程、霧滴蒸發的質量傳遞的組分守恒方程，最后聯合求解。

二、強迫對流時霧滴與高溫環境的蒸發及傳熱分析

在實際滅火場景中，細水霧從噴嘴噴出后與高溫環境存在著相對運動，該過程為強迫對流過程，相對速度的存在對霧滴的蒸發將產生影響，這時液滴周圍不再是球對稱的Stefen，因而，不能再簡單地利用球對稱物理模型。于是，工程上采用“折算薄膜”理論來計算。人為地把問題分成兩步：第一步，先不考慮蒸發過程。把水滴看作是只和氣流有對流換熱的固球，并把這一對流換熱轉換為假想的考值固球的導熱過程；第二步，不考慮對流的存在，只考慮這個假想的有分子導熱和擴散的球層內的蒸發，從而最后找到蒸發速率的計算公式。

三、強迫對流時霧滴群的蒸發及傳熱分析

在實際空冷單元內部，高壓水經霧化后形成的是液霧，而液霧是由很多不同粒徑的水滴組成的水滴群水滴在蒸發過程中氣體流度不斷變化，而且在氣流場中水滴的濃度（單位體積中水滴的數量）分布也不可能很均勻，在噴嘴出口的局部區域內氣流溫度過低，空冷單元內氣流速度分布不均而可能存在渦流。這些因素均會導致局部區域水滴濃度過高的問題。由于無法精確定量上述因素的影響，所以空冷單元內霧滴群的蒸發時間的計算只能根據經驗或實際測試的結果進行綜合估計。一般蒸發時間是單顆霧滴在強迫氣流中蒸發時間的3～5倍。在實際生產過程中空冷單元內會出現淋水問題，這主要是由于霧化水滴濃度分布不均、局部區域過冷或者是小霧滴聚并形成較大水滴而使蒸發時間延長。所以應該采用小流量多噴頭的布置方式，以及在氣流進口處加裝均流板等措施，對于強化空冷單元內增濕效果具有非常重要的作用。

四、結語

（1）采用“折算薄膜直徑”的方法處理水滴與氣流之間有相對運動的蒸發過程，對于解決復雜的蒸發過程具有簡單方便等優點。對于工程應用來說精度是可以保證的。（2）強迫對流環境中霧滴蒸發所用時間比同溫度下靜態環境中的生存時間短，這是因為霧滴在高溫環境中運動，強化了換熱，加速了霧滴的蒸發，但計算過程中由于霧滴濃度分布不均、局部區域過冷或小霧滴聚并形成大水滴等原因，會引起誤差，必須加以修正。（3）本文推得的計算霧滴蒸發時間的公式，可以用來近似估算空冷單元內水滴的蒸發時間。（4）在已知霧滴直徑，氣流溫度，霧滴溫度等條件下，可以求得霧滴的生存時間，為噴嘴布置高度，布置角度的選取，提供一定的理論依據。

參 考 文 獻

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