空冷机组喷雾增湿雾滴蒸发的分析与研究

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近年来，为解决直接空冷机组在夏季高温季节普遍存在出力受限，不能满发的问题，很多国内已投运的直接空冷机组在空冷凝汽器入口加装了喷雾增湿装置（喷湿装置），见图1。

其工作原理如下：水经过喷嘴雾化形成一定粒径的雾滴，雾滴在运动过程中与空气充分混合并迅速蒸发.由于水的汽化潜热较大，水蒸发时会大量吸收空气中的热量，从而降低空气的干球温度。然后，将降温后的湿空气送到空冷散热器，以提高空冷岛的换热量。在该系统中，喷嘴的布置高度，布置角度对该装置的效率影响非常大。所以，研究雾滴的蒸发与传热是进一步研究喷雾增湿系统的重要基础。

一、雾滴在静止环境下的蒸发和传热分析

雾化水滴在空冷单元内的蒸发过程是非常复杂的物理过程。它涉及到动量、热量和质量的传递以及输运等复杂过程，水雾是由很多不同粒径的离散小雾滴群所构成的，由于气流的湍流脉动而引起的不规则运动有可能使很多小水滴相互碰撞聚并成较大水滴。这个过程目前尚无法给出定量的数学描述。所以要精确地分析水滴的蒸发过程，必须忽略雾滴之间的聚并和相互作用，然后根据动量、热量和质量传递和输运的基本原理，结合适当的多相流动模型，建立起气体和雾滴群运动动量方程、气体和雾滴群之间热量传递的能量方程、雾滴蒸发的质量传递的组分守恒方程，最后联合求解。

二、强迫对流时雾滴与高温环境的蒸发及传热分析

在实际灭火场景中，细水雾从喷嘴喷出后与高温环境存在着相对运动，该过程为强迫对流过程，相对速度的存在对雾滴的蒸发将产生影响，这时液滴周围不再是球对称的Stefen，因而，不能再简单地利用球对称物理模型。于是，工程上采用“折算薄膜”理论来计算。人为地把问题分成两步：第一步，先不考虑蒸发过程。把水滴看作是只和气流有对流换热的固球，并把这一对流换热转换为假想的考值固球的导热过程；第二步，不考虑对流的存在，只考虑这个假想的有分子导热和扩散的球层内的蒸发，从而最后找到蒸发速率的计算公式。

三、强迫对流时雾滴群的蒸发及传热分析

在实际空冷单元内部，高压水经雾化后形成的是液雾，而液雾是由很多不同粒径的水滴组成的水滴群水滴在蒸发过程中气体流度不断变化，而且在气流场中水滴的浓度（单位体积中水滴的数量）分布也不可能很均匀，在喷嘴出口的局部区域内气流温度过低，空冷单元内气流速度分布不均而可能存在涡流。这些因素均会导致局部区域水滴浓度过高的问题。由于无法精确定量上述因素的影响，所以空冷单元内雾滴群的蒸发时间的计算只能根据经验或实际测试的结果进行综合估计。一般蒸发时间是单颗雾滴在强迫气流中蒸发时间的3～5倍。在实际生产过程中空冷单元内会出现淋水问题，这主要是由于雾化水滴浓度分布不均、局部区域过冷或者是小雾滴聚并形成较大水滴而使蒸发时间延长。所以应该采用小流量多喷头的布置方式，以及在气流进口处加装均流板等措施，对于强化空冷单元内增湿效果具有非常重要的作用。

四、结语

（1）采用“折算薄膜直径”的方法处理水滴与气流之间有相对运动的蒸发过程，对于解决复杂的蒸发过程具有简单方便等优点。对于工程应用来说精度是可以保证的。（2）强迫对流环境中雾滴蒸发所用时间比同温度下静态环境中的生存时间短，这是因为雾滴在高温环境中运动，强化了换热，加速了雾滴的蒸发，但计算过程中由于雾滴浓度分布不均、局部区域过冷或小雾滴聚并形成大水滴等原因，会引起误差，必须加以修正。（3）本文推得的计算雾滴蒸发时间的公式，可以用来近似估算空冷单元内水滴的蒸发时间。（4）在已知雾滴直径，气流温度，雾滴温度等条件下，可以求得雾滴的生存时间，为喷嘴布置高度，布置角度的选取，提供一定的理论依据。

参 考 文 献

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[4]周兰欣，张情，张淑侠，王为.直接空冷机组空冷单元内喷雾方向对增湿效果影响的数值研究[J].电力建设.2010（11）：10～11

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