蒸發式冷凝器蒸發量的測量計算

劉百強 陳良才

(1．中國石油化工股份有限公司武漢分公司； 2．華中科技大學能源與動力工程學院)

淋水與空氣混合的兩相流動廣泛用于開式冷卻塔、閉式冷卻塔及蒸發式冷凝器等蒸發冷卻設備中。目前，液滴和氣體兩相流的研究主要在數學模型的深入、數值計算方法的完善以及液滴光學測量技術的改進與開發等方面展開[1]，但在氣液混合流場的溫濕度測量方面，進展似乎不明顯，這主要是因為液滴和氣體混合在一起，一般的測量方法很難將二者分開[2～4]。

開式冷卻塔內噴淋水與流動空氣的換熱主要是在填料區完成的，但噴淋區內噴淋水與流動空氣的換熱并非可以忽略不計。環境空氣經過噴淋區時，淋水肯定有蒸發，空氣濕度也會增加。填料區空氣入口溫濕度與環境空氣溫濕度肯定不同，即噴淋區的換熱會影響到填料區的空氣入口邊界條件。與此類似，閉式冷卻塔和蒸發式冷凝器的換熱雖然主要在管束區完成，但噴淋區的蒸發和換熱也會影響到管束區空氣入口邊界條件。

蒸發冷卻設備常規傳熱設計時，通常將環境空氣溫濕度條件直接作為空氣進入填料區或管束區的條件，忽略了空氣經過噴淋區的溫度變化和濕度的增大。也有的研究者或設計人員將管束換熱特性乘以一個經驗系數來反映填料區或管束區入口空氣條件與環境空氣條件的差異[5]。這樣簡單處理的原因主要是噴淋區中空氣與水滴混合在一起，測溫傳感器伸入噴淋區后，很難做到只接觸空氣而不接觸水滴。若將測溫傳感器放進一般的百葉窗，再伸入噴淋區，雖然百葉窗能阻擋下落水滴進入百葉窗，但阻擋不了上行風裹挾水滴進入百葉窗，打濕測溫傳感器。

針對氣水逆向流場的特點，筆者采用了能有效分離空氣與噴淋水滴，可同時測量空氣干濕球溫度的裝置[6]，為計算冷卻設備的蒸發量和蒸發換熱量提供了可靠的測溫數據。

1 測溫裝置

本測溫裝置的設計思路是設法避免水滴接觸測量氣溫的熱電偶，同時盡量縮小采樣器尺寸，以減少它對氣水主流的干擾。

測溫裝置如圖1所示，其中的測氣溫裝置主要由氣水分離的濕空氣采樣器、測氣溫的熱電偶、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風格柵，裝在其內部的熱電偶經過采樣管與溫度巡檢儀相連。這樣，就能測量噴淋區空氣溫度。

圖1 噴淋區氣水分離和測溫裝置示意1——采樣器；2——采樣點氣溫熱電偶；3——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——引風管；8——引風機；9——水盒

由于水的密度遠大于空氣密度，空氣在俯角進風口會折流而走，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，最后由采樣器底孔排出。即使少數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，細小水滴基本不流動，不會打濕熱偶的感溫頭，且會在流動空氣的作用下蒸發消失。所以，該裝置能對噴淋區空氣溫度t1db進行準確有效的測量。

該裝置測量噴淋區內空氣濕球溫度t1wb的原理是：用風機將氣水分離后采樣器內的濕空氣抽至引風管內的干濕球溫度計；待系統工作穩定后，巡檢儀記錄引風管內的干球溫度t2db和濕球溫度t2wb，輸入到程序中，算出含濕量d2；根據質量守恒定律，從采樣器到引風管干濕球溫度計處若風量連續穩定，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，就可測出不同位置處的空氣含濕量，進而算得空氣流動路線上不同截面之間的含濕量之差和蒸發量。

2 蒸發量的計算

圖2所示的是石油化工廠制氫裝置中的蒸發式冷凝器，首先采用上述測量方法測量噴淋區和管束區空氣干濕球溫度，然后計算噴淋區和管束區各自的蒸發量。

圖2 蒸發式冷凝器及測量截面示意圖1——環境截面；2——噴淋區空氣出口截面；3——管束區空氣出口截面

蒸發式冷凝器的工況條件為：

大氣壓 100 100Pa

水箱水溫 29℃

環境氣溫 25℃

空冷器換熱管束迎面風速 2.5m/s

干空氣質量流量Qma65.031 8kg/s

因為空氣干濕球溫度與氣壓的高低有關，故需測出有關截面的氣壓值和對應的引風管氣壓值(表1)，其中測量得到的采樣點干球溫度t1db、引風管內干球溫度t2db和濕球溫度t2wb也列于表1。另外，測量環境干濕球溫度時，引風管很短，環境采樣點的值與引風管內的干濕球溫度值相同。

表1 各截面測量和計算的濕空氣參數

注：DA表示干空氣。

表1中的采樣點計算濕球溫度t1wb、采樣點計算相對濕度φ1和計算含濕量d1按以下步驟計算：

a. 測得噴淋區空氣出口截面1的氣壓p1為100 077 Pa、干球溫度t1db為26.10℃；

b. 測得噴淋區空氣出口截面1對應的引風管氣壓p2為100 026 Pa、干球溫度t2db為25.80℃、濕球溫度t2wb為24.22℃；

c. 計算引風管絕對濕球溫度T2wb=t2wb+273.15；

d. 計算對應引風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，式中各項系數取值分別為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. 根據質量守恒，得d1=d2；

g. 已知p1=100 077Pa、t1db=26.10℃、d1=18.72 g/kgDA，根據上述算式編程迭代，求解反函數t1wb，得到采樣點計算濕球溫度t1wb=24.30℃，采樣點計算相對濕度φ1=86.40%；

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

i. 噴淋區中的蒸發量Qmw1=Qma·d1=65.0318×5.7=370.7g/s。

以上的編程計算和編程迭代求解反函數可用計算機離線進行，也可將測量數據采集與程序放在同一計算機內，進行在線計算，實時顯示測量數據和計算數據。

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

從計算看出，總蒸發水量ΣQmw1=370.7+523=1893.7g/s。其中，噴淋區蒸發量的占比為370.7/1893.7=0.1958=19.58%，這是因為蒸發式冷凝器的熱流體在管內，不在噴淋區。所以，噴淋區的蒸發不僅對換熱無貢獻，而且因其增大了空氣含濕量而削弱了空氣吸收蒸發潛熱的能力。但噴淋區的存在又是不可避免的。

由以上計算結果分析得知：

a. 噴淋區蒸發量的占比近20%，可增加水耗，并對空氣吸收蒸發潛熱能力的削弱是不可忽略的；

b. 管束區進口空氣的含濕量與環境空氣的含濕量差別較大，將環境空氣當作管束區進口空氣是不合適的；

c. 常規算法(由設備出口空氣與進口空氣的含濕量差來計算)計入了噴淋區蒸發，算出的蒸發換熱量大于實際的蒸發換熱量。

3 結論

3.1本測溫方法能將噴淋區的淋水和空氣有效分離，保證噴淋區氣溫測量的準確性。

3.2噴淋區淋水的蒸發對管內熱流體散熱無貢獻，而且會明顯削弱空氣吸收蒸發潛熱的能力，這種影響不宜忽略。

3.3蒸發冷卻設備的實際蒸發換熱量小于由設備進出口空氣含濕量差算出的蒸發換熱量。

3.4蒸發冷卻設備的噴淋區、管束區或填料區的蒸發量，可通過本測量和計算方法準確求得。

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