降低蒸汽直接加熱氯化鉀溶液噪聲的研究

劉曉玉石 磊

(1.威海沁和實業有限公司鉀鹽工程技術研究中心，山東 威海 264400；2.岳陽市鉀鹽科學研究所，湖南 岳陽 414000)

氯化鉀溶解是復分解生產硝酸鉀過程中的操作單元之一，將氯化鉀、水及循環母液加入溶解槽中，采用蒸汽直接加熱方法，即將蒸汽通過蒸汽管直接射入溶液中與溶液混合加熱，實現溶液溫度升高與氯化鉀溶解，其具有結構簡單、投資少、加熱快、操作方便、節能節水等優點[1]。但是，蒸汽直接加熱的過程中產生周期性振動和噪聲，噪聲聲級達103分貝(A)以上，蒸汽管經常發生開裂損壞現象，這不僅影響生產，而且噪聲還影響工人身心健康，降低蒸汽直接加熱振動與噪聲是硝酸鉀生產企業迫切需要解決的問題。

國內有少量關于蒸汽直接加熱冷水噪聲的報道文獻，但沒有蒸汽直接加熱物料溶解噪聲的報道文獻[2-4]。為此，作者結合生產試驗，研究了蒸汽直接加熱氯化鉀溶液時的噪聲來源及其影響因素，分析蒸汽加熱噪聲變化規律，為企業降低蒸汽直接加熱氯化鉀溶液時產生的振動與噪聲提供了參考。

1 蒸汽直接加熱溶液的傳熱過程[5，6]

當蒸汽從蒸汽管中噴出時，經過湍流和汽液相變等復雜過程，蒸汽流被分割形成許多自由汽核和汽泡，這些自由汽核和汽泡統稱為蒸汽泡，蒸汽泡傳熱過程十分復雜，它與蒸汽壓力、蒸汽溫度、溶液溫度、溶液深度及溶解槽內溶液的對流情況等因素有關。

蒸汽泡傳熱過程中，一方面，蒸汽泡中水蒸氣分子進入蒸汽泡溶液表面層，蒸汽分子與溶液分子間發生碰撞傳遞能量給溶液分子，然后以對流傳熱的方式將熱量傳給周圍的溶液，高溫水蒸氣的熱能傳向周圍溶液的過程中，蒸汽泡內的壓力減少，溶液溫度升高，直至壓力與溫度平衡；另一方面，由于蒸汽泡內水蒸氣壓力大于所在溶液深度處壓力，蒸汽泡膨脹為大蒸汽泡，同時，蒸汽泡受溶液浮力作用向上移動，蒸汽泡受溶液液柱壓力也在不斷下降，蒸汽泡膨脹到汽泡內壓力與所處水深壓力相平衡為止，但只要蒸汽泡在溶液中存在，蒸汽泡上升移動的趨勢就一直存在。

蒸汽泡水蒸氣與蒸汽泡水膜之間熱傳遞過程很快，在溶液溫度較低時，蒸汽泡中水蒸氣的比容瞬間迅速變小至近乎為零。因此，蒸汽直接加熱速度快。

2 蒸汽直接加熱溶液噪聲聲源[5，7-8]

2.1 沖擊振動噪聲

蒸汽直接加熱溶液時，由于蒸汽對溶液的垂直沖擊，引起溶液振動， 溶液受到蒸汽沖擊作用力傳遞給溶解槽，使溶解槽強烈振動， 溶解槽反作用力使蒸汽管道亦發生強烈振動，這種沖擊振動噪聲屬于強烈的低中頻性噪聲。

2.2 湍流噪聲

蒸汽經噴孔噴射進入溶液中時具有較高射流速度，帶動周圍的溶液一起運動而產生強烈的“卷吸”作用，射流蒸汽和“卷吸”進來的溶液發生強烈的摻混，產生湍流噪聲，湍流噪聲向周圍溶液擴散，引起溶液波動和蒸汽管道振動，并傳遞給溶解槽器壁產生噪聲。

2.3 蒸汽泡破滅噪聲

當高溫蒸汽從蒸汽管口噴出進入低溫溶液時，形成一個個蒸汽泡，蒸汽泡在移動過程中與低溫溶液進行熱交換，蒸汽泡迅速收縮而破裂，蒸汽泡四周的溶液迅速向蒸汽泡的中心運動而發生相互撞擊，產生液體撞擊噪聲，液體撞擊會以球面波的形式向外傳播，使容器不斷地受到周期性的沖擊。

上述3類聲源都不同程度地存在且相互作用，其中，蒸汽泡破滅噪聲占主要地位。

3 蒸汽直接加熱溶液噪聲的主要影響因素

3.1 溶液溫度對噴射噪聲A聲壓級的影響[3-4，8]

在溶解槽中進行試驗，溶解槽直徑φ3 800mm，高4 000mm，蒸汽噴射管φ108mm×4mm，噴射管均布84個噴孔，噴孔直徑φ20mm，飽和蒸汽壓力0.6MPa，溫度157℃，控制蒸汽流量為1 500kg/h，測量溶解槽不同溶液溫度條件下噴射噪聲A聲壓級的數值見表1。

表1 不同溶液溫度下產生噴射噪聲

試驗可知，溶液溫度不斷升高，蒸汽加熱過程產生的噪聲A聲壓級值逐漸升高，但當溶液溫度到80～90℃后，噴射噪聲A聲壓級迅速下降。

分析認為，溶液溫度不斷升高，實際上是蒸汽與溶液溫差Δt(也稱過冷度)逐漸變小，Δt逐漸變小，蒸汽泡破裂所需的時間長，產生的噪聲頻率越低，對應的A聲級噪聲較高，低溫條件下，湍流噪聲占主導地位，隨著氯化鉀溶液溫度的升高，蒸汽泡破滅噪聲所占比例逐漸增大。Δt降到一定值(70～80℃)時，此時的噪聲主要是蒸汽破滅噪聲，蒸汽加熱噪聲A聲壓級達到最大值。Δt減小到45℃以下后，即氯化鉀溶液接近沸點溫度時，噴射噪聲A聲壓級迅速下降至最小值，直至氯化鉀溶液接近沸點溫度。

3.2 蒸汽流量對噴射噪聲A聲壓級的影響[3，8-9]

我們按3.1節中蒸汽噴射管及試驗條件進行試驗，分別在40℃、80℃、110℃溫度下，測得通入不同蒸汽流量條件下，噴射噪聲A聲壓級的數值(見表2)。

表2 不同蒸汽流量下產生噴射噪聲

試驗可知，對于同一種結構噴管，在溶液同溫度條件下，蒸汽流量增大，則噪聲A聲壓級隨之增大，反之，蒸汽流量減小，則噪聲A聲壓級減小。

分析認為，對于同一種結構噴管，蒸汽流量小，則對應噴管中蒸汽流速小，對應噴孔噴出蒸汽流速小，速度剪切和湍流混合的作用小，產生的湍流噪聲和結構振動噪聲也小，噴射噪聲A聲壓級低。相反，蒸汽流量大，對應噴管中蒸汽流速大，對應噴孔噴出蒸汽流速大，噪聲A聲壓級高。經驗證，蒸汽噴管的蒸汽流速取10～20m/s較合適；噴孔噴出蒸汽流速取10m/s以下較合適。

3.3 蒸汽壓力和溫度對噴射噪聲A聲壓級的影響[10]

試驗中采用蒸汽為飽和蒸汽，蒸汽壓力增大，則蒸汽溫度升高，反之亦然。通過蒸汽壓力對噴射噪聲A聲壓級的影響試驗，也就知道蒸汽溫度對噴射噪聲A聲壓級的影響。

按3.1節中蒸汽噴射管進行試驗，在蒸汽流量為1 500kg/h與溶液溫度為40℃的條件下，分別測得通入不同蒸汽壓力條件下產生噴射噪聲A聲壓級的數值見表3。

表3 不同蒸汽壓力下產生噴射噪聲

試驗可知，對于同一種結構的蒸汽噴射管，當蒸汽壓力和溫度增大時，對應蒸汽流量增大，故蒸汽產生噴射噪聲A聲壓級增大；當蒸汽壓力和溫度降低時，則蒸汽產生噴射噪聲A聲壓級降低。

3.4 開孔面積對噴射噪聲A聲壓級的影響[10]

我們在溶解槽中試驗二臺蒸汽噴射管，1號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴射管均布84個噴孔，噴孔直徑φ20mm；2號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴射管均布150個噴孔，噴孔直徑φ20mm。飽和蒸汽壓力0.6MPa，控制蒸汽流量為1 500kg/h，溶液溫度40℃，測得不同開孔面積下噴射噪聲A聲壓級的數值見表4。

表4 不同開孔面積下噴射噪聲

試驗可知，當蒸汽與蒸汽噴射管其他參數一定時，開孔面積大，則蒸汽噴射壓力小，汽-液界面換熱面積減小，蒸汽形成蒸汽泡數量減少，蒸汽泡破滅噪聲降低，產生噪聲A聲壓級也就越小；反之亦然。

3.5 噴孔直徑對噴射噪聲A聲壓級的影響[11]

在開孔總面積相等條件下，我們在溶解槽中試驗兩臺蒸汽噴射管，1號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ20mm，噴孔間距50mm，噴孔數量84個，3號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ12mm，噴孔間距50mm，噴孔數量234個。噴射飽和蒸汽壓力0.6MPa，控制蒸汽流量為1 500kg/h，溶液溫度40℃，測量不同噴孔直徑下噴射噪聲A聲壓級的數值見表5。

表5 不同噴孔直徑下噴射噪聲

試驗可知，在開孔總面積相等條件下，噴孔直徑越小，噴射噪聲A聲壓級越小。因此，用大量小直徑孔代替大直徑孔可以大大降低A聲壓級，這是降低噴射噪聲的理論基礎。

3.6 孔間距對噴射噪聲A聲壓級的影響[4，5]

在溶解槽中試驗不同孔間距條件下的兩個蒸汽噴射管：1號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ20mm，噴孔間距50mm，噴孔數量84個；4號蒸汽噴射管為φ108mm×4mm，噴孔直徑φ20mm，噴孔間距30mm，噴孔數量84個。噴射飽和蒸汽壓力0.6MPa，控制蒸汽流量為1 500kg/h，溶液溫度40℃，測得不同孔間距下噴射噪聲A聲壓級的數值見表6。

表6 不同孔間距下條件下噴射噪聲

4 結語

(1)在蒸汽直接加熱氯化鉀溶液的過程中，產生噪聲主要有沖擊振動噪聲、湍流噪聲及蒸汽泡破滅噪聲，其中蒸汽泡破滅噪聲是主要噪聲。

(2)蒸汽噴射形成的蒸汽泡大小是蒸汽泡破滅噪聲的關鍵因素，蒸汽泡越小，噪聲越小，蒸汽直接加熱氯化鉀溶液中，應盡量減小蒸汽泡的大小。

(3)試驗表明，在保證蒸汽流量的條件下，應盡量減小噴孔直徑、布置更多的噴孔、增大噴孔間距、使用較低蒸汽壓力，這樣可以減小蒸汽泡的大小，減小噪聲A聲壓級值。

(5)在化學工業的生產過程中，有許多物料需要加水并加熱溶解，也有許多溶液或液體需要補水并加熱，這些既要補水又要加熱升溫的介質體系，只要沒有特殊工藝限制，基本上都可以采用蒸汽直接加熱方法。它具有結構簡單、投資少、加熱快、節能、節水、操作方便等優點。