水力空化供熱設備試驗測試及效果分析

空軍研究院工程設計研究所 羅繼杰 訾冬毅 張 騰 劉美歐 黃金強

1 水力空化供熱設備

1.1 空化現象概述

空化是水動力學領域的一種獨特物理現象，對于一定液體，在一定溫度下，由于壓力降低在其內部汽化或形成氣相的過程叫做空化[1-3]。空化在液體中形成的空洞稱為“空穴”，球形空穴常被稱為“空泡”[4]。從單個空泡角度來分析，空化分初生—發育—潰滅3個階段。在空泡潰滅過程中會伴隨高速微射流和強大沖擊波，表現為空化機械效應；同時隨著空泡內氣體被壓縮，熱力學能增加，溫度上升，表現為空化熱效應；以水的空化為例，空泡中心的高溫高壓作用足以打開水分子中的O—H鍵，從而裂解為·H和·OH，進一步反應形成·HO2和H2O2等，表現為強氧化性的空化化學效應。以上3種效應統稱為空化效應[5]。

1.2 空化供熱國內外發展現狀

空化研究可追溯到18世紀中葉，瑞士著名的數學家Leonhard Euler從理論上分析了液體內空化發生的可能性。直到19世紀末，人們才從船舶螺旋槳的破壞現象中首次切實地觀察到空化的存在和其帶來的嚴重危害[6-7]。自此，空化及空化效應、空蝕問題就成為水力機械、水利水電、水工建筑物及水下運動體等研究方向十分關切的課題。前期研究主要局限于空化過程伴隨的空蝕問題產生的不利影響及消除辦法，空化現象第一次得到正面應用是在軍事領域，20世紀70年代，蘇聯利用空化技術研制出世界首款速度超過500 km/h(300海里/h)的超空泡魚雷[8]。20世紀初，國外科研人員開始關注空化效應的發生機理并從理論計算和試驗測試兩方面對此開展了廣泛而深入的研究[9]。近些年歐洲和俄羅斯部分企業宣稱已開發出高效空化供熱產品，但關于該技術的學術研究鮮有公開報道。

我國于上個世紀50年代開始對空化技術進行研究探討，但在近年出版的《液體空化技術應用》一書中仍未涉及空化供熱方面[5]，故此項技術在國內尚屬初創階段，具有較大的發展空間。

1.3 水力空化供熱設備工作原理

空化有多種實現方式，其中水力空化是最簡單、最易實現、能效相對較高、易自動化操作、可實現規模化生產且與供熱系統中流體循環特性相契合的一種實現方式，尤為適用于供熱系統。

本文所述供熱設備空化發生的核心單元為文丘里管結構，主體主要分為上、下兩部分，依次為動力部分和空化部分，其結構如圖1所示。其中動力裝置為永磁同步變頻電動機，通過在供回水管上引出旁通并流經電動機外周實現水冷式散熱，兼顧了能源利用的高效性和設備運行的穩定性。渦流腔內渦輪為載熱流體提供動能，可將其強力泵入焊接有空化發生裝置的空化腔內，在文丘里管結構擴張段產生的低壓作用下引發空化效應，最終實現對液體加熱、加壓及水質凈化的效果。另外在出液管上開有回流管連接至渦流腔內，從而將未充分發生空化的液體再次泵入空化發生裝置內實現二次空化，同時可通過調整調節閥開度以控制出水溫度，滿足用戶端的具體需求。從用能角度看，該設備實質為電供熱，能源轉換路徑為電能—機械能—熱能。與傳統電熱水鍋爐相比，該空化供熱設備實現了一機對能源的多維利用，大大簡化了常規供熱系統，提高了能源利用效率。

圖1 水力空化供熱設備結構示意圖

2 試驗設計及平臺搭建

2.1 試驗系統設計

本試驗系統參考GB/T 10820—2011《生活鍋爐熱效率及熱工試驗方法》[10]中的正平衡法進行熱效率測試，由于該空化供熱設備不同于常規電鍋爐，且受試驗條件及環境等因素的限制，本試驗方法又不完全與正平衡法相同，而是將常規電鍋爐供熱試驗系統中的散熱末端替換為保溫水箱，原理上為近似絕熱試驗，原理圖見圖2。

圖2 試驗系統原理圖

保溫水箱整體設計高度為1.9 m，有效盛水高度為1.7 m，內部直徑為1.2 m，實際容積為1 922.7 L，采用全保溫設計，內外膽之間充注聚氨酯發泡保溫材料。另外試驗過程中，設備及供回水管皆采取了保溫措施，以減小環境對計算結果的影響。

2.2 數據采集設備及測點布置

根據GB/T 10820—2011《生活鍋爐熱效率及熱工試驗方法》[10]有關規定，生活電鍋爐熱效率及熱工試驗需測試鍋爐輸入熱量和實際供熱量，故本試驗系統布置了水箱水溫測點(傳感器吊置于水箱中心，計算設備實際供熱量)、耗電量測點(計算設備輸入熱量)，為獲得更加完整全面的運行數據，在此基礎上又測試了該供熱設備的供回水溫度、循環水流量、供水壓力、環境溫度及系統水質。

為消除溫度傳感器帶來的偶然誤差，在供回水溫度及水箱水溫測點前后間隔約2 cm處同時布置了2個溫度傳感器，試驗現場布置如圖3所示。綜合考慮試驗精度、可行性及經濟性，本試驗所采用的數據采集設備及其參數如表1所示。在實際應用過程中，流量計精度并未達標，但水箱容積一定，可通過水箱水溫升精確計算一定時間內設備輸出熱量，故此誤差對后續計算無影響。本試驗實際進行時間為2019年11月25日13:20—15:30，地點為北京某實驗中心。

圖3 試驗系統現場布置圖

表1 數據采集設備儀器參數

3 試驗測試結果及分析

3.1 誤差分析

本試驗認為1個溫度測點上2個熱電偶所測溫度的平均值為該點管內液體的真實溫度(忽略管壁熱傳導影響)，由此可計算得出每個熱電偶所測溫度數據與真實值的差值，該差值代表該熱電偶的精確度。

圖4顯示了供回水(G-1/2、H-1/2)及水箱(SX-1/2)溫度測點熱電偶所測溫度數據與各自平均值的差值，可看出每個測點的2個熱電偶誤差線均呈上下分布，且幾乎無黏連。從數值情況看，各熱電偶測量誤差集中在±0.40 ℃之間，各測點溫度分布在20.25～60.73 ℃，由此可計算出本試驗溫度測點的滿度相對誤差為0.40 ℃÷(60.73-20.25) ℃×100%=0.99%，誤差較小，采集的數據可信度較高。

3.2 系統熱響應情況分析

圖5顯示了該空化供熱設備供回水溫度隨時間的變化趨勢，試驗開始前供回水溫度分別為20.25、22.38 ℃，因設備開始測試前進行了試運行，同時水箱保溫性能較好，水箱內水溫高于環境溫度，另外設備回水管和水箱直接連通，存在相互熱傳遞現象，但供水管進水箱口高于水箱水面，并不與水箱內水連通，故隨著設備向環境散熱，供水管溫度總體低于回水管溫度。隨著試驗的進行，供回水溫度均迅速上升，其中供水溫度上升趨勢更明顯，圖線更陡，斜率更大，但兩者皆隨時間逐漸趨于平緩，停機時供回水溫度分別為60.73、60.64 ℃。圖6顯示了水箱水溫升情況，由于試驗初期水箱內水溫不均勻，溫度傳感器布點不能真實代表水箱平均水溫，故根據試驗后期實測數據對前200 s數據進行了擬合修正，最優模型為指數函數，擬合收斂達到10-9的容差值，擬合方程為

式中t為水箱水溫；τ為試驗時間。

圖5 空化供熱設備供回水溫度隨時間變化趨勢

圖6 水箱水溫隨時間變化趨勢

該曲線與時間τ=0軸的交點為(0，24.88)，即水箱初始水溫為24.88 ℃。根據試驗安排，水箱水溫達60 ℃時停機，實際停機溫度在60.58 ℃，該過程共耗時7 700 s，約2 h 8 min。

3.3 瞬時熱效率分析計算

為準確獲得該空化供熱設備的實時工作參數，以得出其最佳工作狀態，對實時熱效率ηi進行了分析計算，計算公式如下：

(2)

式中Pou為輸出功率，kW，包含有效輸出(加熱)功率Pef和系統對外熱損失功率Plo；Pin為輸入功率，kW，可通過接有電流互感器的電能表測得。

因試驗過程系統熱損失影響因素較多且非穩態，再者考慮熱源在實際使用中必定存在一定量的熱損失，故不將系統對外熱損失計入本次計算過程。

有效輸出功率等于供熱設備單位時間對系統內水的加熱量，即

(3)

式中Qef為系統內水熱能增量，kJ；Δτ為加熱時間，s；c為水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·℃)；m為試驗系統內水的質量，kg，根據供回水管徑、長度、設備尺寸和水箱容量可得出水體積為1.97 m3，初始溫度下水的密度為997.30 kg/m3，進而可計算出m；Δt′為Δτ時段內水箱的水溫升高值，℃。

由式(3)可計算出某時間段內設備的平均熱效率，由此代表該時間段內所有時刻的瞬時熱功率。當所取計算時間足夠短時，即可準確得到任意時刻的瞬時熱功率，對時間取微元，可得

(4)

對式(1)求導數，可得

(5)

該導數方程為指數函數，因變量dt/dτ與自變量τ負相關，隨著τ的增大無限趨向于0，說明水箱溫升隨著試驗進行不斷減小，且在未來無限遠處趨向于絕對穩定。

平均約5 min記錄一次總輸入功率，其包括了除溫度數據采集設備外試驗系統所有用電器(空化供熱設備電動機、變頻器)的用電功率，變化趨勢如圖7所示。由圖可知，瞬時輸入功率隨試驗進行逐漸降低且趨于穩定，這是因為電動機剛啟動時克服系統負載阻力做功最大，即電動機有功功率最大，由此計算的功率因數和瞬時功率也最大，隨著系統運行，電動機負載越輕，功率因數和瞬時功率也越小。由于數據采集有一定的時間間隔，可能存在部分隨機誤差，對該實測數據進行擬合修正，最優模型為指數函數，擬合收斂達到0.01的容差值，擬合方程為

(6)

圖7 不同時刻瞬時輸入功率及其擬合曲線

將式(4)～(6)代入式(2)中，計算得出試驗過程中不同時刻空化供熱設備的瞬時熱效率，如圖8所示。

圖8 不同時刻空化供熱設備的瞬時熱效率

從圖8可以明顯看出，本試驗所用空化供熱設備的瞬時熱效率隨試驗進行逐漸下降，曲線總體呈拋物線型，越接近試驗后期，斜率越陡。整個試驗過程，熱效率最高值為99.99%，出現在設備啟動初始時刻；最低值為95.30%，出現在關機時刻。該空化供熱設備熱效率前后降低了4.69%，主要原因有二：一為隨著系統水溫升高，設備、管路及水箱向環境的散熱量變大；二為空化發生段產生的空泡與溫度升高的回水間溫差減小，不利于空泡潰滅過程的熱量傳導，從而導致熱效率降低。

通過以上分析得出，該空化供熱設備的熱效率隨著系統水溫的升高而下降，且呈加速降低趨勢。

3.4 綜合熱效率分析計算

從溫升過程計算得出的瞬時熱效率僅代表某一時刻空化供熱設備的運行情況，影響因素眾多，其中任一因素發生變化，都會對計算結果產生較大影響，要想求得較為精確的熱效率，一方面需控制各因素波動范圍，另一方面需將其變化對結果造成的影響降至最小。以下計算方法從宏觀角度出發，綜合考慮各影響因素，對中間過程存有一定容錯率，結果較為精確。綜合熱效率ηc計算過程如下：

(7)

式中Qou為空化泵總產出熱能，kJ，由水箱內水的得熱量Qef和系統對外散熱量Qlo組成；Qin為試驗時間內電源總輸入能量，kJ。

同上，此處不計入系統對外散熱量。

Qef=m(h1-h2)

(8)

式中h1、h2分別為系統內水的初、末比焓，kJ/kg。

電源總輸入能量可從電能表查得，累計共耗電83.96 kW·h；水箱內水比焓增加149.22 kJ/kg，易得系統水體共吸收熱量293 169.70 kJ。最終得出不計熱損失時，該空化供熱設備的綜合熱效率為96.99%。

3.5 供回水壓力分析

試驗過程中該空化供熱設備的供水壓力較為穩定，基本維持在0.190 MPa，回水壓力由水箱水面高度計算得出，為0.017 MPa，供回水壓差為0.173 MPa。揚程H可通過下式計算：

(9)

式中 Δp為供回水壓差，Pa；ρ為水的密度，取997.3 kg/m3；g為自由落體加速度，取9.8 m/s2；Δv為供回水流速差，m/s，實測系統流量為38 m3/h，設備供/回水管管徑為DN70/DN80；Δz為供回水壓力測點高差，m，為0。

由此可計算得出其在試驗流量下的揚程H=17.69 m。

3.6 系統水質分析

將發生空化后的水樣委托第三方進行水質檢測，其中空化前后水的硬度和鈣鎂離子含量如表2所示。由數據可以看出，空化后水的硬度和鈣鎂離子含量皆低于空化前。空化后水樣的核磁共振頻譜檢測結果顯示：其半峰寬值為54.82 Hz，為標準的小分子團水，此為空化機械效應產生的高速微射流和強大沖擊波作用的結果，該過程同時可打散水中成垢物質。

表2 空化前后水的硬度及鈣鎂離子含量 mg/L

根據文獻[11]的研究成果，通過比較有無水力空化作用下成垢物質情況和試件表面的結垢情況可以看出，在空化效應的作用下，液體內成垢物質明顯減少，且試件表面幾乎無結垢現象，說明空化可有效解決供熱中的結垢問題。

4 結論

1) 該空化供熱設備的熱效率隨著系統水溫的升高而下降，且呈加速降低趨勢。

2) 本次試驗測試中該空化供熱設備綜合熱效率達96.99%。

3) 該空化供熱設備可同時提供0.173 MPa的資用壓力以滿足供熱水系統循環。

4) 空化后系統水質變優，形成了小分子水，鈣鎂離子含量皆低于初始值，在不安裝水處理裝置的情況下可有效保證供熱系統的防結垢性能，大大簡化供熱系統。

以上結論基于有限試驗條件得出，是對空化熱效應在供暖領域應用的初步探索。隨著研究工作的深入，后續還將對結論作進一步更新和補充。