CN115853571A - 一种喷雾消热装置及其长度确定方法 - Google Patents

一种喷雾消热装置及其长度确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种喷雾消热装置及其长度确定方法,喷雾消热装置包括进风口、出风口、进水管、集水槽、排水口、导流板、喷嘴、箱体、挡水板;含尘热气流从进风口进入消热装置,在导流板的作用下,实现均流,随后进入箱体,与喷嘴喷出的雾化液滴进行直接接触换热,根据进水管进水温度的不同,消热装置可对风流进行减湿冷却和蒸发冷却,同时喷雾段又能对含尘气流实现降尘的功能,最后风流经润湿后的挡水板流出,完成整个净化消热过程,水流从集水槽的排水口排出。该装置实现了梯级降温的过程,解决现有隧道通风降温和机械制冷降温存在的不足,兼有吸尘、除尘,净化的功能,经处理后的空气可二次利用。

Description

一种喷雾消热装置及其长度确定方法
技术领域
本发明涉及地下工程热湿环境控制技术领域,具体涉及一种用于高地温隧道施工期间喷雾消热装置及其长度确定方法。
背景技术
随着我国公路、铁路建设的快速发展,隧道数量和埋深不断增加。伴随着隧道埋深的增加,地温逐渐增加。目前,我国隧道岩壁最高温度为89℃,围岩散热成为高地温隧道主要热源。根据现有标准,施工期间隧道环境温度不得超过28℃,当环境温度在28~32℃时,人的工作效率开始下降;当温度超过32℃时,人的注意力和灵敏度开始受到影响。由此可见,在高地温地区修建长大深埋隧道时,热害问题已经成为制约隧道施工安全与效率的主要因素。
目前,控制隧道施工热环境的主要技术手段是通风。王卓通过理论推导,得出施工隧道在有无高温水工况下的送风量计算式,结果表明增大通风量可使洞内温湿大幅度降低。谷柏森通过对高地温隧道施工通风的研究,提出采用分段式通风降温的方法,既可以降低送风量,又能使隧道环境温度始终保持在30℃以下。显然,当隧道热害较轻、距离较短时,加大送风量来降低隧道环境温度是可行的,但是对于高地温长大深埋隧道,热负荷较大,压入式风筒送风量受到隧道长度的限制,加之空气自压缩热和隧道环境对管内风流的传热,使风流温度升高,增风降温已远不能满足作业环境的要求。于是有学者提出采用人工制冷的方法,将制冷主机放置在洞外,表面式换热器布置在隧道内,对空气进行降温,但是隧道施工过程中存在大量粉尘,风流流经表面式换热器后会在管壁上结垢,影响换热效果。为此,部分学者提出采用喷雾的方法对热风流进行降温。黄敏华基于热力学第一定律,通过引入体积换热系数,建立顺流单排喷水室内气液两相流热湿传递模型,得到喷水初温25℃条件下,使热风50℃降低10℃时的水气比为0.8,液滴临界粒径为243um。随后,黄敏华基于热力学第二定律,建立液滴-空气热湿传递
Figure BDA0003987255740000011
分析模型,通过合理优化水气比和液滴粒径,使热交换效率超过90%,/>
Figure BDA0003987255740000012
效率超过60%。然而,喷雾装置的特征长度受热工参数影响,液滴与空气的接触时间和接触面积不同,设备参数也会不同。如何从传热学角度量化水气比、粒径、流速对喷雾装置长度的影响,避免冗余,从而提高换热效率,节约占地面积和建造成本,对隧道工程施工降温具有重要意义。
发明内容
基于此,本发明的目的在于利用传热学基本理论,结合我国地下工程热环境控制及空气调节的特点,提供一种喷雾消热装置及其长度确定方法,以提高换热效率,节约占地面积和建造成本。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的:一种喷雾消热装置,包括进风口、出风口、进水管、集水槽、排水口、导流板、喷嘴、箱体、挡水板;进风口位于箱体前端,出风口位于箱体后端,导流板与连通进水管的喷嘴位于箱体前部,挡水板位于箱体后部,集水槽位于挡水板下方,排水口位于集水槽一端;喷嘴之前形成进风段,喷嘴与挡水板之间形成喷雾段,挡水板之后形成出风段;使含尘热气流从进风口进入消热装置,在导流板的作用下,实现均流,随后进入箱体,与喷嘴喷出的雾化液滴进行直接接触换热,根据进水管进水温度的不同,消热装置可对风流进行减湿冷却和蒸发冷却,同时喷雾段又能对含尘气流实现降尘的功能,最后风流经润湿后的挡水板流出,完成整个净化消热过程,水流从集水槽的排水口排出。该装置实现了梯级降温的过程,解决现有隧道通风降温和机械制冷降温存在的不足,兼有吸尘、除尘,净化的功能,经处理后的空气可二次利用。
本发明还提供一种上述喷雾消热装置的长度确定方法,该方法包括:
通过公式(1)和公式(2)确定喷雾消热装置喷雾段的临界长度L,进而通过公式(3)确定出喷雾消热装置的结构长度,指导工程设计。
L=f(u,ud,Gw/Ga,Ta,Tw,da,D) (1)
Ta-Tw≥0.5 (2)
L=L1+L2+L (3)
在式(1)、(2)和式(3)中,L是喷雾消热装置喷雾段的临界长度,m;u为主流空气的流速,即连续相速度,m/s。ud为分散相液滴的速度,m/s;Gw/Ga为水气质量流量比;Ta、Tw分别为空气、液滴温度,℃;da为空气含湿量,kg/kg;D为液滴平均粒径,m;L1为装置进风段长度,L2为装置出风段长度,m,根据装置的外形设计,取固定值。
在上述公式(1)、(2)和(3)中,具体特征步骤为:
(1-1)根据水量质量守恒,得到以喷雾消热装置箱体断面主流风速表示的水流质量通量:
Figure BDA0003987255740000021
在式(4)中,Gw为水流质量通量,kg/(m2·s);D为平均粒径,m;ρw为水的密度,kg/m3,取固定值ρw=1000kg/m3;n为液滴数密度,即单位体积混合物中的液滴个数,个/m3;u为主流空气的流速,即连续相速度,m/s。
(1-2)因单个液滴的表面积A=πD2,则单位体积混合物的总换热面积为:
Figure BDA0003987255740000022
在式(5)中,S为单位体积混合物中气液相的总界面面积,m2
(1-3)对于在不可压缩流体中运动的液滴,反映对流质交换强度的宣乌特准则数(Sh)可以使用以下经验关联式求解:
Figure BDA0003987255740000023
在式(6)中,Sh为宣乌特准则数,无量纲;Re为雷诺准则数,无量纲;Sc为施密特准则数,无量纲,取固定值Sc=0.63;hm为对流传质系数,m/s;Dc为空气扩散系数,m2/s,对于空气-水系统,取固定值DC=2.6×10-5m2/s。
(1-4)反映流体运动状态的雷诺数(Re)可以使用以下关联式求解:
Figure BDA0003987255740000031
/>
在式(7)中,ud为分散相液滴的速度,m/s;υ为空气运动粘度,m2/s,取固定值υ=1.795×10-5m2/s。
(1-5)联立式(1)~(4),求解出体积对流换热系数和体积对流传质系数表达式:
Figure BDA0003987255740000032
Figure BDA0003987255740000033
在式(8)和式(9)中,hv为体积对流换热系数,kW/(m3·℃);hmv为体积对流传质系数,kg/(m3·s);h为对流传热系数,W/(m2·℃);hm为对流传质系数,kg/(m2·s),对于水-空气直接接触的系统,认为刘易斯关系式成立,即h=hm·cp;cp为空气定压比热容,kJ(kg·℃),取固定值cp=1.01kJ/(kg·℃)。
(1-6)从空气侧能量变化可知,当空气与液滴群在装置微元长度方向上的微元体内接触时,空气温度变化为dta,含湿量变化为d(da),热湿平衡关系如下:
Figure BDA0003987255740000034
Figure BDA0003987255740000035
在式(10)和式(11)中,Ga为空气质量通量,kg/(m2·s);Ta为空气温度,℃;Tw为液滴温度,℃;da为空气含湿量,kg/kg;dsa为分饱和边界层含湿量,kg/kg。
(1-7)从水侧能量变化可知,水温变化由湿空气显热和潜热变化的共同作用引起,若水温变化量为dtw,则总热交换存在以下关系:
Figure BDA0003987255740000036
r=2500-2.35Tw (13)
在式(12)和式(13)中,cpw为水的定压比热容,kJ/(kg·℃),取固定值cpw=4.18kJ/(kg·℃);r为水的汽化潜热,kJ/kg。
(1-8)为了从微观角度揭示装置的热湿传递特性,分析液滴粒径变化规律,取微元时间dt,则在此微元时间内液滴质量变化存在以下关系:
dm=πD2hm(da-dsa)dt (14)
dx=udt (15)
(1-9)单个液滴质量为:
Figure BDA0003987255740000041
(1-10)对式(16)取微分,可得:
Figure BDA0003987255740000042
(1-11)将式(15)和式(17)代入式(14)中,可得:
Figure BDA0003987255740000043
/>
(1-12)将公式(10)、(11)、(12)、(18)在数值仿真软件中依次进行迭代计算,得到喷雾段长度计算式:
L=f(u,ud,Gw/Ga,Ta,Tw,da,D) (19)
在公式(19)中,喷雾段长度包括了u、ud、Gw/Ga、Ta、Tw、da、D这7个变量,可以通过数值仿真的手段,找出该7个变量之间的相互关系;
(1-13)定义空气与液滴的有效传热温差为:
Ta-Tw≥0.5 (20)
在公式(20)中,认为空气与液滴的临界传热温差为0.5℃,低于这一数值时,增加喷雾段长度无益于增加换热效果。
(1-14)联立公式(19)和(20),可确定出喷雾消热装置的长度:
L=L1+L2+L (21)
在式(21)中,L1和L2为设备固有长度,根据其外形设计取固定值。
附图说明
图1是本发明实施例喷雾消热装置轴视图。
图2是图1中的剖视图。
图3是喷雾段临界长度L与水气比、液滴粒径的关系图。
图中:1——进风口;2——导流板;3——喷嘴;4——箱体;5——挡水板;6——出风口;7——集水槽;8——排水口;9——进水管;L1——进风段长度;L2——出风段长度;L——喷雾段长度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1,本发明实施例的喷雾消热装置包括进风口1、出风口6、进水管9、集水槽7、排水口8、导流板2、喷嘴3、箱体4、挡水板5。含尘热气流从进风口1进入消热装置,在导流板2的作用下,实现均流,随后进入消热箱体4,与空心圆锥喷嘴2喷出的雾化液滴进行直接接触换热,根据进水管9的进水温度不同,消热装置可对风流进行减湿冷却和蒸发冷却,同时喷雾段又能对含尘气流实现降尘的功能,最后风流经润湿后的挡水板5流出,完成整个净化消热过程,水流从集水槽7的排水口8排出。该系统在消热过程中,兼有吸尘、除尘,净化的功能,经处理后的空气可二次利用。
参见图1、图2,本发明基于上述喷雾消热装置长度确定方法的具体步骤及推算过程如下:
为简化计算,做出以下5点假设:
(1)液滴为球形,且在换热器内均匀分布,液滴的内部不存在温度梯度和浓度梯度,饱和边界层温度即为液滴温度。
(2)单个液滴的传热准则关系适用于液滴群内的所有水滴。
(3)对于空气与水组成的换热系统,认为刘易斯关系式成立。
(4)液滴直径在几百微米级别,在风流扰动下,认为其竖向运动可以忽略。
(5)不考虑液滴的碰撞、破碎和聚并。
具体步骤如下:
(1)根据工程实际,确定喷水初温,入口空气流量和热工参数。
(2)确定喷雾段空气的热湿处理过程属于减湿冷却还是蒸发冷却。
(3)给水气质量流量比依次赋值为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8。
(4)针对每一个水气质量流量比,给液滴初始粒径D进行赋值,依次赋值为440um、640um、840um。
(5)计算沿喷雾段长度空气温度Ta与液滴温度Tw的差值,当Ta-Tw≥0.5时认为空气与液滴达到换热极限,记录该位置长度。
(6)计算空气与液滴达到换热极限时的空气温降。
(7)绘制喷雾段临界长度L与水气质量流量比、液滴粒径的关系图。
参见图1、图2,在上述公式(1)、(2)和公式(3)中,具体特征步骤为:
根据质量守恒,得到喷雾消热装置箱体断面以主流风速表示的水流质量通量:
Figure BDA0003987255740000051
在式(1)中:Gw为水流质量通量,kg/(m2·s);D为平均粒径,m;ρw为水的密度,kg/m3,取固定值ρw=1000kg/m3;n为液滴数密度,即单位体积混合物中的液滴个数,个/m3;u为主流空气的流速,即连续相速度,m/s。
因单个液滴的表面积A=πD2,则单位体积混合物的总换热面积为:
Figure BDA0003987255740000052
在式(2)中,S为单位体积混合物中气液相的总界面面积,m2
对于在不可压缩流体中运动的液滴,反映对流质交换强度的宣乌特准则数(Sh)可以使用以下经验关联式求解:
Figure BDA0003987255740000053
在式(3)中,Sh为宣乌特准则数,无量纲;Re为雷诺准则数,无量纲;Sc为施密特准则数,无量纲,取固定值Sc=0.63;hm为对流传质系数,m/s;Dc为空气扩散系数,m2/s,对于空气-水系统,取固定值DC=2.6×10-5m2/s。
反映流体运动状态的雷诺数(Re)可以使用以下关联式求解:
Figure BDA0003987255740000061
在式(4)中,ud为分散相液滴的速度,m/s;υ为空气运动粘度,m2/s,取固定值υ=1.795×10-5m2/s。
联立式(1)~(4),求解出体积对流换热系数和体积对流传质系数表达式:
Figure BDA0003987255740000062
Figure BDA0003987255740000063
在式(5)和式(6)中,hv为体积对流换热系数,kw/(m3·℃);hmv为体积对流传质系数,kg/(m3·s);h为对流传热系数,W/(m2·℃);hm为对流传质系数,kg/(m2·s),对于水-空气直接接触的系统,认为刘易斯关系式成立,即h=hm·cp;cp为空气定压比热容,kJ/(kg·℃),取固定值cp=1.01kJ/(kg·℃)。
从空气侧能量变化可知,当空气与液滴群在装置微元长度方向上的微元体内接触时,空气温度变化为dta,含湿量变化为d(da),热湿平衡关系如下:
Figure BDA0003987255740000064
Figure BDA0003987255740000065
在式(7)和式(8)中,Ga为空气质量通量,kg/(m2·s);Ta为空气温度,℃;Tw为饱和边界层温度,℃,因假设饱和边界层温度即为液滴温度,故Tw也为液滴温度;da为空气含湿量,kg/kg;dsa为分饱和边界层含湿量,kg/kg。
从水侧能量变化可知,水温变化由湿空气显热和潜热变化的共同作用引起,若水温变化量为dtw,则总热交换存在以下关系:
Figure BDA0003987255740000066
Figure BDA0003987255740000067
在式(9)和式(10)中,cpw为水的定压比热容,kJ/(kg·℃),取固定值cpw=4.18kJ/(kg·℃);r为水的汽化潜热,kJ/kg。
为了从微观角度揭示装置的热湿传递特性,分析液滴粒径变化规律,取微元时间dt,则在此微元时间内液滴质量变化存在以下关系:
dm=πD2hm(da-dsa)dt (11)
dx=udt (12)
单个液滴质量为:
Figure BDA0003987255740000071
对式(13)取微分,可得:
Figure BDA0003987255740000072
将式(12)和式(14)代入式(11)中,可得:
Figure BDA0003987255740000073
联立式(1)~式(15),得到喷雾段长度计算式:
L=f(u,ud,Gw/Ga,Ta,Tw,da,D) (16)
在公式(16)中,喷雾段长度包括了u、ud、Gw/Ga、Ta、Tw、da、D这7个变量,可以通过数值仿真的手段,找出该7个变量之间的相互关系;
定义空气与液滴的有效传热温差为:
Ta-Tw≥0.5 (17)
在公式(17)中,认为空气与液滴的临界传热温差为0.5℃,低于这一数值时,增加喷雾段长度无益于增加换热效果。
联立公式(16)和(17),可确定出喷雾消热装置的长度:
L=L1+L2+L (18)
在式(18)中,L1和L2为设备固有长度,根据其外形设计取固定值。
下面是工程实例:
以某隧道局部用喷雾消热装置为例,处理风量Ga=15000m3/h,入口空气温度Ta=40℃,入口空气相对湿度80%,即da=38.5g/kg,进水温度即喷水初温,也即液滴温度Tw的初始值=25℃,箱体断面积1.4m2
(1)经计算入口空气温度为35.8℃,远高于喷水温度,空气发生减湿冷却。
(2)依次给水气质量流量比赋值为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8。
(3)针对每一个水气质量流量比,给液滴初始粒径D进行赋值,依次赋值为440um、640um、840um。
(4)利用数值仿真工具,通过公式(17),计算沿喷雾段长度空气温度Ta与液滴温度Tw的差值,当Ta-Tw≥0.5时认为空气与液滴达到换热极限,记录该位置长度。
(5)计算空气与液滴达到换热极限时的空气温降。
(6)绘制喷雾段临界长度L与水气比质量流量比、液滴粒径的关系图,如图3所示。例如在实际的水气质量流量比为1.0、液滴初始粒径D为440um的情况下,喷雾段临界长度L为0.73m,此时空气降温幅度为7.8℃。

Claims (4)

1.一种喷雾消热装置,其特征在于:包括进风口、出风口、进水管、集水槽、排水口、导流板、喷嘴、箱体、挡水板;进风口位于箱体前端,出风口位于箱体后端,导流板与连通进水管的喷嘴位于箱体前部,挡水板位于箱体后部,集水槽位于挡水板下方,排水口位于集水槽一端;喷嘴之前形成进风段,喷嘴与挡水板之间形成喷雾段,挡水板之后形成出风段;使含尘热气流从进风口进入消热装置,在导流板的作用下,实现均流,随后进入箱体,与喷嘴喷出的雾化液滴进行直接接触换热,根据进水管进水温度的不同,消热装置可对风流进行减湿冷却和蒸发冷却,同时喷雾段又能对含尘气流实现降尘的功能,最后风流经润湿后的挡水板流出,完成整个净化消热过程,水流从集水槽的排水口排出。
2.一种如权利要求1所述的喷雾消热装置的长度确定方法,其特征在于包括:通过公式(1)和公式(2)确定喷雾消热装置喷雾段的临界长度L,进而通过公式(3)确定出喷雾消热装置的结构长度,
L=f(u,ud,Gw/Ga,Ta,Tw,da,D)(1)
Ta-Tw≥0.5(2)
L=L1+L2+L(3)
在式(1)、(2)和式(3)中,L是喷雾消热装置喷雾段的临界长度,m;u为主流空气的流速,即连续相速度,m/s;ud为分散相液滴的速度,m/s;Gw/Ga为水气质量流量比;Ta、Tw分别为空气、液滴温度,℃;da为空气含湿量,kg/kg;D为液滴平均粒径,m;L1为装置进风段长度,L2为装置出风段长度,m,根据装置的外形设计,取固定值。
3.根据权利要求2所述的喷雾消热装置的长度确定方法,其特征在于:式(1)是将公式(4)、(5)、(6)、(7)在数值仿真软件中依次进行迭代计算所得到的,
Figure FDA0003987255730000011
Figure FDA0003987255730000012
Figure FDA0003987255730000013
Figure FDA0003987255730000014
在式(4)、(5)、(6)和式(7)中,Ga为空气质量通量,kg/(m2·s);Ta为空气温度,℃;Tw为液滴温度,℃;da为空气含湿量,kg/kg;dsa为分饱和边界层含湿量,kg/kg;hv为体积对流换热系数,kW/(m3·℃);hmv为体积对流传质系数,kg/(m3·s);cp为空气定压比热容,kJ/(kg·℃),取固定值cp=1.01kJ/(kg·℃);cpw为水的定压比热容,kJ/(kg·℃),取固定值cpw=4.18kJ/(kg·℃);r为水的汽化潜热,kJ/kg;hm为对流传质系数,kg/(m2·s);ρw为水的密度,kg/m3,取固定值ρw=1000kg/m3
4.根据权利要求2或3所述的喷雾消热装置的长度确定方法,其特征在于,通过公式(1)和公式(2)确定喷雾消热装置喷雾段的临界长度L包括如下步骤:
(1)根据工程实际,确定喷水初温与入口空气热工参数,包括处理风量Ga、箱体断面积、入口空气温度Ta、空气含湿量da、喷水初温即液滴温度Tw的初始值,计算出主流空气的流速u、分散相液滴的速度ud
(2)确定喷雾段空气的热湿处理过程属于减湿冷却还是蒸发冷却;
(3)给水气质量流量比Gw/Ga依次赋值为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8;
(4)针对每一个水气质量流量比,给液滴初始粒径D进行赋值,依次赋值为440um、640um、840um;
(5)通过公式(1),计算沿喷雾段长度空气温度Ta与液滴温度Tw的差值,当Ta-Tw≥0.5时认为空气与液滴达到换热极限,记录该位置长度;
(6)计算空气与液滴达到换热极限时的空气温降;
(7)绘制喷雾段临界长度L与水气质量流量比、液滴粒径的关系图;
(8)根据实际的水气质量流量比、液滴粒径确定喷雾段临界长度L。
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