直接空冷凝汽器冷却空气采用喷雾降温的温度分析

空气 h1, d1
喷水 hl
冷空气 h2, d2
t
d1 d2 1 h1
2 h2
d φ1
φ2
图 2 喷雾降温过程的流程图和 h-d 图
为了表达方便，参数符号的下标“ q ”表示水蒸汽的参数，“ g ”表示干空气的参 数，“ w ”表示喷雾的参数，“ s ”表示水蒸汽处于饱和状态时的参数；“1”表示初 态，“2”表示终态，“ 0 ”表示0℃水蒸汽。 h 为焓值， d 为含湿量， c 为定压比热。
中国工程热物理学会
传热传质学
学术会议论文
编号：113185
直接空冷凝汽器冷却空气采用喷雾降温的
温度分析
张 璟1，2，李宴君1，温 娟1，唐大伟1
（1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2. 北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617） （TEL：010－82543062， E-mail: zhangjing@）
表 1 为对 28℃的冷却空气喷雾降温后相对湿度为 100%的温度数据摘录，喷雾温度 分别为降温后空气温度、20℃、30℃和 40℃。
从表 1 数据发现，初始 28℃的干空气，喷 8.6℃的水比喷 40℃的水降温最终温度仅 低 0.44℃；初始 28℃的，相对湿度 85%的空气最终温度差别仅有 0.01℃。随喷雾水温 升高，最终温度稍有增大；随冷却空气初始相对湿度增大，最终温度提高，即降温幅度 降低，并且不同喷雾水温带来最终温度的差别越来越小。因为冷却空气初始相对湿度越 大，则越接近饱和状态，蒸发水量越小，所以喷雾对冷却空气状态的影响越小。总之， 喷雾温度对冷却空气降温后的温度影响不大。一般来讲，电厂采用除盐水来进行喷雾降 温，喷雾温度接近自来水温度，大概在 20℃左右，不会到达 30℃或 40℃较高温度，也 不会特意采用其它的冷却设备将其温度降至当时空气状态的湿球温度。那么，既然喷雾 温度对过程影响很小，那么将其作为定值 20℃考虑对于设计或运行调节会非常方便。
matlab语言编程计算了直接空冷凝汽器的冷却空气喷雾降温后的温度。 3.2 计算实例及结果分析
应用上述程序计算大气压力 0.09048MPa 时，冷却空气喷雾降温后相对湿度为 100% 的温度，计算结果与文献 4 中数据相同，证明程序正确无误。为分析喷水温度及空气经 喷雾降温后达到的相对湿度对冷却温度的影响，设计了三种工况：工况 1，冷却空气喷 雾降温后相对湿度为 100%，喷水温度等于降温后空气温度，即热力学湿球温度；工况 2， 冷却空气喷雾降温后相对湿度为 100%，喷水温度等于 20℃（因为在设计喷水系统时， 通常取喷水的设计温度为 20℃）；工况 3，冷却空气喷雾降温后相对湿度为 85%，喷水 温度等于 20℃。
空气流经水滴周围时，会把边界层中的饱和空气带走一部分，因而饱和空气层将不 断与流过的那部分未饱和空气相混合，使整个空气状态发生变化。因此可将此过程看作 饱和的与未饱和的两种状态空气的混合过程。根据空气的混合规律，在焓湿图上，混合 后的状态点应该位于连接空气初状态和该水温下饱和状态点的直线上。由此可见，如果 和空气接触的水量无限大，接触时间无限长，全部空气都能达到饱和状态，并具有水的 温度。在上述假想条件下，随水温的不同，可以得到由 3 条分界线隔开的如图 1 所示的 七种典型的空气状态变化过程[5]。
图2中喷雾加湿过程的热平衡方程，整理后得到:
h1 + (d2 − d1)hw = h2 (1)
由于 (d2 − d1)hw 和 h1 、 h2 相比可以忽略，因此通常的做法是将上式近似简化为
h1 h2 ，但本文想考虑喷雾水温对冷却空气温度降低程度的影响，不做此简化。而
h1 = cgt1 + d1(h0 + cqt1) ， h2 = cgt2 + d2 (h0 + cqt2 ) (2)
−
t1 )
(6)
Ps1 和 Ps2 是 t1 和 t2 对应的水蒸汽的饱和压力。大气压 p 、相对湿度ϕ2 已知，则 d2
是 Ps2 的函数。因为 t2 与 Ps2 是隐含的关系，因此在已知空气初始温度、初始相对湿度和
喷水量的情况下，简单地解方程求不出 t2 ，必须在数学上采用一定的计算方法。编程计
摘 要 直接空冷机组受环境气温的影响较大。许多直接空冷机组上加装了喷雾系统，降低空冷散热 器入口空气温度，以提高机组安全性和经济性。本文分析了直接空冷凝汽器冷却空气喷雾降温的理论 过程和温度特性，并给出了编程计算空气经喷雾降温后可达温度的方法。最后对喷雾降温过程的经济 性作出了分析，供发电厂进行空冷改造时参考。 关键词 直接空冷；喷雾降温；空冷凝汽器；机组热经济性
1）以温度等于空气露点温度的水与空气直接接触。由于 dA=d2，所以湿交换量为 0。 但是由于空气温度高于露点温度，所以空气状态变化过程是等湿冷却过程。如图 1 中的 过程 A-2 所示。
2）以温度等于空气湿球温度的水与空气直接接触。空气沿等湿球温度线变化而被 加湿，由于等湿球温度线与等焓线非常接近，所以也可说总热交换量为 0。但是由于空 气温度高于湿球温度，且 dA<d4，所以空气显热量减少，潜热量增加，二者近似相等。空 气状态变化过程近似等焓加湿过程。如图 1 中的过程 A-4 所示。
绝热加湿器并非实用装置，所以一般都用干湿球温度计读出湿球温度，以近似代替 热力学湿球温度。该温度是用温包上裹着湿纱布的温度表，在流速大于 2.5m/s 且不受 直接辐射的空气中，所测得的纱布表面温度，以此作为空气接近饱和程度的一种度量。
水分从湿球温度计湿润的表面扩散，而热量从周围空气扩散到湿润表面，两者的相对速 率趋向于使实际湿球温度低于热力学湿球温度。而从处于干球温度下的周围物体通过传 导和辐射得到的热量趋向于使湿球温度读数偏高。整个过程中，这两种效应趋向于互相 抵消，结果是某一风速下湿球温度计可以反映出热力学湿球温度。经实验及分析表明， 在风速大于 5m/s 时，得到的湿球温度计读数就认为等于热力学湿球温度[5]。
在这里还要解释下空气处理过程中，经常遇到的两个非常接近的温度值：空气的热 力学湿球温度和湿球温度。
空气在定压条件下以纯水进行绝热加湿，假设绝热加湿器足够长，空气与水有足够 长的接触时间，并且有充分的接触面积，使空气离开加湿器时达到饱和状态，出口空气 温度与水温相同，水分蒸发所需热量全部取自空气，这个温度称为空气的热力学湿球温 度，也称绝热饱和温度。
(8)
d t2 Δt2 t2,i+Δ − t2,i
因为 t1 > t2 > tl ，用 tl = −35.957 − 1.8726α + 1.1689α 2 估算露点温度，
α = ln Ps1 ，取初值 t2,0 = (t1 + tl ) / 2 ， Δt2 由经验取 t2,0 ×10−5 。
当迭代计算到N次时，若 d1 − d1,N ≤ d1 ×10−5 ，则认为 t2,N 就是方程的根。笔者用
1 空气与水雾之间的热湿交换原理
根据质交换理论，空气与喷出的水雾直接接触时，在水滴周围形成了一个温度等于 水表面温度的饱和空气边界层，边界层内水蒸汽分子的浓度取决于边界层的饱和空气温 度。边界层周围，水蒸汽分子做不规则运动，有一部分水分子进入边界层，同时也有一 部分水蒸汽分子离开边界层回到水中。如果边界层温度高于周围空气温度，则由边界层 向周围空气传热；反之，则由周围空气向边界层传热。如果边界层内水蒸汽分子浓度大 于周围空气的水蒸汽浓度，则由边界层进入周围空气中的水蒸汽分子数多于周围空气进
基金项目：国家重点基础研究发展规划（No.2009CB219804）
入边界层的水蒸汽分子数，结果周围空气中的水蒸汽分子数将增加；反之，则将减
少。因此，空气与水之间的显热交换取决于边界层与周围空气之间的温度差，而湿交 换及由此引起的潜热交换则取决于二者之间的水蒸汽分子浓度差。
2 空气与水直接接触时的状态变化过程
算证明简单的迭代解法用于计算饱和湿空气温度 t2 不能收敛，而用牛顿迭代法能够得到
收敛的 t2
： t2,i+1
=
t2,i
+
(d1
−
di )
/
(d d
d1 ) t2 ,i
t2
(7)
此牛顿迭代法求解的函数形式比较复杂，直接求导非常困难，采用数值微商法代替
直接求导[8]。即， d d1 = Δd1 = d1,i+Δ − d1,i
0 前言
近几年，在富煤缺水地区直接空冷系统得到大力的推广和应用。由于直接空冷机组 的冷却能力取决于进入空冷器冷却空气的干球温度，因而受环境气温的影响较大[1]。夏 季较高的气温会导致空冷器冷却能力下降，机组真空降低，机组满发背压会很高，甚至 超标。为保证机组的安全运行，机组不得不限负荷运行。夏季运行工况正处于电网高负 荷运行时期，需要机组维持较高负荷运行，因而形成了夏季机组出力受阻与发电负荷需 求高的尖锐矛盾。在这种情况下，一旦出现大风天气及热风回流等不利的因素，极易造 成背压保护动作机组掉闸，对机组的安全运行带来严重的隐患，也直接影响电网的安全 经济运行[2]。为此，许多直接空冷机组上加装了喷雾系统，降低空冷凝汽器入口空气温 度，改善空冷系统换热条件，是解决直接空冷机组夏季出力受阻，提高机组安全性的有 效途径之一[3]。虽然这种方法在多数直接空冷电厂得到应用，但是关于此方面的研究却 报道的不多。华北电力大学的陈继军等人[4]对直接空冷凝汽器冷却空气采用喷雾降温后 的温度进行了计算并对喷雾降温做了经济性分析，但是这些研究中假设降温后空气达到 饱和状态，这是不符合实际情况的。因此本文基于传热学的基本原理分析了直接空冷凝 汽器冷却空气喷雾降温的原理和温度特性，供发电厂进行空冷设计或改造时参考。
ln Ps2 = −5800.2206T2−1 + 1.3914993 − 0.04860239T2 + 0.000041764768T22
− 0.14452093 ×10−7T23 + 6.5459673ln T2