好氧颗粒污泥SBR处理垃圾渗滤液的污泥理化特性分析

第45卷第6期2012年6月天津大学学报JournalofTianjinUniversityVol.45No.6Jun.2012收稿日期：2011-07-26；修回日期：2011-10-17．基金项目：国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAJ08B09)．作者简介：黄晓庆（1984—），女，博士研究生．通讯作者：张旭，[e-mail].▋增湿型空冷器喷嘴布置方式及热工特性实验黄晓庆，张旭(同济大学暖通空调及燃气研究所，上海201804)摘要：针对空冷机组在夏季高温天气不能满发的问题，采用喷雾增湿以降低入口空气的干球温度，选用波纹板式增湿型空冷器进行喷嘴布置方式、降温特性、空气侧与热水侧阻力、传热特性实验研究．对TF6喷嘴不同布置方式对空气降温效果与热水降温效果影响进行比较，选定了较优的500,mm×500,mm布置方式进行实验，并得到了此布置方式下TF6喷嘴喷雾波纹板式空冷器阻力降关联式和换热系数关联式．通过对喷嘴喷雾降温特性的研究，拟合得到接触系数与空气质量流速和水汽比关联式．通过对空气侧换热量精度(±4.949%)的分析，证明本实验装置和实验方法是可靠的．关键词：增湿型空冷器；喷嘴布置方式；阻力降；换热系数；喷雾降温关联式中图分类号：TK264文献标志码：A文章编号：0493-2137(2012)06-0516-06ExperimentonNozzleLayoutArrangementandResistance，HeatTransferCharacteristicsofSprayHumidificationAirCoolerHUANGXiao-qing，ZHANGXu(InstituteofHVACandGasEngineering，TongjiUniversity，Shanghai201804，China)Abstract：Tosolvetheproblemofair-cooledcondenseroutputlimitunderhightemperatureinsummer，thesprayhumidificationsystemisadoptedheretoreduceinletairtemperature.Therefore，experimentsareconductedtostudynozzlelayoutarrangement，nozzlecoolingcharacteristics，airsideandhotwatersideresistancesandheattransfercharacteristicsofcorrugatedplatesprayhumidificationaircooler.Thecoolingeffectsofairandhotwaterarecom-paredunderdifferentnozzleTF6layoutarrangements，andthelayoutof500,mm×500,mmischosenforexperimentstudy.UnderthislayoutarrangementandnozzleTF6spraying，correlationexpressionsofpressuredropandheattransfercoefficientunderbothwetanddryconditionsareobtained.Throughtheresearchonspraycoolingcharacteris-ticsofnozzle，thecorrelationexpressionbetweencontactcoefficientandairmassvelocityandwatertoairsteamratioisfittedandobtained.Throughtheaccuracyanalysisofair-sideheattransfer(±4.949%)，resultsshowthatex-perimentalapparatusandexperimentalmethodsarereliable.Keywords：sprayhumidificationaircooler；nozzlelayoutarrangement；pressuredrop；heattransfercoefficient；spraycoolingcorrelationexpression由于蒸发式冷却器具有比空冷换热效果好、比水冷节水等显著优点，在石油、化工、冶金、电力、制冷等领域有着广泛应用[1]．由于光管或翅片管式蒸发冷却器制作工艺简单、成熟，密封性好，因此目前工业产品基本上都是采用光管式或翅片管式蒸发冷却器．但光管式蒸发冷却器单位体积传热面积有限，结构不紧凑，占地多，而翅片管式蒸发冷却器翅片间距小，容易积水积垢，因此研发一种紧凑、传热效率高、容易除垢的结构形式是蒸发冷却器发展的趋势[2-5]．板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备形式，将板式换热器的优点与蒸发冷却技术相结合，开发板式蒸发冷却器是一个有益的尝试[6]．文献[7]对波纹板式空冷器进行了阻力与传热特性实验研究，文献[8]对板式蒸发冷却器进行了阻力与热工特性的实验研究，关2012年6月黄晓庆等：增湿型空冷器喷嘴布置方式及热工特性实验·517·于板式空冷器在工业领域应用的文献还鲜见报道.笔者对TF6喷嘴不同布置方式(500,mm×500,mm，500,mm×725,mm，725,mm×725,mm)对空气降温效果与热水降温效果的影响进行比较，选定了较优的布置方式，进行波纹板式空冷器干湿工况传热、阻力与喷雾特性实验研究，得到了空气与水侧阻力降与换热系数关联式，为板式空冷器设计提供依据．通过对喷嘴喷雾降温特性的研究，拟合得到了接触系数与空气质量流速和水汽比关联式．1实验系统设计实验系统包括4部分：增湿系统、热流体系统、空气系统和测量与控制系统．实验段主要由板式换热器和增湿系统组成．图1为板式增湿空冷系统实验装置，喷嘴布置间距分别为500,mm×500,mm、500,mm×725,mm和725,mm×725,mm(长×宽，每种布置方式为每排布置2个喷嘴，共2排)．图2为实验装置的原理图，热流体从板换右上侧流入，从左上侧流出；干工况时，板束外直接空气冷却(空气与热流体叉流换热)；湿工况时，板束侧面喷雾开启，喷嘴在空气入口处喷雾，喷嘴距离板束650,mm．图1板式增湿型空冷器实验段Fig.1Platesprayhumidificationair-cooledheatexchangerexperimentrig图2实验装置的原理示意Fig.2Schematicofexperimentaldevice喷嘴类型为TF6，其结构如图3所示．图3TF6结构示意Fig.3StructurediagramofnozzleTF62实验数据拟合关系式的建立2.1传热系数与准则式空冷器干工况运行时，传热系数为mQKFt=Δ(1)式中：K为总传热系数，2W/(mK)⋅；Q为传热量，由于空冷器两侧换热量测量存在偏差，数据处理时，传热量Q取两侧换热量测量计算值的平均值，即fa()/2QQQ=+，W；F为换热面积，2m；mtΔ为对数平均温差，℃．由于空冷器刚投入实验，所以忽略污垢热阻，则传热系数1pfpa11SKαλα−⎛⎞=++⎜⎟⎜⎟⎝⎠(2)式中：fα为板束内热水对流换热系数，2W/(mK)⋅；aα为干工况空气的对流换热系数，2W/(mK)⋅；pS为板片厚度，m；pλ为板片的导热系数，W/(mK)⋅．板束内热水的无因次对流换热系数准则关联式可写为[9]f1f=mNuCRe(3)式中：fNu为热水侧努塞尔数；fRe为热水侧雷诺数；系数C1和指数m为实验拟合数据．板束外空气的无因次对流换热系数准则关联式可写为a2anNuCRe=(4)式中：aNu为空气侧努塞尔数；aRe为空气侧雷诺数；系数2C和指数n可通过多次实验数据拟合后确定.式中雷诺数Re的特征长度为2倍的通道间距即a2S或f2S，特征速度取通道内流体平均流速，特征温度取流体进出口温度的平均值．·518·天津大学学报第45卷第6期2.2接触系数影响增湿降温效果的因素很多，诸如空气的质量流速、喷嘴类型与布置密度、喷嘴孔径与喷嘴前水压、空气与水的接触时间、空气与水滴的运动方向以及空气与水的初、终参数等．但是，对一定的空气处理过程而言，可将主要的影响因素归纳为以下3个方面：空气质量流速的影响、喷水系数的影响和喷嘴结构特性的影响．为了说明实际过程与水量有限、但接触时间足够充分的理想过程接近的程度，定义接触系数η，可表示为[10]2s11s11ttttη−=−−(5)式中：1t为空气入口干球温度，℃；s1t为空气入口湿球温度，℃；2t为空气出口干球温度，℃．影响增湿降温效果的因素是极其复杂的，不能用纯数学方法确定接触系数，而只能用实验的方法，对于喷嘴类型及布置方式相同的情况，接触系数可表示为[10]()mnAvηρμ′′=(6)WGμ=(7)式中：vρ为空气质量流速；v为空气流速，m/s；ρ为空气密度，3kg/m；喷水量的大小常以处理每千克空气所用的水量，即喷水系数(kg()/kg())μ水空气来表示；W为总喷水量，kg/s．3不同布置方式降温特性比较实验工况选用喷嘴布置方式500,mm×725,mm、500,mm×500,mm和725,mm×725,mm进行比较，以选定更优的布置方式．图4为3种布置方式对喷雾前后空气冷却效果的影响比较，其中入口空气干湿球温差为冷却极限，喷水量和雾滴与空气的接触面积紧密相关．随着“入口干湿球温差×喷水量”的增大，空气冷却效果增强，其中500,mm×500,mm的布置方式冷却效果最好，725,mm×725,mm次之，500,mm×725,mm稍差．从入口空气冷却效果来讲，500,mm×500,mm的布置方式更优．图5为3种布置方式对板换中热水冷却效果的影响比较，其中对数平均温差为热交换的推动力，喷水量与进入板换进行蒸发吸热的未蒸发雾滴量密切相关．随着“对数平均温差×喷水量”的增大，热水冷却效果增强，其中500,mm×500,mm的布置方式冷却效果最好，725,mm×725,mm次之，500,mm×725,mm稍差．从入口热水冷却效果来讲，500,mm×500,mm的布置方式更优．图4不同布置方式空气冷却效果比较Fig.4Airsidecoolingeffectcomparisonunderdifferentnozzlelayouts图5不同布置方式热水冷却效果比较Fig.5Hotwatersidecoolingeffectcomparisonunderdifferentnozzlelayouts实验结果表明，在空气冷却效果及热水冷却效果方面，布置方式500,mm×500,mm均优于725,mm×725,mm及500,mm×725,mm．如果采用更密排的方式，会使相同板换面积上喷嘴数量增加，造价增高．实验证明，喷嘴密度过大时，水苗相互叠加，不能充分发挥各自的作用．当需要较大的喷水系数时，通常靠保持喷嘴密度不变、提高喷嘴前水压的办法来解决．故选定500,mm×500,mm为更优布置方式进行不同喷嘴阻力、传热和喷嘴降温特性的实验研究．4湿工况板式换热器阻力特性喷嘴类型为TF6，经实验测定其喷嘴k系数为3.18(喷嘴流量(L/min)10((MPa))k=喷嘴背压)，其结构如图3所示，布置间距为500,mm×500,mm，如图2所示．湿工况时，板式空冷器空气侧阻力降随迎面风速增大而增大，如图6所示(TF6×4表示共4个TF6喷嘴进行喷淋，每排2个，共2排)，经曲线拟合，空气侧阻力降与迎面风速和板片宽度的关联式为[11]2012年6月黄晓庆等：增湿型空冷器喷嘴布置方式及热工特性实验·519·2aaa297.980.3m/s5.0m/s0.99619pHvvR⎧Δ=⎪⎨⎪=⎩≤≤(8)式中：av为空气侧的迎面风速，m/s；H为空冷器板片宽