任蕰佳，苗慶偉，劉聯(lián)勝，田 亮，段潤(rùn)澤

（1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 科技發(fā)展部，天津300381）

隨著近幾年工業(yè)爐的發(fā)展， 其內(nèi)部熱處理要求和工藝條件發(fā)生較大變化， 熱軋不銹鋼退火以及金屬板帶在熱處理時(shí)對(duì)溫度有嚴(yán)格的要求， 例如900℃、600 ℃、450 ℃等，目前針對(duì)爐膛內(nèi)部降溫的方法有打開(kāi)爐門(mén)，依靠自然對(duì)流換熱的自然冷卻法，但該方法效率極低；還有通過(guò)冷卻水噴淋傳熱板帶，再利用傳熱板帶使?fàn)t膛冷卻的間接換熱法， 但該方法對(duì)水資源消耗極大且換熱效果有限。 為了節(jié)約水資源同時(shí)提高換熱效率， 噴霧冷卻技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題，有學(xué)者提出在工業(yè)爐體外設(shè)置循環(huán)水池，水池上方架設(shè)陣列噴霧裝置， 使金屬板帶通過(guò)該循環(huán)來(lái)強(qiáng)化換熱。

目前， 眾多學(xué)者將噴霧冷卻技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，取得了不錯(cuò)的效果，尤其是針對(duì)工業(yè)爐爐膛冷卻、金屬合金熱處理、大型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口冷卻等方面有著顯著的作用。

1 噴霧冷卻技術(shù)的應(yīng)用

噴霧冷卻技術(shù)是目前高效的換熱方式之一，通過(guò)噴嘴將液體霧化為直徑在10～100 μm 級(jí)別的大量高速液滴顆粒，并噴入速度相對(duì)較低、溫度相對(duì)較高的氣體介質(zhì)中， 通過(guò)液體蒸發(fā)吸熱過(guò)程來(lái)降低氣體介質(zhì)的溫度，同時(shí)噴霧過(guò)程中，有一部分粒徑較大的液滴以一定的初始速度落在高溫?fù)Q熱表面上，由于液滴與換熱表面存在溫度差， 增強(qiáng)換熱面的換熱系數(shù)，其換熱原理是強(qiáng)迫對(duì)流與蒸發(fā)相結(jié)合。 目前，噴霧冷卻技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

噴霧冷卻技術(shù)可以用于建筑節(jié)能降溫。 席仁靜等人[1]以西安市玻璃天窗為研究對(duì)象，對(duì)照分析了噴霧區(qū)域和非噴霧區(qū)域的溫度變化情況， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，噴霧冷卻對(duì)于天窗降溫效果顯著，降溫范圍在3~5.7 ℃，降溫百分比為7.58%~12.72%；楊昶等人[2]在某建筑采光中庭上方建立了噴霧冷卻裝置， 實(shí)驗(yàn)表明霧滴層可以降低9%~12.3%的陽(yáng)光輻射， 降低玻璃外側(cè)溫度10.7~11 ℃，對(duì)于環(huán)境舒適度提升較大；朱常琳等人[3]研究了工業(yè)廠房噴霧降溫的效果，分析得出噴霧冷卻有效減緩了屋面溫度的上升， 有效降低屋面平均溫度4 ℃。

噴霧冷卻技術(shù)可以用于電子元器件降溫。 王亞青等人[4]利用實(shí)驗(yàn)的方式研究了不同噴霧流量下大功率激光器的散熱效果， 發(fā)現(xiàn)噴霧流量變化會(huì)引起液滴密度和粒徑的變化， 激光器散熱效率受?chē)婌F流量和噴射速度共同影響；章瑋瑋[5]針對(duì)CPU 熱表面散熱設(shè)計(jì)了緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng)， 采用了陣列多噴嘴布局，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在噴霧冷卻單相階段實(shí)現(xiàn)高于90 W/cm2的散熱能力；JIANG 等人[6]設(shè)計(jì)了微噴嘴噴霧冷卻模塊用于電子元器件散熱， 實(shí)驗(yàn)表明微噴嘴產(chǎn)生的液滴主要集中在主流區(qū)域， 熱通量達(dá)到304.7 W/cm2，多熱源最大溫差小于6.5 ℃，該模塊對(duì)于多熱源高熱通量的熱管理具有明顯優(yōu)勢(shì)。

噴霧冷卻技術(shù)可以用于大型空調(diào)室外機(jī)組散熱。 傅俊萍等人[7]針對(duì)風(fēng)冷冷凝器換熱效果下降的問(wèn)題，采用噴淋裝置后提升了整體換熱效率；馮志明[8]在常溫工況下針對(duì)大型分體式空調(diào)室外機(jī)設(shè)計(jì)了噴霧冷卻系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整機(jī)功耗有較大提升，同時(shí)獲得了適用于該機(jī)組的最佳噴霧量和干球溫度；邱培剛[9]同樣將噴霧技術(shù)應(yīng)用于室外機(jī)的冷凝器上，得到了相似結(jié)論；CHAN 等人[10]使用霧滴顆粒直徑為10 μm 的噴霧系統(tǒng)對(duì)風(fēng)冷機(jī)組冷凝器翅片所接觸的空氣進(jìn)行預(yù)冷處理，機(jī)組COP 顯著提高。

噴霧冷卻技術(shù)可以用于車(chē)床切削加工。 閆磊等人[11]針對(duì)高速車(chē)削GH4169 合金時(shí)的噴霧冷卻效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)流量為25 mL/h 的復(fù)合油霧冷卻潤(rùn)滑效果最好，而且能夠有效降低刀具磨損；計(jì)亞坤[12]對(duì)車(chē)削刀片的壽命進(jìn)行了分析， 認(rèn)為氣霧冷卻下切削高溫合金能夠有效減少刀具磨損；李君[13]對(duì)比分析了切削加工過(guò)程中的三種冷卻方法， 發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻時(shí)由于汽化吸熱能夠迅速降低切削區(qū)域的熱量同時(shí)高速的霧化液滴能夠?qū)じ降那行即档簦?舒盛榮等人[14]在循環(huán)內(nèi)冷車(chē)刀的基礎(chǔ)上提出了內(nèi)冷結(jié)合外部噴霧冷卻潤(rùn)滑的車(chē)刀， 利用噴霧冷卻技術(shù)在滿足散熱需求的同時(shí)保護(hù)了刀具，且環(huán)保無(wú)污染。

2 噴霧冷卻技術(shù)在工業(yè)爐領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 噴霧冷卻用于工業(yè)爐爐膛降溫

工業(yè)爐爐膛內(nèi)部的快速冷卻對(duì)于提升各類金屬板帶熱處理時(shí)的良品率、 工藝水平和整體工業(yè)爐的工作效率都有重要意義， 而目前針對(duì)爐膛內(nèi)部的冷卻多采用自然對(duì)流等低效率的散熱方式， 不能滿足當(dāng)前工業(yè)散熱的需求。

許雷[15]針對(duì)工業(yè)爐爐膛內(nèi)部散熱效率低下的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種新型冷卻裝置，如圖1 所示。

圖1 工業(yè)爐爐膛冷卻裝置示意圖

整套裝置主要由8 個(gè)部分組成， 相比傳統(tǒng)的自然冷卻，主要增加了噴霧裝置和配套的水循環(huán)裝置。換熱金屬板帶在輸送輥的運(yùn)行下進(jìn)入爐體被加熱，吸收熱量后進(jìn)入循環(huán)水池進(jìn)行水冷換熱， 水冷換熱后經(jīng)由轉(zhuǎn)向輥繼續(xù)被傳送至噴霧裝置下方進(jìn)行噴霧冷卻。 兩次冷卻后，金屬板帶已經(jīng)得到充分的換熱，最后再次進(jìn)入爐膛內(nèi)部， 完成工業(yè)爐爐膛內(nèi)部的循環(huán)冷卻。 在該系統(tǒng)中，一方面金屬板帶經(jīng)歷了水冷和噴霧冷卻后可以更高效地帶走爐體內(nèi)的熱量， 另一方面循環(huán)水池內(nèi)的水經(jīng)過(guò)水泵進(jìn)入螺旋彎管， 得到了充分散熱后再由噴嘴噴出，進(jìn)入循環(huán)水池，極大地節(jié)約了水資源。 但隨著工作時(shí)間增加，循環(huán)水池內(nèi)水溫逐漸升高，會(huì)使得冷卻效率有所降低。

沈潤(rùn)良[16]在許雷的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型爐膛冷卻裝置（如圖2 所示），該裝置相對(duì)許雷的設(shè)計(jì)要復(fù)雜，成本更高，但該裝置有以下三個(gè)優(yōu)勢(shì)：①該裝置設(shè)置了冷卻箱，可以很好地儲(chǔ)存冷卻介質(zhì)，解決了循環(huán)水池長(zhǎng)期工作后介質(zhì)溫度升高， 效率下降的問(wèn)題。 ②該裝置使用了六個(gè)陣列噴嘴直接對(duì)爐膛壁面進(jìn)行噴霧冷卻，相比鋼帶間接冷卻的方式效率更高，同時(shí)噴嘴對(duì)稱分布使得壁面冷卻過(guò)程溫度分布更加均勻。 ③通過(guò)蓋板、連接板、墊片等設(shè)置使得整個(gè)裝置的封閉性更好，受外界環(huán)境影響較小。

圖2 工業(yè)爐爐膛冷卻裝置示意圖

2.2 噴霧冷卻用于工業(yè)爐合金熱處理

金屬材料的熱處理通常會(huì)用到加熱爐、 熱處理爐、退火爐等等，熱處理對(duì)金屬合金零件的材料機(jī)械性能有著重要的影響。 以淬火為例，由于淬火階段溫度變化極快， 淬火過(guò)程控制不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致許多零件缺陷，而糾正這些缺陷的成本非常高。 因此，合適的冷卻過(guò)程對(duì)于金屬材料熱處理意義重大。 噴霧淬火主要有以下兩個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：首先，噴霧產(chǎn)生更快的冷卻速度。 其次，噴射淬火在冷卻復(fù)雜形狀零件時(shí)有較大優(yōu)勢(shì)。 在傳統(tǒng)浴淬火中，不同尺寸和形狀的零件一起淬火，較小的零件冷卻速率比較大的零件快，復(fù)雜形狀零件的薄部分冷卻速率比厚部分快得多。 這些限制可能會(huì)引發(fā)零件中的許多缺陷， 包括機(jī)械性能差和熱應(yīng)力不足。 另一方面，噴霧淬火可以通過(guò)提供更快的冷卻速度和更均勻密集的噴霧沖擊零件的厚的、 高熱質(zhì)量的部分， 用輕噴霧沖擊零件的薄部分，從而使零件能夠快速而均勻地冷卻。

黎志明等人[17]對(duì)退火爐冷卻工藝進(jìn)行了相關(guān)研究， 認(rèn)為噴霧冷卻技術(shù)能夠有效提升熱軋不銹鋼連續(xù)退火爐的良品率；李飛[18]為了滿足硅鋼退火工藝要求， 在?；癄t裝置中特別增加了氣霧、 噴淋冷卻段，其中氣霧段換熱效率最高要求也最高，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整噴霧角度、速度和霧滴粒徑大?。秽嚱ㄜ奫19]針對(duì)電渣爐噴霧冷卻技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻技術(shù)能夠有效提升電渣錠冷卻強(qiáng)度和均勻性；CHAKRABORTY 等人[20]對(duì)6 mm 厚的熱不銹鋼板進(jìn)行噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)水流量和噴霧沖擊高度的優(yōu)化可以有效提升冷卻速率和最大熱流密度；霍昌軍等人[21]利用模擬的方式分析了鑄軋帶鋼氣霧冷卻效果， 結(jié)果表明噴霧冷卻能夠有效提高帶鋼換熱效率， 噴射速度對(duì)帶鋼芯部溫度影響最為顯著；宋宏威等人[22]利用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行加氫鍛件的調(diào)質(zhì)， 結(jié)果表明加氫筒節(jié)噴霧淬火冷卻用于鍛件調(diào)質(zhì)是可行的，能夠有效提升鍛件機(jī)械性能，且調(diào)質(zhì)時(shí)高溫出爐到噴霧淬火的時(shí)間越短， 鍛件強(qiáng)度的穩(wěn)定性越好；鄒光明等人[23]利用扇形霧化噴嘴對(duì)鋼板進(jìn)行噴霧冷卻，發(fā)現(xiàn)隨著空氣壓力的增大，高速液滴的個(gè)數(shù)所占的比例越大， 同時(shí)鋼板中心到鋼板邊緣存在明顯的溫度梯度，滯止點(diǎn)處的溫度最低。

以上研究結(jié)果表明工業(yè)爐中合金淬火時(shí)， 冷卻方式對(duì)于金屬材料的機(jī)械性能影響較大， 而噴霧冷卻技術(shù)由于其較高的熱流密度和均勻的散熱效果相比其他淬火方式具有較大優(yōu)勢(shì)， 同時(shí)噴霧淬火兼具成本低，無(wú)污染的特點(diǎn)。

2.3 噴霧冷卻用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口冷卻

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電行業(yè)， 由于其定容屬性，進(jìn)氣入口溫度高低對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)效率影響顯著。 由于高溫入口使得空氣密度降低，進(jìn)而使得壓氣機(jī)質(zhì)量流量下降、壓氣機(jī)壓縮比下降，最終導(dǎo)致整機(jī)效率降低。 目前，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口冷卻可以有效提升機(jī)組性能，常規(guī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)包括吸收式冷卻、冰蓄冷、電制冷、噴霧冷卻等方式。其中，噴霧冷卻技術(shù)由于其成本低廉、易于安裝控制、冷卻效率高等特點(diǎn)成為了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口冷卻的主要方式，如圖3 所示[24]。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口噴霧冷卻示意圖

PINILLA[25]將噴霧冷卻技術(shù)應(yīng)用于汽輪機(jī)組，對(duì)噴霧過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，改變環(huán)境濕度和霧滴直徑，實(shí)現(xiàn)了空氣冷卻器噴霧降溫，提高了汽輪機(jī)組性能；趙文升等人[26]討論了增濕法對(duì)空冷系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為直接空冷汽輪機(jī)組，噴霧增濕提高了機(jī)組性能。

AMERI 等人[27]采用高壓噴霧冷卻系統(tǒng)，在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口產(chǎn)生直徑在10~40 μm 的水滴， 性能測(cè)試結(jié)果表明，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率提高了13%，并且確定了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與噴嘴類型和液滴尺寸密切相關(guān)；宋瀾波等人[28]對(duì)比了進(jìn)氣口噴霧蒸發(fā)式冷卻與其他制冷技術(shù)， 認(rèn)為噴霧冷卻在干燥和炎熱的氣候條件下優(yōu)勢(shì)明顯；BHARGAVA 等人[29]分析了目前對(duì)高壓入口霧化技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論，發(fā)現(xiàn)噴射比低于10%，冷卻效率較高。

基于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口冷卻的工程案例和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明， 進(jìn)氣噴霧冷卻技術(shù)是目前最成熟且高效的冷卻方式，相比其他冷卻方式有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 噴霧冷卻技術(shù)前沿應(yīng)用研究

3.1 噴霧冷卻用于高溫?zé)煔饨禍?/h3>

在工業(yè)生產(chǎn)中， 為了使高溫?zé)煔庥糜诤罄m(xù)生產(chǎn)過(guò)程的熱源或?yàn)榱吮诿娓邷責(zé)煔鈸p壞設(shè)備， 通常需要對(duì)煙氣進(jìn)行降溫處理，使其處于合適的溫度。 噴霧冷卻技術(shù)近年來(lái)成為高溫?zé)煔饨禍氐氖走x， 霧化后的液滴不僅可以迅速汽化帶走煙氣中的熱量， 而且環(huán)保無(wú)污染。

施勇[30]首次在焙燒爐高溫?zé)煔庵胁捎昧藝婌F降溫技術(shù)， 有效地將600 ℃高溫?zé)煔饪刂圃?70~190℃；莊卓楷等人[31]針對(duì)熱電廠鍋爐煙氣噴霧冷卻的可行性研究， 研究發(fā)現(xiàn)霧化液滴粒徑和流量對(duì)于煙氣降溫有較大影響；袁輔平[32]針對(duì)煙氣條件復(fù)雜的連續(xù)爐設(shè)計(jì)了一級(jí)降溫裝置， 通過(guò)加裝霧化噴嘴有效降低了煙氣溫度，保證了布袋除塵器的正常工作。

3.2 噴霧冷卻用于玻璃鋼化

為了提高玻璃的強(qiáng)度和穩(wěn)定性， 玻璃鋼化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用， 常規(guī)的鋼化技術(shù)可分為化學(xué)法和物理法，由于化學(xué)法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低；物理法成本高且無(wú)法適用于3 mm 以下玻璃，有學(xué)者提出了基于風(fēng)冷鋼化改良后的噴霧鋼化法， 相比傳統(tǒng)鋼化方式，噴霧鋼化不僅環(huán)保高效，而且能夠顯著降低成本

劉風(fēng)肖等人[33]利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了噴霧冷卻技術(shù)玻璃鋼化的研究， 分析了噴霧距離和玻璃厚度對(duì)鋼化效果的影響，認(rèn)為鋼化效果隨噴霧距離減小而增強(qiáng)，隨玻璃厚度增加而增強(qiáng)。

4 總結(jié)與展望

噴霧冷卻技術(shù)在近十年的時(shí)間已經(jīng)在工業(yè)爐領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，研究者們針對(duì)噴嘴的排列、噴霧角度、噴射速度、霧化顆粒直徑等眾多參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的探究，在噴霧宏觀層面取得了顯著的成果，在工業(yè)爐爐膛冷卻、工業(yè)爐合金淬火、大型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口冷卻等方面， 噴霧冷卻技術(shù)可以很好的與生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合，得到了深入應(yīng)用。

但在微觀層面， 針對(duì)霧化后液滴蒸發(fā)過(guò)程關(guān)注較少。 霧化過(guò)程有一部分粒徑較大的液滴未蒸發(fā)完全，這些液滴以一定的速度撞擊高溫?zé)岜诿?，由于液滴與換熱表面存在溫度差，液滴吸收換熱面的熱量，增強(qiáng)換熱面的換熱系數(shù)， 其換熱原理是強(qiáng)迫對(duì)流與蒸發(fā)相結(jié)合。 由于液滴撞擊壁面是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程且存在熱質(zhì)交換，因此，對(duì)液滴撞擊壁面的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性的探究有助于深入理解噴霧冷卻機(jī)理、優(yōu)化與控制噴霧冷卻在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。