空軍研究院工程設(shè)計(jì)研究所 羅繼杰 訾冬毅 張 騰 劉美歐 黃金強(qiáng)

1 水力空化供熱設(shè)備

1.1 空化現(xiàn)象概述

空化是水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的一種獨(dú)特物理現(xiàn)象，對于一定液體，在一定溫度下，由于壓力降低在其內(nèi)部汽化或形成氣相的過程叫做空化[1-3]?？栈谝后w中形成的空洞稱為“空穴”，球形空穴常被稱為“空泡”[4]。從單個(gè)空泡角度來分析，空化分初生—發(fā)育—潰滅3個(gè)階段。在空泡潰滅過程中會(huì)伴隨高速微射流和強(qiáng)大沖擊波，表現(xiàn)為空化機(jī)械效應(yīng)；同時(shí)隨著空泡內(nèi)氣體被壓縮，熱力學(xué)能增加，溫度上升，表現(xiàn)為空化熱效應(yīng)；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(jìn)一步反應(yīng)形成·HO2和H2O2等，表現(xiàn)為強(qiáng)氧化性的空化化學(xué)效應(yīng)。以上3種效應(yīng)統(tǒng)稱為空化效應(yīng)[5]。

1.2 空化供熱國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

空化研究可追溯到18世紀(jì)中葉，瑞士著名的數(shù)學(xué)家Leonhard Euler從理論上分析了液體內(nèi)空化發(fā)生的可能性。直到19世紀(jì)末，人們才從船舶螺旋槳的破壞現(xiàn)象中首次切實(shí)地觀察到空化的存在和其帶來的嚴(yán)重危害[6-7]。自此，空化及空化效應(yīng)、空蝕問題就成為水力機(jī)械、水利水電、水工建筑物及水下運(yùn)動(dòng)體等研究方向十分關(guān)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(chǎn)生的不利影響及消除辦法，空化現(xiàn)象第一次得到正面應(yīng)用是在軍事領(lǐng)域，20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)利用空化技術(shù)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(jì)初，國外科研人員開始關(guān)注空化效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理并從理論計(jì)算和試驗(yàn)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(yè)宣稱已開發(fā)出高效空化供熱產(chǎn)品，但關(guān)于該技術(shù)的學(xué)術(shù)研究鮮有公開報(bào)道。

我國于上個(gè)世紀(jì)50年代開始對空化技術(shù)進(jìn)行研究探討，但在近年出版的《液體空化技術(shù)應(yīng)用》一書中仍未涉及空化供熱方面[5]，故此項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)尚屬初創(chuàng)階段，具有較大的發(fā)展空間。

1.3 水力空化供熱設(shè)備工作原理

空化有多種實(shí)現(xiàn)方式，其中水力空化是最簡單、最易實(shí)現(xiàn)、能效相對較高、易自動(dòng)化操作、可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)且與供熱系統(tǒng)中流體循環(huán)特性相契合的一種實(shí)現(xiàn)方式，尤為適用于供熱系統(tǒng)。

本文所述供熱設(shè)備空化發(fā)生的核心單元為文丘里管結(jié)構(gòu)，主體主要分為上、下兩部分，依次為動(dòng)力部分和空化部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中動(dòng)力裝置為永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)，通過在供回水管上引出旁通并流經(jīng)電動(dòng)機(jī)外周實(shí)現(xiàn)水冷式散熱，兼顧了能源利用的高效性和設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。渦流腔內(nèi)渦輪為載熱流體提供動(dòng)能，可將其強(qiáng)力泵入焊接有空化發(fā)生裝置的空化腔內(nèi)，在文丘里管結(jié)構(gòu)擴(kuò)張段產(chǎn)生的低壓作用下引發(fā)空化效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)對液體加熱、加壓及水質(zhì)凈化的效果。另外在出液管上開有回流管連接至渦流腔內(nèi)，從而將未充分發(fā)生空化的液體再次泵入空化發(fā)生裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)二次空化，同時(shí)可通過調(diào)整調(diào)節(jié)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(shè)備實(shí)質(zhì)為電供熱，能源轉(zhuǎn)換路徑為電能—機(jī)械能—熱能。與傳統(tǒng)電熱水鍋爐相比，該空化供熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)了一機(jī)對能源的多維利用，大大簡化了常規(guī)供熱系統(tǒng)，提高了能源利用效率。

圖1 水力空化供熱設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及平臺搭建

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

保溫水箱整體設(shè)計(jì)高度為1.9 m，有效盛水高度為1.7 m，內(nèi)部直徑為1.2 m，實(shí)際容積為1 922.7 L，采用全保溫設(shè)計(jì)，內(nèi)外膽之間充注聚氨酯發(fā)泡保溫材料。另外試驗(yàn)過程中，設(shè)備及供回水管皆采取了保溫措施，以減小環(huán)境對計(jì)算結(jié)果的影響。

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及測點(diǎn)布置

根據(jù)GB/T 10820—2011《生活鍋爐熱效率及熱工試驗(yàn)方法》[10]有關(guān)規(guī)定，生活電鍋爐熱效率及熱工試驗(yàn)需測試鍋爐輸入熱量和實(shí)際供熱量，故本試驗(yàn)系統(tǒng)布置了水箱水溫測點(diǎn)(傳感器吊置于水箱中心，計(jì)算設(shè)備實(shí)際供熱量)、耗電量測點(diǎn)(計(jì)算設(shè)備輸入熱量)，為獲得更加完整全面的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上又測試了該供熱設(shè)備的供回水溫度、循環(huán)水流量、供水壓力、環(huán)境溫度及系統(tǒng)水質(zhì)。

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(diǎn)前后間隔約2 cm處同時(shí)布置了2個(gè)溫度傳感器，試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖3所示。綜合考慮試驗(yàn)精度、可行性及經(jīng)濟(jì)性，本試驗(yàn)所采用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其參數(shù)如表1所示。在實(shí)際應(yīng)用過程中，流量計(jì)精度并未達(dá)標(biāo)，但水箱容積一定，可通過水箱水溫升精確計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)設(shè)備輸出熱量，故此誤差對后續(xù)計(jì)算無影響。本試驗(yàn)實(shí)際進(jìn)行時(shí)間為2019年11月25日13:20—15:30，地點(diǎn)為北京某實(shí)驗(yàn)中心。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

表1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備儀器參數(shù)

3 試驗(yàn)測試結(jié)果及分析

3.1 誤差分析

本試驗(yàn)認(rèn)為1個(gè)溫度測點(diǎn)上2個(gè)熱電偶所測溫度的平均值為該點(diǎn)管內(nèi)液體的真實(shí)溫度(忽略管壁熱傳導(dǎo)影響)，由此可計(jì)算得出每個(gè)熱電偶所測溫度數(shù)據(jù)與真實(shí)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(diǎn)熱電偶所測溫度數(shù)據(jù)與各自平均值的差值，可看出每個(gè)測點(diǎn)的2個(gè)熱電偶誤差線均呈上下分布，且?guī)缀鯚o黏連。從數(shù)值情況看，各熱電偶測量誤差集中在±0.40 ℃之間，各測點(diǎn)溫度分布在20.25～60.73 ℃，由此可計(jì)算出本試驗(yàn)溫度測點(diǎn)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(shù)據(jù)可信度較高。

3.2 系統(tǒng)熱響應(yīng)情況分析

圖5顯示了該空化供熱設(shè)備供回水溫度隨時(shí)間的變化趨勢，試驗(yàn)開始前供回水溫度分別為20.25、22.38 ℃，因設(shè)備開始測試前進(jìn)行了試運(yùn)行，同時(shí)水箱保溫性能較好，水箱內(nèi)水溫高于環(huán)境溫度，另外設(shè)備回水管和水箱直接連通，存在相互熱傳遞現(xiàn)象，但供水管進(jìn)水箱口高于水箱水面，并不與水箱內(nèi)水連通，故隨著設(shè)備向環(huán)境散熱，供水管溫度總體低于回水管溫度。隨著試驗(yàn)的進(jìn)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(shí)間逐漸趨于平緩，停機(jī)時(shí)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(yàn)初期水箱內(nèi)水溫不均勻，溫度傳感器布點(diǎn)不能真實(shí)代表水箱平均水溫，故根據(jù)試驗(yàn)后期實(shí)測數(shù)據(jù)對前200 s數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合修正，最優(yōu)模型為指數(shù)函數(shù)，擬合收斂達(dá)到10-9的容差值，擬合方程為

式中t為水箱水溫；τ為試驗(yàn)時(shí)間。

圖5 空化供熱設(shè)備供回水溫度隨時(shí)間變化趨勢

圖6 水箱水溫隨時(shí)間變化趨勢

該曲線與時(shí)間τ=0軸的交點(diǎn)為(0，24.88)，即水箱初始水溫為24.88 ℃。根據(jù)試驗(yàn)安排，水箱水溫達(dá)60 ℃時(shí)停機(jī)，實(shí)際停機(jī)溫度在60.58 ℃，該過程共耗時(shí)7 700 s，約2 h 8 min。

3.3 瞬時(shí)熱效率分析計(jì)算

為準(zhǔn)確獲得該空化供熱設(shè)備的實(shí)時(shí)工作參數(shù)，以得出其最佳工作狀態(tài)，對實(shí)時(shí)熱效率ηi進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)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(tǒng)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(yàn)過程系統(tǒng)熱損失影響因素較多且非穩(wěn)態(tài)，再者考慮熱源在實(shí)際使用中必定存在一定量的熱損失，故不將系統(tǒng)對外熱損失計(jì)入本次計(jì)算過程。

有效輸出功率等于供熱設(shè)備單位時(shí)間對系統(tǒng)內(nèi)水的加熱量，即

(3)

式中Qef為系統(tǒng)內(nèi)水熱能增量，kJ；Δτ為加熱時(shí)間，s；c為水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·℃)；m為試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)水的質(zhì)量，kg，根據(jù)供回水管徑、長度、設(shè)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(jìn)而可計(jì)算出m；Δt′為Δτ時(shí)段內(nèi)水箱的水溫升高值，℃。

由式(3)可計(jì)算出某時(shí)間段內(nèi)設(shè)備的平均熱效率，由此代表該時(shí)間段內(nèi)所有時(shí)刻的瞬時(shí)熱功率。當(dāng)所取計(jì)算時(shí)間足夠短時(shí)，即可準(zhǔn)確得到任意時(shí)刻的瞬時(shí)熱功率，對時(shí)間取微元，可得

(4)

對式(1)求導(dǎo)數(shù)，可得

(5)

該導(dǎo)數(shù)方程為指數(shù)函數(shù)，因變量dt/dτ與自變量τ負(fù)相關(guān)，隨著τ的增大無限趨向于0，說明水箱溫升隨著試驗(yàn)進(jìn)行不斷減小，且在未來無限遠(yuǎn)處趨向于絕對穩(wěn)定。

平均約5 min記錄一次總輸入功率，其包括了除溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備外試驗(yàn)系統(tǒng)所有用電器(空化供熱設(shè)備電動(dòng)機(jī)、變頻器)的用電功率，變化趨勢如圖7所示。由圖可知，瞬時(shí)輸入功率隨試驗(yàn)進(jìn)行逐漸降低且趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)克服系統(tǒng)負(fù)載阻力做功最大，即電動(dòng)機(jī)有功功率最大，由此計(jì)算的功率因數(shù)和瞬時(shí)功率也最大，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)負(fù)載越輕，功率因數(shù)和瞬時(shí)功率也越小。由于數(shù)據(jù)采集有一定的時(shí)間間隔，可能存在部分隨機(jī)誤差，對該實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合修正，最優(yōu)模型為指數(shù)函數(shù)，擬合收斂達(dá)到0.01的容差值，擬合方程為

(6)

圖7 不同時(shí)刻瞬時(shí)輸入功率及其擬合曲線

將式(4)～(6)代入式(2)中，計(jì)算得出試驗(yàn)過程中不同時(shí)刻空化供熱設(shè)備的瞬時(shí)熱效率，如圖8所示。

圖8 不同時(shí)刻空化供熱設(shè)備的瞬時(shí)熱效率

從圖8可以明顯看出，本試驗(yàn)所用空化供熱設(shè)備的瞬時(shí)熱效率隨試驗(yàn)進(jìn)行逐漸下降，曲線總體呈拋物線型，越接近試驗(yàn)后期，斜率越陡。整個(gè)試驗(yàn)過程，熱效率最高值為99.99%，出現(xiàn)在設(shè)備啟動(dòng)初始時(shí)刻；最低值為95.30%，出現(xiàn)在關(guān)機(jī)時(shí)刻。該空化供熱設(shè)備熱效率前后降低了4.69%，主要原因有二：一為隨著系統(tǒng)水溫升高，設(shè)備、管路及水箱向環(huán)境的散熱量變大；二為空化發(fā)生段產(chǎn)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(dǎo)，從而導(dǎo)致熱效率降低。

通過以上分析得出，該空化供熱設(shè)備的熱效率隨著系統(tǒng)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(jì)算

從溫升過程計(jì)算得出的瞬時(shí)熱效率僅代表某一時(shí)刻空化供熱設(shè)備的運(yùn)行情況，影響因素眾多，其中任一因素發(fā)生變化，都會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)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(dòng)范圍，另一方面需將其變化對結(jié)果造成的影響降至最小。以下計(jì)算方法從宏觀角度出發(fā)，綜合考慮各影響因素，對中間過程存有一定容錯(cuò)率，結(jié)果較為精確。綜合熱效率ηc計(jì)算過程如下：

(7)

式中Qou為空化泵總產(chǎn)出熱能，kJ，由水箱內(nèi)水的得熱量Qef和系統(tǒng)對外散熱量Qlo組成；Qin為試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)電源總輸入能量，kJ。

同上，此處不計(jì)入系統(tǒng)對外散熱量。

Qef=m(h1-h2)

(8)

式中h1、h2分別為系統(tǒng)內(nèi)水的初、末比焓，kJ/kg。

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

3.5 供回水壓力分析

試驗(yàn)過程中該空化供熱設(shè)備的供水壓力較為穩(wěn)定，基本維持在0.190 MPa，回水壓力由水箱水面高度計(jì)算得出，為0.017 MPa，供回水壓差為0.173 MPa。揚(yáng)程H可通過下式計(jì)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(shí)測系統(tǒng)流量為38 m3/h，設(shè)備供/回水管管徑為DN70/DN80；Δz為供回水壓力測點(diǎn)高差，m，為0。

由此可計(jì)算得出其在試驗(yàn)流量下的揚(yáng)程H=17.69 m。

3.6 系統(tǒng)水質(zhì)分析

將發(fā)生空化后的水樣委托第三方進(jìn)行水質(zhì)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(shù)據(jù)可以看出，空化后水的硬度和鈣鎂離子含量皆低于空化前?？栈笏畼拥暮舜殴舱耦l譜檢測結(jié)果顯示：其半峰寬值為54.82 Hz，為標(biāo)準(zhǔn)的小分子團(tuán)水，此為空化機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的高速微射流和強(qiáng)大沖擊波作用的結(jié)果，該過程同時(shí)可打散水中成垢物質(zhì)。

表2 空化前后水的硬度及鈣鎂離子含量 mg/L

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

4 結(jié)論

1) 該空化供熱設(shè)備的熱效率隨著系統(tǒng)水溫的升高而下降，且呈加速降低趨勢。

2) 本次試驗(yàn)測試中該空化供熱設(shè)備綜合熱效率達(dá)96.99%。

3) 該空化供熱設(shè)備可同時(shí)提供0.173 MPa的資用壓力以滿足供熱水系統(tǒng)循環(huán)。

4) 空化后系統(tǒng)水質(zhì)變優(yōu)，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(tǒng)的防結(jié)垢性能，大大簡化供熱系統(tǒng)。

以上結(jié)論基于有限試驗(yàn)條件得出，是對空化熱效應(yīng)在供暖領(lǐng)域應(yīng)用的初步探索。隨著研究工作的深入，后續(xù)還將對結(jié)論作進(jìn)一步更新和補(bǔ)充。