蒸汽減溫器減溫模型探討

（實(shí)華（天津）石油化工工程有限公司，天津300384）

蒸汽減溫器是廣泛應(yīng)用在電力、石化、冶金、造紙等工業(yè)領(lǐng)域調(diào)節(jié)溫度的裝置，應(yīng)用在節(jié)能環(huán)保方面則直接參與“變廢為寶”過(guò)程。其減溫工作原理為通過(guò)噴入適當(dāng)?shù)睦鋮s水，來(lái)降低過(guò)熱蒸汽的溫度，以滿足生產(chǎn)所需。由于減溫器涉及氣、液兩種流體，為典型的兩相流，而且發(fā)生復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)交換。之前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)建立的減溫模型多利用FLUNT等工程軟件結(jié)合連續(xù)、動(dòng)量、能量守恒進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真，但其過(guò)程不光繁瑣、注意事項(xiàng)較多，在工程設(shè)計(jì)方面仍有較大誤差，而且其模擬的是大量液滴的運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)的是平均意義上的概念，[1]這樣容易忽略掉一些至關(guān)重要的臨界控制量。下面我們進(jìn)行探討。

圖1 減溫器實(shí)樣

圖2 減溫器示意圖

1 建模目的

建立減溫模型是想要求得我們想要的物理量，從而達(dá)到為工程設(shè)計(jì)服務(wù)的目的。

首先，完全蒸發(fā)時(shí)間。測(cè)溫器件的安裝點(diǎn)以往多采用經(jīng)驗(yàn)方式，取管道直徑的倍數(shù)來(lái)確定安裝距離。而通過(guò)測(cè)算出水滴完全蒸發(fā)的時(shí)間，乘以蒸汽速度得到目的結(jié)果，這是方法上的進(jìn)步[2]。

其次，相關(guān)的邊界值和限定條件。如怎樣的設(shè)計(jì)、怎么樣的物理量才能保障減溫水不滴落到管壁上或者減溫器內(nèi)不產(chǎn)生積液。若非在啟動(dòng)、噴水閥泄露、溫度控制系統(tǒng)不能正常工作等不正常工況下，減溫器測(cè)溫點(diǎn)后不允許存在液態(tài)形式的水。又如怎樣的限定條件，能縮短液滴蒸發(fā)時(shí)間。

最后，利用模型，分析條件，對(duì)減溫系統(tǒng)的關(guān)鍵元件做到正確的選型。

2 模型假定條件

A 近似認(rèn)為蒸汽是連續(xù)相，管道中噴射出的霧化液滴為分散相。

B 假定減溫水滴均勻覆蓋整個(gè)管徑。實(shí)際工程設(shè)計(jì)上，要求減溫水滴距離管壁有一定的間隙，以防在蒸汽喘流和水滴自身重力作用下，會(huì)沖落到管壁上。

C 整個(gè)減溫系統(tǒng)對(duì)外界絕熱；忽略沿程阻力。

D 假定出口蒸汽溫度為當(dāng)前壓力下的飽和溫度。實(shí)際生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)中出口蒸汽溫度一般略高于飽和溫度幾攝氏度，以防水滴冷凝析出。且二者之間的物性相差較小，故近似認(rèn)為出口蒸汽溫度為飽和溫度。

E 由于工程上的需要，在多個(gè)噴頭存在的情況下，水滴噴射重疊區(qū)域也假定顆粒與顆粒之間不存在碰撞、合并等情形。

F 減溫器內(nèi)過(guò)熱蒸汽只沿軸向運(yùn)動(dòng)，各個(gè)進(jìn)出口界面上氣體的物性參數(shù)分布均勻。

3 建立減溫模型

3.1 減溫過(guò)程描述

過(guò)熱蒸汽進(jìn)入到管道內(nèi)，當(dāng)遇到減溫水時(shí)：（1）蒸汽損失熱量用以加熱液體，直至達(dá)到飽和溫度；（2）液體獲得熱量，先達(dá)到其沸點(diǎn)，隨著吸收更多的熱量，產(chǎn)生相變過(guò)程，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)整體上過(guò)熱蒸汽減溫的目的（圖1，2）。

3.2 研究手段

兩相流的研究是從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的。后來(lái)由于計(jì)算方法和計(jì)算手段的發(fā)展，才進(jìn)入解析研究。但是直到目前，許多問(wèn)題仍通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)解決[3]。

將減溫水作為考察對(duì)象，把整個(gè)減溫過(guò)程考慮成減溫水受蒸汽影響的過(guò)程。把減溫水從液態(tài)到氣態(tài)轉(zhuǎn)化的整個(gè)過(guò)程劃分為一級(jí)霧化、二級(jí)霧化和蒸發(fā)三個(gè)階段。把減溫總體劃分為三個(gè)相互聯(lián)系的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)部分，這樣的目的是為了更具體更直觀的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?，化繁為?jiǎn)，從而抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。

3.3 建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

3.3.1 一級(jí)霧化

此過(guò)程是單純的物理過(guò)程，減溫水通過(guò)噴嘴被破碎為霧狀水珠。實(shí)驗(yàn)證明霧狀水珠直徑的上限為250μm[4]，否則在重力場(chǎng)作用下，容易碰撞到管壁上，造成管道積水，甚至于管壁的破壞。

圖3 固定噴嘴

圖4 可變面積噴嘴

目前較多使用的噴嘴形式有固定噴嘴和可變面積噴嘴兩種形式（圖3，4）。噴嘴是減溫器的重要元件。

下面引入噴嘴調(diào)節(jié)比的概念，即最大噴水量與最小噴水量之比，固定噴嘴一般為3左右，而可變面積噴嘴能達(dá)20以上，尤其在一些熱回收裝置中，需要的調(diào)節(jié)比較高，可變面積噴嘴能較好的滿足條件。

3.3.2 二級(jí)霧化

此過(guò)程是霧化水滴再次破碎的過(guò)程。經(jīng)過(guò)一級(jí)霧化后的霧化水滴從噴嘴噴出后，被速度在20～80m/s之間（不在此區(qū)間的蒸汽速度，需另外探討）的過(guò)熱蒸汽沖擊，霧化水滴有明顯的破碎現(xiàn)象。

兩相流的實(shí)驗(yàn)?zāi)；?，要求保證單值性和?；瘻?zhǔn)則相同和相等，其條件與準(zhǔn)則數(shù)有很多，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定韋伯?dāng)?shù)來(lái)表示，為慣性力與表面張力的關(guān)系。

d為水滴直徑；ρ為蒸汽密度；σ為霧化微粒的表面張力；υ為蒸汽和霧化微粒的相對(duì)速度；We為韋伯?dāng)?shù)

實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)We＞12時(shí)，過(guò)熱蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力就足夠破壞霧化微粒的表面，霧化微粒進(jìn)一步被打碎，直至其 We＜12。[5]

同樣，我們分析圖3和圖4所示的兩種噴嘴的二級(jí)霧化效果，因?yàn)榭勺兠娣e噴嘴有更高的相對(duì)速度（其垂直噴入蒸汽中），會(huì)有更高的韋伯?dāng)?shù)，進(jìn)而會(huì)破碎的更完全。二次霧化的直接效果是產(chǎn)生直徑更小的微粒，為下一步做好基礎(chǔ)。

3.3.3 蒸發(fā)

此過(guò)程是經(jīng)過(guò)二次霧化后小液滴的沸騰和蒸發(fā)。小液滴和過(guò)熱蒸汽均變成飽和溫度下的蒸汽。

水滴的蒸發(fā)分為兩步：首先：水滴在過(guò)熱蒸汽環(huán)境中被加熱到沸點(diǎn)；其次，達(dá)到沸點(diǎn)的液滴，在過(guò)熱環(huán)境中發(fā)生相變，從液態(tài)轉(zhuǎn)化到氣態(tài)。

經(jīng)過(guò)水滴在蒸發(fā)階段的實(shí)驗(yàn)，我們得到圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。小尺寸水滴最先蒸發(fā)引起過(guò)熱蒸汽溫度的降低，而大尺寸的水滴由于更長(zhǎng)的時(shí)間蒸發(fā)，因此蒸發(fā)率降低。從經(jīng)典的傳熱速率方程：Q=KS△T可知[6]，在總傳熱系數(shù) 以及溫度差△T相等的條件下，熱通量同霧化微粒的受熱面積成正比。相同的質(zhì)量下，較小的霧化微粒擁有更大的傳熱面積，會(huì)蒸發(fā)的越快。

為了實(shí)現(xiàn)液態(tài)水更好的蒸發(fā)，也為了實(shí)現(xiàn)減溫溫度得到更精確的控制，減溫水的溫度一般不宜過(guò)冷。如以某公司減溫器實(shí)例：蒸汽進(jìn)出口壓力為1.1MPa,進(jìn)口溫度450℃，出口溫度260℃，所用的減溫水其壓力為5.1 MPa,溫度為104℃。減溫水溫也不能過(guò)高，否則的話，容易在噴嘴內(nèi)形成閃蒸。溫度較高的減溫水量欲達(dá)到理想的減溫效果，耗用量自然會(huì)增加，但減溫水體積占蒸汽體積的比值，根據(jù)不同的裝置會(huì)有進(jìn)一步的限制，工程技術(shù)人員在多年實(shí)踐中也總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。此問(wèn)題以及減溫水

圖5 不同水滴尺寸蒸發(fā)時(shí)間

4 模型評(píng)價(jià)

國(guó)外某廠家通過(guò)數(shù)百套正在正常工作的減溫裝置可證明，利用此模型指導(dǎo)實(shí)踐充分有效[2]。

5 結(jié)論

本文采用分割階段獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的方法，獲得了減溫器一些重要物理量的實(shí)際數(shù)值或限定條件，實(shí)現(xiàn)了減溫器部分元件的選型，相關(guān)數(shù)據(jù)為減溫器的工程設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

[1]侯志鵬.減溫減壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院輪機(jī)工程,2009.

[2]Peter Borzsony,李雪鳳.優(yōu)化旁路系統(tǒng)的性能和可靠性以確保熱電廠的安全生產(chǎn)[C],2012年熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能降耗新技術(shù)研討會(huì).武漢:中國(guó)能源學(xué)會(huì)，2012:4-P6.

[3]魯鐘琪.氣液兩相流和沸騰傳熱 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:36-P38.

[4]Sanjay V Sherikar,Peter Borzsony.Tight specs,good engineering,quality manufacture ensure reliable control of steam temperature[J].COMBINED CYCLE JOURNAL,First Quarter 2005:25-28.

[5]Sanjay V Sherikar,Peter Borzsony.Designing HRSG desuperheaters to performance and reliability[J].POWER,March 2006:2-4.

[6]夏青,陳常貴.化工原理[M].天津:天津大學(xué)出版社,2005:235.