海水淡化噴嘴分布特性的實(shí)驗(yàn)研究

劉秋生 楊慶衛(wèi) 李會(huì)雄 郝陳玉 馮永昌

（1.神華國(guó)華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100025；2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710049）

水平傳熱管外降膜蒸發(fā)在海水淡化、化工、冷凍、石油提煉、食品加工和大型制冷等工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛使用。水平管低溫多效海水淡化裝置的換熱設(shè)備屬于降膜蒸發(fā)器的一種，其中的液體分布裝置最為關(guān)鍵，其分布形式直接影響水平管管外液體的分布和流動(dòng)。液體分布裝置包括噴淋管式分布器、燒結(jié)水平管、底部開(kāi)孔的水箱和噴嘴式分布器。在這些裝置中，噴嘴式分布器主要應(yīng)用在對(duì)液膜穩(wěn)定性要求小的水平管束的裝置中，本文研究的海水淡化噴嘴就是噴嘴式分布器的一種。

在降膜蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器正常工作的條件之一是液體沿?fù)Q熱管均勻分布。所謂均勻分布主要指兩個(gè)方面：其一，液體均勻分布到每根換熱管上；其二，在每根換熱管的整個(gè)圓周方向及長(zhǎng)度方向保持均勻液膜。如何保證水平管束外降膜流動(dòng)液體的均勻分布對(duì)降膜蒸發(fā)器的工作性能影響很大。因此，對(duì)于布液均勻性的研究就顯得非常重要。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)噴嘴的液滴分布特性及應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究。張蒙正等人對(duì)氣液同軸離心式噴嘴的流量及霧化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；周華等人對(duì)高壓細(xì)水霧滅火噴嘴的霧化特性進(jìn)行了理論分析，選擇了某一索太爾平均直徑的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了仿真分析，但沒(méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Gunnar Heskestad對(duì)水霧滅火的特性進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，從理論上分析了渦旋噴嘴索太爾平均直徑的關(guān)聯(lián)式。綜上所述，目前針對(duì)海水淡化噴嘴布液分布特性的實(shí)驗(yàn)研究還比較少。因此，海水淡化噴嘴的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文的目的在于研究?jī)煞N類(lèi)型噴嘴的布液分布特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析獲得這兩種噴嘴的全周向噴淋布液分布特性以及噴淋流量和鹽水濃度對(duì)其布液分布的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

在常溫常壓下對(duì)噴嘴所在的噴淋區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，需要布置足夠大的空間，因此設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其中用到的設(shè)備有噴嘴、水泵、流量計(jì)、水箱、旁路、閥門(mén)、剛性支架、管板、液體收集裝置等。

如圖1所示，工質(zhì)水存儲(chǔ)在水箱中，經(jīng)由水泵打壓通過(guò)流量計(jì)進(jìn)入噴嘴，由噴嘴噴淋而下，順著管束外壁面流下，進(jìn)入收集裝置，多余水由水箱收集槽以及周?chē)膿跛际占剿渲?，形成循環(huán)回路。

實(shí)驗(yàn)中，流量由電磁流量計(jì)顯示讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果由收集裝置讀出?；芈妨髁靠刂朴膳月芬约爸魍飞蟽蓚€(gè)截止閥控制。

為了詳細(xì)準(zhǔn)確地了解噴嘴的布液分布特性，需要測(cè)量噴嘴在全周向布液分布范圍內(nèi)的每一點(diǎn)上的布液量，即需要知道在噴嘴布液分布范圍內(nèi)每一點(diǎn)上的布液量值。在實(shí)驗(yàn)中，要求結(jié)果越精確，則需要布置的測(cè)點(diǎn)就越多、越密集。相應(yīng)的，如果噴嘴布液范圍越大，則實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)越多，給研究以及測(cè)量工作帶來(lái)較大困難。將布液范圍劃分為4個(gè) （扇形區(qū)域）部分進(jìn)行測(cè)量，則可在達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上降低困難。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及相關(guān)尺寸

2 實(shí)驗(yàn)概述

2.1 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

為了得到更為全面的噴嘴噴淋布液特性，在上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的噴嘴有M5型工程噴嘴和國(guó)華萬(wàn)噸項(xiàng)目研制型藍(lán)色噴嘴，如圖2所示。M5 型噴嘴有4 個(gè)，研制型藍(lán)色噴嘴有6個(gè)。為了便于實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前將此10個(gè)噴嘴進(jìn)行了分類(lèi)編號(hào)。4個(gè)M5型噴嘴分別記作：G1、G2、G3、G4；6 個(gè)研制型藍(lán)色噴嘴分別記作：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。

圖2 M5型工程噴嘴和研制型藍(lán)色噴嘴

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，兩種噴嘴均屬于壓力式噴嘴。當(dāng)液體經(jīng)加壓后，順著噴嘴的開(kāi)口方向噴出并呈現(xiàn)固定的形狀，噴霧液滴形成的噴淋液的宏觀形狀不同，取決于噴嘴口加工形狀。兩種噴嘴的噴淋布液都形成實(shí)心圓錐形。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集

每組工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分4次收集，收集裝置的內(nèi)徑為72 mm，其壁厚很薄，可以認(rèn)為內(nèi)外徑相等。實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)好流量，保持流量在某一種工況下穩(wěn)定后，快速撤掉擋板，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。在收集了一定噴淋量之后再反方向快速合上擋板，同時(shí)停止計(jì)時(shí)。

通過(guò)使用電子秤稱(chēng)量，得到每個(gè)收集裝置中液體的重量，結(jié)合每次工況實(shí)驗(yàn)時(shí)工質(zhì)的密度，從而得到每個(gè)收集裝置點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的噴淋量。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理

將得到的上述4個(gè)位置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間的量之后，匯總在一起，形成整個(gè)噴淋分布情況。

再將每個(gè)收集裝置所對(duì)應(yīng)的面積上的流量除以對(duì)應(yīng)工況下的總流量，得到一個(gè)比值。這個(gè)比值的物理意義是每個(gè)收集裝置面積上所對(duì)應(yīng)流量占總流量的比值。這樣每個(gè)收集裝置所得到的流量就轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱量，便于不同噴嘴、不同流量下，相同位置點(diǎn)的比較。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所用的10個(gè)噴嘴，從外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上可以發(fā)現(xiàn)，工程噴嘴和藍(lán)色噴嘴結(jié)構(gòu)不同。所有的工程噴嘴結(jié)構(gòu)是相同的，屬于同一類(lèi)型噴嘴；所有的藍(lán)色噴嘴的結(jié)構(gòu)是相同的，也屬于同一類(lèi)型噴嘴。所以選取不同工況下單噴嘴噴淋布液分布進(jìn)行比較，從而分析這兩種類(lèi)型噴嘴的噴淋特點(diǎn)。

為了了解并加以對(duì)比這兩種類(lèi)型噴嘴的噴淋布液分布特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中一共對(duì)6個(gè)噴嘴做了單噴嘴的噴淋布液分布實(shí)驗(yàn)。

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)，從而得到單噴嘴噴淋布液分布的立體圖和截面圖，然后進(jìn)行比較。截面選取的為噴淋布液區(qū)域正中心的截面，X=900和Y=900 處的截面。圖中數(shù)值是每一個(gè)計(jì)算區(qū)域通過(guò)的噴淋流量占總噴淋流量的比例。

3.1 兩種類(lèi)型噴嘴的噴淋布液分布對(duì)比

M5型噴嘴和研制型藍(lán)色噴嘴從外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上可以看出，兩者外形差別較大，并且內(nèi)部旋流方向相反。為了了解這兩種類(lèi)型噴嘴各自的特點(diǎn)，選取G3噴嘴和Y1噴嘴，分別做了兩種流量下這兩種噴嘴的噴淋布液分布的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

圖3、圖4分別為65L／min流量時(shí)G3噴嘴、Y1噴嘴噴淋布液分布對(duì)比的立體圖和截面圖。其中，X、Y 表示收集裝置的布置，Z 軸表示各個(gè)收集裝置所收集流量占總流量的比值。

從圖3、圖4可以看出，兩者的噴淋布液分布區(qū)域都近似是個(gè)圓形，在這個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)部的流量分布卻有一些差別。在從圖3 的立體圖中可以看出，G3噴嘴的中間區(qū)域比較平緩，且較周邊區(qū)域流量較小。而Y1 噴嘴在圓形區(qū)域接近圓心的區(qū)域，流量較大，形成一個(gè)較大的波峰地帶。同時(shí)，在噴淋布液實(shí)驗(yàn)收集區(qū)域的1，3，4部分圓形區(qū)域的邊緣流量較大，但在2部分，圓形的邊界區(qū)域流量卻較小。在圖4的截面圖中還可以發(fā)現(xiàn)，G3噴嘴與Y1噴嘴的噴淋布液分布區(qū)域并不是重合的，在X=900的截面圖上，可以看出Y1噴嘴噴淋區(qū)域更偏右一些，但Y=900的截面上差別較小。這是由于雖然在噴淋布液實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)工況時(shí)噴嘴的安裝位置都是相同的，但是由于這兩個(gè)類(lèi)型噴嘴所噴出的工質(zhì)的旋流方向是相反的，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也存在一定的誤差，這也就導(dǎo)致了噴嘴噴淋布液區(qū)域的差距?？偟膩?lái)說(shuō)，在噴淋分布立體圖和截面圖上兩種類(lèi)型噴嘴有一些差異，但從噴淋分布區(qū)域每個(gè)點(diǎn)占總流量比值的角度上來(lái)看，兩種類(lèi)型噴嘴噴淋分布相差不大，即每個(gè)點(diǎn)的分布都接近相同的平均值，單從海水淡化的角度考慮，可以認(rèn)為兩者的效果接近一致。

圖3 G3噴嘴與Y1噴嘴在65L／min流量時(shí)的噴淋布液分布立體圖對(duì)比

圖4 G3噴嘴與Y1噴嘴在65L／min流量時(shí)的噴淋布液分布截面圖對(duì)比

圖5、圖6分別為84L／min流量時(shí)G3噴嘴、Y1噴嘴噴淋布液分布對(duì)比的立體圖和截面圖。

從圖5和圖6可以看出，在84L／min流量時(shí)G3 噴嘴和Y1 噴嘴的噴淋布液分布規(guī)律和在65L／min流量時(shí)的噴淋布液分布規(guī)律趨勢(shì)是一致的，所不同的就是，84L／min 流量時(shí)G3 噴嘴和Y1噴嘴的噴淋布液區(qū)域都較65L／min流量時(shí)的噴 淋布液區(qū)域要大，同時(shí)其對(duì)應(yīng)的值也較低。

圖5 G3噴嘴與Y1噴嘴在84L／min流量時(shí)的噴淋布液分布立體圖對(duì)比

圖6 G3噴嘴與Y1噴嘴在84L／min流量時(shí)的噴淋布液分布截面圖對(duì)比

3.2 流量對(duì)兩種類(lèi)型噴嘴噴淋布液分布特性的影響

噴淋流量是影響噴嘴噴淋布液分布的一個(gè)主要因素之一，所以分別選取G3噴嘴和Y1噴嘴，對(duì)其在不同流量下做噴淋布液分布實(shí)驗(yàn)，從而研究不同流量對(duì)這兩種類(lèi)型噴嘴的噴淋布液分布特性的影響。

圖7和圖8分別為G3噴嘴在65L／min和84 L／min流量時(shí)的噴淋布液分布立體圖和截面圖。

圖7 G3噴嘴在65L／min 與84L／min流量時(shí)的噴淋布液分布立體圖對(duì)比

圖8 G3噴嘴在65L／min 與84L／min流量時(shí)的噴淋布液分布截面圖對(duì)比

從圖7的立體圖上可以看出，G3噴嘴65L／min和G3噴嘴84L／min在噴淋布液分布規(guī)律上基本相同，同樣是在噴淋布液的圓形區(qū)域內(nèi)部，流量比較平坦，且較邊緣的流量較小。在靠近X=700，Y=700的地方發(fā)生了一個(gè)小的尖銳的突起。但可以發(fā)現(xiàn)，G3噴嘴65L／min的噴淋布液分布的圓形區(qū)域較G3噴嘴84L／min的噴淋布液分布區(qū)域小，這點(diǎn)在圖7的立體圖上也可以看出來(lái)。同時(shí)，從圖8的截面圖上可以看出來(lái)，G3噴嘴84L／min的數(shù)值小于G3噴嘴65L／min的數(shù)值，這是由于兩者的數(shù)值表示的都是占噴嘴流量的比例量，當(dāng)噴淋區(qū)域較大的時(shí)候，其數(shù)值就相對(duì)變小。

圖9 Y1噴嘴在65L／min、84L／min、105L／min流量時(shí)的噴淋布液分布立體圖對(duì)比

圖10 Y1噴嘴在65L／min、84L／min、105L／min流量時(shí)的噴淋布液分布截面圖對(duì)比

圖9、圖10 分別為Y1 噴嘴在65 L／min、84L／min、105L／min流量時(shí)的噴淋布液分布對(duì)比的立體圖和截面圖。

從圖9 的立體圖中可以看出來(lái)Y1 噴嘴在65L／min、84L／min、105L／min三種流量下，噴淋布液分布的規(guī)律是一致的。但是隨著噴淋流量的增大，其噴淋布液的區(qū)域面積也越來(lái)越大。從圖10的截面圖上可以更清楚地看到這一規(guī)律，105L／min流量時(shí)的噴淋面積最大，其數(shù)值也最??；而65L／min流量時(shí)的情況則相反。

3.3 鹽水濃度對(duì)噴嘴的噴淋布液分布特性的影響

由于實(shí)際生產(chǎn)中所用工質(zhì)為鹽水，所以研究了鹽水濃度對(duì)噴淋布液分布特性的影響。選取Y4噴嘴分別做了淡水和鹽水實(shí)驗(yàn)，鹽水的濃度分別為36g／L和72g／L。圖11、圖12分別為Y4噴嘴在84L／min 流量下，在工質(zhì)分別為淡水及濃度為36g／L和72g／L 鹽水時(shí)的噴淋布液分布對(duì)比的立體圖和截面圖。

圖11 Y4噴嘴淡水、鹽水36g／L濃度、鹽水72g／L濃度在84L／min流量下的立體圖對(duì)比

圖12 Y4噴嘴淡水、鹽水36g／L濃度、鹽水72g／L濃度在84L／min流量下的截面圖對(duì)比

從圖11、圖12中可以看出，當(dāng)工質(zhì)為不同濃度的鹽水時(shí)，其噴淋布液特性與工質(zhì)為淡水時(shí)的噴淋布液分布特性基本一致，鹽水濃度對(duì)其影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以低溫多效海水淡化中使用的M5型工程噴嘴和研制型藍(lán)色噴嘴為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究了這兩種類(lèi)型噴嘴的噴淋布液分布規(guī)律，以及噴淋流量和鹽水濃度對(duì)其布液分布特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）通過(guò)對(duì)比單噴嘴噴淋布液分布規(guī)律可以得知，研制型藍(lán)色噴嘴和M5型工程噴嘴在分布區(qū)域同一位置點(diǎn)的分布量上有一些差別，但在分布面積和分布平均值上非常接近，兩者的噴淋布液效果基本一致。

（2）單噴嘴的噴淋布液規(guī)律趨勢(shì)并不隨噴淋流量的增大而發(fā)生大的變化，只是隨噴淋流量的增大，對(duì)應(yīng)的噴淋布液區(qū)域變大。

（3）噴嘴的噴淋布液分布規(guī)律并不因?yàn)楣べ|(zhì)變?yōu)辂}水以及鹽水的濃度改變而發(fā)生趨勢(shì)上的變化，只是在量值上有部分波動(dòng)。

［1］ Jafar F，Thorpe G，Turan O F.Liquid film falling on horizontal circular cylinders ［C］ .Australia：16th Australasian fluid mechanics conference，2007

［2］ Roques J F，Dupont V，Thome J R.Falling film transitions on plain and enhanced tubes［J］.Heat transfer，2002 （3）

［3］ 李廣軍，王新軍，向宇等.燃油噴嘴氣液兩相流霧化特性實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.熱能動(dòng)力工程，1999 （3）

［4］ 李兆東，王世和，王小明.濕法煙氣脫硫旋流噴嘴霧化特性研究 ［J］.熱能動(dòng)力工程，2006 （1）

［5］ 陳斌，郭烈錦，張西民等.噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2001 （3）

［6］ 張征，樊未軍，楊茂林.雙路離心式噴嘴霧化特性研究 ［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2003 （1）

［7］ Lefebver A H.Atomization and sprays［M］.New York：Hemisphere Publishing Corporation，1989

［8］ 張蒙正，李鰲，李進(jìn)賢等.氣／液同軸離心式噴嘴流量及霧化特性實(shí)驗(yàn) ［J］.推進(jìn)技術(shù)，2004 （1）

［9］ 周華，范明豪，楊華勇.移動(dòng)式高壓直接霧化細(xì)水霧滅火系統(tǒng) ［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2003 （6）

［10］ Gunnar H.Scaling the interaction of water sprays and flames［J］.Fire Safety Journal，2002 （37）