彈簧旋流霧化噴嘴的設(shè)計(jì)與研究

雍麗英，孫福才，張永標(biāo)(.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，哈爾濱　5008; .哈爾濱濱大閥門制造有限公司)

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彈簧旋流霧化噴嘴的設(shè)計(jì)與研究

雍麗英1，孫福才1，張永標(biāo)2
(1.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，哈爾濱150081; 2.哈爾濱濱大閥門制造有限公司)

摘要:高溫高壓蒸汽在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，而針對不同的生產(chǎn)需求需要通過減溫減壓系統(tǒng)來調(diào)節(jié)蒸汽的溫度和壓力。本文所闡述的彈簧旋流霧化噴嘴是減溫系統(tǒng)中的減溫水噴水霧化元件，通過對彈簧式壓力噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)的固定噴嘴霧化進(jìn)行了比較，表明該噴嘴具有霧化效果好、性能穩(wěn)定、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，而且能有效防止蒸汽管道破裂、避免蒸汽竄入冷凝液系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:霧化噴嘴;減溫減壓;彈簧

近年來隨著煤、石油、天然氣等非可再生資源的銳減，人們越來越意識到能源對人類生存的重要性，在研究開發(fā)新能源的同時(shí)，如何有效地節(jié)約能源成為各國的研究課題。同高壓輸電原理相似，蒸汽在高壓過熱狀態(tài)下輸送能量損耗最小，到了用戶端根據(jù)不同需要，將蒸汽通過減溫減壓系統(tǒng)的處理得到需要的溫度和壓力下的二次蒸汽，可提高能量的使用效率，達(dá)到節(jié)能的目的。另外，當(dāng)高壓的干飽和蒸汽減壓至低壓時(shí)，在下游出口會產(chǎn)生過熱度，這就需要減溫器將過熱的蒸汽降溫至所需的接近飽和的溫度。

減溫器的類型比較多，但噴霧型減溫器使用最廣泛，其減溫過程主要是通過噴嘴向蒸汽噴減溫水來實(shí)現(xiàn)，減溫水的霧化效果決定了減溫裝置的性能、使用壽命和二次蒸汽溫度，而噴嘴的結(jié)構(gòu)是影響減溫水霧化效果的主要因素。在穩(wěn)定工況下，減溫系統(tǒng)的噴嘴一般采用傳統(tǒng)的笛型噴嘴，笛型噴嘴由于通流截面積是固定的，不能隨減溫水的流量和壓力的變化而變化，當(dāng)蒸汽或減溫水工藝參數(shù)變化范圍較大時(shí)，減溫霧化的效果就會變得較差，導(dǎo)致減溫效果降低或不能減溫，而超溫會使有關(guān)零部件過熱，縮短使用壽命，甚至因超溫而發(fā)生嚴(yán)重的停車事故。

隨著工業(yè)生產(chǎn)需求的多樣化，蒸汽的使用工況越來越復(fù)雜，蒸汽工藝參數(shù)變化范圍大的工況也越來越多，傳統(tǒng)的通流截面積固定的噴嘴已不能完全滿足要求。在噴嘴的設(shè)計(jì)中引入彈簧，當(dāng)減溫水的流量或壓力發(fā)生變化時(shí)，利用彈簧力來自動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴的開度達(dá)到改變噴嘴的通流截面積，以使減溫水霧化得更細(xì)更穩(wěn)定。彈簧式壓力噴嘴具有較大的可調(diào)比，可在全行程范圍內(nèi)精確控制蒸汽溫度。同時(shí)，彈簧式壓力噴嘴可在水壓低于管道氣壓時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，起到止回閥的作用，避免發(fā)生蒸汽倒流。

1　彈簧旋流霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝

1.1彈簧壓力噴嘴的原理

在噴嘴的設(shè)計(jì)中引入彈簧，當(dāng)減溫水進(jìn)入減溫器后，噴嘴前后即存在壓差，彈簧在此壓差的作用下伸縮，于是減溫水從環(huán)狀噴霧口噴出，形成極薄的霧化水裙。當(dāng)減溫水流量變化時(shí)，噴嘴前后的壓差也會發(fā)生變化，彈簧的伸縮量會隨之改變，環(huán)狀噴霧口也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，從而使噴嘴噴速保持常數(shù)。

1.2彈簧旋流霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在噴嘴的基體內(nèi)設(shè)計(jì)若干個(gè)成一定傾角的流體通道和具有成型曲面的旋流腔，使減溫水傾斜噴入基體內(nèi)，并形成高速的旋流，有效提高了霧化的效果。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示:

圖1　彈簧旋流霧化噴嘴簡圖

彈簧旋流霧化噴嘴的主要零件是噴嘴體、噴嘴桿、噴嘴彈簧、噴嘴套、內(nèi)六角錐端緊定螺釘，依次為圖2中的序號1至序號5。

1.3彈簧旋流霧化噴嘴的加工工藝

首先，構(gòu)成噴嘴的主要零件都進(jìn)行了精細(xì)加工，噴嘴體、噴嘴桿、噴嘴套都進(jìn)行了磨削加工，特別是噴嘴桿在進(jìn)行磨削加工后又進(jìn)行了超精拋光，使噴嘴桿的耐蝕性能進(jìn)一步加強(qiáng)，降低了噴嘴桿與噴嘴體的磨擦力;其次，閥座與閥體在組裝前進(jìn)行對研，完全避免了內(nèi)漏，消除了閥體被沖刷的可能性;最后，節(jié)流套的內(nèi)表面也都進(jìn)行了滲氮處理，確保運(yùn)動(dòng)部件不相互擦傷。加工后的彈簧噴嘴實(shí)物如圖3所示。

圖2　彈簧旋流霧化噴嘴裝配簡圖

圖3　彈簧噴嘴加工實(shí)物圖

2　噴嘴霧化性能的試驗(yàn)研究

噴嘴霧化性能的實(shí)驗(yàn)是通過冷態(tài)試驗(yàn)來進(jìn)行檢測的，檢測冷態(tài)水在不同流量下，與之相對應(yīng)的壓力、噴嘴噴口處相應(yīng)的霧化程度。試驗(yàn)中首先是對彈簧剛度的測試，其次是對彈簧噴嘴流量的測試和霧化效果的檢驗(yàn)。

2.1彈簧剛度測試

所測噴嘴的面積為1.27cm2，在對其彈簧的剛度進(jìn)行測試時(shí)，分別對彈簧進(jìn)行1mm、2mm、3mm、4mm等不同程度的壓縮，所測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　彈簧剛度測試記錄

在上述實(shí)驗(yàn)中:

(1)彈簧的自由長度是10.37mm，最大壓縮量是4.21mm。

(2)對于上述四組數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值其平均值是2.155Kg/mm。

(3)噴嘴起噴壓力為2bar時(shí)，彈簧預(yù)壓縮量為1.2mm。

2.2彈簧噴嘴流量測試及霧化效果

通過變頻器改變水泵輸入軸旋轉(zhuǎn)速度，從而改變減溫水流量，經(jīng)過多次升壓和降壓過程，測定對應(yīng)的流量值如表2所示:

表2　彈簧噴嘴流量測試記錄

在試驗(yàn)過程中，噴射情況呈現(xiàn)由膜狀到霧狀，其霧化過程如圖4所示。從噴嘴霧化試驗(yàn)的現(xiàn)場目測，噴射狀態(tài)良好，散射角滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　噴水霧化示意圖

3　結(jié)語

彈簧旋流霧化噴嘴的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)取得了預(yù)期的效果，該產(chǎn)品已在哈爾濱濱大閥門制造有限公司投入生產(chǎn)。裝有該噴嘴的減溫器銷往江蘇國信協(xié)聯(lián)燃?xì)鉄犭娪邢薰?、四川廣安電廠、國電莊河電廠等多家企業(yè)，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過實(shí)際應(yīng)用證明該噴嘴具有如下特點(diǎn):

圖5　噴嘴霧化試驗(yàn)照片

(1)噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠，維修方便。彈簧式壓力噴嘴使用壽命長，大修周期內(nèi)一般不需檢修，每個(gè)噴嘴都是獨(dú)立的，檢修、維護(hù)也十分方便。

(2)旋流霧化噴嘴減溫裝置對高溫蒸汽減溫控制精度高，其減溫后出口蒸汽溫度T2的調(diào)節(jié)范圍為T2±4℃。

(3)減溫減壓裝置出口流量Q可滿足較大范圍的變化，即在10% Q－100% Q范圍內(nèi)仍可實(shí)現(xiàn)理想調(diào)節(jié)，滿足不同生產(chǎn)用量的需求。

(4)裝置正常運(yùn)行時(shí)，噪音控制好，即在減溫減壓閥下游一米，噪音音級小于80分貝。

(5)減溫器前置過濾器，避免了噴嘴被雜質(zhì)堵塞，造成關(guān)閉不嚴(yán)。

(6)彈簧式壓力噴嘴可在水壓低于管道氣壓時(shí)關(guān)閉，起到止回閥作用，避免了蒸汽倒流。

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Spring swirl atomizing nozzle design and research

Yong Liying1，Sun Fucai1，Zhang Yongbiao2
(1.Harbin vocational＆technical college Haerbin 150081 China; 2.Harbin Binda Valve Manufacture Co.，Ltd.)

Abstract:High temperature and high pressure steam is widely used in industrial production，and according to different production requirements needed by the temperature and pressure reduction system to regulate the steam pressure and temperature.The spring nozzle described in this paper is to reduce water atomization of water temperature in the system，the structure design and experimental study of spring type pressure nozzle，and compared with the traditional fixed nozzle，the nozzle atomization effect is good，has the advantages of long service life and stable performance，and can effectively prevent the steam from entering to avoid condensate system，steam line break.

KeyWords:Atomizing nozzle; Temperature and pressure reduction; Spring

作者簡介:雍麗英(1969－)，女，教授，研究方向:機(jī)電一體化技術(shù)及節(jié)能技術(shù)。

基金項(xiàng)目:哈爾濱市科學(xué)技術(shù)局科技創(chuàng)新人才優(yōu)秀學(xué)科帶頭人項(xiàng)目(2013RFXXJ060)。

收稿日期:2015－04－22