噴水減溫器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張木金

（廣東省東莞市東糖生物技術(shù)有限公司，廣東東莞 523243）

1 噴水減溫器存在的問(wèn)題

噴水減溫器，是指過(guò)熱蒸汽管道中安裝的一段裝有螺旋式混流板和冷卻水噴嘴的管道，其原理是：用水泵對(duì)冷卻水加壓，使冷卻水通過(guò)噴嘴噴入過(guò)熱蒸汽中，從過(guò)熱蒸汽中吸收熱量化作蒸汽，過(guò)熱蒸汽則因放熱而使溫度由原來(lái)的高溫點(diǎn)下降到某個(gè)低溫點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)減溫的目的。噴水減溫器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)溫幅度大（可達(dá)50～65 ℃），調(diào)節(jié)溫度靈敏，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，不僅廣泛應(yīng)用于印染、紡織、食品、醫(yī)藥和普通電站等工業(yè)生產(chǎn)中，還被應(yīng)用于核電站、核動(dòng)力艦船中。

最初的噴水減溫器是“文丘里式噴水減溫器”。為克服該型噴水減溫器存在的諸多缺陷，工程技術(shù)人員又開(kāi)發(fā)出了其他類型的噴水減溫器，如旋流式、離心式和笛管式等。2011 年5 月18 日，美國(guó)加利福尼亞的“控制元器件公司”向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提出了一項(xiàng)名為“減溫器噴嘴”的發(fā)明專利申請(qǐng)（申請(qǐng)?zhí)?00880129897.0），該新型噴水減溫器克服了美國(guó)另外3 項(xiàng)噴水減溫器專利技術(shù)存在的缺陷。上述各種類型的噴水減溫器，重點(diǎn)均為改進(jìn)冷卻水噴嘴的結(jié)構(gòu)，目的在于提高冷卻水的霧化率，進(jìn)而提高減溫效率和節(jié)能、節(jié)水，以及提高過(guò)熱蒸汽管道的使用壽命。

這些改進(jìn)型的噴水減溫器都存在兩個(gè)共同的缺陷：①冷卻水從噴嘴噴出后，只有少量霧化了的冷卻水混入過(guò)熱蒸汽中被汽化，如1992 年第3 期《電站輔機(jī)》刊登的一篇題為“霧化噴嘴減溫器的研究”的文章中，披露了一種離心式噴嘴冷卻水汽化率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如噴嘴出水口的直徑為3 mm，當(dāng)冷卻水壓力達(dá)到2.0 MPa 時(shí)，實(shí)際噴水量為10.4 kg/min，實(shí)際疏水量為7.2 kg/min，汽化率只有30.8%；②大量沒(méi)有霧化的冷卻水則以較高的噴射速度穿過(guò)過(guò)熱蒸汽流，落在蒸汽管道的內(nèi)壁上，給蒸汽管道造成危害，如1996 年第6 期《吉林電力》刊登的一篇題為“再熱蒸汽噴水減溫器噴嘴改進(jìn)”的文章中，介紹了一種笛管式噴嘴噴射出的冷卻水給蒸汽管道造成損傷的案例。

2 原因分析

無(wú)論如何改進(jìn)冷卻水噴嘴的結(jié)構(gòu)，從噴嘴噴出的冷卻水，都只能沿著蒸汽管道的橫向或縱向，混入蒸汽管道內(nèi)的過(guò)熱蒸汽中，如前述美國(guó)專利申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)的“減溫器噴嘴”，冷卻水是沿著蒸汽管道的橫向噴入過(guò)熱蒸汽中的；如“霧化噴嘴減溫器的研究”使用的離心式噴嘴和“再熱蒸汽噴水減溫器噴嘴改進(jìn)”使用的笛管式噴嘴，冷卻水是沿著蒸汽管道的縱向或過(guò)熱蒸汽的流向噴入過(guò)熱蒸汽中的。冷卻水泵提供的壓力，使冷卻水帶壓由噴嘴的出水孔噴射而出，離開(kāi)噴嘴的冷卻水在突然失壓膨脹的情況下，會(huì)有一部分形成水霧（即霧化），適當(dāng)?shù)馗淖儑娮斐鏊椎膸缀涡螤?，雖然能夠適當(dāng)提高冷卻水的霧化率，但卻不能從根本上改變冷卻水霧化率低的問(wèn)題。所以，大部分未被霧化的冷卻水形成無(wú)數(shù)條水線，以較高的噴射速度混入蒸汽流中，在冷卻水自身的重力作用下，迅速沉降在蒸汽管道內(nèi)壁上，再經(jīng)疏水系統(tǒng)排出蒸汽管道。因此，難以有效實(shí)現(xiàn)“提高冷卻水霧化率，進(jìn)而提高減溫器效率，有利于節(jié)能、節(jié)水和提高蒸汽管道的使用壽命”的目的。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)上述噴水減溫器存在的技術(shù)缺陷，以“再熱蒸汽噴水減溫器噴嘴改進(jìn)”一文中使用的笛管式噴嘴為基礎(chǔ)，從以下4 個(gè)方面提出噴水減溫器噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)措施。

3.1 減少噴嘴出水口的數(shù)量

相比于美國(guó)專利申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)的“減溫器噴嘴”，以及“霧化噴嘴減溫器的研究”一文介紹的旋流式噴嘴和離心式噴嘴，“再熱蒸汽噴水減溫器噴嘴改進(jìn)”一文中介紹的笛管式噴嘴，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本低廉。但是，若噴嘴出水孔過(guò)多時(shí)，則會(huì)極大地影響冷卻水的霧化率和汽化率。由于過(guò)熱蒸汽管道的直徑通常約為350～500 mm，根據(jù)蒸汽流量等參數(shù)，將笛管式噴嘴出水孔的數(shù)量定為1～3 個(gè)，孔徑為1～4 mm。當(dāng)1 個(gè)噴嘴的總出水量不能滿足使用要求時(shí)，可再增加1 個(gè)或數(shù)個(gè)噴嘴（圖1）。

圖1 噴水減溫器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2 增加改變冷卻水噴射的幾何形狀套管

當(dāng)噴嘴出水孔為圓孔時(shí)，冷卻水噴射的幾何形狀呈圓錐形，不利于冷卻水的汽化。因此，在噴嘴上加裝1 個(gè)帶有特殊形狀開(kāi)口的套管，該套管上的特殊形狀開(kāi)口數(shù)量及位置，與笛管式噴嘴的出水孔的數(shù)量及位置相對(duì)應(yīng)，在通過(guò)笛管式噴嘴出水孔中心的軸向剖面上，該套管上的特殊形狀開(kāi)口的剖面形狀為“＜”形。該套管上的特殊形狀開(kāi)口使得冷卻水噴射的幾何形狀呈扇形，減少了冷卻水的厚度，增大了冷卻水與過(guò)熱蒸汽的接觸面積，有利于提高冷卻水的汽化率（圖2）。

3.3 增加霧化柵

在加裝了帶有特殊形狀開(kāi)口套管的噴嘴前面，加裝1 個(gè)用圓管制作的霧化柵，霧化柵的數(shù)量及位置，與笛管式噴嘴的出水孔的數(shù)量及位置相對(duì)應(yīng)，柵條的寬度約10～20 mm，柵條與笛管式噴嘴的出水孔的距離約30～50 mm。配置霧化柵后，帶壓冷卻水呈扇形噴射而出，撞在霧化柵上，大部分的冷卻水會(huì)被激成極易吸熱汽化的水霧，阻止冷卻水直接噴入過(guò)熱蒸汽中。

3.4 增加蒸發(fā)疏水導(dǎo)管

在制作霧化柵的圓管底端，用1 個(gè)彎頭裝接1 條與蒸汽管道軸線平行的圓管作蒸發(fā)管，蒸發(fā)管的另一端安裝1 個(gè)變徑接頭和1 個(gè)等徑彎頭，等徑彎頭的另一端接1 條圓管穿過(guò)蒸汽管道的管壁。蒸發(fā)管長(zhǎng)約2000 mm，上部開(kāi)1 個(gè)長(zhǎng)約1900 mm 的開(kāi)口，并在上半部管壁上均布一些與管的內(nèi)壁連通的小孔，以承接霧化柵處未能霧化的冷卻水，使之在蒸發(fā)管內(nèi)繼續(xù)吸熱汽化，避免落在蒸汽管道的內(nèi)壁上。當(dāng)蒸發(fā)管內(nèi)的冷卻水過(guò)多時(shí)，通過(guò)疏水管流出蒸汽管道。

圖2 噴嘴出水孔D

圖3 蒸發(fā)疏水導(dǎo)管

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，冷卻水不再是從噴嘴直接噴入過(guò)熱蒸汽管道中，而是在霧化柵處連續(xù)形成并保持一個(gè)冷卻水霧化團(tuán)，冷卻水以霧化的狀態(tài)被流動(dòng)的過(guò)熱蒸汽帶走并迅速吸熱汽化，少量沒(méi)有霧化的較大的冷卻水滴，則落入蒸發(fā)管中繼續(xù)吸熱蒸發(fā)汽化，而不會(huì)落到過(guò)蒸汽管道的內(nèi)壁上。因此，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴水減溫器，能夠有效地實(shí)現(xiàn)“提高冷卻水霧化率，進(jìn)而提高減溫器效率，有利于節(jié)能、節(jié)水和提高蒸汽管道使用壽命”的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

此霧化柵的設(shè)計(jì)，源于水流經(jīng)過(guò)大落差瀑布沖擊在石頭上，激起水霧這種自然現(xiàn)象的啟發(fā)。