新型減溫器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

摘 要 為提高減溫器在工作過程中的減溫效果，以文丘里式減溫器為研究對(duì)象，在新型減溫器入口處設(shè)計(jì)一個(gè)螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)能否增強(qiáng)減溫水的霧化效果，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD進(jìn)行仿真模擬分析，利用流體力學(xué)軟件Fluent內(nèi)置的k?ε湍流模型和離散相模型，模擬原始結(jié)構(gòu)減溫器和新型減溫器的內(nèi)部流體狀態(tài)，對(duì)流體的溫度、水蒸氣含量和顆粒直徑分布云圖進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：有螺旋結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部流體氣液混合均勻、減溫水霧化程度高、減溫效果好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 新型減溫器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu) 減溫水 CFD

中圖分類號(hào) TQ050.2" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0092?06

減溫器廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、熱電廠及石油化工等行業(yè)中，是一種將過熱蒸汽轉(zhuǎn)換為飽和蒸汽或低過熱度蒸汽的裝置。主要作用是調(diào)節(jié)控制溫度，避免在生產(chǎn)過程中因出現(xiàn)過熱工況而導(dǎo)致管道設(shè)備損傷甚至爆炸現(xiàn)象[1，2]。

我國(guó)減溫器的研發(fā)和設(shè)計(jì)起步較晚[2]，前期主要通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的減溫裝置進(jìn)行鉆研和探究，吸取成功經(jīng)驗(yàn)，并努力研發(fā)新的技術(shù)，逐步建立了減溫裝置的設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)體系。程穎對(duì)過熱蒸汽飽和器內(nèi)的流動(dòng)和傳熱原理進(jìn)行了分析和研究，設(shè)計(jì)的新型過熱蒸汽飽和器應(yīng)用范圍廣，性能穩(wěn)定[3];張振基等分析了影響減溫器減溫效果的因素，提出了減溫器選型和安裝過程中需要注意的事項(xiàng)，為減溫器設(shè)計(jì)和使用者提供理論依據(jù)[4]。在我國(guó)科研人員不斷探索和鉆研下，國(guó)內(nèi)的減溫器研發(fā)領(lǐng)域也取得了顯著的進(jìn)步。

目前，工業(yè)上使用效果較好的為文丘里式減溫器，有單文丘里式減溫器和雙文丘里式減溫器兩種類型，主要結(jié)構(gòu)都由霧化噴嘴、入口段、文丘里段和出口段組成，文丘里段是一處變截面的管道，由漸縮管、喉管和漸擴(kuò)管3部分構(gòu)成。當(dāng)過熱蒸汽從減溫器入口段流入經(jīng)過喉管處時(shí)，因管道流通面積減小，過熱蒸汽速度增大，高溫的氣體分子動(dòng)能大于低溫的氣體分子動(dòng)能，動(dòng)能大小不同的分子相互碰撞，使熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，故達(dá)到減溫效果。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，減溫器的研制需要緊跟步伐，而傳統(tǒng)減溫器的減溫效果不佳，減溫水從噴嘴噴出后，只有少量霧化的減溫水混入過熱蒸汽中被汽化[5]。筆者設(shè)計(jì)了一種新型減溫器以改善以上的不足。

1 新型減溫器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

新型減溫器以文丘里管結(jié)構(gòu)為主體，主要由霧化噴嘴、螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)、漸縮管、混合管、漸擴(kuò)管、喉管組成[6]。螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)為創(chuàng)新部分，是一種新穎的結(jié)構(gòu)，圖1為新型減溫器結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)

螺旋節(jié)流孔板尺寸標(biāo)注如圖2所示，圖中d=126 mm，d0=86 mm，d1=112 mm，r=198 mm，L=168 mm，單個(gè)節(jié)流孔板的厚度為10 mm，一共由30個(gè)節(jié)流孔板組成，其拼接過程如圖3所示。節(jié)流孔板制造容易，相鄰孔板間均偏移3°，采用焊接的方式進(jìn)行固定，可以按照實(shí)際需求，更改偏移角度或增減孔板數(shù)量。

在減溫器入口段設(shè)置螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)，可以改變流體的流動(dòng)方式，增大與霧化減溫水的接觸面，同時(shí)由伯努利原理（圖4）可知，當(dāng)流體在管道內(nèi)的流通面積A減小時(shí)，流體速度v增大，壓強(qiáng)p減小，因此可以起到降壓增速的作用，有利于減溫水的霧化效果。在設(shè)計(jì)時(shí)每一塊螺旋節(jié)流孔板上都設(shè)置有4個(gè)通孔，通孔的大小可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中流量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證流體的流通量面積，且該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻力大小并不會(huì)影響仿真結(jié)果的合理性。

1.3 工作原理

新型減溫器與原始減溫器最大的不同就是在入口處設(shè)計(jì)了一個(gè)螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)，當(dāng)過熱蒸汽經(jīng)過螺旋節(jié)流板與霧化減溫水相混合時(shí)，主要的工作流程如圖5所示（圖中標(biāo)示的一次霧化位置在噴嘴處，二次霧化位置在喉管處），可分為4個(gè)階段：減溫水通過高壓噴嘴噴出發(fā)生一次霧化，形成直徑較小的霧化小水滴;入口段過熱蒸汽經(jīng)過螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)后，減壓增速并形成螺旋流向，在文丘里段喉管區(qū)域蒸汽速度達(dá)到最大值，由于小水滴表面張力小于高速流動(dòng)蒸汽產(chǎn)生的氣體動(dòng)力，因此會(huì)被進(jìn)一步擊碎形成二次霧化;霧化后的細(xì)小水滴與過熱蒸汽充分滲透混合;水霧蒸發(fā)吸熱降低蒸汽溫度，從而達(dá)到減溫的目的[7～9]。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 計(jì)算流體力學(xué)CFD

CFD的全稱為計(jì)算流體力學(xué)，主要研究流體動(dòng)力學(xué)，CFD軟件利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬求解，對(duì)流體有關(guān)的力學(xué)問題進(jìn)行處理和分析[9，10]。隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域技術(shù)日漸成熟，CFD數(shù)值模擬技術(shù)逐漸占據(jù)主要地位，是研究流體力學(xué)的一種新方法，它可以很好地解決流體的復(fù)雜流動(dòng)，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)研究所需要的材料費(fèi)用和人工操作時(shí)間。

新型螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部流場(chǎng)比較復(fù)雜，很難開展實(shí)驗(yàn)研究，使用CFD軟件能夠減少實(shí)驗(yàn)的成本，并且可以獲取比較準(zhǔn)確的瞬時(shí)數(shù)據(jù)。筆者主要通過CFD軟件Fluent對(duì)使用新型結(jié)構(gòu)減溫器進(jìn)行數(shù)值模擬，確保新型結(jié)構(gòu)的可行性。CFD的具體計(jì)算流程如圖6所示。

2.2 仿真模型的設(shè)置

本次模擬主要探究含有螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，從而驗(yàn)證螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)的可行性。在用Fluent模擬過程中設(shè)置材料屬性時(shí)，由于沒有過熱蒸汽設(shè)置選項(xiàng)，因此采用干燥的熱空氣代替過熱蒸汽，可以達(dá)到相同的模擬效果[11]。連續(xù)相介質(zhì)為干燥的熱空氣，進(jìn)氣壓力為0.22 MPa，溫度為225 ℃;離散相霧化水壓力為0.5 MPa，減溫水溫度為60 ℃。表1是兩種介質(zhì)的物性參數(shù)。

在求解模型之前，需要進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，邊界條件主要指進(jìn)出口邊界條件和壁面條件。本次忽略了流體的重力作用。

入口邊界條件。減溫器入口介質(zhì)為干燥的熱空氣，選擇質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量設(shè)置為4.2 kg/s，湍流強(qiáng)度為5%。湍流粘度比為10。DPM類型為逃逸（escape）。

出口邊界條件。出口為降低溫度的熱空氣，其中混合著霧化水相變成的水蒸氣，出口邊界為壓力出口，靜壓值設(shè)置為0.22 MPa，湍流強(qiáng)度比和湍流粘度比與入口湍流條件設(shè)置一樣。DPM類型設(shè)置為逃逸（escape）。

壁面邊界條件。壁面設(shè)置為無滑移壁面，與外界沒有熱量交換，DPM類型為反射（reflect）。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 溫度分布

不同結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部溫度分布如圖7所示。從圖7a可看出，在原始結(jié)構(gòu)中，隨著霧化水滴的蒸發(fā)吸熱，減溫器中心流域的熱空氣溫度逐漸降低，而靠近壁面區(qū)域的溫度基本保持不變，這種溫度分布不均勻現(xiàn)象是由于熱空氣與霧化減溫水混合不充分所導(dǎo)致的[12]。圖7b為有螺旋結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部溫度分布，螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)的中心是直圓孔，外邊緣是螺旋節(jié)流孔，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，前半段中心溫度低于邊緣溫度，而后半段的溫度與前半段溫度分布趨勢(shì)相反，邊緣溫度低于中心溫度，螺旋節(jié)流起到了作用。從整體上看，有螺旋結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部熱空氣與霧化水滴混合更充分，出口的平均溫度也更低。

為了更好地展示新型減溫器的溫度分布規(guī)律，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的減溫器整體溫度分布（圖8），y1～y6為管道的截面片段，其中y1=0 mm（inlet），y2=680 mm，y3=1100 mm，y4=1650 mm，y5=2100 mm，y6=5686 mm（outlet），由圖8可以看出，有螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)的減溫器減溫效果要優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)減溫器的。

圖9為不同結(jié)構(gòu)減溫器內(nèi)部溫度隨位置變化曲線。從總體上看，兩種結(jié)構(gòu)的減溫器流體溫度均呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，這是由于霧化減溫水蒸發(fā)吸熱，導(dǎo)致各截面處的平均溫度均下降。與原始結(jié)構(gòu)減溫器的流體溫度變化相比，有螺旋結(jié)構(gòu)的減溫器流體溫度變化率快，出口溫度也更低，說明有螺旋結(jié)構(gòu)的減溫器降溫效果更好。

3.2 水蒸氣含量分布

圖10為不同結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部水蒸氣含量分布對(duì)比。圖10a中進(jìn)口為干燥熱空氣，水蒸氣含量最低，在噴嘴處過后，中心區(qū)域的水蒸氣含量明顯上升，最高可達(dá)到0.19%，而管道壁面區(qū)域的水蒸氣含量逐漸降低，說明霧化水滴與熱空氣混合不充分，液滴蒸發(fā)率低。觀察圖10b，水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為0.08%，深藍(lán)色區(qū)域明顯減少，說明水蒸氣含量增多，大部分霧化水滴已經(jīng)蒸發(fā)，減溫器的水蒸氣含量分布和溫度分布是大同小異的，對(duì)于某個(gè)區(qū)域而言，液滴蒸發(fā)率越高，該區(qū)域的水蒸氣含量就越多，相應(yīng)的溫度也越低。

提取各截面的平均水蒸氣含量，繪制如圖11所示水蒸氣含量隨位置變化的曲線。由圖11可以看出，水蒸氣含量的變化趨勢(shì)與溫度變化趨勢(shì)正好相反，整體均呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，有螺旋結(jié)構(gòu)的減溫器內(nèi)部水蒸氣含量增加得更快，出口處水蒸氣含量為0.022 3%，而原始結(jié)構(gòu)的減溫器出口水蒸氣含量為0.018 8%，說明在減溫器內(nèi)使用螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)，水蒸氣含量比原始結(jié)構(gòu)增加的更多，即大多數(shù)霧化的減溫水已經(jīng)蒸發(fā)相變。

3.3 霧化水顆粒直徑

減溫器的霧化效果主要通過顆粒直徑來體現(xiàn)，減溫水的霧化程度越高，霧化水滴的直徑就越小，減溫器的減溫效果也越明顯[13，14]，圖12為不同結(jié)構(gòu)的減溫器顆粒直徑對(duì)比圖。從圖12a可以看出，顆粒軌跡為直線型，管道后半段的顆粒直徑明顯小于前半段，其顆粒直徑主要集中在0.04～0.07 mm，小直徑粒子占比很小，霧化水滴整體的直徑偏大，減溫水霧化效果較差。圖12b中霧化顆粒呈現(xiàn)螺旋流動(dòng)的狀態(tài)，這是由螺旋結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的，減溫器后半段的顆粒直徑主要集中在0.03～0.06 mm，其中還混合著直徑小于0.03 mm的顆粒一起向前螺旋流動(dòng)。與圖12a相比，增加螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)的減溫器，霧化水的顆粒直徑明顯減小，減溫水的霧化效果得到了改善。

圖13為減溫器出口處?kù)F化顆粒直徑分布柱形圖。忽略直方圖上占比極小的顆粒直徑。原始結(jié)構(gòu)減溫器中直徑為0.063 mm的顆粒數(shù)量最多，所占百分比為37%，最大霧化顆粒直徑為0.071 mm，所占百分比為13%。螺旋結(jié)構(gòu)減溫器中直徑為0.052 mm的顆粒數(shù)量最多，所占百分比為52%，最大霧化顆粒直徑為0.058 mm，占比為14%，比原結(jié)構(gòu)的最大顆粒直徑要小0.013 mm。綜上所述，螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)減溫水的霧化效果，減小霧化顆粒的直徑。

4 結(jié)論

4.1 螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以將流體的運(yùn)動(dòng)軌跡改變成螺旋方式，使減溫水和過熱蒸汽混合更加充分。

4.2 新型減溫器出口處溫度更低，分布更均勻，減溫效果也更加明顯。

4.3 新型減溫器與原始結(jié)構(gòu)相比，霧化水顆粒直徑較小，整體上水蒸氣含量也較高，從而進(jìn)一步驗(yàn)證螺旋節(jié)流結(jié)構(gòu)對(duì)提高減溫器的減溫效果有一定作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李書兵，庹保華，喬長(zhǎng)虎，等.飽和蒸汽與過熱蒸汽的性質(zhì)及應(yīng)用[J].燃料與化工，2018，49（1）：59-61.

[2] 徐毅翔，錢錦遠(yuǎn)，陳立龍，等.減溫減壓裝置的過去、現(xiàn)在與未來[J].機(jī)電工程，2021，38（9）：1081-1090.

[3] 程穎.過熱蒸汽飽和器的研究與設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2011.

[4] 張振基，余博，蒲鑒.減溫器的類型與應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2015，51（6）：73-75.

[5] 張木金.噴水減溫器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].設(shè)備管理與維修，2021（1）：74-75.

[6] 王麗，葛震弘.文丘利型蒸汽減溫器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，32（3）：54-56.

[7] 宋潔，鄭倩月.減溫減壓器的機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2021（6）：201-203.

[8] 胡赤兵，陳宇，張育斌.新型文丘里式噴水減溫器的入口型線設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造，2010，48（11）：43-45.

[9] 李廣軍，王彥枝.噴水型減溫減壓器分體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].閥門，2015（4）：7-9.

[10] 劉楠.噴霧干燥耦合流場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2020.

[11] 寧德亮，龐鳳閣，高璞珍.噴水減溫器動(dòng)態(tài)仿真模型的建立及其解法[J].核動(dòng)力工程，2005（3）：280-283.

[12] LIANG H Z，ZHAO B J，HUANG C C，et al.Numerical simulation study on performance optimization of desuperheater[J].Energy Reports，2021，7：2221-2232.

[13] KOUHIKAMALI R，HESAMI H，GHAVAMIAN A.Co? nvective heat transfer in a mixture of cooling water and superheated steam[J].International Journal of Thermal Sciences，2012，60：205-211.

[14] 紀(jì)靜迪.基于Fluent的減溫水噴霧效果分析[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2015，15（9）：333-336.

（收稿日期：2022-04-08，修回日期：2023-01-30）

Structure Design and Simulation Analysis of New Desuperheater

ZHENG Jian1， LIN Yu?juan1， ZHAO Dong1， WEI Xue1， XIA Yong?qiang2

（1. School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University;

2. School of Energy and Power Engineering， Dalian University of Technology）

Abstract" "For purpose of improving the temperature reduction effect of the desuperheater in the working process， a spiral throttle structure was designed at the entrance of the venturi desuperheater. In order to verify this structure’s effect in enhancing the atomization of desuperheating water， employing CFD for simulation analysis was implemented， including having the k?ε turbulence model and discrete phase model built in Fluent used to simulate internal fluid states of different desuperheaters， and having the cloud diagrams of fluid temperature， water vapor content and particle diameter distribution compared and analyzed. The results show that， the fluid gas?liquid mixing is uniform and the desuperheating water’s atomization degree is high together with good temperature reducing effect. This new spiral throttle structure has certain application value.

Key words" " new desuperheater， structural design， spiral throttling structure， desuperheating water， CFD

作者簡(jiǎn)介：鄭?。?996-），碩士研究生，從事流體機(jī)械內(nèi)流的動(dòng)態(tài)測(cè)量與數(shù)值仿真研究。

通訊作者：林玉娟（1964-），教授，從事壓力容器的設(shè)計(jì)與研究等工作，cawa0099@sina.com。

引用本文：鄭健，林玉娟，趙棟，等.新型減溫器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：92-97.