噴射式凝汽器噴嘴成膜特性實(shí)驗(yàn)研究

宮傳瑤,何 瑞,李夔寧,蔣 鋒,盧昌燊,丁玉棟,謝 翌

(1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng) 618000;2.重慶大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院; b.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,重慶 400030)

0 引言

薄膜式噴嘴是噴射式凝汽器的重要組成部分,直接決定了噴射式凝汽器內(nèi)液相流場(chǎng)及流量的分布,從而對(duì)噴射式凝汽器內(nèi)水-蒸汽直接接觸凝結(jié)換熱過(guò)程產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。眾多學(xué)者對(duì)水-蒸汽直接接觸換熱進(jìn)行了廣泛的研究。20世紀(jì)60年代,Taylor[1]的研究結(jié)果表明,射流周圍的氣體密度是射流破碎的主要因素,當(dāng)We數(shù)足夠大時(shí),射流就會(huì)破碎成液滴。Weinberg[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)及理論分析,研究了噴淋換熱過(guò)程中液膜區(qū)及液滴區(qū)的換熱情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液膜換熱溫升占整體溫升的比例高達(dá)80%,液膜區(qū)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液滴區(qū)的換熱系數(shù)。Solodov A P[3]對(duì)水-蒸汽直接接觸凝結(jié)換熱過(guò)程進(jìn)行了可視化研究,給出了凝結(jié)傳熱模型。Lee[4]提出了描述錐狀液膜噴射到飽和蒸汽中的凝結(jié)換熱模型,并分別對(duì)液滴區(qū)與液膜區(qū)進(jìn)行了理論分析,對(duì)實(shí)際物理過(guò)程做了大量簡(jiǎn)化,主要考慮了液膜流動(dòng)為層流的情形。Mayinger F[5]利用激光全息技術(shù),測(cè)量了蒸汽環(huán)境中液膜的破碎過(guò)程,研究了液滴雷諾數(shù)100≤Re≤3500且蒸汽壓力0.03≤pr≤0.3的情形下液膜形態(tài)與蒸汽壓力的關(guān)系。Takahashi M[6]等采用尺寸很小的熱電偶,精確測(cè)量了純蒸汽環(huán)境中錐狀液膜與液滴的溫度分布,進(jìn)一步驗(yàn)證了Lee[4]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Takahashi M[6]分別對(duì)液滴區(qū)與液膜區(qū)建立數(shù)學(xué)模型并計(jì)算了液滴區(qū)及液膜區(qū)的傳熱系數(shù),由于考慮了液膜內(nèi)的湍動(dòng)與液滴的混合,Takahashi M[6]的模型比Lee[4]的模型更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。薄膜式噴嘴成膜特性是影響水-蒸汽直接接觸凝結(jié)換熱的關(guān)鍵因素。目前對(duì)于薄膜式噴嘴的研究主要集中在水力特性上,對(duì)薄膜式噴嘴成膜特性的研究明顯不足。

為了提高噴射式凝汽器凝結(jié)換熱效果,需要對(duì)薄膜式噴嘴的成膜特性進(jìn)行詳細(xì)研究,包括液膜長(zhǎng)度、液膜寬度、液膜面積等反映成膜特性的參數(shù)。本研究針對(duì)薄膜式噴嘴搭建成膜特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),獲得其成膜形態(tài)、流量分布等噴嘴成膜特性參數(shù),研究不同噴射壓力下(3 kPa～25 kPa)薄膜式噴嘴的性能,為噴嘴選型、噴射式凝汽器結(jié)構(gòu)布置提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,主要由噴射系統(tǒng)、攝像機(jī)和供水系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)通過(guò)攝像機(jī)來(lái)觀察并拍攝液膜的形成與破碎過(guò)程,并借此測(cè)量壓力與液膜破碎長(zhǎng)度的關(guān)系。供水系統(tǒng)中的介質(zhì)為自來(lái)水,經(jīng)由潛水泵進(jìn)入管路,經(jīng)噴嘴噴出。流量計(jì)和壓力表可測(cè)量液膜形成與破碎過(guò)程中的流量與壓力變化。水室(壓力容器)可使泵的輸出壓力更加平穩(wěn),減小誤差,使實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件更貼合電廠實(shí)際。圖2為裝置實(shí)物圖,實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

圖1 裝置示意圖

圖2 裝置實(shí)物圖

圖3為噴嘴的模型。水從噴嘴的兩個(gè)進(jìn)口流入,撞擊在兩側(cè)的布膜板上形成液膜。噴嘴進(jìn)口直徑為D,DN15與DN13噴嘴直徑分別為15 mm、13 mm,噴嘴寬度B為115 mm,高度H為80 mm,長(zhǎng)度L為135 mm。圖4為兩類噴嘴的實(shí)物圖。

圖3 DN15噴嘴模型

圖4 DN15噴嘴實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟如下:

將水箱裝滿水,保證潛水泵完全浸沒(méi)水中。

將支路閥門全閉,主路閥門開(kāi)度調(diào)到較小值,打開(kāi)泵開(kāi)關(guān),等待一段時(shí)間,使水平管道內(nèi)充滿水。

調(diào)節(jié)兩個(gè)閥門開(kāi)度,使得全壓接近某個(gè)待測(cè)工況點(diǎn)。

讀取并記錄流量計(jì)與壓力表數(shù)值(3組),拍攝水膜狀態(tài)。

重復(fù)步驟2～5,測(cè)量下一個(gè)工況點(diǎn)(直到所有工況點(diǎn)都完成測(cè)量)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束,關(guān)閉泵的開(kāi)關(guān),排空管內(nèi)清水。

使用Photoshop、imageJ對(duì)視頻進(jìn)行處理,獲得不同工況下膜的長(zhǎng)度(水平方向上的最大距離)與面積。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)每次測(cè)試時(shí)記錄的3個(gè)壓力與流量值分別取平均數(shù),該工況點(diǎn)的壓力值與流量值及液膜長(zhǎng)度與面積等信息的提取需通過(guò)圖像處理軟件完成。拍攝的視頻通過(guò)Photoshop轉(zhuǎn)換成視頻幀,在合適的時(shí)間域里從中隨機(jī)選取6個(gè)不同時(shí)刻的照片,導(dǎo)出為圖片。用imageJ對(duì)圖片進(jìn)行處理,選擇合適的標(biāo)尺長(zhǎng)度,讀出液膜的長(zhǎng)度、寬度及面積,對(duì)每個(gè)工況的圖片數(shù)據(jù)取平均,求標(biāo)準(zhǔn)差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

DN13與DN15噴嘴的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果分別列于表2、表3中。計(jì)算了液膜寬度、長(zhǎng)度及面積的標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 DN13噴嘴的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

表3 DN15噴嘴的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)液膜鋪展形態(tài)如圖5、圖6所示。隨著入口壓力的增加,液膜面積與液膜噴長(zhǎng)度及寬度總體呈上升趨勢(shì)。噴嘴出口主要有3種不同水的形態(tài),緊靠噴嘴出口的液膜區(qū)、遠(yuǎn)離噴嘴出口的液滴區(qū)及兩個(gè)區(qū)域之間交替出現(xiàn)液膜及液滴區(qū)域。

圖5 不同全壓下DN13噴嘴液膜的鋪展形態(tài)

圖6 不同全壓下DN15噴嘴液膜的鋪展形態(tài)

液膜尺寸的提取如圖7所示,長(zhǎng)度定義為噴嘴出口到液膜破碎處的最大距離,液膜寬度方向與液膜長(zhǎng)度方向垂直,同樣取最大液膜寬度。

圖7 液膜尺寸提取示意圖

薄膜式噴嘴的流量—全壓特性曲線如圖8所示,DN13噴嘴入口壓力從2.38 kPa增大到19.79 kPa時(shí),噴嘴流量從0.25 kg/s增大到0.77 kg/s。DN15噴嘴入口壓力從2.97 kPa增大到21.12 kPa時(shí),噴嘴流量從0.37 kg/s增大到0.98 kg/s。

圖8 流量—全壓特性曲線

圖9反映了液膜尺寸隨入口壓力的變化情況,發(fā)現(xiàn)DN13與DN15噴嘴的液膜尺寸有著相似的變化規(guī)律。在噴嘴入口壓力增長(zhǎng)初期,由于水的流速較低,空氣擾動(dòng)作用不明顯,因此液膜與液滴的分界較為明顯,此時(shí)水的形態(tài)主要分為液膜區(qū)及液滴區(qū),液膜的長(zhǎng)度與寬度隨著入口壓力的增長(zhǎng)有著較大的增幅。

圖9 不同全壓下的液膜尺寸

隨著入口壓力的進(jìn)一步增加,液膜流動(dòng)速度隨之增加,而空氣與液膜的相對(duì)速度也隨之增大,使得液膜受到的擾動(dòng)及剪切作用增強(qiáng),這促進(jìn)了液膜表面擾動(dòng)波(不穩(wěn)定波)的發(fā)展,當(dāng)表面擾動(dòng)波增長(zhǎng)到一定程度時(shí),液膜破裂成液滴,水的湍流度也逐漸增強(qiáng),此時(shí)液膜區(qū)與液滴區(qū)的分界變得模糊,空間上出現(xiàn)了液膜與液滴交替出現(xiàn)的區(qū)域。

當(dāng)入口壓力達(dá)到一定程度時(shí),液膜表面擾動(dòng)波的破碎作用與表面張力的穩(wěn)定作用相當(dāng),液膜長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定。當(dāng)繼續(xù)增大入口壓力時(shí),擾動(dòng)波發(fā)展更快,液膜長(zhǎng)度會(huì)在一定程度上減小。比較參考文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本研究測(cè)得的液膜長(zhǎng)度是相對(duì)準(zhǔn)確的。由于液膜在破碎過(guò)程中液膜撕裂的位置不確定,使得液膜長(zhǎng)度測(cè)量存在一定的不確定性,但整體趨勢(shì)不變。

液膜寬度的變化規(guī)律與液膜長(zhǎng)度的變化規(guī)律比較類似,當(dāng)入口壓力增大到7.5 kPa后,液膜寬度增長(zhǎng)幅度變緩。

圖10為實(shí)驗(yàn)中液膜面積隨進(jìn)口壓力變化的趨勢(shì)。DN13與DN15噴嘴射流液膜面積的變化趨勢(shì)與液膜寬度的變化趨勢(shì)較為類似,當(dāng)入口壓力增大到7.5 kPa左右時(shí),液膜面積趨于穩(wěn)定。

圖10 液膜面積隨入口壓力的變化

3 結(jié)論

搭建了噴嘴噴射成膜特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),在不考慮蒸汽流動(dòng)的情況下,分析了DN13與DN15兩種噴嘴的成膜特性隨進(jìn)口壓力的變化規(guī)律,通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論:

1)液膜長(zhǎng)度隨入口壓力的增加呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì),液膜寬度也隨入口壓力增加而增加,但增加速度逐漸放緩,液膜面積呈現(xiàn)先升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì),拐點(diǎn)在7.5 kPa左右。

2)噴嘴出口處主要存在3種不同水的形態(tài),即緊靠噴嘴出口的液膜區(qū)、遠(yuǎn)離噴嘴出口的液滴區(qū)及二者之間液膜與液滴交替出現(xiàn)的區(qū)域。

這些結(jié)論可為噴嘴選型、設(shè)計(jì)噴嘴入口壓力、優(yōu)化噴射式凝汽器結(jié)構(gòu)布置提供參考。