海水淡化噴嘴分布特性的實驗研究

劉秋生 楊慶衛(wèi) 李會雄 郝陳玉 馮永昌

（1.神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100025；2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，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備屬于降膜蒸發(fā)器的一種，其中的液體分布裝置最為關鍵，其分布形式直接影響水平管管外液體的分布和流動。液體分布裝置包括噴淋管式分布器、燒結水平管、底部開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用在對液膜穩(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換熱管均勻分布。所謂均勻分布主要指兩個方面：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圓周方向及長度方向保持均勻液膜。如何保證水平管束外降膜流動液體的均勻分布對降膜蒸發(fā)器的工作性能影響很大。因此，對于布液均勻性的研究就顯得非常重要。近年來許多學者對噴嘴的液滴分布特性及應用進行了相關的研究。張蒙正等人對氣液同軸離心式噴嘴的流量及霧化特性進行了實驗研究；周華等人對高壓細水霧滅火噴嘴的霧化特性進行了理論分析，選擇了某一索太爾平均直徑的經驗公式進行了仿真分析，但沒有實驗驗證。Gunnar Heskestad對水霧滅火的特性進行了理論及實驗研究，從理論上分析了渦旋噴嘴索太爾平均直徑的關聯(lián)式。綜上所述，目前針對海水淡化噴嘴布液分布特性的實驗研究還比較少。因此，海水淡化噴嘴的實驗測試和分析具有較強的現(xiàn)實意義。

本文的目的在于研究兩種類型噴嘴的布液分布特性，通過實驗測試及數(shù)據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其布液分布的影響。

1 實驗裝置

在常溫常壓下對噴嘴所在的噴淋區(qū)域進行實驗測量，需要布置足夠大的空間，因此設計了如圖1所示的實驗臺，其中用到的設備有噴嘴、水泵、流量計、水箱、旁路、閥門、剛性支架、管板、液體收集裝置等。

如圖1所示，工質水存儲在水箱中，經由水泵打壓通過流量計進入噴嘴，由噴嘴噴淋而下，順著管束外壁面流下，進入收集裝置，多余水由水箱收集槽以及周圍的擋水布收集到水箱中，形成循環(huán)回路。

實驗中，流量由電磁流量計顯示讀數(shù)，實驗測點的測量結果由收集裝置讀出?；芈妨髁靠刂朴膳月芬约爸魍飞蟽蓚€截止閥控制。

為了詳細準確地了解噴嘴的布液分布特性，需要測量噴嘴在全周向布液分布范圍內的每一點上的布液量，即需要知道在噴嘴布液分布范圍內每一點上的布液量值。在實驗中，要求結果越精確，則需要布置的測點就越多、越密集。相應的，如果噴嘴布液范圍越大，則實驗測點越多，給研究以及測量工作帶來較大困難。將布液范圍劃分為4個 （扇形區(qū)域）部分進行測量，則可在達到實驗目的的基礎上降低困難。

圖1 實驗臺實驗系統(tǒng)及相關尺寸

2 實驗概述

2.1 實驗前期準備

為了得到更為全面的噴嘴噴淋布液特性，在上述實驗臺上進行了實驗。實驗所用的噴嘴有M5型工程噴嘴和國華萬噸項目研制型藍色噴嘴，如圖2所示。M5 型噴嘴有4 個，研制型藍色噴嘴有6個。為了便于實驗，在實驗前將此10個噴嘴進行了分類編號。4個M5型噴嘴分別記作：G1、G2、G3、G4；6 個研制型藍色噴嘴分別記作：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。

圖2 M5型工程噴嘴和研制型藍色噴嘴

根據結構分析，兩種噴嘴均屬于壓力式噴嘴。當液體經加壓后，順著噴嘴的開口方向噴出并呈現(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心圓錐形。

2.2 實驗數(shù)據的收集

每組工況的實驗數(shù)據分4次收集，收集裝置的內徑為72 mm，其壁厚很薄，可以認為內外徑相等。實驗時調好流量，保持流量在某一種工況下穩(wěn)定后，快速撤掉擋板，同時開始計時。在收集了一定噴淋量之后再反方向快速合上擋板，同時停止計時。

通過使用電子秤稱量，得到每個收集裝置中液體的重量，結合每次工況實驗時工質的密度，從而得到每個收集裝置點對應位置的噴淋量。

2.3 實驗數(shù)據的整理

將得到的上述4個位置的數(shù)據轉化為單位時間的量之后，匯總在一起，形成整個噴淋分布情況。

再將每個收集裝置所對應的面積上的流量除以對應工況下的總流量，得到一個比值。這個比值的物理意義是每個收集裝置面積上所對應流量占總流量的比值。這樣每個收集裝置所得到的流量就轉化為無量綱量，便于不同噴嘴、不同流量下，相同位置點的比較。

3 實驗結果及數(shù)據分析

實驗所用的10個噴嘴，從外觀及內部結構上可以發(fā)現(xiàn)，工程噴嘴和藍色噴嘴結構不同。所有的工程噴嘴結構是相同的，屬于同一類型噴嘴；所有的藍色噴嘴的結構是相同的，也屬于同一類型噴嘴。所以選取不同工況下單噴嘴噴淋布液分布進行比較，從而分析這兩種類型噴嘴的噴淋特點。

為了了解并加以對比這兩種類型噴嘴的噴淋布液分布特點，實驗中一共對6個噴嘴做了單噴嘴的噴淋布液分布實驗。

利用實驗數(shù)據，結合計算機繪圖技術，從而得到單噴嘴噴淋布液分布的立體圖和截面圖，然后進行比較。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)值是每一個計算區(qū)域通過的噴淋流量占總噴淋流量的比例。

3.1 兩種類型噴嘴的噴淋布液分布對比

M5型噴嘴和研制型藍色噴嘴從外形及內部結構上可以看出，兩者外形差別較大，并且內部旋流方向相反。為了了解這兩種類型噴嘴各自的特點，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照實驗。

圖3、圖4分別為65L／min流量時G3噴嘴、Y1噴嘴噴淋布液分布對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)域都近似是個圓形，在這個圓形區(qū)域內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，形成一個較大的波峰地帶。同時，在噴淋布液實驗收集區(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驗時，每個工況時噴嘴的安裝位置都是相同的，但是由于這兩個類型噴嘴所噴出的工質的旋流方向是相反的，同時實驗過程中也存在一定的誤差，這也就導致了噴嘴噴淋布液區(qū)域的差距。總的來說，在噴淋分布立體圖和截面圖上兩種類型噴嘴有一些差異，但從噴淋分布區(qū)域每個點占總流量比值的角度上來看，兩種類型噴嘴噴淋分布相差不大，即每個點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流量時的噴淋布液分布立體圖對比

圖4 G3噴嘴與Y1噴嘴在65L／min流量時的噴淋布液分布截面圖對比

圖5、圖6分別為84L／min流量時G3噴嘴、Y1噴嘴噴淋布液分布對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G3 噴嘴和Y1 噴嘴的噴淋布液分布規(guī)律和在65L／min流量時的噴淋布液分布規(guī)律趨勢是一致的，所不同的就是，84L／min 流量時G3 噴嘴和Y1噴嘴的噴淋布液區(qū)域都較65L／min流量時的噴 淋布液區(qū)域要大，同時其對應的值也較低。

圖5 G3噴嘴與Y1噴嘴在84L／min流量時的噴淋布液分布立體圖對比

圖6 G3噴嘴與Y1噴嘴在84L／min流量時的噴淋布液分布截面圖對比

3.2 流量對兩種類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主要因素之一，所以分別選取G3噴嘴和Y1噴嘴，對其在不同流量下做噴淋布液分布實驗，從而研究不同流量對這兩種類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流量時的噴淋布液分布立體圖對比

圖8 G3噴嘴在65L／min 與84L／min流量時的噴淋布液分布截面圖對比

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，這點在圖7的立體圖上也可以看出來。同時，從圖8的截面圖上可以看出來，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，當噴淋區(qū)域較大的時候，其數(shù)值就相對變小。

圖9 Y1噴嘴在65L／min、84L／min、105L／min流量時的噴淋布液分布立體圖對比

圖10 Y1噴嘴在65L／min、84L／min、105L／min流量時的噴淋布液分布截面圖對比

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

從圖9 的立體圖中可以看出來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流量時的噴淋面積最大，其數(shù)值也最?。欢?5L／min流量時的情況則相反。

3.3 鹽水濃度對噴嘴的噴淋布液分布特性的影響

由于實際生產中所用工質為鹽水，所以研究了鹽水濃度對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驗，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，在工質分別為淡水及濃度為36g／L和72g／L 鹽水時的噴淋布液分布對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流量下的截面圖對比

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

4 結語

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色噴嘴為研究對象，通過實驗分別研究了這兩種類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其布液分布特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）通過對比單噴嘴噴淋布液分布規(guī)律可以得知，研制型藍色噴嘴和M5型工程噴嘴在分布區(qū)域同一位置點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，對應的噴淋布液區(qū)域變大。

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

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