穩壓器噴霧頭霧化性能試驗研究

蘭治科 劉文興 魯曉東 蘇光輝 昝元鋒 卓文彬

摘 要：根據壓水堆穩壓器噴霧頭流量大、霧化區域覆蓋范圍廣等特點，通過對噴霧頭流動特性、霧化錐角、流量密度分布和霧化顆粒度四項試驗，提出了一套詳細、完善的測量和數據處理方法。通過三個不同固定視角攝像法測量霧化錐角，并與流量密度分布中獲得角度數據進行對比。開發制作了霧化液滴流量密度收集裝置，得到兩個不同高度截面同一徑向流量密度分布情況，從而反映出整個噴霧流場高度方向分布情況。設計制作了液滴粒徑測量小室，使用攝像法獲得適合粒徑采集的液滴圖像。最后根據試驗結果，對該類型噴霧頭性能特性進行了分析。

關鍵詞：噴霧 霧化錐角 流量密度 霧化顆粒

中圖分類號：TL332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0147-04

Experimental Study on Spraying Characteristics of Pressure-swirl Atomizers

Lan Zhike1 Liu Wenxing1 Lu Xiaodong1 Su Guanghui2 Zan Yuanfeng1 Zhuo Wenbin1

（1.CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics Technology， Chengdu SiChuan， 610041， China；2. Department of Nuclear Science and Technology， Xian Jiaotong University， Xian Shaanxi， China）

Abstract： According to the atomizer characteristic with larger flow rate and range of atomizered flow， a series of experiments aiming at a detailed characterization of the sprays are presented， including the flow characteristics， the spraining angle， the spray flow rate distribution and the drop size spectrum. In order to obtain the highest detail of information about the flow rate distribution， a device of collecting liquid drop is fabricated. High-speed photographing technology is presented to depict the contour of the liquid drop. In order to perform the photographs， a small chamber with a narrow gap has devised. In the end， the experimental results were shown.

Key Words：Atomizing； Atomizing angle； Spray flow rate distribution； Drop size spectrum

壓水堆（PWR）在當前核電及核動力裝置中廣泛應用的成熟堆型。壓水堆穩壓器的噴霧系統，對反應堆的運行與安全具有重要影響。無論是反應堆壓力控制與保護，還是去除冷卻劑系統中裂變及其它有害氣體，都依賴于穩壓器噴霧過程中霧化液滴與蒸汽間充分的熱質交換。

由于噴霧機理的復雜性，到目前為止還沒有能夠完整、準確描述噴霧頭性能的好方法。即使目前廣泛應用的霧化模擬也在很大程度上取決于噴口附近的液滴粒徑和速度分布作為初始或者邊界條件能否被確定。從而可以看出，在沒有獲得能更好預測的噴霧性能的方法前，試驗研究是獲得噴霧頭性能各項參數的一項重要方法。

應用于壓水堆穩壓器的大型噴霧頭，其共同特點是：噴霧頭尺寸和噴霧流量大，液滴粒徑分布范圍較廣，普通粒徑測量儀器不適用于該類型噴霧頭測量。該文分別針對該類型噴霧頭的流動特性、霧化錐角、流量密度分布和霧化粒徑四項參數提出了一套完善的試驗方案，并取得了較為滿意的試驗結果。

1 試驗系統介紹

該試驗系統使用介質為水。系統如圖1所示，共由三部分組成，分別為主循環管路部分、旁通部分和排水部分。旁通管路從主管路上截止閥前接出，直接返回池內，達到為主管道分流、減壓的目的。旁通管路上設有截止閥，起開關與調節旁通介質水量的作用。經過噴霧頭的流量和壓降數值分別從渦輪流量計和壓力傳感器直接讀取。系統設計時，為了保證主循環管道流動穩定和測試準確性，防止阻塞流量計、噴霧頭，分別在主管路入口處和減壓閥前設過濾器和Y型過濾器。

2 試驗設備和方法

2.1 流量特性

流量特性評價介質流體經過被測噴霧頭時，壓降與流量之間的對應關系，籍此判斷工作壓力下流量是否滿足使用要求。試驗時應盡可能保持環境溫度、大氣壓力、介質溫度相對穩定，盡量減少以上因素變化對試驗帶來的影響。該項試驗中，環境溫度為9.5℃；環境氣壓為97.81 KPa；介質為水，溫度為6.5℃。

在保證試驗系統穩定運行的情況下，分別記錄儀表中流量和對應壓降值，繪制流動特性曲線圖。

2.2 霧化錐角

霧化錐角評價噴霧頭霧化液滴分布范圍。該項試驗選用攝像法對噴霧頭出口處液滴進行拍照。為了盡可能全面反映噴霧頭霧化角大小，選取三個不同固定視角進行拍照，其中任意兩個視角不在同一條直線上。

2.3 流量密度分布

流量密度分布指噴霧頭下方霧化區域中，某一水平橫截面液滴流量分布。該項指標用來評價噴霧液滴在霧化覆蓋范圍內均勻分布情況。

該項試驗采用沿徑向布置同一規格的測量管收集液滴的方法測定徑向流量密度分布。用每個測量管收集到的液滴量反映該位置處液滴密度。實驗裝置現場測量如圖2所示。

2.4 霧化顆粒度測定

霧化顆粒度指噴頭霧化有效區域液滴粒徑的大小。測定液滴粒徑，可以用此衡量噴霧頭的霧化性能。

該類噴霧頭液滴粒徑分布范圍較大，液滴覆蓋范圍廣，因此該項試驗選擇了在距離噴霧頭不同兩個高度對液滴拍照，用標準刻度尺進行校核，從而達到測量液滴尺寸的目的。攝像法測量液滴尺寸的關鍵是分離被測液滴，得到清晰圖片的同時又不能干擾液滴正常分裂。霧化顆粒度測量裝置示意圖如圖3所示。

3 試驗結果討論

3.1 流量特性試驗結果分析

如圖4所示得到不同噴霧頭的流量特性曲線圖。每條曲線代表不同噴霧頭流量與壓降的對應關系。可以看出，下方曲線1所代表噴霧頭流量隨壓降變化曲線最為平緩，亦即消耗相同壓降時，所獲得流量變化并不明顯。而最上方曲線2所代表噴霧頭則相反，其所獲得流量變化最大。據此，可根據不同流量或者壓力工況要求選擇相適應的噴霧頭。

3.2 霧化錐角試驗結果

霧化錐角試驗結果如圖5所示，曲線1附近的五個噴霧頭曲線在壓降從0.15 Mpa增加到0.25Mpa時，霧化錐角相對變化不大，均在97°～103°之間。而以曲線2為代變的3個噴霧頭霧化錐角在壓降范圍內均小于70°。其中曲線2霧化錐角隨壓降增加變化不明顯。曲線3代表的兩個噴霧頭隨壓降增加，霧化錐角減小。

3.3 流量密度分布試驗結果

圖6為其中一個噴霧頭在確定壓力工況下不同高度所測的霧化流量密度分布情況。上方曲線顯示距中心0.6 m處流量較為密集，距中心0.3 m的范圍內流量較小，形成一個空腔。在下方高度上的分布曲線可以看出，中心空腔擴大到距中心0.4 m的范圍，而流量集中的峰值距中心距離約為1.1 m。連線兩條曲線外側、峰值和其它相似特征點，可得到噴霧頭下方霧化區域不同高度上流量分布情況。最外側連線之間的夾角可視為噴霧頭的霧化錐角，與第二項所測結果可相互驗證。該圖中所測霧化錐角與攝像法所測結果相差小于0.5°，符合較好。

3.4 霧化顆粒度試驗結果

根據2.4節中所述處理方法統計噴霧頭液滴粒徑。圖7為其中某一噴霧頭液滴粒徑概率分布。從圖中可以看出，粒徑400μm的液滴最多，而大部分液滴粒徑位于100μm～700μm之間。但因索太爾均值的計算方法中考慮了液滴體積的影響，所以該噴霧頭索太爾均值大于1 mm。

4 結語

該文針對大型噴霧頭的各項性能參數，提出了一套完善的試驗和數據處理方法。在流量密度分布和霧化顆粒度試驗中，分別制作了適應測量的霧化液滴收集裝置和顆粒捕捉攝像室。試驗結果證明以上試驗方法針對大型噴霧頭測量可行、有效。

參考文獻

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