噴水減溫器結構的優化設計

張木金

（廣東省東莞市東糖生物技術有限公司，廣東東莞 523243）

1 噴水減溫器存在的問題

噴水減溫器，是指過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：用水泵對冷卻水加壓，使冷卻水通過噴嘴噴入過熱蒸汽中，從過熱蒸汽中吸收熱量化作蒸汽，過熱蒸汽則因放熱而使溫度由原來的高溫點下降到某個低溫點，實現減溫的目的。噴水減溫器的特點是結構簡單，調溫幅度大（可達50～65 ℃），調節溫度靈敏，易于實現自動化。因此，不僅廣泛應用于印染、紡織、食品、醫藥和普通電站等工業生產中，還被應用于核電站、核動力艦船中。

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，工程技術人員又開發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，美國加利福尼亞的“控制元器件公司”向國家知識產權局提出了一項名為“減溫器噴嘴”的發明專利申請（申請號200880129897.0），該新型噴水減溫器克服了美國另外3 項噴水減溫器專利技術存在的缺陷。上述各種類型的噴水減溫器，重點均為改進冷卻水噴嘴的結構，目的在于提高冷卻水的霧化率，進而提高減溫效率和節能、節水，以及提高過熱蒸汽管道的使用壽命。

這些改進型的噴水減溫器都存在兩個共同的缺陷：①冷卻水從噴嘴噴出后，只有少量霧化了的冷卻水混入過熱蒸汽中被汽化，如1992 年第3 期《電站輔機》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驗數據，如噴嘴出水口的直徑為3 mm，當冷卻水壓力達到2.0 MPa 時，實際噴水量為10.4 kg/min，實際疏水量為7.2 kg/min，汽化率只有30.8%；②大量沒有霧化的冷卻水則以較高的噴射速度穿過過熱蒸汽流，落在蒸汽管道的內壁上，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”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

無論如何改進冷卻水噴嘴的結構，從噴嘴噴出的冷卻水，都只能沿著蒸汽管道的橫向或縱向，混入蒸汽管道內的過熱蒸汽中，如前述美國專利申請設計的“減溫器噴嘴”，冷卻水是沿著蒸汽管道的橫向噴入過熱蒸汽中的；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”使用的笛管式噴嘴，冷卻水是沿著蒸汽管道的縱向或過熱蒸汽的流向噴入過熱蒸汽中的。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，離開噴嘴的冷卻水在突然失壓膨脹的情況下，會有一部分形成水霧（即霧化），適當地改變噴嘴出水孔的幾何形狀，雖然能夠適當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題。所以，大部分未被霧化的冷卻水形成無數條水線，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壁上，再經疏水系統排出蒸汽管道。因此，難以有效實現“提高冷卻水霧化率，進而提高減溫器效率，有利于節能、節水和提高蒸汽管道的使用壽命”的目的。

3 改進措施

針對上述噴水減溫器存在的技術缺陷，以“再熱蒸汽噴水減溫器噴嘴改進”一文中使用的笛管式噴嘴為基礎，從以下4 個方面提出噴水減溫器噴嘴結構的優化改進措施。

3.1 減少噴嘴出水口的數量

相比于美國專利申請設計的“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”一文中介紹的笛管式噴嘴，結構簡單，制作方便，成本低廉。但是，若噴嘴出水孔過多時，則會極大地影響冷卻水的霧化率和汽化率。由于過熱蒸汽管道的直徑通常約為350～500 mm，根據蒸汽流量等參數，將笛管式噴嘴出水孔的數量定為1～3 個，孔徑為1～4 mm。當1 個噴嘴的總出水量不能滿足使用要求時，可再增加1 個或數個噴嘴（圖1）。

圖1 噴水減溫器結構優化

3.2 增加改變冷卻水噴射的幾何形狀套管

當噴嘴出水孔為圓孔時，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 個帶有特殊形狀開口的套管，該套管上的特殊形狀開口數量及位置，與笛管式噴嘴的出水孔的數量及位置相對應，在通過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口的剖面形狀為“＜”形。該套管上的特殊形狀開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口套管的噴嘴前面，加裝1 個用圓管制作的霧化柵，霧化柵的數量及位置，與笛管式噴嘴的出水孔的數量及位置相對應，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，大部分的冷卻水會被激成極易吸熱汽化的水霧，阻止冷卻水直接噴入過熱蒸汽中。

3.4 增加蒸發疏水導管

在制作霧化柵的圓管底端，用1 個彎頭裝接1 條與蒸汽管道軸線平行的圓管作蒸發管，蒸發管的另一端安裝1 個變徑接頭和1 個等徑彎頭，等徑彎頭的另一端接1 條圓管穿過蒸汽管道的管壁。蒸發管長約2000 mm，上部開1 個長約1900 mm 的開口，并在上半部管壁上均布一些與管的內壁連通的小孔，以承接霧化柵處未能霧化的冷卻水，使之在蒸發管內繼續吸熱汽化，避免落在蒸汽管道的內壁上。當蒸發管內的冷卻水過多時，通過疏水管流出蒸汽管道。

圖2 噴嘴出水孔D

圖3 蒸發疏水導管

通過優化設計，冷卻水不再是從噴嘴直接噴入過熱蒸汽管道中，而是在霧化柵處連續形成并保持一個冷卻水霧化團，冷卻水以霧化的狀態被流動的過熱蒸汽帶走并迅速吸熱汽化，少量沒有霧化的較大的冷卻水滴，則落入蒸發管中繼續吸熱蒸發汽化，而不會落到過蒸汽管道的內壁上。因此，經優化設計的噴水減溫器，能夠有效地實現“提高冷卻水霧化率，進而提高減溫器效率，有利于節能、節水和提高蒸汽管道使用壽命”的目的。

4 結語

此霧化柵的設計，源于水流經過大落差瀑布沖擊在石頭上，激起水霧這種自然現象的啟發。