噴射式凝汽器噴嘴成膜特性實驗研究

宮傳瑤,何 瑞,李夔寧,蔣 鋒,盧昌燊,丁玉棟,謝 翌

(1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司,四川 德陽 618000;2.重慶大學 a.能源與動力工程學院; b.機械與運載工程學院,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)液相流場及流量的分布,從而對噴射式凝汽器內(nèi)水-蒸汽直接接觸凝結(jié)換熱過程產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。眾多學者對水-蒸汽直接接觸換熱進行了廣泛的研究。20世紀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We數(shù)足夠大時,射流就會破碎成液滴。Weinberg[2]通過實驗及理論分析,研究了噴淋換熱過程中液膜區(qū)及液滴區(qū)的換熱情況,實驗結(jié)果表明,液膜換熱溫升占整體溫升的比例高達80%,液膜區(qū)的換熱系數(shù)遠遠高于液滴區(qū)的換熱系數(shù)。Solodov A P[3]對水-蒸汽直接接觸凝結(jié)換熱過程進行了可視化研究,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,并分別對液滴區(qū)與液膜區(qū)進行了理論分析,對實際物理過程做了大量簡化,主要考慮了液膜流動為層流的情形。Mayinger F[5]利用激光全息技術(shù),測量了蒸汽環(huán)境中液膜的破碎過程,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,精確測量了純蒸汽環(huán)境中錐狀液膜與液滴的溫度分布,進一步驗證了Lee[4]的實驗結(jié)果。Takahashi M[6]分別對液滴區(qū)與液膜區(qū)建立數(shù)學模型并計算了液滴區(qū)及液膜區(qū)的傳熱系數(shù),由于考慮了液膜內(nèi)的湍動與液滴的混合,Takahashi M[6]的模型比Lee[4]的模型更接近實驗結(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。目前對于薄膜式噴嘴的研究主要集中在水力特性上,對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,需要對薄膜式噴嘴的成膜特性進行詳細研究,包括液膜長度、液膜寬度、液膜面積等反映成膜特性的參數(shù)。本研究針對薄膜式噴嘴搭建成膜特性測量實驗系統(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 實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)如圖1所示,主要由噴射系統(tǒng)、攝像機和供水系統(tǒng)組成。實驗通過攝像機來觀察并拍攝液膜的形成與破碎過程,并借此測量壓力與液膜破碎長度的關(guān)系。供水系統(tǒng)中的介質(zhì)為自來水,經(jīng)由潛水泵進入管路,經(jīng)噴嘴噴出。流量計和壓力表可測量液膜形成與破碎過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,使實驗測試條件更貼合電廠實際。圖2為裝置實物圖,實驗儀器參數(shù)如表1所示。

表1 實驗儀器

圖1 裝置示意圖

圖2 裝置實物圖

圖3為噴嘴的模型。水從噴嘴的兩個進口流入,撞擊在兩側(cè)的布膜板上形成液膜。噴嘴進口直徑為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,長度L為135 mm。圖4為兩類噴嘴的實物圖。

圖3 DN15噴嘴模型

圖4 DN15噴嘴實物圖

1.2 實驗步驟與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 實驗步驟

實驗測試步驟如下:

將水箱裝滿水,保證潛水泵完全浸沒水中。

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

調(diào)節(jié)兩個閥門開度,使得全壓接近某個待測工況點。

讀取并記錄流量計與壓力表數(shù)值(3組),拍攝水膜狀態(tài)。

重復步驟2～5,測量下一個工況點(直到所有工況點都完成測量)。

實驗結(jié)束,關(guān)閉泵的開關(guān),排空管內(nèi)清水。

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

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

對每次測試時記錄的3個壓力與流量值分別取平均數(shù),該工況點的壓力值與流量值及液膜長度與面積等信息的提取需通過圖像處理軟件完成。拍攝的視頻通過Photoshop轉(zhuǎn)換成視頻幀,在合適的時間域里從中隨機選取6個不同時刻的照片,導出為圖片。用imageJ對圖片進行處理,選擇合適的標尺長度,讀出液膜的長度、寬度及面積,對每個工況的圖片數(shù)據(jù)取平均,求標準差。

2 實驗結(jié)果與分析

DN13與DN15噴嘴的實驗參數(shù)與結(jié)果分別列于表2、表3中。計算了液膜寬度、長度及面積的標準差。

表2 DN13噴嘴的實驗參數(shù)及結(jié)果

表3 DN15噴嘴的實驗參數(shù)及結(jié)果

實驗液膜鋪展形態(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度及寬度總體呈上升趨勢。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)、遠離噴嘴出口的液滴區(qū)及兩個區(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,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,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初期,由于水的流速較低,空氣擾動作用不明顯,因此液膜與液滴的分界較為明顯,此時水的形態(tài)主要分為液膜區(qū)及液滴區(qū),液膜的長度與寬度隨著入口壓力的增長有著較大的增幅。

圖9 不同全壓下的液膜尺寸

隨著入口壓力的進一步增加,液膜流動速度隨之增加,而空氣與液膜的相對速度也隨之增大,使得液膜受到的擾動及剪切作用增強,這促進了液膜表面擾動波(不穩(wěn)定波)的發(fā)展,當表面擾動波增長到一定程度時,液膜破裂成液滴,水的湍流度也逐漸增強,此時液膜區(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。

當入口壓力達到一定程度時,液膜表面擾動波的破碎作用與表面張力的穩(wěn)定作用相當,液膜長度趨于穩(wěn)定。當繼續(xù)增大入口壓力時,擾動波發(fā)展更快,液膜長度會在一定程度上減小。比較參考文獻[7]的實驗結(jié)果,本研究測得的液膜長度是相對準確的。由于液膜在破碎過程中液膜撕裂的位置不確定,使得液膜長度測量存在一定的不確定性,但整體趨勢不變。

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

圖10為實驗中液膜面積隨進口壓力變化的趨勢。DN13與DN15噴嘴射流液膜面積的變化趨勢與液膜寬度的變化趨勢較為類似,當入口壓力增大到7.5 kPa左右時,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驗平臺進行現(xiàn)場實驗,在不考慮蒸汽流動的情況下,分析了DN13與DN15兩種噴嘴的成膜特性隨進口壓力的變化規(guī)律,通過分析實驗結(jié)果得出如下結(jié)論:

1)液膜長度隨入口壓力的增加呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢,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,拐點在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、設計噴嘴入口壓力、優(yōu)化噴射式凝汽器結(jié)構(gòu)布置提供參考。