弹簧旋流雾化喷嘴的设计与研究

雍丽英，孙福才，张永标(.哈尔滨职业技术学院电气工程学院，哈尔滨　5008; .哈尔滨滨大阀门制造有限公司)



弹簧旋流雾化喷嘴的设计与研究

雍丽英1，孙福才1，张永标2
(1.哈尔滨职业技术学院电气工程学院，哈尔滨150081; 2.哈尔滨滨大阀门制造有限公司)

摘要:高温高压蒸汽在工业生产中有着广泛的应用，而针对不同的生产需求需要通过减温减压系统来调节蒸汽的温度和压力。本文所阐述的弹簧旋流雾化喷嘴是减温系统中的减温水喷水雾化元件，通过对弹簧式压力喷嘴的结构设计及实验研究，并与传统的固定喷嘴雾化进行了比较，表明该喷嘴具有雾化效果好、性能稳定、使用寿命长的优点，而且能有效防止蒸汽管道破裂、避免蒸汽窜入冷凝液系统。

关键词:雾化喷嘴;减温减压;弹簧

近年来随着煤、石油、天然气等非可再生资源的锐减，人们越来越意识到能源对人类生存的重要性，在研究开发新能源的同时，如何有效地节约能源成为各国的研究课题。同高压输电原理相似，蒸汽在高压过热状态下输送能量损耗最小，到了用户端根据不同需要，将蒸汽通过减温减压系统的处理得到需要的温度和压力下的二次蒸汽，可提高能量的使用效率，达到节能的目的。另外，当高压的干饱和蒸汽减压至低压时，在下游出口会产生过热度，这就需要减温器将过热的蒸汽降温至所需的接近饱和的温度。

减温器的类型比较多，但喷雾型减温器使用最广泛，其减温过程主要是通过喷嘴向蒸汽喷减温水来实现，减温水的雾化效果决定了减温装置的性能、使用寿命和二次蒸汽温度，而喷嘴的结构是影响减温水雾化效果的主要因素。在稳定工况下，减温系统的喷嘴一般采用传统的笛型喷嘴，笛型喷嘴由于通流截面积是固定的，不能随减温水的流量和压力的变化而变化，当蒸汽或减温水工艺参数变化范围较大时，减温雾化的效果就会变得较差，导致减温效果降低或不能减温，而超温会使有关零部件过热，缩短使用寿命，甚至因超温而发生严重的停车事故。

随着工业生产需求的多样化，蒸汽的使用工况越来越复杂，蒸汽工艺参数变化范围大的工况也越来越多，传统的通流截面积固定的喷嘴已不能完全满足要求。在喷嘴的设计中引入弹簧，当减温水的流量或压力发生变化时，利用弹簧力来自动调节喷嘴的开度达到改变喷嘴的通流截面积，以使减温水雾化得更细更稳定。弹簧式压力喷嘴具有较大的可调比，可在全行程范围内精确控制蒸汽温度。同时，弹簧式压力喷嘴可在水压低于管道气压时自动关闭，起到止回阀的作用，避免发生蒸汽倒流。

1　弹簧旋流雾化喷嘴的结构设计及加工工艺

1.1弹簧压力喷嘴的原理

在喷嘴的设计中引入弹簧，当减温水进入减温器后，喷嘴前后即存在压差，弹簧在此压差的作用下伸缩，于是减温水从环状喷雾口喷出，形成极薄的雾化水裙。当减温水流量变化时，喷嘴前后的压差也会发生变化，弹簧的伸缩量会随之改变，环状喷雾口也随之发生相应变化，从而使喷嘴喷速保持常数。

1.2弹簧旋流雾化喷嘴的结构设计

在喷嘴的基体内设计若干个成一定倾角的流体通道和具有成型曲面的旋流腔，使减温水倾斜喷入基体内，并形成高速的旋流，有效提高了雾化的效果。其结构简图如图1所示:

图1　弹簧旋流雾化喷嘴简图

弹簧旋流雾化喷嘴的主要零件是喷嘴体、喷嘴杆、喷嘴弹簧、喷嘴套、内六角锥端紧定螺钉，依次为图2中的序号1至序号5。

1.3弹簧旋流雾化喷嘴的加工工艺

首先，构成喷嘴的主要零件都进行了精细加工，喷嘴体、喷嘴杆、喷嘴套都进行了磨削加工，特别是喷嘴杆在进行磨削加工后又进行了超精抛光，使喷嘴杆的耐蚀性能进一步加强，降低了喷嘴杆与喷嘴体的磨擦力;其次，阀座与阀体在组装前进行对研，完全避免了内漏，消除了阀体被冲刷的可能性;最后，节流套的内表面也都进行了渗氮处理，确保运动部件不相互擦伤。加工后的弹簧喷嘴实物如图3所示。

图2　弹簧旋流雾化喷嘴装配简图

图3　弹簧喷嘴加工实物图

2　喷嘴雾化性能的试验研究

喷嘴雾化性能的实验是通过冷态试验来进行检测的，检测冷态水在不同流量下，与之相对应的压力、喷嘴喷口处相应的雾化程度。试验中首先是对弹簧刚度的测试，其次是对弹簧喷嘴流量的测试和雾化效果的检验。

2.1弹簧刚度测试

所测喷嘴的面积为1.27cm2，在对其弹簧的刚度进行测试时，分别对弹簧进行1mm、2mm、3mm、4mm等不同程度的压缩，所测数据如表1所示。

表1　弹簧刚度测试记录

在上述实验中:

(1)弹簧的自由长度是10.37mm，最大压缩量是4.21mm。

(2)对于上述四组数据，去掉最大值和最小值其平均值是2.155Kg/mm。

(3)喷嘴起喷压力为2bar时，弹簧预压缩量为1.2mm。

2.2弹簧喷嘴流量测试及雾化效果

通过变频器改变水泵输入轴旋转速度，从而改变减温水流量，经过多次升压和降压过程，测定对应的流量值如表2所示:

表2　弹簧喷嘴流量测试记录

在试验过程中，喷射情况呈现由膜状到雾状，其雾化过程如图4所示。从喷嘴雾化试验的现场目测，喷射状态良好，散射角满足设计要求。

图4　喷水雾化示意图

3　结语

弹簧旋流雾化喷嘴的设计、制造和试验取得了预期的效果，该产品已在哈尔滨滨大阀门制造有限公司投入生产。装有该喷嘴的减温器销往江苏国信协联燃气热电有限公司、四川广安电厂、国电庄河电厂等多家企业，创造了可观的经济效益。通过实际应用证明该喷嘴具有如下特点:

图5　喷嘴雾化试验照片

(1)喷嘴结构设计合理，安全可靠，维修方便。弹簧式压力喷嘴使用寿命长，大修周期内一般不需检修，每个喷嘴都是独立的，检修、维护也十分方便。

(2)旋流雾化喷嘴减温装置对高温蒸汽减温控制精度高，其减温后出口蒸汽温度T2的调节范围为T2±4℃。

(3)减温减压装置出口流量Q可满足较大范围的变化，即在10% Q－100% Q范围内仍可实现理想调节，满足不同生产用量的需求。

(4)装置正常运行时，噪音控制好，即在减温减压阀下游一米，噪音音级小于80分贝。

(5)减温器前置过滤器，避免了喷嘴被杂质堵塞，造成关闭不严。

(6)弹簧式压力喷嘴可在水压低于管道气压时关闭，起到止回阀作用，避免了蒸汽倒流。

参考文献

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Spring swirl atomizing nozzle design and research

Yong Liying1，Sun Fucai1，Zhang Yongbiao2
(1.Harbin vocational＆technical college Haerbin 150081 China; 2.Harbin Binda Valve Manufacture Co.，Ltd.)

Abstract:High temperature and high pressure steam is widely used in industrial production，and according to different production requirements needed by the temperature and pressure reduction system to regulate the steam pressure and temperature.The spring nozzle described in this paper is to reduce water atomization of water temperature in the system，the structure design and experimental study of spring type pressure nozzle，and compared with the traditional fixed nozzle，the nozzle atomization effect is good，has the advantages of long service life and stable performance，and can effectively prevent the steam from entering to avoid condensate system，steam line break.

KeyWords:Atomizing nozzle; Temperature and pressure reduction; Spring

作者简介:雍丽英(1969－)，女，教授，研究方向:机电一体化技术及节能技术。

基金项目:哈尔滨市科学技术局科技创新人才优秀学科带头人项目(2013RFXXJ060)。

收稿日期:2015－04－22