喷水减温器结构的优化设计

2021-03-05张木金

设备管理与维修 2021年1期

张木金

（广东省东莞市东糖生物技术有限公司，广东东莞 523243）

1 喷水减温器存在的问题

喷水减温器，是指过热蒸汽管道中安装的一段装有螺旋式混流板和冷却水喷嘴的管道，其原理是：用水泵对冷却水加压，使冷却水通过喷嘴喷入过热蒸汽中，从过热蒸汽中吸收热量化作蒸汽，过热蒸汽则因放热而使温度由原来的高温点下降到某个低温点，实现减温的目的。喷水减温器的特点是结构简单，调温幅度大（可达50～65 ℃），调节温度灵敏，易于实现自动化。因此，不仅广泛应用于印染、纺织、食品、医药和普通电站等工业生产中，还被应用于核电站、核动力舰船中。

最初的喷水减温器是“文丘里式喷水减温器”。为克服该型喷水减温器存在的诸多缺陷，工程技术人员又开发出了其他类型的喷水减温器，如旋流式、离心式和笛管式等。2011 年5 月18 日，美国加利福尼亚的“控制元器件公司”向国家知识产权局提出了一项名为“减温器喷嘴”的发明专利申请（申请号200880129897.0），该新型喷水减温器克服了美国另外3 项喷水减温器专利技术存在的缺陷。上述各种类型的喷水减温器，重点均为改进冷却水喷嘴的结构，目的在于提高冷却水的雾化率，进而提高减温效率和节能、节水，以及提高过热蒸汽管道的使用寿命。

这些改进型的喷水减温器都存在两个共同的缺陷：①冷却水从喷嘴喷出后，只有少量雾化了的冷却水混入过热蒸汽中被汽化，如1992 年第3 期《电站辅机》刊登的一篇题为“雾化喷嘴减温器的研究”的文章中，披露了一种离心式喷嘴冷却水汽化率的实验数据，如喷嘴出水口的直径为3 mm，当冷却水压力达到2.0 MPa 时，实际喷水量为10.4 kg/min，实际疏水量为7.2 kg/min，汽化率只有30.8%；②大量没有雾化的冷却水则以较高的喷射速度穿过过热蒸汽流，落在蒸汽管道的内壁上，给蒸汽管道造成危害，如1996 年第6 期《吉林电力》刊登的一篇题为“再热蒸汽喷水减温器喷嘴改进”的文章中，介绍了一种笛管式喷嘴喷射出的冷却水给蒸汽管道造成损伤的案例。

2 原因分析

无论如何改进冷却水喷嘴的结构，从喷嘴喷出的冷却水，都只能沿着蒸汽管道的横向或纵向，混入蒸汽管道内的过热蒸汽中，如前述美国专利申请设计的“减温器喷嘴”，冷却水是沿着蒸汽管道的横向喷入过热蒸汽中的；如“雾化喷嘴减温器的研究”使用的离心式喷嘴和“再热蒸汽喷水减温器喷嘴改进”使用的笛管式喷嘴，冷却水是沿着蒸汽管道的纵向或过热蒸汽的流向喷入过热蒸汽中的。冷却水泵提供的压力，使冷却水带压由喷嘴的出水孔喷射而出，离开喷嘴的冷却水在突然失压膨胀的情况下，会有一部分形成水雾（即雾化），适当地改变喷嘴出水孔的几何形状，虽然能够适当提高冷却水的雾化率，但却不能从根本上改变冷却水雾化率低的问题。所以，大部分未被雾化的冷却水形成无数条水线，以较高的喷射速度混入蒸汽流中，在冷却水自身的重力作用下，迅速沉降在蒸汽管道内壁上，再经疏水系统排出蒸汽管道。因此，难以有效实现“提高冷却水雾化率，进而提高减温器效率，有利于节能、节水和提高蒸汽管道的使用寿命”的目的。

3 改进措施

针对上述喷水减温器存在的技术缺陷，以“再热蒸汽喷水减温器喷嘴改进”一文中使用的笛管式喷嘴为基础，从以下4 个方面提出喷水减温器喷嘴结构的优化改进措施。

3.1 减少喷嘴出水口的数量

相比于美国专利申请设计的“减温器喷嘴”，以及“雾化喷嘴减温器的研究”一文介绍的旋流式喷嘴和离心式喷嘴，“再热蒸汽喷水减温器喷嘴改进”一文中介绍的笛管式喷嘴，结构简单，制作方便，成本低廉。但是，若喷嘴出水孔过多时，则会极大地影响冷却水的雾化率和汽化率。由于过热蒸汽管道的直径通常约为350～500 mm，根据蒸汽流量等参数，将笛管式喷嘴出水孔的数量定为1～3 个，孔径为1～4 mm。当1 个喷嘴的总出水量不能满足使用要求时，可再增加1 个或数个喷嘴（图1）。

图1 喷水减温器结构优化

3.2 增加改变冷却水喷射的几何形状套管

当喷嘴出水孔为圆孔时，冷却水喷射的几何形状呈圆锥形，不利于冷却水的汽化。因此，在喷嘴上加装1 个带有特殊形状开口的套管，该套管上的特殊形状开口数量及位置，与笛管式喷嘴的出水孔的数量及位置相对应，在通过笛管式喷嘴出水孔中心的轴向剖面上，该套管上的特殊形状开口的剖面形状为“＜”形。该套管上的特殊形状开口使得冷却水喷射的几何形状呈扇形，减少了冷却水的厚度，增大了冷却水与过热蒸汽的接触面积，有利于提高冷却水的汽化率（图2）。

3.3 增加雾化栅

在加装了带有特殊形状开口套管的喷嘴前面，加装1 个用圆管制作的雾化栅，雾化栅的数量及位置，与笛管式喷嘴的出水孔的数量及位置相对应，栅条的宽度约10～20 mm，栅条与笛管式喷嘴的出水孔的距离约30～50 mm。配置雾化栅后，带压冷却水呈扇形喷射而出，撞在雾化栅上，大部分的冷却水会被激成极易吸热汽化的水雾，阻止冷却水直接喷入过热蒸汽中。

3.4 增加蒸发疏水导管

在制作雾化栅的圆管底端，用1 个弯头装接1 条与蒸汽管道轴线平行的圆管作蒸发管，蒸发管的另一端安装1 个变径接头和1 个等径弯头，等径弯头的另一端接1 条圆管穿过蒸汽管道的管壁。蒸发管长约2000 mm，上部开1 个长约1900 mm 的开口，并在上半部管壁上均布一些与管的内壁连通的小孔，以承接雾化栅处未能雾化的冷却水，使之在蒸发管内继续吸热汽化，避免落在蒸汽管道的内壁上。当蒸发管内的冷却水过多时，通过疏水管流出蒸汽管道。

图2 喷嘴出水孔D

图3 蒸发疏水导管

通过优化设计，冷却水不再是从喷嘴直接喷入过热蒸汽管道中，而是在雾化栅处连续形成并保持一个冷却水雾化团，冷却水以雾化的状态被流动的过热蒸汽带走并迅速吸热汽化，少量没有雾化的较大的冷却水滴，则落入蒸发管中继续吸热蒸发汽化，而不会落到过蒸汽管道的内壁上。因此，经优化设计的喷水减温器，能够有效地实现“提高冷却水雾化率，进而提高减温器效率，有利于节能、节水和提高蒸汽管道使用寿命”的目的。