海水淡化喷嘴分布特性的实验研究

刘秋生 杨庆卫 李会雄 郝陈玉 冯永昌

（1.神华国华 （北京）电力研究院有限公司，北京市朝阳区，100025；2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西省西安市，710049）

水平传热管外降膜蒸发在海水淡化、化工、冷冻、石油提炼、食品加工和大型制冷等工业领域中有着广泛使用。水平管低温多效海水淡化装置的换热设备属于降膜蒸发器的一种，其中的液体分布装置最为关键，其分布形式直接影响水平管管外液体的分布和流动。液体分布装置包括喷淋管式分布器、烧结水平管、底部开孔的水箱和喷嘴式分布器。在这些装置中，喷嘴式分布器主要应用在对液膜稳定性要求小的水平管束的装置中，本文研究的海水淡化喷嘴就是喷嘴式分布器的一种。

在降膜蒸发器中，蒸发器正常工作的条件之一是液体沿换热管均匀分布。所谓均匀分布主要指两个方面：其一，液体均匀分布到每根换热管上；其二，在每根换热管的整个圆周方向及长度方向保持均匀液膜。如何保证水平管束外降膜流动液体的均匀分布对降膜蒸发器的工作性能影响很大。因此，对于布液均匀性的研究就显得非常重要。近年来许多学者对喷嘴的液滴分布特性及应用进行了相关的研究。张蒙正等人对气液同轴离心式喷嘴的流量及雾化特性进行了实验研究；周华等人对高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性进行了理论分析，选择了某一索太尔平均直径的经验公式进行了仿真分析，但没有实验验证。Gunnar Heskestad对水雾灭火的特性进行了理论及实验研究，从理论上分析了涡旋喷嘴索太尔平均直径的关联式。综上所述，目前针对海水淡化喷嘴布液分布特性的实验研究还比较少。因此，海水淡化喷嘴的实验测试和分析具有较强的现实意义。

本文的目的在于研究两种类型喷嘴的布液分布特性，通过实验测试及数据分析获得这两种喷嘴的全周向喷淋布液分布特性以及喷淋流量和盐水浓度对其布液分布的影响。

1 实验装置

在常温常压下对喷嘴所在的喷淋区域进行实验测量，需要布置足够大的空间，因此设计了如图1所示的实验台，其中用到的设备有喷嘴、水泵、流量计、水箱、旁路、阀门、刚性支架、管板、液体收集装置等。

如图1所示，工质水存储在水箱中，经由水泵打压通过流量计进入喷嘴，由喷嘴喷淋而下，顺着管束外壁面流下，进入收集装置，多余水由水箱收集槽以及周围的挡水布收集到水箱中，形成循环回路。

实验中，流量由电磁流量计显示读数，实验测点的测量结果由收集装置读出。回路流量控制由旁路以及主通路上两个截止阀控制。

为了详细准确地了解喷嘴的布液分布特性，需要测量喷嘴在全周向布液分布范围内的每一点上的布液量，即需要知道在喷嘴布液分布范围内每一点上的布液量值。在实验中，要求结果越精确，则需要布置的测点就越多、越密集。相应的，如果喷嘴布液范围越大，则实验测点越多，给研究以及测量工作带来较大困难。将布液范围划分为4个 （扇形区域）部分进行测量，则可在达到实验目的的基础上降低困难。

图1 实验台实验系统及相关尺寸

2 实验概述

2.1 实验前期准备

为了得到更为全面的喷嘴喷淋布液特性，在上述实验台上进行了实验。实验所用的喷嘴有M5型工程喷嘴和国华万吨项目研制型蓝色喷嘴，如图2所示。M5 型喷嘴有4 个，研制型蓝色喷嘴有6个。为了便于实验，在实验前将此10个喷嘴进行了分类编号。4个M5型喷嘴分别记作：G1、G2、G3、G4；6 个研制型蓝色喷嘴分别记作：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。

图2 M5型工程喷嘴和研制型蓝色喷嘴

根据结构分析，两种喷嘴均属于压力式喷嘴。当液体经加压后，顺着喷嘴的开口方向喷出并呈现固定的形状，喷雾液滴形成的喷淋液的宏观形状不同，取决于喷嘴口加工形状。两种喷嘴的喷淋布液都形成实心圆锥形。

2.2 实验数据的收集

每组工况的实验数据分4次收集，收集装置的内径为72 mm，其壁厚很薄，可以认为内外径相等。实验时调好流量，保持流量在某一种工况下稳定后，快速撤掉挡板，同时开始计时。在收集了一定喷淋量之后再反方向快速合上挡板，同时停止计时。

通过使用电子秤称量，得到每个收集装置中液体的重量，结合每次工况实验时工质的密度，从而得到每个收集装置点对应位置的喷淋量。

2.3 实验数据的整理

将得到的上述4个位置的数据转化为单位时间的量之后，汇总在一起，形成整个喷淋分布情况。

再将每个收集装置所对应的面积上的流量除以对应工况下的总流量，得到一个比值。这个比值的物理意义是每个收集装置面积上所对应流量占总流量的比值。这样每个收集装置所得到的流量就转化为无量纲量，便于不同喷嘴、不同流量下，相同位置点的比较。

3 实验结果及数据分析

实验所用的10个喷嘴，从外观及内部结构上可以发现，工程喷嘴和蓝色喷嘴结构不同。所有的工程喷嘴结构是相同的，属于同一类型喷嘴；所有的蓝色喷嘴的结构是相同的，也属于同一类型喷嘴。所以选取不同工况下单喷嘴喷淋布液分布进行比较，从而分析这两种类型喷嘴的喷淋特点。

为了了解并加以对比这两种类型喷嘴的喷淋布液分布特点，实验中一共对6个喷嘴做了单喷嘴的喷淋布液分布实验。

利用实验数据，结合计算机绘图技术，从而得到单喷嘴喷淋布液分布的立体图和截面图，然后进行比较。截面选取的为喷淋布液区域正中心的截面，X=900和Y=900 处的截面。图中数值是每一个计算区域通过的喷淋流量占总喷淋流量的比例。

3.1 两种类型喷嘴的喷淋布液分布对比

M5型喷嘴和研制型蓝色喷嘴从外形及内部结构上可以看出，两者外形差别较大，并且内部旋流方向相反。为了了解这两种类型喷嘴各自的特点，选取G3喷嘴和Y1喷嘴，分别做了两种流量下这两种喷嘴的喷淋布液分布的对照实验。

图3、图4分别为65L／min流量时G3喷嘴、Y1喷嘴喷淋布液分布对比的立体图和截面图。其中，X、Y 表示收集装置的布置，Z 轴表示各个收集装置所收集流量占总流量的比值。

从图3、图4可以看出，两者的喷淋布液分布区域都近似是个圆形，在这个圆形区域内部的流量分布却有一些差别。在从图3 的立体图中可以看出，G3喷嘴的中间区域比较平缓，且较周边区域流量较小。而Y1 喷嘴在圆形区域接近圆心的区域，流量较大，形成一个较大的波峰地带。同时，在喷淋布液实验收集区域的1，3，4部分圆形区域的边缘流量较大，但在2部分，圆形的边界区域流量却较小。在图4的截面图中还可以发现，G3喷嘴与Y1喷嘴的喷淋布液分布区域并不是重合的，在X=900的截面图上，可以看出Y1喷嘴喷淋区域更偏右一些，但Y=900的截面上差别较小。这是由于虽然在喷淋布液实验时，每个工况时喷嘴的安装位置都是相同的，但是由于这两个类型喷嘴所喷出的工质的旋流方向是相反的，同时实验过程中也存在一定的误差，这也就导致了喷嘴喷淋布液区域的差距。总的来说，在喷淋分布立体图和截面图上两种类型喷嘴有一些差异，但从喷淋分布区域每个点占总流量比值的角度上来看，两种类型喷嘴喷淋分布相差不大，即每个点的分布都接近相同的平均值，单从海水淡化的角度考虑，可以认为两者的效果接近一致。

图3 G3喷嘴与Y1喷嘴在65L／min流量时的喷淋布液分布立体图对比

图4 G3喷嘴与Y1喷嘴在65L／min流量时的喷淋布液分布截面图对比

图5、图6分别为84L／min流量时G3喷嘴、Y1喷嘴喷淋布液分布对比的立体图和截面图。

从图5和图6可以看出，在84L／min流量时G3 喷嘴和Y1 喷嘴的喷淋布液分布规律和在65L／min流量时的喷淋布液分布规律趋势是一致的，所不同的就是，84L／min 流量时G3 喷嘴和Y1喷嘴的喷淋布液区域都较65L／min流量时的喷 淋布液区域要大，同时其对应的值也较低。

图5 G3喷嘴与Y1喷嘴在84L／min流量时的喷淋布液分布立体图对比

图6 G3喷嘴与Y1喷嘴在84L／min流量时的喷淋布液分布截面图对比

3.2 流量对两种类型喷嘴喷淋布液分布特性的影响

喷淋流量是影响喷嘴喷淋布液分布的一个主要因素之一，所以分别选取G3喷嘴和Y1喷嘴，对其在不同流量下做喷淋布液分布实验，从而研究不同流量对这两种类型喷嘴的喷淋布液分布特性的影响。

图7和图8分别为G3喷嘴在65L／min和84 L／min流量时的喷淋布液分布立体图和截面图。

图7 G3喷嘴在65L／min 与84L／min流量时的喷淋布液分布立体图对比

图8 G3喷嘴在65L／min 与84L／min流量时的喷淋布液分布截面图对比

从图7的立体图上可以看出，G3喷嘴65L／min和G3喷嘴84L／min在喷淋布液分布规律上基本相同，同样是在喷淋布液的圆形区域内部，流量比较平坦，且较边缘的流量较小。在靠近X=700，Y=700的地方发生了一个小的尖锐的突起。但可以发现，G3喷嘴65L／min的喷淋布液分布的圆形区域较G3喷嘴84L／min的喷淋布液分布区域小，这点在图7的立体图上也可以看出来。同时，从图8的截面图上可以看出来，G3喷嘴84L／min的数值小于G3喷嘴65L／min的数值，这是由于两者的数值表示的都是占喷嘴流量的比例量，当喷淋区域较大的时候，其数值就相对变小。

图9 Y1喷嘴在65L／min、84L／min、105L／min流量时的喷淋布液分布立体图对比

图10 Y1喷嘴在65L／min、84L／min、105L／min流量时的喷淋布液分布截面图对比

图9、图10 分别为Y1 喷嘴在65 L／min、84L／min、105L／min流量时的喷淋布液分布对比的立体图和截面图。

从图9 的立体图中可以看出来Y1 喷嘴在65L／min、84L／min、105L／min三种流量下，喷淋布液分布的规律是一致的。但是随着喷淋流量的增大，其喷淋布液的区域面积也越来越大。从图10的截面图上可以更清楚地看到这一规律，105L／min流量时的喷淋面积最大，其数值也最小；而65L／min流量时的情况则相反。

3.3 盐水浓度对喷嘴的喷淋布液分布特性的影响

由于实际生产中所用工质为盐水，所以研究了盐水浓度对喷淋布液分布特性的影响。选取Y4喷嘴分别做了淡水和盐水实验，盐水的浓度分别为36g／L和72g／L。图11、图12分别为Y4喷嘴在84L／min 流量下，在工质分别为淡水及浓度为36g／L和72g／L 盐水时的喷淋布液分布对比的立体图和截面图。

图11 Y4喷嘴淡水、盐水36g／L浓度、盐水72g／L浓度在84L／min流量下的立体图对比

图12 Y4喷嘴淡水、盐水36g／L浓度、盐水72g／L浓度在84L／min流量下的截面图对比

从图11、图12中可以看出，当工质为不同浓度的盐水时，其喷淋布液特性与工质为淡水时的喷淋布液分布特性基本一致，盐水浓度对其影响不大。

4 结语

本文以低温多效海水淡化中使用的M5型工程喷嘴和研制型蓝色喷嘴为研究对象，通过实验分别研究了这两种类型喷嘴的喷淋布液分布规律，以及喷淋流量和盐水浓度对其布液分布特性的影响。研究发现：

（1）通过对比单喷嘴喷淋布液分布规律可以得知，研制型蓝色喷嘴和M5型工程喷嘴在分布区域同一位置点的分布量上有一些差别，但在分布面积和分布平均值上非常接近，两者的喷淋布液效果基本一致。

（2）单喷嘴的喷淋布液规律趋势并不随喷淋流量的增大而发生大的变化，只是随喷淋流量的增大，对应的喷淋布液区域变大。

（3）喷嘴的喷淋布液分布规律并不因为工质变为盐水以及盐水的浓度改变而发生趋势上的变化，只是在量值上有部分波动。

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