自吸式文丘里水洗器引射特性研究

周艳民，孙中宁，谷海峰，苗 壮

(哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)



自吸式文丘里水洗器引射特性研究

周艳民，孙中宁，谷海峰，苗 壮

(哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

以安全壳过滤排放系统中的自吸式文丘里水洗器为研究对象，采用空气和水为工质，在不同空气流量、液位及系统压力下对文丘里水洗器的引射特性进行实验研究。结果表明，随着喉部气相折算流速(简称喉部流速)的增加，吸液口两侧压差近似呈抛物线规律增长，引射量线性增加。压力容器内的液位对引射特性的影响与其相对于文丘里水洗器出口的位置有关，当液位低于文丘里水洗器出口时，随着液位的提升，引射量获得明显的提高，并随喉部流速的变化表现出分区效应，喉部流速较低时，增加液位对于改善引射量更加有效；当液位在文丘里水洗器出口以上变化时，对引射量几乎无影响。压力是影响自吸式文丘里水洗器引射特性的重要因素，这主要归因于气体密度的变化，在0～150 kPa范围内，随着压力的提升，引射量得到明显改善，且在高喉部流速区域压力变化对引射量的影响较在低喉部流速区域更加显著。

文丘里水洗器；自吸式；引射量；安全壳过滤排放系统

为解决核电厂严重事故后期的安全壳超压问题，现役的第二代以及第二代改进型核电厂正在逐渐增设安全壳过滤排放系统，以主动泄压的方式确保安全壳的完整性，并通过系统的水洗过滤器去除排放气体中的放射性物质，主要包括气溶胶、碘和甲基碘[1]。

系统对于放射性物质的主要过滤部件为自吸式文丘里水洗器，其主要由收缩段、喉部和扩张段组成。排放气体流经文丘里水洗器的收缩段时，由于气流的膨胀加速作用在喉部形成低压区，周围溶液在内外压差的作用下，经过吸液口被引射入文丘里水洗器内部，并被雾化成大量细小的液滴，为除尘和除气过程提供充足的表面积[2]。国内外学者关于文丘里水洗器的阻力特性和除尘除气特性进行了一定研究，Ali等[3]在研究文丘里水洗器除尘特性时指出，液相流量是决定去除效率的关键因素，一定范围内液相流量越大，去除效率越高，Hikita等[4]研究文丘里管内SO2等气体吸收特性时也获得了同样的结论；Calver[5]和Yung等[6]研究文丘里水洗器阻力规律时认为，气流对液相的加速作用是造成文丘里水洗器阻力损失的主要原因，压降与喉部气相折算流速(简称喉部流速)的平方和气体密度的乘积呈正比。但上述研究以及工业上常用的文丘里水洗器大多局限于主动喷射式，液相流量可借助外界动力任意调节，而自吸式文丘里水洗器的液相流量取决于工质的流动特性和自身的结构特性，相关研究较少。Lehner[7]针对自吸式文丘里水洗器进行了实验研究，得到了引射量和流动阻力随喉部流速的变化规律，但其研究的参数范围较小，喉部流速仅在30～64 m/s之间变化，且结果是在常压条件下获得的，当文丘里水洗器工作在更高喉部流速范围或压力环境时，参数变化对文丘里水洗器吸液特性的影响尚不清楚。

本文以空气和水作为工质，采用实验的方法，研究气体流量、液位及系统压力等因素对自吸式文丘里水洗器引射特性的影响，分析不同参数条件下文丘里水洗器的引射规律，为文丘里水洗器结构的设计和改进提供参考数据。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

实验系统简图如图1所示，主要由螺杆式空气压缩机、储气罐、阀门和管道、流量计、文丘里水洗器、压力容器以及静压测量系统组成。空气压缩机能在10～1 200 kg/h流量范围内为系统提供稳定气源，气流首先进入储气罐，经过缓冲后进入实验管道，然后流经文丘里水洗器，再由压力容器出口排出。实验管道上装有减压阀、调节阀和质量流量计，分别用于控制和测量流经文丘里水洗器的空气流量。文丘里水洗器采用有机玻璃制成，结构简图如图2所示，其主要包含收缩段、喉部和扩张段，喉部开有吸液口并浸没在液位以下，流经吸液口的液相流量通过液相循环回路测量获得，循环回路入口端连接压力容器，出口端与吸液口处的流量分配腔室相连，回路上安装有电磁流量计和隔离球阀，工作时，压力容器内的水自入口进入循环回路，经过流量计后进入流量分配腔室，缓冲后从吸液口进入文丘里水洗器。文丘里水洗器安装在压力容器内部，所处环境的压力通过压力容器上的调节阀进行控制和调节，文丘里水洗器入口和出口分别装有压力传感器，用于测量压力容器内的静压力和文丘里水洗器的流动阻力。

图2 文丘里水洗器结构简图Fig.2 Diagram of Venturi scrubber structure

1.2 实验方法

实验时，首先开启空气压缩机，然后依次打开减压阀和调节阀，待空气流量和循环回路液相流量稳定，通过数据采集系统记录气、液相流量以及压力传感器数值。研究压力变化对文丘里水洗器引射特性的影响时，以文丘里水洗器所处环境的压力为参考，压力通过压力容器上的调节阀进行调节控制。

2 理论分析

单相气体流经文丘里水洗器收缩段时，由于流通截面积的变化，气体动压不断增加，静压逐渐降低，在此过程中，气体的流动阻力可忽略不计，同时需考虑可压缩性，沿流动方向上的伯努利方程应采用欧拉的普遍表达形式[8]。

(1)

式中：ν为气体比容，m3/kg；p为气体静压，Pa；u为气体在流动截面上的平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；z为文丘里水洗器轴向高度，m。

气流在收缩段内的流动为高速的连续过程，由于过程时间较短，可忽略与外界之间的热量交换，近似为绝热过程。

(2)

式中：A为流通截面积，m2；k为定熵指数。

收缩段末端与吸液口外侧之间的静压差为液体的引射动力，稳定条件下，引射量Q与静压差之间满足如下关系：

(3)

式中：Δps为吸液口两侧静压差，Pa；ζ为吸液口处局部阻力系数；ρ′为被引射流体密度，kg/m3；A′为吸液口处液体流通面积，m2。

由于文丘里水洗器的进出口截面积相同，因此文丘里水洗器入口处的压力近似等于出口处的静压力与流动阻力之和。

(4)

式中：pi、po分别为文丘里水洗器入口和出口处的压力，Pa；Δpλ为文丘里水洗器整体流动阻力，Pa。

3 结果分析与讨论

3.1 喉部流速对引射特性的影响

在常压条件下，改变流经文丘里水洗器的空气质量流量，获得引射量随喉部流速的变化规律如图3所示。可看出，喉部流速是影响文丘里水洗器引射特性的重要因素，随着喉部流速的增加，引射量近似线性增长。由式(3)可知，文丘里水洗器引射量主要取决于吸液口两侧的压差，当吸液口外侧压力一定时只取决于内侧压力，喉部流速变化对吸液口处静压的影响主要包含两方面，一方面随着喉部流速的增加，文丘里水洗器流动阻力变大，由式(4)可知，在出口压力不变的条件下入口压力增加，相应的吸液口处的压力也提高；另一方面，增加喉部流速也同时增大了吸液口处的动压份额，造成静压降低，两种因素对吸液口处静压的影响是相反的。

图3 喉部流速对引射量的影响Fig.3 Effect of throat velocity on injection flow rate

为对上述两方面影响因素作进一步分析，在不同工况条件下对式(1)、(2)进行积分运算，得到吸液口两侧压差随喉部流速的变化如图4所示。从图4可看出，随着喉部流速的增加，吸液压差近似呈抛物线规律增长，即与喉部流速之间表现为二次方关系，表明此时动压变化对吸液口静压的影响更加明显，结合式(3)分析可知，液相流量与喉部流速之间为线性关系。

图4 喉部流速对吸液压差的影响Fig.4 Effect of throat velocity on pressure difference

3.2 液位对引射特性的影响

在常压条件下，改变文丘里水洗器吸液口处的淹没深度，研究液位变化对引射特性的影响，结果如图5所示，图中H为液位淹没吸液口的高度。液位在文丘里水洗器出口以下(图5a)变化时，在不同液位下，引射量均随喉部流速的增加近似线性增大，但不同液位的引射量之间存在明显差别，并表现出区域效应，在喉部流速较低的区域内，增加液位对引射量的促进作用明显，当u=50 m/s时，液位提升12 cm使得引射量增加31%；而在高喉部流速区域，液位改变对引射量的影响较小，当u=250 m/s时，液位提升12 cm，相应的引射量仅增加2.9%。这种差异主要是由于吸液口两侧压差的来源造成的。由图4可知，当喉部流速较低时，气体膨胀作用在吸液口两侧形成的压差较小，u=50 m/s时，Δps=1.36 kPa，此时增加吸液口外侧液位能有效提升吸液压差，且相对变化量较大，相应的引射量会有明显增加；当喉部流速较高时，气体膨胀作用在吸液口两侧形成的压差较大，u=250 m/s时，Δps=30.6 kPa，此时改变液位所导致的吸液压差相对变化量较小，从而对引射量的影响也较小。

液位高于文丘里水洗器出口(图5b)后，液位变化对引射量几乎无影响。文丘里水洗器出口液位的增加一方面提高了吸液口处的静压，增大了引射动力，另一方面液位也作用在文丘里水洗器出口处，使得气流在离开出口时需要克服淹没高度所形成的重位压头，这两部分作用近似相互抵消，对引射特性不产生影响。

3.3 系统压力对引射特性的影响

在吸液口淹没高度不变的条件下，通过调节压力容器出口阀的开度，改变文丘里水洗器所处环境压力，得到不同压力条件下引射量随喉部流速的变化规律，如图6所示。可看出，当文丘里水洗器所处环境压力在0～150 kPa(表压)之间变化时，引射量与喉部流速之间均表现为线性关系，相同喉部流速时随着压力的提高，引射量获得较为明显的提升，且同样存在区域效应，压力变化在高喉部流速区域对引射量的影响较在喉部低流速区域更加明显。系统压力的变化主要体现为工作气体密度的改变，系统压力增加时，气体密度近似等比例增大，在相同喉部流速下，文丘里水洗器流动阻力会变大，使得入口压力提高，但气体密度增大也会使吸液口处气体的动压份额增加，导致静压降低，引射量取决于两者作用的共同结果。

图5 液位对引射量的影响Fig.5 Effect of liquid level on injection flow rate

图6 系统压力对引射量的影响Fig.6 Effect of system pressure on injection flow rate

针对图6所示的实验工况，由式(1)、(2)计算得到不同压力环境下吸液口两侧压差随喉部流速的变化关系，如图7所示。可看出，在不同压力下吸液压差均随喉部流速的增加近似成抛物线规律增长，这与图6中引射量随喉部流速的线性变化规律是一致的。进一步分析发现，压力的提升对提高吸液压差具有促进作用，表明气体密度增加时，动压份额变化对吸液口处静压的影响较阻力对静压的影响更加明显。不同压力下，引射量随喉部流速增加所表现出的分区现象与液位的影响是相似的。由图7还可看出，当喉部流速较低时，吸液口两侧压差较小，且主要取决于吸液口外侧的淹没深度，气体密度增加导致的静压降低量对吸液压差的影响较小；当喉部流速较高时，吸液口两侧压差主要取决于气体的动压部分，此时气体密度变化对动压的影响显著，因此，对引射量的影响也更明显。

图7 系统压力对吸液压差的影响Fig.7 Effect of system pressure on pressure difference

4 结论

1) 随着喉部流速的增加，文丘里水洗器的引射量近似线性增加，吸液口两侧压差近似呈抛物线规律增长。

2) 当压力容器内的液位在文丘里水洗器出口以下变化时，随着液位的提升，引射量获得明显提高，且随喉部流速的变化表现出分区效应，喉部流速较低时，增加液位对于改善引射量更加有效；喉部流速较高时，液位变化对引射量的影响不再明显。

3) 当压力容器内的液位在文丘里水洗器出口以上变化时，对引射量几乎无影响。

4) 压力是影响自吸式文丘里水洗器引射特性的重要因素，在实验范围内，随着压力的提升，引射量获得了明显改善，且在高喉部流速区域压力变化对引射量的影响较在低喉部流速区域更加显著。

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Research on Injection Characteristics of Venturi Scrubber Worked in Self-priming Mode

ZHOU Yan-min, SUN Zhong-ning, GU Hai-feng, MIAO Zhuang

(FundamentalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratory,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

The injection characteristics of Venturi scrubber worked in self-priming mode in containment filter venting system was studied experimentally under different air flows, liquid levels and system pressures. The results indicate that with the increase of superficial gas velocity in throat, the static pressure drop of both sides of the suction grows approximately following a parabolic law, and the injection flow rate injecting into the Venturi scrubber increases linearly. The effect of liquid level on injection characteristics relates closely with the relative position to the outlet of the Venturi scrubber. When the liquid level is below the outlet, the injection flow rate improves significantly with increasing liquid level and presents a partition phenomenon, and in the low throat velocity, the increase of liquid level is more effective to improve the injection flow rate. However, when the liquid level is above the outlet, it almost has no impact on the injection flow rate. The pressure is another important factor affecting the injection characteristic of self-priming Venturi scrubber, which is mainly caused by the change on gas density. In the range of 0-150 kPa, with the increase of pressure, the injection flow rate improves greatly and the influence of pressure is more obvious in high throat velocity than in low throat velocity.

Venturi scrubber; self-priming; injection flow rate; containment filter venting system

2014-02-19;

2014-05-23

周艳民(1987—)，男，内蒙古赤峰人，博士研究生，核能科学与工程专业

TL334

A

1000-6931(2015)06-1075-05

10.7538/yzk.2015.49.06.1075