新型減溫器的結構設計與仿真分析

摘 要 為提高減溫器在工作過程中的減溫效果，以文丘里式減溫器為研究對象，在新型減溫器入口處設計一個螺旋節流結構，為了驗證該結構能否增強減溫水的霧化效果，采用計算流體力學CFD進行仿真模擬分析，利用流體力學軟件Fluent內置的k?ε湍流模型和離散相模型，模擬原始結構減溫器和新型減溫器的內部流體狀態，對流體的溫度、水蒸氣含量和顆粒直徑分布云圖進行比較分析，結果表明：有螺旋結構的減溫器內部流體氣液混合均勻、減溫水霧化程度高、減溫效果好，具有一定的應用價值。

關鍵詞 新型減溫器 結構設計 螺旋節流結構 減溫水 CFD

中圖分類號 TQ050.2" "文獻標識碼 A" "文章編號 0254?6094（2023）01?0092?06

減溫器廣泛應用于工業鍋爐、熱電廠及石油化工等行業中，是一種將過熱蒸汽轉換為飽和蒸汽或低過熱度蒸汽的裝置。主要作用是調節控制溫度，避免在生產過程中因出現過熱工況而導致管道設備損傷甚至爆炸現象[1，2]。

我國減溫器的研發和設計起步較晚[2]，前期主要通過引進國外先進技術對傳統的減溫裝置進行鉆研和探究，吸取成功經驗，并努力研發新的技術，逐步建立了減溫裝置的設計、研發和生產體系。程穎對過熱蒸汽飽和器內的流動和傳熱原理進行了分析和研究，設計的新型過熱蒸汽飽和器應用范圍廣，性能穩定[3];張振基等分析了影響減溫器減溫效果的因素，提出了減溫器選型和安裝過程中需要注意的事項，為減溫器設計和使用者提供理論依據[4]。在我國科研人員不斷探索和鉆研下，國內的減溫器研發領域也取得了顯著的進步。

目前，工業上使用效果較好的為文丘里式減溫器，有單文丘里式減溫器和雙文丘里式減溫器兩種類型，主要結構都由霧化噴嘴、入口段、文丘里段和出口段組成，文丘里段是一處變截面的管道，由漸縮管、喉管和漸擴管3部分構成。當過熱蒸汽從減溫器入口段流入經過喉管處時，因管道流通面積減小，過熱蒸汽速度增大，高溫的氣體分子動能大于低溫的氣體分子動能，動能大小不同的分子相互碰撞，使熱量從高溫區向低溫區傳遞，故達到減溫效果。

隨著現代工業的高速發展，減溫器的研制需要緊跟步伐，而傳統減溫器的減溫效果不佳，減溫水從噴嘴噴出后，只有少量霧化的減溫水混入過熱蒸汽中被汽化[5]。筆者設計了一種新型減溫器以改善以上的不足。

1 新型減溫器的結構設計

1.1 整體結構

新型減溫器以文丘里管結構為主體，主要由霧化噴嘴、螺旋節流結構、漸縮管、混合管、漸擴管、喉管組成[6]。螺旋節流結構為創新部分，是一種新穎的結構，圖1為新型減溫器結構示意圖。

1.2 螺旋節流結構

螺旋節流孔板尺寸標注如圖2所示，圖中d=126 mm，d0=86 mm，d1=112 mm，r=198 mm，L=168 mm，單個節流孔板的厚度為10 mm，一共由30個節流孔板組成，其拼接過程如圖3所示。節流孔板制造容易，相鄰孔板間均偏移3°，采用焊接的方式進行固定，可以按照實際需求，更改偏移角度或增減孔板數量。

在減溫器入口段設置螺旋節流結構，可以改變流體的流動方式，增大與霧化減溫水的接觸面，同時由伯努利原理（圖4）可知，當流體在管道內的流通面積A減小時，流體速度v增大，壓強p減小，因此可以起到降壓增速的作用，有利于減溫水的霧化效果。在設計時每一塊螺旋節流孔板上都設置有4個通孔，通孔的大小可根據實際應用中流量的大小進行調節，以保證流體的流通量面積，且該結構產生的阻力大小并不會影響仿真結果的合理性。

1.3 工作原理

新型減溫器與原始減溫器最大的不同就是在入口處設計了一個螺旋節流結構，當過熱蒸汽經過螺旋節流板與霧化減溫水相混合時，主要的工作流程如圖5所示（圖中標示的一次霧化位置在噴嘴處，二次霧化位置在喉管處），可分為4個階段：減溫水通過高壓噴嘴噴出發生一次霧化，形成直徑較小的霧化小水滴;入口段過熱蒸汽經過螺旋節流結構后，減壓增速并形成螺旋流向，在文丘里段喉管區域蒸汽速度達到最大值，由于小水滴表面張力小于高速流動蒸汽產生的氣體動力，因此會被進一步擊碎形成二次霧化;霧化后的細小水滴與過熱蒸汽充分滲透混合;水霧蒸發吸熱降低蒸汽溫度，從而達到減溫的目的[7～9]。

2 數值模擬研究

2.1 計算流體力學CFD

CFD的全稱為計算流體力學，主要研究流體動力學，CFD軟件利用計算機進行數值模擬求解，對流體有關的力學問題進行處理和分析[9，10]。隨著計算機領域技術日漸成熟，CFD數值模擬技術逐漸占據主要地位，是研究流體力學的一種新方法，它可以很好地解決流體的復雜流動，節省了實驗研究所需要的材料費用和人工操作時間。

新型螺旋節流結構的減溫器內部流場比較復雜，很難開展實驗研究，使用CFD軟件能夠減少實驗的成本，并且可以獲取比較準確的瞬時數據。筆者主要通過CFD軟件Fluent對使用新型結構減溫器進行數值模擬，確保新型結構的可行性。CFD的具體計算流程如圖6所示。

2.2 仿真模型的設置

本次模擬主要探究含有螺旋節流結構的減溫器內部流場分布情況，從而驗證螺旋節流結構的可行性。在用Fluent模擬過程中設置材料屬性時，由于沒有過熱蒸汽設置選項，因此采用干燥的熱空氣代替過熱蒸汽，可以達到相同的模擬效果[11]。連續相介質為干燥的熱空氣，進氣壓力為0.22 MPa，溫度為225 ℃;離散相霧化水壓力為0.5 MPa，減溫水溫度為60 ℃。表1是兩種介質的物性參數。

在求解模型之前，需要進行邊界條件的設置，邊界條件主要指進出口邊界條件和壁面條件。本次忽略了流體的重力作用。

入口邊界條件。減溫器入口介質為干燥的熱空氣，選擇質量流量入口，質量流量設置為4.2 kg/s，湍流強度為5%。湍流粘度比為10。DPM類型為逃逸（escape）。

出口邊界條件。出口為降低溫度的熱空氣，其中混合著霧化水相變成的水蒸氣，出口邊界為壓力出口，靜壓值設置為0.22 MPa，湍流強度比和湍流粘度比與入口湍流條件設置一樣。DPM類型設置為逃逸（escape）。

壁面邊界條件。壁面設置為無滑移壁面，與外界沒有熱量交換，DPM類型為反射（reflect）。

3 仿真結果分析

3.1 溫度分布

不同結構的減溫器內部溫度分布如圖7所示。從圖7a可看出，在原始結構中，隨著霧化水滴的蒸發吸熱，減溫器中心流域的熱空氣溫度逐漸降低，而靠近壁面區域的溫度基本保持不變，這種溫度分布不均勻現象是由于熱空氣與霧化減溫水混合不充分所導致的[12]。圖7b為有螺旋結構的減溫器內部溫度分布，螺旋節流結構的中心是直圓孔，外邊緣是螺旋節流孔，由于結構的特殊性，前半段中心溫度低于邊緣溫度，而后半段的溫度與前半段溫度分布趨勢相反，邊緣溫度低于中心溫度，螺旋節流起到了作用。從整體上看，有螺旋結構的減溫器內部熱空氣與霧化水滴混合更充分，出口的平均溫度也更低。

為了更好地展示新型減溫器的溫度分布規律，對比不同結構的減溫器整體溫度分布（圖8），y1～y6為管道的截面片段，其中y1=0 mm（inlet），y2=680 mm，y3=1100 mm，y4=1650 mm，y5=2100 mm，y6=5686 mm（outlet），由圖8可以看出，有螺旋節流結構的減溫器減溫效果要優于原始結構減溫器的。

圖9為不同結構減溫器內部溫度隨位置變化曲線。從總體上看，兩種結構的減溫器流體溫度均呈現遞減的趨勢，這是由于霧化減溫水蒸發吸熱，導致各截面處的平均溫度均下降。與原始結構減溫器的流體溫度變化相比，有螺旋結構的減溫器流體溫度變化率快，出口溫度也更低，說明有螺旋結構的減溫器降溫效果更好。

3.2 水蒸氣含量分布

圖10為不同結構的減溫器內部水蒸氣含量分布對比。圖10a中進口為干燥熱空氣，水蒸氣含量最低，在噴嘴處過后，中心區域的水蒸氣含量明顯上升，最高可達到0.19%，而管道壁面區域的水蒸氣含量逐漸降低，說明霧化水滴與熱空氣混合不充分，液滴蒸發率低。觀察圖10b，水蒸氣的質量分數最大值為0.08%，深藍色區域明顯減少，說明水蒸氣含量增多，大部分霧化水滴已經蒸發，減溫器的水蒸氣含量分布和溫度分布是大同小異的，對于某個區域而言，液滴蒸發率越高，該區域的水蒸氣含量就越多，相應的溫度也越低。

提取各截面的平均水蒸氣含量，繪制如圖11所示水蒸氣含量隨位置變化的曲線。由圖11可以看出，水蒸氣含量的變化趨勢與溫度變化趨勢正好相反，整體均呈現遞增的趨勢，有螺旋結構的減溫器內部水蒸氣含量增加得更快，出口處水蒸氣含量為0.022 3%，而原始結構的減溫器出口水蒸氣含量為0.018 8%，說明在減溫器內使用螺旋節流結構，水蒸氣含量比原始結構增加的更多，即大多數霧化的減溫水已經蒸發相變。

3.3 霧化水顆粒直徑

減溫器的霧化效果主要通過顆粒直徑來體現，減溫水的霧化程度越高，霧化水滴的直徑就越小，減溫器的減溫效果也越明顯[13，14]，圖12為不同結構的減溫器顆粒直徑對比圖。從圖12a可以看出，顆粒軌跡為直線型，管道后半段的顆粒直徑明顯小于前半段，其顆粒直徑主要集中在0.04～0.07 mm，小直徑粒子占比很小，霧化水滴整體的直徑偏大，減溫水霧化效果較差。圖12b中霧化顆粒呈現螺旋流動的狀態，這是由螺旋結構所導致的，減溫器后半段的顆粒直徑主要集中在0.03～0.06 mm，其中還混合著直徑小于0.03 mm的顆粒一起向前螺旋流動。與圖12a相比，增加螺旋節流結構的減溫器，霧化水的顆粒直徑明顯減小，減溫水的霧化效果得到了改善。

圖13為減溫器出口處霧化顆粒直徑分布柱形圖。忽略直方圖上占比極小的顆粒直徑。原始結構減溫器中直徑為0.063 mm的顆粒數量最多，所占百分比為37%，最大霧化顆粒直徑為0.071 mm，所占百分比為13%。螺旋結構減溫器中直徑為0.052 mm的顆粒數量最多，所占百分比為52%，最大霧化顆粒直徑為0.058 mm，占比為14%，比原結構的最大顆粒直徑要小0.013 mm。綜上所述，螺旋節流結構可以加強減溫水的霧化效果，減小霧化顆粒的直徑。

4 結論

4.1 螺旋節流結構的設計可以將流體的運動軌跡改變成螺旋方式，使減溫水和過熱蒸汽混合更加充分。

4.2 新型減溫器出口處溫度更低，分布更均勻，減溫效果也更加明顯。

4.3 新型減溫器與原始結構相比，霧化水顆粒直徑較小，整體上水蒸氣含量也較高，從而進一步驗證螺旋節流結構對提高減溫器的減溫效果有一定作用。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-04-08，修回日期：2023-01-30）

Structure Design and Simulation Analysis of New Desuperheater

ZHENG Jian1， LIN Yu?juan1， ZHAO Dong1， WEI Xue1， XIA Yong?qiang2

（1. School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University;

2. School of Energy and Power Engineering， Dalian University of Technology）

Abstract" "For purpose of improving the temperature reduction effect of the desuperheater in the working process， a spiral throttle structure was designed at the entrance of the venturi desuperheater. In order to verify this structure’s effect in enhancing the atomization of desuperheating water， employing CFD for simulation analysis was implemented， including having the k?ε turbulence model and discrete phase model built in Fluent used to simulate internal fluid states of different desuperheaters， and having the cloud diagrams of fluid temperature， water vapor content and particle diameter distribution compared and analyzed. The results show that， the fluid gas?liquid mixing is uniform and the desuperheating water’s atomization degree is high together with good temperature reducing effect. This new spiral throttle structure has certain application value.

Key words" " new desuperheater， structural design， spiral throttling structure， desuperheating water， CFD

作者簡介：鄭健（1996-），碩士研究生，從事流體機械內流的動態測量與數值仿真研究。

通訊作者：林玉娟（1964-），教授，從事壓力容器的設計與研究等工作，cawa0099@sina.com。

引用本文：鄭健，林玉娟，趙棟，等.新型減溫器的結構設計與仿真分析[J].化工機械，2023，50（1）：92-97.