自吸式文丘里水洗器引射特性研究

周艷民，孫中寧，谷海峰，苗 壯

(哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

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自吸式文丘里水洗器引射特性研究

周艷民，孫中寧，谷海峰，苗 壯

(哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

以安全殼過濾排放系統(tǒng)中的自吸式文丘里水洗器為研究對象，采用空氣和水為工質，在不同空氣流量、液位及系統(tǒng)壓力下對文丘里水洗器的引射特性進行實驗研究。結果表明，隨著喉部氣相折算流速(簡稱喉部流速)的增加，吸液口兩側壓差近似呈拋物線規(guī)律增長，引射量線性增加。壓力容器內的液位對引射特性的影響與其相對于文丘里水洗器出口的位置有關，當液位低于文丘里水洗器出口時，隨著液位的提升，引射量獲得明顯的提高，并隨喉部流速的變化表現(xiàn)出分區(qū)效應，喉部流速較低時，增加液位對于改善引射量更加有效；當液位在文丘里水洗器出口以上變化時，對引射量幾乎無影響。壓力是影響自吸式文丘里水洗器引射特性的重要因素，這主要歸因于氣體密度的變化，在0～150 kPa范圍內，隨著壓力的提升，引射量得到明顯改善，且在高喉部流速區(qū)域壓力變化對引射量的影響較在低喉部流速區(qū)域更加顯著。

文丘里水洗器；自吸式；引射量；安全殼過濾排放系統(tǒng)

為解決核電廠嚴重事故后期的安全殼超壓問題，現(xiàn)役的第二代以及第二代改進型核電廠正在逐漸增設安全殼過濾排放系統(tǒng)，以主動泄壓的方式確保安全殼的完整性，并通過系統(tǒng)的水洗過濾器去除排放氣體中的放射性物質，主要包括氣溶膠、碘和甲基碘[1]。

系統(tǒng)對于放射性物質的主要過濾部件為自吸式文丘里水洗器，其主要由收縮段、喉部和擴張段組成。排放氣體流經(jīng)文丘里水洗器的收縮段時，由于氣流的膨脹加速作用在喉部形成低壓區(qū)，周圍溶液在內外壓差的作用下，經(jīng)過吸液口被引射入文丘里水洗器內部，并被霧化成大量細小的液滴，為除塵和除氣過程提供充足的表面積[2]。國內外學者關于文丘里水洗器的阻力特性和除塵除氣特性進行了一定研究，Ali等[3]在研究文丘里水洗器除塵特性時指出，液相流量是決定去除效率的關鍵因素，一定范圍內液相流量越大，去除效率越高，Hikita等[4]研究文丘里管內SO2等氣體吸收特性時也獲得了同樣的結論；Calver[5]和Yung等[6]研究文丘里水洗器阻力規(guī)律時認為，氣流對液相的加速作用是造成文丘里水洗器阻力損失的主要原因，壓降與喉部氣相折算流速(簡稱喉部流速)的平方和氣體密度的乘積呈正比。但上述研究以及工業(yè)上常用的文丘里水洗器大多局限于主動噴射式，液相流量可借助外界動力任意調節(jié)，而自吸式文丘里水洗器的液相流量取決于工質的流動特性和自身的結構特性，相關研究較少。Lehner[7]針對自吸式文丘里水洗器進行了實驗研究，得到了引射量和流動阻力隨喉部流速的變化規(guī)律，但其研究的參數(shù)范圍較小，喉部流速僅在30～64 m/s之間變化，且結果是在常壓條件下獲得的，當文丘里水洗器工作在更高喉部流速范圍或壓力環(huán)境時，參數(shù)變化對文丘里水洗器吸液特性的影響尚不清楚。

本文以空氣和水作為工質，采用實驗的方法，研究氣體流量、液位及系統(tǒng)壓力等因素對自吸式文丘里水洗器引射特性的影響，分析不同參數(shù)條件下文丘里水洗器的引射規(guī)律，為文丘里水洗器結構的設計和改進提供參考數(shù)據(jù)。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實驗系統(tǒng)簡圖如圖1所示，主要由螺桿式空氣壓縮機、儲氣罐、閥門和管道、流量計、文丘里水洗器、壓力容器以及靜壓測量系統(tǒng)組成?？諝鈮嚎s機能在10～1 200 kg/h流量范圍內為系統(tǒng)提供穩(wěn)定氣源，氣流首先進入儲氣罐，經(jīng)過緩沖后進入實驗管道，然后流經(jīng)文丘里水洗器，再由壓力容器出口排出。實驗管道上裝有減壓閥、調節(jié)閥和質量流量計，分別用于控制和測量流經(jīng)文丘里水洗器的空氣流量。文丘里水洗器采用有機玻璃制成，結構簡圖如圖2所示，其主要包含收縮段、喉部和擴張段，喉部開有吸液口并浸沒在液位以下，流經(jīng)吸液口的液相流量通過液相循環(huán)回路測量獲得，循環(huán)回路入口端連接壓力容器，出口端與吸液口處的流量分配腔室相連，回路上安裝有電磁流量計和隔離球閥，工作時，壓力容器內的水自入口進入循環(huán)回路，經(jīng)過流量計后進入流量分配腔室，緩沖后從吸液口進入文丘里水洗器。文丘里水洗器安裝在壓力容器內部，所處環(huán)境的壓力通過壓力容器上的調節(jié)閥進行控制和調節(jié)，文丘里水洗器入口和出口分別裝有壓力傳感器，用于測量壓力容器內的靜壓力和文丘里水洗器的流動阻力。

圖2 文丘里水洗器結構簡圖Fig.2 Diagram of Venturi scrubber structure

1.2 實驗方法

實驗時，首先開啟空氣壓縮機，然后依次打開減壓閥和調節(jié)閥，待空氣流量和循環(huán)回路液相流量穩(wěn)定，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄氣、液相流量以及壓力傳感器數(shù)值。研究壓力變化對文丘里水洗器引射特性的影響時，以文丘里水洗器所處環(huán)境的壓力為參考，壓力通過壓力容器上的調節(jié)閥進行調節(jié)控制。

2 理論分析

單相氣體流經(jīng)文丘里水洗器收縮段時，由于流通截面積的變化，氣體動壓不斷增加，靜壓逐漸降低，在此過程中，氣體的流動阻力可忽略不計，同時需考慮可壓縮性，沿流動方向上的伯努利方程應采用歐拉的普遍表達形式[8]。

(1)

式中：ν為氣體比容，m3/kg；p為氣體靜壓，Pa；u為氣體在流動截面上的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；z為文丘里水洗器軸向高度，m。

氣流在收縮段內的流動為高速的連續(xù)過程，由于過程時間較短，可忽略與外界之間的熱量交換，近似為絕熱過程。

(2)

式中：A為流通截面積，m2；k為定熵指數(shù)。

收縮段末端與吸液口外側之間的靜壓差為液體的引射動力，穩(wěn)定條件下，引射量Q與靜壓差之間滿足如下關系：

(3)

式中：Δps為吸液口兩側靜壓差，Pa；ζ為吸液口處局部阻力系數(shù)；ρ′為被引射流體密度，kg/m3；A′為吸液口處液體流通面積，m2。

由于文丘里水洗器的進出口截面積相同，因此文丘里水洗器入口處的壓力近似等于出口處的靜壓力與流動阻力之和。

(4)

式中：pi、po分別為文丘里水洗器入口和出口處的壓力，Pa；Δpλ為文丘里水洗器整體流動阻力，Pa。

3 結果分析與討論

3.1 喉部流速對引射特性的影響

在常壓條件下，改變流經(jīng)文丘里水洗器的空氣質量流量，獲得引射量隨喉部流速的變化規(guī)律如圖3所示。可看出，喉部流速是影響文丘里水洗器引射特性的重要因素，隨著喉部流速的增加，引射量近似線性增長。由式(3)可知，文丘里水洗器引射量主要取決于吸液口兩側的壓差，當吸液口外側壓力一定時只取決于內側壓力，喉部流速變化對吸液口處靜壓的影響主要包含兩方面，一方面隨著喉部流速的增加，文丘里水洗器流動阻力變大，由式(4)可知，在出口壓力不變的條件下入口壓力增加，相應的吸液口處的壓力也提高；另一方面，增加喉部流速也同時增大了吸液口處的動壓份額，造成靜壓降低，兩種因素對吸液口處靜壓的影響是相反的。

圖3 喉部流速對引射量的影響Fig.3 Effect of throat velocity on injection flow rate

為對上述兩方面影響因素作進一步分析，在不同工況條件下對式(1)、(2)進行積分運算，得到吸液口兩側壓差隨喉部流速的變化如圖4所示。從圖4可看出，隨著喉部流速的增加，吸液壓差近似呈拋物線規(guī)律增長，即與喉部流速之間表現(xiàn)為二次方關系，表明此時動壓變化對吸液口靜壓的影響更加明顯，結合式(3)分析可知，液相流量與喉部流速之間為線性關系。

圖4 喉部流速對吸液壓差的影響Fig.4 Effect of throat velocity on pressure difference

3.2 液位對引射特性的影響

在常壓條件下，改變文丘里水洗器吸液口處的淹沒深度，研究液位變化對引射特性的影響，結果如圖5所示，圖中H為液位淹沒吸液口的高度。液位在文丘里水洗器出口以下(圖5a)變化時，在不同液位下，引射量均隨喉部流速的增加近似線性增大，但不同液位的引射量之間存在明顯差別，并表現(xiàn)出區(qū)域效應，在喉部流速較低的區(qū)域內，增加液位對引射量的促進作用明顯，當u=50 m/s時，液位提升12 cm使得引射量增加31%；而在高喉部流速區(qū)域，液位改變對引射量的影響較小，當u=250 m/s時，液位提升12 cm，相應的引射量僅增加2.9%。這種差異主要是由于吸液口兩側壓差的來源造成的。由圖4可知，當喉部流速較低時，氣體膨脹作用在吸液口兩側形成的壓差較小，u=50 m/s時，Δps=1.36 kPa，此時增加吸液口外側液位能有效提升吸液壓差，且相對變化量較大，相應的引射量會有明顯增加；當喉部流速較高時，氣體膨脹作用在吸液口兩側形成的壓差較大，u=250 m/s時，Δps=30.6 kPa，此時改變液位所導致的吸液壓差相對變化量較小，從而對引射量的影響也較小。

液位高于文丘里水洗器出口(圖5b)后，液位變化對引射量幾乎無影響。文丘里水洗器出口液位的增加一方面提高了吸液口處的靜壓，增大了引射動力，另一方面液位也作用在文丘里水洗器出口處，使得氣流在離開出口時需要克服淹沒高度所形成的重位壓頭，這兩部分作用近似相互抵消，對引射特性不產生影響。

3.3 系統(tǒng)壓力對引射特性的影響

在吸液口淹沒高度不變的條件下，通過調節(jié)壓力容器出口閥的開度，改變文丘里水洗器所處環(huán)境壓力，得到不同壓力條件下引射量隨喉部流速的變化規(guī)律，如圖6所示?？煽闯?，當文丘里水洗器所處環(huán)境壓力在0～150 kPa(表壓)之間變化時，引射量與喉部流速之間均表現(xiàn)為線性關系，相同喉部流速時隨著壓力的提高，引射量獲得較為明顯的提升，且同樣存在區(qū)域效應，壓力變化在高喉部流速區(qū)域對引射量的影響較在喉部低流速區(qū)域更加明顯。系統(tǒng)壓力的變化主要體現(xiàn)為工作氣體密度的改變，系統(tǒng)壓力增加時，氣體密度近似等比例增大，在相同喉部流速下，文丘里水洗器流動阻力會變大，使得入口壓力提高，但氣體密度增大也會使吸液口處氣體的動壓份額增加，導致靜壓降低，引射量取決于兩者作用的共同結果。

圖5 液位對引射量的影響Fig.5 Effect of liquid level on injection flow rate

圖6 系統(tǒng)壓力對引射量的影響Fig.6 Effect of system pressure on injection flow rate

針對圖6所示的實驗工況，由式(1)、(2)計算得到不同壓力環(huán)境下吸液口兩側壓差隨喉部流速的變化關系，如圖7所示?？煽闯觯诓煌瑝毫ο挛簤翰罹S喉部流速的增加近似成拋物線規(guī)律增長，這與圖6中引射量隨喉部流速的線性變化規(guī)律是一致的。進一步分析發(fā)現(xiàn)，壓力的提升對提高吸液壓差具有促進作用，表明氣體密度增加時，動壓份額變化對吸液口處靜壓的影響較阻力對靜壓的影響更加明顯。不同壓力下，引射量隨喉部流速增加所表現(xiàn)出的分區(qū)現(xiàn)象與液位的影響是相似的。由圖7還可看出，當喉部流速較低時，吸液口兩側壓差較小，且主要取決于吸液口外側的淹沒深度，氣體密度增加導致的靜壓降低量對吸液壓差的影響較小；當喉部流速較高時，吸液口兩側壓差主要取決于氣體的動壓部分，此時氣體密度變化對動壓的影響顯著，因此，對引射量的影響也更明顯。

圖7 系統(tǒng)壓力對吸液壓差的影響Fig.7 Effect of system pressure on pressure difference

4 結論

1) 隨著喉部流速的增加，文丘里水洗器的引射量近似線性增加，吸液口兩側壓差近似呈拋物線規(guī)律增長。

2) 當壓力容器內的液位在文丘里水洗器出口以下變化時，隨著液位的提升，引射量獲得明顯提高，且隨喉部流速的變化表現(xiàn)出分區(qū)效應，喉部流速較低時，增加液位對于改善引射量更加有效；喉部流速較高時，液位變化對引射量的影響不再明顯。

3) 當壓力容器內的液位在文丘里水洗器出口以上變化時，對引射量幾乎無影響。

4) 壓力是影響自吸式文丘里水洗器引射特性的重要因素，在實驗范圍內，隨著壓力的提升，引射量獲得了明顯改善，且在高喉部流速區(qū)域壓力變化對引射量的影響較在低喉部流速區(qū)域更加顯著。

[1] RUST H, TANNLER C, HEINTZ W. Pressure release of containments during severe accidents in Switzerland[J]. Nucl Eng Des, 1995, 157: 337-352.

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[3] ALI M, YAN Changqi, SUN Zhongning. Dust particle removal efficiency of a Venturi scrubber[J]. Annals of Nuclear Energy, 2013, 54: 178-183.

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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

周艷民(1987—)，男，內蒙古赤峰人，博士研究生，核能科學與工程專業(yè)

TL334

A

1000-6931(2015)06-1075-05

10.7538/yzk.2015.49.06.1075