新型喷雾光学测量仪的研制

　　1　前　言

　　HAT循环具有高效低污染等优良性能,被称为未来几十年中最富有竞争力的热力循环方式之一[1]。与普通燃气轮机回热循环和联合循环不同,HAT循环利用一个被称为饱和器的部件进行传热传质,饱和器是HAT循环中的关键部件。由于饱和器内部过程非常复杂,国内外都从实验角度对其进行了研究[2~4]。这些实验研究工作主要集中在对饱和器总体性能上的探索,如进出口水和空气传热传质间的相互影响等。由于测量技术和手段上的原因,对水滴传质的细节研究尚处在摸索阶段。

　　热水可以以多种方式进入饱和器,通过与空气的接触进行传热传质。为了增强传热传质效果,通常采用热水喷淋到主流空气中的方法。在这种形式饱和器的研究工作中,水滴粒径和浓度是非常重要的参数,对饱和器性能有重要影响,因此首先要解决喷淋水滴粒径测量问题。由于喷雾形成的液滴都有一定速度,能够独自在空间存在的时间有限,采样法测量时存在相当大的难度。所以现代喷雾测量技术要求过程必须是非接触和在线的,这对测量技术和仪器要求都很高。到目前为止,能够用于喷雾测量的成熟技术和仪器种类并不多,且主要集中在光学类测量仪器。光衍射式颗粒粒度分析仪[5~6]和相位多谱勒分析仪(PDA)[7~9]被广泛地使用在喷雾实验研究方面,也有利用激光全息测量喷雾粒径的报道[10]。其中光衍射式颗粒粒度分析仪和PDA对于自由空间中的喷雾测量,近乎达到了完美的程度。

　　利用上述测量仪器对象饱和器这样封闭容器内部喷雾进行测量时,有很多不足之处:光衍射式颗粒粒度分析仪由于需要接收颗粒的衍射光,接收端的光窗要求相当大的面积;PDA测量要求激光发射和接收端成一定角度,激光束也有多条,这对光窗数量和位置都有苛刻要求;而全息技术对光路的要求众所周知。真实饱和器是工作于高温高压下的封闭容器,对光窗强度要求很高,而且内部强烈的湍动无法避免地使水滴污染光窗表面,从而降低测量精度,严重时导致实验失败。这些问题实际上来自于仪器本身,因为仪器原理和生产商的原因,现有条件下在进　　行饱和器实验时,只能以仪器为中心,使实验用饱和器设计首先要满足仪器使用要求。所以有必要针对此开展研究,以饱和器试验件为中心,开发出适合高温条件下的高压封闭容器的喷雾粒径测量系统。

　　2　测量系统

　　在能够测量喷雾范围粒径的光学技术中,脉动法(fluctuation method)是近几年发展起来的方法。该方法最早由Wesely和Ripper等人实际应用到颗粒测量中[11],后由本文作者进行了改进和发展[12]。该技术利用透射光信号,结合光散射理论和颗粒在空间分布概率规律计算求解颗粒粒径和浓度。由于测量的是透射信号,而且为了增强信号中有效脉动的份额,系统中均采用直径细小的激光光束,所以据此开发的测量系统的光发射和接收端可以做得很小,为仪器的各种在线使用提供了先天优势。该种测量技术不但可以给出喷雾的粒径,还可以给出空间体积内的颗粒浓度。因此,测量结果除了可以用来观察喷雾粒径的变化外,还可以用来研究喷雾浓度分布均匀程度。