北工自动化减温装置的喷水结构设计多样，但它们的核心目标是一致的：促进减温水的迅速汽化，从而缩短蒸汽的降温行程。

为了实现这一目标，北工自动化创造了多种类型的减温装置，如多孔式、漩涡式、文丘里管式以及自动雾化可调喷嘴式等。其中，多孔式喷水减温装置通过一组小孔将减温水喷入蒸汽中。这种装置利用高喷水压头，使减温水在通过喷孔时得以雾化，从而将压力损失转化为雾化所需的能量。以1kg减温水为例，喷入蒸汽后，其雾化所形成的表面积F和表面张力S共同决定了雾化所需功的大小。
式中，S代表表面张力，单位为N/m；F表示雾化所需表面积，单位为m²。这部分功的转换，正是通过减温水的喷水压头来实现的。当1kg减温水被喷入蒸汽时，喷水压头的损耗功计算如下：
式中，γ代表减温水的密度，单位为kg/m³；Δp则表示喷水压力损耗，也就是喷孔前的减温水压力与蒸汽压力之间的差值，单位为MPa。通过结合式(2-3)和式(2-4)，我们可以推导出相应的计算式。
由此，我们可以揭示喷水经过喷孔时的压力损耗Δp与减温水雾化所形成的表面积F之间的内在联系。喷水压头越高，喷水经过喷孔的压力损失就越大，这进一步促进了减温水的更完善雾化。事实上，多孔式喷水减温装置正是基于这种Δp的利用来实现雾化的。

多孔式喷水减温装置有多种形式，其中最为常见的是喷头式和笛形管式。
喷头式喷水减温装置主要由喷头和内衬混合管构成，它巧妙地利用过热蒸汽的联箱或连接管道作为壳体，通过在联箱封头或壁上插入喷管，使得减温水能够从喷头的小孔中喷出。喷头的类型有顺汽流喷水和逆汽流喷水两种，以满足不同的减温需求。其最简单的结构如图2-13所示，其中喷头从联箱的封头伸入，端面上分布着若干小直径的喷孔，蒸汽通过这些喷孔与减温水进行混合。由于喷孔直径较小，经过喷孔的水速通常较高，一般达到10m/s以上，从而确保了减温水的有效雾化。

另一种喷头式减温装置的设计，则是将减温水管直接从联箱壁处伸入，并采用逆蒸汽流喷水的方式进行减温。这种设计同样广泛应用于高压锅炉中。以东方锅炉(DG300/100-1)和哈尔滨锅炉(HG220/100-1)为例，它们所设计的喷头式减温装置的结构数据如表2-8所示。
喷头式喷水减温装置以其结构简单和制造便捷而受到青睐。然而，其喷孔数量受限于特定结构，难以进一步增加，这导致喷孔阻力相对较大，从而在大容量锅炉的应用上受到一定程度的约束。此外，在运行过程中，喷头常因高速汽流的冲击而发生振动，甚至出现断落等意外。因此，在设计和安装阶段，需特别关注喷头悬臂梁的稳固性，以确保其安全可靠，如图2-14所示。

笛形管式喷水减温装置

由笛形管与内衬混合管协同作用，常被用于锅炉中，以过热蒸汽的联箱或连接管道为减温装置的壳体。在笛形管上，可灵活开设多个小孔，以满足不同的减温需求。这种减温装置的喷水方向，既可顺汽流，也可逆汽流。对于喷水量较小的装置，通常采用单管设计；而喷水量大的情况，则可能选择双管或多管设计，其具体结构可参见图2-15和图2-16。此外，表2-9还详细列出了几台锅炉所采用的笛形管式减温装置的结构数据。

图2-16展示了单根笛形管式减温装置的另一种形式。这种装置结构简单，安装便捷，但减温水的雾化效果欠佳。特别是在减温水水量较小的情况下，喷孔处的水速较低，可能导致减温水无法有效雾化，水滴直接落入汽流中。此时，高速汽流只能依靠搅拌来破碎水滴并促使其汽化。

为了应对这一问题，多孔式喷水减温装置通常配备薄壁内衬混合管，旨在减轻雾化不完善的减温水滴对厚壁联箱或连接管道内壁的热冲击。当较粗的减温水滴撞击内衬混合管时，由于其蓄热惯性小，温度容易变化，从而迅速汽化水滴，减小热应力。联箱或连接管道与混合管之间的空间通过断续焊接相连，一般留有10%的不焊部分以平衡压力，确保混合管不受强度应力。混合管的温度可能不同于蒸汽联箱或连接管道，因此它必须能够自由膨胀。常见的设计是在汽流进口端固定，而混合管可向后自由膨胀。混合管的长度需根据减温水的汽化长度来确定。

此外，还有旋涡式喷水减温装置，其由旋涡式喷嘴、文丘里管和混合管组成，适用于蒸汽联箱或连接管道内。减温水在喷嘴中形成强烈旋转，利用离心力雾化成细小颗粒。这种装置喷出的水雾形成伞面，与蒸汽充分接触，实现高效热交换，缩短了减温水的雾化长度。然而，此类装置的缺点是减温水经过喷嘴时的压力损失较大。

旋涡式喷水减温装置的结构如图2-17所示，其结构数据如表2-10所示。
在旋涡式喷水减温装置中，旋涡喷嘴与减温水管构成悬臂结构，当高速蒸汽流经过时，会在喷嘴背面产生卡门涡流。若卡门涡流的激振频率与喷嘴的固有频率相一致，即激振频率与固有频率之比f/fn等于1，便会引发共振，可能导致喷嘴出现裂纹甚至断裂。因此，必须采取措施防止这种共振现象的产生。图2-17所示的结构中，通过采用支撑钢碗的方法来消除共振。钢碗的下端设计得较厚实，而上端则较为薄削，其下端与喷嘴进水管焊接，上端则紧贴管座衬圈并能够自由滑动。这样的设计使得钢碗能够发挥弹性吸振的作用，从而有效防止共振的发生。

图2-17展示了旋涡式喷水减温装置的结构。当高速蒸汽流经过旋涡喷嘴时，会在喷嘴背面产生卡门涡流。这种涡流的激振频率与喷嘴的固有频率密切相关，可能引发共振问题。为了防止共振，我们采用了支撑钢碗的设计，其下端厚实，上端薄削，并与喷嘴进水管焊接。钢碗的上端紧贴管座衬圈，并能够自由滑动，从而利用其弹性吸振的特性来消除共振现象。
式中，w代表蒸汽绕流速度，以m/s为单位；D则是旋涡式喷嘴的外径，单位为mm；而K，即斯特哈罗系数，是一个与雷诺数Re密切相关的参数。许多国家都曾对K值进行过广泛的试验测定，其中美国拔伯葛公司和日本日立公司的试验结果已详细列于表2-11中。
在大容量锅炉的减温装置中，其雷诺数通常落在105至106的范围内。依据东方锅炉的实践经验，推荐选用K值为27。接下来，我们可以利用这一数值来计算旋涡式喷水减温装置喷嘴的固有频率，具体计算公式如下：
式中：E——喷嘴的纵弹性系数；
I——悬臂进水管环形端面的二次惯性矩，单位为平方米；
L——喷嘴的总悬臂长度，单位为米；
m——喷嘴质量，单位为千克；
Fi——悬臂进水管断面积，单位为平方米。

由于卡门涡流主要针对纯圆柱体，而旋涡式喷嘴并非纯圆柱体，且其迎汽流面为平面，背面则有减温水喷出，因此需综合考虑这些特殊因素，并留有一定安全裕度，以确保在设计时满足f/fn≤75的条件，从而防止共振现象。

此外，旋涡式喷水减温装置的设计还需注意喷水孔的位置。为确保减温效果，喷水孔应置于减温装置联箱的中心线上。这意味着在联箱壁上需要开设非径向孔，以允许减温水管伸入。此时，必须对这类偏中心线的非径向孔进行强度校核计算，以确保其结构安全性。

尽管旋涡式喷水减温装置在我国的应用经验尚浅，但相关试验已显示出其优越的雾化效果。例如，谏壁电厂410t/h锅炉的试验表明，良好的雾化使得减温水在喷入后2米处已完全汽化，5米处则达到均匀混合状态。同时，试验还测得喷孔直径为24毫米时的喷嘴阻力系数为4，进一步证明了其优秀的减温性能。

在装置的内衬混合管方面，既可以选择直管，也可以采用文丘里管直管段，以促进减温水和蒸汽的充分搅拌。这两种方案所采用的旋涡型喷嘴结构是完全一致的，如图2-18所示。

图2-19　文丘里管喷水减温装置结构

在蒸汽联箱或连接管道中设置文丘里管，通过缩小管径使蒸汽流速达到约100m/s的高速。在缩口周围，设计了一个环形减温水室，并配备若干喷水孔。减温水管将水引入这个环形水室，再通过喷水孔喷入高速蒸汽流中。

为了降低喷孔的阻力，设计时选择的水速通过喷孔后降至较低水平，大约在1~2m/s范围内。这样，以低速喷入的减温水能够立即被高速蒸汽流所破碎，从而实现高效的雾化效果。

图2-19　文丘里管喷水减温装置

文丘里管内部蒸汽的速度与压力变化情况，如图2-20所示。当蒸汽刚进入文丘里管时，其流速逐渐增加，同时压力开始下降，而在缩口位置，压力达到最低点。这里，蒸汽进口与缩口处的压力差，即Δpej，构成了文丘里管产生的负压。这一负压为减温水喷入蒸汽提供了额外的推动力。因此，此类减温装置特别适用于那些喷水压头较低的减温场合。

图2-20展示了文丘里管内蒸汽速度和压力的变化情况。该减温装置的蒸汽阻力相对较小，这是其显著特点之一。在蒸汽经过缩口后，其压力在渐扩管中逐渐恢复。此外，文丘里管还具有较低的不可逆损失Δpb，其值取决于渐扩管的角度和蒸汽流速。经过实践验证，渐扩管的最佳角度范围为6°至8°。相较于现有电站锅炉的减温装置，其Δpb通常约为05MPa。

文丘里管不仅具有出色的减温效果，还对蒸汽联箱或管道起到保护作用。通过接上一段内衬混合管，可以有效地避免减温水滴对联箱或管道的热冲击。此外，文丘里管采用进口端固定、蒸汽出口端自由伸缩的设计，确保其与联箱之间的环形空间内通有少量蒸汽，从而平衡汽流的压力。

文丘里管喷水减温装置在我国得到了广泛的应用。以某锅炉厂设计的文丘里管喷水减温装置为例，其结构数据如表2-12所示。长期运行证明，该设备安全可靠，能够满足各种减温需求。

自动雾化可调喷嘴减温装置

自动雾化可调喷嘴减温装置，集成了自动雾化可调喷嘴、文丘里管与混合管，代表了最新的技术发展。这种装置根据喷嘴数量的不同，可分为单喷嘴和多喷嘴两种类型，分别如图2-21和图2-22所示。

图2-21展示了自动雾化可调单喷嘴减温装置的设计。这种装置结合了自动雾化可调喷嘴的独特技术，配合文丘里管与混合管，实现了高效的减温效果。其设计简洁而实用，适用于各种需要精确控制温度的场合。

图2-22展示了自动雾化可调多喷嘴减温装置的设计。在这种装置中，减温水经过旋转雾化自动可调喷嘴后，其雾化粒（平均水滴直径）被控制在50μm以下，且分布均匀。由于水滴直径越小，蒸发时间越短，因此汽、水混合的直管段及出口至温度测点的距离得以缩短，从而优化了减温效果，并大幅减少了整体装置的长度。与配备1~3mm小孔的笛形喷嘴装置相比，其减温效果有显著的提升。
此外，该装置采用了高压差调节阀与自动止回旋转雾化可调喷嘴的组合式减温工艺技术与结构。通过改变调节阀的流道面积来粗调流量，再利用管内的自动止回旋转雾化可调喷嘴进行细调，以保持减温水的喷射速度恒定。同时，利用管部的高蒸汽流速来改善雾化效果，进一步提升减温效果并扩大流量调节范围。自动雾化可调喷嘴的结构如图2-23所示，其雾化效果如图2-24所示。

图2-23展示了自动雾化可调喷嘴的详细结构。这种喷嘴设计独特，结合了高压差调节阀与自动止回旋转雾化技术，实现了流量与雾化效果的精细控制。其内部结构经过精心优化，旨在确保减温水的喷射速度保持恒定，同时利用管部的高蒸汽流速来进一步提升雾化效果。这样的设计不仅优化了减温效果，还扩大了流量调节的范围。
图2-24展示了经过技术改进后的喷嘴所达到的优越雾化效果，特别是在高温环境下的表现更为出色。这得益于采用了INCONEL材质的弹性元件，该元件经过500℃高温试验和540℃高温高压机组的实际运行验证，充分证明了改进的有效性。如今，这款经过改进的喷嘴已在高温高压装置中得到了广泛的应用。图2-25和图2-26分别展示了不同弹性元件在高温条件下的刚度变化情况。