一種文丘里霧化噴嘴設(shè)計(jì)*

陳 姣，袁舒欣，楊 剛，唐亞鳴

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022)

0 引言

空氣霧化是霧化的另一種手段，其原理是借助于高速空氣射流與液體的摩擦、剪切等作用，產(chǎn)生非常均勻和最細(xì)密的霧化效果。一般空氣霧化噴嘴的平均的霧化液滴直徑可達(dá)50μm以下。但空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，必須根據(jù)具體的用途進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)?？諝忪F化噴嘴主要包括氣體輔助霧化噴(Air－assist Atomizers)、氣泡霧化噴嘴(Effervescent Atomizers)和氣哨噴嘴幾種形式［1～2］。通過對(duì)水霧捕塵的分析，干霧噴嘴必須滿足以較低的氣耗率得到細(xì)微的霧化液滴，在此借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，筆者將進(jìn)行理論計(jì)算和數(shù)值求解，具體設(shè)計(jì)干霧噴嘴結(jié)構(gòu)。

1 噴嘴總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)氣霧噴嘴的性能參數(shù)與功能要求，其設(shè)計(jì)需要滿足以下要求。

(1)具有良好的霧化性能，霧化顆粒粒徑要≤10 μm，分布盡可能均勻。

(2)氣耗率是衡量噴嘴使用經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。因此在保證霧化性能的前提下，要盡可能地降低氣耗率。

(3)合適的霧化角和射程。霧化角和射程對(duì)噴嘴的數(shù)量與布置有著很大影響，一定的霧化角度和射程可以使得噴霧覆蓋除塵空間。

(4)防堵性能，保證長(zhǎng)期連續(xù)工作。從防堵的角度，噴嘴結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，出口口徑不能過小，最好還可以實(shí)現(xiàn)自清洗防堵的功能。

(5)滿足一定的強(qiáng)度要求，足以承受工作中的壓力載荷。

(6)具有較長(zhǎng)的使用壽命。當(dāng)水與壓縮空氣進(jìn)行動(dòng)量交換，會(huì)對(duì)噴嘴進(jìn)行磨損，特別是水氣混合口及噴嘴出口處，所以噴嘴的材料應(yīng)具有一定的抗磨損能力以保證使用壽命。

圖1展示了氣泡式霧化噴嘴的示意圖，國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)氣泡霧化噴嘴做了較多的研究，從文獻(xiàn)［3］劉聯(lián)勝和文獻(xiàn)［4］梁曉燕所研究的氣泡霧化噴嘴來看，其最小SMD都在20μm左右，尚不能滿足干霧抑塵的要求，故本文不采用氣泡式霧化噴嘴。圖2是Y型噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，屬于氣助式噴嘴，氣耗率高，SMD也不滿足。

圖3、圖4是氣動(dòng)噴嘴，依靠氣體強(qiáng)大的速度動(dòng)能對(duì)液滴破碎霧化，也可以得到很好的霧化效果。A型噴嘴是液體走中間通道，空氣走環(huán)形周向;B型則正好相反。為了得出更細(xì)微的水霧，滿足設(shè)計(jì)要求，需要充分利用高速氣體射流，因此氣體走中間通道，保證氣體流向不變，選擇B型結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)必須改進(jìn)，以大大減少液體額定流量，增強(qiáng)霧化性能。最終，確定噴嘴總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，中間氣體通道采用文丘里管［5］。

圖1 氣泡式霧化噴嘴

圖2 Y型噴嘴

圖3 氣動(dòng)型噴嘴A

圖4 氣動(dòng)型噴嘴B

圖5 總體結(jié)構(gòu)示意圖

為了得出更細(xì)微的水霧，滿足設(shè)計(jì)要求，需要充分利用高速氣體射流，因此選擇氣體走中間通道，所以選擇B型結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)必須改進(jìn)。為了減少液體額定流量，使液氣兩相進(jìn)行充分混合，并增強(qiáng)霧化性能，所以中間氣體通道選擇文丘里管形式。

文丘里管構(gòu)造有多種形式。按斷面形狀分為圓形、環(huán)形和方形三種;按供水方式可分為徑向內(nèi)噴、軸向噴水和溢流供水三類;按喉管直徑的可調(diào)節(jié)性分為可調(diào)的和固定的兩類;按液體霧化方式可分為預(yù)霧化型和非霧化型。文丘里管的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 文丘里管示意圖

2 斷面形狀的選擇

為使水流噴射達(dá)到一定的距離，喉管應(yīng)根據(jù)需要選擇不同的截面。常用的截面形狀有圓形，環(huán)形和矩形，如圖7所示，圖7(a)是圓形，(b)是環(huán)形，(c)是矩形，后兩種主要適用于大風(fēng)量的情況下，因此，本設(shè)計(jì)采用圓形的喉管形狀如圖7(a)。文丘里管的內(nèi)表面是一個(gè)對(duì)稱于旋轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)表面，該軸線與管道軸線同軸。對(duì)于文丘里管的其他部分的設(shè)計(jì)，收縮段是一個(gè)圓錐形管道，錐度根據(jù)工作情況而定，擴(kuò)散段也是一個(gè)圓錐形管道，但是錐度沒有收縮段大，因?yàn)閿U(kuò)散段錐度和長(zhǎng)度會(huì)影響液氣混合體的狀態(tài)，也會(huì)影響整個(gè)管道的效率。

圖7 文丘里喉管斷面形狀

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使分散的液滴與氣流的相對(duì)速度最大，對(duì)供水方式的主要要求是使液滴在喉部整個(gè)截面上盡可能快地均勻分布，供水方式主要分為徑向內(nèi)噴、軸向噴水和溢流供水三類，研究發(fā)現(xiàn)，徑向內(nèi)噴適用于小流量的情況下，因此本設(shè)計(jì)采用徑向內(nèi)噴的供水方式。

綜合以上主要要求和結(jié)構(gòu)的選擇，最終選定的文丘里管的總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

文丘里噴嘴的主要部分設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，為了方便加工和拆卸，將文丘里氣管分段加工。最終，按照以上所設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)和計(jì)算尺寸，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建立了噴嘴的三維建模，其外形圖和剖面圖分別如圖9所示。

其中，環(huán)形液膜水道間隙h=(D1－D2)/2=(42－22)/2=5 mm，注入液體小孔的直徑d=4 mm，數(shù)目N=4，周向環(huán)形均勻布置。連接部分為螺紋連接，在文丘里管底部有密封圈。

式中:Q為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量L/min;n為方向盤轉(zhuǎn)速，通常取1 ～1．5 r/s。

3．5 確定油泵供油量Q b

式中:Qb為轉(zhuǎn)向泵的流量，L/min;Qa為輔助工作系統(tǒng)需要的流量，L/min。

當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與輔助工作系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，油泵供油量應(yīng)等于兩系統(tǒng)需要的最大流量之和。但是，一般系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)要求兩系統(tǒng)最大流量，因此，油泵供油量可根據(jù)具體情況選小些。當(dāng)兩系統(tǒng)不同時(shí)工作時(shí)，油泵供油量只要稍大于兩者之中的較大值。

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)轉(zhuǎn)向泵也有足夠的流量轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向泵在發(fā)動(dòng)機(jī)額定狀態(tài)下的流量還應(yīng)大于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量Q的3倍。所以，按上述計(jì)算完成設(shè)計(jì)后，轉(zhuǎn)向泵的排量qB按式(12)進(jìn)行驗(yàn)算:

式中:qB為轉(zhuǎn)向泵的排量，mL/r;nr為柴油機(jī)額定狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

［1］ 郁錄平．工程機(jī)械底盤設(shè)計(jì)［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］ 吉林工業(yè)大學(xué)．工程機(jī)械液壓與液力傳動(dòng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1979．