新型清洗噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與沖擊力度實(shí)驗(yàn)*

□陳楷 □唐亞鳴

河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇常州 213022

新型清洗噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與沖擊力度實(shí)驗(yàn)*

□陳楷 □唐亞鳴

河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇常州 213022

針對(duì)傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴在清洗空冷島散熱翅片時(shí)存在耗水量大的缺點(diǎn)，對(duì)高壓水射流噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型氣液兩相噴嘴，通過(guò)Fluent仿真軟件了解其流場(chǎng)的速度分布情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其沖擊力。

翅片清洗 氣液兩相噴嘴 仿真 沖擊力

直接空冷技術(shù)在富煤缺水地區(qū)的發(fā)電廠建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，而空冷島散熱翅片的清洗效果直接關(guān)系到空冷系統(tǒng)的冷卻效果。現(xiàn)有的空冷島散熱翅片清洗裝置采用高壓水射流清洗，清洗系統(tǒng)主要由高壓水泵、高壓管路系統(tǒng)、清洗裝置和控制系統(tǒng)組成，這種裝置清洗效率較高，但在清洗過(guò)程中需要消耗大量的水資源，這是富煤缺水的發(fā)電地區(qū)所面臨的困境之一［1］。

筆者對(duì)該裝置的清洗噴嘴進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在保證翅片清洗效果的同時(shí)，可以大大減少水用量，降低能耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 氣液兩相噴嘴的設(shè)計(jì)

1.1 噴嘴設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，傳統(tǒng)的高壓水射流噴嘴結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，利用高壓使水流具有較高的速度，從而具有比較大的沖擊力，但這種噴嘴耗水量較大。由于氣體的流速高，因此考慮將高壓氣融入到傳統(tǒng)的清洗方式中，設(shè)計(jì)的氣液兩相噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是：噴霧時(shí)，高壓水和高壓氣體分別從各自入口進(jìn)入噴嘴混合腔，由于氣流相對(duì)水流有更高的流速，因此會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生較大的摩擦力，形成巨大的推動(dòng)和撕裂作用，液體在出口處被加速、霧化［2-3］。但由于清洗翅片以水流沖擊力為主，氣流起到輔助沖擊作用，對(duì)水霧的細(xì)化要求較

低，所以，在氣液射流束中，水流走中間，氣流走環(huán)形周向。

▲圖1 高壓水射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 氣液兩相噴嘴結(jié)構(gòu)圖

1.2 兩相方程

由文獻(xiàn)［4］、［5］可知兩相特性滿足以下控制方程：連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量守恒方程：

組分質(zhì)量守恒方程：

式中：ui、uj為流體在i、j方向的動(dòng)力黏性系數(shù)；k為絕熱系數(shù)，對(duì)于壓縮空氣k=1.4；cP為比熱容；Si為i方向上的外部體積力；ST為化學(xué)反應(yīng)熱和其它體積熱源；S1為其他質(zhì)量源項(xiàng)；Γ1為質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，ρ為流體密度，T為流體組分的總焓（與溫度有關(guān)）；m1為流體質(zhì)量。

2 氣液兩相噴嘴速度場(chǎng)的仿真模擬

由于清洗空冷島散熱翅片的實(shí)際工況較復(fù)雜，無(wú)法直接由仿真得到射流經(jīng)過(guò)翅片的沖擊力分布情況，因此選擇模擬射流打擊壁面的速度場(chǎng)來(lái)推測(cè)其沖擊力變化。由已知研究結(jié)果［6］可知，高壓純水射流在空氣中沖擊物體時(shí)，在起始處隨噴距的增大，流速逐步減小。

2.1 氣液兩相噴嘴模型的建立

噴嘴實(shí)物結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化數(shù)值模擬計(jì)算，兩相噴嘴的簡(jiǎn)化模型如圖3所示，各參數(shù)為：高壓水入口直徑D=2 mm，水壓為30 MPa，噴嘴出口直徑d=1 mm，高壓氣入口外圈直徑D1=6 mm，內(nèi)圈直徑D2=3 mm，氣壓為0.8 MPa。對(duì)比傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴，各參數(shù)為：高壓水入口直徑D=2 mm，水壓為30 MPa，噴嘴出口直徑d=1mm。

▲圖3 兩相噴嘴簡(jiǎn)化模型

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4為X軸向的速度曲線圖、圖5為氣液兩相噴嘴流場(chǎng)的速度矢量圖，由圖可知，兩相噴嘴的最大速度值并非是在噴嘴的出口處，而是在離噴嘴出口3～5 mm（噴嘴長(zhǎng)度為10 mm）處達(dá)到最大速度值（此次仿真為274 m/s），且相對(duì)于高壓水射流噴嘴有更高的出口速度，這有利于在出口處增大流體的沖擊力，提升對(duì)空冷翅片的清洗效果。

圖4 X軸向的速度曲線

▲圖5 氣液兩相噴嘴流場(chǎng)的速度矢量圖

3 水霧沖擊力測(cè)試

3.1 沖擊力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

水霧沖擊力測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，為量化氣液兩相霧化噴嘴的清洗效果，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試水霧穿過(guò)散熱翅片200 mm處的沖擊力為參考依據(jù)，翅片采用間距為2.8 mm的單排蛇形翅片管，污染時(shí)間為3個(gè)月。其測(cè)試原理是：由于空冷散熱翅片在附著灰塵時(shí)的翅片間距較小，如果噴嘴射出的水霧無(wú)法穿過(guò)翅片區(qū)域，水霧沖擊力測(cè)試儀將無(wú)法采集水霧沖擊力度，或者采集的力度數(shù)值很小。

為了證明氣液兩相霧化清洗翅片的可行性，本次

實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的3 mm出口直徑的高壓水射流噴嘴進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴工作參數(shù)：出口直徑d=3 mm，水流量：13.3 L/min，壓力：6 MPa。

氣液兩相霧化噴嘴各工作參數(shù)：出口直徑d=1 mm，水流量：5.15 L/min，壓力：10 MPa；氣流量：17.95 m3/h，壓力：0.8 MPa。

▲圖6 水霧沖擊力測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1為噴嘴沖擊力對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了使實(shí)驗(yàn)兼具特殊性和比較性，得到比較可靠的結(jié)論，又對(duì)兩相噴嘴進(jìn)行了沖擊力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其水壓和氣壓保持不變。

表1 各噴嘴沖擊力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表中可知，φ1 mm氣液兩相霧化噴嘴所能達(dá)到的沖擊力與φ3 mm的傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴相當(dāng)，且經(jīng)過(guò)翅片后的沖擊力損失更小，說(shuō)明從兩相噴嘴噴射出的射流更易經(jīng)過(guò)翅片，清洗更容易，從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)參數(shù)也可以看出高壓水射流噴嘴耗水量較大，因此在達(dá)到同樣清洗效果的情況下，兩相噴嘴更加節(jié)水。同時(shí)只通水和只通氣的兩相噴嘴也具有一定的沖擊能力，對(duì)于清洗污垢比較輕的翅片，可以依靠高壓空氣來(lái)除塵，再加上少量高壓水來(lái)抑塵，達(dá)到清洗的目的。

由于實(shí)驗(yàn)條件有限，筆者對(duì)單個(gè)噴嘴的沖擊力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但空冷島散熱翅片清洗的實(shí)際工況較為復(fù)雜，與噴嘴的數(shù)量、排列方式均有關(guān)系，技術(shù)成熟度有待提高。

4 結(jié)論

（1）從氣液兩相流的角度對(duì)傳統(tǒng)的高壓水射流噴嘴進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出了一種新型的空冷島散熱翅片清洗噴嘴，并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真，了解了兩相噴嘴的流場(chǎng)速度分布，同時(shí)通過(guò)沖擊力實(shí)驗(yàn)，證明了兩相噴嘴在空冷島翅片上清洗的可行性和先進(jìn)性。

（2）兩相噴嘴噴射出的射流更易經(jīng)過(guò)翅片，清洗更容易，對(duì)于清洗污垢比較輕的翅片，可以依靠高壓空氣來(lái)除塵，再加上少量高壓水來(lái)抑塵，達(dá)到清洗的目的。

［1］傅松，王福祿.當(dāng)前空冷電站存在的問(wèn)題及國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)［J］.電力情報(bào)，1995（4）：8-10.

［2］張淑榮.氣流式霧化噴嘴的特性研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2006.

［3］劉聯(lián)勝，楊華.環(huán)狀出口氣泡噴嘴液膜破碎過(guò)程與噴霧特性［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2005，11（2）：121-125.

［4］Y M Lee，R A Berry.Analysis of the Two-phase Flow in a de Laval Spray Nozzle and Exit Plume［J］.Journal of Thermal Spray Techology，1994，3（2）：179-183.

［5］林宗虎.氣液兩相流和沸騰換熱［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

［6］李寶仁，金福旭.細(xì)水霧滅火系統(tǒng)霧化噴嘴設(shè)計(jì)及仿真［J］.液壓與氣動(dòng)，2010（9）：1-4.

（編輯 丁 罡）

國(guó)內(nèi)最大自重570 t特大型挖泥機(jī)誕生

近日，從北京傳來(lái)喜訊，經(jīng)國(guó)家科技部5位專家驗(yàn)收并全票通過(guò)，由武漢理工大學(xué)和衛(wèi)華集團(tuán)共同研制生產(chǎn)的一臺(tái)自重570 t的特大型挖泥機(jī)在衛(wèi)華集團(tuán)告竣。這臺(tái)目前國(guó)內(nèi)最大挖泥機(jī)的誕生，結(jié)束了我國(guó)一直沒(méi)有自主研發(fā)、自行設(shè)計(jì)制造特大型挖泥機(jī)的歷史。

據(jù)悉，該挖泥機(jī)是國(guó)家“863計(jì)劃”、國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。此項(xiàng)目經(jīng)前期市場(chǎng)調(diào)研、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、方案制定、專家評(píng)審等階段，于去年6月開(kāi)始生產(chǎn)制造。在生產(chǎn)制造中，技術(shù)和生產(chǎn)制造人員突破重重難關(guān)，特別是對(duì)一些超大型鋼結(jié)構(gòu)及復(fù)雜零部件制作，如φ3.6×8.4 m的支撐圓筒，12.5 m×10.5 m× 1.85 m的轉(zhuǎn)臺(tái)，30 m×4.5 m×1.8 m的臂架等，僅工裝胎具就設(shè)計(jì)制作了20余種，使該設(shè)備更加科學(xué)、精密。該挖泥機(jī)使用了平挖控制、水下挖掘可視化、超大功率變頻、多傳動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)16項(xiàng)，其中3項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。此機(jī)與其相匹配的船只組裝后，可用于河道疏浚和海底電纜鋪設(shè)前的泥石挖掘等。該挖泥機(jī)鋼絲繩最大拉力70 t，最大下潛深度達(dá)60 m，一次可挖泥石18 m3。

據(jù)了解，之前國(guó)內(nèi)使用的同類產(chǎn)品全部依賴進(jìn)口，衛(wèi)華大型挖泥機(jī)的成功研制，打破了國(guó)際壟斷，標(biāo)志著我國(guó)大型挖泥機(jī)一舉邁進(jìn)了世界高端制造領(lǐng)域。

（鐵嘉 衛(wèi)華）

TH122

A

1000-4998（2015）09-0053-03

*江蘇省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：KYLX_0426）

2015年3月