離心旋流式噴嘴霧化特性實驗研究

（1.北京航空航天大學(xué) 機械工程及其自動化學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 611731）

離心旋流式噴嘴霧化特性實驗研究

李承覬1,2，張德遠1

（1.北京航空航天大學(xué) 機械工程及其自動化學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 611731）

目的進一步優(yōu)化低溫多效蒸餾技術(shù)中的噴淋布液方式，提高海水淡化換熱效率。方法采用馬爾文激光粒度分析儀、高速攝像機和翻轉(zhuǎn)水量儀對不同口徑的CJ-9型離心旋流式噴嘴進行研究。結(jié)果同一口徑的噴嘴，隨著水流壓力的增加，液滴粒徑分布的均勻性顯著提高。隨著水壓的增加，同一個噴嘴液體破碎的紋路變密，同時液膜破碎的長度變短，破碎效果越好，霧化性能越好。同一口徑的噴嘴，入口壓力越大，其邊緣流峰值越高，空心化率現(xiàn)象越明顯。同一壓力下不同口徑的噴嘴，口徑越大，其形成雙波峰的跨度越短；同一口徑的噴嘴，入口壓力越大，其形成雙波峰的跨度越長，其邊緣流峰值越高。結(jié)論 液滴粒徑分布的均勻性隨著水壓的增加或孔徑的減小而顯著提高，噴淋密度在直徑方向上存在兩個峰值，運用“峰谷疊加”原理，來滿足低溫多效蒸發(fā)器布液均勻的整體要求。

低溫多效蒸餾；霧化特性；霧滴粒徑分布；噴淋密度

我國淡水資源總量不少，但人均擁有量低。目前全球淡水資源形勢嚴峻，已成為人類生存的威脅。解決淡水危機的重要技術(shù)是海水淡化[1]。低溫多效蒸餾（LT-MED）海水淡化技術(shù)是20世紀70年代末由以色列IDE公司開發(fā)的[2]，是目前主流海水淡化技術(shù)之一[3]。低溫多效蒸餾(LT-MED)技術(shù)是利用高溫蒸汽與噴淋海水的溫差進行熱交換，管外側(cè)海水受熱蒸發(fā)濃縮，管內(nèi)側(cè)蒸汽冷卻形成凝結(jié)淡水并收集而成[4—5]。因其具有產(chǎn)品水水質(zhì)好、預(yù)處理簡單、腐蝕和結(jié)構(gòu)風險小、單機制水能力大以及經(jīng)濟好等特點，得到了越來越多的應(yīng)用[6—7]。

LT-MED蒸餾工況即是噴淋的海水在換熱管殼層形成液膜，而液膜厚度、噴淋的均勻性和通量直接影響到產(chǎn)生二次蒸汽的量，從而影響產(chǎn)水量。在噴淋不均勻或者噴淋量不夠的情況下，會產(chǎn)生傳熱管干壁的現(xiàn)象，從而造成結(jié)垢而影響傳熱效果，同時也會降低傳熱管的使用壽命[8]。因此噴嘴的性能是影響低溫多效蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵所在，液滴的粒徑分布和噴淋密度的均勻性是評判噴嘴性能的重要指標[9]。

近年來，許多學(xué)者對噴嘴的液滴粒徑分布特性及應(yīng)用進行了相關(guān)的研究[10]，而以海水為霧化介質(zhì)，用于低溫多效蒸餾技術(shù)的噴嘴霧化特性的研究還比較少，同時噴嘴霧化均勻性對噴淋系統(tǒng)性能影響的研究也很稀缺。通過對應(yīng)用于低溫多效蒸餾技術(shù)的離心旋流式噴嘴的霧化性能做系統(tǒng)的研究，得到的研究結(jié)果可以進一步優(yōu)化低溫多效蒸餾技術(shù)中的噴淋布液方式，從而對提高海水淡化換熱效率具有重要的意義。

文中以出口印度海水淡化項目的型號為 CJ-9的離心旋流式噴嘴為研究對象，采用馬爾文Spraytec噴霧粒度分析儀和高分辨率數(shù)碼相機等設(shè)備，對三種不同噴射孔徑噴嘴的噴霧粒徑分布及噴淋密度均勻性進行實驗研究。

1 實驗噴嘴和裝置

1.1 實驗噴嘴

實驗噴嘴為離心旋流式噴嘴，如圖1所示。該噴嘴經(jīng)過特殊的設(shè)計，使得液體沿著切向的方向進入噴嘴，在噴嘴的旋流室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，與噴嘴的封蓋處進行碰撞，使其具備不同方向的射流速度，在噴嘴出口以實心環(huán)狀液膜的形式噴出。由于不再受到內(nèi)壁的約束，液體沿著軸向及切向運動，形成一個實心錐形薄膜，即所謂噴射錐，噴射錐角一般為90°～110°高速的液流在剪切力和表面波的作用下實現(xiàn)破碎、霧化[11]。采用3只離心式旋流噴嘴，噴嘴的噴射孔徑d分別為15，14.5，13 mm（下文分別簡稱為大號、中號和小號噴嘴）。

圖1 離心旋流式噴嘴Fig.1 tomizing properties of centrifugal swirl nozzle

1.2 實驗裝置

實驗裝置搭建在恒壓水流噴霧實驗臺上，該實驗臺由霧化裝置、水路系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖2所示。水路系統(tǒng)包括水源、儲水罐、高壓氣源、調(diào)節(jié)閥，測量系統(tǒng)主要包括高速高分辨率數(shù)碼相機、馬爾文噴霧粒度分析儀、翻轉(zhuǎn)水量儀、壓力表和玻璃轉(zhuǎn)子水流量計等。

連接水泵的控制閥與水泵為聯(lián)動控制，可調(diào)出所需要的壓力。翻轉(zhuǎn)水量儀由水平排狀量筒架、有機玻璃管組成。量筒架呈水平直線布置，如圖3所示。水平排狀量筒管束適用于垂直射流回落液膜分布的測量[12]。根據(jù)噴嘴噴出的霧化液滴呈現(xiàn)實心圓錐形的這一現(xiàn)象，認為沿錐體高度的橫截面在同一個圓周的噴淋密度分布恒定不變，這樣可選取一個經(jīng)過霧錐母線的平面，通過試驗來測量該平面沿水平方向噴淋流量的分布。待水泵水壓穩(wěn)定后，水量儀翻轉(zhuǎn)傾倒原噴出的積水液，這樣可以準確測試出單位時間內(nèi)噴嘴流出的水量，從而實時測量噴嘴的各點的準確流量。馬爾文Spraytec噴霧粒度分析儀量程為4.6～2000 μm，在距噴嘴噴口400 mm 處對噴霧的液滴粒徑等參數(shù)進行實時測量，測出其粒徑的分布數(shù)據(jù)。

圖2 恒壓水流噴霧試驗臺Fig.2 Test rig of constant pressure water spray

圖3 水平方向量筒架Fig.3 The rack of horizontal measuring cylinder

2 結(jié)果及分析

2.1 噴嘴液滴粒徑分布變化規(guī)律

通過調(diào)節(jié)水路控制閥，使水壓分別為0.5，0.7，1.0 MPa，使用馬爾文粒度測試儀距噴口 400 mm處測量液滴粒徑。由于噴嘴口徑較大，水壓較小，其產(chǎn)生的粒徑區(qū)間跨度較大，為使結(jié)果更為準確和形象，把集中分布的大粒徑且數(shù)量累計數(shù)連續(xù)分布的粒徑納入統(tǒng)計范圍內(nèi)。粒徑數(shù)值含義為中值直徑，一半體積的水由直徑小于中值直徑的水滴組成，另一半體積的水由直徑大于中值直徑的水滴組成[13]。

噴嘴在不同水壓下粒徑的數(shù)量累計分布如圖4所示。由圖4可以看出，小號噴嘴噴口水壓在0.5 MPa和1.0 MPa下，其液滴粒子累計數(shù)量分布曲線數(shù)值達到80%的粒徑值由650 μm減小到450 μm，液滴中值直徑隨著噴口水壓的增大而減小，其粒徑的跨度區(qū)間也相應(yīng)減小，其液滴粒徑霧化均勻性也相應(yīng)得到提高。這是由于噴嘴噴射壓力越大，液體在離心腔內(nèi)的離心速度越大，離開噴口后，空氣對液膜的相對擾動作用就越大，形成的擾動波的振動頻率增大，導(dǎo)致破碎距離的縮小和液膜破碎變細，形成液滴顆粒也就越小，液體霧化的性能也就越好。因此同一口徑的噴嘴，隨著水流壓力的增加，液滴粒徑分布的均勻性顯著提高。

圖4 不同型號噴頭的水壓與粒徑關(guān)系Fig.4 The relationship of water pressure and diameter of different type nozzles

同時，在相同的水流壓力下，噴嘴噴射孔徑越小，其液滴粒徑分布均勻性也就越好。例如三款噴嘴在1.0 MPa水壓下，隨著噴嘴孔徑的變小，其液滴粒子累計數(shù)量分布曲線數(shù)值80%以上的粒徑由600～700 μm減小到450 μm，其液滴粒徑分布的均勻性也得到相應(yīng)提高。這是由于在水射流噴霧破碎與霧化機理中，噴孔直徑的大小會對噴霧射流表面波的產(chǎn)生與發(fā)展產(chǎn)生重要影響。在一定的噴射壓力下，噴孔直徑的減小，將意味著韋伯數(shù)的增加和雷諾數(shù)的減小，造成射流的擾動波增強，其霧化也就較充分[14]。

高速高分辨率數(shù)碼相機所拍攝的噴頭在不同壓力下小號噴嘴外部流場圖像如圖5所示。由圖5可以看出，隨著水壓的增加，同一個噴嘴液體破碎的紋路變密，同時液膜破碎的長度變短，破碎效果越好，霧化性能也就越好。這是由于隨著水流壓力的增加，噴淋液在慣性力的作用下開始失穩(wěn)，同時與空氣相對運動劇烈，導(dǎo)致破碎距離的減小和液膜表面的波紋變密，水流破碎的形態(tài)由初始的條狀或者帶狀變成絲狀。這個現(xiàn)象與噴霧學(xué)的基本認識是一致的[15]。

圖5 小號噴頭在不同壓力下噴嘴外部流場圖像Fig.5 External flow field images of the spray nozzle under different pressure

2.2 噴嘴噴淋密度均勻性分布規(guī)律

采用噴淋積水率，即噴嘴下方測量量筒單位面積、單位時間累積流體的體積，來表示噴頭的水平向噴淋密度，用以評判噴嘴的噴射均勻性。測量中，時間周期為t，量筒的積水高度為H，量筒進口有效面積為S，噴嘴噴出的流體體積為V，則噴淋積水率為：

式中：q的單位是mm/s，具有速度的量綱。

為了統(tǒng)一不同口徑噴嘴出口噴淋速度的徑向噴淋密度分布，定義一個“噴淋無量綱積水率”Q[16]:

式中：u為噴淋液噴口出口速度，mm/s。 “噴淋無量綱積水率”Q的物理意義為每個收集裝置面積上所對應(yīng)的速度分量占總速度量的比值。這樣每個收集裝置的值轉(zhuǎn)化為無量綱量，便于不同噴嘴、不同流量下的水平噴淋密度的比較。

圖6 不同噴嘴在噴淋高度為620 mm的水平噴淋密度分布Fig.6 The horizontal spray density distribution of nozzles at the height of 620 mm

測試噴嘴分別進行水壓為0.5，1 MPa的噴淋試驗，測量高度為620 mm。噴嘴的水平噴淋密度分布如圖6所示。由圖6可以看出，本次選用的離較低的區(qū)域。這是由于流體通過離心噴嘴的旋流室心式旋流噴嘴，其水平方向噴淋密度的對稱性良好，噴淋密度沿直徑方向具有兩個波峰，其邊緣流的積水率為一個明顯的最高峰，中間形成積水率時高速旋轉(zhuǎn)并向下做螺旋線運動，形成較大的速度慣量，離開噴嘴出口后，流體不受內(nèi)壁的約束，沿著軸向及切向運動。針對同一口徑的噴嘴，入口壓力越大，其邊緣流峰值越高，空心化率現(xiàn)象越明顯（空心化率即邊緣最高峰值與中心部的最低值之比）。

同時由圖6可以看出，同一壓力下不同口徑的噴嘴，口徑越大，其形成雙波峰的跨度越短；同一口徑的噴嘴，入口壓力越大，其形成雙波峰的跨度越長，其邊緣流峰值越高。因此噴淋系統(tǒng)可以根據(jù)噴嘴的水平噴淋密度分布特點，運用“峰谷疊加”原理，來滿足低溫多效蒸發(fā)器噴淋均勻性的要求。

3 結(jié)論

利用海水淡化LT-MED噴淋系統(tǒng)的典型噴嘴，對液滴粒徑分布規(guī)律和水平噴淋密度均勻性分布進行了試驗研究，得到以下結(jié)論。

1）噴嘴液滴粒徑分布規(guī)律為：隨著噴嘴水壓壓力的增加和噴嘴孔徑的減小，其粒徑分布均勻性顯著提高。

2）水平噴淋密度均勻性分布特點為：同一壓力下，噴嘴的口徑越大，形成雙波峰的跨度越短；同一口徑的噴嘴，入口壓力越大，其形成雙波峰的跨度越長，其邊緣流峰值越高。根據(jù)該噴嘴的水平噴淋分布特點，運用“峰谷疊加”原理布置噴嘴的位置，以此來滿足蒸發(fā)器的布液均勻。

[1] 王慶文.天津萬噸級海水淡化工程預(yù)處理工藝的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2006. WANG Qing-wen. Study on the Pretreament Process of Tianjin Several Thousands Tons-Scale Seawter Desalination Project[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2006.

[2] AL-SHAMMIRI M. Multi-effect Distillation Plants: State of the Art[J]. Desalination, 1999, 126: 45—59.

[3] 李超, 張建麗, 黃桂橋, 等.國產(chǎn)海水淡化裝置鋁黃銅換熱管腐蝕調(diào)查分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(3): 105—109. LI Chao, ZHANG Jian-li, HUANG Gui-qiao, et al. Corrosion Analyses of Aluminum Brass Tube Heat Exchanger in Homemade Equipment for Seawater Desalination[J]. Equipment Enviromental Engineering, 2014, 11(3): 105 —109.

[4] 解利昕, 王紅菊, 王世昌. 低溫多效海水淡化系統(tǒng)的模擬計算[J]. 水處理技術(shù), 2012, 38(10): 50—53. XIE Li-xin, WANG Hong-ju, WANG Shi-chang. Programming and Calculation of LT-MED Desalination Process[J]. Technology of Water Treament, 2012, 38(10): 50—53.

[5] 馮厚軍, 趙河立. 銅材在海水淡化行業(yè)應(yīng)用及需求分析[C]// 中國銅加工技術(shù)與應(yīng)用論文集. 北京, 2007: 51 —58. FENG Hou-jun, ZHAO He-li. Industry Applications and Needs Analysis of Copper in the Desalination[C]// China Copper Technology and Application Forum Collection. Beijing, 2007: 51—58.

[6] 孫小軍, 劉克成, 龐毅, 等. 國產(chǎn)萬噸級低溫多效海水淡化技術(shù)應(yīng)用[J]. 水處理技術(shù), 2010, 36(1): 124—127. SUN Xiao-jun, LIU Ke-cheng, PANG Yi, et al. Application Research of Homemade 12500 m3/d Lowtemperature Multi-effect Distillation Process[J]. Technology of Water Treatment, 2010, 36(1): 124—127.

[7] 尹建華, 呂慶春, 阮國嶺. 低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)[J]. 海洋技術(shù), 2002, 21(4): 22—26. YIN Jian-hua, LYU Qing-chun, RUAN Guo-ling. Technology of Low Temperature Multiple Effect Distillation for Seawater Desalination[J]. Marine Technology, 2002, 21(4): 22—26.

[8] 祝杰, 吳振元, 葉世超, 等. 噴淋塔液滴粒徑分布及比表面積的實驗研究[J]. 化工學(xué)報, 2014, 65(12): 4709—4715. ZHU Jie, WU Zhen-yuan, YE Shi-chao, et al. Drop Size Distribution and Specific Surface Area in Spray Tower[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2014, 65(12): 4709—4715.

[9] 唐虎, 成竹, 蔣軍亮, 等. 空氣助力霧化噴嘴霧化特性實驗研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(2): 38—45. TANG Hu, CHENG Zhu, JIANG Jun-liang, et al. Experimental Investigation of Spray Characteristic of Air-blast Atomizer[J]. Equipment Environmental Engineering, 2012, 9(2): 38—45.

[10] 易賢. 飛機積冰的數(shù)值計算與積冰試驗相似準則研究[D]. 綿陽: 中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 2007. YI Xian. Numerical Computation of Aircraft Icing and Study on Icing Test Scaling Law[D]. Mianyang: China Aerodynamics Research and Development Center, 2007.

[11] 張永良. 離心噴嘴霧化特性實驗研究和數(shù)值分析[D].北京: 中國科學(xué)院工程物理研究所, 2013. ZHANG Yong-liang. Experiment and Numerical Studies on the Atomiaztion of a Pressure Atomizer[D]. Beijing: The University of Chinese Academy of Sceence, 2013.

[12] 龔景松, 傅維標. 旋轉(zhuǎn)型氣-液霧化噴嘴的霧化角與流量分布特性研究[J]. 熱能動力工程, 2006, 21(6): 632 —634. GONG Jing-song, FU Wei-biao. A Study of Atomization Characteristics of "Swirling Gsa-liquid Spray Atomizer"[J]. Engineering for Thermal Energy & Power, 2006, 21(6): 632—634.

[13] DWAYNE B J. Icing at the Mckinley Climatic Laboratory—An Update of the New Icing Capability Project(end ofFY03)[R]. AIAA 2004-735, 2004.

[14] 艾育華. 噴嘴與蒸汽噴射器研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2001. AI Yu-hua. Investigation of Spray Atominzers and Steam- Ejectors[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2001.

[15] 曹建明. 噴霧學(xué)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005. CAO Jian-ming. Liquid Sprays[M]. Beijing: China Machine Press, 2005.

[16] 方立軍, 闞德民, 李鐵軍. 壓力式霧化噴嘴徑向噴淋密度的測量方法[J]. 電力科學(xué)與工程, 2009, 25(9): 52 —54. FANG Li-jun, KAN De-min, LI Tie-jun. Measure Methods of Spray Distribution in Radial Direction of Pressure Atomization Nozzle[J]. Electric Power Science and Engineering, 2009, 25(9): 52—54.

Research on Atomizing Properities of Centrifugal Swirl Nozzle

LI Cheng-ji1,2,ZHANG De-yuan1
(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China; 2.AVIC Chengdu CAIC Electronics Co., Ltd, Chengdu 611731, China)

ObjectiveTo optimize the spraying method in LT-MED system and improve the heat exchange efficiency of seawater desalination.MethodsMalvern spray droplet analyzer, high-speed camera and auto overturn water meter were used to research CJ-9 centrifugal swirl nozzle of different diameters.ResultsFor nozzles of the same diameter, uniformity of droplet size distribution significantly increased as the flow pressure increased. With the increase of water pressure, the liquid breakage lines of the same nozzle thickened and length of the broken liquid film decreased. The better the crushing effect was, the better atomization performance would be. The higher the inlet pressure was, the higher the peak value of the edge flow and the more obvious the hollowing rate was. For nozzles of different diameters, at the same pressure, the higher the nozzle diameter was, the shorter the span of double-crest formation was. For nozzles of the same diameter, the greater the inlet pressure was, the longer the span of double crest formation was, the higher the peak value of edge flow was.ConclusionThe uniformity of droplet size distribution significantly improves with the increase of water pressure or decrease of diameter. Spraying density has two peakvalues in the direction of diameter. The principle of superposition of “peak-valley overlying” could be used to meet the overall uniform disrtibution requirements of LT-MED system.

low-temperature multi-effect distillation; atomizing properities; droplet size distribution; sprinkle density

ZHANG De-yuan(1963-) , Male, Doctor, Research focus: bioprocessing, vibration cutting, MEMS processing.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.009

TJ05；TQ051.5

A

1672-9242(2016)06-0047-05

2016-06-19；

2016-07-13

Received：2016-06-19；Revised：2016-07-13

李承覬（1985—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為壓力容器的強度分析校核和噴淋系統(tǒng)的噴霧學(xué)計算。

Biography：LI Cheng-ji(1985-), Male, Master, Assistant engineer. Research focus: Strength analysis of the pressure vessel and calculation of spray system.

張德遠（1963—），男，博士，主要研究方向為生物加工、振動切削、MEMS加工。