結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡霧化噴頭臨界壓力的影響研究

劉俊林，賈首星

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

0 引 言

對(duì)于氣泡霧化噴頭來(lái)說(shuō)，混合室壓力是一個(gè)極其重要的參數(shù)，它對(duì)噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、霧化性能、工作狀況等都有很大的影響。氣泡霧化噴頭中，氣液兩相混合形成了泡狀流，泡狀流中的氣泡在噴頭出口處膨脹爆炸的能量大小與噴頭混合室內(nèi)的壓力有關(guān)。在根據(jù)流量公式預(yù)測(cè)噴頭的氣液流量時(shí)，混合室壓力是必不可少的參數(shù)。當(dāng)氣泡霧化噴頭工作時(shí)，如果噴頭混合室壓力大于液體壓力，就會(huì)產(chǎn)生回氣現(xiàn)象，氣體會(huì)進(jìn)入液體的管道、設(shè)備之中。如果噴頭混合室壓力大于氣體壓力，就會(huì)產(chǎn)生回液現(xiàn)象，液體會(huì)進(jìn)入氣體的管道、設(shè)備之中?；貧猬F(xiàn)象、回液現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞，造成生產(chǎn)事故。將氣體經(jīng)進(jìn)液口流入液體管道時(shí)的工況稱為臨界點(diǎn)工況。探討不同結(jié)構(gòu)的氣泡霧化噴頭的臨界點(diǎn)工況特性，對(duì)于確保氣泡霧化噴頭的安全可靠運(yùn)行是十分重要的。

一般研究注重氣泡霧化噴頭的霧化性能隨工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，關(guān)于混合室壓力特性研究還比較少。張曉晶[1]認(rèn)為對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的氣泡霧化噴頭，混合室壓力的大小主要依賴于注氣壓力的大小，而幾乎不受液體壓力的影響。實(shí)際上，氣泡霧化噴頭混合室壓力隨氣、液進(jìn)口壓力的增加而增加。馬其良等[2]以壓縮空氣和變壓器油為工質(zhì)，對(duì)內(nèi)混式油噴嘴混合室內(nèi)壓力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，整理出了這種油噴嘴混合室內(nèi)壓力隨油壓變化的關(guān)系式。馬其良，畢政益[3]研究了結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)對(duì)內(nèi)混噴嘴壓力的影響。但是上述文獻(xiàn)對(duì)于噴頭臨界點(diǎn)工況時(shí)的混合室壓力并未有深入研究。

本文主要是研究氣泡霧化噴頭不同結(jié)構(gòu)的臨界工況與壓力的關(guān)系，為噴頭的設(shè)計(jì)以及安全可靠運(yùn)行提供依據(jù)。

1 噴頭及試驗(yàn)系統(tǒng)

氣泡霧化噴頭主要由進(jìn)液管、進(jìn)氣管、混合室等幾個(gè)部分組成。氣泡霧化噴頭[4]是將高壓氣體注入流動(dòng)的液體中，氣體與液體在噴頭混合室內(nèi)混合形成均勻泡狀流。在噴頭出口處形成包裹氣泡的液絲，在離開噴頭出口的極短的距離內(nèi)由于氣泡外部環(huán)境壓力的急劇變化，氣泡內(nèi)外壓力差的變化導(dǎo)致氣泡膨脹打破了小液滴從而產(chǎn)生了非常細(xì)的霧滴。根據(jù)氣液兩種工質(zhì)注入噴頭混合室方式的不同可以將氣泡霧化噴頭分為內(nèi)氣外液式和外氣內(nèi)液式兩種形式，在噴頭液體流量較低時(shí)噴頭設(shè)計(jì)選擇前一種類型較好[5]。噴頭幾何模型如圖1所示。氣體通過(guò)與混合室同軸的進(jìn)氣管上的通氣孔與液體在直徑為16 mm的混合室內(nèi)混合。混合室前端收斂角角度為44°，氣體與液體在混合室混合后經(jīng)出口噴出。

圖1 氣泡霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

冷態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，由供氣系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等幾部分組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以水和壓縮空氣作為工質(zhì)。通過(guò)隔膜泵對(duì)水進(jìn)行加壓處理，使用供液管道上的液體壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)液體壓力。通過(guò)空氣壓縮機(jī)、氣體壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)氣體壓力?？紤]到安裝方便，管道與噴頭之間的塑料軟管采用快速接頭連接，同時(shí)在管道上安裝壓力表?；旌鲜覊毫τ赏ㄟ^(guò)測(cè)壓管與混合室側(cè)面小孔連接的0.4級(jí)精密壓力表測(cè)量。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)溫度20 ℃。通過(guò)調(diào)節(jié)氣液壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種工況的控制。每組工況下進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，取平均值。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

定義臨界點(diǎn)工況時(shí)的混合室壓力與氣體進(jìn)口壓力的比值為臨界壓比。當(dāng)噴頭處于臨界點(diǎn)工況時(shí)，由于混合室壓力隨著氣液壓力的升高而升高，此時(shí)臨界工況的混合室壓力即為噴頭安全工作時(shí)的液體最小進(jìn)口壓力。當(dāng)進(jìn)口液壓低于此臨界點(diǎn)壓力時(shí)，就會(huì)發(fā)生回氣現(xiàn)象，氣體進(jìn)入液體的管道、設(shè)備之中。所以在噴頭實(shí)際工作時(shí)，為了設(shè)備安全可靠的運(yùn)行，防止出現(xiàn)事故，噴頭的最低進(jìn)口液壓pLi應(yīng)該高于進(jìn)口氣壓pGi所對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)工況時(shí)的混合室壓力pH。由圖3可知，氣體進(jìn)口壓力pGi與臨界點(diǎn)工況時(shí)的混合室壓力pH符合線性關(guān)系，有pH=KpGi+b。當(dāng)氣體進(jìn)口壓力減小為0 MPa時(shí)，此時(shí)臨界點(diǎn)工況的混合室壓力應(yīng)該為0 MPa。因此在不考慮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓力損失的情況下b=0。由此可知，斜率K的數(shù)值就是臨界壓比值。

設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的噴頭，測(cè)試了每種噴頭在不同氣體進(jìn)口壓力下各自的臨界點(diǎn)工況數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用線性回歸方法求出了噴頭每一種結(jié)構(gòu)氣體進(jìn)口壓力pGi與臨界點(diǎn)工況時(shí)的混合室壓力pH關(guān)系式的斜率K的值，也就是臨界壓比的值。實(shí)驗(yàn)分析了噴頭不同結(jié)構(gòu)對(duì)臨界壓比的影響規(guī)律。

2.1 通氣孔面積對(duì)臨界壓力的影響

表1為8種不同通氣孔結(jié)構(gòu)的噴頭。圖3為噴頭1到噴頭8在不同的氣體進(jìn)口壓力條件下，各自臨界工況時(shí)的混合室壓力。由圖3可知，氣泡霧化噴頭的斜率(即臨界壓比)只與噴頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與氣液進(jìn)口壓力無(wú)關(guān)。

表1 噴頭尺寸參數(shù)

圖3 不同結(jié)構(gòu)的噴頭氣壓與混合室臨界壓力關(guān)系

圖4表示噴頭1到噴頭8通氣孔面積與臨界壓比的關(guān)系。由圖4可知，實(shí)驗(yàn)噴頭的斜率在0.25～0.92的范圍內(nèi)變化。當(dāng)通氣孔面積AT=1.77 mm2時(shí)，K=0.25；當(dāng)AT=2.26 mm2時(shí)，K=0.58；當(dāng)AT=3.79 mm2時(shí)，K=0.81；當(dāng)AT=5.69 mm2時(shí)，K=0.84；當(dāng)AT=7.59 mm2時(shí)，K=0.89。因此當(dāng)通氣孔面積比較小時(shí)，臨界壓比也比較小。臨界壓比隨著通氣孔面積的增大，一開始急劇增大，當(dāng)AT大于3.79 mm2以后，臨界壓比的增加速度逐漸趨于平緩。當(dāng)通氣孔面積大于5.69 mm2時(shí)，臨界壓比都在0.85～0.92的范圍內(nèi)變化，不再隨著面積的增大而增大。

圖4 通氣孔面積與臨界壓比的關(guān)系

AT/A0為通氣孔面積AT與噴頭出口面積A0的比值。圖5為噴頭1到噴頭8面積比與臨界壓比的關(guān)系。由圖5可知，當(dāng)AT/A0=0.96時(shí)，斜率K=2.5；當(dāng)AT/A0=1.28時(shí)，斜率K=0.58；當(dāng)AT/A0=2.15時(shí)，斜率K=0.81；當(dāng)AT/A0=3.23時(shí)，斜率K=0.85。因此，AT/A0在到2.15時(shí)，隨著面積比的增加，臨界壓比也隨之增加，在0.27～0.8內(nèi)變化。當(dāng)AT/A0大于3.23時(shí)，臨界壓比都在0.85～0.92的范圍內(nèi)變化，不再隨著面積比的增大而增大。

圖5 面積比與臨界壓比的關(guān)系

2.2 出口直徑對(duì)臨界壓力的影響

表2為出口直徑為1.0 mm的噴頭。圖6為噴頭1到噴頭13面積比與臨界壓比的關(guān)系。其中K-1.0表示出口直徑為1.0 mm的噴頭9到噴頭13面積比與臨界壓比的關(guān)系，K-1.5表示出口直徑為1.5 mm的噴頭1到噴頭8噴頭面積比與臨界壓比的關(guān)系。出口直徑為1.0 mm時(shí)，當(dāng)AT/A0在2.88到4.84時(shí)，臨界壓比在0.949～0.958的范圍內(nèi)變化。出口直徑為1.5 mm時(shí)，當(dāng)AT/A0在2.15到4.48時(shí)，臨界壓比在0.80～0.895的范圍內(nèi)變化。因此，出口直徑越小，臨界壓比越大。究其原因，可能是由于出口直徑減小，噴頭在出口處的能量損失增加，導(dǎo)致出口處壓降增加。因此在相同氣體進(jìn)口壓力條件下，出口直徑較小的噴頭臨界工況時(shí)混合室壓力增加，臨界壓比相對(duì)增加。

表2 噴頭尺寸參數(shù)

圖6 不同出口直徑面積比與臨界壓比的關(guān)系

2.3 通氣方式對(duì)臨界壓力的影響

圖1和圖7為實(shí)驗(yàn)噴頭兩種進(jìn)氣方式：圓周進(jìn)氣和端面進(jìn)氣的示意圖。表3為兩種結(jié)構(gòu)類型噴頭的參數(shù)。圖8是這兩種結(jié)構(gòu)類型的噴頭在不同的氣體進(jìn)口壓力條件下，各自臨界工況時(shí)的混合室壓力。對(duì)于端面進(jìn)氣方式噴頭，當(dāng)氣壓pGi=0.04 MPa時(shí)，混合室壓力pH=0.029 6 MPa；氣壓pGi=0.06 MPa時(shí)，混合室壓力pH=0.045 6 MPa；對(duì)于圓周進(jìn)氣方式噴頭，當(dāng)氣壓pGi=0.04 MPa時(shí)，混合室壓力pH=0.029 MPa；氣壓pGi=0.06 MPa時(shí)，混合室壓力pH=0.045 6 MPa；由此可知通氣方式對(duì)噴頭臨界壓比的影響比并不大。

圖7 端面進(jìn)氣示意圖

編號(hào)通氣孔數(shù)目通氣孔直徑/mm出口直徑/mm通氣方式480．61．5圓柱1380．61．5端面

圖8 通氣方式對(duì)臨界壓力的影響

2.4 旋流芯對(duì)臨界壓力的影響

表4為噴頭參數(shù)。圖9是兩種結(jié)構(gòu)類型的噴頭在不同的氣體進(jìn)口壓力條件下，各自臨界工況時(shí)的混合室壓力。當(dāng)噴頭沒(méi)有旋流芯，氣壓pGi=0.02 MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.014 6 MPa；氣壓pGi=0.12 MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.106 4 MPa；在噴頭出口前端增加旋流芯，當(dāng)氣壓pGi=0.02 MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.017 MPa；當(dāng)氣壓pGi=0.12MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.112 8 MPa。由此可知，增加旋流芯，噴頭臨界壓比增加。究其原因，可能是因?yàn)樾D(zhuǎn)增大了能量損失，從旋流芯到出口處噴頭的壓力損失增加，從而導(dǎo)致混合室壓力增加。

表4 噴頭尺寸參數(shù)

圖9 旋流芯對(duì)臨界壓力的影響

2.5 收斂角對(duì)臨界壓力的影響

表5為噴頭參數(shù)。圖10是兩種結(jié)構(gòu)類型的噴頭在不同的氣體進(jìn)口壓力條件下，各自臨界工況時(shí)的混合室壓力。當(dāng)噴頭混合室沒(méi)有收斂角，氣壓pGi=0.02 MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.014 6 MPa；當(dāng)氣壓pGi=0.12 MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.106 4 MPa；增加混合室收斂角，當(dāng)氣壓pGi=0.02 MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.015 MPa；當(dāng)氣壓pGi=0.12 MPa時(shí)，臨界壓力pH=0.107 4 MPa。由此可知，增加混合室收斂角，噴頭臨界壓比增加很小。收斂角對(duì)噴頭造成的壓力損失比較小。

表5 噴頭尺寸參數(shù)

圖10 收斂角對(duì)臨界壓力的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

氣泡霧化噴頭臨界點(diǎn)工況與噴頭的壓力以及結(jié)構(gòu)有關(guān)；臨界壓比只與噴頭的結(jié)構(gòu)以及加工精度有關(guān)。臨界壓比隨著面積比的增加而增加；當(dāng)面積比大于3.23時(shí)，臨界壓比不再隨著面積比的增加而增加。出口直徑越小，臨界壓比越大。通氣方式對(duì)臨界壓比的影響比并不大。增加旋流芯，噴頭臨界壓比增加?；旌鲜沂諗拷菍?duì)噴頭臨界壓比的影響很小。在進(jìn)行氣泡霧化噴頭的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所設(shè)計(jì)噴頭的結(jié)構(gòu)合理選擇臨界壓比參數(shù)。在氣泡霧化噴頭工作時(shí)，為確保氣泡霧化噴頭的安全可靠運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)其最低進(jìn)口液壓應(yīng)高于進(jìn)口氣壓所對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)工況時(shí)的混合室壓力。

[1] 張曉晶. 氣泡霧化細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué), 2007.

[2] 馬其良,龍 悅,畢政益,等.氣液兩相內(nèi)混式油噴嘴混合室內(nèi)壓力特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(1):24-26.

[3] 馬其良,畢政益. 結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)對(duì)內(nèi)混噴嘴壓力的影響研究[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2006,21(2):183-185.

[4] 侯凌云,侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊(cè)[M].2版. 北京:中國(guó)石化出版社,2007:186-189.

[5] 徐 方,魏 東,梁 強(qiáng),等.氣泡霧化細(xì)水霧噴頭的研制及其流量特性[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010,29(7):588-593.