喉間距對(duì)自吸式文丘里引射量的影響研究*

于震 趙祥迪 郭建章 袁紀(jì)武

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061；2.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 山東青島 266071)

0 引言

文丘里洗滌器是一種吸收工業(yè)生產(chǎn)中排放的顆粒物質(zhì)和有害氣體的裝置[1]，其吸收機(jī)理為短時(shí)間內(nèi)氣相與液相在文丘里洗滌器內(nèi)互相接觸去除高速氣流中的亞微米顆粒和氣態(tài)污染物[2]。相比其他洗滌器而言，文丘里具有結(jié)構(gòu)簡單、無旋轉(zhuǎn)部件、操作成本低、能在高溫下工作等特點(diǎn)。根據(jù)注入方式的不同，文丘里可分為外噴式和自吸式2種。自吸式相比于外噴式減少了外加動(dòng)力源，具有明顯優(yōu)勢。國內(nèi)外學(xué)者在自吸式文丘里應(yīng)用上進(jìn)行了多方面研究。BAL M等[3]等進(jìn)行了NaOH溶液作為洗滌液在自吸式文丘里洗滌器中除去HCl氣體的實(shí)驗(yàn)研究，在文丘里浸沒的情況下開發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證HCl去除率能達(dá)到92.54%；GOEL P等[4]在歐拉-拉格朗日框架下進(jìn)行了自吸式文丘里洗滌器脫碘的三維流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，碘的保留量由Steinberg和Treybal給出的氣體傳遞系數(shù)計(jì)算，研究表明文丘里洗滌器脫碘效率隨著空氣流速的增加而增加；AHMED S等[5]基于自吸式文丘里將尺寸為1 μm的氧化鈦(TiO2)顆粒作為灰塵顆粒進(jìn)行了洗滌器內(nèi)粉塵去除效率的模擬研究，對(duì)文丘里洗滌器入口處的兩個(gè)不同空氣速度值計(jì)算了除塵效率模擬，在運(yùn)用CAB模型進(jìn)行水分解的條件下，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

文丘里洗滌器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，但由于自吸式文丘里中液體流量的不可控制性，自吸式文丘里洗滌裝置的研究相對(duì)較少，這使得自吸式文丘里洗滌效率的研究具有重大意義。LEE J等[6]主要對(duì)過濾式安全殼通風(fēng)系統(tǒng)(FCVS)中自吸式文丘里做了氣溶膠洗滌效率的研究，實(shí)驗(yàn)研究表明自吸式文丘里中氣溶膠洗滌效率與氣溶膠尺寸、蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、文丘里浸沒深度等有關(guān)；周艷民等[7]認(rèn)為自吸式文丘里裝置的引射量主要取決于吸液口兩側(cè)靜壓差、截面積、高度差以及液體在流動(dòng)通道內(nèi)的阻力系數(shù)。

喉部靜壓差和喉部間距是影響文丘里引射量的重要參數(shù)，國內(nèi)外關(guān)于兩者對(duì)文丘里引射量的具體機(jī)制的研究相對(duì)較少。為進(jìn)一步提高自吸式文丘里洗滌器引射效率，使其充分應(yīng)用于工業(yè)除塵和?；废聪阮I(lǐng)域。本文在前期研究[8-9]的基礎(chǔ)上以自吸式文丘里為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)研究喉部間距和喉部靜壓差對(duì)自吸式洗滌器引射量、分散特征的影響規(guī)律，為自吸式文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、引射效率評(píng)估及優(yōu)化提供支持。

1 理論推導(dǎo)

為研究自吸式文丘里中引射量、分散特征的內(nèi)在規(guī)律，首先考慮建立其理論模型，并推導(dǎo)關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)文丘里噴射系數(shù)f>0.5時(shí)，自由流束長度Lc[10]：

(1)

式中，Lc為自由流束最佳長度，mm；f為噴射系數(shù)，本文為具體文丘里最佳液氣比，即f=D，D為液氣比；d1為噴嘴出口直徑，mm。圖1為噴嘴出口流體流動(dòng)狀態(tài)示意圖。

圖1 噴嘴出口流體流動(dòng)狀態(tài)示意

流體射流穩(wěn)定截面直徑d4:

d4=1.55d1(1+D)

(2)

從截面1到截面4過程中d1相對(duì)Lc變化為線性規(guī)律，在l處截面2直徑d2為

(3)

d2對(duì)應(yīng)的l為最佳喉部間距，喉部間距大于l時(shí)，氣液接觸面積減小，氣體帶液量減少，整理式(1)、式(2)、式(3)可得最佳喉部間距：

(4)

在自吸式文丘里洗滌器實(shí)驗(yàn)過程中，液體在風(fēng)機(jī)的作用下自吸入文丘里管，該過程發(fā)生在環(huán)隙寬度為△的同心圓環(huán)中，圓環(huán)上端為漸擴(kuò)管，下端為圓管，1-2兩文丘里圓環(huán)之間伯努利方程

(5)

如圖2，P1，P0分別為1處和2處的靜壓力，P0為大氣壓，Pa；v1和v2分別為兩處的液相流速，m/s；H1，H2分別為1,2兩處相對(duì)基準(zhǔn)面的高度，m；△Pf為流動(dòng)過程中的阻力損失，Pa，則1，2兩處靜壓差△P=P0-P1，P1處壓力為負(fù)值，△H=H1-H2為1，2處高度差，m。

圖2 自吸式文丘里洗滌器原理

由1-2連續(xù)性方程，引射液體質(zhì)量流量可表示為

M=ρv1A1=ρv2A2

(6)

式中，M為引射液體質(zhì)量流量；ρ為液相密度；A1，A2為1，2兩處環(huán)形吸液間隙截面積；v1和v2分別為1，2兩處的液相流速。

阻力損失△Pf[11]：

(7)

式中，△Pf為阻力損失，D為液氣比，ρ為喉部氣體密度，v為喉部氣速。

在1處氣液兩相速度趨于一致，將式(6)、式(7)代入式(5)可得引射量關(guān)系式：

(8)

可以看出，自吸式洗滌器的引射量與喉部相對(duì)靜壓值△P、高度差△H與文丘里液氣比有關(guān)，文丘里最佳喉部間距與液氣比有關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證上述理論的正確性，建立實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3。文丘里洗滌器由外套管和噴管組成。外套管按文丘里管設(shè)計(jì)，組成部分為收縮段、喉管和擴(kuò)散段。噴管由進(jìn)氣段和噴嘴組成?？諝庥蓺獗醚剡M(jìn)氣管通入，在噴嘴處空氣流通面積減小，空氣流速最大，壓力值由正變?yōu)樨?fù)。在儲(chǔ)液倉中水的壓差作用下通過外套與噴管間的環(huán)形孔隙被吸入文丘里，高速運(yùn)動(dòng)的氣液混合液通過喉管和擴(kuò)散段進(jìn)入液氣分離器。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)過程中通過改變氣泵頻率調(diào)整相應(yīng)引射量，氣泵頻率分別為15，20，25，30，35，40，45 Hz和50 Hz，實(shí)驗(yàn)中喉部氣速分別為38.5，47.8，54.6，66，75，85.5 m/s和95 m/s。

設(shè)計(jì)了A，B，C三種不同類型文丘里管，圖4為文丘里結(jié)構(gòu)示意圖，表1為文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)具體參數(shù)，3種文丘里洗滌器區(qū)別為喉間距不同，分別為0，13，23 mm。實(shí)驗(yàn)開始先選定一種文丘里，△H(高度差)為儲(chǔ)液倉液面與喉管入口處的距離，分別為0，30，70，100，130，160，180 mm 7種情況，使△H不變依次改變氣泵頻率，記錄液氣引射量。實(shí)驗(yàn)過程中喉部靜壓差主要通過U型管壓差計(jì)記錄、進(jìn)出口氣速由風(fēng)速計(jì)測量，利用Sony -HDR PJ 820e拍攝出口處氣液分布特征，液體流量由質(zhì)量流量計(jì)測量。

表1 自吸式洗滌器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)照

圖4 自吸式文丘里結(jié)構(gòu)示意

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

3.1 文丘里出口處流體分布特征

圖5為A型文丘里喉部壓差588～1 895 Pa，喉部氣速逐漸增大時(shí)出口處液體分布情況，喉部壓差增大，引射流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由平緩趨于混亂。液滴直徑隨靜壓差增大而變大，喉部壓差588～1 176 Pa時(shí)液滴平均直徑為0.2 mm左右；壓差1 565～1 895時(shí)，液體隨氣速增大湍動(dòng)更劇烈，液滴平均直徑大于1 mm；靜壓差大于1 895 Pa后，氣體帶液能力增強(qiáng)，相同條件下帶液量變大，液滴直徑變大，同時(shí)存在少量直徑較小的液滴；喉部靜壓繼續(xù)增大，文丘里自吸能力進(jìn)一步增強(qiáng)，此時(shí)液滴直徑持續(xù)增大，大多數(shù)液滴以液膜狀態(tài)存在，有液膜倒流進(jìn)入文丘里的情況。這說明文丘里喉管中心與其面明顯存在壓力差，主要由于壓差增大時(shí)流體在壁面附近的黏滯作用增強(qiáng)，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能。負(fù)壓增大后液相流量增加，當(dāng)文丘里出口壓力保持不變時(shí)，氣液兩相摩擦阻力增加；另一方面液相在間隙處與高速氣流接觸，被氣流瞬間加速，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，氣流速度降低，這導(dǎo)致了氣液交界面局部靜壓的突增，液相湍流度高，這種規(guī)律與文獻(xiàn)[7]中的結(jié)論一致。與文丘里喉部壓差的變化、內(nèi)壁粗糙度和其自身結(jié)構(gòu)相關(guān)。

(a)588 Pa (b)882 Pa (c)1 176 Pa (d)1 565 Pa (e)1 895 Pa圖5 A型文丘里△H=30 mm不同喉部壓差出口處液滴分布

圖6為高度差△H=0，喉部壓差1 895 Pa時(shí)，3種文丘里出口處氣液混合流體擴(kuò)散情況。A型文丘里液體噴出時(shí)，沿?cái)U(kuò)散管出口形成大片液膜，小液滴極少。許多流體沒有直接噴射，沿文丘里擴(kuò)散段邊緣溢流出。B型文丘里出口處液膜現(xiàn)象依然存在，沿出口邊緣溢流的液體變少，液滴直徑變小。C型文丘里比兩者理想，噴出口基本無液膜粘連現(xiàn)象，絕大部分液體隨自吸氣體豎直向上噴出，流動(dòng)較穩(wěn)定。

(a)A型 (b)B型 (c) C型圖6 △H=0 mm，喉部壓差1 895 Pa時(shí)文丘里出口處液滴分布

3.2 喉部靜壓差對(duì)引射量的影響

喉部靜壓差是液體進(jìn)入文丘里洗滌器的直接動(dòng)力，喉部產(chǎn)生負(fù)壓的主要原因除了氣流在噴嘴出口處膨脹特性之外，還涉及了氣液兩相的相互作用。喉部氣速與液面高度差△H共同作用影響喉部靜壓差，根據(jù)能量守恒定律，引射氣體需要克服重力和文丘里內(nèi)部阻力將氣液混合流體引射出。圖7為A,B,C型文丘里喉部靜壓差與喉部氣速的關(guān)系，喉部氣速為47.8～66 m/s，高度差△H=160～180 mm時(shí)，喉部靜壓差變化不大，此時(shí)喉部氣速偏小高度差△H較大，相同情況下氣體需要克服重力和阻力做功增多，文丘里管壁阻力和高度差△H成為影響喉部靜壓差的主導(dǎo)因素；喉部氣速繼續(xù)增大，喉部氣速大于66 m/s時(shí)不同高度差△H下的靜壓差變化明顯，喉部靜壓差隨△H增大而變大，此時(shí)氣體流速大，更易克服阻力和重力做功，高度差△H和喉部氣速成為影響靜壓差的主要因素。

圖7 3種文丘里喉部靜壓差與喉部氣速關(guān)系

△H=160 mm，喉部氣速47.8 m/s時(shí)，A，B，C文丘里喉部靜壓差分別為500 ，630，1 000 Pa。喉部氣速較小時(shí)，喉間距變大相當(dāng)于增加高度差△H，此時(shí)管壁阻力和高度差△H成為影響喉部靜壓差的主導(dǎo)因素，氣速較低時(shí)，喉部間距對(duì)喉部靜壓具有較大影響作用；但喉部氣速較大時(shí)，如喉部氣速增加至95 m/s，3種文丘里喉部靜壓差都在1 800 Pa左右。這說明影響喉部靜壓的主要因素變?yōu)楦叨炔詈秃聿繗馑?。同種文丘里引射量隨高度差△H的變化差異明顯，△H=180 mm，喉部間距最大僅為△H的13%，故喉部間距分別為0，13，23 mm，喉部靜差壓緩慢降低。

圖8為3種文丘里引射量與喉部靜壓差的關(guān)系，3種文丘里引射量隨喉部靜壓差增大而變大，相同靜壓差時(shí)引射量差別也很大，如 △H=0 mm，靜壓差650 Pa時(shí)，A，B，C三種文丘里引射量分別為0.44 ，0.4，0.18 kg/s，主要因素為喉部間距。喉部靜壓差對(duì)文丘里引射量的影響主要通過喉部氣速、高度差和阻力損失三部分實(shí)現(xiàn)的。

圖8 3種文丘里引射量隨喉部壓差變化規(guī)律

3.3 喉間距與引射量的關(guān)系

圖9為高度差△H為0，30，70 mm時(shí)3種類型文丘里引射量與喉部氣速關(guān)系，△H=0時(shí)，C型文丘里喉部氣速66 m/s時(shí)文丘里實(shí)現(xiàn)帶液能力，而A型和B型文丘里喉部氣速為47.8 m/s時(shí)已實(shí)現(xiàn)帶液，由前文分析氣速較低時(shí)，喉部間距、高度差和壁面粗糙程度對(duì)喉部靜壓具有較大影響作用，高度差一定時(shí)，阻力損失和喉部間距成為影響引射量的重要因素，喉部靜壓差受到限制時(shí)，喉間距變化后流體通道截面積變小，相同壓差下引射液體流量減少。

圖9 不同高度差下3種類型文丘里引射量與喉部氣速關(guān)系

喉間距增大過程3種文丘里引射量呈降低趨勢，B、C型引射量相對(duì)于A型減少了30%和50%，這比苗壯等[12]所做實(shí)驗(yàn)引射量變化更多。但喉部氣速在一定范圍內(nèi)B型文丘里引射量最大，如△H=30 mm，喉部氣速38.5～54.5 m/s和△H=60 mm，喉部氣速60～66 m/s。氣速在一定范圍內(nèi)，射流進(jìn)入混合段的角度較小，相同氣速下增加喉部間距使氣液混合接觸面面積增大，此時(shí)噴嘴離喉部距離即喉間距越大，兩者空間越大，氣液混合流體流經(jīng)此處阻力損失減小，由前文分析氣速較低時(shí)文丘里管壁阻力和高度差△H成為影響引射量的主導(dǎo)因素，故引射量增大。喉間距繼續(xù)擴(kuò)大后噴嘴距喉部距離進(jìn)一步增大，氣液接觸面積急劇減小，氣體帶液量減少。

由公式(4)，d1=46 mm，d2=54 mm，D=4，最佳喉部間距l(xiāng)=12.9 mm。實(shí)驗(yàn)中A，B，C型文丘里喉間距分別為0，13，23 mm，B型文丘里喉間距約等于最佳喉間距l(xiāng)，故喉部氣速在某一范圍內(nèi)3種文丘里引射量隨喉部間距增大先增大后減小。

但當(dāng)喉部氣速達(dá)到一定值時(shí)，喉部氣速成為影響靜壓差的主要因素之一，氣速足夠大、△H不變時(shí)，由圖1，流體終截面直徑d4大于喉部出口直徑時(shí)，流體帶入混合室內(nèi)的氣體多于文丘里所需的氣量，氣流被文丘里收縮段阻擋，在混合室發(fā)生倒流現(xiàn)象，大多數(shù)氣體會(huì)返回吸入室附近，產(chǎn)生于氣體倒流的阻力損失；氣流在吸入室內(nèi)產(chǎn)生渦旋、滯留區(qū)，使局部靜壓增高，當(dāng)文丘里出口處靜壓不變時(shí)，內(nèi)部壓差減小，引射動(dòng)力不足。而3種文丘里喉間距逐漸增大，文丘里收縮段對(duì)氣流的阻擋作用逐漸增強(qiáng)，三者文丘里引射量逐漸減小，B，C型引射量相比A型差別很大，說明氣速超過合適范圍內(nèi)，喉部間距對(duì)文丘里引射量影響非常大。文丘里喉部間距對(duì)引射量的影響是很復(fù)雜的，喉部氣速較小且在合適范圍內(nèi)時(shí)引射量隨喉部氣速增大先增大后減小，喉部氣速繼續(xù)增大到一定值后引射量隨喉部氣速增大急劇變小。

自吸式文丘里洗滌器不僅與喉間距和靜壓差有關(guān)，還與文丘里喉部直徑、噴管與外套管環(huán)隙寬度、噴射流體種類等因素密切相關(guān)。

4 結(jié)論

引射量是研究自吸式文丘里性能的主要內(nèi)容，研究各種因素對(duì)文丘里引射量的影響對(duì)改善文丘里洗滌器的性能，對(duì)提高廢氣處理和工業(yè)除塵效率具有重要意義。本文主要針對(duì)自吸式文丘里，研究并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了喉部靜壓差和喉間距對(duì)引射量的影響，具體結(jié)論如下。

(1)自吸式文丘里洗滌器的引射效率是由引射量及氣液相分散效果共同作用結(jié)果，文丘里引射量、分散特征主要取決于喉部氣相靜壓差、液面提升高度等操作因素以及喉部間距等文丘里管結(jié)構(gòu)因素。喉部氣速較大時(shí)，喉部壓差增大，文丘里出口處混合效果趨勢由穩(wěn)定趨于混亂，喉間距增大有助于改善出口處氣液噴射質(zhì)量，減少液膜產(chǎn)生。可通過適當(dāng)調(diào)整喉部靜壓差，減少液面高度差以及增大喉部間距等方法提高引射量、改善氣液分散效果。喉部氣速較高時(shí)，增加喉部間距后文丘里出口處氣液分散效果雖能得到增強(qiáng)，液滴平均直徑降低，但其相同能耗下引射量變化不大，引射效果并未得到顯著提升；低氣速條件下，增加喉部間距文丘里出口處引射效果得到增強(qiáng)。

(2)靜壓差是文丘里引射量的直接影響因素，喉部氣速、高度差△H和阻力損失共同影響靜壓差，喉部氣速低時(shí)，對(duì)喉部靜壓差影響并不明顯，相同情況下氣體需要克服重力和阻力做功增多，文丘里管壁阻力和高度差△H成為影響喉部靜壓差的主導(dǎo)因素；喉部氣速高時(shí)，更易克服阻力和重力做功，高度差△H和喉部氣速影響更為明顯，可通過減小高度差△H，減小文丘里壁面粗糙度的方式提高引射量，改善氣液分布情況。

(3)喉間距對(duì)文丘里引射量的影響是相對(duì)復(fù)雜的，喉部氣速在某一范圍內(nèi)存在最佳喉部間距，該范圍內(nèi)引射量隨喉間距擴(kuò)大先增大后減?。怀^該范圍后引射量急劇減小。設(shè)計(jì)文丘里洗滌器時(shí)應(yīng)根據(jù)液氣比計(jì)算最佳喉間距，操作氣速控制在一定范圍內(nèi)使自吸式文丘里洗滌器達(dá)到最大引射效率。