超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化影響因素實(shí)驗(yàn)研究*

張小偉，葛少成，張 天，荊德吉，陳 曦，孫麗英，韓宗琪

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

眾所周知，噴霧除塵是礦山采掘現(xiàn)場(chǎng)最主要的防塵措施[1-5]，大量研究表明，噴霧除塵能有效減少塵肺病危害[6-8]。隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)行業(yè)高速發(fā)展，噴霧除塵研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展。周剛等[9]通過(guò)分析氣流中液滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)典型噴霧降塵機(jī)理進(jìn)行理論上的改進(jìn)；蔣仲安等[10]從氣液兩相流角度和霧滴破碎理論給出了內(nèi)混式噴嘴霧化模型；王鵬飛等[11]通過(guò)改變噴嘴氣液壓力得出了霧場(chǎng)霧滴粒徑分布規(guī)律；張延松等[12]在煤礦開(kāi)展了綜放工作面噴霧降塵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的降塵效果。但是常規(guī)噴霧除塵技術(shù)所采用的傳統(tǒng)壓力噴嘴和氣液兩相噴嘴存在霧化效果差、降塵效率低等缺陷。因此，提高噴嘴的霧化能力才是解決噴霧降塵問(wèn)題的關(guān)鍵所在，本文作者團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型超音速虹吸式空氣霧化噴嘴采用拉瓦爾結(jié)構(gòu)，霧化性能得到進(jìn)一步改善[13]。借助自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的噴霧特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)新型超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機(jī)理和霧化特性展開(kāi)研究，并與傳統(tǒng)氣液兩相噴嘴和壓力噴嘴進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果對(duì)除塵噴嘴霧化性能的不斷提高具有理論和實(shí)踐借鑒意義。

1 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機(jī)理

1.1 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)

超音速虹吸式空氣霧化噴嘴剖面如圖1所示。當(dāng)氣體以一定的壓力經(jīng)過(guò)具有拉瓦爾結(jié)構(gòu)的噴嘴時(shí)，氣流速度將會(huì)被加速到超音速，以極高的效率增大了氣流與水流的相對(duì)速度，同時(shí)在探針部位造成較大負(fù)壓，得以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的虹吸功能。液體流過(guò)探針后抵達(dá)拉瓦爾噴嘴出口段，在此部位液體與氣流的速度差達(dá)到最大。

1-外殼；2-保護(hù)帽；3-內(nèi)芯；4-拉瓦爾型噴管；5-探針；6-儲(chǔ)水腔；7-導(dǎo)流腔；8-聯(lián)通槽；9-入水口；10-密封圈

1.2 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機(jī)理

依據(jù)不穩(wěn)定表面波理論及空氣動(dòng)力破碎理論，霧化的主要原因是液體通過(guò)探針在拉瓦爾噴嘴出口段被吸出，并與噴出的超音速氣流相撞，此時(shí)液體速度遠(yuǎn)小于氣體速度，在空氣動(dòng)力作用下，產(chǎn)生的劇烈摩擦?xí)挂后w表面受到巨大剪切力，液體被拉成無(wú)數(shù)細(xì)水絲，并分裂成小液滴，如圖1所示。即液體受到非均勻的壓力擾動(dòng)而發(fā)生變形，當(dāng)擾動(dòng)形成的不穩(wěn)定波大到足以克服液體表面張力時(shí)，液體就會(huì)形變破碎，撕裂成更小的液滴[14]。

根據(jù)流體力學(xué)線性不穩(wěn)定分析可知振幅A計(jì)算如式(1)：

A=A0eωt

(1)

式中：A0為初始振幅，m；ω為角頻率，Hz；t為時(shí)間，s。

振幅波角頻率計(jì)算如式(2)：

(2)

式中：k為表面波數(shù)，m-1；c為表面波速，m/s；Ur為氣液速度差，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；ρl為液體密度，kg/m3；μl為液體黏度，Pa·s；β為Jeffrey常數(shù)，取0.3。

其中，k，c計(jì)算分別如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

式中：λ為波長(zhǎng)，nm；σl為液體表面張力，N/s。

定義液膜破碎臨界波長(zhǎng)λc如式(5)：

(5)

由以上推導(dǎo)可知，氣液速度差Ur所決定的液膜破碎臨界波長(zhǎng)λc十分關(guān)鍵。當(dāng)氣液速度差Ur較大，噴嘴出口處形成的擾動(dòng)波λ比液膜破碎臨界波長(zhǎng)λc大時(shí)，振幅波角頻率ω為正數(shù)，則振幅A增加迅速，使氣體造成的擾動(dòng)作用增大，波動(dòng)振幅大于臨界振幅之后，液體就會(huì)發(fā)生破碎。超音速氣流不僅可以在拉瓦爾管出口段使液體表面形成強(qiáng)烈的擾動(dòng)波使其破碎，而且也給破碎的液滴提供了初始動(dòng)能，使液滴高速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液滴離開(kāi)噴嘴一定距離后，由于空氣阻力對(duì)超音速氣流的影響，氣液速度差Ur減小，形成的擾動(dòng)波λ比液膜破碎臨界波長(zhǎng)λc小時(shí)，振幅波角頻率ω為負(fù)數(shù)，則振幅A衰減迅速，氣體造成的擾動(dòng)作用減小，而液體表面張力作用較大，液滴破碎過(guò)程結(jié)束。

2 噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

2.1 實(shí)驗(yàn)噴嘴的選取

噴嘴作為噴霧降塵核心部件，按工作原理不同分為氣液兩相噴嘴和壓力噴嘴。礦山噴霧降塵選用較多的氣液兩相噴嘴為超音速虹吸式空氣霧化噴嘴和內(nèi)混式空氣霧化噴嘴，選用較多的壓力噴嘴為X旋流型壓力噴嘴(后文分別用超音速噴嘴、內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴代替)，本實(shí)驗(yàn)選用噴嘴如圖2所示。

圖2 選用噴嘴

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

太原理工大學(xué)粉塵實(shí)驗(yàn)室噴霧特性測(cè)試系統(tǒng)由噴霧系統(tǒng)和霧滴分析系統(tǒng)組成，如圖3所示。

噴霧系統(tǒng)用于給被測(cè)試噴嘴提供穩(wěn)定持續(xù)的氣壓和水壓，其主要由空壓機(jī)、氣體調(diào)壓閥、高壓水泵、噴嘴、噴嘴固定支架、儲(chǔ)水箱組成。井下最大供氣壓力0.5 MPa，最大供水壓力12 MPa，故本實(shí)驗(yàn)設(shè)置供氣壓力變化范圍為0.1～0.5 MPa，供水壓力變化范圍為0.1～12 MPa[15]。

霧滴分析系統(tǒng)用于對(duì)噴嘴噴出的霧滴粒徑進(jìn)行測(cè)算，其主要由實(shí)時(shí)噴霧激光粒度分析儀和計(jì)算機(jī)分析控制系統(tǒng)組成。實(shí)時(shí)噴霧激光粒度分析儀選用德國(guó)新帕泰克有限公司的HELOS (H4116) & UNIVERSAL。計(jì)算機(jī)分析控制系統(tǒng)使用PAQXOS 4.1測(cè)量軟件，PAQXOS 4.1軟件可定義、控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程，并同時(shí)處理測(cè)量的粒度分布數(shù)據(jù)、顯示結(jié)果并打印報(bào)告。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

第1組實(shí)驗(yàn)為探究噴霧距離對(duì)超音速噴嘴霧化特性的影響，噴嘴進(jìn)氣口連接空壓機(jī)，進(jìn)水口連接儲(chǔ)水箱。采用孔徑為1.0 mm的超音速噴嘴在供氣壓力為0.5 MPa時(shí)，分別對(duì)距離噴嘴出口軸線100～2 000 mm每隔100 mm處進(jìn)行霧滴粒徑測(cè)量，其結(jié)果可說(shuō)明超音速噴嘴在一定距離內(nèi)的霧滴粒徑分布規(guī)律。

第2組實(shí)驗(yàn)為探究供氣壓力對(duì)超音速噴嘴霧化特性的影響，噴嘴進(jìn)氣口連接空壓機(jī)，進(jìn)水口連接儲(chǔ)水箱。采用孔徑為1.0 mm的超音速噴嘴在供氣壓力為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa時(shí)，分別對(duì)距離噴嘴出口軸線100～2 000 mm每隔100 mm處進(jìn)行霧滴粒徑測(cè)量，其結(jié)果可說(shuō)明超音速噴嘴在供氣壓力0.1～0.5 MPa時(shí)的霧滴粒徑分布規(guī)律。

第3組實(shí)驗(yàn)為超音速噴嘴、內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴的對(duì)比分析。內(nèi)混式噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴嘴進(jìn)氣口連接空壓機(jī)，進(jìn)水口連接高壓水泵。壓力噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴嘴進(jìn)水口連接高壓水泵。以上3種噴嘴孔徑均為1.0 mm，分別對(duì)距離噴嘴出口軸線100～2 000 mm每隔100 mm處進(jìn)行霧滴粒徑測(cè)量，其結(jié)果可說(shuō)明超音速噴嘴、內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴在一定距離內(nèi)的霧滴粒徑分布規(guī)律。

3 噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 噴霧距離對(duì)超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化特性的影響

在探究距離噴嘴不同位置對(duì)霧滴粒徑影響的實(shí)驗(yàn)中，由霧滴粒徑隨距離變化(圖4)可知：霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD隨著噴嘴出口軸向距離的增加而增大，且在100～300 mm增大速度較快，在300 mm后增大速度明顯下降。因?yàn)樵趪娮斐隹谔庫(kù)F滴速度極快，霧滴在距離噴嘴300 mm內(nèi)受空氣阻力影響較大，此時(shí)霧滴在霧場(chǎng)中飛行容易發(fā)生碰撞聚合，導(dǎo)致霧滴增大速率相對(duì)較高。霧滴在距離噴嘴300～2 000 mm之間速度逐步趨于穩(wěn)定，受空氣阻力影響較小，此時(shí)霧滴在霧場(chǎng)中飛行碰撞聚合不劇烈，從而霧滴增大速率相對(duì)減緩。

圖4 超音速噴嘴霧滴粒徑分布(0.5 MPa)

由霧滴粒徑分布頻度隨距離變化(圖5)可知：霧滴粒徑頻度分布較為集中，噴嘴出口軸向距離由100 mm增加至2 000 mm時(shí)，霧滴粒徑中心趨勢(shì)向粒徑增大方向偏移較小，眾數(shù)在17.5～21.9 μm之間遞增，說(shuō)明超音速噴嘴在供氣壓力為0.5 MPa時(shí)由于噴霧距離引起的霧滴粒徑變化較小。

圖5 超音速噴嘴霧滴粒徑頻度分布(0.5 MPa)

3.2 供氣壓力對(duì)超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化特性的影響

在探究供氣壓力變化對(duì)霧滴粒徑影響的實(shí)驗(yàn)中，由霧滴粒徑隨供氣壓力變化(圖6)可知：在距離噴嘴出口同一位置時(shí)，隨著噴嘴供氣壓力的增大，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD逐漸減小。由于超音速噴嘴為拉瓦爾同一位置時(shí)，隨著噴嘴供氣壓力的增大，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD逐漸減小。由于超音速噴嘴為拉瓦爾結(jié)構(gòu)，當(dāng)供氣壓力越大，噴嘴出口段氣體速度越大，從而對(duì)液滴造成的剪切力越大，使得霧滴破碎效果越好。

圖6 超音速噴嘴特征粒徑分布

距離噴嘴不同位置時(shí)，供氣壓力為0.1～0.4 MPa霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD變化趨勢(shì)與供氣壓力為0.5 MPa時(shí)基本一致，見(jiàn)3.1。以SMD為例，超音速噴嘴在供氣壓力為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa時(shí)的霧滴粒徑變化范圍分別是25.9～29.15，23.63～28.72，22.63～27.74，21.16～25.38，20.87～23.71 μm。超音速噴嘴在供氣壓力在0.1～0.5 MPa范圍內(nèi)均能達(dá)到較好霧化效果。

在供氣壓力為0.1～0.5 MPa范圍內(nèi)，距離噴嘴2 000 mm位置時(shí)，超音速噴嘴霧滴粒徑以SMD為例，其變化范圍在23.46～31.16 μm，表明超音速噴嘴在射程在達(dá)2 000 mm時(shí)霧滴仍保持在理想粒徑范圍內(nèi)。

3.3 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴、內(nèi)混式空氣霧化噴嘴和X旋流型壓力噴嘴的對(duì)比分析

本次實(shí)驗(yàn)得到了大量數(shù)據(jù)，可知超音速噴嘴在供氣壓力0.5 MPa時(shí)霧化效果最好，內(nèi)混式噴嘴在供氣壓力0.3 MPa、供液壓力0.3 MPa時(shí)霧化效果最好，壓力噴嘴在供液壓力6 MPa時(shí)霧化效果最好。

由霧滴粒徑隨距離變化(圖7)可知：3種噴嘴霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD均隨著噴嘴出口軸向距離的增加而增大，內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴霧滴粒徑增大速率遠(yuǎn)大于超音速噴嘴。在距噴嘴100～2 000 mm范圍內(nèi)，超音速噴嘴霧化效果穩(wěn)定，霧滴粒徑變化幅度較小，而內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴霧化效果不穩(wěn)定，霧滴粒徑變化幅度較大。

圖7 霧滴粒徑分布

由霧滴粒徑分布頻度隨距離變化(圖8)可知：超音速噴嘴霧滴粒徑頻度分布較為集中，隨著噴霧距離的增加，霧滴粒徑中心趨勢(shì)向粒徑增大方向偏移較小，眾數(shù)在17.5～21.9 μm之間遞增，霧滴粒徑變化較小。內(nèi)混式噴嘴霧滴粒徑頻度分布較為分散，隨著噴霧距離的增加，霧滴粒徑中心趨勢(shì)向右偏移較大，眾數(shù)在23～137 μm之間遞增，霧滴粒徑變化較大。壓力噴嘴霧滴粒徑頻度分布最為分散，隨著噴霧距離的增加，霧滴粒徑中心趨勢(shì)向右偏移最大，眾數(shù)在24～154 μm之間遞增，霧滴粒徑變化最大。由于3種噴嘴結(jié)構(gòu)和霧化方式不同，噴出的霧流結(jié)構(gòu)也各不同，超音速噴嘴霧滴速度較大，霧區(qū)邊緣和中心速度偏差較小，破碎和凝并2種作用差異較小，霧滴分散均度較好，霧滴粒徑分布頻度只出現(xiàn)1次峰值；而內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴霧滴速度較小，霧區(qū)邊緣和中心速度偏差較大，破碎和凝并2種作用差異較大，使邊緣和中心處?kù)F滴粒徑分布頻度出現(xiàn)2個(gè)峰值。

圖8 霧滴粒徑頻度分布

由超音速噴嘴、內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴在不同距離下的霧滴粒徑對(duì)比(圖9)可知：在距離噴嘴300～2 000 mm范圍內(nèi)，3種噴嘴霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD的對(duì)比中，超音速噴嘴霧滴粒徑始終小于內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴。以SMD為例，超音速噴嘴、內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴在300～2 000 mm距離內(nèi)的霧滴粒徑變化范圍分別是20.48～23.46，44.00～90.07，49.85～85.53 μm。在噴嘴各自最佳工況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，超音速噴嘴SMD比內(nèi)混式噴嘴和壓力噴嘴小53.5%～74.0%。

圖9 霧滴粒徑對(duì)比

4 結(jié)論

1)由超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機(jī)理可知，噴嘴出口段氣液速度差主要取決于噴嘴供氣壓力，相比內(nèi)混式空氣霧化噴嘴和X旋流型壓力噴嘴，有效射程內(nèi)霧滴破碎充分，霧化效果更好。

2)當(dāng)氣壓固定時(shí)，隨著與噴嘴出口軸線距離的增加，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD也逐漸增加，但增加幅度較小。同時(shí)，霧滴頻度分布也隨之向粒徑增大方向偏移，但偏移幅度較少，整體分布較為集中。噴霧距離對(duì)超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化特性影響不大，超音速虹吸式空氣霧化噴嘴具有射程遠(yuǎn)，粒徑小的特點(diǎn)。

3)在不同供氣壓力條件下，噴霧距離變化對(duì)霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)噴霧距離固定時(shí)，隨著供氣壓力的減小，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD逐漸增大，但增大幅度較小。供氣壓力為0.1～0.5 MPa范圍內(nèi)，超音速虹吸式空氣霧化噴嘴在霧場(chǎng)軸線位置均可達(dá)到理想霧滴粒徑。

4)隨著距噴嘴距離的增大，超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧滴頻度分布向粒徑增大方向偏移量遠(yuǎn)小于內(nèi)混式空氣霧化噴嘴和X旋流型壓力噴嘴。