氣泡霧化噴嘴設(shè)計與試驗

氣泡霧化噴嘴設(shè)計與試驗

0雙流體霧化的原理液體霧彌漫器廣泛應(yīng)用于燃料燃燒、噴射濕帶和脫火炮等領(lǐng)域。霧彌射器通常分為機械霧和雙液氧化器。機械氧化器使用機裝置將液體旋轉(zhuǎn)，首先形成液體膜。液膜在離心分離的作用下破裂并破碎，以達到霧效果。因此，液體壓力越大，轉(zhuǎn)杯的速度越高，霧的粒徑越小。Y型霧化噴嘴是傳統(tǒng)雙流體霧化的典型代表,它是利用高速氣體射流對液體射流的撞擊,使液體射流成為液膜或液絲,液膜和液絲被高速噴出混合孔后,由湍流、邊界層及兩相流擴散等交互作用而霧化,提高液體的壓力時,液體流量增大且霧化粒徑隨之減小。機械霧化和傳統(tǒng)雙流體霧化這兩類噴嘴在設(shè)計工況工作時,霧化粒徑可以保證,但在變工況,即降負荷運行的情況下,霧化粒徑無法滿足正常需要,而且它們對液體的粘度要求較高,同時能耗相對較大。利用氣液兩相流特性工作的氣泡霧化噴嘴是一種新型的雙流體霧化噴嘴,在近年來發(fā)展很快,本文將通過氣泡霧化噴嘴的試驗研究,深入分析其霧化機理。1液體霧化的機理氣泡霧化噴嘴是一個兩級的霧化器,如圖1所示。在氣泡霧化器中,首先利用小孔裝置在混合室產(chǎn)生氣泡兩相流,混合室保持一定的壓力,這樣當氣泡兩相流流出噴嘴噴孔時,壓力突降到常壓,兩相流中的氣泡在內(nèi)外壓差的作用下急速膨脹并發(fā)生爆裂,這就是氣泡霧化噴嘴的原理。氣泡霧化噴嘴的關(guān)鍵技術(shù)就是在噴嘴前形成氣泡兩相流,根據(jù)氣液兩相流的理論,氣液兩相的質(zhì)量流率比對其流態(tài)影響很大,當氣液比小于25%時,氣液兩相流為泡狀流,氣液比大于25%小于29%時,兩相流為彈狀流,氣液比大于29%小于40%時,兩相流為環(huán)狀流,當然兩相流的流態(tài)還與兩相混合室的壓力,液體的性質(zhì)如粘度、張力、密度等參數(shù)有關(guān),與混合室的直徑和長度也有關(guān)。氣泡兩相流是在氣泡霧化噴嘴混合室的射流區(qū)域產(chǎn)生的,氣體射流與液體射流的夾角為45°～90°,當氣體以一個或多個連續(xù)射流形式注入液體射流時,氣泡流就形成了,氣泡的產(chǎn)生速率接近常數(shù),氣泡的尺寸隨氣體流率的增加而增大?；旌鲜覂?nèi)的兩相流是亞音速流動,在混合室出口設(shè)置收縮段,一方面可以加速兩相流,另一方面使氣泡兩相流壓力膨脹,從而使兩相流中氣泡的平均直徑增大,其中有一部分氣泡因失穩(wěn)而破碎成更小的氣泡,氣泡的數(shù)量增多。這對增強霧化效果是非常重要的。氣泡兩相流經(jīng)過加速后,兩相流中氣泡的平均直徑增大、數(shù)量增多,氣泡在兩相流中的分布較均勻,并具有一定的壓力,這樣的氣泡兩相流以近音速流出噴嘴時,壓力突然降低到環(huán)境壓力,引起氣泡急速膨脹并爆破,爆破界面上的壓力突變是液體霧化的動力,氣泡周圍的液體由氣泡向外膨脹壓縮到反向中心快速沖擊,在氣泡爆破壓力波和液體的相互撞擊作用下,液體的霧化粒徑可以達到很小的水平。從受力的角度看,霧化液體需要克服液體的粘性力和表面張力,傳統(tǒng)的雙流體霧化和機械霧化是通過液注或液膜與周圍介質(zhì)如空氣、蒸汽、壓縮空氣等的劇烈撞擊和剪切來實現(xiàn)液體的霧化,霧化過程主要克服的是液體粘性力,從以上分析可以看出,氣泡霧化噴嘴主要克服的是液體表面張力。液體的粘性力差別很大,而表面張力的差別不大,因此,氣泡霧化噴嘴對液體的適應(yīng)性非常好,氣液的表面張力相對粘性力較小,所以氣泡霧化噴嘴所需能量也較小。2注液孔直徑的影響由于影響因素多,氣泡霧化噴嘴的流量計算非常困難,對于氣泡流動,當近似認為兩相流均勻時,在一維流動情況下,對于空氣和水的混合物,泡狀流動的臨界速度為c=ρaρaβ2+β(1?β)ρ1??????????√cac=ρaρaβ2+β(1-β)ρ1ca兩相流的平均密度為ρ=1+ALR1ρl+ALRρaρ=1+ALR1ρl+ALRρa所以噴嘴的臨界流量為M=μAcρ=μAcaρa(1+ALR)/ALR??????????????√Μ=μAcρ=μAcaρa(1+ALR)/ALR其中A為噴嘴噴孔的面積;流量系數(shù)μ與雷諾數(shù)及孔長孔徑比有關(guān),一般取0.58～0.65。在高氣液比下計算略高于實際值,但總體誤差低于10%。這是因為氣液比ALR較大時混合室內(nèi)兩相流動是彈狀流或環(huán)狀流型,大氣泡的存在會阻塞液體在噴嘴出口的流動,從而使液體的流量降低。在液體的壓力確定以后,可以用下式計算注液孔的直徑dl=Mlπ4CD[2ρl(Pl?Pm)]0.5?????????????√dl=Μlπ4CD[2ρl(Ρl-Ρm)]0.5其中CD為流量系數(shù),一般取0.71。根據(jù)兩相流的理論,在混合室內(nèi)維持泡狀流動主要取決于氣相折算速度和液相折算速度,經(jīng)驗表明,混合室直徑D、空隙率β、注氣孔直徑da等都會對混合室內(nèi)的流態(tài)產(chǎn)生直接的影響?？障堵师屡c氣液流率比ALR的關(guān)系如下式ALR=ρaρlβ1?β=MaMlALR=ρaρlβ1-β=ΜaΜl泡狀流存在的極限空隙率小于0.69,雖然一般認為當β≥0.3時泡狀流已很難維持,但當通道中流速很高或表面被污染時,大氣泡就可能因湍動而破裂成穩(wěn)定的小氣泡,形成復(fù)雜的含泡氣流,當ALR≥0.1時,由于兩相流的速度很高,即使在混合室內(nèi)存在隨液體高速流動的不穩(wěn)定的大氣泡,在噴嘴頭部,強烈的湍動擾動使氣體和液體充分混合并形成含有大量微小氣泡的泡沫狀流體。由ALR的定義式可知,氣液密度比很小,當ALR<0.1時,ALR的微量增加都會引起空隙率的急劇增加,即引起氣體質(zhì)量流量Ma的劇增和Ml的劇減,這是氣泡霧化噴嘴不穩(wěn)定工況的原因;當ALR≥0.1時,β隨ALR增加而增長的趨勢變得平緩,Ml的變化趨勢也逐漸平緩。混合室直徑DC對流量特性幾乎沒有影響,但較小的直徑會造成阻力增加,而較大的直徑又促使兩相流流型發(fā)生轉(zhuǎn)換的趨勢。注氣孔的截面積的變化對混合室壓力Pm影響不大,截面積大的運行于較高的ALR下,根據(jù)氣體流量公式Ma=CDAa2κκ?1Paρa[(PmPa)2κ?(PmPa)κ+1κ]??????????????????????????√Μa=CDAa2κκ-1Ρaρa[(ΡmΡa)2κ-(ΡmΡa)κ+1κ]注氣孔面積Aa的增加會使Ma增大,從而使ALR有所提高,取噴嘴出口面積A與注氣口的面積Aa之比為1.35,則Pm為0.6倍的氣體壓力Pa,壓力比大于臨界壓力比0.528,通過注氣孔的氣體是亞音速流動。噴嘴截面積A對流量特性和運行參數(shù)影響顯著。較大的A會引起Pm的降低,較低的Pm會引起ALR和Ml的增大,Pm過低時會削弱氣泡的爆破作用。直徑為Db的氣泡在等熵膨脹時具有的能量Eb為Eb=κπ6(κ?1)PmD3b[1?(P0Pm)κ?1κ]Eb=κπ6(κ-1)ΡmDb3[1-(Ρ0Ρm)κ-1κ]所以Pm直接影響單個氣泡的能量Eb,如果Eb小到不足以克服氣泡外水膜的表面張力σ而發(fā)生快速膨脹時,氣泡將不能爆破,也就達不到氣泡霧化的目的,因此Eb≥σπD2b,一般Pm≥0.18MPa就可以滿足要求。3設(shè)計模型及參數(shù)根據(jù)上述氣泡霧化噴嘴的設(shè)計方法,對如圖1所示的氣泡霧化噴嘴進行了250L/h流量的設(shè)計計算,設(shè)計參數(shù)為:輕油,溫度30°C,輕油壓力1.4MPa,空氣壓力0.5MPa,霧化平均粒徑d<100μm,最大粒徑dmax<200μm。設(shè)計圖紙加工后一次通過流量試驗和粒度分布試驗。3.1霧化試驗裝置噴嘴霧化試驗臺如圖2所示。霧化介質(zhì)采用空氣,被霧化液體是輕油?？諝庥蓧嚎s機加壓,經(jīng)過調(diào)壓閥產(chǎn)生一定壓力和流量的霧化介質(zhì);輕油經(jīng)過油泵和調(diào)壓系統(tǒng)產(chǎn)生試驗壓力的霧化體;雙流體經(jīng)過氣泡霧化噴嘴達到燃油的霧化效果。霧化試驗裝置是一直徑為3m的密封圓柱型室,霧化粒徑由FAM激光測量儀測定,距離噴嘴出口的軸線距離為250mm,霧化流量密度由試管架在一定的時間所收集的輕油量確定。試驗儀器和油品如表1所示。3.2不同壓力下注液孔結(jié)構(gòu)的霧化建模流量試驗是在保持氣體壓力分別為0.4MPa、0.5MPa和0.6MPa的情況下,改變輕油的壓力進行的。試驗結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,氣耗率隨著氣體壓力的減小而減小,當氣體壓力保持不變時,液體流量隨著液體壓力的增大而增大,同時氣耗率有所減小。這是因為注氣孔相當于漸縮噴管,當壓力增大時,氣耗率隨之增大;而當注液孔直徑不變時,根據(jù)伯努利方程,液體的壓力增大,其噴液量也隨之增大,這時氣液兩相流混合室的壓力也有所增大,導(dǎo)致氣耗率減小。當氣體壓力大于0.5MPa以后,霧化角介于50°～60°,當氣體壓力小于等于0.4MPa時,隨著液體壓力的增大,霧化角減小,這說明該工況下,氣體壓力對霧化角的影響較明顯,氣體壓力減小,氣耗率減小,同時液體壓力的增加使得氣耗率更小,從而導(dǎo)致霧化角減小。流量試驗結(jié)果見表2。3.3線距離為500mm時用試管架測量霧化射流的輕油流量密度,試管之間的距離為37mm,噴嘴到試管架的軸線距離為500mm時,測量時間間隔為15s時,試驗結(jié)果見表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出,流量密度是典型的正態(tài)分布,噴嘴軸線方向的流量密度最大,在沿著與軸線垂直的方向上,隨著與軸線的距離愈遠,流量密度愈小。這些特征是由于射流和擴散規(guī)律決定的。3.4霧化粒徑的變化氣泡霧化噴嘴的霧化粒徑主要是在氣體壓力為0.5MPa時進行的,試驗結(jié)果如表4所示。從表4可以看出,當氣體壓力保持0.5MPa時,隨著液體壓力從0.6MPa增大到1.5MPa時,液體的流量增加近3倍,霧化平均粒徑SMD從77.49μm增大到94.49μm,最大粒徑從111μm增大到158μm,但兩者的變化都不大,隨液體壓力增大,霧化粒徑增加,這是氣泡霧化與Y型霧化的本質(zhì)區(qū)別;當油壓保持不變時,隨著氣體壓力的增大,平均粒徑和最大粒徑都減小。這是因為氣泡霧化液體的推動力在于氣液兩相流中的氣泡破裂,只要能形成氣泡兩相流,就可以得到較好的霧化效果,氣泡