气泡雾化喷嘴设计与试验

气泡雾化喷嘴设计与试验

0双流体雾化的原理液体雾弥漫器广泛应用于燃料燃烧、喷射湿带和脱火炮等领域。雾弥射器通常分为机械雾和双液氧化器。机械氧化器使用机装置将液体旋转，首先形成液体膜。液膜在离心分离的作用下破裂并破碎，以达到雾效果。因此，液体压力越大，转杯的速度越高，雾的粒径越小。Y型雾化喷嘴是传统双流体雾化的典型代表,它是利用高速气体射流对液体射流的撞击,使液体射流成为液膜或液丝,液膜和液丝被高速喷出混合孔后,由湍流、边界层及两相流扩散等交互作用而雾化,提高液体的压力时,液体流量增大且雾化粒径随之减小。机械雾化和传统双流体雾化这两类喷嘴在设计工况工作时,雾化粒径可以保证,但在变工况,即降负荷运行的情况下,雾化粒径无法满足正常需要,而且它们对液体的粘度要求较高,同时能耗相对较大。利用气液两相流特性工作的气泡雾化喷嘴是一种新型的双流体雾化喷嘴,在近年来发展很快,本文将通过气泡雾化喷嘴的试验研究,深入分析其雾化机理。1液体雾化的机理气泡雾化喷嘴是一个两级的雾化器,如图1所示。在气泡雾化器中,首先利用小孔装置在混合室产生气泡两相流,混合室保持一定的压力,这样当气泡两相流流出喷嘴喷孔时,压力突降到常压,两相流中的气泡在内外压差的作用下急速膨胀并发生爆裂,这就是气泡雾化喷嘴的原理。气泡雾化喷嘴的关键技术就是在喷嘴前形成气泡两相流,根据气液两相流的理论,气液两相的质量流率比对其流态影响很大,当气液比小于25%时,气液两相流为泡状流,气液比大于25%小于29%时,两相流为弹状流,气液比大于29%小于40%时,两相流为环状流,当然两相流的流态还与两相混合室的压力,液体的性质如粘度、张力、密度等参数有关,与混合室的直径和长度也有关。气泡两相流是在气泡雾化喷嘴混合室的射流区域产生的,气体射流与液体射流的夹角为45°～90°,当气体以一个或多个连续射流形式注入液体射流时,气泡流就形成了,气泡的产生速率接近常数,气泡的尺寸随气体流率的增加而增大。混合室内的两相流是亚音速流动,在混合室出口设置收缩段,一方面可以加速两相流,另一方面使气泡两相流压力膨胀,从而使两相流中气泡的平均直径增大,其中有一部分气泡因失稳而破碎成更小的气泡,气泡的数量增多。这对增强雾化效果是非常重要的。气泡两相流经过加速后,两相流中气泡的平均直径增大、数量增多,气泡在两相流中的分布较均匀,并具有一定的压力,这样的气泡两相流以近音速流出喷嘴时,压力突然降低到环境压力,引起气泡急速膨胀并爆破,爆破界面上的压力突变是液体雾化的动力,气泡周围的液体由气泡向外膨胀压缩到反向中心快速冲击,在气泡爆破压力波和液体的相互撞击作用下,液体的雾化粒径可以达到很小的水平。从受力的角度看,雾化液体需要克服液体的粘性力和表面张力,传统的双流体雾化和机械雾化是通过液注或液膜与周围介质如空气、蒸汽、压缩空气等的剧烈撞击和剪切来实现液体的雾化,雾化过程主要克服的是液体粘性力,从以上分析可以看出,气泡雾化喷嘴主要克服的是液体表面张力。液体的粘性力差别很大,而表面张力的差别不大,因此,气泡雾化喷嘴对液体的适应性非常好,气液的表面张力相对粘性力较小,所以气泡雾化喷嘴所需能量也较小。2注液孔直径的影响由于影响因素多,气泡雾化喷嘴的流量计算非常困难,对于气泡流动,当近似认为两相流均匀时,在一维流动情况下,对于空气和水的混合物,泡状流动的临界速度为c=ρaρaβ2+β(1−β)ρ1−−−−−−−−−−√cac=ρaρaβ2+β(1-β)ρ1ca两相流的平均密度为ρ=1+ALR1ρl+ALRρaρ=1+ALR1ρl+ALRρa所以喷嘴的临界流量为M=μAcρ=μAcaρa(1+ALR)/ALR−−−−−−−−−−−−−−√Μ=μAcρ=μAcaρa(1+ALR)/ALR其中A为喷嘴喷孔的面积;流量系数μ与雷诺数及孔长孔径比有关,一般取0.58～0.65。在高气液比下计算略高于实际值,但总体误差低于10%。这是因为气液比ALR较大时混合室内两相流动是弹状流或环状流型,大气泡的存在会阻塞液体在喷嘴出口的流动,从而使液体的流量降低。在液体的压力确定以后,可以用下式计算注液孔的直径dl=Mlπ4CD[2ρl(Pl−Pm)]0.5−−−−−−−−−−−−−√dl=Μlπ4CD[2ρl(Ρl-Ρm)]0.5其中CD为流量系数,一般取0.71。根据两相流的理论,在混合室内维持泡状流动主要取决于气相折算速度和液相折算速度,经验表明,混合室直径D、空隙率β、注气孔直径da等都会对混合室内的流态产生直接的影响。空隙率β与气液流率比ALR的关系如下式ALR=ρaρlβ1−β=MaMlALR=ρaρlβ1-β=ΜaΜl泡状流存在的极限空隙率小于0.69,虽然一般认为当β≥0.3时泡状流已很难维持,但当通道中流速很高或表面被污染时,大气泡就可能因湍动而破裂成稳定的小气泡,形成复杂的含泡气流,当ALR≥0.1时,由于两相流的速度很高,即使在混合室内存在随液体高速流动的不稳定的大气泡,在喷嘴头部,强烈的湍动扰动使气体和液体充分混合并形成含有大量微小气泡的泡沫状流体。由ALR的定义式可知,气液密度比很小,当ALR<0.1时,ALR的微量增加都会引起空隙率的急剧增加,即引起气体质量流量Ma的剧增和Ml的剧减,这是气泡雾化喷嘴不稳定工况的原因;当ALR≥0.1时,β随ALR增加而增长的趋势变得平缓,Ml的变化趋势也逐渐平缓。混合室直径DC对流量特性几乎没有影响,但较小的直径会造成阻力增加,而较大的直径又促使两相流流型发生转换的趋势。注气孔的截面积的变化对混合室压力Pm影响不大,截面积大的运行于较高的ALR下,根据气体流量公式Ma=CDAa2κκ−1Paρa[(PmPa)2κ−(PmPa)κ+1κ]−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√Μa=CDAa2κκ-1Ρaρa[(ΡmΡa)2κ-(ΡmΡa)κ+1κ]注气孔面积Aa的增加会使Ma增大,从而使ALR有所提高,取喷嘴出口面积A与注气口的面积Aa之比为1.35,则Pm为0.6倍的气体压力Pa,压力比大于临界压力比0.528,通过注气孔的气体是亚音速流动。喷嘴截面积A对流量特性和运行参数影响显著。较大的A会引起Pm的降低,较低的Pm会引起ALR和Ml的增大,Pm过低时会削弱气泡的爆破作用。直径为Db的气泡在等熵膨胀时具有的能量Eb为Eb=κπ6(κ−1)PmD3b[1−(P0Pm)κ−1κ]Eb=κπ6(κ-1)ΡmDb3[1-(Ρ0Ρm)κ-1κ]所以Pm直接影响单个气泡的能量Eb,如果Eb小到不足以克服气泡外水膜的表面张力σ而发生快速膨胀时,气泡将不能爆破,也就达不到气泡雾化的目的,因此Eb≥σπD2b,一般Pm≥0.18MPa就可以满足要求。3设计模型及参数根据上述气泡雾化喷嘴的设计方法,对如图1所示的气泡雾化喷嘴进行了250L/h流量的设计计算,设计参数为:轻油,温度30°C,轻油压力1.4MPa,空气压力0.5MPa,雾化平均粒径d<100μm,最大粒径dmax<200μm。设计图纸加工后一次通过流量试验和粒度分布试验。3.1雾化试验装置喷嘴雾化试验台如图2所示。雾化介质采用空气,被雾化液体是轻油。空气由压缩机加压,经过调压阀产生一定压力和流量的雾化介质;轻油经过油泵和调压系统产生试验压力的雾化体;双流体经过气泡雾化喷嘴达到燃油的雾化效果。雾化试验装置是一直径为3m的密封圆柱型室,雾化粒径由FAM激光测量仪测定,距离喷嘴出口的轴线距离为250mm,雾化流量密度由试管架在一定的时间所收集的轻油量确定。试验仪器和油品如表1所示。3.2不同压力下注液孔结构的雾化建模流量试验是在保持气体压力分别为0.4MPa、0.5MPa和0.6MPa的情况下,改变轻油的压力进行的。试验结果如表2所示。从表2可以看出,气耗率随着气体压力的减小而减小,当气体压力保持不变时,液体流量随着液体压力的增大而增大,同时气耗率有所减小。这是因为注气孔相当于渐缩喷管,当压力增大时,气耗率随之增大;而当注液孔直径不变时,根据伯努利方程,液体的压力增大,其喷液量也随之增大,这时气液两相流混合室的压力也有所增大,导致气耗率减小。当气体压力大于0.5MPa以后,雾化角介于50°～60°,当气体压力小于等于0.4MPa时,随着液体压力的增大,雾化角减小,这说明该工况下,气体压力对雾化角的影响较明显,气体压力减小,气耗率减小,同时液体压力的增加使得气耗率更小,从而导致雾化角减小。流量试验结果见表2。3.3线距离为500mm时用试管架测量雾化射流的轻油流量密度,试管之间的距离为37mm,喷嘴到试管架的轴线距离为500mm时,测量时间间隔为15s时,试验结果见表3。从表中数据可以看出,流量密度是典型的正态分布,喷嘴轴线方向的流量密度最大,在沿着与轴线垂直的方向上,随着与轴线的距离愈远,流量密度愈小。这些特征是由于射流和扩散规律决定的。3.4雾化粒径的变化气泡雾化喷嘴的雾化粒径主要是在气体压力为0.5MPa时进行的,试验结果如表4所示。从表4可以看出,当气体压力保持0.5MPa时,随着液体压力从0.6MPa增大到1.5MPa时,液体的流量增加近3倍,雾化平均粒径SMD从77.49μm增大到94.49μm,最大粒径从111μm增大到158μm,但两者的变化都不大,随液体压力增大,雾化粒径增加,这是气泡雾化与Y型雾化的本质区别;当油压保持不变时,随着气体压力的增大,平均粒径和最大粒径都减小。这是因为气泡雾化液体的推动力在于气液两相流中的气泡破裂,只要能形成气泡两相流,就可以得到较好的雾化效果,气泡