气溶性射流对钢板污垢清洗的应用研究

邓晓刚，李 云，张贤明

(1. 重庆工商大学 废油资源化技术与装备工程中心，重庆 400067)(2. 重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 401331)

气溶性射流对钢板污垢清洗的应用研究

邓晓刚1,2，李 云2，张贤明1

(1. 重庆工商大学 废油资源化技术与装备工程中心，重庆 400067)(2. 重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 401331)

为了获得更好的清洗效果和节能环保，提出了一种新型的射流方式——气溶性射流。基于流体力学和气溶性射流的工作原理，根据气溶性射流的特性和喷嘴的几何特征，研究了气液相的流动特性方程，得到了气溶性射流的速度分布规律。利用自行设计的超音速喷嘴组装的带电气溶性射流实验装置对钢板进行清洗，经简易检测表明：气溶性射流喷嘴产生的超音速极大地提高了洗涤效率，与同流量的喷嘴相比，效率提高近10倍，具有广泛的应用前景。

气溶性;射流;两相流;超音速喷嘴;清洗

1 气溶性射流的工作原理

如图1所示，水以一定的压力进入到水管3中，压缩空气(0.2～0.5MPa)从进气管4进入，水管的前端部是一个流线型挡板1，在水管的壁面上均匀分布有若干个针状小孔2，它使压力水通过小孔形成雾化射流，在空气剪切力的作用下被破碎成微小水滴，形成气溶性射流。充分混合的气溶性射流进入到喷嘴喉部断面处，其压力达到临界压力，此时气溶性射流速度也达到临界速度(音速)。在喷嘴的扩张段，气溶性射流速度逐渐增加，而压力却逐渐降低。当气溶性射流到达喷嘴出口截面时，气流速度达到超音速，流出喷嘴后气溶性射流将会继续膨胀，这样就有较大的散射面积，可以对物体表面尤其是金属表面的污垢进行清洗。依据超音速喷嘴的结构特点，本文选取拉阀尔喷嘴作为气溶性射流的工作喷嘴[5-6]。

1—流线型挡板;2—针状小孔;3—水管;4—进气管;5—超音速喷嘴

2 超音速喷嘴的设计

2.1喷嘴设计的气体动力学原理

气溶性水气混合物之所以能在喷管中流动，并实现将压力能转换为动能的过程是由于喷管进出口的压力差造成的[7-8]。为了研究沿喷管流动参数的变化，假定喷管每一横截面上流动参数均匀，根据气体动力学原理及质量守恒和动量守恒定律，其流动规律可用以下微分形式的基本方程组来描述：

(1)

式中：ρ为气流密度；V为气流速度；A为截面面积；P为气流压力；K为绝热指数；M为马赫数；T为气流绝对温度。

根据流体力学原理，从式(1)可以看出：气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此在通常的情况下，低流速(高压强)喷嘴应当具有大的截面面积，而高流速(低压强)喷嘴应有小的截面面积，所以喷嘴喉部前面部分由大到小逐渐收缩，气流速度逐渐加大，当气流到达喷嘴截面最小处(喉部)时，气流速度达到临界速度即音速，此时气流压力约为喷嘴进口处压力的1/2。为了使喷嘴出口处的压力继续低于喉部的压力，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要快的流速即超音速，并在该处建立低压区域。

2.2拉阀尔喷嘴的结构设计

拉阀尔(LAVAL)喷嘴结构示意图如图2所示，通常喷嘴混合室的入口直径d1可根据工作水管的直径来确定。收缩段L1的作用是加速气流，同时保证收缩段的出口气流平均、平直并且稳定。LAVAL喷嘴的收缩段主要由入口半径、喉部半径和收缩长度限定, 收缩段的半锥角α1通常取30°。喉部L0是气流速度从亚音速加快到超音速的过渡段，这一段在整个喷嘴的设计中比较重要，不能变化得太快，通常选用一段圆弧作为过渡曲线。理论上讲，只要喉部上游和下游的截面积变化足够平缓，喉部的长度可以为0，但是这样的喷头难以制作。为了方便收缩段与扩张段的加工，喉部应有一定的长度，一般喉部长度不超过喉部的直径d0。超音速扩张段L2是整个喷嘴设计中比较关键的一部分，也是喷嘴设计中最复杂的一个区段。扩张段半锥角α2一般为5°左右，如果扩张角太大，在喷嘴出口处产生的激波比较严重，射流扩张比较快；扩张角太小，气流通道过长，压力损失较大。因此，从喉部到扩张段的过渡应该非常光滑和平缓。从喉部到喷嘴端面超音速的扩张段，通常采用特征线法进行设计，它能使气流在喷嘴出口直径d2处获得超音速。

图2 LAVAL喷嘴结构示意图

3 气溶性射流的实验研究

在理论研究的基础上，搭建了气溶性射流实验平台，对气溶性射流去除污垢效果进行了测试。空气压力维持在0.2MPa以上，以保证喷嘴出口速度达到超音速。使用超音速气溶性射流冲刷污染面，射距参数定为0.7m，观测气溶性射流对油/污垢的清洗效果。当气溶性射流的速度足够高时，射流断面的散射部分可以忽略不计，则近似认为气溶性射流的横截面积等于清洗面积。

在气溶性射流喷嘴上加上高压直流电场(电压为6 kV)，如图3所示，则气溶性液流粒子带电，形成带电的气溶性射流。在开始瞬间，液流粒子(水滴)沉积在聚集有残留电荷的污垢弱导电层上，电动势的方向指向被清洗的物体，从而增加了被洗涤油污的附着性能。当极性相反的荷电液流粒子落在污垢上时，将使油/污垢失去电荷而成中性，进而使蓄积的体积电荷与液流粒子的电荷极性相同，电场力的作用方向发生改变，从而迫使油污和垢层脱离金属面，达到去污的目的。当射流打击在污物表面时，亲油基插入油滴中，而把亲水基留在油滴的外部，将油分散为微小的粒子，粒子的外面被一层亲水基包围，从而将不溶于水的油滴分散在水中，达到较好的清洗效果。当液流粒子带有电荷时，在表面活性剂、电荷、射流的冲刷和洗涤等的联合作用下，也可达到去除油污和污垢的目的。

1—流线体档板;2—电极(阳极);3—针状小孔;4—压力水管;

本气溶性射流装置对一钢板(钢板上涂以黄油、机油等不同类型和不同厚度的油)进行了实验，通过对洗涤液的浓度、洗涤液的流量、清洗时间、荷电装置的电压大小等进行的正交实验表明：采用带电气溶性射流后(为使液流带电，需在水中加入少量钠盐)，洗涤效率大大提高，与常规的清洗射流(加有表面活性剂)相比，由于气溶性射流的喷嘴内径远远大于水喷嘴，清洗面积大大增加，与同流量的水喷嘴相比，效率可提高近10倍，清洗质量满足了用户的要求。在某些不允许使用高压电源的场合，本装置也可不加载高压电场，但清洗效果大约下降三分之一左右。

4 结论

a.本文利用拉阀尔喷嘴的收缩段、喉部和超音速扩张段的特殊结构及形状获得超音速气流来提高气溶性射流的效率，达到清洗污垢的目的，极大地节约了能源，保护了环境。

b.基于气溶性射流的特性和喷嘴的几何特征，研究了气液相的流动方程，得到了气溶性射流的流速分布规律。

c.利用拉阀尔喷嘴自行设计组装的带电气溶性射流实验装置对钢板进行清洗，检测结果表明：与常规的清洗射流相比，效率可提高近10倍，具有广泛的应用前景。

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ResearchontheAerosolJetApplicationintheSteelPlateDirtCleaning

DENG Xiaogang1,2, LI Yun2, ZHANG Xianming1

(1.Chongqing Technology and Business University, Chongqing, 400067, China)(2 Chongqing University of Science and Technology, Chongqing, 401331, China)

In order to attain the better effects of clearing such as energy saving and environmental protection, it describes a new aerosol jet technique. Based on hydrodynamics and the working principle of aerosol jet, it analyzes the flow equation of gas phase and liquid phase, and obtains the regular distribution of flow velocity according to the vapors and the geometry characteristic of nozzle. It designs the supersonic nozzle, and assembles this nozzle for the experiment of electro-aerosol jet. The steel clearing test results show that the supersonic speed generated by the nozzle of aerosol jet can improve the washing efficiency greatly, almost increase efficiency ten times than other nozzles of the same flow, and have an extensive applying prospect.

Aerosol; Jet; Two-phase Flow; Supersonic Nozzle; Clearing

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.015

2013-12-27

重庆市科委自然科学基金资助项目(cstc2011jjA20013)；重庆市博士后科研项目特别资助(XM2012032)

邓晓刚(1975—)，男，四川德阳人，重庆科技学院副教授，主要从事射流理论及应用的研究。

TP69；TG178

A

2095-509X(2014)02-0067-03