一种文丘里雾化喷嘴设计*

2015-11-23袁舒欣唐亚鸣

机械研究与应用 2015年2期

陈姣，袁舒欣，杨刚，唐亚鸣

(河海大学机电工程学院，江苏常州 213022)

0 引言

空气雾化是雾化的另一种手段，其原理是借助于高速空气射流与液体的摩擦、剪切等作用，产生非常均匀和最细密的雾化效果。一般空气雾化喷嘴的平均的雾化液滴直径可达50μm以下。但空气雾化喷嘴结构形式复杂多样，必须根据具体的用途进行特定的设计。空气雾化喷嘴主要包括气体辅助雾化喷(Air－assist Atomizers)、气泡雾化喷嘴(Effervescent Atomizers)和气哨喷嘴几种形式［1～2］。通过对水雾捕尘的分析，干雾喷嘴必须满足以较低的气耗率得到细微的雾化液滴，在此借鉴前人研究成果的基础上，笔者将进行理论计算和数值求解，具体设计干雾喷嘴结构。

1 喷嘴总体结构设计

根据气雾喷嘴的性能参数与功能要求，其设计需要满足以下要求。

(1)具有良好的雾化性能，雾化颗粒粒径要≤10 μm，分布尽可能均匀。

(2)气耗率是衡量喷嘴使用经济性的一个重要指标。因此在保证雾化性能的前提下，要尽可能地降低气耗率。

(3)合适的雾化角和射程。雾化角和射程对喷嘴的数量与布置有着很大影响，一定的雾化角度和射程可以使得喷雾覆盖除尘空间。

(4)防堵性能，保证长期连续工作。从防堵的角度，喷嘴结构要简单，出口口径不能过小，最好还可以实现自清洗防堵的功能。

(5)满足一定的强度要求，足以承受工作中的压力载荷。

(6)具有较长的使用寿命。当水与压缩空气进行动量交换，会对喷嘴进行磨损，特别是水气混合口及喷嘴出口处，所以喷嘴的材料应具有一定的抗磨损能力以保证使用寿命。

图1展示了气泡式雾化喷嘴的示意图，国内外已经对气泡雾化喷嘴做了较多的研究，从文献［3］刘联胜和文献［4］梁晓燕所研究的气泡雾化喷嘴来看，其最小SMD都在20μm左右，尚不能满足干雾抑尘的要求，故本文不采用气泡式雾化喷嘴。图2是Y型喷嘴结构简图，属于气助式喷嘴，气耗率高，SMD也不满足。

图3、图4是气动喷嘴，依靠气体强大的速度动能对液滴破碎雾化，也可以得到很好的雾化效果。A型喷嘴是液体走中间通道，空气走环形周向;B型则正好相反。为了得出更细微的水雾，满足设计要求，需要充分利用高速气体射流，因此气体走中间通道，保证气体流向不变，选择B型结构，但这种结构必须改进，以大大减少液体额定流量，增强雾化性能。最终，确定喷嘴总体结构如图5所示，中间气体通道采用文丘里管［5］。

图1 气泡式雾化喷嘴

图2 Y型喷嘴

图3 气动型喷嘴A

图4 气动型喷嘴B

图5 总体结构示意图

为了得出更细微的水雾，满足设计要求，需要充分利用高速气体射流，因此选择气体走中间通道，所以选择B型结构，但这种结构必须改进。为了减少液体额定流量，使液气两相进行充分混合，并增强雾化性能，所以中间气体通道选择文丘里管形式。

文丘里管构造有多种形式。按断面形状分为圆形、环形和方形三种;按供水方式可分为径向内喷、轴向喷水和溢流供水三类;按喉管直径的可调节性分为可调的和固定的两类;按液体雾化方式可分为预雾化型和非雾化型。文丘里管的总体结构示意图如图6所示。

图6 文丘里管示意图

2 断面形状的选择

为使水流喷射达到一定的距离，喉管应根据需要选择不同的截面。常用的截面形状有圆形，环形和矩形，如图7所示，图7(a)是圆形，(b)是环形，(c)是矩形，后两种主要适用于大风量的情况下，因此，本设计采用圆形的喉管形状如图7(a)。文丘里管的内表面是一个对称于旋转轴线的旋转表面，该轴线与管道轴线同轴。对于文丘里管的其他部分的设计，收缩段是一个圆锥形管道，锥度根据工作情况而定，扩散段也是一个圆锥形管道，但是锥度没有收缩段大，因为扩散段锥度和长度会影响液气混合体的状态，也会影响整个管道的效率。