結構對氣泡霧化噴頭臨界壓力的影響研究

劉俊林，賈首星

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

0 引 言

對于氣泡霧化噴頭來說，混合室壓力是一個極其重要的參數，它對噴頭的結構設計、霧化性能、工作狀況等都有很大的影響。氣泡霧化噴頭中，氣液兩相混合形成了泡狀流，泡狀流中的氣泡在噴頭出口處膨脹爆炸的能量大小與噴頭混合室內的壓力有關。在根據流量公式預測噴頭的氣液流量時，混合室壓力是必不可少的參數。當氣泡霧化噴頭工作時，如果噴頭混合室壓力大于液體壓力，就會產生回氣現象，氣體會進入液體的管道、設備之中。如果噴頭混合室壓力大于氣體壓力，就會產生回液現象，液體會進入氣體的管道、設備之中。回氣現象、回液現象可能會導致設備的損壞，造成生產事故。將氣體經進液口流入液體管道時的工況稱為臨界點工況。探討不同結構的氣泡霧化噴頭的臨界點工況特性，對于確保氣泡霧化噴頭的安全可靠運行是十分重要的。

一般研究注重氣泡霧化噴頭的霧化性能隨工作參數、結構參數的變化規律，關于混合室壓力特性研究還比較少。張曉晶[1]認為對于一定結構的氣泡霧化噴頭，混合室壓力的大小主要依賴于注氣壓力的大小，而幾乎不受液體壓力的影響。實際上，氣泡霧化噴頭混合室壓力隨氣、液進口壓力的增加而增加。馬其良等[2]以壓縮空氣和變壓器油為工質，對內混式油噴嘴混合室內壓力特性進行了實驗研究，整理出了這種油噴嘴混合室內壓力隨油壓變化的關系式。馬其良，畢政益[3]研究了結構及運行參數對內混噴嘴壓力的影響。但是上述文獻對于噴頭臨界點工況時的混合室壓力并未有深入研究。

本文主要是研究氣泡霧化噴頭不同結構的臨界工況與壓力的關系，為噴頭的設計以及安全可靠運行提供依據。

1 噴頭及試驗系統

氣泡霧化噴頭主要由進液管、進氣管、混合室等幾個部分組成。氣泡霧化噴頭[4]是將高壓氣體注入流動的液體中，氣體與液體在噴頭混合室內混合形成均勻泡狀流。在噴頭出口處形成包裹氣泡的液絲，在離開噴頭出口的極短的距離內由于氣泡外部環境壓力的急劇變化，氣泡內外壓力差的變化導致氣泡膨脹打破了小液滴從而產生了非常細的霧滴。根據氣液兩種工質注入噴頭混合室方式的不同可以將氣泡霧化噴頭分為內氣外液式和外氣內液式兩種形式，在噴頭液體流量較低時噴頭設計選擇前一種類型較好[5]。噴頭幾何模型如圖1所示。氣體通過與混合室同軸的進氣管上的通氣孔與液體在直徑為16 mm的混合室內混合。混合室前端收斂角角度為44°，氣體與液體在混合室混合后經出口噴出。

圖1 氣泡霧化噴頭結構示意圖

冷態實驗平臺如圖2所示，由供氣系統、供液系統、控制系統、測量系統等幾部分組成。實驗系統以水和壓縮空氣作為工質。通過隔膜泵對水進行加壓處理，使用供液管道上的液體壓力調節閥來調節液體壓力。通過空氣壓縮機、氣體壓力調節閥來調節氣體壓力。考慮到安裝方便，管道與噴頭之間的塑料軟管采用快速接頭連接，同時在管道上安裝壓力表。混合室壓力由通過測壓管與混合室側面小孔連接的0.4級精密壓力表測量。試驗在室內進行，室內溫度20 ℃。通過調節氣液壓力來實現各種工況的控制。每組工況下進行5次實驗，取平均值。

圖2 實驗裝置圖

2 試驗結果與分析

定義臨界點工況時的混合室壓力與氣體進口壓力的比值為臨界壓比。當噴頭處于臨界點工況時，由于混合室壓力隨著氣液壓力的升高而升高，此時臨界工況的混合室壓力即為噴頭安全工作時的液體最小進口壓力。當進口液壓低于此臨界點壓力時，就會發生回氣現象，氣體進入液體的管道、設備之中。所以在噴頭實際工作時，為了設備安全可靠的運行，防止出現事故，噴頭的最低進口液壓pLi應該高于進口氣壓pGi所對應的臨界點工況時的混合室壓力pH。由圖3可知，氣體進口壓力pGi與臨界點工況時的混合室壓力pH符合線性關系，有pH=KpGi+b。當氣體進口壓力減小為0 MPa時，此時臨界點工況的混合室壓力應該為0 MPa。因此在不考慮實驗系統壓力損失的情況下b=0。由此可知，斜率K的數值就是臨界壓比值。

設計不同結構的噴頭，測試了每種噴頭在不同氣體進口壓力下各自的臨界點工況數據，對實驗數據進行數據處理，用線性回歸方法求出了噴頭每一種結構氣體進口壓力pGi與臨界點工況時的混合室壓力pH關系式的斜率K的值，也就是臨界壓比的值。實驗分析了噴頭不同結構對臨界壓比的影響規律。

2.1 通氣孔面積對臨界壓力的影響

表1為8種不同通氣孔結構的噴頭。圖3為噴頭1到噴頭8在不同的氣體進口壓力條件下，各自臨界工況時的混合室壓力。由圖3可知，氣泡霧化噴頭的斜率(即臨界壓比)只與噴頭的結構有關，與氣液進口壓力無關。

表1 噴頭尺寸參數

圖3 不同結構的噴頭氣壓與混合室臨界壓力關系

圖4表示噴頭1到噴頭8通氣孔面積與臨界壓比的關系。由圖4可知，實驗噴頭的斜率在0.25～0.92的范圍內變化。當通氣孔面積AT=1.77 mm2時，K=0.25；當AT=2.26 mm2時，K=0.58；當AT=3.79 mm2時，K=0.81；當AT=5.69 mm2時，K=0.84；當AT=7.59 mm2時，K=0.89。因此當通氣孔面積比較小時，臨界壓比也比較小。臨界壓比隨著通氣孔面積的增大，一開始急劇增大，當AT大于3.79 mm2以后，臨界壓比的增加速度逐漸趨于平緩。當通氣孔面積大于5.69 mm2時，臨界壓比都在0.85～0.92的范圍內變化，不再隨著面積的增大而增大。

圖4 通氣孔面積與臨界壓比的關系

AT/A0為通氣孔面積AT與噴頭出口面積A0的比值。圖5為噴頭1到噴頭8面積比與臨界壓比的關系。由圖5可知，當AT/A0=0.96時，斜率K=2.5；當AT/A0=1.28時，斜率K=0.58；當AT/A0=2.15時，斜率K=0.81；當AT/A0=3.23時，斜率K=0.85。因此，AT/A0在到2.15時，隨著面積比的增加，臨界壓比也隨之增加，在0.27～0.8內變化。當AT/A0大于3.23時，臨界壓比都在0.85～0.92的范圍內變化，不再隨著面積比的增大而增大。

圖5 面積比與臨界壓比的關系

2.2 出口直徑對臨界壓力的影響

表2為出口直徑為1.0 mm的噴頭。圖6為噴頭1到噴頭13面積比與臨界壓比的關系。其中K-1.0表示出口直徑為1.0 mm的噴頭9到噴頭13面積比與臨界壓比的關系，K-1.5表示出口直徑為1.5 mm的噴頭1到噴頭8噴頭面積比與臨界壓比的關系。出口直徑為1.0 mm時，當AT/A0在2.88到4.84時，臨界壓比在0.949～0.958的范圍內變化。出口直徑為1.5 mm時，當AT/A0在2.15到4.48時，臨界壓比在0.80～0.895的范圍內變化。因此，出口直徑越小，臨界壓比越大。究其原因，可能是由于出口直徑減小，噴頭在出口處的能量損失增加，導致出口處壓降增加。因此在相同氣體進口壓力條件下，出口直徑較小的噴頭臨界工況時混合室壓力增加，臨界壓比相對增加。

表2 噴頭尺寸參數

圖6 不同出口直徑面積比與臨界壓比的關系

2.3 通氣方式對臨界壓力的影響

圖1和圖7為實驗噴頭兩種進氣方式：圓周進氣和端面進氣的示意圖。表3為兩種結構類型噴頭的參數。圖8是這兩種結構類型的噴頭在不同的氣體進口壓力條件下，各自臨界工況時的混合室壓力。對于端面進氣方式噴頭，當氣壓pGi=0.04 MPa時，混合室壓力pH=0.029 6 MPa；氣壓pGi=0.06 MPa時，混合室壓力pH=0.045 6 MPa；對于圓周進氣方式噴頭，當氣壓pGi=0.04 MPa時，混合室壓力pH=0.029 MPa；氣壓pGi=0.06 MPa時，混合室壓力pH=0.045 6 MPa；由此可知通氣方式對噴頭臨界壓比的影響比并不大。

圖7 端面進氣示意圖

編號通氣孔數目通氣孔直徑/mm出口直徑/mm通氣方式480．61．5圓柱1380．61．5端面

圖8 通氣方式對臨界壓力的影響

2.4 旋流芯對臨界壓力的影響

表4為噴頭參數。圖9是兩種結構類型的噴頭在不同的氣體進口壓力條件下，各自臨界工況時的混合室壓力。當噴頭沒有旋流芯，氣壓pGi=0.02 MPa時，臨界壓力pH=0.014 6 MPa；氣壓pGi=0.12 MPa時，臨界壓力pH=0.106 4 MPa；在噴頭出口前端增加旋流芯，當氣壓pGi=0.02 MPa時，臨界壓力pH=0.017 MPa；當氣壓pGi=0.12MPa時，臨界壓力pH=0.112 8 MPa。由此可知，增加旋流芯，噴頭臨界壓比增加。究其原因，可能是因為旋轉增大了能量損失，從旋流芯到出口處噴頭的壓力損失增加，從而導致混合室壓力增加。

表4 噴頭尺寸參數

圖9 旋流芯對臨界壓力的影響

2.5 收斂角對臨界壓力的影響

表5為噴頭參數。圖10是兩種結構類型的噴頭在不同的氣體進口壓力條件下，各自臨界工況時的混合室壓力。當噴頭混合室沒有收斂角，氣壓pGi=0.02 MPa時，臨界壓力pH=0.014 6 MPa；當氣壓pGi=0.12 MPa時，臨界壓力pH=0.106 4 MPa；增加混合室收斂角，當氣壓pGi=0.02 MPa時，臨界壓力pH=0.015 MPa；當氣壓pGi=0.12 MPa時，臨界壓力pH=0.107 4 MPa。由此可知，增加混合室收斂角，噴頭臨界壓比增加很小。收斂角對噴頭造成的壓力損失比較小。

表5 噴頭尺寸參數

圖10 收斂角對臨界壓力的影響

3 結 語

氣泡霧化噴頭臨界點工況與噴頭的壓力以及結構有關；臨界壓比只與噴頭的結構以及加工精度有關。臨界壓比隨著面積比的增加而增加；當面積比大于3.23時，臨界壓比不再隨著面積比的增加而增加。出口直徑越小，臨界壓比越大。通氣方式對臨界壓比的影響比并不大。增加旋流芯，噴頭臨界壓比增加。混合室收斂角對噴頭臨界壓比的影響很小。在進行氣泡霧化噴頭的設計時，應當根據所設計噴頭的結構合理選擇臨界壓比參數。在氣泡霧化噴頭工作時，為確保氣泡霧化噴頭的安全可靠運行，在實際運行時其最低進口液壓應高于進口氣壓所對應的臨界點工況時的混合室壓力。

[1] 張曉晶. 氣泡霧化細水霧滅火系統的實驗研究及數值模擬[D]. 天津：河北工業大學, 2007.

[2] 馬其良,龍 悅,畢政益,等.氣液兩相內混式油噴嘴混合室內壓力特性的實驗研究[J].上海理工大學學報,2004,26(1):24-26.

[3] 馬其良,畢政益. 結構及運行參數對內混噴嘴壓力的影響研究[J]. 熱能動力工程, 2006,21(2):183-185.

[4] 侯凌云,侯曉春.噴嘴技術手冊[M].2版. 北京:中國石化出版社,2007:186-189.

[5] 徐 方,魏 東,梁 強,等.氣泡霧化細水霧噴頭的研制及其流量特性[J].消防科學與技術,2010,29(7):588-593.