一種文丘里霧化噴嘴設計*

陳 姣，袁舒欣，楊 剛，唐亞鳴

(河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022)

0 引言

空氣霧化是霧化的另一種手段，其原理是借助于高速空氣射流與液體的摩擦、剪切等作用，產生非常均勻和最細密的霧化效果。一般空氣霧化噴嘴的平均的霧化液滴直徑可達50μm以下。但空氣霧化噴嘴結構形式復雜多樣，必須根據具體的用途進行特定的設計。空氣霧化噴嘴主要包括氣體輔助霧化噴(Air－assist Atomizers)、氣泡霧化噴嘴(Effervescent Atomizers)和氣哨噴嘴幾種形式［1～2］。通過對水霧捕塵的分析，干霧噴嘴必須滿足以較低的氣耗率得到細微的霧化液滴，在此借鑒前人研究成果的基礎上，筆者將進行理論計算和數值求解，具體設計干霧噴嘴結構。

1 噴嘴總體結構設計

根據氣霧噴嘴的性能參數與功能要求，其設計需要滿足以下要求。

(1)具有良好的霧化性能，霧化顆粒粒徑要≤10 μm，分布盡可能均勻。

(2)氣耗率是衡量噴嘴使用經濟性的一個重要指標。因此在保證霧化性能的前提下，要盡可能地降低氣耗率。

(3)合適的霧化角和射程。霧化角和射程對噴嘴的數量與布置有著很大影響，一定的霧化角度和射程可以使得噴霧覆蓋除塵空間。

(4)防堵性能，保證長期連續工作。從防堵的角度，噴嘴結構要簡單，出口口徑不能過小，最好還可以實現自清洗防堵的功能。

(5)滿足一定的強度要求，足以承受工作中的壓力載荷。

(6)具有較長的使用壽命。當水與壓縮空氣進行動量交換，會對噴嘴進行磨損，特別是水氣混合口及噴嘴出口處，所以噴嘴的材料應具有一定的抗磨損能力以保證使用壽命。

圖1展示了氣泡式霧化噴嘴的示意圖，國內外已經對氣泡霧化噴嘴做了較多的研究，從文獻［3］劉聯勝和文獻［4］梁曉燕所研究的氣泡霧化噴嘴來看，其最小SMD都在20μm左右，尚不能滿足干霧抑塵的要求，故本文不采用氣泡式霧化噴嘴。圖2是Y型噴嘴結構簡圖，屬于氣助式噴嘴，氣耗率高，SMD也不滿足。

圖3、圖4是氣動噴嘴，依靠氣體強大的速度動能對液滴破碎霧化，也可以得到很好的霧化效果。A型噴嘴是液體走中間通道，空氣走環形周向;B型則正好相反。為了得出更細微的水霧，滿足設計要求，需要充分利用高速氣體射流，因此氣體走中間通道，保證氣體流向不變，選擇B型結構，但這種結構必須改進，以大大減少液體額定流量，增強霧化性能。最終，確定噴嘴總體結構如圖5所示，中間氣體通道采用文丘里管［5］。

圖1 氣泡式霧化噴嘴

圖2 Y型噴嘴

圖3 氣動型噴嘴A

圖4 氣動型噴嘴B

圖5 總體結構示意圖

為了得出更細微的水霧，滿足設計要求，需要充分利用高速氣體射流，因此選擇氣體走中間通道，所以選擇B型結構，但這種結構必須改進。為了減少液體額定流量，使液氣兩相進行充分混合，并增強霧化性能，所以中間氣體通道選擇文丘里管形式。

文丘里管構造有多種形式。按斷面形狀分為圓形、環形和方形三種;按供水方式可分為徑向內噴、軸向噴水和溢流供水三類;按喉管直徑的可調節性分為可調的和固定的兩類;按液體霧化方式可分為預霧化型和非霧化型。文丘里管的總體結構示意圖如圖6所示。

圖6 文丘里管示意圖

2 斷面形狀的選擇

為使水流噴射達到一定的距離，喉管應根據需要選擇不同的截面。常用的截面形狀有圓形，環形和矩形，如圖7所示，圖7(a)是圓形，(b)是環形，(c)是矩形，后兩種主要適用于大風量的情況下，因此，本設計采用圓形的喉管形狀如圖7(a)。文丘里管的內表面是一個對稱于旋轉軸線的旋轉表面，該軸線與管道軸線同軸。對于文丘里管的其他部分的設計，收縮段是一個圓錐形管道，錐度根據工作情況而定，擴散段也是一個圓錐形管道，但是錐度沒有收縮段大，因為擴散段錐度和長度會影響液氣混合體的狀態，也會影響整個管道的效率。

圖7 文丘里喉管斷面形狀

3 結構設計

為使分散的液滴與氣流的相對速度最大，對供水方式的主要要求是使液滴在喉部整個截面上盡可能快地均勻分布，供水方式主要分為徑向內噴、軸向噴水和溢流供水三類，研究發現，徑向內噴適用于小流量的情況下，因此本設計采用徑向內噴的供水方式。

綜合以上主要要求和結構的選擇，最終選定的文丘里管的總體結構如圖8所示。

文丘里噴嘴的主要部分設計已經完成，為了方便加工和拆卸，將文丘里氣管分段加工。最終，按照以上所設計的噴嘴結構和計算尺寸，運用三維設計軟件SolidWorks建立了噴嘴的三維建模，其外形圖和剖面圖分別如圖9所示。

其中，環形液膜水道間隙h=(D1－D2)/2=(42－22)/2=5 mm，注入液體小孔的直徑d=4 mm，數目N=4，周向環形均勻布置。連接部分為螺紋連接，在文丘里管底部有密封圈。

式中:Q為轉向系統轉向流量L/min;n為方向盤轉速，通常取1 ～1．5 r/s。

3．5 確定油泵供油量Q b

式中:Qb為轉向泵的流量，L/min;Qa為輔助工作系統需要的流量，L/min。

當轉向系統與輔助工作系統同時工作時，油泵供油量應等于兩系統需要的最大流量之和。但是，一般系統不會同時要求兩系統最大流量，因此，油泵供油量可根據具體情況選小些。當兩系統不同時工作時，油泵供油量只要稍大于兩者之中的較大值。

為了保證發動機怠速時轉向泵也有足夠的流量轉向，轉向泵在發動機額定狀態下的流量還應大于轉向系統轉向流量Q的3倍。所以，按上述計算完成設計后，轉向泵的排量qB按式(12)進行驗算:

式中:qB為轉向泵的排量，mL/r;nr為柴油機額定狀態時轉向泵的轉速，r/min。

［1］ 郁錄平．工程機械底盤設計［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］ 吉林工業大學．工程機械液壓與液力傳動［M］．北京:機械工業出版社，1979．