新型清洗噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計與沖擊力度實驗*

□陳楷 □唐亞鳴

河海大學(xué)機電工程學(xué)院 江蘇常州 213022

新型清洗噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計與沖擊力度實驗*

□陳楷 □唐亞鳴

河海大學(xué)機電工程學(xué)院 江蘇常州 213022

針對傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴在清洗空冷島散熱翅片時存在耗水量大的缺點，對高壓水射流噴嘴結(jié)構(gòu)進行了改進，設(shè)計了一種新型氣液兩相噴嘴，通過Fluent仿真軟件了解其流場的速度分布情況，并通過實驗測試其沖擊力。

翅片清洗 氣液兩相噴嘴 仿真 沖擊力

直接空冷技術(shù)在富煤缺水地區(qū)的發(fā)電廠建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，而空冷島散熱翅片的清洗效果直接關(guān)系到空冷系統(tǒng)的冷卻效果。現(xiàn)有的空冷島散熱翅片清洗裝置采用高壓水射流清洗，清洗系統(tǒng)主要由高壓水泵、高壓管路系統(tǒng)、清洗裝置和控制系統(tǒng)組成，這種裝置清洗效率較高，但在清洗過程中需要消耗大量的水資源，這是富煤缺水的發(fā)電地區(qū)所面臨的困境之一［1］。

筆者對該裝置的清洗噴嘴進行改進設(shè)計，在保證翅片清洗效果的同時，可以大大減少水用量，降低能耗，從而達到節(jié)能減排的目的。

1 氣液兩相噴嘴的設(shè)計

1.1 噴嘴設(shè)計原理

如圖1所示，傳統(tǒng)的高壓水射流噴嘴結(jié)構(gòu)較為簡單，利用高壓使水流具有較高的速度，從而具有比較大的沖擊力，但這種噴嘴耗水量較大。由于氣體的流速高，因此考慮將高壓氣融入到傳統(tǒng)的清洗方式中，設(shè)計的氣液兩相噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是：噴霧時，高壓水和高壓氣體分別從各自入口進入噴嘴混合腔，由于氣流相對水流有更高的流速，因此會對水流產(chǎn)生較大的摩擦力，形成巨大的推動和撕裂作用，液體在出口處被加速、霧化［2-3］。但由于清洗翅片以水流沖擊力為主，氣流起到輔助沖擊作用，對水霧的細化要求較

低，所以，在氣液射流束中，水流走中間，氣流走環(huán)形周向。

▲圖1 高壓水射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 氣液兩相噴嘴結(jié)構(gòu)圖

1.2 兩相方程

由文獻［4］、［5］可知兩相特性滿足以下控制方程：連續(xù)方程：

動量方程：

能量守恒方程：

組分質(zhì)量守恒方程：

式中：ui、uj為流體在i、j方向的動力黏性系數(shù)；k為絕熱系數(shù)，對于壓縮空氣k=1.4；cP為比熱容；Si為i方向上的外部體積力；ST為化學(xué)反應(yīng)熱和其它體積熱源；S1為其他質(zhì)量源項；Γ1為質(zhì)量擴散系數(shù)，ρ為流體密度，T為流體組分的總焓（與溫度有關(guān)）；m1為流體質(zhì)量。

2 氣液兩相噴嘴速度場的仿真模擬

由于清洗空冷島散熱翅片的實際工況較復(fù)雜，無法直接由仿真得到射流經(jīng)過翅片的沖擊力分布情況，因此選擇模擬射流打擊壁面的速度場來推測其沖擊力變化。由已知研究結(jié)果［6］可知，高壓純水射流在空氣中沖擊物體時，在起始處隨噴距的增大，流速逐步減小。

2.1 氣液兩相噴嘴模型的建立

噴嘴實物結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為簡化數(shù)值模擬計算，兩相噴嘴的簡化模型如圖3所示，各參數(shù)為：高壓水入口直徑D=2 mm，水壓為30 MPa，噴嘴出口直徑d=1 mm，高壓氣入口外圈直徑D1=6 mm，內(nèi)圈直徑D2=3 mm，氣壓為0.8 MPa。對比傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴，各參數(shù)為：高壓水入口直徑D=2 mm，水壓為30 MPa，噴嘴出口直徑d=1mm。

▲圖3 兩相噴嘴簡化模型

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4為X軸向的速度曲線圖、圖5為氣液兩相噴嘴流場的速度矢量圖，由圖可知，兩相噴嘴的最大速度值并非是在噴嘴的出口處，而是在離噴嘴出口3～5 mm（噴嘴長度為10 mm）處達到最大速度值（此次仿真為274 m/s），且相對于高壓水射流噴嘴有更高的出口速度，這有利于在出口處增大流體的沖擊力，提升對空冷翅片的清洗效果。

圖4 X軸向的速度曲線

▲圖5 氣液兩相噴嘴流場的速度矢量圖

3 水霧沖擊力測試

3.1 沖擊力實驗系統(tǒng)

水霧沖擊力測試實驗系統(tǒng)如圖6所示，為量化氣液兩相霧化噴嘴的清洗效果，本實驗通過測試水霧穿過散熱翅片200 mm處的沖擊力為參考依據(jù)，翅片采用間距為2.8 mm的單排蛇形翅片管，污染時間為3個月。其測試原理是：由于空冷散熱翅片在附著灰塵時的翅片間距較小，如果噴嘴射出的水霧無法穿過翅片區(qū)域，水霧沖擊力測試儀將無法采集水霧沖擊力度，或者采集的力度數(shù)值很小。

為了證明氣液兩相霧化清洗翅片的可行性，本次

實驗與傳統(tǒng)的3 mm出口直徑的高壓水射流噴嘴進行對比試驗。

傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴工作參數(shù)：出口直徑d=3 mm，水流量：13.3 L/min，壓力：6 MPa。

氣液兩相霧化噴嘴各工作參數(shù)：出口直徑d=1 mm，水流量：5.15 L/min，壓力：10 MPa；氣流量：17.95 m3/h，壓力：0.8 MPa。

▲圖6 水霧沖擊力測試實驗系統(tǒng)

3.2 實驗結(jié)果分析

表1為噴嘴沖擊力對比實驗結(jié)果，為了使實驗兼具特殊性和比較性，得到比較可靠的結(jié)論，又對兩相噴嘴進行了沖擊力測試實驗，其水壓和氣壓保持不變。

表1 各噴嘴沖擊力實驗結(jié)果

從表中可知，φ1 mm氣液兩相霧化噴嘴所能達到的沖擊力與φ3 mm的傳統(tǒng)高壓水射流噴嘴相當(dāng)，且經(jīng)過翅片后的沖擊力損失更小，說明從兩相噴嘴噴射出的射流更易經(jīng)過翅片，清洗更容易，從實驗的數(shù)據(jù)參數(shù)也可以看出高壓水射流噴嘴耗水量較大，因此在達到同樣清洗效果的情況下，兩相噴嘴更加節(jié)水。同時只通水和只通氣的兩相噴嘴也具有一定的沖擊能力，對于清洗污垢比較輕的翅片，可以依靠高壓空氣來除塵，再加上少量高壓水來抑塵，達到清洗的目的。

由于實驗條件有限，筆者對單個噴嘴的沖擊力進行了實驗，但空冷島散熱翅片清洗的實際工況較為復(fù)雜，與噴嘴的數(shù)量、排列方式均有關(guān)系，技術(shù)成熟度有待提高。

4 結(jié)論

（1）從氣液兩相流的角度對傳統(tǒng)的高壓水射流噴嘴進行了優(yōu)化設(shè)計，并提出了一種新型的空冷島散熱翅片清洗噴嘴，并對其進行了模擬仿真，了解了兩相噴嘴的流場速度分布，同時通過沖擊力實驗，證明了兩相噴嘴在空冷島翅片上清洗的可行性和先進性。

（2）兩相噴嘴噴射出的射流更易經(jīng)過翅片，清洗更容易，對于清洗污垢比較輕的翅片，可以依靠高壓空氣來除塵，再加上少量高壓水來抑塵，達到清洗的目的。

［1］傅松，王福祿.當(dāng)前空冷電站存在的問題及國外的先進經(jīng)驗［J］.電力情報，1995（4）：8-10.

［2］張淑榮.氣流式霧化噴嘴的特性研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2006.

［3］劉聯(lián)勝，楊華.環(huán)狀出口氣泡噴嘴液膜破碎過程與噴霧特性［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2005，11（2）：121-125.

［4］Y M Lee，R A Berry.Analysis of the Two-phase Flow in a de Laval Spray Nozzle and Exit Plume［J］.Journal of Thermal Spray Techology，1994，3（2）：179-183.

［5］林宗虎.氣液兩相流和沸騰換熱［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

［6］李寶仁，金福旭.細水霧滅火系統(tǒng)霧化噴嘴設(shè)計及仿真［J］.液壓與氣動，2010（9）：1-4.

（編輯 丁 罡）

國內(nèi)最大自重570 t特大型挖泥機誕生

近日，從北京傳來喜訊，經(jīng)國家科技部5位專家驗收并全票通過，由武漢理工大學(xué)和衛(wèi)華集團共同研制生產(chǎn)的一臺自重570 t的特大型挖泥機在衛(wèi)華集團告竣。這臺目前國內(nèi)最大挖泥機的誕生，結(jié)束了我國一直沒有自主研發(fā)、自行設(shè)計制造特大型挖泥機的歷史。

據(jù)悉，該挖泥機是國家“863計劃”、國家重點科技攻關(guān)項目。此項目經(jīng)前期市場調(diào)研、市場預(yù)測、方案制定、專家評審等階段，于去年6月開始生產(chǎn)制造。在生產(chǎn)制造中，技術(shù)和生產(chǎn)制造人員突破重重難關(guān)，特別是對一些超大型鋼結(jié)構(gòu)及復(fù)雜零部件制作，如φ3.6×8.4 m的支撐圓筒，12.5 m×10.5 m× 1.85 m的轉(zhuǎn)臺，30 m×4.5 m×1.8 m的臂架等，僅工裝胎具就設(shè)計制作了20余種，使該設(shè)備更加科學(xué)、精密。該挖泥機使用了平挖控制、水下挖掘可視化、超大功率變頻、多傳動控制等先進技術(shù)16項，其中3項技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先。此機與其相匹配的船只組裝后，可用于河道疏浚和海底電纜鋪設(shè)前的泥石挖掘等。該挖泥機鋼絲繩最大拉力70 t，最大下潛深度達60 m，一次可挖泥石18 m3。

據(jù)了解，之前國內(nèi)使用的同類產(chǎn)品全部依賴進口，衛(wèi)華大型挖泥機的成功研制，打破了國際壟斷，標志著我國大型挖泥機一舉邁進了世界高端制造領(lǐng)域。

（鐵嘉 衛(wèi)華）

TH122

A

1000-4998（2015）09-0053-03

*江蘇省研究生創(chuàng)新項目（編號：KYLX_0426）

2015年3月