新型清洗噴嘴的結構設計與沖擊力度實驗*

□陳楷 □唐亞鳴

河海大學機電工程學院 江蘇常州 213022

新型清洗噴嘴的結構設計與沖擊力度實驗*

□陳楷 □唐亞鳴

河海大學機電工程學院 江蘇常州 213022

針對傳統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構進行了改進，設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

直接空冷技術在富煤缺水地區的發電廠建設中得到廣泛應用，而空冷島散熱翅片的清洗效果直接關系到空冷系統的冷卻效果。現有的空冷島散熱翅片清洗裝置采用高壓水射流清洗，清洗系統主要由高壓水泵、高壓管路系統、清洗裝置和控制系統組成，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，這是富煤缺水的發電地區所面臨的困境之一［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，從而達到節能減排的目的。

1 氣液兩相噴嘴的設計

1.1 噴嘴設計原理

如圖1所示，傳統的高壓水射流噴嘴結構較為簡單，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的清洗方式中，設計的氣液兩相噴嘴結構如圖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，氣流走環形周向。

▲圖1 高壓水射流噴嘴結構示意圖

▲圖2 氣液兩相噴嘴結構圖

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：連續方程：

動量方程：

能量守恒方程：

組分質量守恒方程：

式中：ui、uj為流體在i、j方向的動力黏性系數；k為絕熱系數，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為化學反應熱和其它體積熱源；S1為其他質量源項；Γ1為質量擴散系數，ρ為流體密度，T為流體組分的總焓（與溫度有關）；m1為流體質量。

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雜，無法直接由仿真得到射流經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

噴嘴實物結構較為復雜，為簡化數值模擬計算，兩相噴嘴的簡化模型如圖3所示，各參數為：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，內圈直徑D2=3 mm，氣壓為0.8 MPa。對比傳統高壓水射流噴嘴，各參數為：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

水霧沖擊力測試實驗系統如圖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，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

實驗與傳統的3 mm出口直徑的高壓水射流噴嘴進行對比試驗。

傳統高壓水射流噴嘴工作參數：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：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

3.2 實驗結果分析

表1為噴嘴沖擊力對比實驗結果，為了使實驗兼具特殊性和比較性，得到比較可靠的結論，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的傳統高壓水射流噴嘴相當，且經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過翅片，清洗更容易，從實驗的數據參數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雜，與噴嘴的數量、排列方式均有關系，技術成熟度有待提高。

4 結論

（1）從氣液兩相流的角度對傳統的高壓水射流噴嘴進行了優化設計，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.當前空冷電站存在的問題及國外的先進經驗［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，2006.

［3］劉聯勝，楊華.環狀出口氣泡噴嘴液膜破碎過程與噴霧特性［J］.燃燒科學與技術，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：西安交通大學出版社，2003.

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

（編輯 丁 罡）

國內最大自重570 t特大型挖泥機誕生

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

據悉，該挖泥機是國家“863計劃”、國家重點科技攻關項目。此項目經前期市場調研、市場預測、方案制定、專家評審等階段，于去年6月開始生產制造。在生產制造中，技術和生產制造人員突破重重難關，特別是對一些超大型鋼結構及復雜零部件制作，如φ3.6×8.4 m的支撐圓筒，12.5 m×10.5 m× 1.85 m的轉臺，30 m×4.5 m×1.8 m的臂架等，僅工裝胎具就設計制作了20余種，使該設備更加科學、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16項，其中3項技術達到國內領先。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。

據了解，之前國內使用的同類產品全部依賴進口，衛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域。

（鐵嘉 衛華）

TH122

A

1000-4998（2015）09-0053-03

*江蘇省研究生創新項目（編號：KYLX_0426）

2015年3月