蒸發(fā)器除霜噴嘴的高壓射流特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邢鵬成，丁武學(xué)，樓曉華，楊長春

(1. 南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2. 四方科技集團股份有限公司，江蘇 南通 226371)

0 引言

蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)中，但在低溫高濕環(huán)境下運行時，蒸發(fā)器壁面容易結(jié)霜。一方面霜層會增加蒸發(fā)器與空氣的換熱熱阻，降低蒸發(fā)器換熱效率，另一方面霜層會堵塞蒸發(fā)器的流通通道[1]。為了解決上述問題，需要定期對蒸發(fā)器進行除霜。蒸發(fā)器射流除霜過程通常包括2個階段：第1階段霜層加熱，幫助融化；第2階段噴嘴噴出高壓氣體通過射流擊破冰霜。

在蒸發(fā)器除霜系統(tǒng)中，噴嘴起到能量轉(zhuǎn)化的作用，即將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為射流動能，形成高壓氣射流對外做功。噴嘴作為能量轉(zhuǎn)換部件，廣泛應(yīng)用于紡織、煤炭等多個領(lǐng)域中。陳巧蘭等研究了不同孔徑的噴氣織機單圓孔輔助噴嘴的射流特性，優(yōu)化了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)孔徑最小的噴嘴能耗較低[2]。蔡毅等分析了直線型噴嘴和流線型噴嘴速度場和壓力場的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)流線型噴嘴的水射流出口速度大，動壓大，破煤效率高[3]。胡俊等討論了激光切割中噴嘴擴散段長度對流場參數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)擴散段存在一個最佳長度，壓力能向動能轉(zhuǎn)化效率最高[4]。目前，有關(guān)除霜噴嘴方面的研究較少。

為了提高噴嘴的除霜效率，本文設(shè)計了兩種流道結(jié)構(gòu)不同的噴嘴，采用理論計算和數(shù)值仿真兩種方法獲得了入口氣壓在0.3s內(nèi)從0.6MPa快速降至0.1MPa時的噴嘴射流參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，改進和優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 研究對象

除霜噴嘴由引流段l1、收縮段l2和擴散段l3組成。兩種噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。1) 噴嘴收縮段為凹型圓弧收縮，引流段和擴散段呈圓柱狀，計作噴嘴1；2) 噴嘴收縮段為直線收縮，引流段和擴散段呈圓錐狀，計作噴嘴2。兩種噴嘴長度為32mm，入口直徑D為20mm，噴嘴1出口直徑d為8mm，噴嘴2出口直徑d為10mm。圖中虛線區(qū)域為噴嘴收縮段與擴散段過渡區(qū)域。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

噴嘴入口連接儲氣罐，出口正對蒸發(fā)器結(jié)霜層，用0.2s噴射完儲氣罐中0.4m3的0.6MPa壓縮空氣，對蒸發(fā)器射流除霜。壓強在0.2s后降至0.2MPa，在0.3s后降至0.1MPa。根據(jù)上述除霜方案，選取6組入口氣壓，分別為0.6MPa、0.5MPa、0.4MPa、0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa，研究噴嘴入口氣壓在0.3s內(nèi)從0.6MPa快速降至0.1MPa時的射流參數(shù)。

2 理論計算與數(shù)值仿真

2.1 理論計算

噴嘴入口和出口滿足伯努利方程[5]：

(1)

式中：p1為噴嘴入口氣壓；p2為噴嘴出口氣壓；ρ為工作介質(zhì)的密度；a為動能修正系數(shù)，本文噴嘴內(nèi)流動為湍流，故取a1=a2=1；u1和u2分別為噴嘴的入口平均速度和出口平均速度；Δp為壓力損失[6]。

根據(jù)文獻[7]研究表明：壓力損失以流道收縮處產(chǎn)生局部分離脫流為主，滿足下式：

(2)

式中ξ為流阻系數(shù)。

根據(jù)文獻[8]研究表明：ξ取值與噴嘴出入口面積之比有關(guān)。噴嘴1：A2/A1=0.14，取ξ=0.42；噴嘴2：A2/A1=0.25，取ξ=0.38。

噴嘴實際出口速度與理想出口速度滿足[9]：

u3=μu2

(3)

(4)

式中：u3為噴嘴實際出口速度；μ為流速系數(shù)。

2.2 數(shù)值仿真

兩種噴嘴的邊界參數(shù)設(shè)置一致，出入口設(shè)置為壓力邊界條件，參考氣壓設(shè)置為0.1MPa，入口壓力邊界條件設(shè)置為噴嘴的入口氣壓，出口壓力邊界條件設(shè)置為大氣壓；固體壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，代入0.001mm的壁面效應(yīng)；射流速度方向垂直于入口邊界。兩種噴嘴流場計算模型如圖2所示。

圖2 噴嘴流場計算模型

代入噴嘴入口邊界條件分別為0.6MPa、0.5MPa、0.4MPa、0.3MPa、0.2MPa、和0.1MPa的理想氣體，采用Simple算法、SSTk-ω模型、可壓縮流，基于密度計算流體的平流和湍流特性。檢查迭代收斂條件等各項參數(shù)和模型設(shè)置無誤后開始求解，得到不同入口氣壓下噴嘴1和噴嘴2的流場計算結(jié)果。

3 射流特性分析

為研究兩種噴嘴的射流特性，分別從湍動能、靜壓和出口速度3個方面分析噴嘴流場計算結(jié)果。

3.1 湍動能

圖3為入口氣壓0.6MPa時，噴嘴1和噴嘴2的湍動能云圖(單位：m2/s2)。可以看出：湍動能在引流段和收縮段趨于穩(wěn)定，擴散段增幅上升，靠近出口位置處有最大值。噴嘴1的最大湍動能為2570m2/s2，噴嘴2的最大湍動能為5430m2/s2。

根據(jù)文獻[10]研究表明：湍動能越大，湍流強度越高，能量損失越高。入口氣壓為0.6MPa時，噴嘴2的湍動能大于噴嘴1，能量損失高于噴嘴1。

不同入口氣壓下兩種噴嘴的最大湍動能對比如表1所示。因其余入口氣壓下，湍動能分布規(guī)律相類似，故不再重復(fù)討論。

圖3 湍動能云圖

表1 最大湍動能結(jié)果對比

3.2 靜壓

圖4所示為入口氣壓0.6MPa時，噴嘴1和噴嘴2的靜壓云圖(單位：Pa)。可以看出：噴嘴1的靜壓沿軸向逐漸衰減；在過渡區(qū)域，噴嘴2的靜壓出現(xiàn)大幅度波動。

定義噴嘴氣壓波動幅度f，滿足：

(5)

式中：ptmax為噴嘴過渡區(qū)域最高氣壓；ptmin為噴嘴過渡區(qū)域最低氣壓；pmax為噴嘴最高氣壓；pmin為噴嘴最低氣壓。

入口氣壓為0.6MPa時，噴嘴1的氣壓波動幅度f1=0.20，噴嘴2的氣壓波動幅度f2=0.75。噴嘴2的氣壓波動幅度較大，容易引起振動和噪聲等問題。

不同入口氣壓下兩種噴嘴的氣壓波動幅度對比如表2所示。因其余入口氣壓下，靜壓分布規(guī)律相類似，故不再重復(fù)討論。

圖4 靜壓云圖

表2 氣壓波動幅度結(jié)果對比

3.3 速度

圖5為入口氣壓0.6MPa時，噴嘴1和噴嘴2的速度云圖(單位：m/s)。可以看出：噴嘴速度沿軸向逐漸增加，沿徑向逐漸衰減，在出口處取最大值。通過數(shù)值仿真計算得到噴嘴1的出口質(zhì)量平均速度為343.9m/s，噴嘴2的出口質(zhì)量平均速度為477.1m/s。

入口氣壓為0.6MPa時，噴嘴2的出口質(zhì)量平均速度優(yōu)于噴嘴1。噴嘴2的流道結(jié)構(gòu)較噴嘴1更能達到擴張?zhí)崴俚哪康摹?/p>

不同入口氣壓下噴嘴1、噴嘴2出口速度的理論計算和數(shù)值仿真結(jié)果對比如表3所示。可以看出：理論出口速度隨p1的衰減逐漸降低。對于噴嘴1：當(dāng)p1>0.3MPa時，出口質(zhì)量平均速度將趨于固定值；而p1<0.3MPa時，出口質(zhì)量平均速度隨p1衰減而急劇降低。對于噴嘴2：當(dāng)p1>0.5MPa時，出口質(zhì)量平均速度趨于固定值；而p1<0.5MPa，出口質(zhì)量平均速度隨p1衰減而急劇降低。理論出口速度和出口質(zhì)量平均速度數(shù)值接近。

圖5 速度云圖

表3 兩種噴嘴出口速度的理論計算和數(shù)值仿真結(jié)果對比

圖6為噴嘴1和噴嘴2的出口質(zhì)量平均速度隨時間變化曲線。可以看出：

1) 0≤t<0.17s時，噴嘴2的出口速度優(yōu)于噴嘴1；

2)t=0.17s時，兩種噴嘴的出口速度相等；

3) 0.17s

圖6 出口質(zhì)量平均速度隨時間變化曲線

4 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

綜合噴嘴1和噴嘴2的結(jié)構(gòu)特征和射流特性，改進噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)。噴嘴引流段通過樣條曲線擬合而成，收縮段為凹型圓弧收縮，擴散段呈圓錐狀，計作噴嘴3，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：D=20mm，d=10mm，l1=2.81mm，l2=7.44mm，l3=21.75mm。

為了降低噴射過程中能量損失和氣壓波動幅度，同時保證出口質(zhì)量平均速度不會受到影響，對噴嘴3的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

4.1 參數(shù)優(yōu)化方案

以噴嘴3為研究對象，r為設(shè)計變量，取5組數(shù)據(jù)r=8mm、r=9mm、r=10mm、r=11mm、r=12mm，湍動能、氣壓波動幅度和出口質(zhì)量平均速度為優(yōu)化目標設(shè)計優(yōu)化方案。研究噴嘴3入口氣壓在0.3s內(nèi)從0.6MPa快速降至0.1MPa時的射流參數(shù)。按照2.2節(jié)中流場計算方法計算流體的平流和湍流特性，得到不同入口氣壓下噴嘴3的流場計算結(jié)果。

4.2 優(yōu)化結(jié)果與討論

表4和圖7為入口氣壓0.6MPa時，噴嘴3的優(yōu)化計算結(jié)果。從表4可以看出：當(dāng)r=11mm時，噴嘴3的能量損失最低，氣壓波動幅度最小，出口質(zhì)量平均速度較高。從圖7可以看出：當(dāng)r=11mm時，噴嘴3的能量損失低于噴嘴1和噴嘴2；氣壓波動幅小于噴嘴1和噴嘴2；出口質(zhì)量平均速度優(yōu)于噴嘴1和噴嘴2。其余入口氣壓下，噴嘴3的優(yōu)化計算結(jié)果與此相類似，故不再重復(fù)討論。

綜上所述，當(dāng)r=11mm時，噴嘴3的射流除霜能力優(yōu)于噴嘴1和噴嘴2，除霜效率較高。

表4 噴嘴3的數(shù)值仿真結(jié)果

5 結(jié)語

通過對蒸發(fā)器除霜噴嘴進行高壓射流特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論：1) 在0.3s的噴射過程中，噴嘴2的湍動能高于噴嘴1，能量損失較高；噴嘴2的氣壓波動幅度大于噴嘴1，易引起振動和噪聲等問題；噴嘴2的出口質(zhì)量速度優(yōu)于噴嘴1。2)當(dāng)r=11mm時，噴嘴3的射流除霜能力比噴嘴1和噴嘴2好，除霜效率較高。3) 本文關(guān)于除霜噴嘴的高壓射流特性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化可為除霜噴嘴的實際設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖7 r=11mm時噴嘴3流場計算結(jié)果