自吸式文丘里洗滌器引射特性及其影響因素

周艷民，孫中寧，谷海峰，苗壯

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自吸式文丘里洗滌器引射特性及其影響因素

周艷民，孫中寧，谷海峰，苗壯

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

以自吸式文丘里洗滌器為研究對(duì)象，基于伯努利方程分析了影響其引射量的主要因素，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)各因素進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，自吸式文丘里洗滌器的引射量主要取決于吸液口兩側(cè)的靜壓差、截面積、高度差以及液體在流動(dòng)通道內(nèi)的阻力系數(shù)。當(dāng)文丘里洗滌器不引射液體時(shí)，液體流動(dòng)通道出口截面上的靜壓力與噴嘴壁面處的壓力相等，遠(yuǎn)高于噴嘴出口中心和出口平均壓力；當(dāng)文丘里洗滌器引射液體時(shí)，氣液兩相的動(dòng)量交換作用，會(huì)在氣液界面處產(chǎn)生額外的壓力增量，并以壓力波的形式向整個(gè)截面?zhèn)鬟f，導(dǎo)致有效的吸液壓差進(jìn)一步降低。當(dāng)吸液壓差較小時(shí)，液體的流通面積和阻力系數(shù)對(duì)引射量的影響明顯，通過(guò)增大外套管與噴嘴面積比同時(shí)增大噴管出口直徑的方法，一方面能夠增大液體流通面積，另一方面也減小了液相流動(dòng)阻力，對(duì)于改善液體引射量是有 效的。

自吸式文丘里洗滌器；引射量；靜壓分布；動(dòng)量傳遞

引 言

文丘里洗滌器是一種高效的濕式洗滌器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)除塵和氣體吸收領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)液體的注入方式，文丘里洗滌器可以分為兩種：一種是常見(jiàn)的外噴式，液相依靠外加動(dòng)力進(jìn)入洗滌器內(nèi)部，液相流量能夠獨(dú)立于氣相進(jìn)行調(diào)節(jié)；另一種是自吸式，這種形式的洗滌器利用氣流加速過(guò)程在喉部形成的低壓，將周?chē)芤阂涞较礈炱鲀?nèi)部[2]。相比于外噴式的洗滌器，自吸式文丘里洗滌器具有非能動(dòng)的特性，更加安全可靠，在核電廠的安全保護(hù)系統(tǒng)中得到應(yīng)用[3]。

文丘里洗滌器的洗滌效率是衡量其性能的主要參數(shù)，受到氣相流速、塵粒直徑、洗滌液霧化特性以及洗滌液流量等參數(shù)的影響[4-8]，與常規(guī)的外噴式洗滌器相比，自吸式文丘里洗滌器的主要區(qū)別在于液相流量受到限制，因此，如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)而提高引射量，是改善自吸式文丘里洗滌器洗滌效率的關(guān)鍵問(wèn)題。陳修娟等[9]通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)氣氣噴射器的引射特性進(jìn)行研究，指出混合室與噴嘴的直徑比是影響引射量的重要因素。王銳[10]針對(duì)液氣噴射器的引射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，噴管喉部直徑對(duì)氣體引射量的影響明顯。原郭豐[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算對(duì)液液噴射器的引射性能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，噴嘴直徑、喉嘴距以及混合段長(zhǎng)度是影響引射量的關(guān)鍵參數(shù)。但是，關(guān)于氣液噴射器引射特性的機(jī)理研究較少，主要以Sokolov[12]給出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法為主，而關(guān)于自吸式文丘里洗滌器的引射特性的研究則更為有限。Lehner[13]基于伯努利方程，忽略液相流動(dòng)阻力，研究了液相流量與吸液口外側(cè)靜壓之間的關(guān)系。王盟等[14]在此基礎(chǔ)上，考慮液相在吸液口處的流動(dòng)阻力，進(jìn)一步建立了液相流量與吸液口兩側(cè)壓差之間的關(guān)系，但是在計(jì)算中，吸液口內(nèi)側(cè)靜壓力認(rèn)為與所在截面的平均靜壓力相同，忽略了截面上的靜壓分布，實(shí)際上現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于文丘里洗滌器的大部分理論和計(jì)算模型都是以一維假設(shè)為前提的[15-18]，只考慮參數(shù)沿軸向的變化特性。周艷民等[19]在研究文丘里洗滌器喉部壓力特性時(shí)指出，在喉部徑向方向靜壓存在明顯的分布，受壁面附近流體黏滯效應(yīng)的影響，靠近壁面處的靜壓明顯高于喉部的平均靜壓，對(duì)于自吸式文丘里洗滌器，靜壓力是決定吸液量的直接因素，當(dāng)吸液口靠近壁面時(shí)，采用平均靜壓進(jìn)行計(jì)算顯然是不合理的。

本文以洗滌器的吸液口附近區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于理論推導(dǎo)，對(duì)自吸式文丘里洗滌器的引射特性進(jìn)行研究，分析影響引射量的因素，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)各影響因素進(jìn)行驗(yàn)證，給出提高引射量的具體方法。

1 理論分析

自吸式文丘里洗滌器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，主要由漸縮噴管和外套管組成，漸縮噴管內(nèi)為氣相的流動(dòng)通道，噴管與外套管之間的環(huán)形空間構(gòu)成了液相的流動(dòng)通道。工作氣體流經(jīng)漸縮噴管時(shí)，由于氣體的膨脹加速作用，在噴管出口處形成低壓區(qū)，液體在外界環(huán)境與噴管出口之間壓差的作用下被引射進(jìn)洗滌器內(nèi)部。為了研究影響洗滌器引射特性的因素，選取圖中截面1、2之間的流體為研究對(duì)象，其中截面1為液體進(jìn)入洗滌器的入口，截面2為噴管出口處氣流與液體接觸的初始位置。

圖1 自吸式文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)

沿流體流線(xiàn)方向，列寫(xiě)截面1、2之間流體的總流伯努利方程為

根據(jù)連續(xù)性方程，進(jìn)入洗滌器內(nèi)的液體質(zhì)量流量為

液體在截面1和2之間流動(dòng)時(shí)的阻力損失為

式(3)中的阻力系數(shù)通常表示為與Reynolds數(shù)有關(guān)的通用表達(dá)式[20]

將式(2)～式(4)代入式(1)中，得到液體流量與靜壓差以及截面積等參數(shù)之間的關(guān)系

可以看出，自吸式文丘里洗滌器的引射量分別與吸液口兩端的靜壓差、進(jìn)出口截面積、高度差以及流動(dòng)通道的阻力系數(shù)有關(guān)，改善引射量也需要從這些影響因素入手，其中通道的阻力系數(shù)是與截面積和高度差有關(guān)的函數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要由空氣供應(yīng)回路、液體循環(huán)回路、自吸式文丘里洗滌器以及靜壓測(cè)量系統(tǒng)組成?？諝鈮嚎s機(jī)能夠在10～1200 kg·h-1流量范圍內(nèi)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定氣源，氣流經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氣罐緩沖后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路，然后流經(jīng)文丘里洗滌器，進(jìn)入水洗器的空氣流量采用E+H83F型質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量精度為0.2%。文丘里洗滌器被安裝在壓力容器內(nèi)部，采用有機(jī)玻璃制成，包含漸縮噴管和外套管，外套管的收縮段開(kāi)有吸液口并浸沒(méi)在液位以下，吸液口與液相循環(huán)回路相連，在壓差的驅(qū)動(dòng)下，液體經(jīng)過(guò)循環(huán)回路進(jìn)入洗滌器內(nèi)部，液相流量可以通過(guò)回路上的閥門(mén)進(jìn)行控制，流量通過(guò)IFS4000型電磁流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量精度為0.1%。

為了研究式(5)中各因素對(duì)引射量的影響，實(shí)驗(yàn)中對(duì)5種結(jié)構(gòu)的洗滌器進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，其中洗滌器1～3使用相同結(jié)構(gòu)的漸縮噴管和相同的入口面積1，而外套管直徑3逐漸增加；洗滌器4～5保持外套管直徑3不變，漸縮噴管直徑1逐漸減小，為了更直觀地描述結(jié)構(gòu)變化對(duì)液體有效流通面積的影響，定義外套管直徑3所在的截面積與噴管直

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

表1 文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比

圖3 靜壓測(cè)量通道布置圖

徑1所在截面的面積比為AR，對(duì)應(yīng)圖1中的部分尺寸見(jiàn)表1。同時(shí)，為了獲得吸液口附近的局部靜壓分布參數(shù)，分別在噴管出口截面以及與出口平齊的環(huán)形截面布置了靜壓測(cè)量通道，噴管出口的測(cè)壓點(diǎn)位于中心軸線(xiàn)位置，而環(huán)形截面上的測(cè)壓點(diǎn)（通道1～5）在外套管壁面到噴管壁面之間均勻分布，其中通道5測(cè)得的壓力同時(shí)為噴管壁面和環(huán)形通道內(nèi)側(cè)壁面的壓力，通道布置方向與流體流動(dòng)方向垂直，靜壓通過(guò)3151SG型壓力變送器測(cè)量，測(cè)量精度為0.1%，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 噴嘴出口平面上的靜壓分布特性

圖1中截面1、2之間的靜壓差是液體進(jìn)入洗滌器的直接動(dòng)力，截面1處的壓力主要取決于壓力容器的腔體壓力和容器內(nèi)的液位，而截面2處的壓力除了與氣流在噴管出口處的膨脹特性有關(guān)外，還涉及氣液兩相之間的相互作用。實(shí)驗(yàn)中，首先在不引射流體的條件下，測(cè)量了不同流速時(shí)噴管出口截面上中心和壁面（通道5）處以及環(huán)形截面上靜壓力的分布特性，分別如圖4和圖5所示。

功效：燕麥顆粒加上按摩可以去除角質(zhì)，改善手部粗糙問(wèn)題。同時(shí)燕麥也具有一定的美白效果，可以讓手部肌膚更加光滑。

由圖4可以看出，噴管中心和壁面之間存在顯著的壓力分布，相同流速條件下，噴管中心處的靜壓明顯低于壁面處的靜壓，并且隨著流速的增加，差異更加明顯，這種壓力沿徑向的分布規(guī)律與文 獻(xiàn)[9]中的結(jié)論是一致的，主要是由于流體在壁面附近的黏滯效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致流體的部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜

圖4 噴管出口壓力分布

圖5 環(huán)形截面壓力分布

壓。圖5中所示結(jié)果為截面2上各處的壓力分布，可以看出，環(huán)形截面上各處的壓力值相同，均等于噴管壁面處的靜壓。此時(shí)，環(huán)形通道內(nèi)的流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，為了進(jìn)一步研究引射流體時(shí)截面2上的壓力分布特性，分別在引射空氣和引射水兩種條件下，對(duì)噴管出口截面和環(huán)形截面處的壓力進(jìn)行測(cè)量，引射空氣時(shí)的結(jié)果如圖6所示。

可以看到，當(dāng)洗滌器引射的流體為空氣時(shí)，噴管中心以及環(huán)形截面上各處的壓力分布與不引射流體時(shí)的結(jié)果基本相同，表明引射空氣后對(duì)噴管出口截面上各處的壓力分布影響較小。洗滌器引射水時(shí)的結(jié)果如圖7所示。

可以看到，在引射液體條件下，噴管出口截面中心和壁面處同樣存在明顯的壓力差別，截面2上各處壓力相等，均等于噴管壁面處的壓力，即自吸式文丘里洗滌器引射液體的有效靜壓力受到流體在壁面處黏滯效應(yīng)的影響，遠(yuǎn)高于噴管中心以及噴管出口的平均壓力。進(jìn)一步對(duì)圖中不引射流體和引

圖6 噴管出口截面壓力分布（引射空氣）

圖7 噴管出口截面壓力分布（引射水）

射液體的結(jié)果相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，增加液相以后，噴管中心和環(huán)形通道內(nèi)的壓力均有所上升，且后者的壓力增量略大于前者。這種現(xiàn)象可能是由于兩方面原因造成的：一方面增加液相后，兩相的摩擦阻力損失增加，當(dāng)洗滌器出口壓力保持不變時(shí)，導(dǎo)致測(cè)量截面處的壓力增加；另一方面，液體在截面2處與噴管出口處的高速氣流接觸，并被氣流瞬間加速，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，液體動(dòng)量的增加將會(huì)造成氣體流速的降低，導(dǎo)致氣液交界面處?kù)o壓的局部突增，而這一局部變化會(huì)以壓力波的形式向周?chē)鷤鬟f。在液相側(cè)，由于截面2處液體的流速不高，并且壓力波在水中的傳遞速度較快，因此截面2上各處壓力會(huì)產(chǎn)生與氣液交界處相同的增量；在氣相側(cè)，噴管出口處的氣體流速較快，湍流度較高，壓力波沿徑向的傳遞過(guò)程存在一定耗散損失，但是由于氣流處于亞音速狀態(tài)，壓力波仍然能夠沿徑向傳遞至噴管中心，因此噴管中心處的壓力也相應(yīng)增加，但增量較液相側(cè)偏小。

3.2 面積比對(duì)引射量的影響

由于受到流體在壁面處的黏滯效應(yīng)以及氣液間動(dòng)量交換作用的影響，使得洗滌器引射液體的有效壓差受到限制，為了提高引射量，需要從式(5)中的其他影響因素入手。式中截面1和截面2之間高度差（12）的可變范圍有限，對(duì)應(yīng)的重位壓頭項(xiàng)對(duì)整體的影響較小，故而不做進(jìn)一步研究。而面積1和2是決定動(dòng)壓頭的直接因素，同時(shí)也是影響液體通道阻力系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，因此，對(duì)表1中5種結(jié)構(gòu)的文丘里洗滌器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中首先對(duì)結(jié)構(gòu)1～3進(jìn)行測(cè)試,并固定截面1處液體的流通面積1不變，得到3種結(jié)構(gòu)洗滌器的引射量隨流速的變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同面積比下的引射量（d1不變）

從圖中結(jié)果可以看出，隨著面積比AR的增加，文丘里洗滌器的引射量獲得了大幅提升。由前述分析可知，引射量增加，噴嘴出口處氣液間的動(dòng)量交換作用增強(qiáng)，將會(huì)導(dǎo)致截面2處?kù)o壓力的進(jìn)一步升高，即引射液體的有效壓差進(jìn)一步減小。根據(jù)式(5)中流量與壓差等參數(shù)的關(guān)系，當(dāng)吸液口兩端壓差受到限制時(shí)，液體流動(dòng)通道的截面積和阻力系數(shù)對(duì)引射性能至關(guān)重要，采用增大面積比AR的方法，一方面能夠增大液體的流通面積，另一方面也減小了液體的流動(dòng)阻力，這對(duì)于提升引射量是有效的。

進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)4、5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到不同流速下引射量的結(jié)果如圖9所示。將結(jié)果與圖8中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看到，結(jié)構(gòu)4和1對(duì)應(yīng)的文丘里洗滌器具有近似相同的面積比，但是結(jié)構(gòu)4的引射量明顯偏小，結(jié)構(gòu)5與2之間也存在同樣的規(guī)律。這種現(xiàn)象主要是由于不同結(jié)構(gòu)之間液體流通面積的

圖9 不同面積比下的引射量（d3不變）

差異造成的，液體在截面2處有效流通面積的計(jì)算方法如式(6)所示，可以看出，液體的有效流通面積不僅與面積比AR有關(guān)，還取決于噴管的出口直徑1，面積比相同時(shí)，噴管出口直徑越大，相應(yīng)的有效流通面積也越大，因此結(jié)構(gòu)1和2的引射特性比相同面積比時(shí)結(jié)構(gòu)4和5的引射特性更出色。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)影響自吸式文丘里洗滌器引射量主要因素的研究，得到以下結(jié)論。

（1）自吸式文丘里洗滌器的引射量主要與吸液口兩側(cè)的靜壓差、截面積、高度差以及液相流動(dòng)通道的阻力系數(shù)有關(guān)。

（2）噴管出口截面存在顯著的壓力分布特性，靠近壁面處的壓力明顯高于中心處的壓力。在洗滌器不引射流體的條件下，液體流動(dòng)通道出口截面上的各處壓力與噴管壁面處的壓力相一致；當(dāng)洗滌器引射液體時(shí)，由于氣液兩相的動(dòng)量交換作用，會(huì)在氣液界面處產(chǎn)生額外的壓力增量，并以壓力波的形式傳遞至整個(gè)截面，導(dǎo)致有效的吸液壓差進(jìn)一步 降低。

（3）當(dāng)自吸式文丘里洗滌器引射液體的有效壓差受到限制時(shí)，液體流通面積和阻力系數(shù)對(duì)引射量的影響明顯，采用增大外套管與噴嘴面積比同時(shí)增大噴管出口尺寸的方法，一方面能夠增加流通面積，另一方面也減小了液相流動(dòng)阻力，對(duì)于改善引射量是有效的。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Aeff——液相有效流通面積，m2 A1，A2——分別為截面1和截面2的橫截面積，m2 AR——截面2處外套管與噴嘴出口的面 積比 a，b——與截面1和2之間流道結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) D1——截面1處的當(dāng)量直徑，m d1，d2，d3，d4——分別為噴管出口、入口和外套管入口，喉部直徑，m g——重力加速度，m·s-2 H1，H2——分別為截面1和截面2相對(duì)于噴嘴入口面的高度，m Ml——液體質(zhì)量流量，kg·s-1 n——測(cè)量次數(shù) P1，P2——分別為截面1和截面2處的靜壓力，Pa ΔPh——液相在截面1和截面2之間的阻力損失，Pa Re——液相在截面1和截面2之間的流動(dòng)Reynolds數(shù) u1，u2——分別為截面1和截面2處液體的平均流速，m·s-1 θ——液體在截面2處的流動(dòng)方向與洗滌器軸線(xiàn)之間的夾角 μ——液體的動(dòng)力黏度，Pa·s ξ——截面1和截面2之間流道阻力系數(shù) ρ——液體密度，kg·m-3

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Injection performance and influencing factors in self-priming Venturi scrubber

ZHOU Yanmin, SUN Zhongning, GU Haifeng, MIAO Zhuang

(Nuclear Safety and Simulation Technology Key Laboratory of National Defense Disciplines, Harbin Engineering University,
Harbin 150001, Heilongjiang, China)

The main factors that affect injection performance of self-priming Venturi scrubber were analyzed based on the Bernoulli equation, the influence of these factors was further verified by experiment. Injection flow rate of self-priming Venturi scrubber depended mainly on static pressure differential, cross-sectional area, height difference and liquid channel resistance coefficient on both sides of suction port. In the case of no injection, the static pressure at outlet cross section of liquid flow was equal to the pressure at nozzle wall, higher than the average pressure and center pressure at nozzle exit. In the case of injecting liquid, an additional pressure increment was generated at gas-liquid interface because of momentum exchange. Pressure increment would spread around in the form of pressure waves to the entire cross-section, resulting in further reduction of effective pressure difference for injection. When effective injection pressure difference was limited, liquid channel area and resistance coefficient became important for injection flow. On this occasion，it was more effective to enlarge the area ratio between nozzle and sleeve and enlarge nozzle diameter, to increase liquid channel area and reduce resistance coefficient, which was effective in increasing liquid flow.

self-priming Venturi scrubber; injection flow rate; static pressure distributions; momentum transfer

date: 2014-07-28.

10.11949/j.issn.0438-1157.20141131

TL 334

A

0438—1157（2015）01—0099—06

2014-07-28收到初稿，2014-10-09收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：周艷民（1987—），男，博士研究生。

ZHOU Yanmin, vincizhym@126.com