基于馬爾文法測量空氣輔助霧化噴嘴霧化特性的實驗研究

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

核能具有高效、清潔、穩(wěn)定等優(yōu)勢，是一種新型能源，已成為我國能源體系中的重要組成，創(chuàng)新型核能技術的發(fā)展也受到了越來越多的重視。隨著我國核電自主技術的成熟，結合“一帶一路”國家戰(zhàn)略，推出來核電走出去[1-2]。隨著核能在能源結構中的地位不斷提升，核能技術也面臨著新的發(fā)展空間和未知的挑戰(zhàn)[3-4]。乏燃料后處理則是目前核工業(yè)中制約其可持續(xù)發(fā)展的重要短板，因此，開發(fā)研究乏燃料后處理技術對核能產業(yè)健康持續(xù)發(fā)展意義重大[5-6]。

水法乏燃料后處理是通過硝酸鈾酰水溶液，通過脫硝流化床技術得到三氧化鈾，并最終還原成金屬鈾，實現(xiàn)乏燃料的后處理[7-8]。在這乏燃料后處理的設備中，一個關鍵部件為硝酸鈾酰霧化噴嘴，噴嘴性能的優(yōu)良直接影響流化床內硝酸鈾酰霧滴的質量及整床的反應效果[9]。其中，空氣輔助式霧化噴嘴是該設備中常用的一種噴嘴結構，針對這一噴嘴結構，目前國內外相關的實驗研究仍然較少[9-10]。因此，本文擬采用馬爾文噴霧激光粒度分析儀對其霧化性能做了測試，并對不同工況下的霧化結果進行了分析，討論不同運行參數(shù)對其霧化效果的影響。

1 馬爾文噴霧激光粒度分析儀簡介

1.1 儀器介紹

本文所采用Spraytec型馬爾文實時噴霧粒度分析儀進行本實驗中測量霧滴粒徑的測試研究。根據(jù)圖1所示測試系統(tǒng)，主要由光電接收器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、激光器、信號轉換與傳輸系統(tǒng)、透鏡等組成。實時噴霧粒度分析儀是用于測量噴霧和動態(tài)氣溶膠的激光粒度分析儀，兩端鏡頭水平置于需測量噴霧場兩側，其基于激光衍射相關原理計算，獲得每一個瞬間的被檢測霧滴直徑，其采樣頻率可達2 500 Hz，測量液滴直徑范圍可達到0.1～2 000 μm，能夠實現(xiàn)噴霧過程中液滴直徑的瞬時測量[11-13]。

1.2 測量原理

馬爾文激光粒度儀的測量原理是夫瑯禾費衍射原理[14-16]。激光照射大量不同尺寸大小粒子時會產生的夫瑯禾費現(xiàn)象，即產生很多不同間距的同心條紋(霧化顆粒的尺寸大小對應不同間距的同心條紋)，然后這些不同間距的同心條紋信息被安裝有傅里葉透鏡的接收器(光電)所獲取，通過光敏環(huán)進行光電轉換和分檢，接收器(光電)再將所獲取的光學信息轉換成電子信號輸出到計算機中以統(tǒng)計干涉條紋的位置及能量譜分布等信息。基于相關光學理論，通過計算干涉條紋和衍射光的位置、強度等信息，經過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到液滴體積，并進一步基于米氏理論計算出液滴的粒徑分布。此外，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還能通過顆粒粒徑信息處理得到索特平均直徑等特征直徑。

圖1 馬爾文實時噴霧粒度分析儀實物圖

2 實驗系統(tǒng)及實驗步驟

2.1 實驗系統(tǒng)

本實驗中對霧化噴嘴噴霧粒徑測量的流程如圖2所示。氣體輸送部分，空氣由壓縮空氣瓶提供，通過減壓閥提供實驗所需空氣壓力；空氣經減壓閥流出后由氣體管道輸送至霧化噴嘴進氣管道；液體輸送部分，微型高壓水泵將水從水源抽出并提供一定壓力，然后通過裝在水管上的流量控制閥門控制水的流量大小，通過轉子流量計測量水進入霧化噴嘴時的流量，最終具有一定流量的水流入霧化噴嘴的液體管道，在噴頭末端與螺紋通道中經過加速和旋轉的氣體混合，形成噴霧噴出。實時噴霧粒度儀發(fā)射端和接收端水平置于噴霧場兩側，通過發(fā)射端發(fā)出的激光在噴霧場中的衍射現(xiàn)象完成測量。

圖2 實驗測量流程圖

2.2 實驗步驟

具體實驗步驟如下：

(1)霧化噴嘴氣體、液體輸送系統(tǒng)準備

將水桶接滿水，保證充足的水源供給；將氣體輸送管道和液體輸送管道依次連接，并在接頭處使用固體生料帶等進行密封；打開壓縮空氣瓶總開關，使得氣體進入減壓閥高壓腔中；將霧化噴嘴放置在合適的高度及水平位置并固定，使得其與實時噴霧粒度儀間的距離與實驗要求相一致，并保證與噴霧粒度儀發(fā)射端與接收端鏡頭在同一水平高度。

(2)噴霧粒度分析儀參數(shù)設置

打開噴霧粒度儀分析軟件，設定液體反射率、液體密度、粒徑測量范圍、光程等相關實驗參數(shù)。

(3)系統(tǒng)測試

首先，進行背景測量校正。設定好標準測試程序，進行測量，如果發(fā)現(xiàn)背景測試不合格，檢查并擦拭相關光學鏡頭玻璃等，保證測試準確性。

然后，任取一組實驗工況進行實驗測試，主要檢查氣體輸送系統(tǒng)和液體輸送系統(tǒng)密封是否完好，以及噴霧場是否位于噴霧粒度分析儀測量范圍內、噴霧中心是否與粒度儀發(fā)射端發(fā)出激光中心位于同一水平高度等。

(4)開始實驗

最后，擰松減壓閥調節(jié)螺桿并打開微型高壓水泵開關，使得氣體與液體在噴嘴中混合霧化，噴霧粒度分析儀探測到霧滴后自動開始分析、處理數(shù)據(jù)。

(5)實驗數(shù)據(jù)后處理

實驗結束后，整理實驗臺并保存有關實驗數(shù)據(jù)，然后根據(jù)需求進行相應數(shù)據(jù)處理。

2.3 實驗工況

由于條件受限和安全因素，本實驗中選取水代替硝酸鈾酰溶液進行噴霧實驗，其密度為1 000 g/cm3，反射率為1.33。霧化噴嘴噴霧實驗工況設置如表1所示。三組實驗工況下噴嘴前端與粒度儀鏡頭中心的軸向距離均為10 cm，液體流量固定為45 L/h，分別測試了入口氣體壓力為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下的霧化效果，如表1所示。

表1實驗工況設置

工況編號測量距離/cm液體流量/L·h-1氣體壓力/MPa110450.3210450.4310450.5

2.4 噴嘴結構

圖3(a)和(b)中分別給出了噴嘴結構示意圖和噴嘴的實物圖。從圖中可以看出，霧化空氣首先經過一段彎曲的圓通道進入到一個圓環(huán)通道，之后進入到帶有螺紋結構的噴頭部分，最后從噴嘴出口處噴出。而液相流動過程相對簡單，從中間的圓形通道里面流入，并沿著通道向出口流動，只是在接近出口段，圓形通道的橫截面有部分收縮。最后，在噴嘴出口處氣體和液體進行充分混合，通過高速氣流對料液進行破碎，得到霧滴。

圖3 噴嘴結構圖

3 結果與討論

根據(jù)實驗方案，測試了不同氣體壓力情況下，以水為工質的條件下，噴嘴的霧化效果。表2中給出了入口氣體壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下實驗測得的霧化液滴的霧化錐角和索特平均直徑(SMD)。根據(jù)如下結果發(fā)現(xiàn)，隨著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，索特平均直徑在30～60 μm的范圍內逐漸減??；隨著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，霧化錐角基本上都維持在35°～39°的范圍內，基本變化不大。

表2索特平均直徑和霧化錐角

工況編號氣體壓力/MPa索特平均直徑/μm霧化錐角/°10.357.5±0.638.6±220.442.9±0.936.3±230.538.2±0.835.6±2

圖4(a)～(c)分別給出了霧化噴嘴入口氣體壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下實驗霧化效果的實時照片。從圖中可以看出，霧化噴嘴入口氣體壓力在0.3～0.5 MPa范圍內變化的過程中，霧化形貌基本不變，水工質能夠被充分霧化并形成液滴。霧化液滴以一定的擴散角度沿著噴射方向發(fā)散，霧滴從噴嘴噴射出來后成錐狀發(fā)散，霧化錐角的大小一定程度上反映了霧錐中液滴的分散性，直接影響了霧化液滴在空間的分布情況。霧化錐角一般指在距噴嘴一定距離L處霧炬中心線的垂線與霧炬曲面相交的兩點與噴口中心連線的夾角。

圖4 實驗測量流程圖

本文中選取距離噴嘴出口10 cm處的測算索特平均直徑和霧化錐角。根據(jù)圖中結果得到，霧化噴嘴入口氣體壓力為0.3 MPa時，霧化液滴的索特平均直徑為57.5 μm，霧化錐角為38.6°；霧化噴嘴入口氣體壓力為0.4 MPa時，霧化液滴的索特平均直徑為42.9 μm，霧化錐角為36.3°；霧化噴嘴入口氣體壓力為0.5 MPa時，霧化液滴的索特平均直徑為38.2 μm，霧化錐角為35.6°。在這三種不同的工作條件下，該噴嘴結構下，以水為霧化介質，均能形成良好的霧化效果。

4 結論

本文采用馬爾文噴霧激光粒度分析方法，實驗分析了一種用于乏燃料后處理工藝系統(tǒng)的空氣輔助霧化噴嘴的霧化效果。以水為霧化介質，以高壓氣體為輔助空氣，通過高速相機和馬爾文噴霧激光粒度儀，測量了3種不同的入口氣體壓力條件下，霧化過程中的霧化形態(tài)、霧滴索特平均直徑和霧化錐角等參數(shù)，最終得到了霧化場中的霧化特性，主要結論如下：

(1)在霧化噴嘴入口氣體壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下，霧滴從噴嘴噴射出來后成錐狀發(fā)散，均能形成良好的霧化效果。

(2)隨著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，索特平均直徑在30～60 μm的范圍內逐漸減小；隨著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，霧化錐角基本上都維持在35°～39°的范圍內，基本變化不大。