液-液雾化的射流特性与粒径分布

　　引 言

　　流体冰是近年新发展起来的一种新冰种,具有流动性、换热性能好和可用泵进行输送等优点,在制冷空调、化工、医疗等用冷场合的应用前景非常广阔,流体冰的制取与应用在制冰界引起广泛关注[1~3]。液-液循环流化床是以制取流体冰为背景而提出的一种新型流化制冰技术[2~3],液-液雾化形成细小水滴增大了两种液体的接触表面积,极大地强化了两相间的传热与传质过程,该方法将具有高效传热传质能力的流化床技术引入制冰领域,充分发挥了多相流动与传热的重要作用。流化床内液滴的粒径均匀性和尺寸大小是制取流体冰技术的重要影响因素,对液-液雾化过程中形成水滴的粒径分布进行控制成为液-液循环流化床制取流体冰的一个关键问题。

　　液-液雾化形成液滴问题随着喷墨、纤维纺丝、混合、萃取与乳化等技术的发展,已成为工业应用研究的热点问题之一。目前针对该问题进行的数值与实验研究,主要集中在有限空间内液滴形成的基础问题[4~8]。由于针对大空间内液滴形成问题的研究很少,液滴的形成过程涉及到惯性力、粘性力、浮力与界面张力的相互作用,问题非常复杂,虽然有不少研究成果可供参考,但对循环流化床内液-液雾化形成液滴过程的研究依然具有挑战性。

　　针对制取流体冰这种特殊的应用背景,建立液-液循环流化床实验系统,研究水在另一种互不相溶的液体中雾化形成水滴问题。本文运用数学统计方法对低流速下液-液单孔雾化过程中射流长度的变化规律及形成液滴的粒径分布进行研究,探讨射流变化影响液滴粒径分布的机理。

　　1 实验研究

　　1.1 实验装置

　　液-液循环流化床实验系统如图1所示,实验装置的具体型号与结构参数可参考文献[9]。实验过程中,实验流体分两路进入流化床,一路为变压器油,另一路为水(加入红色颜料,增大对比度,便于拍照)。变压器油首先由离心油泵(YG50-100),油过滤器进入流化床,采用齿轮流速计(LC-40)测量流速,通过阀门将其调节到实验点,流速为0.18 m/s;待流动稳定之后,打开增压泵(12WZ-8)抽取水箱的水,水增压后从孔径为0.22 mm的喷头直接喷入床内,射流速度由玻璃转子流速计(LZJ-10)读取,用阀门将流速调节到实验点时,打开采光室上部的强光源,光线通过透光口将床内液滴形成过程反射到数码相机,数码相机以30 f/s的频率进行连续拍摄,分别改变水的体积流量为2.6,4.4,5.7,6.2,10,15和20 mL/min,获得距离喷孔0~50 mm高度内不同流速工况下的液滴形成过程的100幅照片。

　　1.2 液-液单孔雾化现象

　　图2为低流速下液-液单孔雾化过程形成液滴的示意图。由图可知,水从喷孔处喷入充满变压器油的流化床内,在喷孔上方会形成一个连续的射流,在周围流动变压器油的作用下,射流上部发生破碎形成一个个水滴(后文统一用液滴),射流的连续不破碎的高度称作射流长度,不发生破碎的射流最高点用射流顶部表示,不同的实验工况下,射流长度的高低不断变化,射流顶部的形状也在不断变化,所形成液滴的球形度较好,但其粒径大小并不一致,形成液滴的粒径存在均匀性问题,具有一定的分布特征。