CN105268569A - 一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，包括主流管道以及与主流管道的侧壁相连通的环状流射流管，其中，在环状流射流管的上游周向设置有气液混合器，气液混合器的入口与开设在环状流射流管侧壁上蜂窝状孔相连通；使用时，液体工质进入气液混合器然后经蜂窝状孔进入环状流射流管，与环状流射流管内的气体工质混合后形成气液两相环状流，并在环状流射流管内壁上形成液膜，气液两相环状流射流与主流管道内的主流气体掺混后完成雾化形成雾化液滴群。本发明在射流掺混过程中，利用气液两相环状流射流与主流气体相互作用，气液两相环状流射流可以实现较好的雾化效果，进而实现气液两相环状流射流与主流气体之间良好的掺混。

Description

一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置

技术领域：

本发明涉及一种优化气液射流掺混组织技术，具体涉及一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置。

背景技术：

液体射流与气流的掺混是一种强化多相流动与传热的重要方式，在民用及国防等领域具有重大应用需求。射流与主流体相互作用，诱发流场出现多尺度复杂旋涡结构，利用流体间的卷吸与夹带，促使组分与热量的混合，以达到均匀混合的目的。如能源动力工程领域常见的燃烧技术，借助射流使燃料和氧化剂(如空气)充分混合，提高燃烧效率；又如化工领域常见的化学反应技术，常采用射流加料方式促使不同流体迅速均匀混合，改善反应器性能。射流工质与主流掺混过程的合理组织对实现系统及设备的优化及高效运行至关重要。

在射流掺混系统中，最常见的液体射流形式主要有平面液膜射流、圆柱形液体射流、圆环液体射流等。国内外针对不同射流形式开展了大量的研究，如射流的破碎与雾化机理、液滴群扩散规律、流场流动与传热特性等。为了促进液体射流的雾化，提出了气助式雾化射流，即通过引入空气来促进液体的破碎与雾化，如鼓风式、鼓泡式射流，这种射流形式通常需要气路和液路两套流体供应系统。由于气液两相流存在多种流型，以及流动状态的复杂性，目前国内外尚未发现气液两相流射流形式。为了便于控制，在实际掺混过程中，气体射流和液体射流通常采用两套供应系统分别引入掺混系统，这给系统设备的紧凑型设计和经济性都带来了很大局限。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，包括主流管道以及与主流管道的侧壁相连通的环状流射流管；其中，在环状流射流管的周向设置有气液混合器，气液混合器的入口与开设在环状流射流管侧壁上蜂窝状孔相连通；使用时，液体工质进入气液混合器然后经蜂窝状孔进入环状流射流管，与环状流射流管内的气体工质混合后形成气液两相环状流射流，并在环状流射流管内壁上形成环状流液膜，气液两相环状流射流与主流管道内的主流气体混合后完成雾化形成雾化液滴群。

本发明进一步的改进在于：环状流射流管竖直布置，开口向上并垂直于主流管道。

本发明进一步的改进在于：气液混合器与环状流射流管同轴布置。

本发明进一步的改进在于：开设在环状流射流管侧壁上的蜂窝状孔孔道方向与环状流射流管轴向方向之间设有夹角，两者之间夹角范围为30°-60°。

本发明进一步的改进在于：开设在环状流射流管侧壁上的蜂窝状孔的孔径为200μm。本发明进一步的改进在于：环状流射流管在气液混合器处的上游为气流发展段，其长度Y≥17D，其中，D为环状流射流管的内径；

环状流射流管在气液混合器处的下游为环状流发展段，其长度Z按照下式计算：

$Z\≥2.215D^{0.75}{\left(\frac{v_g}{v_l}\right)}^{0.5}$

其中，v_g为环状流表观气速，m/s；v_l为环状流表观液速，m/s。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过分析不同流型的气液两相流流动特性，结合机理实验验证，提出了一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置。本发明利用气液两相环状流射流与主流气体相互作用，可以实现两者较好的掺混，原因在于：在气液两相环状流射流出口之前，管内环状流壁面液膜受到高速气流剪切作用产生剧烈的波动及液滴夹带，气液两相环状流射流进入主流气体环境中，环状流液膜受到内部同向剪切气流和外部切向气流的共同作用，两股交错气流作用于环状流液膜内外表面，气液间动量交换极大地增强了环状流液膜的不稳定性，加剧了环状流液膜的破碎与雾化，增强了与主流气体的掺混。

本发明在国防及工业领域具有重要的应用前景，如氢氧能源发动机中冷却工质与高温燃气间的掺混，采用气液两相环状流射流进水方式将比采用蒸汽射流和液体射流两路进水更能强化工质与燃气间的传热传质，同时也使流体供应系统由气、液两套简化为一套。流体供应系统的简化可以减轻发动机重量，缩小发动机体积，国防意义重大。在湿化燃气轮机循环系统中，燃气加湿和排气余热利用是其中的关键问题。目前多采用直接注水，直接注蒸汽或采用湿化器等加湿方式，并在系统中设置回热器。若利用燃气透平出来的部分高温气体直接与水混合产生气液环状流射流来对燃气进行加湿，或替代二次冷却空气对燃烧室出来的高温燃气进行掺混以增加工质，不仅有效利用了透平排气和排气余热，大幅度减少冷空气使用量，同时也将透平排气纳入系统循环之中，将显著降低压气机能耗、提高燃气轮机效率。

附图说明：

图1为本发明一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置的结构示意图；

图2为本发明气液两相环状流射流的形成效果图；

图3为气液两相环状流射流在主流气体作用下的雾化效果图，其中，图3(a)为气体工质流量m_g＝5.65m³/h及液体工质流量m_l＝14kg/h时的雾化效果图，图3(b)为气体工质流量m_g＝8.48m³/h及液体工质流量m_l＝14kg/h时的雾化效果图，图3(c)为气体工质流量m_g＝14.1m³/h及液体工质流量m_l＝28kg/h时的雾化效果图，图3(d)为气体工质流量m_g＝16.9m³/h及液体工质流量m_l＝56kg/h时的雾化效果图，图3(e)为气体工质流量m_g＝19.6m³/h及液体工质流量m_l＝56kg/h时的雾化效果图。

图中表示为：1为主流管道，2为环状流射流管，3为气液混合器，4为液体工质，5为气体工质，6为环状流液膜，7为主流气体，8为气液两相环状流射流，9为雾化液滴群。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，包括主流管道1以及与主流管道1的侧壁相连通的环状流射流管2，且环状流射流管2垂直于主流管道1；其中，在环状流射流管2的周向设置有气液混合器3，气液混合器3的入口与开设在环状流射流管2侧壁上蜂窝状孔相连通；使用时，液体工质4进入气液混合器3然后经蜂窝状孔进入环状流射流管2，与环状流射流管2内的气体工质5混合后形成气液两相环状流射流8，并在环状流射流管2内壁上形成环状流液膜6，气液两相环状流射流8与主流管道1内的主流气体7混合后完成雾化形成雾化液滴群9。此外，环状流射流管2竖直布置，开口向上并垂直于主流管道1，且有气液混合器3与环状流射流管2同轴布置，该布置方式有利于气液混合器3中的液体在周向方向上均匀进入环状流射流管2，有利于环状流射流管2内壁液膜的均匀分布。优选的，开设在环状流射流管2侧壁上的蜂窝状孔孔道方向与环状流射流管2轴向方向之间设有夹角，且两者之间的夹角范围为30°-60°，该设计方式有利于促进从蜂窝状孔出来的液体在环状流射流管2内壁更快地形成液膜结构，且有开设在环状流射流管2侧壁上的蜂窝状孔的孔径小于1mm，蜂窝结构长度大于5倍的环状流射流管2内径。以及，环状流射流管2的出口位置距离主流管道1入口的长度大于等于17倍主流管道1的水力直径。

其中，液体工质4的流量为14-114kg/h，气体工质5的流量为5.65-19.78m³/h，主流气体7的流速为2-14.5m/s。

上述主流管道1的内腔为方形腔，其横截面尺寸为180mm×180mm。上述环状流射流管2的内径为10mm，其长度为1.5m。开设在环状流射流管2侧壁上的蜂窝状孔的孔径为200μm。

进一步地，环状流射流管2在气液混合器3处的上游为气流发展段，其长度Y≥17D，其中，D为环状流射流管的内径；

环状流射流管2在气液混合器3处的下游为环状流发展段，其长度Z按照下式计算：

$Z\≥2.215D^{0.75}{\left(\frac{v_g}{v_l}\right)}^{0.5}$

其中，v_g为环状流表观气速，m/s；v_l为环状流表观液速，m/s。

为了对本发明进一步了解，现对其原理做一说明。

本发明一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，包括气液两相环状流射流的组织方案以及射流参数选取方法。

1、气液两相环状流射流组织方案

1)射流掺混系统中既存在液体射流同时又存在气体射流的情况，此时可以选择合适的气液流量参数和管道尺寸，将射流气体工质和液体工质混合在管道内形成气液两相环状流射流，进而与主流进行掺混；

2)高温环境掺混系统中，通常冷却液体工质在流动过程中吸热气化，在喷口变成气体射流然后对高温主流进行降温。当对降温有更高要求时，此时可以适当加大液体工质流量，使其在流动中不完全气化，在喷口上游形成气液两相环状流射流与高温主流气体进行掺混，从而改善主流降温效果。

2、气液两相环状流射流参数选取方法

1)管壁绝热条件

管壁绝热条件下，管内流体不与外界传热，气液份额保持恒定。为了在管道内实现稳定气液两相环状流，首先需要对气体和液体流量、管道直径、压力等参数进行合理匹配，首先根据Hewitt-Roberts流型图选取各参数取值范围。在参数范围选定情况下，为了使管内气液流动尽快转变为环状流，可以在主管道前端设计合适的气液混合结构，如图2所示，气液分别从不同入口进入主管道，在较短距离内就可以实现稳定环状流状态。

2)高温吸热条件

在高温环境中，管内液体工质在流动中通过管壁吸收外部热量。在吸热量足够大时，管内流体流动状态会出现以下过程：单相过冷液体—>泡状流—>弹状流—>搅拌流—>环状流—>干涸(高温蒸汽)。为了实现管道出口为环状流，需要对管内流体进行热力计算，方法如下：

当液体流量确定时，首先对管径进行预选，然后根据环状流干涸点预测方法，判断在要求的管道长度出口是否为环状流，若是，则说明所选管径是合理的；若不是，则要改变管径尺寸再进行计算，直到在管道出口为环状流状态为止。当管径确定而流量未知时，也可以根据上述方法对流量进行确定。

3)参数优化

横向气流与环状流射流相互作用过程中，流动参数不同，环状流射流液膜的雾化效果也会有很大差别。而实际掺混过程中往往对射流雾化效果有要求，因此需要对射流参数进行合理选取。通常情况下，主流速度和射流气液流量是确定的，此时应当首先确定实现环状流状态的管径大致范围。另外，根据申请人实验结果发现，当管内表观气速越高，射流雾化效果越好，但同时其贯穿深度也会增加，此时应同时考虑射流雾化粒径和贯穿深度要求，逐步缩小管径范围，以获得合适的雾化效果，进而确定管径及长度尺寸。

实施例：

主流管道的内腔为矩形腔，其横截面尺寸为180×180mm，主流气体由空压机提供，实验中速度范围为2-14.5m/s。环状流射流管的内径为10mm，长度1.5m，气体和液体通过气液混合器(环状流发生装置，结构呈壁面布满小孔的蜂窝状，小孔直径为200um)进入环状流射流管形成气液两相环状流射流。其中气体工质流量范围5.65-19.78m³/h(折合表观气速范围约为20-70m/s)，液体工质流量范围14-114kg/h(折合表观液速范围约为7-12.7m/s)。采用相机拍摄射流雾化过程及雾化结构，采用马尔文粒度仪测量射流雾化液滴群的粒径。

如图3所示，图3为实验获得的气液两相环状流射流在主流气体(速度为14m/s)作用下的雾化效果图，其中雾化液滴平均雾化粒径在图3(a)至图3(e)分别为330μm、258μm、110μm、85μm以及57μm。从图中可以看出，在主流气体作用下，气液两相环状流射流可以实现较好的破碎与雾化，且主流气体表观气速越大，气液两相环状流射流雾化效果越好。

根据实验可以发现，选取不同的射流参数，可以获得不同的雾化效果。因此，在实际掺混组织过程中，可以根据所需要的雾化粒径、雾化贯穿深度等要求，对环状流射流各参数进行选取。

综上所述，本发明实现了预期的目标，提出的气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置可以用于实际相关设备中的掺混过程。

Claims (6)

1.一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，其特征在于：包括主流管道(1)以及与主流管道(1)的侧壁相连通的环状流射流管(2)；其中，

在环状流射流管(2)的上游周向设置有气液混合器(3)，气液混合器(3)的液体工质入口与开设在环状流射流管(2)侧壁上蜂窝状孔相连通；使用时，液体工质(4)进入气液混合器(3)然后经蜂窝状孔进入环状流射流管(2)，与环状流射流管(2)内的气体工质(5)混合后形成气液两相环状流射流(8)，并在环状流射流管(2)内壁上形成环状流液膜(6)，气液两相环状流射流(8)与主流管道(1)内的主流气体(7)混合后完成雾化形成雾化液滴群(9)。

2.根据权利要求1所述的一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，其特征在于：环状流射流管(2)竖直布置，开口向上并垂直于主流管道(1)。

3.根据权利要求1所述的一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，其特征在于：气液混合器(3)与环状流射流管(2)同轴布置。

4.根据权利要求1所述的一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，其特征在于：开设在环状流射流管(2)侧壁上的蜂窝状孔孔道方向与环状流射流管(2)轴向方向之间设有夹角，且两者之间的夹角范围为30°-60°。

5.根据权利要求1所述的一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，其特征在于：开设在环状流射流管(2)侧壁上的蜂窝状孔的孔径小于1mm，蜂窝结构长度大于5倍的环状流射流管(2)内径。

6.根据权利要求1或4所述的一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置，其特征在于：环状流射流管(2)在气液混合器(3)处的上游为气流发展段，其长度Y≥17D，其中，D为环状流射流管的内径；

环状流射流管(2)在气液混合器(3)处的下游为环状流发展段，其长度Z按照下式计算：

$Z\≥2.215D^{0.75}{\left(\frac{v_g}{v_l}\right)}^{0.5}$

其中，v_g为环状流表观气速，m/s；v_l为环状流表观液速，m/s。