CN110314776A - 一种可自清洗喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可自清洗喷头，解决了现有喷头在使用压制去污剂之后易发生堵塞的问题。其包括依次连通的进液段、导流段以及出液段；进液段远离导流段的一端密封设置，进液段侧壁上沿周向均匀开设有3～5个切向孔作为液体入口；导流段的外壁上设置有螺纹，导流段包括相互连通的第一导流段和第二导流段；出液段包括相互连通的第一出液段和第二出液段；第一导流段与进液段相连，第二导流段与第一出液段相连；第二导流段流道截面的面积由靠近第一导流段的一端向靠近第一出液段的一端逐渐减小；第二出液段流道截面的面积由靠近第一出液段的一端向远离第一出液段的一端逐渐扩大；进液段流道截面的面积与第一导流段流道截面的面积相等。
Description
技术领域
本发明属于喷洒设备，具体涉及一种具有自清洗功能的喷头。
背景技术
源头封堵作业机是放射性事故应急处置中的重要装备，由于能够无线遥控指挥，可以抵达泄漏源附近展开封堵和压制作业，大大提高了事故应急处置的效率。
喷头作为构成源头封堵作业机中喷注器最基本的元件，其任务主要包括液体的喷射以及雾化；其中，雾化性能的好坏直接影响到后续的压制效果，进而决定了整个作业系统的运行效能。
目前，源头封堵作业机中使用的喷头是直流式短孔喷头，其结构简单，应用广泛，如图1～图3所示。通常都是直接在喷注器面板上或在镶嵌于喷注器的零件上开圆柱形直流孔，液体在挤压下进入喷孔。该直流式短孔喷头在喷头出口处有一个改变流道、形成旋流、产生雾化效果的挡板01，挡板侧面有两个径向导流孔04，喷洒作业结束后，液体回流时需要多次折线，使流动阻力增大，加之，作业中使用的压制去污剂粘度较大，在狭小空间内容易粘结在喷头内壁，非常容易导致去污剂的残留，凝结后堵塞喷头。
综上，在实际应用中，使用现有喷头喷洒具有一定粘度的压制去污剂后，喷头处经常发生堵塞，残留在喷头的压制去污剂固化干涸后难以清洗和疏通，严重制约了源头封堵和压制作业的有效实施，并且在日常应急处置训练中也不能进行实装实剂，不利于训练的顺利进行以及处置能力的提升。
因此，亟需设计一种新型的具有自清洗功能的喷头。
发明内容
本发明的目的在于解决现有喷头在使用压制去污剂之后易发生堵塞的不足之处，而提供了一种可自清洗的喷头。
本申请的发明构思：
基于研究现状分析并结合需求，要求改进喷头的结构既能保持现有喷头的雾化特性，又不能产生流动阻塞现象，因此需要采用直线型的流动通道，同时增大液体出口直径，减少液体流动中的阻力来源。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种可自清洗喷头，其特殊之处在于，包括依次连通的进液段、导流段以及出液段；所述进液段远离导流段的一端密封设置，进液段侧壁上沿周向均匀开设有3～5个切向孔作为液体入口，均匀开设使得液体进入喷头后均匀分散型更好，有利于提高喷射液体的雾化效果及后期的自清洗效果，切向孔的具体个数根据进液段流道截面的直径调整，个数不宜过多，过多可能出现切向孔连在一起的现象，反而不利于液体流动呈螺旋线流向；所述导流段的外壁上设置有螺纹，导流段包括相互连通的第一导流段和第二导流段；所述出液段包括相互连通的第一出液段和第二出液段；所述第一导流段与进液段相连，第二导流段与第一出液段相连；所述第二导流段流道截面的面积由靠近第一导流段的一端向靠近第一出液段的一端逐渐减小；所述第二出液段流道截面的面积由靠近第一出液段的一端向远离第一出液段的一端逐渐扩大，形成一个锥形的喷液孔，利于液体雾化喷洒；所述进液段流道截面的面积与第一导流段流道截面的面积相等；所述第一导流段流道截面的面积与第二导流段流道截面的最大面积相等；所述第二导流段流道截面的最小面积与第一出液段流道截面的面积相等；所述第一出液段流道截面的面积与第二出液段流道截面的最小面积相等；整个喷头结构的流体设计非常顺畅，液体在喷头内呈螺旋线流向，清洗时清洗剂可无死角高速冲刷喷头内表面，从而达到彻底自清洗效果。
进一步地，所述切向孔的直径(即进液口的直径)为1.3mm～1.7mm，；所述进液段流道截面的直径为8.5mm～9.5mm；所述第一出液段流道截面的直径(即出液口的直径)为1.8mm～2.2mm；所述出液段的喷射角(即第二出液段轴向截面等腰梯形侧边延长线相交所形成的夹角a)为85°～95°。
进一步地，所述切向孔的直径为1.5mm；所述进液段流道截面的直径为9mm；所述第一出液段流道截面的直径为2mm；所述出液段的喷射角为90°，将仿真模拟及试验验证，该结构尺寸下，液体的喷射速度、喷射压力以及雾化效果均为最优，喷射的液体在各个方向分布均匀，作业效能更好。
进一步地，所述切向孔的数量为3个，3个切向孔是满足停止喷射液体时无论喷头处于何种空间状态，三个切向孔总有一个孔朝下，使得液体可以在重力作用下泄出，消除现役喷头的阻塞死区，可解决喷头阻塞问题的最少切向孔个数。
进一步地，该可自清洗喷头外壁上设置有凸台，且所述凸台靠近出液段设置，凸台与所述螺纹之间存在间隙，在将喷头安装在源头封堵作业机上时，可使用工具夹持凸台部分进行紧固，省时省力。
进一步地，所述进液段远离导流段的一端采用堵头进行密封，所述堵头与可自清洗喷头的进液段通过螺纹连接，采用这种密封结构，拆装便捷，便于技术人员检查维护喷头内部结构。
本发明的优点是：
1.本发明采用3～5个切向孔的方式进液，可改善喷头内液体的流动性能，减少流动阻力，使得喷头内液体流动呈螺旋线流向，清洗时清洗剂无死角高速冲刷内表面，达到彻底自清洗效果；无论喷头处于何种空间状态，总有一个切向孔朝下，液体回流后在重力作用下从朝下的切向孔泄出，消除了现有喷头的阻塞死区，防止了压制去污剂干燥后堵塞喷头，达到了自清洗与结构预防双重防堵效果；同时，按照流道截面面积逐渐增大的方式设计第二出液段，优化出口结构，使喷液孔形成一个轴向锥形孔，提高了喷头的雾化能力，使液体得到充分分散、雾化，有利于在送风的条件下迅速扩散，雾化后的液体颗粒能充分散开，从而有效吸附、包裹放射性介质颗粒，发挥良好的压制效果，有效改善了整体装备的作业效能。采用本发明可自清洗喷头便于进行实装实剂训练，有利于提升事故处置能力。
2.本发明采用螺纹连接的方式固定在源头封堵作业机喷头环上，拆装均比较方便；且靠近出液段的喷头外壁上设置有凸台，便于使用工具对喷头进行拆装。
3.本发明采用切向孔的入口直径为1.5mm、第一出液段流道截面的直径为2mm的设计尺寸，喷射时，出液口的流道截面上，在喷射角范围内液体出口速度均匀一致；出口压力分布均匀一致，并保持高压，可确保均匀喷洒。
附图说明
图1为现有喷头的剖面图；
图2为现有喷头的内部结构示意图；
图3为图2中去掉挡板后的左视图；
图1-图3中附图标号如下：
01-挡板；02-喷孔；03-锥角；04-导流孔；
图4为本发明可自清洗喷头实施例一的轴测图；
图5为本发明可自清洗喷头实施例一的主视图；
图6为本发明可自清洗喷头实施例一的俯视图；
图7为本发明可自清洗喷头实施例一的仰视图；
图8为图7中A-A剖视图；
图9为本发明可自清洗喷头实施例一的左视图；
图10为本发明可自清洗喷头实施例一的右视图；
图4-图10中附图标号如下：
1-进液段；2-导流段；21-第一导流段；22-第二导流段；3-出液段；31-第一出液段；32-第二出液段；4-切向孔；5-螺纹；6-凸台；7-堵头；
图11为本发明可自清洗喷头实施例一的仿真模型图；
图12为喷头仿真模型内部流场计算域；
图13为喷头仿真模型外部流场计算域；
图14为喷头仿真模型整个计算域；
图15为喷头仿真模型内部流场网格划分；
图16为喷头仿真模型外部流场网格划分；
图17为喷头仿真模型速度云图的对比图，其中，(a)为喷头入口直径1mm、出口直径2mm的速度云图，(b)为喷头入口直径1mm、出口直径1mm的速度云图；(c)为喷头入口直径1mm、出口直径1.5mm的速度云图，(d)喷头入口直径1.5mm、出口直径2mm的速度云图；
图18为喷头仿真模型压力云图的对比图，其中，(a)为喷头入口直径1mm、出口直径2mm的压力云图，(b)为喷头入口直径1mm、出口直径1mm的压力云图；(c)为喷头入口直径1mm、出口直径1.5mm的压力云图，(d)喷头入口直径1.5mm、出口直径2mm的压力云图；
图19为喷头仿真模型雾化效果图的对比图，其中，(a)为喷头入口直径1mm、出口直径2mm的雾化效果图，(b)为喷头入口直径1mm、出口直径1mm的雾化效果图；(c)为喷头入口直径1mm、出口直径1.5mm的雾化效果图，(d)喷头入口直径1.5mm、出口直径2mm的雾化效果图；
图20为喷头仿真模型内部流线图的对比图，其中，(a)为喷头入口直径1mm、出口直径2mm的内部流线图，(b)为喷头入口直径1mm、出口直径1mm的内部流线图；(c)为喷头入口直径1mm、出口直径1.5mm的内部流线图，(d)喷头入口直径1.5mm、出口直径2mm的内部流线图；
图21为流量测量结果的多项式拟合曲线；
图22为喷射出液体的角度计算示意图；
图23为本发明可自清洗喷头实施例二的轴测图；
图24为本发明可自清洗喷头实施例二的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
实施例一
如图4-图10所示，一种可自清洗喷头包括依次连通的进液段1、导流段2以及出液段3。
其中，进液段1远离导流段2的一端采用堵头7密封设置，该堵头7与进液段1为螺纹连接，可根据需要拆卸下来对喷头内部进行检查，方便维护。进液段1的侧壁上沿周向均匀开设有3个切向孔4，液体(压制去污剂或者清洗剂)通过切向孔4进入喷头内部并喷出。
导流段2的外壁上设置有螺纹5，整个喷头通过该螺纹5连接至源头封堵作业机喷头环上。该导流段2包括相互连通的第一导流段21和第二导流段22，第一导流段21与进液段1相连。
出液段3包括相互连通的第一出液段31和第二出液段32，第一出液段31与第二导流段22相连。可自清洗喷头外壁上设置有凸台6，且该凸台6靠近出液段3设置，其与螺纹5之间存在间隙，便于作业人员使用工具拆卸喷头。
上述进液段1流道截面的面积与第一导流段21流道截面的面积相等；第二导流段22流道截面的面积由靠近第一导流段21的一端向靠近第一出液段31的一端逐渐减小；第一导流段21流道截面的面积与第二导流段22流道截面的最大面积相等；第二导流段22流道截面的最小面积与第一出液段31流道截面的面积相等。第二出液段32流道截面的面积由靠近第一出液段31的一端向远离第一出液段31的一端逐渐扩大，第一出液段31流道截面的面积与第二出液段32流道截面的最小面积相等，即出液口设计为一轴向锥形口，进一步提高喷头的雾化能力，使液体得到充分分散、雾化，增强了雾滴吸附、包裹放射性介质的能力，有效改善装备的作业效能。
根据理论计算，切向孔的直径为1.3mm～1.7mm、进液段流道截面的直径为8.5mm～9.5mm、第一出液段流道截面的直径为1.8mm～2.2mm、出液段的喷射角为85°～95°，在上述范围内，液体均能展现较好喷射效果。但为了筛选出可清洗喷头最优结构的尺寸，本发明首先针对该喷头构建了仿真模型，并对不同尺寸仿真模型的速度云图、压力云图、雾化效果图、喷头内部流线图进行效果对比，其次，对仿真结果进行实体检验；具体如下：
一、仿真
1.喷头的仿真
1.1按照上述基本结构，构建喷头的仿真模型，参见图11。
1.2对喷头仿真模型的内部流场计算域进行提取，参见图12；对喷头仿真模型的外部流场计算域进行提取，参见图13，外流场为直径100mm，长200mm的圆柱；整个计算域则参见图14。
1.3对喷头流场进行网格划分；内部流场采用混合网格，入口处为非结构化网格，其余为结构化网格，参见图15；外部流场采用结构化网格，参见图16。
2.仿真效果对比
2.1对喷头入口直径(即切向孔直径)和喷头出口直径(即第二出液段流道截面的最小直径)进行调整进行仿真；分四组分别计算入口直径1mm、出口直径1mm；入口直径1mm、出口直径2mm；入口直径1mm、出口直径1.5mm；入口直径1.5mm、出口直径2mm的喷射过程，即得到速度云图、压力云图、雾化效果图、喷头内部流线图，并分别进行对比，对比图参照图17-图20。
2.2从图17-图19可以得到，入口直径1.5mm、出口直径2mm的喷头喷射时，在出口截面上，在喷射角范围内液体出口速度均匀一致；出口压力分布均匀一致，并保持高压，可确保均匀喷洒；锥形出口设计，使得液体能够有效雾化、分散，有利于在送风的条件下迅速扩散，雾化后的液体颗粒能充分散开，从而有效吸附、包裹放射性颗粒，发挥良好的压制效果。
从图20喷头内部流线图的对比图可以得到，液体进入喷头后，以螺旋线的流向进行流动，高速液流冲刷壁面，喷洒作业结束后，使用清洗剂清洗作业机时，清洗剂能够对壁面进行冲刷，确保有效自清洗。加之，结构设计中，3个切向孔的设计，确保任何状态下，均至少有一个切向孔朝下，使得压制去污剂能够在重力作用下回流泄出。在有效回流和高速冲刷双重作用下，实现了喷头的自清洗，解决了堵塞问题。
二、检验
1.喷头的加工设计
根据仿真计算结构，在现有加工工艺条件下，分别制作3个喷头，开展喷洒试验检验仿真计算结果，加工制作喷头，入口直径均为1.5mm，出口直径分别为2mm、2.5mm、3mm。
2.进行喷头喷洒试验
在搭建的喷洒试验系统中进行喷洒试验。按照装备战技指标要求，分别设计喷洒距离测量、流量测量和喷射角测量试验，用于对比不同结构的喷头的喷洒性能，验证仿真结果的可靠性，检验新型喷头的战技指标。
喷洒试验系统在液体出口处使用工业管道模拟大空腔结构，代替源头封堵作业机大空腔，外接法兰盘，在法兰盘上开孔，安装试验用的喷头，可在法兰盘上开设多个孔用于对比多种喷头喷洒性能，不使用时采用堵头封堵孔口。
2.1不同结构尺寸喷头对比试验
将本发明的喷头以及现役喷头均安装在法兰盘上，上方为新型喷头，下方为现有喷头，进行喷洒试验，结果表明新型喷头的实喷效果均优于现役喷头。其中，出口直径2.5mm喷头，液体出射后分布不均匀，贴近锥角面处，液体量大，喷头轴向液体流量小；出口直径3mm喷头，液体出射后的分布较为分散，出射面分布不均匀；出口直径2mm的喷头，出射液体，在各方向分布均匀，有利于液体的扩散，实验结果与仿真结果一致。
2.2不同压力下喷洒距离测试
采用出口直径2mm喷头和现役喷头，分别在0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa下，测量喷射液体的距离。测量结果如表1所示：
表1距离测量结果
实验结果表明，新型喷头由于液体有效雾化、分散，在同样出口压力作用下，液体初速度大，喷射距离更远。
2.3不同压力下喷洒流量测试
采用出口直径2mm喷头和现役喷头，分别在0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa下，测量10s经喷头流出液量的量，计算喷射液体的流量。测量结果如表2所示：
表2流量测量结果
实验结果表明，新型喷头由于出口直径比现役喷头大，流量相比现役喷头大，对上述3个数据进行线性拟合，得到多项式拟合曲线，如图21所示。多项式拟合方程为：
Q＝1.116-4.8P+16.8P2
其中，Q为流量，L；P为供应压力，MPa。
经计算，P1＝4.17kPa时，Q1＝1.096L；P2＝5.55kPa时，Q2＝1.089L。按照作业机喷头环5环工360个数量，在总供应压力1.5MPa～2MPa条件下，总流量0～400L/min计算，新型喷头在实际使用中，需满足单个喷头流量0～1.11L/min要求，因此，流量测量结果达到战技指标要求。
2.4喷射角测量
采用比例计算方法，计算喷射角，如图22所示。
将液体喷射外形线条化，形成一个等腰三角形。采用测量工具量得：等腰三角形高为46.415，底边长46.179，斜边长53.774。采用高和底边长计算，得到斜边长为51.568，计算结果与图上测量结果误差为0.529％，测量结果在可接受范围内。
使用高和底边长，计算得到喷射出液体的角度为：
在仿真计算中，设定出液段的喷射角为90°，理论计算喷射出液体的角度为60°，因此测量结果与仿真结果的误差为11.79％。实验结果较好的验证了仿真结果。
三、试验结论
综合上述试验结果，可以获得以下结论：
(1)通过仿真计算结果是符合实际的，最终提出的采用入口直径1.5mm、出口直径2mm的新型喷头、出液段的喷射角为90°，其结构设计是优化的结果。
(2)按照(1)结构尺寸加工制作的新型喷头的供应压力、流量性能均达到了战技指标要求。
(3)喷头调节量由源头封堵作业机本身结构限制，与喷头结构性能无关，经对比现役喷头结构尺寸，只要新型喷头可以安装在源头封堵作业机喷头环上，认为达到了该指标要求。
(4)由于新型喷头雾化效果好，喷洒的液滴粒径比现役喷头喷洒的小，在源头封堵作业机风机作用下，其扩散距离将远远大于现役喷头扩散距离，因此送风距离将远大于50m。而现役喷头结构由于其喷射角非常小，结合仿真计算结果以及试验现象分析，可知现役喷头的雾化效果较差，喷射出的液体粒径较大，在风力作用下，其扩散距离受限。
实施例二
与实施例一的区别在于，将第一导流段的长度进行加长设计，参见图23和图24。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可自清洗喷头，其特征在于：包括依次连通的进液段(1)、导流段(2)以及出液段(3)；
所述进液段(1)远离导流段(2)的一端密封设置，进液段(1)侧壁上沿周向均匀开设有3～5个切向孔(4)作为液体入口；
所述导流段(2)的外壁上设置有螺纹(5)，导流段(2)包括相互连通的第一导流段(21)和第二导流段(22)；
所述出液段(3)包括相互连通的第一出液段(31)和第二出液段(32)；
所述第一导流段(21)与进液段(1)相连，第二导流段(22)与第一出液段(31)相连；
所述第二导流段(22)流道截面的面积由靠近第一导流段(21)的一端向靠近第一出液段(31)的一端逐渐减小；
所述第二出液段(32)流道截面的面积由靠近第一出液段(31)的一端向远离第一出液段(31)的一端逐渐扩大；
所述进液段(1)流道截面的面积与第一导流段(21)流道截面的面积相等；
所述第一导流段(21)流道截面的面积与第二导流段(22)流道截面的最大面积相等；
所述第二导流段(22)流道截面的最小面积与第一出液段(31)流道截面的面积相等；
所述第一出液段(31)流道截面的面积与第二出液段(32)流道截面的最小面积相等。
2.根据权利要求1所述的可自清洗喷头，其特征在于：
所述切向孔(4)的直径为1.3mm～1.7mm；
所述进液段(1)流道截面的直径为8.5mm～9.5mm；
所述第一出液段(31)流道截面的直径为1.8mm～2.2mm；
所述出液段(3)的喷射角为85°～95°。
3.根据权利要求2所述的可自清洗喷头，其特征在于：
所述切向孔(4)的直径为1.5mm；
所述进液段(1)流道截面的直径为9mm；
所述第一出液段(31)流道截面的直径为2mm；
所述出液段(3)的喷射角为90°。
4.根据权利要求1-3任一所述的可自清洗喷头，其特征在于：
所述切向孔(4)的数量为3个。
5.根据权利要求4所述的可自清洗喷头，其特征在于：该可自清洗喷头外壁上设置有凸台(6)，且所述凸台(6)靠近出液段(3)设置，凸台(6)与所述螺纹(5)之间存在间隙。
6.根据权利要求5所述的可自清洗喷头，其特征在于：
所述进液段(1)远离导流段(2)的一端采用堵头(7)进行密封，所述堵头(7)与可自清洗喷头的进液段(1)通过螺纹连接。
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