CN110836766A - 一种双流体喷嘴的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双流体喷嘴的检测装置及检测方法，装置包括圆柱状的壳体，壳体的上端通过法兰与整流板固定连接，壳体的下端通过法兰与循环水槽固定连接，循环水槽的上端侧壁上开孔通过气体流量计与引风机连接形成排气通道，循环水槽的下端侧壁上开孔通过循环水流量计与循环水泵的入口连接形成循环水通道。高于或低于壳体内部温度的水在压缩空气作用下从双流体喷嘴喷出，对壳体内部进行加热或冷却，布置于测试点的热电偶阵列通过检测内部温度的变化间接测量喷嘴的雾化效果及喷射流体的空间分布情况。相比传统的PIV检测方法，本发明具有结构简单、易于操作、成本低廉的优点，对双流体喷嘴雾化效果的在线监测具有重要意义。

Description

一种双流体喷嘴的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及喷嘴雾化检测技术领域，具体涉及一种双流体喷嘴的检测装置及检测方法。

背景技术

在船舶、汽车等交通运输领域，由于NOx排放所造成的大气污染日益引起人们的关注。为了减小NOx的排放，以选择性催化还原(SCR)为代表的后处理技术应运而生，成为目前主流的NOx减排技术。

SCR技术的基本原理是通过向烟气中注入还原剂，通常为NH₃,选择性的与NOx发生反应，生成N₂和水，从而避免NOx对大气的污染。考虑到NH₃在船舶、汽车中储存不便，实际中往往采用尿素水溶液来代替NH₃作为还原剂。因而，注入的尿素水溶液分布均匀与否对系统的整体性能和耐久性有重要的影响，若尿素水溶液分布不均，会导致局部区域尿素过多造成氨逃逸，而在另一些尿素浓度低的区域造成NOx转化效率降低。另外，分布不均匀的尿素液滴会造成烟气管路中局部温度过低，尿素容易形成结晶沉积在排烟管路内部，减小排烟管路直径，影响发动机性能。因此对尿素水溶液的雾化效果进行检测，以便有针对性调控对于SCR技术在船舶、汽车领域的成功应用尤为重要。目前尿素水溶液的雾化通常采用双流体喷嘴，该喷嘴通过高压气体的作用，将水溶液打碎为细小的颗粒，相比高压单相流喷嘴，具有结构简单、工作参数低、安全节能等优点。对于喷嘴的雾化效果检测，在实验室通常采用粒子图像测速法(PIV)，该方法通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接的测量流场的瞬态速度分布。这种方法虽然精度较高，但是设备精密昂贵，数据处理复杂，不适合工业现场环境下喷嘴雾化效果的快速鉴定，因此，设计一种操作简单、成本低廉、适用工业应用的喷嘴检测装置成为行业亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种双流体喷嘴的检测装置及检测方法，解决了现有的检测装置精密昂贵，数据处理复杂，不适合工业现场环境下喷嘴雾化效果的快速鉴定的问题。本发明能够间接测量喷嘴的雾化效果及喷射流体的空间分布情况，而且装置结构简单、易于操作、成本低廉，适用范围广。

技术方案：本发明一种双流体喷嘴的检测装置，包括圆柱状的壳体，所述壳体的上端通过法兰与整流板固定连接，壳体的下端通过法兰与循环水槽固定连接，所述循环水槽的上端侧壁上开孔通过气体流量计与引风机连接形成排气通道，循环水槽的下端侧壁上开孔通过循环水流量计与循环水泵的入口连接形成循环水通道，所述循环水泵的入口还通过恒温水流量计与恒温水箱连接形成恒温水通道，所述循环水泵的出口与双流体喷嘴的液体入口相通，所述双流体喷嘴固定安装在位于整流板下方的壳体侧壁上且双流体喷嘴的喷嘴位于壳体的内部，双流体喷嘴的气体入口通过压缩空气流量计和减压阀与压缩空气瓶连接形成压缩空气通道，所述壳体的外表面固定安装有升降机构，所述升降机构上垂直插设有热电偶阵列且所述热电偶阵列的一端位于壳体的内部，所述热电偶阵列与数据采集模块电连接，所述数据采集模块与数据处理模块电连接，数据处理模块用于对温度信号进行存储和显示。

进一步的，所述循环水槽上安装有循环水槽热电偶，所述恒温水箱上安装有恒温水箱热电偶，所述恒温水箱热电偶和循环水槽热电偶均与数据采集模块电连接。

进一步的，所述升降机构由四节非等长的套管构成且相邻的套管之间通过卡接方式连接，升降机构沿轴线方向自上而下套管直径不断减小，升降机构的最上端套管和最下端套管固定安装在壳体的外表面上且采用O型密封圈密封套管与壳体之间的间隙，升降机构的中间两节套管可上下自由移动且中间两节套管其中一节套管沿轴线方向设有热电偶阵列孔和定位销孔，所述热电偶阵列孔向外固定焊接有细管，所述细管内安装有橡皮塞。

进一步的，所述热电偶阵列孔包括多个沿套管周向环形阵列设置的第一通孔；所述定位销孔为螺纹孔，所述螺纹孔沿套管周向对称设有两个。

进一步的，所述壳体的外表面沿轴线方向等距离设有多排排孔，每排排孔包括多个沿壳体周向环形阵列设置的第二通孔，每排排孔中的第二通孔均可与套管上的第一通孔相对应，相邻排孔之间的轴向孔距等于升降机构中定位销孔与热电偶阵列孔之间的轴向距离。最上方排孔若用作测试孔，中间多个排孔既作为定位孔也作为测试孔，最下方排孔用作定位孔，此时套管上热电偶阵列孔在上，定位销孔在下；若套管上热电偶阵列孔在下，而定位销孔在上，则壳体最上方排孔用作定位孔，中间多个排孔既做定位孔也作为测试孔，最下方排孔用作测试孔。

进一步的，所述整流板由透明材料制成，整流板上设有多个第三通孔，整流板的开孔率为30～60％，整流板的表面刻有三个以整流板中心为圆心的同心圆参照线，所述三个同心圆参照线的直径分别为壳体内径的75％、50％及25％。整流板通过法兰固定于壳体的上端，空气从整流板进入壳体的内部，形成稳定气流流场。

进一步的，所述数据采集模块的型号为BD4241,数据处理模块为计算机。

进一步的，所述循环水槽与恒温水箱分别通过循环水流量计和恒温水流量计调节水量，进行混合保持水温恒定，再连接至双流体喷嘴的液体入口。

进一步的，所述热电偶阵列包括多个环形阵列设置的热电偶，热电偶阵列中的热电偶与热电偶阵列孔中的第一通孔一一对应。

本发明还提供一种双流体喷嘴的检测方法，包括以下步骤：

(1)打开引风机，保持风量一定，等待壳体内的气流流场稳定；

(2)打开恒温水箱和压缩空气瓶，由压缩空气瓶内的压缩空气引射液体进行喷射；

(3)调节循环水流量计和恒温水流量计使得混合水温度恒定；

(4)待喷射稳定后，热电偶阵列对壳体内部多个位置的温度进行测量得到多组温度数据，数据采集模块对多组温度数据进行采集并传输给数据处理模块；

(5)多组温度数据进入数据处理模块，数据处理模块根据多组温度数据绘制出壳体内部横截面和轴向截面的温度云图，此温度云图即代表双流体喷嘴所喷射流体的空间分布情况。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

针对SCR系统中还原剂喷射分布不均问题，本发明利用高温水或低温水进行喷射分布模拟，成本低廉，易于操作，为改进喷嘴的喷射效果提供了基础。通过热电偶阵列测量壳体内温度场以此间接反映喷射流体的分布情况，对喷嘴喷射效果的检测以及喷射后流体分布的在线监测具有重要意义。

附图说明

图1为本发明双流体喷嘴的检测装置结构示意图；

图2为整流板结构示意图；

图3为升降机构与壳体安装示意图；

图4为升降机构展开示意图；

图5为壳体外表面的排孔示意图；

图6为热电偶阵列径向截面实测点分布图；

图7为轴向温度分布云图；

图8是横截面温度分布云图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明一种双流体喷嘴的检测装置，包括圆柱状的壳体1，壳体1选用直径20cm的有机玻璃，壳体1的上端通过法兰与整流板2固定连接，空气从整流板2进入壳体1的内部，形成稳定气流流场，壳体1的下端通过法兰与循环水槽3固定连接，循环水槽3的上端侧壁上开孔通过气体流量计4与引风机5连接形成排气通道，引风机5选用离心式风机，流量为75m³/h，引入空气温度为298K，循环水槽3的下端侧壁上开孔通过循环水流量计6与循环水泵7的入口连接形成循环水通道，循环水泵7的入口还通过恒温水流量计8与恒温水箱9连接形成恒温水通道，恒温水箱9的容积为600mm×300mm×210mm，加热功率为1800W，循环水泵7的出口与双流体喷嘴10的液体入口相通，循环水槽3与恒温水箱9分别通过循环水流量计6和恒温水流量计8调节水量，进行混合，使得连接双流体喷嘴10的液体入口的混合水温度保持不变，保证喷嘴喷射的流体温度恒定；

双流体喷嘴10固定安装在位于整流板2下方的壳体1侧壁上且双流体喷嘴10的喷嘴位于壳体1的内部，双流体喷嘴10的气体入口通过压缩空气流量计11和减压阀12与40L的压缩空气瓶13连接形成压缩空气通道，壳体1的外表面固定安装有升降机构14，升降机构14上垂直插设有热电偶阵列15且热电偶阵列15的一端位于壳体1的内部，热电偶阵列15与数据采集模块16电连接，数据采集模块16与数据处理模块17电连接，数据处理模块17用于对温度信号进行存储和显示；

循环水槽3上安装有循环水槽热电偶18，恒温水箱9上安装有恒温水箱热电偶19，恒温水箱热电偶19和循环水槽热电偶18均与数据采集模块16电连接，数据采集模块16的型号为BD4241,数据处理模块17为计算机；

如图2所示，其中整流板2由有机玻璃、塑料等透明材料制成，整流板2上设有多个第三通孔21，整流板2的开孔率为50％，整流板2的表面刻有三个以整流板2中心为圆心的同心圆参照线22，三个同心圆参照线22的直径分别为壳体1内径的75％、50％及25％，整流板2在外缘周向等角度开有四个圆孔23，用于与法兰孔对接固定，空气从整流板2进入壳体1的内部，形成稳定气流流场；

如图3和图4所示，升降机构14由四节非等长的套管构成且相邻的套管之间通过卡接方式连接，升降机构14沿轴线方向自上而下套管直径不断减小，升降机构14的最上端套管和最下端套管固定安装在壳体1的外表面上，最上端和最下端两根套管外缘制有凹槽，凹槽内安装O型密封圈141，采用O型密封圈141密封套管与壳体1之间的间隙，保证装置的密封性；

升降机构14的中间两节套管可上下自由移动且中间两节套管其中一节套管沿轴线方向设有热电偶阵列孔142和定位销孔143，热电偶阵列孔142包括8个沿套管周向环形阵列设置的第一通孔，热电偶阵列15包括8个环形阵列设置的热电偶，热电偶阵列15中的热电偶与热电偶阵列孔142中的第一通孔一一对应，热电偶阵列孔142向外固定焊接有细管，细管内安装有橡皮塞，橡皮塞用于热电偶与细管之间密封，多次使用热电偶后，需要更换橡皮塞；定位销孔143为螺纹孔，螺纹孔沿套管周向对称设有两个，定位销孔143内安装有定位销，通过螺纹实现进出和密封；

如图5所示，壳体1的外表面沿轴线方向等距离设有9排排孔，每排排孔包括8个沿壳体1周向环形阵列设置的第二通孔144，构成72个孔，且孔径相同，每排排孔中的第二通孔144均可与套管上的第一通孔相对应，相邻排孔之间的轴向孔距等于升降机构中定位销孔143与热电偶阵列孔142之间的轴向距离；最上方排孔为热电偶测试孔，中间7排孔既作为定位孔也作为热电偶测试孔，最下方排孔用作定位孔，此时套管上热电偶阵列孔在上，定位销孔在下；

本发明还提供一种双流体喷嘴的检测方法，包括以下步骤：

(1)装置装配完成后，打开引风机5，保持风量一定，空气从整流板2进入，等待壳体1内的气流流场稳定；

(2)打开恒温水箱9和压缩空气瓶13，调节减压阀12使压缩空气瓶13出口压力为0.6MPa，并且使恒温水箱热电偶19测试温度保持在363K，记为T1，由压缩空气瓶13内的压缩空气引射液体进行喷射；

(3)恒温水箱9内的水与循环水槽3中的水混合，观察循环水槽热电偶18的测试温度，记为T2，通过不断调节循环水流量计6和恒温水流量计8来改变循环水与恒温水的流量比，使得进入双流体喷嘴10液体入口的混合水温度保持恒定，记为T3；记循环水流量计6流量为Q1，恒温水流量计8流量为Q2，

由流体焓值计算公式

ΔH＝C_pQ_mΔT (1)

式中ΔH为流体的焓值变化，C_p为流体的定压比热，Q_m为流体的质量流量，ΔT为相对基准值的温差。若Q1,Q2为分别为循环水，恒温水的质量流量；T3，T1,T2均以0℃为基准温度，则T3，T1,T2,Q1,Q2满足等式：

T3·(Q1+Q2)＝T1·Q1+T2·Q2 (2)

保证双流体喷嘴10液体入口的混合水温度为353K；

(4)待喷射稳定后，将升降机构14的定位销孔143内安装定位销，且定位销插入第二排排孔内，将热电偶阵列15中的8个环形阵列设置的热电偶从热电偶阵列孔142中8个第一通孔插入，经过第一排排孔内的8个沿壳体1周向环形阵列设置的第二通孔144，伸入壳体1内部进行测试，测试位置的分布图，如图6所示，热电偶阵列15的插入深度可以从上方通过整流板2观测，整流板2表面的三个同心圆参照线22分别对应热电偶位置为壳体1内径的25％、50％与75％；第一排三个位置全部测试完成后，拉出热电偶阵列15和定位销，将套管向下移动至第二排测试孔，固定好定位销，插入热电偶阵列15进行测试，重复上述操作，获得8×8×3，共192个测点的温度数据；数据采集模块16型号BD4241对192个测点的温度数据进行采集并传输给数据处理模块17，数据处理模块17为计算机；

(5)192个测点的温度数据进入数据处理模块17，数据处理模块17根据192个测点的温度数据，利用Matlab软件绘制出壳体1内部横截面和轴向截面的温度云图，如图7和图8所示，图7为轴向温度分布云图，呈现锥形，轴向位置0cm处为喷嘴位置，温度的分布即代表了液滴分布的情况，图8为横截面温度分布云图，两组温度云图即代表双流体喷嘴所喷射流体的空间分布情况。

针对SCR系统中还原剂喷射分布不均问题，本发明利用高温水或低温水进行喷射分布模拟，成本低廉，易于操作，为改进喷嘴的喷射效果提供了基础。通过热电偶阵列测量壳体内温度场以此间接反映喷射流体的分布情况，对喷嘴喷射效果的检测以及喷射后流体分布的在线监测具有重要意义。

Claims (10)

1.一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：包括圆柱状的壳体，所述壳体的上端通过法兰与整流板固定连接，壳体的下端通过法兰与循环水槽固定连接，所述循环水槽的上端侧壁上开孔通过气体流量计与引风机连接形成排气通道，循环水槽的下端侧壁上开孔通过循环水流量计与循环水泵的入口连接形成循环水通道，所述循环水泵的入口还通过恒温水流量计与恒温水箱连接形成恒温水通道，所述循环水泵的出口与双流体喷嘴的液体入口相通，所述双流体喷嘴固定安装在位于整流板下方的壳体侧壁上且双流体喷嘴的喷嘴位于壳体的内部，双流体喷嘴的气体入口通过压缩空气流量计和减压阀与压缩空气瓶连接形成压缩空气通道，所述壳体的外表面固定安装有升降机构，所述升降机构上垂直插设有热电偶阵列且所述热电偶阵列的一端位于壳体的内部，所述热电偶阵列与数据采集模块电连接，所述数据采集模块与数据处理模块电连接，数据处理模块用于对温度信号进行存储和显示。

2.根据权利要求1所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述循环水槽上安装有循环水槽热电偶，所述恒温水箱上安装有恒温水箱热电偶，所述恒温水箱热电偶和循环水槽热电偶均与数据采集模块电连接。

3.根据权利要求1所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述升降机构由四节非等长的套管构成且相邻的套管之间通过卡接方式连接，升降机构沿轴线方向自上而下套管直径不断减小，升降机构的最上端套管和最下端套管固定安装在壳体的外表面上且采用O型密封圈密封套管与壳体之间的间隙，升降机构的中间两节套管可上下自由移动且中间两节套管其中一节套管沿轴线方向设有热电偶阵列孔和定位销孔，所述热电偶阵列孔向外固定焊接有细管，所述细管内安装有橡皮塞。

4.根据权利要求3所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述热电偶阵列孔包括多个沿套管周向环形阵列设置的第一通孔；所述定位销孔为螺纹孔，所述螺纹孔沿套管周向对称设有两个。

5.根据权利要求4所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述壳体的外表面沿轴线方向等距离设有多排排孔，每排排孔包括多个沿壳体周向环形阵列设置的第二通孔，每排排孔中的第二通孔均可与套管上的第一通孔相对应，相邻排孔之间的轴向孔距等于升降机构中定位销孔与热电偶阵列孔之间的轴向距离。

6.根据权利要求1所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述整流板由透明材料制成，整流板上设有多个第三通孔，整流板的开孔率为30～60％，整流板的表面刻有三个以整流板中心为圆心的同心圆参照线，所述三个同心圆参照线的直径分别为壳体内径的75％、50％及25％。

7.根据权利要求6所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述数据采集模块的型号为BD4241,数据处理模块为计算机。

8.根据权利要求1所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述循环水槽与恒温水箱分别通过循环水流量计和恒温水流量计调节水量，进行混合保持水温恒定，再连接至双流体喷嘴的液体入口。

9.根据权利要求4所述的一种双流体喷嘴的检测装置，其特征在于：所述热电偶阵列包括多个环形阵列设置的热电偶，热电偶阵列中的热电偶与热电偶阵列孔中的第一通孔一一对应。

10.一种双流体喷嘴的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)打开引风机，保持风量一定，等待壳体内的气流流场稳定；

(2)打开恒温水箱和压缩空气瓶，由压缩空气瓶内的压缩空气引射液体进行喷射；

(3)调节循环水流量计和恒温水流量计使得混合水温度恒定；

(4)待喷射稳定后，热电偶阵列对壳体内部多个位置的温度进行测量得到多组温度数据，数据采集模块对多组温度数据进行采集并传输给数据处理模块；

(5)多组温度数据进入数据处理模块，数据处理模块根据多组温度数据绘制出壳体内部横截面和轴向截面的温度云图，此温度云图即代表双流体喷嘴所喷射流体的空间分布情况。

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