超声波喷嘴雾化性能影响因素的研究
2021-10-01
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20 doi:10.1 1832/j.issn.1000—4858.2016.1 1.004 液压与气动 2016年第11期 超声波喷嘴雾化性能影响因素的研究 沈政,孙中圣,李小宁 210094) (南京理工大学机械工程学院,江苏南京摘要:为研究新的雾化方式并将其应用于实际的油雾润滑系统中,针对流体动力式超声波喷嘴,设计 其雾化性能测试系统。通过测量喷嘴产生的油雾浓度和喷嘴的流量,研究喷嘴在不同进气压力、进出口压差 时的雾化性能。研究结果表明:随着喷嘴进气压力的增大,油雾浓度先增大后减小,喷嘴流量先增大后趋于 恒定,喷嘴的进口压力最佳值为0.5 MPa;增大喷嘴进出口压差可以明显地提高油雾浓度和喷嘴的流量,喷 嘴的雾化性能得到显著提升。 关键词:超声波喷嘴;油雾浓度;进气压力;进出口压差 中图分类号:TH138文献标志码:B文章编号:10004858(2016)1l-0020-04 Study on Influence Factors of Atomization Performance of Ultrasonic Atomizer SHEN Zheng,SUN Zhong—sheng,LI Xiao-ning (School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,Jiangsu 210094) Abstract:In order to study the new atomization method and apply it to practical mist lubrication system,the atomi— zation performance test system is designed for fluid dynamic ultrasonic atomizer.By measuring the oil mist density and flow rate under diff ̄ rent inlet air pressure and pressure difference between inlet and outlet.the atomization per formance of lfuid dynamic ultrasonic atomizer is studied.The results indicate:when the inlet pressure of air increa- ses,the oil mist density first increases then decreases and flow rate first increases then remains at a certain value. The optimum inlet pressure iS 0.5 MPa.0il mist density and flow rate increase with the increase of pressure differ. ence between inlet and outlet,and the atomization performance is enhanced significantly. Key words:ultrasonic atomizer,oil mist density,inlet air pressure,pressure difference between inlet and outlet 引言 作为雾化介质,在液体低流量和系统低耗能情况下,可 以实现液体的雾化,并且颗粒粒径较小,但其雾化液 体流量较小,并且作者也没有对油雾浓度大小进行研 究;LI Bo_6 通过数值仿真,揭示了流体动力式超声波 喷嘴内气体流动规律,得到喷气的马赫数影响激振的 振幅大小这一结论,但未研究气流特性对产生的超声 油雾润滑作为一种先进、高效微量的集中润滑方 式…,具有很高的润滑油利用率、较小的油雾颗粒等 优点,逐步被广泛应用于各类机械系统中 J。油雾润 滑系统的核心是油雾发生设备,它将润滑油雾化并注 入空气流中,随压缩空气流入需要润滑的部位,达到润 滑的目的_3 J。目前,雾化的方式较为单一,主要通过 高速气流引射冲击油液形成微小液滴来实现。因此, 探究新的雾化方式和装置,并将其应用于实际油雾润 滑系统中具有重要的意义 。 波频率的影响,此外,作者也没有研究喷嘴液体雾化情 况;张绍坤l 用水和重油作为雾化介质,从雾滴粒径 分布的角度,研究了在不同气体压力和液体压力情况 收稿日期:2016-07-25 基金项目:国家自然科学基金(51475242) 超声雾化技术的出现,使得国内外对各类型超声 波喷嘴的研究也相继涌现。J.M.Meachaml-5 使用压电 陶瓷换能器作为超声波发生器和微型机械的液体喷嘴 结构一起构成微型电声式超声波喷嘴,使用水和甲醇 作者简介:沈政(1990一),男,江苏宿迁人,硕士研究生,主要 从事气动技术与应用的研究工作。 2016年第1 1期 液压与气动 21 下喷嘴的雾化性能,但未从油雾浓度和喷嘴流量的角 度分析喷嘴的雾化性能。目前,对超声波喷嘴雾化性 能的研究大多从粒径分布和雾化角大小的角度来分 式中, 为角频率; 为油液表面张力系数;P 为气 体密度;P 为油液密度;A为表面波波长。 角频率 与超声波频率,之间关系为式(2): 析,很少有从油雾浓度和喷嘴流量的角度进行研究。 此外,将超声波喷嘴作为油雾发生器应用于实际润滑 工程中,需要雾化室装置,即喷嘴将油雾喷射于雾化室 中,然后经过管路传输到润滑部位 J。但是,以往研 究均是在喷嘴出口为开放状态,即大气压下进行,没有 在封闭的试验系统中研究喷嘴的雾化性能。 本研究针对流体动力式超声波喷嘴,设计其雾化 性能测试系统,从油雾浓度和喷嘴流量的角度,分别研 究喷嘴进气压力和进出口压差对流体动力式超声波喷 嘴雾化性能的影响。 1 流体动力式超声波喷嘴结构及雾化机理 流体动力式超声波喷嘴的结构和试验用喷嘴的尺 寸分别如图1、图2所示。 5 6 1.气流进口2.喷嘴体3.液体进口4.共振腔5.导流管6.出口 图l流体动力式超声波喷嘴结构示意图 图2流体动力式超声波喷嘴尺寸图 压缩气体从气流进口进入喷嘴内,经导流管内的 气道从出口处以高速气流喷出,射人共振腔内激振产 生超声波。油液从液体进口,经液体流道同时从出口 流出,流出的油液在高频超声波的作用下破碎雾化,与 气流一起以油雾状态喷出。 超声波雾化的机理目前主要为表面张力波理 论 ],即液体表面在超声波的激振下产生振动时,液 体的表面张力为阻止这种振动而产生的波,当这种张 力波的振幅大到某一临界值时,液滴就会破碎雾化。 表面波在传播时遵循如式(1)所示的关系式: 2:P +pb(\A, ) (1) =2 (2) 将式(2)带人式(1)中,并考虑气体的密度远小于 油液的密度,所以空气密度可以忽略,得到如式(3)所 示的表面波波长与超声波频率的关系式: A=(筹) (3) 式中,A为表面波波长;f为超声波频率。 液体表面波的稳定性由表面波的波长和增长率共 同决定,波长亦受油液的表面张力系数 和超声波频 率.厂的影响。由色散方程理论 。。可知,超声波频率越 高,液体表面的稳定性越弱,油液越易破碎。 当流体动力式超声波喷嘴结构尺寸已定时,喷嘴 进气压力、喷嘴进出口压差等因素决定其共振腔产生 的超声波频率,,进而影响喷嘴的雾化性能。因此分别 研究了喷嘴进气压力和进出口压差对流体动力式超声 波喷嘴雾化性能的影响。 2测试系统 为分析影响超声波喷嘴雾化性能的因素,设计的喷 嘴雾化性能测试系统如图3所示,实物图如图4所示。 一 一 一、 I巫 lV 1.气源2、15.微雾分离器3、4.减压阀 5.供油箱6、13、16.流量传感器7、11、17、19.节流阀 8.超声波喷嘴9、12.压力传感器10.雾化室14.油雾过滤器 18.消音器2O.气球21.粉尘测定仪22.上位机 图3超声波喷嘴雾化性能测试回路原理图 为消除气源压缩空气中已有油雾对试验的影响, 进入系统的气体首先经过微雾分离器分离油雾。减压 阀3调节系统和超声波喷嘴进气压力。试验油雾需经 过油雾过滤器和微雾分离器分离后,经由消音器才可 排向大气,以免造成环境污染。通过压力传感器测量 超声波喷嘴进气和出口压力,由上位机进行数据采集。 供油系统通过压缩空气将供油箱中的油液压出,进入 超声波喷嘴的油液进口,其压力由减压阀4调节控制, 流量由节流阀7控制。使用TSI8532型粉尘测定仪测 量油雾浓度,但是由于其测试环境要求为大气压状态。 22 微雾分离器减压阀节流阀 液压与气动 2016年第1 1期 为降低流量传感器精度对测量结果的影响,试验 用流量传感器6和13、16分别为精度较高的ALICAT 数字式流量传感器和PF2A系列流量传感器。在试验 前,使用高精度、量程为0~500 slpm的ALICAT M系 列流量传感器对这3个流量传感器进行误差标定,从 而消除3个流量传感器之间测量误差对测量结果的 影响。 通过减压阀3调节其出口压力为不同值,即超声 波喷嘴进气压力为不同值,可获得油雾浓度与超声波 喷嘴进气压力P 的关系。调节减压阀3的出口压力 a)试验台左部分 油雾过滤器 流量传感器微雾分离器消音器 为定值时,通过调节节流阀17控制雾化室出口位置压 力为不同值时,即可得到油雾浓度与进出口压差△p 的关系。试验采用透平油ISO 46#作为雾化介质,其运 动黏度为46 mm /s(40℃),试验油液压力和流量分 别设定为0.1 MPa和0.3 lMmin。 本研究通过测量粒径在10 m以下的油雾浓度D 以及喷嘴流量Q 来分析流体动力式超声波喷嘴在不同 进气压力、进出口压差条件下的雾化性能,即D—p 、 b)试验台右部分 D—ap关系曲线。 3试验结果及分析 3.1 雾化性能与喷嘴进气压力的关系 油雾浓度和喷嘴流量与超声波喷嘴进气压力的关 系曲线如图5所示。可以看出,随着喷嘴进气压力的增 大,油雾浓度先增大,达到一个峰值后又减小。进气压 c)雾化室实物图 d)雾化量出13处 力从0.25 MPa增长到0.5 MPa,油雾浓度从66 mg/m 增加到最大值148 mg/m ,并且二者成近似线性关系, 同时流量从120 L/min增加到205 lMmin;当进气压力 从0.5 MPa继续增大到0.55 MPa时,油雾浓度反而下 降到131 mg/m ,并且喷嘴流量不再增加。 图4测试系统实物图 因此,在主回路连接采样测量支路,经过气球转换为大 气压。气球可以通过其膨胀的状态来判断其中油雾的 压力,通过节流阀19调节进入气球的气体流量来控制 气球的膨胀状态,从而达到大气压状态。此外,粉尘测 定仪的量程为0~150 mg/m ,超声波喷嘴产生的油雾 浓度会超出其测量范围。所以,并联一路洁净空气,用 于稀释超声波喷嘴产生的大浓度油雾,在粉尘测定仪 的量程内测量其油雾浓度。通过流量传感器6测量洁 净空气流量、传感器13测量喷嘴产生油雾的总流量和 传感器16测量经过过滤后气体的流量,并根据测量稀 释后的油雾浓度值,换算得到超声波喷嘴产生的油雾 浓度值。喷嘴产生的油雾浓度D可用式(4)表示: D=(Q 一Q +Q )D./(Q 一Q ) (4) 图5油雾浓度、喷嘴流量与喷嘴进气压力关系曲线 式中,Q 为喷嘴产生油雾的总流量;Q 为过滤后气 体的流量;Q..为洁净空气流量;D 为粉尘测定仪测 量值。 为使流体动力式超声波喷嘴达到最佳雾化效果, 其产生的超声波频率 必须在一定范围内。频率过 2016年第1 1期 液压与气动 23 小,油液表面波的振幅小,无法达到临界值而使液滴脱 离液面雾化;频率过大,油液表面不是以微小雾滴喷 出,而是整个液面会被撕裂,以体积和质量较大的块状 液体流出,雾化效果低下。当喷嘴结构不变时,超声波 频率由喷嘴的进气压力决定,随着进气压力从 0.25 MPa增大到0.5 MPa,共振腔内产生超声波的频 率也逐渐升高,有利于油液的雾化,油雾浓度升高;当 进气压力超过0.5 MPa,超声波频率过大,油液表面直 接被撕裂成块状而非雾状,油雾浓度降低,流量达到最 大值。因此,超声波喷嘴雾化油液存在一个最佳的雾 化频率,即进气压力存在一个最佳的值。这与试验得 到0.5 MPa为最佳进气压力的结果保持一致。 3.2 雾化性能与喷嘴进出口压差的关系 喷嘴进气压力为0.4 MPa时,油雾浓度和喷嘴流 量与超声波喷嘴进出口压差的关系曲线如图6所示, 可以看出随着超声波喷嘴进出口压差的增大,油雾浓度 和喷嘴流量增大,喷嘴进出口压差从0.3 MPa增大到 0.38 MPa时,油雾浓度从42 mg/m 增加到127 mg/m , 雾化效果提升3倍,且近似成线性关系;同时喷嘴流量 从90 L/min增加到195 L/min,流量增大2倍。可见 流体动力式超声波喷嘴的进出口压差对其雾化性能的 影响较大。 0.29 0.30 0.3 1 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 P /MPa 图6油雾浓度、喷嘴流量与进出口压差关系曲线 4结论 (1)设计了流体动力式超声波喷嘴的雾化性能测 试系统,能够测试进气压力、进出口压差等因素对超声 波喷嘴雾化性能的影响; (2)在不同条件下,对流体动力式超声波喷嘴的 雾化性能进行了试验研究。结果表明:油雾浓度随着喷 嘴进气压力的增大先近似线性的增大,达到峰值后,进 气压力继续增大时,油雾浓度减小,同时喷嘴的流量先 明显增大后趋于恒定,喷嘴的进气压力存在最佳值;喷 嘴进气压力为定值时,随着进出口压差的增大,油雾浓 度和流量都显著增加,喷嘴的雾化|眭能得到明显提升。 参考文献: [1] Ehlert D.Consider Closed.1oop Oil.mist Lubrication[J]. 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