于震 赵祥迪 郭建章 袁纪武

(1.青岛科技大学机电工程学院 山东青岛 266061；2.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院 山东青岛 266071)

0 引言

文丘里洗涤器是一种吸收工业生产中排放的颗粒物质和有害气体的装置[1]，其吸收机理为短时间内气相与液相在文丘里洗涤器内互相接触去除高速气流中的亚微米颗粒和气态污染物[2]。相比其他洗涤器而言，文丘里具有结构简单、无旋转部件、操作成本低、能在高温下工作等特点。根据注入方式的不同，文丘里可分为外喷式和自吸式2种。自吸式相比于外喷式减少了外加动力源，具有明显优势。国内外学者在自吸式文丘里应用上进行了多方面研究。BAL M等[3]等进行了NaOH溶液作为洗涤液在自吸式文丘里洗涤器中除去HCl气体的实验研究，在文丘里浸没的情况下开发了一个经验模型，经过多次实验验证HCl去除率能达到92.54%；GOEL P等[4]在欧拉-拉格朗日框架下进行了自吸式文丘里洗涤器脱碘的三维流体动力学数值模拟，碘的保留量由Steinberg和Treybal给出的气体传递系数计算，研究表明文丘里洗涤器脱碘效率随着空气流速的增加而增加；AHMED S等[5]基于自吸式文丘里将尺寸为1 μm的氧化钛(TiO2)颗粒作为灰尘颗粒进行了洗涤器内粉尘去除效率的模拟研究，对文丘里洗涤器入口处的两个不同空气速度值计算了除尘效率模拟，在运用CAB模型进行水分解的条件下，模拟结果与实验结果高度吻合。

文丘里洗涤器广泛应用于各行业，但由于自吸式文丘里中液体流量的不可控制性，自吸式文丘里洗涤装置的研究相对较少，这使得自吸式文丘里洗涤效率的研究具有重大意义。LEE J等[6]主要对过滤式安全壳通风系统(FCVS)中自吸式文丘里做了气溶胶洗涤效率的研究，实验研究表明自吸式文丘里中气溶胶洗涤效率与气溶胶尺寸、蒸汽质量分数、文丘里浸没深度等有关；周艳民等[7]认为自吸式文丘里装置的引射量主要取决于吸液口两侧静压差、截面积、高度差以及液体在流动通道内的阻力系数。

喉部静压差和喉部间距是影响文丘里引射量的重要参数，国内外关于两者对文丘里引射量的具体机制的研究相对较少。为进一步提高自吸式文丘里洗涤器引射效率，使其充分应用于工业除尘和危化品洗消等领域。本文在前期研究[8-9]的基础上以自吸式文丘里为研究对象，通过实验研究喉部间距和喉部静压差对自吸式洗涤器引射量、分散特征的影响规律，为自吸式文丘里洗涤器结构设计、引射效率评估及优化提供支持。

1 理论推导

为研究自吸式文丘里中引射量、分散特征的内在规律，首先考虑建立其理论模型，并推导关键参数。当文丘里喷射系数f>0.5时，自由流束长度Lc[10]：

(1)

式中，Lc为自由流束最佳长度，mm；f为喷射系数，本文为具体文丘里最佳液气比，即f=D，D为液气比；d1为喷嘴出口直径，mm。图1为喷嘴出口流体流动状态示意图。

图1 喷嘴出口流体流动状态示意

流体射流稳定截面直径d4:

d4=1.55d1(1+D)

(2)

从截面1到截面4过程中d1相对Lc变化为线性规律，在l处截面2直径d2为

(3)

d2对应的l为最佳喉部间距，喉部间距大于l时，气液接触面积减小，气体带液量减少，整理式(1)、式(2)、式(3)可得最佳喉部间距：

(4)

在自吸式文丘里洗涤器实验过程中，液体在风机的作用下自吸入文丘里管，该过程发生在环隙宽度为△的同心圆环中，圆环上端为渐扩管，下端为圆管，1-2两文丘里圆环之间伯努利方程

(5)

如图2，P1，P0分别为1处和2处的静压力，P0为大气压，Pa；v1和v2分别为两处的液相流速，m/s；H1，H2分别为1,2两处相对基准面的高度，m；△Pf为流动过程中的阻力损失，Pa，则1，2两处静压差△P=P0-P1，P1处压力为负值，△H=H1-H2为1，2处高度差，m。

图2 自吸式文丘里洗涤器原理

由1-2连续性方程，引射液体质量流量可表示为

M=ρv1A1=ρv2A2

(6)

式中，M为引射液体质量流量；ρ为液相密度；A1，A2为1，2两处环形吸液间隙截面积；v1和v2分别为1，2两处的液相流速。

阻力损失△Pf[11]：

(7)

式中，△Pf为阻力损失，D为液气比，ρ为喉部气体密度，v为喉部气速。

在1处气液两相速度趋于一致，将式(6)、式(7)代入式(5)可得引射量关系式：

(8)

可以看出，自吸式洗涤器的引射量与喉部相对静压值△P、高度差△H与文丘里液气比有关，文丘里最佳喉部间距与液气比有关。

2 实验装置和实验方法

为验证上述理论的正确性，建立实验装置，如图3。文丘里洗涤器由外套管和喷管组成。外套管按文丘里管设计，组成部分为收缩段、喉管和扩散段。喷管由进气段和喷嘴组成。空气由气泵沿进气管通入，在喷嘴处空气流通面积减小，空气流速最大，压力值由正变为负。在储液仓中水的压差作用下通过外套与喷管间的环形孔隙被吸入文丘里，高速运动的气液混合液通过喉管和扩散段进入液气分离器。

图3 实验装置示意

实验过程中通过改变气泵频率调整相应引射量，气泵频率分别为15，20，25，30，35，40，45 Hz和50 Hz，实验中喉部气速分别为38.5，47.8，54.6，66，75，85.5 m/s和95 m/s。

设计了A，B，C三种不同类型文丘里管，图4为文丘里结构示意图，表1为文丘里洗涤器结构具体参数，3种文丘里洗涤器区别为喉间距不同，分别为0，13，23 mm。实验开始先选定一种文丘里，△H(高度差)为储液仓液面与喉管入口处的距离，分别为0，30，70，100，130，160，180 mm 7种情况，使△H不变依次改变气泵频率，记录液气引射量。实验过程中喉部静压差主要通过U型管压差计记录、进出口气速由风速计测量，利用Sony -HDR PJ 820e拍摄出口处气液分布特征，液体流量由质量流量计测量。

表1 自吸式洗涤器结构参数对照

图4 自吸式文丘里结构示意

3 实验结果分析及讨论

3.1 文丘里出口处流体分布特征

图5为A型文丘里喉部压差588～1 895 Pa，喉部气速逐渐增大时出口处液体分布情况，喉部压差增大，引射流体运动状态由平缓趋于混乱。液滴直径随静压差增大而变大，喉部压差588～1 176 Pa时液滴平均直径为0.2 mm左右；压差1 565～1 895时，液体随气速增大湍动更剧烈，液滴平均直径大于1 mm；静压差大于1 895 Pa后，气体带液能力增强，相同条件下带液量变大，液滴直径变大，同时存在少量直径较小的液滴；喉部静压继续增大，文丘里自吸能力进一步增强，此时液滴直径持续增大，大多数液滴以液膜状态存在，有液膜倒流进入文丘里的情况。这说明文丘里喉管中心与其面明显存在压力差，主要由于压差增大时流体在壁面附近的黏滞作用增强，部分动能转化为静压能。负压增大后液相流量增加，当文丘里出口压力保持不变时，气液两相摩擦阻力增加；另一方面液相在间隙处与高速气流接触，被气流瞬间加速，根据动量守恒原理，气流速度降低，这导致了气液交界面局部静压的突增，液相湍流度高，这种规律与文献[7]中的结论一致。与文丘里喉部压差的变化、内壁粗糙度和其自身结构相关。

(a)588 Pa (b)882 Pa (c)1 176 Pa (d)1 565 Pa (e)1 895 Pa图5 A型文丘里△H=30 mm不同喉部压差出口处液滴分布

图6为高度差△H=0，喉部压差1 895 Pa时，3种文丘里出口处气液混合流体扩散情况。A型文丘里液体喷出时，沿扩散管出口形成大片液膜，小液滴极少。许多流体没有直接喷射，沿文丘里扩散段边缘溢流出。B型文丘里出口处液膜现象依然存在，沿出口边缘溢流的液体变少，液滴直径变小。C型文丘里比两者理想，喷出口基本无液膜粘连现象，绝大部分液体随自吸气体竖直向上喷出，流动较稳定。

(a)A型 (b)B型 (c) C型图6 △H=0 mm，喉部压差1 895 Pa时文丘里出口处液滴分布

3.2 喉部静压差对引射量的影响

喉部静压差是液体进入文丘里洗涤器的直接动力，喉部产生负压的主要原因除了气流在喷嘴出口处膨胀特性之外，还涉及了气液两相的相互作用。喉部气速与液面高度差△H共同作用影响喉部静压差，根据能量守恒定律，引射气体需要克服重力和文丘里内部阻力将气液混合流体引射出。图7为A,B,C型文丘里喉部静压差与喉部气速的关系，喉部气速为47.8～66 m/s，高度差△H=160～180 mm时，喉部静压差变化不大，此时喉部气速偏小高度差△H较大，相同情况下气体需要克服重力和阻力做功增多，文丘里管壁阻力和高度差△H成为影响喉部静压差的主导因素；喉部气速继续增大，喉部气速大于66 m/s时不同高度差△H下的静压差变化明显，喉部静压差随△H增大而变大，此时气体流速大，更易克服阻力和重力做功，高度差△H和喉部气速成为影响静压差的主要因素。

图7 3种文丘里喉部静压差与喉部气速关系

△H=160 mm，喉部气速47.8 m/s时，A，B，C文丘里喉部静压差分别为500 ，630，1 000 Pa。喉部气速较小时，喉间距变大相当于增加高度差△H，此时管壁阻力和高度差△H成为影响喉部静压差的主导因素，气速较低时，喉部间距对喉部静压具有较大影响作用；但喉部气速较大时，如喉部气速增加至95 m/s，3种文丘里喉部静压差都在1 800 Pa左右。这说明影响喉部静压的主要因素变为高度差和喉部气速。同种文丘里引射量随高度差△H的变化差异明显，△H=180 mm，喉部间距最大仅为△H的13%，故喉部间距分别为0，13，23 mm，喉部静差压缓慢降低。

图8为3种文丘里引射量与喉部静压差的关系，3种文丘里引射量随喉部静压差增大而变大，相同静压差时引射量差别也很大，如 △H=0 mm，静压差650 Pa时，A，B，C三种文丘里引射量分别为0.44 ，0.4，0.18 kg/s，主要因素为喉部间距。喉部静压差对文丘里引射量的影响主要通过喉部气速、高度差和阻力损失三部分实现的。

图8 3种文丘里引射量随喉部压差变化规律

3.3 喉间距与引射量的关系

图9为高度差△H为0，30，70 mm时3种类型文丘里引射量与喉部气速关系，△H=0时，C型文丘里喉部气速66 m/s时文丘里实现带液能力，而A型和B型文丘里喉部气速为47.8 m/s时已实现带液，由前文分析气速较低时，喉部间距、高度差和壁面粗糙程度对喉部静压具有较大影响作用，高度差一定时，阻力损失和喉部间距成为影响引射量的重要因素，喉部静压差受到限制时，喉间距变化后流体通道截面积变小，相同压差下引射液体流量减少。

图9 不同高度差下3种类型文丘里引射量与喉部气速关系

喉间距增大过程3种文丘里引射量呈降低趋势，B、C型引射量相对于A型减少了30%和50%，这比苗壮等[12]所做实验引射量变化更多。但喉部气速在一定范围内B型文丘里引射量最大，如△H=30 mm，喉部气速38.5～54.5 m/s和△H=60 mm，喉部气速60～66 m/s。气速在一定范围内，射流进入混合段的角度较小，相同气速下增加喉部间距使气液混合接触面面积增大，此时喷嘴离喉部距离即喉间距越大，两者空间越大，气液混合流体流经此处阻力损失减小，由前文分析气速较低时文丘里管壁阻力和高度差△H成为影响引射量的主导因素，故引射量增大。喉间距继续扩大后喷嘴距喉部距离进一步增大，气液接触面积急剧减小，气体带液量减少。

由公式(4)，d1=46 mm，d2=54 mm，D=4，最佳喉部间距l=12.9 mm。实验中A，B，C型文丘里喉间距分别为0，13，23 mm，B型文丘里喉间距约等于最佳喉间距l，故喉部气速在某一范围内3种文丘里引射量随喉部间距增大先增大后减小。

但当喉部气速达到一定值时，喉部气速成为影响静压差的主要因素之一，气速足够大、△H不变时，由图1，流体终截面直径d4大于喉部出口直径时，流体带入混合室内的气体多于文丘里所需的气量，气流被文丘里收缩段阻挡，在混合室发生倒流现象，大多数气体会返回吸入室附近，产生于气体倒流的阻力损失；气流在吸入室内产生涡旋、滞留区，使局部静压增高，当文丘里出口处静压不变时，内部压差减小，引射动力不足。而3种文丘里喉间距逐渐增大，文丘里收缩段对气流的阻挡作用逐渐增强，三者文丘里引射量逐渐减小，B，C型引射量相比A型差别很大，说明气速超过合适范围内，喉部间距对文丘里引射量影响非常大。文丘里喉部间距对引射量的影响是很复杂的，喉部气速较小且在合适范围内时引射量随喉部气速增大先增大后减小，喉部气速继续增大到一定值后引射量随喉部气速增大急剧变小。

自吸式文丘里洗涤器不仅与喉间距和静压差有关，还与文丘里喉部直径、喷管与外套管环隙宽度、喷射流体种类等因素密切相关。

4 结论

引射量是研究自吸式文丘里性能的主要内容，研究各种因素对文丘里引射量的影响对改善文丘里洗涤器的性能，对提高废气处理和工业除尘效率具有重要意义。本文主要针对自吸式文丘里，研究并实验验证了喉部静压差和喉间距对引射量的影响，具体结论如下。

(1)自吸式文丘里洗涤器的引射效率是由引射量及气液相分散效果共同作用结果，文丘里引射量、分散特征主要取决于喉部气相静压差、液面提升高度等操作因素以及喉部间距等文丘里管结构因素。喉部气速较大时，喉部压差增大，文丘里出口处混合效果趋势由稳定趋于混乱，喉间距增大有助于改善出口处气液喷射质量，减少液膜产生。可通过适当调整喉部静压差，减少液面高度差以及增大喉部间距等方法提高引射量、改善气液分散效果。喉部气速较高时，增加喉部间距后文丘里出口处气液分散效果虽能得到增强，液滴平均直径降低，但其相同能耗下引射量变化不大，引射效果并未得到显著提升；低气速条件下，增加喉部间距文丘里出口处引射效果得到增强。

(2)静压差是文丘里引射量的直接影响因素，喉部气速、高度差△H和阻力损失共同影响静压差，喉部气速低时，对喉部静压差影响并不明显，相同情况下气体需要克服重力和阻力做功增多，文丘里管壁阻力和高度差△H成为影响喉部静压差的主导因素；喉部气速高时，更易克服阻力和重力做功，高度差△H和喉部气速影响更为明显，可通过减小高度差△H，减小文丘里壁面粗糙度的方式提高引射量，改善气液分布情况。

(3)喉间距对文丘里引射量的影响是相对复杂的，喉部气速在某一范围内存在最佳喉部间距，该范围内引射量随喉间距扩大先增大后减小；超过该范围后引射量急剧减小。设计文丘里洗涤器时应根据液气比计算最佳喉间距，操作气速控制在一定范围内使自吸式文丘里洗涤器达到最大引射效率。