基于马尔文法测量空气辅助雾化喷嘴雾化特性的实验研究

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

核能具有高效、清洁、稳定等优势，是一种新型能源，已成为我国能源体系中的重要组成，创新型核能技术的发展也受到了越来越多的重视。随着我国核电自主技术的成熟，结合“一带一路”国家战略，推出来核电走出去[1-2]。随着核能在能源结构中的地位不断提升，核能技术也面临着新的发展空间和未知的挑战[3-4]。乏燃料后处理则是目前核工业中制约其可持续发展的重要短板，因此，开发研究乏燃料后处理技术对核能产业健康持续发展意义重大[5-6]。

水法乏燃料后处理是通过硝酸铀酰水溶液，通过脱硝流化床技术得到三氧化铀，并最终还原成金属铀，实现乏燃料的后处理[7-8]。在这乏燃料后处理的设备中，一个关键部件为硝酸铀酰雾化喷嘴，喷嘴性能的优良直接影响流化床内硝酸铀酰雾滴的质量及整床的反应效果[9]。其中，空气辅助式雾化喷嘴是该设备中常用的一种喷嘴结构，针对这一喷嘴结构，目前国内外相关的实验研究仍然较少[9-10]。因此，本文拟采用马尔文喷雾激光粒度分析仪对其雾化性能做了测试，并对不同工况下的雾化结果进行了分析，讨论不同运行参数对其雾化效果的影响。

1 马尔文喷雾激光粒度分析仪简介

1.1 仪器介绍

本文所采用Spraytec型马尔文实时喷雾粒度分析仪进行本实验中测量雾滴粒径的测试研究。根据图1所示测试系统，主要由光电接收器、数据处理系统、激光器、信号转换与传输系统、透镜等组成。实时喷雾粒度分析仪是用于测量喷雾和动态气溶胶的激光粒度分析仪，两端镜头水平置于需测量喷雾场两侧，其基于激光衍射相关原理计算，获得每一个瞬间的被检测雾滴直径，其采样频率可达2 500 Hz，测量液滴直径范围可达到0.1～2 000 μm，能够实现喷雾过程中液滴直径的瞬时测量[11-13]。

1.2 测量原理

马尔文激光粒度仪的测量原理是夫琅禾费衍射原理[14-16]。激光照射大量不同尺寸大小粒子时会产生的夫琅禾费现象，即产生很多不同间距的同心条纹(雾化颗粒的尺寸大小对应不同间距的同心条纹)，然后这些不同间距的同心条纹信息被安装有傅里叶透镜的接收器(光电)所获取，通过光敏环进行光电转换和分检，接收器(光电)再将所获取的光学信息转换成电子信号输出到计算机中以统计干涉条纹的位置及能量谱分布等信息。基于相关光学理论，通过计算干涉条纹和衍射光的位置、强度等信息，经过数据处理系统得到液滴体积，并进一步基于米氏理论计算出液滴的粒径分布。此外，数据处理系统还能通过颗粒粒径信息处理得到索特平均直径等特征直径。

图1 马尔文实时喷雾粒度分析仪实物图

2 实验系统及实验步骤

2.1 实验系统

本实验中对雾化喷嘴喷雾粒径测量的流程如图2所示。气体输送部分，空气由压缩空气瓶提供，通过减压阀提供实验所需空气压力；空气经减压阀流出后由气体管道输送至雾化喷嘴进气管道；液体输送部分，微型高压水泵将水从水源抽出并提供一定压力，然后通过装在水管上的流量控制阀门控制水的流量大小，通过转子流量计测量水进入雾化喷嘴时的流量，最终具有一定流量的水流入雾化喷嘴的液体管道，在喷头末端与螺纹通道中经过加速和旋转的气体混合，形成喷雾喷出。实时喷雾粒度仪发射端和接收端水平置于喷雾场两侧，通过发射端发出的激光在喷雾场中的衍射现象完成测量。

图2 实验测量流程图

2.2 实验步骤

具体实验步骤如下：

(1)雾化喷嘴气体、液体输送系统准备

将水桶接满水，保证充足的水源供给；将气体输送管道和液体输送管道依次连接，并在接头处使用固体生料带等进行密封；打开压缩空气瓶总开关，使得气体进入减压阀高压腔中；将雾化喷嘴放置在合适的高度及水平位置并固定，使得其与实时喷雾粒度仪间的距离与实验要求相一致，并保证与喷雾粒度仪发射端与接收端镜头在同一水平高度。

(2)喷雾粒度分析仪参数设置

打开喷雾粒度仪分析软件，设定液体反射率、液体密度、粒径测量范围、光程等相关实验参数。

(3)系统测试

首先，进行背景测量校正。设定好标准测试程序，进行测量，如果发现背景测试不合格，检查并擦拭相关光学镜头玻璃等，保证测试准确性。

然后，任取一组实验工况进行实验测试，主要检查气体输送系统和液体输送系统密封是否完好，以及喷雾场是否位于喷雾粒度分析仪测量范围内、喷雾中心是否与粒度仪发射端发出激光中心位于同一水平高度等。

(4)开始实验

最后，拧松减压阀调节螺杆并打开微型高压水泵开关，使得气体与液体在喷嘴中混合雾化，喷雾粒度分析仪探测到雾滴后自动开始分析、处理数据。

(5)实验数据后处理

实验结束后，整理实验台并保存有关实验数据，然后根据需求进行相应数据处理。

2.3 实验工况

由于条件受限和安全因素，本实验中选取水代替硝酸铀酰溶液进行喷雾实验，其密度为1 000 g/cm3，反射率为1.33。雾化喷嘴喷雾实验工况设置如表1所示。三组实验工况下喷嘴前端与粒度仪镜头中心的轴向距离均为10 cm，液体流量固定为45 L/h，分别测试了入口气体压力为0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三种情况下的雾化效果，如表1所示。

表1实验工况设置

工况编号测量距离/cm液体流量/L·h-1气体压力/MPa110450.3210450.4310450.5

2.4 喷嘴结构

图3(a)和(b)中分别给出了喷嘴结构示意图和喷嘴的实物图。从图中可以看出，雾化空气首先经过一段弯曲的圆通道进入到一个圆环通道，之后进入到带有螺纹结构的喷头部分，最后从喷嘴出口处喷出。而液相流动过程相对简单，从中间的圆形通道里面流入，并沿着通道向出口流动，只是在接近出口段，圆形通道的横截面有部分收缩。最后，在喷嘴出口处气体和液体进行充分混合，通过高速气流对料液进行破碎，得到雾滴。

图3 喷嘴结构图

3 结果与讨论

根据实验方案，测试了不同气体压力情况下，以水为工质的条件下，喷嘴的雾化效果。表2中给出了入口气体压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三种情况下实验测得的雾化液滴的雾化锥角和索特平均直径(SMD)。根据如下结果发现，随着雾化喷嘴入口气体压力的增大，索特平均直径在30～60 μm的范围内逐渐减小；随着雾化喷嘴入口气体压力的增大，雾化锥角基本上都维持在35°～39°的范围内，基本变化不大。

表2索特平均直径和雾化锥角

工况编号气体压力/MPa索特平均直径/μm雾化锥角/°10.357.5±0.638.6±220.442.9±0.936.3±230.538.2±0.835.6±2

图4(a)～(c)分别给出了雾化喷嘴入口气体压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三种情况下实验雾化效果的实时照片。从图中可以看出，雾化喷嘴入口气体压力在0.3～0.5 MPa范围内变化的过程中，雾化形貌基本不变，水工质能够被充分雾化并形成液滴。雾化液滴以一定的扩散角度沿着喷射方向发散，雾滴从喷嘴喷射出来后成锥状发散，雾化锥角的大小一定程度上反映了雾锥中液滴的分散性，直接影响了雾化液滴在空间的分布情况。雾化锥角一般指在距喷嘴一定距离L处雾炬中心线的垂线与雾炬曲面相交的两点与喷口中心连线的夹角。

图4 实验测量流程图

本文中选取距离喷嘴出口10 cm处的测算索特平均直径和雾化锥角。根据图中结果得到，雾化喷嘴入口气体压力为0.3 MPa时，雾化液滴的索特平均直径为57.5 μm，雾化锥角为38.6°；雾化喷嘴入口气体压力为0.4 MPa时，雾化液滴的索特平均直径为42.9 μm，雾化锥角为36.3°；雾化喷嘴入口气体压力为0.5 MPa时，雾化液滴的索特平均直径为38.2 μm，雾化锥角为35.6°。在这三种不同的工作条件下，该喷嘴结构下，以水为雾化介质，均能形成良好的雾化效果。

4 结论

本文采用马尔文喷雾激光粒度分析方法，实验分析了一种用于乏燃料后处理工艺系统的空气辅助雾化喷嘴的雾化效果。以水为雾化介质，以高压气体为辅助空气，通过高速相机和马尔文喷雾激光粒度仪，测量了3种不同的入口气体压力条件下，雾化过程中的雾化形态、雾滴索特平均直径和雾化锥角等参数，最终得到了雾化场中的雾化特性，主要结论如下：

(1)在雾化喷嘴入口气体压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三种情况下，雾滴从喷嘴喷射出来后成锥状发散，均能形成良好的雾化效果。

(2)随着雾化喷嘴入口气体压力的增大，索特平均直径在30～60 μm的范围内逐渐减小；随着雾化喷嘴入口气体压力的增大，雾化锥角基本上都维持在35°～39°的范围内，基本变化不大。