为了提高高压水射流清洗作业的有用功率,在合理匹配系统每一个部件的同时,必须设计出最佳喷嘴,使之与系统匹配。因为,喷嘴是高压水射流清洗设备对外做功的最直接执行元件,喷嘴的优劣直接影响高压水射流清洗设备的性能及清洗效果。高压水射流清洗技术是通过高压水发生装置使常压状态下的水变成高压水(根据不同用途使用压力范围很大,一般在30~380MPa),经过控制系统,最后通过特制喷嘴喷出能量高度集中、速度非常快的水射流,作用在被清洗物表面上,进而实现清洗作业。因此,喷嘴必须满足以下几个方面的基本要求:
(1)喷嘴孔径应与清洗系统压力和流量合理匹配;
(2)喷嘴结构设计合理,保证流体的流动特性;
(3)保证喷嘴加工精度;
(4)选择好喷嘴材料,使其具有良好的使用寿命。
鼎新水射流根据长期以来从事高压水射流技术的研究,对高压水射流喷嘴的研究、研制及应用,从喷嘴的使用场合、结构参数等方面对喷嘴进行了分析。
1　喷嘴的分类
喷嘴的型式有很多,不同型式的喷嘴具有不同的清洗功能,可以完成不同的清洗任务,所以在设计高压水射流清洗机时,必须合理设计喷嘴的型式和参数。喷嘴型式按喷射形状区分,有圆形喷嘴、扇形喷嘴、异形喷嘴;按压力区分,有低压喷嘴、中压喷嘴、高压喷嘴、超高压喷嘴;按孔数区分,有单孔喷嘴、多孔喷嘴;按喷射形式区分,有前喷、横喷、后喷、前横后三种喷射形式的任意组合;按喷头旋转与否区分,有旋转喷头和非旋转喷头。
2　清洗喷嘴结构参数分析
2·1　不同功能清洗喷头的选择
在工程清洗中,由于喷头的种类和型式繁多(图1是部分喷嘴外形),为了能以最低的能耗获得最佳的清洗效果,首先要根据不同的清洗对象选取不同功能的喷头。例如,在清洗平面时,应选择平面清洗喷头,同时还要综合考虑清洗效率和清洗成本,在追求高效率的清洗条件下,可以选择平面清洗旋转喷头(如图2所示);在追求低成本的条件下,可以选择普通平面清洗喷头。又如,在管道清洗时,应根据直
径大小选用大直径清洗用喷头或小直径清洗用喷头(如图3和图4所示)。再如,在容器清洗时,应选择专用的容器清洗喷头(如图5所示)[1]。
2·2　清洗喷嘴结构参数分析
以管道工程清洗为例对于不同直径及不同垢
型和结垢程度管道的清洗,喷嘴的个数、喷射角和喷嘴是否旋转对清洗作业效果有直接的影响。在清洗设备压力和流量参数确定后,匹配的喷嘴直径和喷嘴出口的最大射流打击力可由式(1)和式(2)计算得出[2]。
表1　不同的压力和流量对应的水射流打击力和所需功率
　　从表1可以看出,射流压力和流量的增加都会使喷嘴出口水射流打击力增加。但是,在高压水射流清洗机及其喷嘴设计时,为了实现最佳性价比,射流压力存在一个最佳值。当射流压力超过门限压力后,随着射流压力的增加,清洗所消耗的比能(清洗单位面积垢物所需要能量)下降。但是,超过该值继续增加射流压力,则清洗所消耗的比能将会增加所以,为了使高压水射流清洗机能在最低能耗下产生最大的水射流打击力,必须合理地匹配高压水射流清洗机的压力、流量及喷嘴的结构和直径。
2·2·1　喷嘴孔数数对清洗作业的影响以工程清洗常用的射流压力70MPa、流量70L/min为例来分析喷嘴孔数对高压水射流换热器清洗作业的影响。由式(1)和式(2)可得出,当清洗机在额定状态下工作时,不同的喷嘴孔数对应的孔径、喷嘴出口的最大射流打击力及射流靶距为10mm时的作用面积如表2所示。如匹配的单孔喷嘴直径d1=2·2mm,单孔喷嘴出口的最大射流打击力F1=436N,单孔喷嘴作用在管壁上的面积S1=15·8mm2。
由表2和图6可以看出,清洗机在额定压力和流量状态下工作时,随着喷嘴孔数的增加,各喷孔处的流量减少,喷孔出口最大射流打击力和各喷孔射流作用面积也随之减小,但在同样的射流靶距情况下,n个喷孔的总射流面积增加,且喷嘴个数的增加与喷孔射流打击力的减小和射流面积的增加呈近似线性关系。
　　通过以前的研究和试验发现,当喷嘴直径确定后,射流靶距是影响射流覆盖面积变化的唯一变量,如果射流靶距增加一倍,则射流覆盖面积将增加4倍,但水射流打击力仅为原来的1/4,如果把射流靶距减小一半,则射流覆盖面积仅为原来的1/4,但水射流打击力为原来的4倍[3]。从表2可以看出,喷嘴孔数并不是影响射流打击力和总射流面积的唯一因素,随着喷嘴孔数的增加,总射流面积的增加并不能有效补偿射流打击力的减小,而且总射流面积的增加对射流打击力的补偿越来越小。
2·2·2　喷射角对清洗作业的影响
喷嘴的喷射角是影响清洗作业效果的重要因素。从图7可以看出,以喷射角α=45°、β=60°为例1射角为β的喷孔清洗内径为DN2管道,两种情况下的射流靶距相同。假设喷射角为α和β的喷孔直径相同,可以得出Fα=Fβ。由力学分解原理可知,α喷射角径向打击力Fα,r=Fα·sinα=22·Fα,α喷射角轴向打击力Fα,z=Fα·cosα=2·Fα,β喷射角径向打击力Fβ,r=Fβ·sinβ=32·Fβ,β喷射角轴向打击力Fβ,z=Fβ·cosβ=12·Fβ。因此,Fα,r<Fβ,r,Fα,z>Fβ,z。根据喷射角对射流打击力的轴向和径向分量的影响,在清洗结垢主要附着在管壁上的管道时,可将喷嘴的喷射角设计大一些,使得喷嘴可以较大的径向射流打击力Fβ,r作用在被清洗管道结垢物上,获得良好的清洗效果和效率。在清洗几乎堵塞(结垢主要附着在管道中心)的管道时,可将喷嘴的喷射角设计小一些,使得喷嘴可以较大的轴向射流打击力Fα,z作用在被清洗管道结垢物上,以获得良好的清洗效果和效率。
2·2·3　前喷孔与喷嘴轴线的距离对清洗作业的影响
在工程清洗作业中,前喷孔与喷嘴轴线的距离L对清洗作业效果有重要的影响。笔者在多年从事工程清洗的实践中发现,当前喷孔的喷射角α一定的时候,前喷孔与喷嘴轴线越近,清洗堵塞的管道效果越好。这主要是因为清洗堵塞的管道,必须先在管道的中心清洗出一条通道,而射流打击力最大的区域集中在喷孔射流轴线附近,所以前喷孔与喷嘴轴线的距离越近,喷孔的最大射流打击力作用区域离管道中心也越近。
图8所示的喷嘴是笔者针对堵塞管清洗专门设计的,在工程清洗实践中的应用也取得了良好的效果。图中前喷孔的喷射角α=15°,此时,Fα,r=0·27Fα,Fα,z=3·73Fα,喷嘴射流打击力的93·2%集中在喷嘴轴线方向,同时前喷孔与喷嘴轴线的距离L也根据不同的清洗工况优化设计,所以该喷嘴应用在管道清堵方面效果良好。
2·2·4　喷头旋转对清洗作业的影响
在工程清洗中,旋转喷头越来越受到人们的青睐。与普通非旋转喷头相比,旋转喷头清洗作业时不仅效果好,而且效率也高。
(1)旋转喷头射流覆盖较均匀,面积较大[4]。图9是9孔平面非旋转喷头与平面旋转喷头的射流覆盖面积示意图。图中阴影代表射流覆盖面积,δ空白区域为射流非覆盖面积。由图9可见,旋转喷头由于其旋转作用,射流把整个圆周均匀地覆盖了,而非旋转喷头射流只覆盖了9个喷孔射流面积。旋转喷头的转速小可到每分钟几转,大可到每分钟几千转。目前,平面清洗喷头的旋转速度通常可达3
000r/min。以双孔旋转喷头,转速为300r/min计算,则旋转喷头在环形阴影区域每一点循环喷射的频率为10Hz。这样,既避免了非旋转喷头连续喷射造成的“水垫作用”,也使得旋转喷头单位时间内更大范围地对污垢进行多次的冲刷,同一个清洗工作所需要的时间也就相对减少,从而提高效率。可见,旋转喷头比非旋转喷头具有更大、更均匀的射流覆盖面,清洗效率更高。但是,旋转速度过快,会使射流与被清洗面接触的时间过短,垢物尚未破坏射流就离开被作用区域,影响清洗效果,因此,在采用旋转喷头进行清洗作业时,要根据被清洗对象的特点,合理匹配旋转速度。
(2)旋转喷头射流打击力更大。以工程清洗常用的射流压力为70MPa,流量为70L/min为例,对比非旋转喷头与旋转喷头的射流打击力。在管道清洗工程中,如果旋转喷头采用双喷嘴喷头,则匹配的喷嘴直径为1·5mm,单孔射流最大射流打击力为197N。同时,为了使非旋转喷头的射流覆盖面积能够趋近于旋转喷头的射流覆盖面积,非旋转喷头必须采用多喷嘴喷头,如果一味提高喷嘴的个数,当清洗机的压力和流量不变时,每个喷嘴对应的流量将会降低,射流打击力也会减小。因此,在设计喷嘴孔数时,既要考虑随着喷嘴个数的增加射流覆盖增加,又要考虑单孔射流打击力的减小。在这次对比分析中,笔者设计的喷嘴孔数为9个,此时每个喷嘴匹配的喷嘴直径为0·7mm,单孔射流最大射流打击力为42·9N。旋转喷头的单孔射流最大射流打击力是非旋转喷头的4·5倍。一切凭老经验的做法,带领自己的队伍去追求卓越,为用户提供具有市场领先性的专业优质服务,体现自身的社会价值。
8　结束语
高压水清洗在目前占据了非常重要的位置,可以说市场上70%以上的清洗工程都是通过这项技术完成的。对高压水射流清洗机喷嘴结构和参数的了解，非常重要。鼎新水射流作为我国专业的高压水射流设备和附件供应商，公司常年库存了价值千万、品种繁多的附件产品，仅喷嘴一项，就有数百种类。公司专业的展示大厅，为所有来宾展现各类喷嘴的性能，欢迎您光临。