丝网表面液滴撞击行为及气液分离器设计优化

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1、中国工程热物理学会多相流学术会议论文编号：156080丝网表面液滴撞击行为及气液分离器设计优化谢剑1，何孝天1，程愉1，刘琪1，徐进良1（1华北电力大学北京多相流动与传热重点实验室，北京102206）(Tel:010-61772613,Email:xjl@ncepu.edu.cn)摘要本文通过高速摄影研究锡青铜网表面水滴撞击行为，探讨碰撞速度、角度及丝网浸润性对气液分离的影响。水滴撞击普通锡青铜网后阻尼振荡，最终沉积。撞击速度、丝网倾角越大，沉积液滴与丝网接触角越小，浸润面积越大。沉积液膜撕裂产生二次液滴

2、携带，将严重影响气液分离效果。丝网经超疏水纳米修饰后，液滴撞击发生弹跳，丝网倾斜放置，法向撞击速度相对减小，可缓解弹跳液滴分裂产生子液滴及二次液滴携带，提高丝网气液分离器效率。关键词丝网;液滴撞击;气液分离;超疏水;纳米表面。0前言气液分离是保证能源化工行业安全、高效、环保生产的重要环节，例如：核电厂蒸发器产生的蒸汽需去除携带微液滴，防止汽轮机叶片损伤[1]；化工厂尾气需分离有害化学液滴，保护大气环境[2]；大型空气压缩机出口需去除水滴和润滑油滴，以保证供应气体的干燥和纯净[3]；海水淡化中闪蒸蒸汽需去除

3、含盐水滴，以减少制备水中盐度[4]等。根据离心力、惯性力、毛细力分离等原理，气液分离器主要分为旋风分离器、波纹板分离器及丝网分离器等。其中，丝网分离器因结构简单、分离压降小、效率高等优点得到了广泛应用[5]。以气体为连续相，以液滴为分散相的气液混合物通过分离器后，气体中携带更细微的液滴称为液滴的二次携带，它是丝网气液分离器应用过程中的突出问题。根据等人的分析，丝网分离器二次液滴携带主要来源于以下三个方面[6]：在普通丝网气液分离器中，丝网表面存在一定液膜，当来流气液混合物流速增加到某一极限值时，丝网上的液

4、膜会被撕破而重新卷入气流；另外，分离下来的液滴撞击壁面或储液池液面，将产生皇冠型飞溅，飞溅的微液滴将重新卷入气流；三是高速气流直接卷过储液池，也可从液体表面撕裂出微液滴。由于二次液滴远小于来流液滴大小，从而分离效果将严重恶化，这对能源化工安全、环保生产埋下了相当大的隐患。因此，从根源上减少二次液滴携带的新型丝网分离器需要重新考虑与设计。以往研究，常根据液滴颗粒分布等宏观统计规律结合数值模拟，为丝网分离器效率和压降等提供设计准则，而防二次液滴携带的主要技术手段则通过减小丝网孔隙率以及增加丝网层数等实现[7]

5、。这些手段会增大气液分离过程阻力，增加金属消耗，并不是最经济的技术。本文则从通过高速摄影对单个水滴在单层锡青铜网表面撞击行为出发，结合超疏水纳米制备技术等，探讨液滴速度、碰撞角度及丝网浸润性对液滴撞击行为的影响，以期获得减小液滴二次携带，提高气液分离效率的新途径。1实验装置及丝网样本1.1实验装置及参数本文采用去离子水作为撞击液体，撞击目标为锡青铜网。实验通过调整液滴滴落位置与丝网间高度以及丝网倾斜角度，模拟实际气液分离过程中液滴速度和碰撞角度的变化。实验装置如图1所示,水滴由DataphysicsOCA

6、15plus接触角仪的液滴发生器模块产生，其工作原理是通过步进电机推动针筒产生定量液滴，液滴从针尖上脱落的临界体积与注射针头孔径相关[8]。实验中采用内径110μm、外径210μm的不锈钢针，其对应水滴直径为1.884mm。丝网样本通过夹具悬空绷在三维载物台上，丝网悬空区域为20mm×20mm，液滴下沿与丝网上表面相对位置H可通过三维载物台的纵向移动精确控制，实验中跌落高度H范围2–200mm。忽略空气阻力的影响，则对应液滴撞击速度v范围为0.198–1.980m/s。高速摄相机（品牌IDT，型号：mot

7、ionproX4）对丝网表面液滴撞击行为进行记录，。拍摄频率每秒4000帧。由于液滴撞击发生的区域较小，摄像机配备了微焦放大镜头，放大镜头品牌：Canon，型号：MP-E65mmf/2.81-5X。拍摄图像像素为512×512，拍摄视场为17mm×17mm，因此，图片分辨率约33μm，拍摄光源则由强光环形LED提供。图1实验装置示意图载物平台可旋转，实验中共测试了0°、30°、60°三个角度下的液滴撞击行为。液滴撞击过程中，We是重要的无量纲参数，它表示惯性力与表面张力相对大小，其定义如下：(1)其中ρ表

8、示液体密度，σ表示液体在空气中的表面张力。本实验在20℃的室温下进行，液滴采用去离子水，因此，物性参数ρ=998.21kg/m3，σ=0.072.8N/m。g代表重力加速度，取9.8m/s2。实验主要参数及范围汇总如表1。为确保实验可重复性及实验结果的准确性，实验中所有工况均进行了3次拍摄。表1实验主要参数及范围参数符号数值或范围液体密度ρ998.21kg/m3表面张力σ0.072.8N/m液滴直径D1.884mm撞击高度H2