液力式雾化制冷研究

    液力式雾化是使液体在一定压力下经过涡流室作用后,通过一个一定形状的小孔而产生的雾化,这种雾化方式特别适合于水溶液的喷雾,是液体最常用的雾化方式。液体的粘度、密度和表面张力等对液体的雾化和雾滴的飞行均有一定的影响,进一步影响到雾体的形成和雾滴在目标空间的分布。目前,国内外液力雾化研究主要集中在喷洒[1]和干燥[2]方面,而在制冷方面研究很少。雾化制冷的方式,适宜于在野外和一些特殊场合快速实施制冷。譬如暴露于炎热环境下的汽车,由于/温室效应0的作用,车厢内温度在一定时间后达到较高的温度,使乘客和驾驶员感到不适。本文将以这情况为例对液力式雾化制冷及其应用进行了研究。

    1 液力式液体雾化机理

    大多数液力式喷头的设计,是使液体在液力的推动下,通过一个小开口孔口,使其有足够的速度、能量而扩散,通常先形成薄膜状,然后再形成不稳定的、大小不一的雾滴。影响薄膜形成的因素有液体的压力和液体的其它性质,譬如液体的表面张力、粘度、密度和周围空气条件等。很小的压力(几十到几百千帕)就可以使液体产生足够的速度以克服表面张力的收缩,并充分地扩大形成雾体。

    一般认为,液体薄膜破裂成雾滴的方式有三种:周缘破裂、穿孔破裂和波浪破裂。但破裂的过程是一样的,即先由薄膜裂化成液丝,液丝再断裂成雾滴。

    由雾滴的雾化方式知道,由于液体的雾化方式不同,产生的雾滴的运动轨迹也差别很大。不同的喷头和雾化参数,也使得所产生的雾滴的运动过程十分复杂。液力式雾化下,雾滴的运动轨迹在不考虑风力等情况的影响下,可以近似认为是直线运动,雾滴的重力与从喷头获得能量相比可以忽略不计。这种喷雾方式产生的雾型,主要取决于喷嘴的形式和喷雾压力,如图1所示。

    根据Dombroski和Fraser[3,4]的理论,从喷头喷出的液膜分化成雾滴的过程是一个质量的惯性力与液体的表面张力之间的平衡过程。该理论认为:液膜的形成及其性质是由液体的性质(如粘度、表面张力和密度等)和射流的雷诺数所决定的。液膜边缘的形成是由于液膜质量的惯性与它的表面张力达到平衡的结果,液膜进一步发展,惯性力超过表面张力,就会分化为雾滴。这样,液体在离开喷嘴时所具有的能量减去液膜开始分化为雾滴时所具有的能力,就等于液体在形成和发展液膜过程中所消耗的能量。

    因此,能量平衡方程最终必须能够说明在雾滴形成过程中所消耗的能量。但是,由于消耗在由液膜断裂形成雾滴的中间过程的能量很难用方程来表达,所以需要做一些假设。假设从喷嘴处开始迅速增长的液膜波在液膜的边缘破裂形成液膜的花边,而这些花边进一步收缩形成直径一致的系带,最后由系带断裂成雾滴。为了说明雾滴形成各个过程中的能量变换,在液膜中分离出一个质量为Δm的小块,假设该小块以VΔm的速度从液膜中分离出来,并形成直径为d、初速度为V的雾滴。为简化能量方程,做以下假设: