二流体雾化喷嘴原理

   由于喷雾冷却具有冷却均匀、高效和可控性强的特点，所以被广泛应用于高温物体表面的冷却，在冶金、化工、核电站安全等工业部门中作用尤为突出。如在板坯、大方坯连铸二次冷却中，为了快速、均匀地冷却以得到优质的铸坯，通常采用气水喷雾对铸坯进行冷却。如何设定气压、水压的工作位置，保证冷却过程既节能又高效，对于连铸生产实际具有非常重要的价值。喷雾冷却传热机理复杂，其冷却强度多通过热态实验确定或在生产中不断摸索。但这两种方法均存在费用大、周期长，实际操作难度大等问题。针对这些问题，笔者提出通过测定气水喷雾冷态特性参数，计算分析出气压、水压较佳的工作位置，即在较低的水压和气压下，获得较高的冷却强度。从而避免做热态实验，减少了实验费用并缩短了周期；同时试验结果对生产现场的调试具有预测和指导作用。

1 气水喷雾冷却过程分析

   连铸生产中，铸坯表面温度高于900℃，处于膜态沸腾状态，其表面聚集着由蒸汽和水雾组成的薄层如图1所示），喷雾水滴需要有足够的能量穿过薄层，达到铸坯表面，然后受热蒸发才能实现对铸坯的冷却。通过控制雾滴穿过薄层的数量，可以控制铸坯表面换热量的大小，即实现冷却强度的可控性。

   气水喷雾冷却强度是由喷雾冷态特性参数决定的，主要有水流密度、雾滴大小、雾滴冲击速度，这些性参数可以通过调节水压和气压的工作位置而改变。即可以通过调节气水比来实现对冷却强度的控制。

   为分析上述参数对冷却强度的影响，现作如下简化和约定。
  （1）铸坯表面由蒸汽和水雾组成的薄层是均匀和稳定的。
  （2）薄层厚度保持 不变，层内压力均为
  （3）雾滴在运动中保持球形。
  （4）忽略雾滴重力作用。
  （5）只有到达铸坯表面的雾滴，才对铸坯冷却起作用。
   穿过铸坯表面薄层的雾滴数量，主要由两方面因素确定，一个是雾滴穿越薄层的能力，一个是雾滴总的数量。前一个因素是由雾滴速度和大小决定的，后一个因素由水流密度决定。

   雾滴冲击蒸汽层时，阻力主要是薄层的压力。忽略其它力的影响，则雾滴受力为：

雾滴加速度为：

   Hmax越大说明雾滴的穿透薄层到达铸坯表面的能力越强，冷却强度越大。另外已有的研究结果证实在水流度较小时，冷却强度与水流密度成线性关系。综合上述因素，则冷却强度可以表示为：

2 气水比对冷却强度的影响

   对于某一喷嘴，可调参数只有气压和水压，通过调整气水比来改变冷态特性参数（水流密度、雾滴冲击速度、雾滴尺寸），从而调整冷却强度。

   所谓最佳气水比，即在满足冷却强度要求的条件下，系统达到能耗最小时的水压和气压工作位置的比值。

   下面以某气雾喷嘴（全锥形，喷射角度为60°）为例，分析气水比对冷态特性参数的影响，然后通过公式（4），计算出该条件下的冷却强度，根据计算结果得到最佳气水比的位置。

   选择不锈钢作为研究对象，冷却介质为水，喷嘴距铸坯表面高度为100mm。

2.1 气水比对冷态特性参数的影响

  （1）气水比对水流密度的影响根据实验测试数据进行数据回归得到，当水压恒定时，水流密度随气压变化的关系式：

  （2）气水比对雾滴冲击速度的影响

   根据实验测试数据进行数据回归得到，当水压恒定时，雾滴冲击速度随气压变化的关系式：

  （3）气水比对雾滴大小的影响

   根据实验测试数据进行数据回归得到，当水压恒定时，雾滴尺寸随气压变化的关系式：

   上述关系式是在水压恒定，调节气压大小而得到的。共测试了三种水压下冷态特性参数随气水比的变化规律。

2.2 最佳气水比的确定

   为了表述直观，将水压为0.3MPa下，气水比对冷态特性参数的曲线画在图2中，图中曲线作了无因次变换。由图2可以看出，随着气水比的增加，水流密度呈线性减小，雾滴减小，雾滴冲击力增加。根据公式（4），前两项使得换热强度降低，后一项使得换热强度增高。它们作用相反，必然会出现极值点，此点即为该水压下的最佳气水比。

   根据公式（4），冷却强度经过无因次变换后，得到冷却强度随气水比变化曲线，如图3 所示。随着气水比的不同，冷却强度出现极值点，说明该种喷嘴存在最佳气水比。

   随着水压的增加，冷却强度整体随之增加，水压越大，最佳气水比的数值越小0.3MPa 时，最佳气水比为0.8：0.25MOPa时，最佳气水比为0.95：0.2MPa时，最佳气水比为1.2。这与连铸二冷现场通常采用的气水比较为接近。

   从上述分析可知，最佳气水比的工作位置不是固定不变的，它随着水压的不同而改变。并且随着水压的增加，其最大冷却强度也增加。所以对于一个给定的冷却强度，其最佳的工作位置应该为图3中曲线峰值达到该冷却强度时的气压和水压的工作位置。

3 结论

  （1）分析了水流密度、雾滴尺寸和雾滴冲击速度对喷雾冷却强度的控制机理，测试了气水比对这些参数的影响，最终得到了气水比影响冷却强度的关系曲线，从而确定了最佳气水比的位置，避免做态实验，减少了费用和周期。
  （2）计算可知，喷雾冷却换热系数随气水比的增加存在最大值，说明最佳气水比存在。总的趋势是随着水压的增加，最佳气水比降低。
  （3）最佳气水比不是固定不变的。需要根据要求的冷却强度，从图3中的曲线族中，选择满足冷却强度的最低水压的那条曲线，然后得到该曲线的最佳气水比值，该点所对应的水压和气压即为最节能的工作位置。

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