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高压水射流清洗参数的选择

2016-12-08 13:30:08

随着高压水射流清洗的应用领域日益广泛,如何提高射流清洗能力成了提高清洗效益,增大射流清洗应用的关键。许多科研单位、厂家都在对这个问题进行深入广泛地研究、探索。具体地说就是如何选择合理的水射流清洗参数和研制新型高效的清洗水射流构件。本文对高压水射流清洗的参数选择进行了分析与研究。
 
1 压力和流量的选择
泵压的大小对清洗效果有着直接影响,它主要与附着层能否被有效破坏有关。压力小了不能将附着层去掉,压力大了就可能破坏基体,而且也使能量损耗加大。因此要根据被清洗附着层及其粘附强度、清洗方式进行综合考虑。附着层可分:(1)硬脆性附着层;(2)延性附着层;(3)粘弹性附着层。附着层的粘附方式:(1)机械粘附,粘附强度低;(2)特殊粘附(范德瓦尔斯力,付组反应),粘附强度中等;(3)化学粘附(离解力),粘附强度非常大。射流清洗一般主要应用于机械粘附和特殊粘附的附着层,很少用于化学粘附的附着层。
对清除基体上坚硬而脆的附着层(锈、陶瓷等无机物附着层),必须使其破裂产生裂缝。当2条或多条裂缝扩大而交叉时,就会有碎粒剥落下来。在脆性材料中,裂缝的产生几乎不产生塑性变形,因此裂缝产生后只需较小的压力就能使其扩大,继而使附着层与基体间裂开,附着层剥落。对延性附着层(大多数塑料,各种橡胶和金属),因其产生裂缝的同时,在裂缝的尖梢要出现明显的塑性变形,这就使得裂缝扩大时所需的压力比脆性材料大,并且附着层的延性越大,所需的压力越大。对粘弹性附着层(沥青、氯化橡胶、润滑脂),因这种附着层性能近似极粘的液体,所以轻微的加载就会引起不可逆的变形,并且准静态加载足以使基体与附着层分离。因此清洗时无需多大压力。
泵流量选择的恰当与否将影响到清洗速度的快慢,从而对清洗效率产生影响。因此在选择清洗设备时,泵的压力与流量的合理选择与匹配是很重要的。对清洗一些常见对象时,所采用清洗设备的压力与流量的合理匹配见表1。
表1 清洗压力与流量的合理匹配
Tab.1 Matchingofthepressureandflowofthecleaningfacilities
被清洗设备                 压力P/MPa           流量Q/L·min-1
机器设备的外表              35~50               70~100
大型排污管道                30~50               150~200
煤气烟道及输油管道          50~70                80~110
附着层坚硬的热交换器及锅炉  70~100               70~80
极坚硬的硅酸盐类附着层      100~140           80~100
2 高压胶管的选择
喷嘴中喷出的实际压力等于高压泵出口压力减去高压水在高压胶管中的压力损失。在以往的清洗过程中,人们往往忽视了对高压胶管的选择,认为在胶管中高压水的压力损失不大,对清洗效果不会产生多大的影响。而事实并非如此,高压胶管管路中的总压力损失hw为沿程损失hf与所有管件局部损失
΢hj之和,即
   hw=hf+∑hj(1)
  hf=λlv2/2gnd0 hj=ζv2/2gn     (2)
式中λ———沿程阻力系数;
      ζ———局部阻力系数;
d0———管径,mm;
l———管长,mm;
v———流体速度,m/s;
gn———重力加速度,m/s2。
为便于应用,可将其变为
其中总管长L=1+∑le(∑le为所有局部装置的当量管长,mm),Q0为泵的平均流量。
由式(3)可知,对总压力损失hw影响最大的是胶管直径d0,其次是泵的流量Q0,然后就是胶管的总管长L。当Q0、L一定时,hw是随d0的5次方变化的;当d0、L一定时,hw是随Q0的平方变化的;而当d0、Q0一定时,hw是随L的一次方变化的。
hw与胶管内流速v的平方成正比,即流速越大,总压力损失hw越大。然而,在一般机动往复泵设计时由于机组外形尺寸与胶管规格的限制,胶管内的流速往往要取大值。兼顾这两方面的影响,建议清洗机主机的往复泵使用的胶管的平均流速取5~7.5m/s。一般清洗机的流量在10~200L/min之间,则胶管直径在6~25mm就可以满足这一流速要求。另外,在满足使用的情况下,胶管总长度尽量压缩,一般不超过30m,而单根胶管应取较长规格以减少接头数量,单根长度一般应大于5m。
3 喷嘴的选择
用与射流清洗的喷嘴最广泛使用的有扇形喷嘴和锥形喷嘴。扇形喷嘴射流在低于15MPa的压力下工作时有较高的清洗效率,这是由于扇形射流的散布面积大,且在上述范围内工作时,反冲力较小,易于手提操作。而锥形喷嘴产生的射流是对称射流,经专家研究表明:具有13°锥角并带有长度约为出口直径2.5倍的平行主体的喷嘴具有较好的动特性,其工作压力在15~30MPa范围内较适宜。另外,扇形喷嘴射流只限于离喷嘴不远处发挥效力,如果距离太远,就会由于射流扩散面积过大,从而达不到清洗的效果。
设泵出口为断面1,喷嘴出口为断面2。由伯努力方程得
z1+p1/ρgn+v12 /2gn=z2+p2/ρgn+v22/2gn+hw   (4)
式中z1、z2———泵、喷嘴的几何高度,mm;
p1、p2———泵、喷嘴出口处的平均压力,MPa;
ρ———水的密度,kg/m3;
v1、v2———泵、喷嘴出口处的平均流速,m/s。
因为z1≈z2、p1p2、v21v22,所以式(4)可化为
   v22/2gn=p1/ρgn-hw    (5)
又由于Q=v2A2,则喷嘴口的面积
       (6)
根据对前面胶管选择进行的试验与分析可知,泵至喷嘴处的总压力损失hw一般为泵额定工作压力的
5%~15%,则式(6)可变为
      (7)
其中k为系数(取0.85~0.95),当流速较大、管路较
长时取小值,反之取大值。于是可得喷嘴直径
          (8)
4 横移速度的选取
较高的横移速度,能使单位时间射流清洗的面积大大增加,从而降低了水射流清洗的比能耗,因此在水射流压力足够大时,要适当提高横移速度,从而使射流清洗的效率得以提高。但当过快的横移速度不能充分发挥水楔作用,使附着层脱离时,就应采用较慢的横移速度。
5 靶距的选取
靶距也是水射流清洗的一个重要参数。实验表明,无论是附着层的还是基体的破碎量与靶距的关系都有一最大值(取决于射流压力和喷嘴的几何形状),即存在所谓的最佳靶距。最佳靶距就是射流对清洗表面的打击力最大时的靶距,经过测试和数学分析可得出最大打击力Fmax与最佳靶距Lopt有如下关系
Fmax=120(p/100)1.15d1.75
Lopt=99.7d0.9(p/100)
式中p———射流压力,MPa;
d———喷嘴出口直径,mm。
因此为使清洗过程不仅能清除附着层,且不破坏基体,就必须选择一个合适的靶距,不是越大越好,也不是越小越好。当然在水射流清洗能力足够时,可以适当加大靶距,那样不仅提高了单位时间的清洗面积,而且增加了作业的安全性。但是,当清洗较硬的附着层时,取较小靶距为宜,那样就能充分发挥水楔作用,以利于附着层的脱离。
6 冲击角的选取
  对于清洗沥青、润滑脂等粘性附着层,水射流的剪切力起很大作用,因此,应采用大的冲击角,增大剪切力,以利于清洗。
 
以上对高压水射流清洗参数的选择与匹配做了一些简要分析。由于清洗过程中存在着许多的具体问题,因此必须具体问题具体分析。只有这样才能全面合理地选取这些参数,以达到提高清洗效率的目的。另外,采用新型的水射流清洗结构(如空化射流、磨料射流等)对提高清洗效率也是很有利的。