空化清洗技术

1、空化射流清洗技术 1.空化的产生 第一个是沸点与压强的关系：水的沸点随压强的降低而降低。 我们知道烧开水时，水在标准大气压下(1个大气压相当于101 325 Pa)，温度达到 100。水就会沸腾，但是如果在海拔6 000多米的高原，水温只要到达80左右就可以沸 腾了。这是由于空气气压不同导致其沸点不同，气压越大沸点越高，气压越小沸点越低。 不同温度下，水沸腾的压强是不同的，这个压强称为饱和蒸气压，也称蒸气压。根据Goff- Grattch饱和蒸汽压公式： 计算出的水在不同温度之下的饱和蒸气压，如表l所示。 表1 水在不同温度下的饱和蒸汽压 1.空化的产生 第二是压强与流速的关系：液体的压强随着

2、液体的流速增大而减小。 液体从截面流入截面流出,假设和截面液流的流速、压力、水头分别 为:v1,p1,z1和v2；p2,z2(z2-z1=H),则由伯努利方程可得如下能量平衡关系式: 式中:为液体密度;g为重力加速度;Hw为液体流过喷嘴的压力损失.由于H很小,可认为z1=z2, 并忽略液体流过喷嘴的压力损失Hw,则式(1)可简写为: 根据 v=Q/S(Q为排量,S为截面积)可知, v2大于v1,并且当v2增加时,p2减小. 喷嘴示意图 1.空化的产生 通常情况下,液体内部含有大量微气核,气核中含有不溶于液体的气体(又称永久性气体)和液 体蒸汽。液体内局部压强降低到液体的饱和蒸气压时，液体内部原

3、来含有的很小的气泡将迅速 膨胀，在液体内部形成含有蒸气或其他气体的空泡,这些空泡流动到周围压力较高的地方时，会 溃灭而引起水力冲击，这种现象称为空化现象。 下图表示一段收缩扩张管内的水流，入口压力为p1 、出口压力为p2，收缩段的压力为pc ， 流速为u。当绝对压力降低到等于或小于当地水的饱和蒸气压力时，在收缩内水将要产生空化。 低压区的被空化的液体混合着大量的空泡形成了汽液两相流动，空泡随液体流动到收缩段下游时, 如果此处的压力大于蒸汽压力,则导致空泡破灭而引起巨大的冲击,使得空泡附近的固体壁出现空 化冲蚀。 收缩扩张管内水流示意图 机械作用理论认为，由于空泡破裂时产生的微射流和冲击波的强大

4、冲击作用致使物体表面被冲 蚀破坏。 第一种情况是由于压力梯度的作用使空化泡破裂。运动着的射流夹杂着空化泡时，在射流压力 梯度高的一端，空化泡被压得扁平，并不断向里凹进，最后两空泡壁相靠，射流与空化泡运动的方 向相反，微射流穿透另一空泡壁并使之破裂。这种破裂方式仅在液体的流动过程中发生，且只有当 空泡距离壁面在一定距离范围内时，微射流的破坏作用才占主导作用，若超出这个距离后，壁面的 破坏将以冲击波为主。 2.空化泡的机械作用 空化泡在压力梯度下破裂 第二种情况为空化泡在刚性固体壁表面附近破裂。近似于球形的空化泡随射流运动到刚性 固体壁表面，由于射流在固体表面形成一层很薄的漫流，因而在空化泡与刚性

5、壁面之间存在着 液流的横向流动，使空化泡壁距刚性壁面较近的一端(称为近壁)的液体压力低于较远的一端(称 为远壁)，向心运动速度也较其它部分慢，在空化泡中心向固体表面移动时，近壁区与固体表面 的距离基本不变，由于动量守恒(不考虑液体粘性的影响)，空化泡必须做加速运动，远壁向内 凹进，靠近近壁，近壁被穿透形成速度很高的微射流，这种微射流的方向指向固体表面，其破 坏力很强。 2.空化泡的机械作用 空化泡在刚性固体表面破裂 3.空化泡破灭时的压力 空化泡破裂时，能产生巨大的压力，称为冲蚀力。 根据空泡动力学，假定无界均质不可压的液体中有一球形气泡，液体密度为，内部压 力为Pb，无穷远处液体压力为Po。

6、若气泡从静止开始破裂，初始半径为R，假定Pb-Po为 定值。在球坐标下列出连续方程与运动方程： 球形空化泡模型 可推出球形空化泡半径与时间的关系： 球形空化泡半径与时间关系 压力与半径的关系： 因此，当气泡破裂的最后阶段，气泡破裂使液体向四面八方高速撞击，产生极高 压力，压力本身以及反射的压力波对表面材料有很强的冲蚀作用。这就是空化的清洗、 剥蚀及气蚀的流体力学原理。 有关研究表明,由计算确定的球形空泡溃灭时,在边壁上造成的压力可高达 1200MPa,而实测记录为775MPa。 3.空化泡破灭时的压力 空化射流的原理是在喷嘴内部诱使水流生成空化泡，并使这些空泡长大、压缩，适 当调节喷嘴结构与冲

7、击物体表面距离，当射流喷射到物体表面时空化泡破裂，产生高能 量的微射流和冲击波，在冲击物体表面或其附近形成高压区。由于空化泡破裂时产生的 巨大能量集中作用在许多非常小的面积内，从而在许多局部区域产生极高的应力集中， 造成对被冲击物表面污垢的冲蚀破坏。正是这种局部的压力增高和能量集中作用在物体 表面的冲蚀效果，使空化射流在相同的压力和流速下，其清洗、切割等效果远优于非空 化射流。 4.空化射流原理 空化射流原理 5.空化射流应用 由于空化水射流产生的空化效应可获得巨大能量，若加以有 效利用将可获得较好的效果，因此其在清洗、切割、破碎、除锈、 以及环保等方面获得了广泛的研究与应用。 用于清洗： 空

8、化射流清洗采用水为介质，利用空化效应产生的高温、高 压及微射流作用。所需清洗时间及耗水量比传统清洗方法要少得 多。空化清洗技术清洗管道可减少被清洗件的腐蚀，而且对碳氢 化合物类沉淀物的清洗特别有效。 (1)管道类：上下水、排污、输油、煤气、排烟管道。 (2)各类热交换器、冷却塔、冷凝器。 (3)盛装气、水、油、溶液、浆体等流体介质的各种工业容器。 (4)压力容器，包括储气缸、高压釜、合成塔等。 (5)公路、铁路运输用的槽罐车，水运船舶的油料仓等。 (6)船舶，在船舶维修工作中，可清除船体水面线上下的油污，剥除压载箱、底板及 船舱上的附着物及除锈等。 (7)钢材、铸件表面的除鳞、除锈、清砂。 (8)各种大型工业