气泡雾化喷嘴及喷雾特性
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喷嘴是一种新型重油燃烧嘴 " 其雾化机理不同于压 力和气动雾化 # 此种雾化方式相比常规雾化方式有 很多优点 )’-(
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用氮气 " 气体注入压力是 -#,0 "’&"KL@ " 气体注入方 式是从里向外 " 喷嘴出口大小是 ",<"!,#CC" 气液比 是 !"!!M#
图 > 的试验数据是在相对较低的压力下获得 的 " 这些在汽轮机和喷雾涂层上很有用 ! 在高压下
+ 如图 !. 的试验数据是典型的在柴油机上获得的 ! 这
些数据明确的表明了增加雾化压力对提高雾化效果 的有益作用 ! 一个例外就是 B’C8D)* 等人用粘度为
"0EFG8HIJKL 的牛顿流体做试验 " 发现对这种高粘度
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从前人所做的试验可看出国内外研究者最感兴 趣的气泡雾化特性是研究雾化颗粒的大小 % 速度分 布 %喷雾角 #
!""# 年第 ! 期
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万方数据
!雾化颗粒的粒径
雾化颗粒的粒径是评价喷嘴质量的重要指标 ! 在实际的喷嘴雾炬中 " 雾化颗粒的直径不是单一的 ! 为了表示雾炬颗粒的大小 " 常采用平均直径的概念 来说明 " 根据使用场合的不同有不同概念的平均直 径 " 常见的有 $%&’()* 平均直径 +%,-. " 又称比表面平 均径 " 它是按平均直径计算的假象液滴群的总体积 与总表面积的比值相等来确定的 ! 重量平均直径 /, 是以质量为权的平均径 ! 中径 /"01+,,-.是以颗粒群 中累积质量百分数占总重量的 1"2 所对应的直径 !
评审研讨会在河海大学常州校区隆重召开 $ 出席本次研讨会的领导与专家有江苏省科技厅计划处处长薛小 平 " 副处长李建民 ! 江苏省科技厅高新技术处马圣元 ! 江苏省经贸委资源处原处长龚逸峰 ! 江苏省信息中心 副总工程师许瑞林 ! 江苏省能源研究会理事长李大骥 " 秘书长魏启东 ! 常州市科协主席刘斌 ! 河海大学校长 助理兼常州校区管委会主任刘德有 $ 薛小平 " 李大骥 " 刘斌 "刘德有等同志分别在研讨会上做了报告 $ 来自全 省高校 " 科研单位及企业的专家 "学者 ]" 多人参加了研讨会 $ 我国国民经济发展将进入第十一个五年计划 ! 为了更好编制我国 % 十一五 & 科学技术发展规划 ! 在国务 院领导下 ! 国家科技部于 !"") 年组织开展了我国中长期科技发展规划研讨 ! 确定了 !" 个科技专题开展重 点研究 $ 江苏省政府对编制我省 %十一五 & 科技发展规划也作了总体部署 ! 要求通过开展深入的前期研究 ! 明 确我省 % 十一五 & 科技发展重点方向和任务 $ 本次研讨会正是根据省科技厅的要求 ! 由省能源研究会组织对 能源领域的重大发展方向进行研究讨论 ! 提出我省 % 十一五 & 新能源发展的重点方向 ! 为我省 % 十一五 & 规划 的编制提供依据 $ 共有来自 !" 多个单位的 #C 个项目参加了研讨 ! 包括太阳能 "风能 " 生物质能 "核能 " 地热能 " 抽水蓄能 " 燃料电池等新能源的开发利用 ! 还有对新能源开发利用的政策研究 $ 每个项目经过项目陈述 "专家提问和专 ’’ 常州天合光能有限 家组讨论等几个环节 ! 整个会议气氛认真而热烈 $ 会议期间还安排参观新能源企业 ’ 公司 !与会代表亲身感受新能源的实际应用 $ 本次会议促进了我省能源界的相互交流 ! 加深了对新能源发展的理解 ! 明确了我省新能源发展的思路 " 技术路线以及产业化的预定目标 ! 会议取得了圆满成功 $
压力对液滴速度的影响 ! 发现增加雾化压力液滴速 度会增加 ! 他们还研究了气液比对速度的影响 " 发现 随着 A3@ 的增加 " 速度稳步增加 " 如果雾化气的质 量越大 "加在其上的空气动力越大 "液滴速度增加更
! ! "1$%&’() %,- *+%&’(, A3@ $-./-.$!0
快!
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的雾化方式小 # 我国燃用重油 ! 渣油 ! 油浆等高粘度燃料的动力 设备包括燃气轮机 ! 动力锅炉 ! 化工加热炉 ! 窑炉等 " 在燃烧过程中存在许多问题 " 主要是燃烧器产生的 燃料液雾颗粒大且不均匀 " 造成液体颗粒的着火延 迟 ! 不完全燃烧等等 # 全国每年的重 ! 渣油消耗量多 达 0"12 $
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01>?. 等的试验表明了快速膨胀的气泡把液体
粉碎成小液滴的机理 " 他们研究了气泡雾化器出口 处液体形成一个环形区域 #随后环形区域内气体快 速膨胀 #破碎成一个窄带 " 在雾化气和周围气体的 空气动力场的影响下 #该带状区域破裂成液滴小颗 粒 #如图 @ 所示 "
7 !"#$%&’(
/0 喷嘴结构的影响
! > "#$%&’() %,- *+ ?3@ , %&’($-./-.$!0
几个研究者研究了出口直径对平均粒径的影 响 " 大多数认为出口直径与平均粒径无关 ! 然而 "
=&DH 等人发现在最低的雾化压力下 " 最小的直径 +"0GJJ. 能获得最好的雾化效果 % 而在较高的压力
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目前所进行的气泡雾化主要采用油 %水等雾化 #
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雾化机理研究
41&<=&, 和 (&)&*+,& 观 察 到 了 从 出 口 喷 出 的 气
泡喷到液体流中 # 在离开出口的时候 # 气泡经历了压 力突降的过程而迅速膨胀 #把液体粉碎成小颗粒 " 如 图 # 所示 "
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流 体 %,- 明 显 不 受 雾 化 压 力 的 影 响 "B’C8D)*$
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也有类似发现 !
50 气液比的影响
气液比是一个重要的参数 " 因为在保证雾化液 滴平均粒径的情况下 " 它能决定雾化气的最少用量 ! 大多数的研究表明了 A3@ 和雾化颗粒粒径的关系 !
01+.’2 等人把压力限制在高压下进行了试验 # 观察
到雾化角随着 3(4 的增加而增大 " $%&’ 和 (&)&*+,& 发现了增加 3(4 雾化角也有类似的增大的现象 #当 达到最大值后 # 随着 3(4 增加雾化角逐渐减小 #他 们认为这种现象的成因是随着 3(4 的增加 # 使内部 流动结构由气泡型逐渐变化到环流状态 # 从而引起 气泡能量的减少 " 二组研究人员的研究结果都表明 # 增加雾化压力锥角增加 "
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雾化气体采用空气 "气体注入压力是 !0""% "0"KL@ " 气 体 注 入 方 式 是 从 外 向 里 " 喷 嘴 出 口 大 小 是 ",0 "
!注入气体的压力比其它型式雾化喷嘴所要求
的压力低几倍 "但同样可以获得好的雾化效果 #
!,0CC "气液比是 #"%<M#
789
气泡雾化喷嘴的工作原理 喷嘴由四部分组成 $ 流体和气体进口 !混合室及 喷雾出口 " 如图 7 所示 " 气泡雾化喷嘴 # 其雾化机理不同于压力和气动 雾化 " 在气泡雾化中 #气体在喷嘴出口上游以射流形 式注入液体中 # 沿着中心孔管向下流动 # 气体 : 雾化 气 ; 进入中心孔管的环形腔内 # 气体的压力比液体压 力稍高 # 气体从中心孔管的孔进入流体 # 并形成气 泡 " 气泡在两相流动过程中加速 ! 变形 ! 膨胀 #在喷嘴 出口将液体挤压成丝状 # 并于离开喷嘴出口极短的 距离内 #由于内外压差的增大而急剧膨胀甚至爆炸 # 将液丝线炸成更加细微的颗粒 "
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# 气体的流率比其它双流体雾化方式小 # $ 在相同的流速下 " 喷雾出口孔比其它型式喷
雾器大 "这可以减轻堵塞问题 "并有利于喷雾喷嘴的 安装 #
% 流体粘度几乎不影响雾滴平均大小 " 这意味
着一种形式的气泡喷嘴可以处理多种不同的流体 " 而不影响其性能 #
为了使液体燃料在燃烧室中有效地燃烧 " 必须 通过雾化 " 形成颗粒微小 % 尺寸均匀的液雾 " 以增加 液体燃料与助燃空气之间的接触面积 " 提高液体燃 料的蒸发燃烧速度 $ 喷嘴的设计直接影响液体燃料 的雾化质量 $ 根据液体燃料的性质和雾化质量的要 求 " 经常使用的喷嘴类型有压力式雾化喷嘴 ! 旋转式 雾化喷嘴和气力式雾化喷嘴三大类 $ 这些雾化方式 在实际的应用过程中还存在许多问题 5 如结构复杂 ! 投资费用高 ! 对燃料的适应性较差 ! 磨损 ! 喷雾颗粒 不够均匀等急需解决的问题 $
"气耗率
气耗率是评价喷嘴经济性的一个重要指标 " 气 耗率高 # 泵送气体时做功就多 # 所消耗的能量也多 # 影响经济性 #所以在做水煤浆的气泡雾化中 # 应选取 合适的雾化压力 " 浙江大学对撞击式雾化煤浆喷嘴进行测试时 # 得出结论 $056 随着气耗率的增加而下降 " 当气耗 率到达某一值后 # 再增加气耗率 # 则 056 下降速度 减慢 # 这时气耗率的增加对雾化质量的提高就不很 明显 "
下 " 最大的直径 +!0#JJ. 获得的雾化效果没有多大提 高 ! 在高压下+77,9&. "=&/) 和 =&/) 等人也发现了 类似的规律 ! 他 们 发 现 总 出 口 直 径 从 "0>G 增 加 到
"07#JJ 时 " 平均粒径略微减小 ! 这可能是长径比减
小的结果 !
"雾化颗粒平均速度 9&DC;&HD’O&$%MN8& 与 %&D8&* 等 人 研 究 了 雾 化
!""#年第 ! 期
万方数据
!喷雾角 $%&’!(&)&*+,& !-.*/ 和 01+.’2 等 人 研 究 了 雾
化 角 " $%&’ 和 (&)&*+,& 在 适 中 的 压 和 下 完 成 了 试 验 # 发现气泡雾化角比压力雾化的大 # 这是因为气泡 雾 化 器 的 出 口 气 泡 迅 速 膨 胀 的 结 果 " 而 -./& 与
@M)LO)* &D/ 3)4)56*) 在最低的 A3@ 数 +"0"">. 和 3P
等人的最高的 A3@ 数 +"0G1.获得了 %,- 的分布 ! 试 验表明 %,- 是 A3@ 的非线性函数 " 在 A3@ 从 " 增 加到 "0"7 的时候 "%,- 减小很快 " 而后增加 A3@"
%,- 减小很慢 ! 3)4)56*) 等人验证了 A3@ 对液滴粒
&0 雾化压力的影响
雾化压力对平均液滴粒径有巨大影响 ! 3)4)56*) 等人在最低的压力 +7#0189&. 下测量了粒径 "%&(&:&!
(;<0 =&/) 等 人 在 最 高 压 力 +77,9&. 下 测 量 了 粒 径 !
多数研究表明 #增大雾化压力雾化平均粒径会减小 ! 雾化压力对 %,- 的影响见图 > 和 ! !
&气泡雾化喷嘴中流体的 流 动 速 率 比 常 规 的
小 # 因为与单相流动相比 " 两相流动被限制在较低的 流速 # 这可以减少液体中悬浮的固体颗粒对喷嘴孔 的磨损 # 这种装置简单 % 实用 % 运行的费用低 " 而且几 乎不需要维护 #
’ 在燃烧应用方面气泡雾化喷嘴产生的喷雾由
于喷雾中心空气的存在而有较低的污染排放 #
径分布的影响 !
C0 液体类型的影响
大 多 数 的 气 泡 雾 化 器 采 用 牛 顿 流 体 ! B’C8D)* 和 %MN8& 研究了非牛顿流体的雾化 ! 他们用具有非 牛顿流体特性的水 $ 甘油和黄原胶聚合物的混合物 做液体 ! 牛顿流体的雾化 %,- 比非牛顿流体的小 " 非牛顿流体能表现出粘弹性流体的特性 !
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+ 如图 !. 的试验数据是典型的在柴油机上获得的 ! 这
些数据明确的表明了增加雾化压力对提高雾化效果 的有益作用 ! 一个例外就是 B’C8D)* 等人用粘度为
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!雾化颗粒的粒径
雾化颗粒的粒径是评价喷嘴质量的重要指标 ! 在实际的喷嘴雾炬中 " 雾化颗粒的直径不是单一的 ! 为了表示雾炬颗粒的大小 " 常采用平均直径的概念 来说明 " 根据使用场合的不同有不同概念的平均直 径 " 常见的有 $%&’()* 平均直径 +%,-. " 又称比表面平 均径 " 它是按平均直径计算的假象液滴群的总体积 与总表面积的比值相等来确定的 ! 重量平均直径 /, 是以质量为权的平均径 ! 中径 /"01+,,-.是以颗粒群 中累积质量百分数占总重量的 1"2 所对应的直径 !
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气泡雾化喷嘴的工作原理 喷嘴由四部分组成 $ 流体和气体进口 !混合室及 喷雾出口 " 如图 7 所示 " 气泡雾化喷嘴 # 其雾化机理不同于压力和气动 雾化 " 在气泡雾化中 #气体在喷嘴出口上游以射流形 式注入液体中 # 沿着中心孔管向下流动 # 气体 : 雾化 气 ; 进入中心孔管的环形腔内 # 气体的压力比液体压 力稍高 # 气体从中心孔管的孔进入流体 # 并形成气 泡 " 气泡在两相流动过程中加速 ! 变形 ! 膨胀 #在喷嘴 出口将液体挤压成丝状 # 并于离开喷嘴出口极短的 距离内 #由于内外压差的增大而急剧膨胀甚至爆炸 # 将液丝线炸成更加细微的颗粒 "
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为了使液体燃料在燃烧室中有效地燃烧 " 必须 通过雾化 " 形成颗粒微小 % 尺寸均匀的液雾 " 以增加 液体燃料与助燃空气之间的接触面积 " 提高液体燃 料的蒸发燃烧速度 $ 喷嘴的设计直接影响液体燃料 的雾化质量 $ 根据液体燃料的性质和雾化质量的要 求 " 经常使用的喷嘴类型有压力式雾化喷嘴 ! 旋转式 雾化喷嘴和气力式雾化喷嘴三大类 $ 这些雾化方式 在实际的应用过程中还存在许多问题 5 如结构复杂 ! 投资费用高 ! 对燃料的适应性较差 ! 磨损 ! 喷雾颗粒 不够均匀等急需解决的问题 $
"气耗率
气耗率是评价喷嘴经济性的一个重要指标 " 气 耗率高 # 泵送气体时做功就多 # 所消耗的能量也多 # 影响经济性 #所以在做水煤浆的气泡雾化中 # 应选取 合适的雾化压力 " 浙江大学对撞击式雾化煤浆喷嘴进行测试时 # 得出结论 $056 随着气耗率的增加而下降 " 当气耗 率到达某一值后 # 再增加气耗率 # 则 056 下降速度 减慢 # 这时气耗率的增加对雾化质量的提高就不很 明显 "
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多数研究表明 #增大雾化压力雾化平均粒径会减小 ! 雾化压力对 %,- 的影响见图 > 和 ! !
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径分布的影响 !
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大 多 数 的 气 泡 雾 化 器 采 用 牛 顿 流 体 ! B’C8D)* 和 %MN8& 研究了非牛顿流体的雾化 ! 他们用具有非 牛顿流体特性的水 $ 甘油和黄原胶聚合物的混合物 做液体 ! 牛顿流体的雾化 %,- 比非牛顿流体的小 " 非牛顿流体能表现出粘弹性流体的特性 !