劉振華葉世超 祝杰 段蘭娟 鄭雯佳 劉學瑾

（四川大學化學工程學院)

雙通道氣流式噴嘴霧化特性實驗研究

劉振華*葉世超 祝杰 段蘭娟 鄭雯佳 劉學瑾

（四川大學化學工程學院)

以清水和空氣為實驗介質，對同軸雙通道氣流式噴嘴霧化特性進行了實驗研究，分析了噴淋量對霧化角及徑向流通量分布的影響，分別考察了氣速和噴嘴軸向位置對液滴索特平均直徑（SMD）的影響。研究結果表明，噴嘴徑向流通量分布隨著霧化氣量的升高而趨于集中，當氣體流量高于1500 L/min時，霧化角隨著氣量升高而降低；噴口處氣速與噴嘴軸向位置均是影響液滴SMD與粒徑分布的重要因素，液滴SMD隨著氣速增大逐漸減小，當氣速超過150 m/s時其下降趨勢變緩，粒徑分布均勻度顯著提高；隨著噴嘴軸向距離增大液滴SMD逐漸減小，當距離大于300 mm時其變化不再顯著，但粒徑分布均勻度顯著提高。

噴嘴 氣流式霧化 平均直徑 軸向位置 粒徑分布

0 引言

氣流式噴嘴因其結構簡單、霧化性能高等優(yōu)勢，廣泛應用于噴霧干燥、燃燒以及噴霧造粒等多領域。隨著氣流式噴嘴應用領域的不斷擴大，人們對噴嘴霧化性能的要求越來越高，相關研究也越來越深入。通常地，液滴索特平均直徑（Sauter mean diameter,SMD）和噴嘴徑向流通量分布是衡量噴嘴霧化效果優(yōu)劣的重要指標，其主要受噴嘴結構、霧化介質物性和操作條件等因素的影響。秦軍等[1]對雙通道氣流式噴嘴加壓霧化過程進行了分析，考察了不同環(huán)境壓力對液滴SMD的影響；劉海峰等[2]以氣流式霧化有限隨機分裂模型為基礎,結合液滴運動規(guī)律和分裂時間，得到了同軸雙通道氣流式噴嘴霧化過程的液滴SMD的一般表達式；紀利俊等[3]采用Y型氣流式噴嘴研究得出了氯化液霧化過程中的粒徑累計分布表達式；朱學軍等[4]研究了旋流式噴嘴在低壓條件下的液滴噴淋尺寸以及噴淋周向均勻度；張麗麗等[5]利用CFD技術模擬了噴霧干燥過程，建立了氣流式噴嘴顆粒-氣體兩相運動以及液滴霧化干燥的模型。Zhou等[6]研究了Y型氣流式噴嘴單孔射流過程，得到了Y型噴嘴隨機霧化模型。然而對于不同軸向位置及氣速條件下粒徑分布均勻度特性的研究還鮮見報道。

本文以噴霧造粒中霧化過程為背景，通過條件實驗，研究了霧化氣流量對噴嘴徑向流通量分布及霧化角的影響，考察了不同軸向位置處液滴SMD及粒徑分布均勻度特性等問題。

1 實驗部分

氣流式噴嘴霧化特性實驗裝置如圖1所示。氣流式霧化器為同軸雙通道結構，內(nèi)管直徑3 mm，外管直徑20 mm，噴嘴處孔徑4 mm，即噴嘴處環(huán)隙寬度0.5 mm。霧化介質空氣由風機輸送，經(jīng)過轉子流量計計量后進入噴槍外管；儲存在水槽內(nèi)的清水由已標定流量的蠕動泵輸送至噴槍內(nèi)管。液體在噴嘴出口處受到高速氣流的沖擊作用后破碎成液滴，完成霧化過程。實驗中所使用的儀器設備如表1所示。

圖1 氣流式噴嘴噴淋特性實驗流程

表1 實驗儀器

徑向流量分布實驗中，自制液滴接收裝置，由試管架和13支內(nèi)徑8 mm試管組成。將試管編號并依次排列成行，管間距為13 mm。實驗開始前，將受液裝置放置于噴嘴正下方一定高度處，并用擋板遮擋。開啟霧化系統(tǒng)至穩(wěn)定，使用Canon D50單反數(shù)碼相機拍攝霧錐照片后，迅速移開擋板并計時，待受液一定時間后，關閉霧化系統(tǒng)。按重量法計算得到噴嘴徑向流通量分布。使用圖像分析軟件處理霧錐照片，得到霧化角。

液滴SMD實驗中，以玻璃培養(yǎng)皿作為液滴計數(shù)池。采樣前，先在培養(yǎng)皿中加入少量的凡士林，加熱使其融化，而后靜置一段時間，使凡士林在培養(yǎng)皿底部凝固成平整的薄膜。采樣時，手持采樣池快速水平通過采樣區(qū)。使用單反相機拍攝采樣圖片，并使用圖像分析軟件對采樣池中的液滴進行統(tǒng)計分析。液滴SMD的計算式為：

式中Di——樣品液滴測量直徑，m；

Ni——測量直徑為Di的樣品液滴數(shù)。

2 結果及討論

2.1 氣流量對噴嘴徑向流通量分布的影響

圖2為不同霧化氣流量下噴嘴徑向流量分布圖。實驗條件：清水流量150 mL/min，軸向高度300 mm，霧化壓力0.3 MPa。由圖2可見，隨著霧化氣體流量的增加，中心區(qū)域流通量逐漸升高。這是因為霧化氣流量增大，空氣動能隨之增大，有助于形成粒徑更小的液滴[7]，液滴集中分布于霧錐的中心區(qū)域，且徑向噴淋的對稱性得到改善。

表2為上述實驗條件下，霧化角與霧化氣流量的變化關系。隨著霧化氣體流量的增大，霧化角呈先增大后減小的趨勢，在氣體流量為1500 L/h時霧化角最大。這是因為霧化角的變化與霧化機理相關，在氣速較低時液滴以絲狀分裂為主，在較高流量下則以膜狀分裂為主。一般地，單純絲狀分裂的霧化角要比膜狀分裂時要小，這與王喜忠等人[8]的研究結果類似。由此可見，在氣流量低于1500 L/min時，霧化過程處于絲狀分裂和膜狀分裂的過渡區(qū)；當氣流量超過1500 L/min時，液滴以膜狀分裂為主，此時霧化角的大小取決于氣液間的相對氣速，霧化氣流量越大，相對氣速就越大，而霧化角則逐漸減小。

圖2 霧化氣流量與噴嘴徑向流量分布關系

表2 霧化角與霧化氣流量關系

2.2 噴口處氣體流速對液滴粒徑分布的影響

在固定氣液質量比為1，軸向距離為200 mm的條件下，考察噴口處氣體流速對SMD以及液滴粒徑分布的影響，實驗結果如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，隨著噴口處氣體流速的增大，液滴SMD總體呈下降趨勢，且當噴口處氣體流速超過150 m/s時，下降趨勢趨于平緩。這是由于噴口處氣體流速增大，其在出口處的動能就越大，更多能量用于霧化[8]，使得霧化效果提升，而當噴口處氣體流速達到一定值時，液滴接近最大穩(wěn)定粒徑，噴口處氣體流速對液滴粒徑的影響減小。由圖4可見，隨著噴口處氣體流速的增大，峰值粒徑減小，噴口處氣體流速低于150 m/s時，粒徑分布均勻度變化不大，當噴口處氣體流速超過150 m/s時，粒徑分布均勻度顯著提高。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是，當噴口處氣體流速超過150 m/s時，液滴將會發(fā)生二次破碎[9]。

圖3 氣速對液滴SMD的影響

圖4 不同氣速下的液滴粒徑分布

2.3 軸向位置對液滴粒徑分布的影響

在固定清水流量為150 mL/min，霧化氣體流量為2000 L/h的條件下，考察軸向位置變化對液滴SMD及粒徑分布的影響分別示于圖5、圖6。由圖5可見，隨著軸向距離的增大，液滴的SMD呈逐漸下降的趨勢，當軸向距離達到300 mm時，下降趨勢變緩。在圖6中可以清楚地看到，峰值粒徑隨距離增加而減小，軸向距離在300 mm以下時，粒徑分布范圍較寬，但軸向距離超過300 mm時，粒徑分布均勻度顯著提高。這是由于當液滴粒徑大于最大穩(wěn)定粒徑時，液滴可能二次發(fā)生分裂。隨著軸向距離的增加，液滴的霧化作用時間增長，液滴不斷分裂，在軸向距離達到300 mm時，液滴可能發(fā)生二次破碎[10]。此后，液滴粒徑不斷減小，并接近最大穩(wěn)定粒徑范圍。沿軸向，液滴變得稀疏，碰撞幾率減小，繼續(xù)分裂的幾率降低，粒徑減小的趨勢也趨于平緩。

圖5 不同軸向位置對液滴SMD的影響

圖6 不同軸向位置的液滴粒徑分布

3 結論

(1)隨著霧化氣流量的增加，中心區(qū)域流通量逐漸升高，流通量分布趨于集中，徑向噴淋的對稱性提高。霧化角大小與霧化機理有關，其趨勢是隨霧化氣流量增大而先增大后減小。

(2)液滴SMD隨噴口處氣速的增加，呈先下降后趨緩的趨勢，氣速高于150 m/s時對SMD影響不大，但粒徑分布均勻度顯著提高。

(3)隨著噴嘴軸向距離的增大液滴SMD逐漸減小，當高度大于300 mm時其影響不顯著，但粒徑分布均勻度顯著提高。

[1]秦軍，陳謀志，李偉峰，等.雙通道氣流式噴嘴加壓霧化的實驗研究[J].燃燒科學與技術，2005，11 (4)：384-387.

[2]劉海峰，李偉峰，陳謀志，等.大液氣質量流量比雙通道氣流式噴嘴霧化滴徑[J].化工學報，2005，56 (8)：1462-1466.

[3]紀利俊，朱家文，應衛(wèi)勇，等.氯化液噴霧脫揮工藝研究[J].現(xiàn)代化工，2005，26(11)：57-60.

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[5]張麗麗，周慎杰，陳舉華.氣流式噴嘴流體霧化干燥過程的CFD分析[J].計算機仿真，2008，25(12): 329-331.

[6]ZhouYG,ZhangMC，YunY.Experimental investigation and model improvement on the atomization performance of single-hole Y-jet nozzle with high liquid flow rate[J].Powder Technology,2010,199(3):248-255.

[7]閻紅，梁允成，王喜忠.氣流式噴嘴霧化性能的研究[J].化學工程，1991，19(3)：73-77.

[8]王喜忠,于才淵,周才君,等.噴霧干燥[M].北京：化學工業(yè)出版社,2003.

[9]成曉北,鞠洪玲.高壓噴射霧化液滴的二次破碎機理[J].華中科技大學學報（自然科學版）,2008，36(10)：125-128.

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塔盤式閃蒸-換熱一體化技術通過鑒定

2015年1月31日，中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會在北京組織召開了華東理工大學“塔盤式閃蒸-換熱一體化技術”科技成果鑒定會，并對該成果通過了鑒定。與會專家一致認為，該成果耦合了旋流閃蒸與直接換熱過程，強化了熱、質傳遞過程，提出的塔盤式閃蒸-換熱一體化的高壓帶溫含渣黑水綜合回用工藝技術具有創(chuàng)新性。該成果已在兗礦新疆煤化工有限公司等6家企業(yè)16臺大型氣流床加壓煤氣化渣水處理系統(tǒng)中得到成功應用，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。

該成果的取得是華東理工大學和兗礦集團在協(xié)同創(chuàng)新新機制下經(jīng)過不斷努力的結果。通過煤基能源化工協(xié)同創(chuàng)新中心的建設，不斷推進塔盤式閃蒸-換熱一體化技術在煤氣化領域的工程化進展，為華東理工大學自主知識產(chǎn)權的多噴嘴對置式煤氣化技術的進步作出了重要貢獻。鑒定委員會認為，該成果具有自主知識產(chǎn)權，創(chuàng)新性強，處于國際領先水平。（錢伯章）

Experimental Investigation on Spray Characteristics of Twin-Fluid Air-Blast Nozzle Atomization

Liu Zhenhua Ye Shichao Zhu Jie Duan Lanjuan Zheng Wenjia Liu Xuejin

The atomization performance of the coaxial dual channel pneumatic nozzle using water and air as experimental medium was investigated.The influence of different sprinkling rate on atomization angle and the radial flow distribution was analyzed.Respectively investigated the influence of gas velocity and the axial position of the spray on the Sauter mean diameter(SMD)of spray droplet.The results show that the radial flow distribution tended to concentrate with the increasing sprinkling rate and the atomization angle was reduced with the increasing gas flow rate when the rate was higher than 1500 L/min.Gas speed and axial position were the important factors influencing the droplet SMD and particle size distribution.SMD decreased by increasing either gas velocity or the axial position of nozzle.When gas velocity was more than 150 m/s and axial position was greater than 300 mm,the trend get gently but the uniformity of particle size distribution was increased significantly.

Nozzle;Pneumatic atomization;Mean diameter;Axial position;Particle size distribution

TQ 051.1

2014-06-23）

*劉振華，男，1989年生，碩士研究生。成都市，610065。