噴嘴霧化液滴D50值不確定評價與分析

石零，韓書勇，楊成武，陳文

（工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室（江漢大學），江漢大學化學與環(huán)境工程學院，湖北武漢430056）

噴嘴霧化液滴D50值不確定評價與分析

石零，韓書勇，楊成武，陳文

（工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室（江漢大學），江漢大學化學與環(huán)境工程學院，湖北武漢430056）

噴嘴廣泛應用于濕法脫硫、除塵等設備中，霧化液滴中位粒徑D50是評價噴嘴霧化的重要參數(shù)。對孔徑分別為1.44 μm和0.46 μm的噴嘴進行不同壓力、距離霧化實驗，并采用不確定度的評價方法評估了霧化液滴D50值的不確定度。實驗和評價結果表明：盡管噴嘴使用條件改變，霧化液滴D50值存在著較大的差別，但相同條件下霧化液滴的D50偏差不大，合成不確定度值小于5.00 μm。進一步說明霧化液滴D50值是由噴嘴結構所決定，用D50指導噴嘴選擇是可靠的。

中位粒徑；霧化液滴；不確定度評價；霧化噴嘴

0 引言

噴嘴是濕法脫硫、除塵等設備中的關鍵部件之一［1］，噴嘴的霧化效果直接影響設備系統(tǒng)對污染物的凈化效率。噴嘴的霧化效果受很多因素的影響，如霧化壓力、霧化液體的物化性質、噴嘴結構、霧化機理等，評價噴嘴的霧化效果指標包括霧化液滴粒徑、霧化角、流速等，其中霧化粒徑包括D50、D10、D90、D32、D43等參數(shù)，而D50是評價霧化液滴粒徑的代表性參數(shù)，在粒度測試和評價中，一般采用D50作為參考值［2］。目前，國內外科研工作者對噴嘴的霧化特性、結構特點等進行了大量的實驗和理論研究［3-5］，對噴嘴的霧化機理、霧化特性都有一定的了解，雖然噴嘴已廣泛應用于工業(yè)中，但在實際中，仍然存在對噴嘴的選用不當，這其中很大一部分原因是對霧化液滴D50值的偏差的不恰當估計。為此，筆者在孔徑分別為1.44 μm和0.46 μm的噴嘴進行不同壓力、距離霧化實驗的基礎上，給出了對噴嘴在不同條件下的霧化液滴D50值測量值的不確定度評估。

1 測量系統(tǒng)和評價模型

噴嘴是液體氣溶膠的主要發(fā)生裝置。液體從噴嘴孔口射流出來，與周圍的氣體發(fā)生相互作用，在此過程中從噴嘴孔口射流出來的液體和與其產(chǎn)生作用力的氣體不斷地進行質量和動量的交換，液體射流的速度逐漸減小，同時發(fā)生滴狀分裂、絲狀分裂和膜狀分裂，形成粒徑大小各異的霧化液滴顆粒［6］。噴嘴的霧化液滴是由無數(shù)液滴顆粒組成，其粒徑大小不一，粒徑D50參數(shù)表示的是樣品中粒徑小于它和大于它的顆粒各占50%，而D50值一般作為液滴粒徑的代表性參數(shù)［7］。

1.1 測量系統(tǒng)

噴嘴霧化液滴粒徑的測量是基于歐美克DP-2激光粒度分析儀，測量噴嘴霧化液滴的粒徑分布，其中包含有液滴的D50值。在搭建的實驗系統(tǒng)上，改變噴嘴霧化條件，測量多組噴嘴霧化液滴的粒徑分布，取每組的D50值。

噴嘴霧化實驗系統(tǒng)采用一種壓力型孔徑可調噴嘴，以水為工質。測量儀器歐美克DP-2型激光粒度分析儀使用的主要參數(shù)如表1：

表1 DP-2激光粒度分析儀其基本參數(shù)和技術指標Tab.1 Basic parameters and technical indexes of the DP-2 laser particle size analyzer

1.2評定模型

霧化液滴D50值采用不確定度的評價方法進行評價［8-9］，建立如下數(shù)學模型：其中，y為被測量的霧化液滴的D50值；x為DP-2型激光粒度分析儀測得霧化液滴的D50值。其靈敏度系數(shù)為，其不確定度來源主要可以分為：重復測量次數(shù)引起的不確定度分量u1、儀器本身引起的不確定度分量u2、環(huán)境溫濕度引起的不確定度分量u3等。

假設由儀器重復測量所引起的不確定度分量為u（1A類評定），其計算公式為：

其中xk為第k次測量D50值；為D50平均值；n-1為自由度。

u（2B類評定）為儀器本身的不確定度分量，由表1可知，DP-2激光粒度分析儀對霧化液滴D50測量值的精度為±0.03 μm，由矩形分布可知，其不確定度分量：

由于在相同條件下，溫濕度及其他因素對D50值的測量造成的影響不大，在此暫不考慮u3及其他因素的影響。根據(jù)測量重復次數(shù)和儀器本身引起的不確定度，采用合成不確定度的方法進行合成，因為u1和u2相互獨立，因此其合成不確定度為：

2 實驗結果和霧化液滴D50值不確定度評價和分析

采樣建立的評定模型對實驗數(shù)據(jù)進行不確定度的計算和評定，包括在不同的霧化噴嘴噴孔直徑、霧化壓力和噴孔距測量管線距離條件下的霧化液滴D50值的不確定度評定。

2.1 不同噴嘴孔徑下噴嘴霧化液滴D參數(shù)的不確定度評價與分析

噴嘴孔徑的大小直接影響噴嘴霧化液滴的粒徑分布。由實驗數(shù)據(jù)可知：在霧化壓力和噴嘴與光線距離相同的情況下，噴嘴孔徑較小的噴嘴產(chǎn)生霧化液滴的D50值較孔徑較大的噴嘴產(chǎn)生霧化液滴的D50值要小。采用公式（2）對此條件下25組D50值求其不確定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不確定度。表2給出了孔徑為0.46 mm和1.44 mm的噴嘴，在霧化壓力為0.32 MPa，噴嘴與光線距離為9 cm的霧化條件下，噴嘴所產(chǎn)生的霧化液滴的D50平均值和其合成不確定度值。

表2 不同噴嘴孔徑下D50值及其不確定度Tab.2 D50and uncertainty of different nozzle apertures

噴嘴孔徑的尺寸與噴嘴霧化液滴的D50值之間暫時沒有確切的計算公式，由Lewis-Nukiyama-Ta?na-sawa［10］式可以知道在其他參數(shù)一定時，液滴粒徑的大小隨著噴嘴孔徑的平方而增加。因此，可以認為噴嘴霧化液滴的D50值是隨著噴嘴孔徑尺寸的增大而增大。由表2可以看出，在自由度為24時，噴嘴霧化液滴的D50值的合成不確定度值小于0.45μm。

2.2 不同霧化壓力下噴嘴霧化液滴D50參數(shù)值的不確定度評價與分析

在距離、噴嘴孔徑等條件一定時，噴嘴霧化液滴的D50值隨著壓力的變化而變化。由實驗數(shù)據(jù)可知：在一定的范圍內，霧化壓力越大，噴嘴霧化液滴的D50值越小且變化率逐漸減小。采用公式（2）對此條件下25組D50值求其不確定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不確定度。表3給出了孔徑為1.44 mm的噴嘴在噴嘴與光線距離為9 cm時，在不同壓力下的霧化液滴的D50值和其合成不確定度值。

表3 不同壓力下D50值及其不確定度Tab.3 D50and uncertainty of different pressure

在高壓下，噴嘴將壓力轉化為液體的動能，液體在噴孔處形成高速運動的射流，與周圍的氣體介質發(fā)生作用，壓力越大，液體的動能越大，而液滴粒徑的大小是隨著射流速度的增加而減小的，所以D50值就減小。采用公式（2）對此條件下25組D50值求其不確定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不確定度。由表3可以看出，在自由度為24時，孔徑為1.44 mm的噴嘴在測量光線與噴孔距離為9 cm的霧化液滴的D50值隨著壓力的增大而減小，其合成不確定度值均小于4.01 μm。

2.3 不同噴嘴與光線距離下噴嘴霧化液滴D50值的不確定度評價與分析

噴嘴與測量光線的距離并不會影響噴嘴霧化液滴的粒徑大小，但會影響霧化液滴D50值的測量值。由實驗數(shù)據(jù)可知：噴嘴在霧化壓力和噴嘴孔徑等參數(shù)一定時，噴嘴與光線的距離不同，D50參數(shù)的測量值大小也不同，隨著距離的增加，D50參數(shù)測量值基本上是先增大后減小，當減小到一定值時，又會逐漸增大。采用公式（2）對此條件下25組D50值求其不確定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不確定度。表4給出了孔徑為1.44 mm的噴嘴，在霧化壓力為0.32 MPa的條件下，噴嘴的D50參數(shù)值隨噴嘴與光線距離的改變而變化。

表4 不同噴嘴與光線距離下D50值及其不確定度Tab.4 D50and uncertainty of different distances between nozzle and ray

液體從噴嘴的噴孔噴出后瞬間被霧化成微細的顆粒狀，并呈錐形分布。液體顆粒在出口方向上的速度逐漸減小，在距離噴孔較近的位置，從噴嘴出來的液體還沒有完全被霧化，因此所測量的D50值較大。在一定的距離位置，液體被完全霧化，此時霧化噴嘴的D50值是最小的，之后由于部分顆粒之間發(fā)生碰撞、凝并以及沉降等作用而發(fā)生凝結現(xiàn)象，故霧化液滴的D50值的測量值再次變大。由表4可以看出，D50值的合成不確定度值最大為1.64 μm。

3 結論

通過霧化實驗，并用不確定度的評價方法對霧化液滴的D50值進行評價，得出以下結論：

（1）在自由度為24時，對于不同孔徑的霧化噴嘴，其D50值的合成不確定度值均小于0.50 μm；

（2）自由度為24時，霧化噴嘴在噴嘴與測量光線的距離為9 cm時，霧化壓力從0.14 MPa增大到0.32 MPa的過程中，其霧化液滴的D50值的合成不確定度均小于4.01 μm；

（3）霧化噴嘴在孔徑為1.44 mm，霧化壓力為0.32 MPa，自由度為24時，噴嘴霧化液滴的D50參數(shù)值的合成不確定度均小于1.67 μm。

通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，提出了一種用不確定度評價方法評定噴嘴霧化液滴D50值的評價方法。實驗測量和分析結果表明，噴嘴霧化液滴在不同霧化條件下的粒徑存在較大的差別，但每種條件下霧化液滴的D50偏差不大，最大合成不確定度值小于4.01 μm。進一步說明霧化液滴D50值主要是由噴嘴結構所決定，用D50值來指導噴嘴選擇是可靠的。

（References）

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［3］魏琪，岑旗鋼.噴嘴霧化特性的PDPA實驗研究進展［J］.排灌機械，2003，21（4）：27-30.

［4］楊家俊，張冰潔，劉定平.螺旋噴嘴霧化特性試驗研究［J］.環(huán)境工程，2013，31（5）：71-74.

［5］DUANGKHAMCHAN W，RONSSE F，DEPYPERE F.CFD study of droplet atomization using a binary nozzle in flu?idized bed coating［J］.Chemical Engineering Scienc-e，2012（68）：555–566.

［6］向曉東.氣溶膠科學技術基礎［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2012：176-178.

［7］張福根，榮岳龍.粒度評價方法探討［J］.中國粉體技術，2001，7（3）：32-34.

［8］臧慕文.分析測試不確定度的評定與表示［J］.分析實驗室，2005，24（11）：74-79.

［9］高風英，楊紅衛(wèi).用不確定度評價測量結果的質量［J］.北京輕工業(yè)學院學報，2009，18（3）：57-62.

［10］郭宣祜，王中喜.噴霧干燥［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1983.

（責任編輯：葉冰）

Uncertainty Evaluation and Analysis of D50Parameters of Atomized Droplet of Spraying Nozzle

SHI Ling，HAN Shuyong，YANG Chengwu，CHEN Wen
（Hubei Key Laboratory of Industrial Fume and Dust Pollution Control，School of Chemistry and Environmental Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Nozzle is widely applied in the devices of wet desulphurization，dust removal and others，the D50of the atomized droplets is the key parameter to evaluate the nozzle.Atomization experiments of different pressure and distance for the nozzle with the apertures of 1.44μm and 0.46 μm were car?ried on，and the uncertainty values of the D50of the atomized droplets are calculated with uncertain?ty evaluation method.The experiment and evaluation results indicate，the D50value of the atomized droplets changes a lot with the change of atomized conditions，but the deviation of the D50values in the same conditions is small with the maximum value of measure of uncertainty being 5μm.And the further conclusion is that the D50of the atomized droplets is determined by the structure of nozzle，and it is reliable to guide the selection of nozzle with D50.

D50；atomized droplet；uncertainty measurement；spraying nozzle

X70

A

1673-0143（2014）06-0005-04

2014-08-13

武漢市科技計劃項目（2013061001010482）

石零（1968—），男，副教授，博士，研究方向：大氣污染控制技術。