介質(zhì)霧化型噴嘴性能研究

邵先月，韓俊寶

1 引言

介質(zhì)霧化型噴嘴霧化質(zhì)量高、氣耗率低，已在電廠鍋爐、工業(yè)窯爐的燃燒設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用[1]。噴嘴的性能決定了燃燒設(shè)備的材料利用率和能耗，它的性能指標(biāo)在該行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。由于介質(zhì)霧化噴嘴內(nèi)部既有可壓縮的霧化介質(zhì)，又有不可壓縮的流體，氣液兩相流間存在著不可避免的相互影響，其內(nèi)部的流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜。

介質(zhì)霧化型噴嘴根據(jù)霧化介質(zhì)的變化又可細(xì)分為氣動(dòng)霧化和氣泡霧化。由于氣泡霧化具有霧化質(zhì)量高、耗氣量少、霧化效果不受出口直徑影響等優(yōu)點(diǎn)，氣泡霧化噴嘴廣泛用于霧化油渣等高粘度液體燃料。本文以氣泡霧化型噴嘴為例進(jìn)行分析。

2 介質(zhì)霧化型噴嘴的結(jié)構(gòu)原理

介質(zhì)霧化型噴嘴存在介質(zhì)混合后再?gòu)膰娮熘猩涑龅倪^(guò)程。噴嘴霧化包括兩個(gè)過(guò)程，出口處的一次霧化和下游的二次霧化。出口處的一次霧化過(guò)程是出口處的環(huán)狀液膜被外界氣動(dòng)力的擾動(dòng)所影響，液膜表面震動(dòng)形成表面波，液膜邊緣處隨著波動(dòng)幅度的增大而發(fā)生破裂，進(jìn)而形成大液滴。下游的二次霧化過(guò)程和噴嘴霧化一樣，液線的不穩(wěn)性不斷增加，當(dāng)超過(guò)臨界值時(shí)，大液滴破碎形成小液滴。在一次霧化與二次霧化的過(guò)程中往往也伴隨著液滴的碰撞[2]。

圖1是氣泡霧化噴嘴噴射示意圖，具體的霧化過(guò)程：噴嘴出口處的一次霧化受到噴嘴內(nèi)部氣泡對(duì)流體的剪切力和擠壓作用，噴嘴外部進(jìn)出口射出的液膜和液線中存在著很多細(xì)小的氣泡，液體攜帶著細(xì)小氣泡從出口射出的同時(shí)，由于氣泡的內(nèi)外壓差發(fā)生突變，氣泡膨脹進(jìn)而發(fā)生破裂，攜帶著氣泡的液膜在周圍氣動(dòng)力和氣泡的膨脹破碎的作用下破碎形成細(xì)小的液滴顆粒；這些形成的液滴顆粒在湍流射流過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)生破碎，即二次霧化。

圖1 氣泡霧化噴嘴噴射示意圖

圖2 氣泡霧化噴嘴的內(nèi)部流態(tài)

圖2為氣泡霧化噴嘴進(jìn)出口處的內(nèi)部流態(tài)模型，Petersen等人在文獻(xiàn)中將噴嘴進(jìn)出口混合腔出口處的氣液兩相流型分為泡狀流、環(huán)狀流、塊狀流和彈狀流四種經(jīng)典流型[3]。該文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)塊狀流和彈狀流在內(nèi)部混合腔中形成時(shí)，所形成的外部霧化場(chǎng)的脈動(dòng)很不穩(wěn)定，所形成的外部霧化場(chǎng)能夠保持連續(xù)穩(wěn)定效果的則是泡狀流和環(huán)狀流。另外，環(huán)狀流與泡狀流的霧化結(jié)果對(duì)比得出，環(huán)狀流產(chǎn)生的霧化氣泡比較小，所以霧化效果比較理想。因此，改變噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而使內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生改變對(duì)霧化影響很大，噴嘴的霧化性能往往衡量著噴嘴的效果如何。

3 霧化性能指標(biāo)

合理的噴嘴結(jié)構(gòu)能提高液體的霧化質(zhì)量，從而提高噴嘴的性能，不同場(chǎng)合的應(yīng)用中衡量霧化結(jié)果好壞的指標(biāo)也會(huì)有所不同。常用的衡量霧化性能指標(biāo)的參數(shù)有流量特性、噴霧周向不均勻度、多噴口管路流量分布不均勻性、液滴粒徑分布、霧化錐角等。

3.1 流量特性

流量特性是衡量噴嘴霧化性能的基本指標(biāo)。隨著壓力增大，噴嘴流量相應(yīng)增大。壓力較小時(shí)，流量增長(zhǎng)速率較快，壓力增大時(shí)，流量增長(zhǎng)速率漸趨平緩，直至趨近一個(gè)定值。由壓力式噴嘴流量方程也可以得出，壓力增大到一定值時(shí)，流量將趨近于某一定值。此時(shí)想通過(guò)改變壓力來(lái)改變噴嘴流量很困難，要增大噴嘴的流量必須通過(guò)增加噴孔直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

3.2 霧滴粒徑

液體霧化質(zhì)量的好壞可以由液滴直徑大小來(lái)衡量。在霧化行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中形成了不同的直徑表達(dá)方法，在不同場(chǎng)合的應(yīng)用中常見的衡量

液滴粒徑的方法有算術(shù)平均法、體積平均法、表面積平均法、質(zhì)量平均法等，其中常用的有SMD和MMD[5]。所謂MD（SauterMean Diameter）又被稱做索特平均直徑，用d32或者是D32來(lái)表示。其具體含義是假設(shè)顆粒群中的顆粒具有相同的形狀和直徑，其中霧化顆粒的總表面積和總體積與實(shí)際霧化射流場(chǎng)中的顆粒相同，此時(shí)的直徑即為D32。公式表達(dá)為

式中N——液滴群的總液滴數(shù)量

ni——霧滴群中直徑為di的霧滴數(shù)

由公式可以得出，SMD越小則整體的液滴群總表面積會(huì)越大，即顆粒粒徑越小，液滴與空氣的接觸面積越大，因此SMD為蒸發(fā)和燃燒中衡量霧化質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。

另一個(gè)常用的粒徑表達(dá)方法為MMD（Mass Median Diameter），即質(zhì)量中值直徑，也可以用D0.5和dm來(lái)表示，含義是質(zhì)量是中間值的液滴直徑。在整個(gè)液滴分布中大于這個(gè)直徑的霧滴質(zhì)量和小于這個(gè)直徑的霧滴質(zhì)量相同，簡(jiǎn)而言之為質(zhì)量平均法。質(zhì)量中值直徑數(shù)值越小，其產(chǎn)生的整體液滴的霧化越細(xì)，霧化效果越好。在一個(gè)霧化射流場(chǎng)中，運(yùn)用不同的方法表示霧化液滴粒徑數(shù)值的話，往往誤差會(huì)很大，因此要結(jié)合實(shí)際情況選用合適的粒徑表示方法。如果僅僅用粒徑參數(shù)作為最終衡量霧化質(zhì)量好壞的評(píng)價(jià)參數(shù)，無(wú)法對(duì)液滴粒徑分布的均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得出片面的結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)將霧化液滴粒徑參數(shù)和液滴粒徑的空間分布情況共同作為衡量霧化質(zhì)量的參數(shù)。其中常用的粒徑分布函數(shù)關(guān)系表達(dá)式有羅辛-拉姆勒分布 （Rosin-Rammler Distribution R-R分布）、正態(tài)分布（Gaussian Distribution高斯分布）和上限對(duì)數(shù)正態(tài)分布等，其中最為常用的是R-R分布表達(dá)式。

3.3 霧化錐角

液體從噴嘴中噴出后，向霧化室內(nèi)擴(kuò)散形成霧炬，整個(gè)霧炬的形態(tài)呈現(xiàn)圓錐型（不是正規(guī)圓錐）。為衡量霧化錐型的擴(kuò)張程度，引入了霧化錐角的概念。所謂霧化錐角即為噴嘴出口與霧炬外邊緣之間所形成的夾角。圖3為霧化錐角示意圖。因霧滴動(dòng)能是持續(xù)衰減的，在噴嘴出口處，霧炬橫向擴(kuò)散能力不斷減弱，進(jìn)而可能出現(xiàn)一定程度的收縮，所以對(duì)于霧化性能好的噴嘴來(lái)說(shuō)，收縮程度不應(yīng)該太大。在沒有外力作用時(shí)，霧滴從噴嘴射出后，會(huì)受到慣性的作用繼續(xù)沿直線運(yùn)動(dòng)，使得噴霧呈圓錐狀。但是往往在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，霧滴從噴嘴射出后會(huì)攜帶少量空氣伴隨其運(yùn)動(dòng)，從而在霧滴的中心形成一定程度的負(fù)壓，當(dāng)霧滴周圍的壓力大于中心的壓力時(shí)，霧滴反而會(huì)收縮[6]。

圖3 霧化錐角示意圖

噴嘴霧化產(chǎn)生的外部場(chǎng)形態(tài)在距離噴嘴口近處呈現(xiàn)明顯的圓錐狀，而在距離噴嘴口較遠(yuǎn)的下游場(chǎng)，空氣對(duì)霧化液滴產(chǎn)生影響使圓錐狀射流場(chǎng)的直徑在一定距離后減小。霧化錐角是指這個(gè)圓錐的開度，霧化錐角越大，液滴在霧化流場(chǎng)中的分布越散，霧化錐角的大小直接表征了液滴粒徑的空間分布。霧化錐角的表示方法有射流起始處張角和條件霧化錐角兩種。起始處張角是以噴嘴出口處中心點(diǎn)為頂點(diǎn)，與射流束兩邊切線組成的張角，這種張角不易測(cè)得；條件霧化錐角是射流場(chǎng)中距離噴嘴口平面距離為一定值時(shí)的平行平面與霧化射流最邊緣處相交的兩點(diǎn)分別與噴嘴出口中心點(diǎn)連線形成的角度。影響霧化角的因素很多，其經(jīng)驗(yàn)公式的總結(jié)難度也很大。美國(guó)紐約州立大學(xué)的N.Ashgriz等人根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推出了一系列的經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式可以有效判斷霧化角，這里就不再贅述。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)霧化機(jī)理及其過(guò)程的分析，并結(jié)合介質(zhì)霧化型噴嘴的噴射原理及霧化性能指標(biāo)（流量特性、霧滴粒徑、霧滴粒徑分布、霧化錐角），對(duì)該類噴嘴有了具體的認(rèn)識(shí)，這些霧化性能指標(biāo)對(duì)噴嘴的選用、檢測(cè)以及今后的使用有著一定的參考價(jià)值。