双通道气流式喷嘴雾化特性实验研究

刘振华叶世超 祝杰 段兰娟 郑雯佳 刘学瑾

（四川大学化学工程学院)

双通道气流式喷嘴雾化特性实验研究

刘振华*叶世超 祝杰 段兰娟 郑雯佳 刘学瑾

（四川大学化学工程学院)

以清水和空气为实验介质，对同轴双通道气流式喷嘴雾化特性进行了实验研究，分析了喷淋量对雾化角及径向流通量分布的影响，分别考察了气速和喷嘴轴向位置对液滴索特平均直径（SMD）的影响。研究结果表明，喷嘴径向流通量分布随着雾化气量的升高而趋于集中，当气体流量高于1500 L/min时，雾化角随着气量升高而降低；喷口处气速与喷嘴轴向位置均是影响液滴SMD与粒径分布的重要因素，液滴SMD随着气速增大逐渐减小，当气速超过150 m/s时其下降趋势变缓，粒径分布均匀度显著提高；随着喷嘴轴向距离增大液滴SMD逐渐减小，当距离大于300 mm时其变化不再显著，但粒径分布均匀度显著提高。

喷嘴 气流式雾化 平均直径 轴向位置 粒径分布

0 引言

气流式喷嘴因其结构简单、雾化性能高等优势，广泛应用于喷雾干燥、燃烧以及喷雾造粒等多领域。随着气流式喷嘴应用领域的不断扩大，人们对喷嘴雾化性能的要求越来越高，相关研究也越来越深入。通常地，液滴索特平均直径（Sauter mean diameter,SMD）和喷嘴径向流通量分布是衡量喷嘴雾化效果优劣的重要指标，其主要受喷嘴结构、雾化介质物性和操作条件等因素的影响。秦军等[1]对双通道气流式喷嘴加压雾化过程进行了分析，考察了不同环境压力对液滴SMD的影响；刘海峰等[2]以气流式雾化有限随机分裂模型为基础,结合液滴运动规律和分裂时间，得到了同轴双通道气流式喷嘴雾化过程的液滴SMD的一般表达式；纪利俊等[3]采用Y型气流式喷嘴研究得出了氯化液雾化过程中的粒径累计分布表达式；朱学军等[4]研究了旋流式喷嘴在低压条件下的液滴喷淋尺寸以及喷淋周向均匀度；张丽丽等[5]利用CFD技术模拟了喷雾干燥过程，建立了气流式喷嘴颗粒-气体两相运动以及液滴雾化干燥的模型。Zhou等[6]研究了Y型气流式喷嘴单孔射流过程，得到了Y型喷嘴随机雾化模型。然而对于不同轴向位置及气速条件下粒径分布均匀度特性的研究还鲜见报道。

本文以喷雾造粒中雾化过程为背景，通过条件实验，研究了雾化气流量对喷嘴径向流通量分布及雾化角的影响，考察了不同轴向位置处液滴SMD及粒径分布均匀度特性等问题。

1 实验部分

气流式喷嘴雾化特性实验装置如图1所示。气流式雾化器为同轴双通道结构，内管直径3 mm，外管直径20 mm，喷嘴处孔径4 mm，即喷嘴处环隙宽度0.5 mm。雾化介质空气由风机输送，经过转子流量计计量后进入喷枪外管；储存在水槽内的清水由已标定流量的蠕动泵输送至喷枪内管。液体在喷嘴出口处受到高速气流的冲击作用后破碎成液滴，完成雾化过程。实验中所使用的仪器设备如表1所示。

图1 气流式喷嘴喷淋特性实验流程

表1 实验仪器

径向流量分布实验中，自制液滴接收装置，由试管架和13支内径8 mm试管组成。将试管编号并依次排列成行，管间距为13 mm。实验开始前，将受液装置放置于喷嘴正下方一定高度处，并用挡板遮挡。开启雾化系统至稳定，使用Canon D50单反数码相机拍摄雾锥照片后，迅速移开挡板并计时，待受液一定时间后，关闭雾化系统。按重量法计算得到喷嘴径向流通量分布。使用图像分析软件处理雾锥照片，得到雾化角。

液滴SMD实验中，以玻璃培养皿作为液滴计数池。采样前，先在培养皿中加入少量的凡士林，加热使其融化，而后静置一段时间，使凡士林在培养皿底部凝固成平整的薄膜。采样时，手持采样池快速水平通过采样区。使用单反相机拍摄采样图片，并使用图像分析软件对采样池中的液滴进行统计分析。液滴SMD的计算式为：

式中Di——样品液滴测量直径，m；

Ni——测量直径为Di的样品液滴数。

2 结果及讨论

2.1 气流量对喷嘴径向流通量分布的影响

图2为不同雾化气流量下喷嘴径向流量分布图。实验条件：清水流量150 mL/min，轴向高度300 mm，雾化压力0.3 MPa。由图2可见，随着雾化气体流量的增加，中心区域流通量逐渐升高。这是因为雾化气流量增大，空气动能随之增大，有助于形成粒径更小的液滴[7]，液滴集中分布于雾锥的中心区域，且径向喷淋的对称性得到改善。

表2为上述实验条件下，雾化角与雾化气流量的变化关系。随着雾化气体流量的增大，雾化角呈先增大后减小的趋势，在气体流量为1500 L/h时雾化角最大。这是因为雾化角的变化与雾化机理相关，在气速较低时液滴以丝状分裂为主，在较高流量下则以膜状分裂为主。一般地，单纯丝状分裂的雾化角要比膜状分裂时要小，这与王喜忠等人[8]的研究结果类似。由此可见，在气流量低于1500 L/min时，雾化过程处于丝状分裂和膜状分裂的过渡区；当气流量超过1500 L/min时，液滴以膜状分裂为主，此时雾化角的大小取决于气液间的相对气速，雾化气流量越大，相对气速就越大，而雾化角则逐渐减小。

图2 雾化气流量与喷嘴径向流量分布关系

表2 雾化角与雾化气流量关系

2.2 喷口处气体流速对液滴粒径分布的影响

在固定气液质量比为1，轴向距离为200 mm的条件下，考察喷口处气体流速对SMD以及液滴粒径分布的影响，实验结果如图3、图4所示。从图3可以看出，随着喷口处气体流速的增大，液滴SMD总体呈下降趋势，且当喷口处气体流速超过150 m/s时，下降趋势趋于平缓。这是由于喷口处气体流速增大，其在出口处的动能就越大，更多能量用于雾化[8]，使得雾化效果提升，而当喷口处气体流速达到一定值时，液滴接近最大稳定粒径，喷口处气体流速对液滴粒径的影响减小。由图4可见，随着喷口处气体流速的增大，峰值粒径减小，喷口处气体流速低于150 m/s时，粒径分布均匀度变化不大，当喷口处气体流速超过150 m/s时，粒径分布均匀度显著提高。出现这一现象的原因可能是，当喷口处气体流速超过150 m/s时，液滴将会发生二次破碎[9]。

图3 气速对液滴SMD的影响

图4 不同气速下的液滴粒径分布

2.3 轴向位置对液滴粒径分布的影响

在固定清水流量为150 mL/min，雾化气体流量为2000 L/h的条件下，考察轴向位置变化对液滴SMD及粒径分布的影响分别示于图5、图6。由图5可见，随着轴向距离的增大，液滴的SMD呈逐渐下降的趋势，当轴向距离达到300 mm时，下降趋势变缓。在图6中可以清楚地看到，峰值粒径随距离增加而减小，轴向距离在300 mm以下时，粒径分布范围较宽，但轴向距离超过300 mm时，粒径分布均匀度显著提高。这是由于当液滴粒径大于最大稳定粒径时，液滴可能二次发生分裂。随着轴向距离的增加，液滴的雾化作用时间增长，液滴不断分裂，在轴向距离达到300 mm时，液滴可能发生二次破碎[10]。此后，液滴粒径不断减小，并接近最大稳定粒径范围。沿轴向，液滴变得稀疏，碰撞几率减小，继续分裂的几率降低，粒径减小的趋势也趋于平缓。

图5 不同轴向位置对液滴SMD的影响

图6 不同轴向位置的液滴粒径分布

3 结论

(1)随着雾化气流量的增加，中心区域流通量逐渐升高，流通量分布趋于集中，径向喷淋的对称性提高。雾化角大小与雾化机理有关，其趋势是随雾化气流量增大而先增大后减小。

(2)液滴SMD随喷口处气速的增加，呈先下降后趋缓的趋势，气速高于150 m/s时对SMD影响不大，但粒径分布均匀度显著提高。

(3)随着喷嘴轴向距离的增大液滴SMD逐渐减小，当高度大于300 mm时其影响不显著，但粒径分布均匀度显著提高。

[1]秦军，陈谋志，李伟峰，等.双通道气流式喷嘴加压雾化的实验研究[J].燃烧科学与技术，2005，11 (4)：384-387.

[2]刘海峰，李伟峰，陈谋志，等.大液气质量流量比双通道气流式喷嘴雾化滴径[J].化工学报，2005，56 (8)：1462-1466.

[3]纪利俊，朱家文，应卫勇，等.氯化液喷雾脱挥工艺研究[J].现代化工，2005，26(11)：57-60.

[4]朱学军，吕芹，叶世超.旋流压力式喷嘴低压喷淋特性[J].华侨大学学报（自然科学版），2007，28(3): 235-238.

[5]张丽丽，周慎杰，陈举华.气流式喷嘴流体雾化干燥过程的CFD分析[J].计算机仿真，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]阎红，梁允成，王喜忠.气流式喷嘴雾化性能的研究[J].化学工程，1991，19(3)：73-77.

[8]王喜忠,于才渊,周才君,等.喷雾干燥[M].北京：化学工业出版社,2003.

[9]成晓北,鞠洪玲.高压喷射雾化液滴的二次破碎机理[J].华中科技大学学报（自然科学版）,2008，36(10)：125-128.

[10]龚欣，刘海峰，李伟峰，等.气流式雾化过程的有限随机分裂模型[J].化工学报，2005，56(5)：786-790.

塔盘式闪蒸-换热一体化技术通过鉴定

2015年1月31日，中国石油和化学工业联合会在北京组织召开了华东理工大学“塔盘式闪蒸-换热一体化技术”科技成果鉴定会，并对该成果通过了鉴定。与会专家一致认为，该成果耦合了旋流闪蒸与直接换热过程，强化了热、质传递过程，提出的塔盘式闪蒸-换热一体化的高压带温含渣黑水综合回用工艺技术具有创新性。该成果已在兖矿新疆煤化工有限公司等6家企业16台大型气流床加压煤气化渣水处理系统中得到成功应用，具有明显的经济和社会效益。

该成果的取得是华东理工大学和兖矿集团在协同创新新机制下经过不断努力的结果。通过煤基能源化工协同创新中心的建设，不断推进塔盘式闪蒸-换热一体化技术在煤气化领域的工程化进展，为华东理工大学自主知识产权的多喷嘴对置式煤气化技术的进步作出了重要贡献。鉴定委员会认为，该成果具有自主知识产权，创新性强，处于国际领先水平。（钱伯章）

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）

*刘振华，男，1989年生，硕士研究生。成都市，610065。