噴霧式反應(yīng)裝置噴嘴霧化性能測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

顏雪娟， 于瀟航， 陳琴珠， 余醉仙， 熊遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(華東理工大學(xué)，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

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噴霧式反應(yīng)裝置噴嘴霧化性能測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

顏雪娟， 于瀟航， 陳琴珠， 余醉仙， 熊遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(華東理工大學(xué)，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

開(kāi)發(fā)了一種噴霧式反應(yīng)裝置噴嘴的霧化性能測(cè)試系統(tǒng)，介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成、工作原理和實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)案例。該實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由動(dòng)力源系統(tǒng)模塊、霧化噴嘴模塊及測(cè)量模塊三部分組成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及流量特性、噴霧錐角、霧化均勻度、霧滴粒度大小及分布等參數(shù)的測(cè)量。通過(guò)噴嘴霧化性能測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，為改進(jìn)和優(yōu)化霧化噴嘴結(jié)構(gòu)提供了重要的參數(shù)，同時(shí)也為噴霧式反應(yīng)裝置選擇霧化噴嘴提供了有價(jià)值的依據(jù)。

霧化噴嘴； 霧化性能測(cè)試； 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

0 引 言

液體霧化廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、化工噴霧式反應(yīng)裝置等工程領(lǐng)域[1]。在工程領(lǐng)域中，霧化的目的是為了加強(qiáng)傳質(zhì)和傳熱作用[2]。1892年狄賽爾將直射式噴嘴應(yīng)用于柴油機(jī)，1902年離心式噴嘴的出現(xiàn)進(jìn)一步改善了霧化效果[3]。此后，進(jìn)行了對(duì)霧化方法的大量實(shí)驗(yàn)與理論研究[4-8]，發(fā)展了不同類型的噴嘴。目前普遍應(yīng)用的噴嘴有[9]：壓力式霧化噴嘴、旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴、氣動(dòng)霧化噴嘴、超聲霧化噴嘴等。液體霧化實(shí)驗(yàn)有助于對(duì)流體流動(dòng)、傳質(zhì)傳熱的了解，并可作為燃燒過(guò)程研究與設(shè)計(jì)提供參考。

1 液體霧化測(cè)試系統(tǒng)基本理論

1.1 液體霧化的基本過(guò)程

液體的霧化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是通過(guò)一定的方法將一定量的液體破碎，使其分散為許多微小顆粒組成的液滴群，可認(rèn)為是內(nèi)、外力共同作用的結(jié)果[10]。液體霧化過(guò)程是由像液體壓力、氣動(dòng)力這樣的外力與液體表面張力和黏滯性之間的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程。一方面，表面張力促使液滴呈現(xiàn)球形(因球形液滴所需表面能最小)；黏性抵抗液滴幾何形狀的變化使之趨于穩(wěn)定[11]；另一方面，湍流的徑向速度分量和作用于液體表面的空氣動(dòng)力會(huì)促使其破裂。當(dāng)外力大到可以克服液體表面張力和黏性時(shí)，液體便會(huì)變形，繼而破碎分散成許多小液滴群。這些小液滴在外界氣流的作用下，又會(huì)發(fā)生進(jìn)一步破碎形成更小的液體顆粒，即二次霧化[12]。

1.2 霧滴尺寸的表示方法

霧化會(huì)形成大量的細(xì)小液滴，霧化方式不同所形成液滴尺寸范圍也有不同。由于霧化機(jī)理的復(fù)雜性，液滴會(huì)在霧化過(guò)程中發(fā)生形變，使之呈現(xiàn)非球狀。為了評(píng)價(jià)霧化效果及霧化特性，通常采用平均直徑和特征直徑來(lái)表達(dá)[13]。

(1) 平均直徑。平均直徑表示全部液滴的一個(gè)數(shù)學(xué)值[14]，此值是液滴數(shù)目、長(zhǎng)度、面積或體積的一種量度。其通式：

(1)

式中：D為液滴的直徑(μm)；dN為液滴數(shù)增量；p，q為自然數(shù)。

長(zhǎng)度平均直徑、表面積平均直徑、體積平均直徑、索特平均直徑分別以D10，D20，D30和D32表示。

(2) 特征直徑。在對(duì)霧化液滴尺寸分布的進(jìn)一步研究中，往往需要在分布曲線中尋找?guī)讉€(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析，這些特征點(diǎn)便稱為特征直徑[15]。在液滴尺寸分布曲線中，它們代表某一直徑以下的所有液滴的體積占全部液滴總體積的百分比，并將此比值以符號(hào)下標(biāo)的形式表示。常用的液滴特征直徑及含義如下：平均直徑與特征直徑代表著不同的含義，但均從不同側(cè)面反映了液滴群的尺寸分布特性。

D0.1為小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的10%；D0.5為小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的50%，該直徑左右側(cè)體積分布曲線下的面積相等；D0.9為小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的90%。

2 霧化性能測(cè)試系統(tǒng)組成

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由動(dòng)力源系統(tǒng)模塊、霧化噴嘴模塊及測(cè)量模塊組成，如圖1所示。

動(dòng)力源系統(tǒng)模塊為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供一定流量水，同時(shí)能夠保證一定壓力。該系統(tǒng)采用水源為自來(lái)水。系統(tǒng)采用離心泵且在泵的進(jìn)口處安裝緩沖板，防止水箱內(nèi)水流波動(dòng)造成的氣泡進(jìn)入泵體而降低霧化效果。

1-打印機(jī)，2-計(jì)算機(jī)，3-接收端，4-噴嘴，5-壓力表，6-發(fā)射端，7-轉(zhuǎn)子流量計(jì)，8-水箱，9-離心泵

圖1 噴嘴液體霧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

霧化噴嘴模塊包括輸送液體管道及壓力式噴嘴，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同噴嘴進(jìn)行霧化效果測(cè)試。噴嘴采用螺紋安裝，易裝卸，可根據(jù)需要測(cè)試不同類型的噴嘴。測(cè)量模塊包括壓力表、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、激光粒度分析儀等儀器。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)試需要，安裝系統(tǒng)位置高度可調(diào)節(jié)，用于供水壓力、流量、霧滴粒徑大小及分布特征等參數(shù)的測(cè)量。壓力表為機(jī)械式壓力表，布置在噴嘴入口前，用于測(cè)量進(jìn)入噴嘴流體的實(shí)際壓力；轉(zhuǎn)子流量計(jì)布置在調(diào)節(jié)閥之前，用于測(cè)量進(jìn)入噴嘴流體的流量。為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)上述儀表進(jìn)行校正。測(cè)量過(guò)程中，待壓力穩(wěn)定后進(jìn)行多次測(cè)量，取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值，以減小測(cè)量誤差。

2.2 激光粒度分析儀

激光粒度分析儀(見(jiàn)圖2)是測(cè)量模塊中的主要裝置，其目的是利用信息光學(xué)原理，測(cè)量分析霧場(chǎng)中霧滴顆粒群的散射譜，從而計(jì)算得到霧滴群的平均直徑大小和尺寸分布范圍等數(shù)據(jù)。儀器分為主機(jī)與計(jì)算機(jī)兩部分，主機(jī)部分含有光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)則完成數(shù)據(jù)處理并顯示、打印測(cè)試結(jié)果。

圖2 激光粒度分析儀

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將激光發(fā)射器和接收器分別安放在噴霧場(chǎng)的兩側(cè)，調(diào)節(jié)設(shè)備位置，使激光束經(jīng)濾光、擴(kuò)束、濾波、經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變成平行光線后在噴嘴正下方一定距離的霧滴群中央穿過(guò)。由于待測(cè)霧滴顆粒的作用，照射到測(cè)試區(qū)(見(jiàn)圖3)中的平行光線產(chǎn)生散射譜。被測(cè)顆粒群的大小及分布情況關(guān)系著散射譜的強(qiáng)度及空間分布。散射譜經(jīng)透鏡再次匯聚后，照射到位于透鏡后焦面上的光電陣列探測(cè)器上。光電探測(cè)器能將投射到上面的光能量轉(zhuǎn)換成電壓，送到數(shù)據(jù)采集卡中，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)中的信號(hào)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行反演運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理后，即可得到霧滴顆粒群的D0.1、D0.5、D0.9等參數(shù)。

圖3 激光粒度分析儀光路構(gòu)造

2.3 壓力式噴嘴

壓力式噴嘴也稱為機(jī)械式噴嘴，其主要由液體切向入口、液體旋轉(zhuǎn)室、噴嘴孔組成。它主要是利用動(dòng)力源(泵)使液體獲得一定壓力，從切向入口進(jìn)入噴嘴旋轉(zhuǎn)室中[16]。液體在旋轉(zhuǎn)室運(yùn)動(dòng)，獲得旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩守恒，旋轉(zhuǎn)速度與旋渦半徑成反比。從而，越靠近噴嘴軸心，其靜壓力越小，速度越大，于是在噴嘴中央形成了一股壓力等于大氣壓的空氣旋流，而液體則形成繞空氣中新旋轉(zhuǎn)的環(huán)形薄膜。在噴嘴孔處，液體的靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚯皠?dòng)能，從噴嘴噴射而出。環(huán)形薄膜逐漸伸長(zhǎng)變薄，分裂為小霧滴群。壓力式噴嘴使液體獲得旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，即液體獲得離心力，隨后噴射而出，因而，壓力式噴嘴也被統(tǒng)稱為離心壓力噴嘴。

3 霧化性能測(cè)試方法及指標(biāo)

以螺旋六槽式噴嘴為例，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 流量特性

流量特性是霧化噴嘴工作中的噴射流量與噴射壓差之間的關(guān)系，噴霧式反應(yīng)器中的噴嘴必須在一定壓差下才能達(dá)到所需的工作流量。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中能夠記錄噴嘴在各指定流量下的壓力值，進(jìn)而分析其流量特性。在螺旋六槽噴嘴的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用流量控制法，分別測(cè)量并記錄噴射流量從2.0 m3/h逐步變化到最大流量時(shí)的壓力值，得到如圖4所示的流量特性曲線。從圖中可以看出，流量隨著噴射壓差的增大而增大。

3.2 霧化錐角

霧化錐角是決定噴嘴所形成霧滴覆蓋范圍的重要因素，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，利用高速攝像機(jī)(200幀)對(duì)噴嘴在不同流量狀態(tài)下的霧化形態(tài)進(jìn)行拍攝，拍攝過(guò)程中保證攝像機(jī)的位置固定不動(dòng)，待所有拍攝完成后截取圖片并利用角度測(cè)量軟件測(cè)量各個(gè)流量狀態(tài)下的霧化錐角。表1為螺旋六槽噴嘴在各不同流量下的噴霧錐角。從表中可以看出，螺旋六槽噴嘴的霧化錐角在90°左右，且隨著流量的增大而小幅增加。

圖4 螺旋六槽噴嘴流量特性曲線

流量/(m3·h-1)霧化錐角/(°)流量/(m3·h-1)霧化錐角/(°)2.086.82.899.82.287.53.0100.52.488.23.2102.62.694.3

3.3 霧滴尺寸

霧滴尺寸是評(píng)價(jià)噴霧質(zhì)量的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用激光粒度分析儀對(duì)螺旋六槽噴嘴的霧滴尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。粒度分析儀屬于精密儀器，在測(cè)量過(guò)程中主要包括以下幾個(gè)步驟：光路調(diào)試—儀器校準(zhǔn)—背景測(cè)試—能譜測(cè)試—數(shù)據(jù)分析。

(1) 光路調(diào)試。將激光粒度分析儀的發(fā)射器和接收器水平放置，并使得激光能夠穿過(guò)噴霧區(qū)域的測(cè)試孔，激光束在被接收器接收后，通過(guò)內(nèi)部的反射裝置使得激光能夠穿過(guò)光電陣列探測(cè)器的中心孔。

(2) 儀器校準(zhǔn)。儀器校準(zhǔn)包括儀器準(zhǔn)確度與儀器重復(fù)性的檢查。儀器準(zhǔn)確度與儀器重復(fù)性檢定的判定依據(jù)如下：在相同條件下對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)值為50 μm)測(cè)量10次，得到10次體積中位徑測(cè)量值，其平均值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差即為準(zhǔn)確度：

(2)

D0.5相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔS即為重復(fù)性：

(3)

若A≤3%，且ΔS≤3%，表明儀器測(cè)量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性滿足要求，則儀器校準(zhǔn)完畢。

(3) 背景測(cè)試。待儀器校準(zhǔn)完成后，打開(kāi)計(jì)算機(jī)中的粒度分析軟件并連接儀器，此時(shí)將出現(xiàn)如圖5所示的軟件測(cè)試界面。

圖5 軟件測(cè)試界面

圖5中右上方顯示的紅色條紋即為“背景測(cè)試”數(shù)據(jù)，其作用是顯示激光束在光電陣列探測(cè)器上的散射光譜。在測(cè)量開(kāi)始前，應(yīng)盡量細(xì)調(diào)光路使得“背景測(cè)試”中只有第一環(huán)數(shù)據(jù)稍高，在400左右，而其他各環(huán)數(shù)據(jù)均低于100。

(4) 能譜測(cè)試。背景測(cè)量累計(jì)10次后，單擊“測(cè)試”菜單中的“能譜測(cè)試”，分析軟件界面將顯示如圖5右中部所示的“測(cè)試視圖”。初始時(shí)，測(cè)試視圖中并無(wú)數(shù)據(jù)，這是因?yàn)闇y(cè)試區(qū)域并無(wú)試樣。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，使得經(jīng)噴嘴霧化后的霧滴通過(guò)激光測(cè)試區(qū)域，此時(shí)“測(cè)試視圖”中將動(dòng)態(tài)顯示被測(cè)霧滴的能譜曲線與濃度，如圖6所示。同時(shí)在視圖左側(cè)的數(shù)據(jù)分析窗口會(huì)動(dòng)態(tài)顯示霧滴群當(dāng)前的平均直徑和特征直徑。當(dāng)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定后，勾選“保存結(jié)果”復(fù)選框即可，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄和保存每一條測(cè)試結(jié)果(每一條數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔即是“信息設(shè)置”中的間隔時(shí)間)。當(dāng)數(shù)據(jù)記錄達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，再次點(diǎn)擊復(fù)選框，即停止記錄數(shù)據(jù)。

圖6 測(cè)試過(guò)程中的視圖顯示

(5) 數(shù)據(jù)分析。待某一流量狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)束后，打開(kāi)粒度分析軟件中的數(shù)據(jù)記錄列表，如圖7所示為螺旋六槽噴嘴在流量為3.0 m3/h的原始測(cè)試數(shù)據(jù)。在該數(shù)據(jù)表中，一共記錄了42條測(cè)試數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)中顯示在某一時(shí)刻所測(cè)霧滴群的尺寸分布(包括D0.1、D0.5、D0.9等數(shù)值)。從圖中各條數(shù)據(jù)的數(shù)值可以看出，由于噴霧狀態(tài)的波動(dòng)性，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔，每條數(shù)據(jù)中各個(gè)分析項(xiàng)目值間會(huì)有一定差異。因此，為了最大程度的得到真實(shí)的霧滴尺寸數(shù)據(jù)，需要對(duì)所采集的多條數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，處理方式包括“數(shù)據(jù)平均”、“數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)”和“數(shù)據(jù)比較”。

圖7 數(shù)據(jù)記錄列表

其中，通過(guò)“數(shù)據(jù)平均”可對(duì)各條數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的分析項(xiàng)目進(jìn)行求平均值，并得到一條反映測(cè)試時(shí)間段內(nèi)噴嘴的平均噴霧狀況。

在進(jìn)行“數(shù)據(jù)平均”后，可針對(duì)該平均數(shù)值進(jìn)行霧滴尺寸分布分析。軟件提供了三種尺寸分布的分析模式，即標(biāo)準(zhǔn)自由分布、R-R分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布。圖8所示為螺旋六槽噴嘴q=3.0時(shí)平均數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布圖。圖中藍(lán)色條紋為霧滴尺寸分布狀況；紅色曲線為霧滴累積分布曲線。

圖8 螺旋六槽噴嘴霧滴尺寸對(duì)數(shù)正態(tài)分布

在完成數(shù)據(jù)分析后，可將所得的霧滴尺寸分析結(jié)果進(jìn)行輸出，得到詳細(xì)的尺寸分布數(shù)據(jù)、平均直徑和特征直徑結(jié)果。如表2所示為螺旋六槽噴嘴在3.0 m3/h時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟，可得到噴嘴在各個(gè)流量下的尺寸分布結(jié)果，為分析評(píng)估噴嘴的霧化性能提供參數(shù)。

表2 螺旋六槽噴嘴霧滴尺寸分析數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

上述噴嘴霧化性能測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有助于學(xué)生對(duì)流體流動(dòng)、霧化性能、噴嘴應(yīng)用的了解，也為噴嘴設(shè)計(jì)與研究提供理論依據(jù)。

根據(jù)液體霧化機(jī)理的發(fā)展現(xiàn)狀，霧化性能在化工裝備中的要求，可以獲悉液體霧化研究具有很大的發(fā)展空間，而該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是開(kāi)放性的、探究性的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解和掌握先進(jìn)設(shè)備的原理、理論探索、實(shí)驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)操作方法，開(kāi)拓學(xué)生國(guó)內(nèi)外先進(jìn)化工設(shè)備的理念，也是高校過(guò)程裝備實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一大成果。

實(shí)驗(yàn)中采用的為水-空氣結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)計(jì)出一種合適的噴嘴結(jié)構(gòu)，還能進(jìn)行使用不同黏度液體時(shí)，噴嘴的霧化效果的比較，從而設(shè)計(jì)選擇出最適宜不同工況下的霧化噴嘴，促進(jìn)化工過(guò)程裝備、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、消防及農(nóng)業(yè)灌溉等應(yīng)用的發(fā)展。

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Testing System Development for Atomizing Performance of Spray Type Reaction Device

YANXue-juan,YUXiao-hang,CHENQin-zhu,YUZui-xian,XIONGYuan-yuan

(Mechanical and Power Engineering School，East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China)

Spray nozzle is the key component of the spray type reaction device, test system for the atomization performance of nozzle has important application value. This article designs a test system for the atomization performance of spray type reaction device. It introduces the composition, working principle and experiment contents of the experiment system in detail, and describes a corresponding experimental case. This system is composed of three parts, the power source system, the atomization nozzle module and the measurement module. The measurable experimental parameters include flow characteristics, spray angle, spray uniformity, particle size and size distribution etc. The system development of atomizing performance not only provides important parameters for improving and optimizes the structure of the atomizing nozzle, but also provides a valuable basis for selecting the atomizing nozzle of spray type reaction device.

atomizing nozzle; performance test; experimental system

2015-04-16

顏雪娟(1966-)，女，上海人，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)從事先進(jìn)化工設(shè)備實(shí)驗(yàn)研究。Tel.:021-33612306；E-mail:xjyan@ecust.edu.cn

O 351.2

A

1006-7167(2015)11-0066-05