噴霧式反應裝置噴嘴霧化性能測試系統開發

顏雪娟， 于瀟航， 陳琴珠， 余醉仙， 熊遠遠

(華東理工大學，機械與動力工程學院，上海 200237)

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噴霧式反應裝置噴嘴霧化性能測試系統開發

顏雪娟， 于瀟航， 陳琴珠， 余醉仙， 熊遠遠

(華東理工大學，機械與動力工程學院，上海 200237)

開發了一種噴霧式反應裝置噴嘴的霧化性能測試系統，介紹了實驗系統的組成、工作原理和實驗測試內容，并給出了相應的實驗案例。該實驗測試系統主要由動力源系統模塊、霧化噴嘴模塊及測量模塊三部分組成，實驗內容涉及流量特性、噴霧錐角、霧化均勻度、霧滴粒度大小及分布等參數的測量。通過噴嘴霧化性能測試系統的開發，為改進和優化霧化噴嘴結構提供了重要的參數，同時也為噴霧式反應裝置選擇霧化噴嘴提供了有價值的依據。

霧化噴嘴； 霧化性能測試； 實驗系統

0 引 言

液體霧化廣泛應用于柴油機、燃氣輪機、氣體燃料發動機、化工噴霧式反應裝置等工程領域[1]。在工程領域中，霧化的目的是為了加強傳質和傳熱作用[2]。1892年狄賽爾將直射式噴嘴應用于柴油機，1902年離心式噴嘴的出現進一步改善了霧化效果[3]。此后，進行了對霧化方法的大量實驗與理論研究[4-8]，發展了不同類型的噴嘴。目前普遍應用的噴嘴有[9]：壓力式霧化噴嘴、旋轉式霧化噴嘴、氣動霧化噴嘴、超聲霧化噴嘴等。液體霧化實驗有助于對流體流動、傳質傳熱的了解，并可作為燃燒過程研究與設計提供參考。

1 液體霧化測試系統基本理論

1.1 液體霧化的基本過程

液體的霧化過程實質上是通過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，可認為是內、外力共同作用的結果[10]。液體霧化過程是由像液體壓力、氣動力這樣的外力與液體表面張力和黏滯性之間的競爭過程。一方面，表面張力促使液滴呈現球形(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力會促使其破裂。當外力大到可以克服液體表面張力和黏性時，液體便會變形，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，又會發生進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

霧化會形成大量的細小液滴，霧化方式不同所形成液滴尺寸范圍也有不同。由于霧化機理的復雜性，液滴會在霧化過程中發生形變，使之呈現非球狀。為了評價霧化效果及霧化特性，通常采用平均直徑和特征直徑來表達[13]。

(1) 平均直徑。平均直徑表示全部液滴的一個數學值[14]，此值是液滴數目、長度、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為液滴數增量；p，q為自然數。

長度平均直徑、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。在對霧化液滴尺寸分布的進一步研究中，往往需要在分布曲線中尋找幾個特征點進行分析，這些特征點便稱為特征直徑[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，并將此比值以符號下標的形式表示。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 霧化性能測試系統組成

2.1 實驗系統組成

實驗系統主要由動力源系統模塊、霧化噴嘴模塊及測量模塊組成，如圖1所示。

動力源系統模塊為整個實驗系統提供一定流量水，同時能夠保證一定壓力。該系統采用水源為自來水。系統采用離心泵且在泵的進口處安裝緩沖板，防止水箱內水流波動造成的氣泡進入泵體而降低霧化效果。

1-打印機，2-計算機，3-接收端，4-噴嘴，5-壓力表，6-發射端，7-轉子流量計，8-水箱，9-離心泵

圖1 噴嘴液體霧化實驗系統組成

霧化噴嘴模塊包括輸送液體管道及壓力式噴嘴，按照實驗設計不同噴嘴進行霧化效果測試。噴嘴采用螺紋安裝，易裝卸，可根據需要測試不同類型的噴嘴。測量模塊包括壓力表、轉子流量計、激光粒度分析儀等儀器。根據實驗設計參數測試需要，安裝系統位置高度可調節，用于供水壓力、流量、霧滴粒徑大小及分布特征等參數的測量。壓力表為機械式壓力表，布置在噴嘴入口前，用于測量進入噴嘴流體的實際壓力；轉子流量計布置在調節閥之前，用于測量進入噴嘴流體的流量。為保證測試的準確性，實驗時對上述儀表進行校正。測量過程中，待壓力穩定后進行多次測量，取實驗數據平均值，以減小測量誤差。

2.2 激光粒度分析儀

激光粒度分析儀(見圖2)是測量模塊中的主要裝置，其目的是利用信息光學原理，測量分析霧場中霧滴顆粒群的散射譜，從而計算得到霧滴群的平均直徑大小和尺寸分布范圍等數據。儀器分為主機與計算機兩部分，主機部分含有光學系統、信號采集處理系統；計算機則完成數據處理并顯示、打印測試結果。

圖2 激光粒度分析儀

實驗測試時，將激光發射器和接收器分別安放在噴霧場的兩側，調節設備位置，使激光束經濾光、擴束、濾波、經準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。由于待測霧滴顆粒的作用，照射到測試區(見圖3)中的平行光線產生散射譜。被測顆粒群的大小及分布情況關系著散射譜的強度及空間分布。散射譜經透鏡再次匯聚后，照射到位于透鏡后焦面上的光電陣列探測器上。光電探測器能將投射到上面的光能量轉換成電壓，送到數據采集卡中，然后通過A/D轉換將信號送入計算機。計算機中的信號利用實驗數據處理軟件進行反演運算和數據處理后，即可得到霧滴顆粒群的D0.1、D0.5、D0.9等參數。

圖3 激光粒度分析儀光路構造

2.3 壓力式噴嘴

壓力式噴嘴也稱為機械式噴嘴，其主要由液體切向入口、液體旋轉室、噴嘴孔組成。它主要是利用動力源(泵)使液體獲得一定壓力，從切向入口進入噴嘴旋轉室中[16]。液體在旋轉室運動，獲得旋轉速度。根據旋轉動量矩守恒，旋轉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的環形薄膜。在噴嘴孔處，液體的靜壓能轉變為向前動能，從噴嘴噴射而出。環形薄膜逐漸伸長變薄，分裂為小霧滴群。壓力式噴嘴使液體獲得旋轉動能，即液體獲得離心力，隨后噴射而出，因而，壓力式噴嘴也被統稱為離心壓力噴嘴。

3 霧化性能測試方法及指標

以螺旋六槽式噴嘴為例，對整個測試系統的實驗過程進行說明。

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系，噴霧式反應器中的噴嘴必須在一定壓差下才能達到所需的工作流量。該實驗系統中能夠記錄噴嘴在各指定流量下的壓力值，進而分析其流量特性。在螺旋六槽噴嘴的實驗過程中，采用流量控制法，分別測量并記錄噴射流量從2.0 m3/h逐步變化到最大流量時的壓力值，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，該實驗系統中，利用高速攝像機(200幀)對噴嘴在不同流量狀態下的霧化形態進行拍攝，拍攝過程中保證攝像機的位置固定不動，待所有拍攝完成后截取圖片并利用角度測量軟件測量各個流量狀態下的霧化錐角。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

霧滴尺寸是評價噴霧質量的重要參數。實驗過程中利用激光粒度分析儀對螺旋六槽噴嘴的霧滴尺寸進行實時測量。粒度分析儀屬于精密儀器，在測量過程中主要包括以下幾個步驟：光路調試—儀器校準—背景測試—能譜測試—數據分析。

(1) 光路調試。將激光粒度分析儀的發射器和接收器水平放置，并使得激光能夠穿過噴霧區域的測試孔，激光束在被接收器接收后，通過內部的反射裝置使得激光能夠穿過光電陣列探測器的中心孔。

(2) 儀器校準。儀器校準包括儀器準確度與儀器重復性的檢查。儀器準確度與儀器重復性檢定的判定依據如下：在相同條件下對同一標準物質(標準值為50 μm)測量10次，得到10次體積中位徑測量值，其平均值與標準值的相對誤差即為準確度：

(2)

D0.5相對標準偏差ΔS即為重復性：

(3)

若A≤3%，且ΔS≤3%，表明儀器測量的準確度和重復性滿足要求，則儀器校準完畢。

(3) 背景測試。待儀器校準完成后，打開計算機中的粒度分析軟件并連接儀器，此時將出現如圖5所示的軟件測試界面。

圖5 軟件測試界面

圖5中右上方顯示的紅色條紋即為“背景測試”數據，其作用是顯示激光束在光電陣列探測器上的散射光譜。在測量開始前，應盡量細調光路使得“背景測試”中只有第一環數據稍高，在400左右，而其他各環數據均低于100。

(4) 能譜測試。背景測量累計10次后，單擊“測試”菜單中的“能譜測試”，分析軟件界面將顯示如圖5右中部所示的“測試視圖”。初始時，測試視圖中并無數據，這是因為測試區域并無試樣。啟動實驗裝置，使得經噴嘴霧化后的霧滴通過激光測試區域，此時“測試視圖”中將動態顯示被測霧滴的能譜曲線與濃度，如圖6所示。同時在視圖左側的數據分析窗口會動態顯示霧滴群當前的平均直徑和特征直徑。當測試結果穩定后，勾選“保存結果”復選框即可，系統將自動記錄和保存每一條測試結果(每一條數據的時間間隔即是“信息設置”中的間隔時間)。當數據記錄達到一定數量時，再次點擊復選框，即停止記錄數據。

圖6 測試過程中的視圖顯示

(5) 數據分析。待某一流量狀態下的測量結束后，打開粒度分析軟件中的數據記錄列表，如圖7所示為螺旋六槽噴嘴在流量為3.0 m3/h的原始測試數據。在該數據表中，一共記錄了42條測試數據，每條數據中顯示在某一時刻所測霧滴群的尺寸分布(包括D0.1、D0.5、D0.9等數值)。從圖中各條數據的數值可以看出，由于噴霧狀態的波動性，經過一定的時間間隔，每條數據中各個分析項目值間會有一定差異。因此，為了最大程度的得到真實的霧滴尺寸數據，需要對所采集的多條數據進行分析處理，處理方式包括“數據平均”、“數據統計”和“數據比較”。

圖7 數據記錄列表

其中，通過“數據平均”可對各條數據中對應的分析項目進行求平均值，并得到一條反映測試時間段內噴嘴的平均噴霧狀況。

在進行“數據平均”后，可針對該平均數值進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，即標準自由分布、R-R分布、對數正態分布。圖8所示為螺旋六槽噴嘴q=3.0時平均數據的對數正態分布圖。圖中藍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數正態分布

在完成數據分析后，可將所得的霧滴尺寸分析結果進行輸出，得到詳細的尺寸分布數據、平均直徑和特征直徑結果。如表2所示為螺旋六槽噴嘴在3.0 m3/h時的測試數據。重復上述步驟，可得到噴嘴在各個流量下的尺寸分布結果，為分析評估噴嘴的霧化性能提供參數。

表2 螺旋六槽噴嘴霧滴尺寸分析數據

4 結 語

上述噴嘴霧化性能測試系統開發有助于學生對流體流動、霧化性能、噴嘴應用的了解，也為噴嘴設計與研究提供理論依據。

根據液體霧化機理的發展現狀，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展空間，而該實驗系統是開放性的、探究性的實驗，使學生了解和掌握先進設備的原理、理論探索、實驗研究及計算機操作方法，開拓學生國內外先進化工設備的理念，也是高校過程裝備實驗室建設的一大成果。

實驗中采用的為水-空氣結構，當設計出一種合適的噴嘴結構，還能進行使用不同黏度液體時，噴嘴的霧化效果的比較，從而設計選擇出最適宜不同工況下的霧化噴嘴，促進化工過程裝備、柴油機、燃氣輪機、消防及農業灌溉等應用的發展。

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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，實驗師，現從事先進化工設備實驗研究。Tel.:021-33612306；E-mail:xjyan@ecust.edu.cn

O 351.2

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1006-7167(2015)11-0066-05