陶瓷干法造粒噴霧裝置霧化效果的數值模擬

吳南星，黃佳雯，占甜甜

（景德鎮陶瓷學院機械電子工程學院，江西景德鎮 333403）

陶瓷干法造粒噴霧裝置霧化效果的數值模擬

吳南星，黃佳雯，占甜甜

（景德鎮陶瓷學院機械電子工程學院，江西景德鎮 333403）

為使干法造粒過程中霧化液滴與粉體充分接觸，改善粒徑的均勻性，依據干法造粒試驗樣機簡化物理模型，同時基于Euler - Lagrange法中的DPM模型建立霧化過程的數學模型，采用CFD軟件分別對噴嘴內徑均為1mm的平口噴嘴、壓力式噴嘴、氣流式噴嘴、氣泡式噴嘴霧化流場進行數值模擬分析。模擬結果顯示：氣流式噴嘴、平口噴嘴、壓力式噴嘴、氣泡式噴嘴霧滴分散性依次遞增，壓力旋流式噴嘴霧滴平均粒徑較之其它三種噴嘴更小且霧滴在造粒室內分散較均勻，更有利于霧滴與粉料的充分接觸。因此，就霧化場霧滴分散性和霧滴粒徑分布而言，宜選用壓力旋流式霧化噴嘴作為干法造粒的霧化裝置。

干法造粒；DPM；霧化噴嘴；數值模擬

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.014

0　引 言

目前陶瓷行業制粉主要采用的是濕式球磨-噴霧干燥工藝［1］。該工藝技術應用于制備陶瓷墻地磚壓形粉料，可以滿足大噸位自動壓磚機的生產要求。但是，該工藝生產能耗占陶瓷生產成本的30%-40%，并且排放大量的熱風熱氣、SO2、CO2及煙塵，從而導致巨大的能源浪費和環境污染。然而，近幾年來興起的干法造粒制粉技術可以從根本上解決陶瓷行業粉體制備方面的高能耗、高污染的問題［2-4］。

干法造粒制粉技術在國內外陶瓷行業的發展中仍處于初步階段，要在廣大的陶瓷生產企業中得到應用， 需要解決的技術難題比較多， 核心的問題主要集中在四個方面［2-4］：一是真顆粒的充分分散性問題；二是假顆粒的成形壓縮比問題；三是離心霧化器的霧化噴淋機理不明確；四是要解決成套的、連續的生產裝備供應問題。本文從有效顆粒的充分分散性問題出發，通過在干法造粒機筒體中加入噴霧裝置，使得增濕水霧化成霧滴，從而大大增加了液體與粉料的接觸面積，提高造粒效果。并且基于CFD軟件分析比較了不同噴嘴的霧化效果，得出最適合干法造粒的噴嘴類型。從而在一定程度上解決了顆粒的充分分散性問題，使得顆粒的均勻化程度有所提高。

1　 霧化模型

Fluent中DPM模型提供了五種霧化模型，本文研究的是其中四種霧化模型的霧化效果，其霧化機理如下［7］：

平口噴嘴：平口噴嘴是最常見也是最簡單的一種霧化器，但對于其內部與外部的流動機制卻很復雜［5］。液體在噴嘴內部得到加速，然后噴出，形成液滴。其結構簡圖如圖1所示。

壓力旋流式噴嘴：這種噴嘴，流體通過一個稱作旋流片的噴頭被加速后，進入中心的旋流式，在旋流室，旋轉的液體被擠壓在固壁，在流體中心形成空氣柱，然后液體以不穩定的薄膜狀態從噴嘴噴出，破碎成絲狀物及液滴［8］。其霧化過程示意圖如2。

氣流式噴嘴：工作時，中心管走料液，壓縮空氣經氣體分布器后從環隙（氣體通道）噴出。當氣液兩相流在噴嘴出口端面接觸時，由于氣體從環隙噴出的氣體速度很高，一般為200-340 m/s，但液體流出的速度不大。因此，在兩流體之間存在著很大的相對速度，產生相當大的摩擦力，從而將料液霧化。氣流式噴嘴霧化模型如圖3所示。

氣泡式噴嘴：氣泡霧化噴嘴中，液體中混合了過熱液體或者類似的介質。當揮發性液體從噴口噴出時，迅速發生相變。相變使液體迅速以很大的分散角破碎成小液滴。

圖1　平口噴嘴結構簡圖Fig.1 The structure diagram of plain-orifce-nozzle

圖2　壓力旋流式噴嘴霧化過程示意圖Fig.2 The structure diagram of pressure-swirl-nozzle

圖3　氣流式噴嘴霧化模型Fig.3 The atomization model of air-blast-nozzle

圖4　氣泡式噴嘴結構示意圖Fig.4 The structure diagram of effervescent-nozzle

2　 模型的建立

2.1數學模型的建立

采用歐拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）法的DPM模型來模擬噴嘴霧化過程，霧滴處理為離散相，這是由于其在空氣中所占的體積比濃度很低，空氣處理為連續相［7］。分別用Lagrange法和Euler 法來計算描述空氣相和霧滴離散相的運動軌跡［10］。

（1）離散相霧滴顆粒運動方程

根據作用在顆粒上力平衡原則，可得Lagrange坐標系下霧滴顆粒運動方程如下：

式中：up為霧滴顆粒速度，m/s；u—連續相速度，m/s； g為重力加速度，m/s2；ρp為霧滴密度，kg/ m3； ρ為流體密度；Fd為霧滴單位拽力，N；μ為流體動力粘度，Pa·s； dp為霧滴顆粒直徑，m； Cp為拽力系數； Re霧滴雷諾數；F為其他作用力，N。

（2）連續相控制方程

在拉格朗日坐標系下，空氣處理為離散相［6］，采用標準 湍流模型，根據空氣的質量、能量及動量守恒定律，得到連續相方程如下：

式中：t為時間，s；ρ為密度，g/cm3；u為速度矢量m/s。

2.2物理模型的建立

以實際干法造粒過程為依據，利用Solidworks三維軟件建立造粒室物理模型再導入到Gambit中劃分網格并且設置邊界條件如圖5所示。在筒體上表面環狀區內坐標值為（25，0，260）、（-25，0，260）、（0，25，260）、（25，0，260）的位置分別設置四個噴嘴。造粒室高為280 mm，筒體內徑為 235 mm。模型在Fluent中求解時將霧滴處理為離散相，采用DPM模型描述液體顆粒運動軌跡［9］選取整個筒體區域作為計算域。造粒室模型分為兩部分，一部分由葉片、鉸刀和其附近區域劃分為動域；剩下的區域劃分為靜域。動域與靜域相交處設置為交接面，其它都設置為墻。設置攪拌軸轉速為240 rpm。

圖7　壓力旋流式噴嘴霧化流場模擬圖Fig.7 Simulated image of the atomization fow feld of pressure-swirl -nozzle

圖6　平口噴嘴霧化流場模擬圖Fig.6 Simulated image of the atomization fow feld of plain-orifce-nozzle

圖5　造粒室物理模型及邊界條件Fig.1 The physical model and boundary conditions of the granulation chamber

3　數值模擬結果及分析

3.1霧化流場模擬結果對比

為了研究不同類型噴嘴的霧化效果，對內徑同為1 mm的四種類型噴嘴進行模擬比較，模擬結果如圖6—圖9所示。由圖6—圖9四種噴嘴霧化流場模擬結果可知，氣流式噴嘴、平口噴嘴、壓力旋流式噴嘴、氣泡式噴嘴霧滴顆粒分散性依次遞增，且霧滴大部分集中在鉸刀附近。在噴霧過程中，當粉料經鉸刀攪拌穿過霧化場時，霧化場區域越大即霧滴在筒體內越分散，粉料需要克服的穿透功也越高，進而提高粉料顆粒被霧滴捕集的概率，從而提高造粒效率。因此，就霧滴分散性而言，干法造粒宜選用氣泡式噴嘴或壓力旋流式噴嘴作為干法造粒過程中的霧化裝置。

3.2霧滴粒徑分布對比及分析

圖8　氣流式噴嘴霧化流場模擬圖Fig.8 Simulated image of the atomization fow feld of air-blast-nozzle

圖9　氣泡式噴嘴霧化流場模擬圖Fig.9 Simulated image of the atomization fow feld of effervescent-nozzle

圖10　平口噴嘴霧滴粒徑分布Fig. 11The droplet size distribution of plain-orifce-nozzle

圖11　壓力旋流式噴嘴霧滴粒徑分布Fig. 11 The droplet size distribution of pressure-swirl -nozzle

圖12　氣流式噴嘴霧滴粒徑分布Fig.12 The droplet size distribution of air-blast-nozzle

圖13　氣泡式噴嘴霧滴粒徑分布Fig.13 The droplet size distribution of effervescent-nozzle

由圖10—圖13四種噴嘴霧滴粒徑分布云圖可知，霧滴粒徑分布的相同點為：隨著離噴嘴距離的增加，霧滴粒徑逐漸減小最后趨于穩定。這是由于在距離噴嘴較近的區域，液滴尚未完全霧化，隨著離噴嘴越遠，液滴與空氣強烈摩擦進一步霧化使粒徑變小，待液滴完全霧化，粒徑趨于穩定。

四種噴嘴霧滴粒徑分布不同點為：平口噴嘴霧滴粒徑分布在0.2-1 mm的區間內。霧炬中心顆粒粒徑較大，往中心兩側粒徑逐漸減小，但邊緣的霧滴又逐漸增大。壓力旋流式噴嘴霧滴粒徑分布在0.02-0.2 mm的區間內。較大的霧滴分布在霧炬中間，較小的顆粒則集中于霧炬外圍。氣流式噴嘴霧滴粒徑分布在0.04-0.1 mm的區間內，雖然霧滴粒徑較小，但霧滴集中分布在軸、鉸刀和葉片周圍，且鉸刀距筒底中間部分幾乎沒有霧滴，不利于霧滴與粉體充分接觸，影響造粒效果。氣泡式噴嘴霧滴粒徑分布在0.07-1.37 mm的區間內且霧滴粒徑集中分布在0.2-1 mm的區間內較之壓力旋流式噴嘴霧滴粒徑較大。

綜上所述，壓力旋流式噴嘴霧滴平均粒徑較之其它三種噴嘴最小，且粒徑分布均勻，有利于提高造粒效率，對顆粒的充分分散性有一定的改善。因此，就霧滴粒徑分布而言，干法造粒宜選用壓力旋流式噴嘴作為霧化裝置。

4　 結 論

（1）通過模擬結果所得到的四種噴嘴的霧化場云圖可知， 氣流式噴嘴、平口噴嘴、壓力旋流式噴嘴、氣泡式噴嘴霧滴顆粒分散性依次遞增，其中氣流式噴嘴霧滴分散性最差，僅造粒室中心及底部有霧滴分布，壓力旋流式噴嘴及氣泡式噴嘴霧滴分散性較好，幾乎占據整個筒體區域。

（2） 通過模擬結果所得到的四種噴嘴的霧化場霧滴粒徑分布云圖可知，壓力旋流式噴嘴霧化場霧滴粒徑分布在0.02-0.2 mm的區間內且平均粒徑粒徑較之其它三種噴嘴最小。

綜上所述，就霧化場霧滴分散性及霧滴粒徑分布而言，應選用壓力旋流式噴嘴作為干法造粒的霧化裝置。

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The Numerical Simulation of the Atomization Effect of Ceramic Dry Granulation Sprayer

WU Nanxing， ZHAN Tiantian， LIAO Dahai
（School of Mechanical and Electronic Engineering， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333403， Jiangxi， China）

In order to make the atomized droplets fully contact with the powder in the process of dry granulation and to improve the uniformity of particle size， the mathematical model of the atomization process is established based on the DPM model in the Euler-Lagrange systems with the help of the simplifed physical model for a test dry granulator. The atomization fow felds of plain-orifce-nozzle， pressureswirl-nozzle， air-blast-nozzle， and effervescent-nozzle， all with the inner diameter of 1 mm， are numerically simulated using CFD software. And the particle diameter distributions of different nozzles are compared and analyzed. The simulation results show that the droplet dispersity increases with the order from air-blast-nozzle， plain-orifce-nozzle， pressure-swirl-nozzle to effervescent-nozzle. But the droplets average particle size of pressure-swirl-nozzle is less than those of the other three kinds of nozzles and droplets inside the granulation chamber are dispersed more uniformly and thus more conducive to a good contact between droplets and powder. Therefore， in terms of the dispersity of atomized droplets and droplet size distribution， pressure-swirl-atomizer is the best for dry granulation atomization device.

dry granulation； DPM.； atomization； numerical simulation

date: 2014-11-12. Revised date: 201412-26-.

TQ174.6

A

1000-2278（2015）02-0185-05

2014-11-12。

2014-12-26。

國家自然科學基金資助（項目編號：51365018）。

通信聯系人：黃佳雯（1988-），女，碩士研究生。

Correspondent author:HUANG Jiawen（1988-）， female， Master postgraduate.

E-mail:524010983@qq.com