喷雾式反应装置喷嘴雾化性能测试系统开发

颜雪娟， 于潇航， 陈琴珠， 余醉仙， 熊远远

(华东理工大学，机械与动力工程学院，上海 200237)



喷雾式反应装置喷嘴雾化性能测试系统开发

颜雪娟， 于潇航， 陈琴珠， 余醉仙， 熊远远

(华东理工大学，机械与动力工程学院，上海 200237)

开发了一种喷雾式反应装置喷嘴的雾化性能测试系统，介绍了实验系统的组成、工作原理和实验测试内容，并给出了相应的实验案例。该实验测试系统主要由动力源系统模块、雾化喷嘴模块及测量模块三部分组成，实验内容涉及流量特性、喷雾锥角、雾化均匀度、雾滴粒度大小及分布等参数的测量。通过喷嘴雾化性能测试系统的开发，为改进和优化雾化喷嘴结构提供了重要的参数，同时也为喷雾式反应装置选择雾化喷嘴提供了有价值的依据。

雾化喷嘴； 雾化性能测试； 实验系统

0 引 言

液体雾化广泛应用于柴油机、燃气轮机、气体燃料发动机、化工喷雾式反应装置等工程领域[1]。在工程领域中，雾化的目的是为了加强传质和传热作用[2]。1892年狄赛尔将直射式喷嘴应用于柴油机，1902年离心式喷嘴的出现进一步改善了雾化效果[3]。此后，进行了对雾化方法的大量实验与理论研究[4-8]，发展了不同类型的喷嘴。目前普遍应用的喷嘴有[9]：压力式雾化喷嘴、旋转式雾化喷嘴、气动雾化喷嘴、超声雾化喷嘴等。液体雾化实验有助于对流体流动、传质传热的了解，并可作为燃烧过程研究与设计提供参考。

1 液体雾化测试系统基本理论

1.1 液体雾化的基本过程

液体的雾化过程实质上是通过一定的方法将一定量的液体破碎，使其分散为许多微小颗粒组成的液滴群，可认为是内、外力共同作用的结果[10]。液体雾化过程是由像液体压力、气动力这样的外力与液体表面张力和黏滞性之间的竞争过程。一方面，表面张力促使液滴呈现球形(因球形液滴所需表面能最小)；黏性抵抗液滴几何形状的变化使之趋于稳定[11]；另一方面，湍流的径向速度分量和作用于液体表面的空气动力会促使其破裂。当外力大到可以克服液体表面张力和黏性时，液体便会变形，继而破碎分散成许多小液滴群。这些小液滴在外界气流的作用下，又会发生进一步破碎形成更小的液体颗粒，即二次雾化[12]。

1.2 雾滴尺寸的表示方法

雾化会形成大量的细小液滴，雾化方式不同所形成液滴尺寸范围也有不同。由于雾化机理的复杂性，液滴会在雾化过程中发生形变，使之呈现非球状。为了评价雾化效果及雾化特性，通常采用平均直径和特征直径来表达[13]。

(1) 平均直径。平均直径表示全部液滴的一个数学值[14]，此值是液滴数目、长度、面积或体积的一种量度。其通式：

(1)

式中：D为液滴的直径(μm)；dN为液滴数增量；p，q为自然数。

长度平均直径、表面积平均直径、体积平均直径、索特平均直径分别以D10，D20，D30和D32表示。

(2) 特征直径。在对雾化液滴尺寸分布的进一步研究中，往往需要在分布曲线中寻找几个特征点进行分析，这些特征点便称为特征直径[15]。在液滴尺寸分布曲线中，它们代表某一直径以下的所有液滴的体积占全部液滴总体积的百分比，并将此比值以符号下标的形式表示。常用的液滴特征直径及含义如下：平均直径与特征直径代表着不同的含义，但均从不同侧面反映了液滴群的尺寸分布特性。

D0.1为小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的10%；D0.5为小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的50%，该直径左右侧体积分布曲线下的面积相等；D0.9为小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的90%。

2 雾化性能测试系统组成

2.1 实验系统组成

实验系统主要由动力源系统模块、雾化喷嘴模块及测量模块组成，如图1所示。

动力源系统模块为整个实验系统提供一定流量水，同时能够保证一定压力。该系统采用水源为自来水。系统采用离心泵且在泵的进口处安装缓冲板，防止水箱内水流波动造成的气泡进入泵体而降低雾化效果。

1-打印机，2-计算机，3-接收端，4-喷嘴，5-压力表，6-发射端，7-转子流量计，8-水箱，9-离心泵

图1 喷嘴液体雾化实验系统组成

雾化喷嘴模块包括输送液体管道及压力式喷嘴，按照实验设计不同喷嘴进行雾化效果测试。喷嘴采用螺纹安装，易装卸，可根据需要测试不同类型的喷嘴。测量模块包括压力表、转子流量计、激光粒度分析仪等仪器。根据实验设计参数测试需要，安装系统位置高度可调节，用于供水压力、流量、雾滴粒径大小及分布特征等参数的测量。压力表为机械式压力表，布置在喷嘴入口前，用于测量进入喷嘴流体的实际压力；转子流量计布置在调节阀之前，用于测量进入喷嘴流体的流量。为保证测试的准确性，实验时对上述仪表进行校正。测量过程中，待压力稳定后进行多次测量，取实验数据平均值，以减小测量误差。

2.2 激光粒度分析仪

激光粒度分析仪(见图2)是测量模块中的主要装置，其目的是利用信息光学原理，测量分析雾场中雾滴颗粒群的散射谱，从而计算得到雾滴群的平均直径大小和尺寸分布范围等数据。仪器分为主机与计算机两部分，主机部分含有光学系统、信号采集处理系统；计算机则完成数据处理并显示、打印测试结果。

图2 激光粒度分析仪

实验测试时，将激光发射器和接收器分别安放在喷雾场的两侧，调节设备位置，使激光束经滤光、扩束、滤波、经准直透镜变成平行光线后在喷嘴正下方一定距离的雾滴群中央穿过。由于待测雾滴颗粒的作用，照射到测试区(见图3)中的平行光线产生散射谱。被测颗粒群的大小及分布情况关系着散射谱的强度及空间分布。散射谱经透镜再次汇聚后，照射到位于透镜后焦面上的光电阵列探测器上。光电探测器能将投射到上面的光能量转换成电压，送到数据采集卡中，然后通过A/D转换将信号送入计算机。计算机中的信号利用实验数据处理软件进行反演运算和数据处理后，即可得到雾滴颗粒群的D0.1、D0.5、D0.9等参数。

图3 激光粒度分析仪光路构造

2.3 压力式喷嘴

压力式喷嘴也称为机械式喷嘴，其主要由液体切向入口、液体旋转室、喷嘴孔组成。它主要是利用动力源(泵)使液体获得一定压力，从切向入口进入喷嘴旋转室中[16]。液体在旋转室运动，获得旋转速度。根据旋转动量矩守恒，旋转速度与旋涡半径成反比。从而，越靠近喷嘴轴心，其静压力越小，速度越大，于是在喷嘴中央形成了一股压力等于大气压的空气旋流，而液体则形成绕空气中新旋转的环形薄膜。在喷嘴孔处，液体的静压能转变为向前动能，从喷嘴喷射而出。环形薄膜逐渐伸长变薄，分裂为小雾滴群。压力式喷嘴使液体获得旋转动能，即液体获得离心力，随后喷射而出，因而，压力式喷嘴也被统称为离心压力喷嘴。

3 雾化性能测试方法及指标

以螺旋六槽式喷嘴为例，对整个测试系统的实验过程进行说明。

3.1 流量特性

流量特性是雾化喷嘴工作中的喷射流量与喷射压差之间的关系，喷雾式反应器中的喷嘴必须在一定压差下才能达到所需的工作流量。该实验系统中能够记录喷嘴在各指定流量下的压力值，进而分析其流量特性。在螺旋六槽喷嘴的实验过程中，采用流量控制法，分别测量并记录喷射流量从2.0 m3/h逐步变化到最大流量时的压力值，得到如图4所示的流量特性曲线。从图中可以看出，流量随着喷射压差的增大而增大。

3.2 雾化锥角

雾化锥角是决定喷嘴所形成雾滴覆盖范围的重要因素，该实验系统中，利用高速摄像机(200帧)对喷嘴在不同流量状态下的雾化形态进行拍摄，拍摄过程中保证摄像机的位置固定不动，待所有拍摄完成后截取图片并利用角度测量软件测量各个流量状态下的雾化锥角。表1为螺旋六槽喷嘴在各不同流量下的喷雾锥角。从表中可以看出，螺旋六槽喷嘴的雾化锥角在90°左右，且随着流量的增大而小幅增加。

图4 螺旋六槽喷嘴流量特性曲线

流量/(m3·h-1)雾化锥角/(°)流量/(m3·h-1)雾化锥角/(°)2.086.82.899.82.287.53.0100.52.488.23.2102.62.694.3

3.3 雾滴尺寸

雾滴尺寸是评价喷雾质量的重要参数。实验过程中利用激光粒度分析仪对螺旋六槽喷嘴的雾滴尺寸进行实时测量。粒度分析仪属于精密仪器，在测量过程中主要包括以下几个步骤：光路调试—仪器校准—背景测试—能谱测试—数据分析。

(1) 光路调试。将激光粒度分析仪的发射器和接收器水平放置，并使得激光能够穿过喷雾区域的测试孔，激光束在被接收器接收后，通过内部的反射装置使得激光能够穿过光电阵列探测器的中心孔。

(2) 仪器校准。仪器校准包括仪器准确度与仪器重复性的检查。仪器准确度与仪器重复性检定的判定依据如下：在相同条件下对同一标准物质(标准值为50 μm)测量10次，得到10次体积中位径测量值，其平均值与标准值的相对误差即为准确度：

(2)

D0.5相对标准偏差ΔS即为重复性：

(3)

若A≤3%，且ΔS≤3%，表明仪器测量的准确度和重复性满足要求，则仪器校准完毕。

(3) 背景测试。待仪器校准完成后，打开计算机中的粒度分析软件并连接仪器，此时将出现如图5所示的软件测试界面。

图5 软件测试界面

图5中右上方显示的红色条纹即为“背景测试”数据，其作用是显示激光束在光电阵列探测器上的散射光谱。在测量开始前，应尽量细调光路使得“背景测试”中只有第一环数据稍高，在400左右，而其他各环数据均低于100。

(4) 能谱测试。背景测量累计10次后，单击“测试”菜单中的“能谱测试”，分析软件界面将显示如图5右中部所示的“测试视图”。初始时，测试视图中并无数据，这是因为测试区域并无试样。启动实验装置，使得经喷嘴雾化后的雾滴通过激光测试区域，此时“测试视图”中将动态显示被测雾滴的能谱曲线与浓度，如图6所示。同时在视图左侧的数据分析窗口会动态显示雾滴群当前的平均直径和特征直径。当测试结果稳定后，勾选“保存结果”复选框即可，系统将自动记录和保存每一条测试结果(每一条数据的时间间隔即是“信息设置”中的间隔时间)。当数据记录达到一定数量时，再次点击复选框，即停止记录数据。

图6 测试过程中的视图显示

(5) 数据分析。待某一流量状态下的测量结束后，打开粒度分析软件中的数据记录列表，如图7所示为螺旋六槽喷嘴在流量为3.0 m3/h的原始测试数据。在该数据表中，一共记录了42条测试数据，每条数据中显示在某一时刻所测雾滴群的尺寸分布(包括D0.1、D0.5、D0.9等数值)。从图中各条数据的数值可以看出，由于喷雾状态的波动性，经过一定的时间间隔，每条数据中各个分析项目值间会有一定差异。因此，为了最大程度的得到真实的雾滴尺寸数据，需要对所采集的多条数据进行分析处理，处理方式包括“数据平均”、“数据统计”和“数据比较”。

图7 数据记录列表

其中，通过“数据平均”可对各条数据中对应的分析项目进行求平均值，并得到一条反映测试时间段内喷嘴的平均喷雾状况。

在进行“数据平均”后，可针对该平均数值进行雾滴尺寸分布分析。软件提供了三种尺寸分布的分析模式，即标准自由分布、R-R分布、对数正态分布。图8所示为螺旋六槽喷嘴q=3.0时平均数据的对数正态分布图。图中蓝色条纹为雾滴尺寸分布状况；红色曲线为雾滴累积分布曲线。

图8 螺旋六槽喷嘴雾滴尺寸对数正态分布

在完成数据分析后，可将所得的雾滴尺寸分析结果进行输出，得到详细的尺寸分布数据、平均直径和特征直径结果。如表2所示为螺旋六槽喷嘴在3.0 m3/h时的测试数据。重复上述步骤，可得到喷嘴在各个流量下的尺寸分布结果，为分析评估喷嘴的雾化性能提供参数。

表2 螺旋六槽喷嘴雾滴尺寸分析数据

4 结 语

上述喷嘴雾化性能测试系统开发有助于学生对流体流动、雾化性能、喷嘴应用的了解，也为喷嘴设计与研究提供理论依据。

根据液体雾化机理的发展现状，雾化性能在化工装备中的要求，可以获悉液体雾化研究具有很大的发展空间，而该实验系统是开放性的、探究性的实验，使学生了解和掌握先进设备的原理、理论探索、实验研究及计算机操作方法，开拓学生国内外先进化工设备的理念，也是高校过程装备实验室建设的一大成果。

实验中采用的为水-空气结构，当设计出一种合适的喷嘴结构，还能进行使用不同黏度液体时，喷嘴的雾化效果的比较，从而设计选择出最适宜不同工况下的雾化喷嘴，促进化工过程装备、柴油机、燃气轮机、消防及农业灌溉等应用的发展。

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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

颜雪娟(1966-)，女，上海人，实验师，现从事先进化工设备实验研究。Tel.:021-33612306；E-mail:xjyan@ecust.edu.cn

O 351.2

A

1006-7167(2015)11-0066-05