（热能工程专业论文）流体动力式超声波喷嘴的实验研究.pdf

摘要 摘要 本文总结了燃油喷嘴的应用现状，指明了其中存在的问题，在此基础上介 绍了流体动力式超声波喷嘴的原理与特点，设计了一系列超声波喷嘴，并对他们 进行了冷态喷雾实验和热态燃烧实验。 通过冷态喷雾实验，本文分析了空气压力，水压和气液比对喷嘴雾化粒径、 雾化角的影响，并对雾化粒径的沿程分布情况进行了分析。实验表明，流体动力 式超声波喷嘴对水和燃油均有良好的雾化效果，雾化粒径集中在1 0 2 0 t a n ；雾 化粒径和雾化角均随着气压的增大而减小，气压越大，减小趋势越小；雾化粒径 和雾化角均随着水压的增大而增大，水压越大，增大趋势越小；雾化粒径和雾化 角均随着气液比的增大而减小，存在一最佳气液比，达到此气液比后，再增大气 液比，雾化粒径和雾化角变化不明显；随着测点距离喷嘴距离的增大，雾化粒径 星逐渐增大趋势，且距离越大，增大趋势越缓。 在前期喷雾实验的基础上，本文又进行了流体动力式超声波喷嘴与传统旋流 外混式高压喷嘴的冷态特性对比实验，通过实验发现：流体动力式超声波喷嘴的 雾化粒径明显小于传统喷嘴，且有较大的调节比；随着测点距离喷嘴距离的增大， 流体动力式超声波喷嘴的雾化粒径逐渐增大，而传统旋流外混式喷嘴的雾化粒径 先减小，达到最小值后，又逐渐增大；两种喷嘴的雾化角和喷雾长度随气压和水 流量的变化情况相同，不同的是，超声波喷嘴的雾化角要大于旋流外混式喷嘴， 且其喷雾长度要小于旋流外混式喷嘴。 要将流体动力式超声波喷嘴应用到工业炉上，仅了解其冷态特性是远远不够 的，为此我们对其进行了热态燃烧实验，研究燃烧情况。实验研究表明：流体动 力式超声波喷嘴对燃油的雾化效果很好，7 0 8 0 的2 5 0 重油雾化后即可实现冷 炉点火，在雾化空气压力为0 4 m p a 时即可稳定燃烧；燃烧2 5 0 重油时，排放烟 气中in o 。、s 0 2 含量较高，在今后的设计中应尽量避免。 通过冷态和热态实验，本文对流体动力式超声波喷嘴的特点进行了总结，指 出了其优点和不足之处，对今后设计出适合工业应用的流体动力式超声波喷嘴提 供了依据，具有较高的应用价值。 关键词：超声波；雾化；喷嘴；重油 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dp r o b l e m so fo i la t o m i z e rw e r ea n a l y z e di n t h i s p a p e l - b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ff l u i dd y n a m i c u l t r a s o n i ca t o m i z e rw e r ei n t r o d u c e d ，a n das e to fu l t r a s o n i ca t o m i z e r sw e r ed e s i g n e d t h a ns p r a ya n db u r n i n ge x p e r i m e n t so f t h eu l t r a s o n i ea t o m i z e r sw e r ec o n d u c t e d t h r o u 吐s p r a ye x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c eo fp r e s s u r eo fc o m p r e s s e da i r , w a t e r p r e s s u r ea n da i r - l i q u i d - r a t e ( a l r ) o na t o m i z a t i o nd i a m e t e ra n da t o r n i z a t i o na n g l ew a s a n a l y z e d f u r t h e rm o r e 。t h ee h a r a c t e r i s t i co f 也eg r a n u l a r i t 、，d i s t r i b u t i o na l o n gt h e n u z z l ea x i sw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ：t h ef l u i dd y n a m i cu l t r a s o n i e a t o m i z e rh a daw e l la t o m i z a t i o ne r i e e to nb o t hw a t e ra n do i l ，a n dt h es a u t e rm c a n d i a m e t e r ( s m d ) o ft h ea t o m i z e r sw e r ea b o u t1o - 2 0 1 a m ；w i t ht h ei n c r e a s eo fp r e s s u r e o fc o m p r e s s e da i r , b o mt h ea t o m i z a t i o nd i a m e t e ra n da t o m i z a t i o na n g l ed e e r e a s e d a n dt h eh i g l a e l - o f t h ea i rp r e s s u r et h el e s so f t h et r e n do f d e c r e a s e ；w i mt h ed e c r e a s eo f p r e s s u r eo f w a t e r , b o t ht h ea t o m i z a t i o nd i a m e t e ra n da t o m i z a t i o na l l g l ei n c r e , a s e d ，a n d t h eh i g h e l o ft h ew a t e lp r e s s u r et h el e s so ft h et r e n do fi n c r e a s e ；b o t ha t o m i z a t i o n d i a m e t g ta n da t o m i z a t i o na n g l ed e c r e a s e dw i t l lt h ea l ri n c r e a s i n g , b u tw h e na l r i n c r e a s e st oac e r t a i nn u m b e r , b o t ho ft h e r nw o u l dh a v el i t t l ec h a n g e 。a n dt h i sa u t r e g a r d sa st h eb e s to n e ：w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et e s tp o i n ta n d n i t r a s o n i cn u z z l e ，t h ea t o m i z a t i o nd i a m e t e ri n o l - e a s e d a n dt h el a r g e rd i s t a n c et h el e s s o f t h et r e n do f i n c r e a s e b a s e do nt h es p r a y i n ge x p e r i m e n t s ，ac o n t r a s te x p e r i m e n to fc h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e nf l u i dd y n a m i cu l t r a s o n i ca t o m i z e ra n dt r a d i t i o n a le x t e m a lm i x i n ga i rb l a s t a t o m i z e rw a sd e s i g n e d i tw a sf o u n dt h a t ：t h ea t o m i z a t i o nd i a m e t e ro fu l t r a s o n i c a t o m i z e rw a so b v i o u s l yl o w e rt h e l lt r a d i t i o n a la t o m i z e r , a n du l t r a s o n i ca t o m i z e rh a da m u c hb i g g e ra d j u s tr a t i o ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i s t a l i c eb e t w e e nt e s tp o i n ta n d u l t r a s o n i cn u z z l e ，t h ea t o m i z a t i o nd i a m e t e ro f u l t r a s o n i ca t o m i z e ri n c r e a s e d ，w h i l et h e a t o m i z a t i o nd i a m e t e ro ft r a d i t i o n a la t o m i z e rd e c r e a s e df i r s ta n dt h e ni n c r e a s e d ：t h e a t o m i z a t i o na n g l ea n da t o m i z a t i o nl e n g t ho fb o 也t h eu l t r a s c i n i ca t o m i z e ra n dt h e 仕a d i t i o n a la t o m i z e rh a dt h es i m i l a rc h a n g e sw i t l lt h ec h a n g eo fa i rp r e s s u r ea n dw a t e r p r e s s u r e t h ed i f f e r e n tw a st h a tt h e1 1 1 t r a s o h i ea t o m i z e rh a dab i g g e ra t o m i z a t i o na n g l e a n das h o r t e ra t o m i z a t i o nl e n g t h i na d d i t i o nt ot h es p r a y i n ge x p e r i m e n t s ab u r n i n ge x p e r i m e n to ft h ei l l t r a s o n i c a t o m i z e rp r o c e e d e d t h eb u m i n ge x p e r i m e n ts h o w e dt h a t ：t h ef l u i dd y n a m i c u l t r a s o h i ea t o m i z e rh a das ow e l la t o m i z a t i o ne f f e e to n2 5 0 # h e a v yo i lt h a ti tc o u l db e b u ma t7 0 - 8 0 i nc o l df u r n a c e a n dt h eh e a v yo i lc o u l db u r n i n gs t e a d i l yw i t ha na i r p r e s s u r eo f 0 4 m p a ；d u r i n gt h eb u r n i n ge x p e r i m e n t ，t h ec o n c e n t r a t i o no f n o xa n ds 0 2 w e r eh i 出i nt h es m o k e 。a n dt h i ss i t u a t i o ns h o u l db ea v o i di nt h ed e s i g no fu l t r a s o n i c a t o m i z e rf o rt h ef u t u r e t h r o u g hs p r a ya n db u r n i n ge x p e r i m e n t s t h ep a p e l s u m m a r i z e dc h a m c t e r i s t i c so f n u i dd y n a m i cu l t r a s o n i ea t o m i z e r , a n a l y z e dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e u l t r a s o n i ca t o m i z e r , a n dp u tu pa d v i c e sf o rt h ed e s i g no f u l t r a s o n i ea t o m i z e r k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ；a t o m i z a t i o n ；n o z z l e ；h e a v yo i l 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 爿，运动物体在“方向上的横断面积，m 2 p r 瘟气密度，k g m 3 p 广_ 毓体密度，k g m 3 d 之气阻力系数 口表面张力，n ，沪硫体粘度，m 2 s 而一口直径，m m 巩体积中位径，i m x d w 数目中位径，阻 岛广索太尔平均粒径，f u n m 油雾中总油滴数 西_ 由滴直径，呻& ，卜一反应油滴分布均匀性的指数 k 质量百分数， 卜出口雾化角，。 酗条件雾化角，。 h 共振腔深度，r a i n d ；共振腔直径，越 仇一中心杆直径，t o n i c _ 嫦温下空气中声速，m s o 使用状态下质量流量，k g h g 流量计显示值，m 3 m p i 厂i 分度时介质密度，k g m 3 p ，被测介质密度，k g m 3 户r 谗子材料密度，k g m 3 被测气体绝对压力，p a 砖皮测气体绝对温度，k 孓- 实验环境温度，k o 铡点与喷嘴的距离。衄 p ，水压，m p a 匕气压，m p a q 广_ _ 水流量，k g m 3 g 空气流量，k g m 3 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知除了文中特别加以标准和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得北京工业大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： 导师签名：星圣蠢日期：幽：垒堑 第】章绪论 第1 章绪论 1 1 前言 能源是推动社会进步、提高人民生活水平的重要动力源，当今社会，能源是 很多国家的战略资源。世界各国的经济发展实践证明，在经济正常发展的情况下。 能源消耗总量和能源消耗增长速度与国民经济生产总值和国民经济增长率成正 比关系。2 0 0 4 年的统计数据表明：中国已成为世界第一煤炭消费大国和第二石 油消费大国，能源消费总量已达世界第二。但是，我国人口众多。能源资源相对 不足，人均拥有量远低于世界平均水平。由于我国正处在工业化和城镇化加快发 展阶段，能源消耗强度较高，消费规模不断扩大，特别是高投入、高消耗、高污 染的粗放型经济增长方式，加剧了能源供求矛盾和环境污染状况。近年来，我国 水电、风电、核能等有了很大发展，但我国能源构成和消费的基本状况，仍然是 以矿物燃料为主【1 1 。所以，要实现我国可持续发展，解决能源短缺问题，在注重 寻找新能源的同时，应把更多的精力放在节能上面。 在所有可利用的矿物燃料中，液体燃料由于热值高、便于运输和储藏、杂质 少、燃烧效率高、燃烧后无残留物等优点，成为现代工业和民用的主要能源。液 体燃料主要是石油炼制的产品，如汽油、轻柴油、重柴油、煤油或各种品牌的燃 料油以及炼制后的残余物重油、渣油等，这些燃料主要以燃烧的方式将其化学能 转化为其他形式的能量。所以，如何提高液体燃料的燃烧效率，提高利用效率， 减少能源消耗，就成为节能的重要工作。 液体燃料是由多种碳氢化合物组成的复杂混合物，它的燃烧过程由燃料雾化 成很细的均匀微粒、与空气的充分混合以及在一定的温度下着火燃烧等三个环节 组成。液体燃料的燃烧本质是一神蒸发燃烧。在液体微粒着火前，首先开始蒸发， 在液滴表明形成燃油蒸汽，所以，液体燃料的燃烧实质上是燃油蒸汽与空气的燃 烧，是一种气态物质的均相燃烧过程。为了便于液体燃料在一定时间内充分燃烧， 必须使燃料快速蒸发，而液体燃料的蒸发速度，除了燃料自身的物理化学特性及 外界环境有关之外，还取决于燃料与周围环境介质之间的接触面积。在其他条件 相同的情况下，具有较大表面积的液体燃料与具有较小表面积的液体燃料相比， 前者的蒸发速度明显高于后者。为此，燃料雾化后，形成小液滴，表面积增大， 可以提高燃烧时热量与质量的交换速度，加快燃烧过程，提高燃烧性能。例如， lc r n 的燃油雾化到平均直径l m m 时，其表面积约为6 0 c m 2 ，雾化到平均直径5 0 t t m 时，其表面积为1 2 0 0 c m 2 。若是油滴燃烧，直径l m m 的油滴在空气中约需要1 8 烧完，雾化到直径l o o t t m 时，只需0 o l s 烧完，雾化到直径5 0 p r o 时，仅需o 0 0 2 5 s 烧完 2 1 。因此，从液体燃料燃烧所需的各个过程来看，燃油雾化的好坏直接影响 到燃烧效率的高低，从而关系到燃料的利用效率。提高燃油雾化技术水平，已经 北京工业大学工学硕士学位论文 成为能源利用、节能和环保发展水平的重要手段之一。 1 2 喷嘴雾化技术概述 燃油在锅炉中燃烧是采用燃烧器，燃烧器中对燃油进行雾化的装置称为喷燃 器或雾化器，俗称油枪。为了获得良好的燃烧工况，首先，需要雾化器将燃油雾 化成很细的雾状滴子。实际使用的雾化器，不可能将燃油雾化成直径一致的油滴， 通常的油滴群颗粒直径在1 0 - 2 0 0 1 j _ m 左右。一般认为，颗粒直径小于5 0 1 m 1 的油 滴占8 5 以上f 3 l ，也就是说，能使燃油均匀和细小的雾化，成为尽可能多的均匀 的单独液滴，并将这些液滴均匀分布在炉膛的空气流内，这是燃油燃烧的先决条 件。 雾化是复杂的综合过程，要使燃油雾化，必须先将燃油扩展成很薄的液膜或 很细的射流，让液体通过特定设计的流路展成膜或细射流，流路可以是窄缝、槽 或小孔，或通过旋流使液体在金属表面延展变薄，或由金属盘或转杯做高速旋转 运动带动液体展成薄膜，然后利用各种扰动，或在运动中由于动力作用，使液膜 或射流失稳，进而破碎成丝条和大的液滴，然后破碎成小液滴。常见的雾化方法 有机械雾化和介质雾化两大类。它们基本上都是物理机械过程。决定雾化品质的 主要因素是：进入雾化器油压的高低、燃油的粘度与表面张力的大小：雾化剂对 燃油流的机械作用；气穴现象的影响以及雾化器的结构是否有利于燃油的破碎 等。 传统的机械式雾化方法有两种，一种是压力喷射式雾化，燃油进入雾化器前， 其压力为1 m p a 左右，燃油经过雾化器将压力能变成速度能，燃油在高速旋转中 喷出喷孔，在燃油离心力的作用下，经过喷孔的反作用力，从而克服了燃油的表 面张力和粘性力，燃油破碎成微小颗粒。与此同时，剧烈的旋转造成涡流，形成 负压，产生气穴现象，从而加速液体的分裂。燃油的破碎和分裂是雾化的物理本 质。其特点是结构比较简单，但雾化效果比其他类型的喷嘴差，只有在孔径比较 小及液体射流速度比较高时，雾化才比较好。另外，它的工作范围也很窄。因此， 压力喷射式雾化喷嘴比较适用于燃油流量小或气流速度比较高的场合。 另一静是转杯高速旋转雾化，燃油以细小流股经油管进入安装在空心轴上的 雾化转杯内，由于高速旋转的雾化杯的离心力，使燃油形成贴在雾化杯壁面的油 膜，油膜也跟着高速旋转，并向炉内移动，直至杯口甩出。在离心力的作用下， 油膜破碎成细小的成曲线运动的微粒。转杯喷嘴实际是一种简单机械压力雾化喷 嘴，它结构简单，雾化能耗小，运行可靠。但这种喷嘴存在着工作范围不大的问 题。此外，转杯喷嘴还受液体燃料粘性范围的限制，这是由于其雾化主要靠液体 燃料的较高流速，若液体粘性较大，由于摩擦力造成的压力损失较大，这时雾化 质量也差。转杯式喷嘴早在1 9 0 2 年已实际使用，到目前为止，对转杯式喷嘴的 研究已基本趋于完普，有了一整套的设计、计算方法。 第1 章绪论 介质雾化根据介质不同可分为蒸汽雾化和空气雾化，根据雾化方式的不同又 分为气动雾化和气泡雾化。 气动雾化依靠一定压力的气体( 压缩空气或蒸汽) 形成高速气流，使气体与 燃油之间形成很高的相对速度以达到雾化的目的。由于雾化介质与燃油相对位置 不同，则雾化机理和雾化效果是各不相同的。雾化介质与燃油流的相对位置分别 有平行、相交( 最大交角为9 0 0 ) 、摺切三种。当雾化介质与燃油流流向平行时， 雾化介质对燃油流的摩擦力以及燃油内部因波动振荡使燃油破碎，要求雾化介质 的压力必须能克服表面张力。当雾化介质与燃油流相交时，雾化介质的冲击作用 会形成空隙气泡也会产生破碎作用。当雾化介质与燃油流流向相切时，由于雾化 介质的作用，使燃油流液滴粘性力被剪切而破坏。无论处于哪种相对位置，只要 配合得当，介质雾化被破碎的液滴尺寸比机械雾化要小的多。 气泡雾化是2 0 世纪8 0 年代初由a h l e f e b v w 蟪出的一种新型气动雾 化方式，它是把压缩空气以某种适当的方式注入到液体中，并使两者在喷嘴混合 室内形成稳定的泡状两相流动，在离开喷嘴出口极短的距离内由于气泡内外压差 的剧烈变化，促使它急剧膨胀直至破裂，从而将包裹在其周围的液膜进一步破碎 成为更加细微的液雾颗粒。如图1 1 所示。由于气泡雾化的耗气量少、雾化质量 高、雾化效果基本不受出口直径影响，因此比较适合雾化重、渣油等高粘度液体 燃料。 蠢相哺艟榴 图1 - 1 气泡雾化示意图 f i g u r e l - 18 k e t c hm a p o f e f f e r v e s c e n t a t o m i z e r 近年来，随着各种新技术研究的广泛开展，出现了一些特殊雾化喷嘴，将超 声波、电磁场、静电等原理与燃油雾化相结合，从而得到了更好的雾化效果。其 中超声波雾化技术是研究比较多的较为成熟的雾化技术。这些新的雾化技术的应 用，为提高燃油的利用效率，节约能源，带来了更多希望。 1 3 液体燃料雾化的基本理论 1 3 1 液体燃料的雾化机理 液体燃料的雾化一般是在雾化器中进行的，尽管喷嘴的形式多样，但燃油的 北京工业大学工学硕士学位论文 雾化过程在物理实质上都是基本相同的。研究表明：当油流或油滴在气体介质中 运动时，必然会受到外界空气的作用，以及由油流表面张力和粘性力决定的内力 的相互作用。当直径为d 的油滴在空气中以相对速度”运动时，它所受到的法向 空气动力乃可以用下式来表示【8 】，即 c = c p 。“2 以= 芸c p a u 2 d 2 ( 1 1 ) 式中爿。广_ 运动物体在“方向上的横断面积 p r 生气密度 c - 空气阻力系数，它是流动雷诺数 对于半径为，的圆球，由表面张力而引起的压力只应等于： 只：一20(1-2) r 式中o 流体的表面张力。 空气动力的倾向是要使油流或油滴扭曲变形，并使因紊流扰动而引起的、凸 出于油流或油滴表面的部分，脱离主体而分裂成为细小油滴：同时力求迎面打碎 油流或油滴，使之喷散。而液体表面张力和粘性力的作用，则力图抵抗扭曲变形， 并保持油流或油滴表面的完整性，以阻止发生分裂现象。当空气阻力超过了油流 或油滴内力的作用后，它们就会开始分裂，并且一直分裂到各微粒所具有的内力 重新与外力相互平衡为止。因此，要使燃油雾化，必须先将燃油扩展成很薄的液 膜或很细的射流，在运动中由于气动力的作用，呈现不稳定性，薄膜或射流破碎 成大大小小的液滴，喷嘴喷射过程的作用有两个方面的作用：第一，要得到液体 与周围介质气体之间的相对运动；第二，让液体通过特定设计的流路展成膜或细 射流。 尽管喷嘴喷射的方式不同，但从液体破碎的物理过程上看，基本上可分为两 种形式的破碎：射流破碎和液膜破碎【9 1 1 射流破碎 最早提出射流破碎机理的是瑞利g u y l e i g h ) ，早在1 8 7 8 年r a y l e i g h 以经典的 方法处理射流不稳定问题时，他把液射流在气体中的不稳定主要归因于表面张 力。数学推导得出结论：对于无粘性射流来说，扰动的波长在4 5 0 8 倍于射流直 径时，扰动波的增长率最大，这使液柱断裂成几个部分。因此，他认为，当液体 射流上出现不稳定的扰动，并逐渐增长到未受扰动的液体直径的一半时，该射流 就要破碎成液滴群，这种情况相当于扰动的波长和射流起始直径之比_ 而= 4 5 ， 这时破碎出来的液滴平均直径为1 8 9 而从这关系可以看出，破碎雾化的液雾直 径总是和射流起始直径成正比。 在瑞利的理论中，只考虑了液体表面张力，把表面张力作为唯一阻止射流分 解的力，在抵抗液体破碎的力中不考虑液体的粘性力，后来韦伯在1 9 3 1 年作了 l 第1 章绪论 比较细致的分析，在瑞利理论的基础上加进了粘性力的影响，把瑞利理论加以扩 展，从理论上推导出液射流最大不稳定时的波长，破碎时间和破碎距离等。根据 韦伯理论，形成粘性射流白打不稳定性的_ 而有： 去= “压( + 丽3 p i ( 1 - 3 ) 式中，l r 流体粘度，m 2 s p r 流体密度，k g m 3 口表面张力，n 而喷口直径，i b m 当流体粘度g l = o 时，此式变为 d o = 4 4 4 ，这与瑞利理论基本一致。 2 薄膜破碎 通常认为，薄膜破碎可以有三种方式，即轮毂破碎、穿孔薄膜破碎和波浪式 破碎。 ( 1 ) 轮毂破碎由于液体表面张力的作用使液体薄膜的边缘收缩成一个较厚 的轮毂。随后，这轮毂以与自由射流破碎一样的机理破碎，当液体粘性力和表面 张力两者都很高时，容易出现这种薄膜破碎方式。 ( 2 ) 穿孔薄膜时破碎在离开喷嘴一定距离处，薄膜会出现孔，这种孔的尺 寸变大，直至相邻的孔连上，形成不规则的液体带子或条子，这些不规则形状的 液带进而破碎成大小各异的液滴。 ( 3 ) 波浪式破碎液膜上首先出现扰动波，当波幅增长到达一定值后，出 现波幅值猛增，直至半个波长或整个波长的液膜被撕下来，断裂成一个液带，然 后又由于表面张力作用而收缩，进而分解成小液滴。 燃油雾化时三种破碎方式都可能出现，甚至同时存在两种破碎方式。 显然，不管液体的破碎方式如何，归结起来，液体破碎取决于两种力的相互 作用，一种是促使液体破碎的气动力或振动力，一种是阻止液体破碎的力，如表 面张力和粘性力。 1 3 2 影响雾化的主要因素 围绕上述两个力对液体燃料雾化的影响，我们可以概括出影响液体燃料雾化 质量的主要因素： 1 喷嘴结构的影响 根据液体燃料雾化机理可知：液体燃料离开喷嘴时所具有的切向速度和径向 速度的大小，对于喷雾特性有决定性的影响，在整个喷油中若能增大这两种速度 的分量，那末喷雾锥角就比较大，射程比较远，而燃料则能分布到比较广阔的燃 烧空间中去，能够使更多的外界空气参与雾化过程。由此可见，喷嘴的结构参数 和型式对喷油中切向速度和径向速度分量的大小有密切关系，同时对油流流经喷 北京工业大学工学硕士学位论文 嘴的紊流扰动有很大影响，因此喷嘴结构是一种影响雾化特性的重要因素。 2 液体燃料物性的影响 液体燃料物性对雾化的影响主要是指液体粘性力和表面张力的影响。研究表 明，粘性力会抑制液体表面上波的形成，并阻止细丝进一步变成颗粒，因此液体 粘性力增加，将会导致产生具有较大尺寸的颗粒。表面张力由于会阻止液体表面 的扰动或变形，因而可以阻碍雾化过程的进行，并阻止表面波的生成，延缓丝条 的形成过程，随着表面张力的增加，雾化质量会严重恶化。 3 喷嘴工作参数的影响 喷嘴工作参数包括气压、油压、气液比等，气压、油压决定着空气速度和燃 油速度的大小，影响着两者相对速度的高低，从而影响着喷嘴的雾化质量，相对 速度越高，雾化质量越好。气液比则通过空气速度的改变和参与能量的多少来影 响喷嘴雾化质量，一般来说，随着气液比的增强，雾化液滴粒径变小，增加到一 定值后，对改善雾化的效果不明显。 1 3 3 雾化质量的主要指标 雾化质量的好坏，直接影响燃油的燃烧过程。衡量雾化质量的主要指标有： 雾化粒径、雾化均匀度、雾化角、流量密度的分布等。 1 雾化粒径 燃油雾化后所产生的油滴大小是评定雾化质量的一个重要指标，这一指标称 为雾化粒径。在油雾中，油滴的大小是不均匀的，最大的与最小的可能差5 0 1 0 0 倍，因此只能用平均直径来表示雾化粒径。通常采用以下三种平均方法【1 0 】： ( 1 ) 体积中位径d 订d 体积中位径又称体积平均粒径，它的物理意义是大于或小于该直径的颗粒的 体积各占颗粒总体积的5 0 0 。 ( 2 ) 数目中位径d 数目中位径的物理意义是大于或小于该直径的颗粒的数目各占颗粒总数的 5 0 。 ( 3 ) 索太尔( s a u t e r ) 平均直径法( s m d ) 它是将由不同直径油滴组成的油雾假想成由单一直径( 即索太尔平均直径 d s m d ) 油滴组成的油雾，而油滴的总表面积和总体积郡保持与实际油雾相同，即 y = 譬万嵇= ；m 面2 s = n 冗d o = 耳e n d = 搿 ( 1 4 ) 式中：肛_ 油雾中总油滴数； 第1 章绪论 卜具有直径磊的油滴数 由幽四的定义可以看出：d 如= 6 v , s 即如越小，则油滴的表面积越大，这对液体燃料的蒸发汽化是有利的。因 此从d a t o 的大小就可以分析燃料的燃烧工况。 对于同一液雾，采用不同定义的平均直径可以差别很大，但它们之间有一定 的关系，故当已知按某一定义的平均直径后，便可求得其他任何一种平均直径。 2 雾化均匀度 燃油经过雾化后产生的油滴是不均匀的，因此仅用液滴平均直径来表达雾化 质量是不够全面的。比较完善的表达方法，应当既表示其直径的大小，又表示出 不同直径油滴的直径的数量和质量，即采用液滴尺寸分布表达式来表示油滴特 点，可惜至今还没有从理论上得到这个表达式。目前所采用的油滴分布表达式均 属经验公式。目前应用较多的是r o s i n - r a m m l c r 关系式【n j ： 心o o 斗( 讣 m 5 ， 式中；玉油滴直径； 曙一反应油滴分布均匀性的指数，由实验确定，通常1 8 鱼i 曼4 ： 足一尺寸大于磊的油滴的质量占全部油滴质量的百分数i d 尺寸常数。 由上式可知，当西= d 时，则r = 3 6 8 ，因此d 就是关系式中与r = 3 6 8 相对的油滴直径。显然d 越大，雾化粒径越大。 由于西2 厶时，r 2 5 0 ，因此可以得出d 2 面忑a m f 根据r o s i n - r a m m l c r 的理论计算曲线，当一比较大时，油滴分布较为均匀， 因此可以用 来表示雾化的均匀性。对上式取对数可得出 1 n 一1 0 0 ：陋1 l r l d l g l n i l 0 0 ：疗k 粤 “d 万：l g l n i l 0 0 ( 1 9 垂) ( 1 - 6 ) d 如果由实验已得出对应于直径西和西的r j 和飓，且实验结果符合 r o s i n - r a m m l e r 关系式，则由式l - 6 可求出均匀性指数露 疗：兰竺互1 0 0 ：竺：, 互1 0 0( 1 _ 7 )疗= j u 一，j l g d , 一l g 如 、 北京工业大学工学硕士学位论文 目前对雾化均匀度与燃烧特性之间的关系研究还不够，一般认为磊相同时， 如果雾化均匀度差，可缩短燃油点燃延迟时间，但均匀度高的油雾蒸发速率高， 燃尽时间短。 3 雾化锥角 燃油由雾化器喷出后，形成一油锥角。由于燃油射流的卷吸作用，在油锥中 心的气体压力有所下降，使油锥角在离开雾化器一定距离后有收缩现象。为了表 征油锥角的特征，常采用雾化锥角这一参数，所谓雾化锥角就是油雾化锥的张角， 油雾锥角是雾化器的一个重要参数，它可以在一定程度上表示燃油在空间的分 布。雾化锥角对燃烧完善程度有很大影响，若雾化锥角过大，油滴可能穿出湍流 最强的空气区域而造成混和不良，降低燃烧效率，此外它还会因燃油喷射到炉墙 或燃烧室壁上造成结焦或积碳。若雾化锥角过小。则油滴不能有效地分布到整个 燃烧室空间，造成与空气混和不好，导致燃烧效率下降。雾化锥角还直接影响火 焰长度和形状，雾化锥角大则火焰短而粗，锥角小则火焰长而细。 雾化锥角有不同地表示方法，如图1 2 所示1 5 】 ( 1 ) 出口雾化角 在雾化器出口处，作油雾边界的切 线的夹角即定义为出口雾化锥角，如图 1 也中的角口。 ( 2 ) 条件雾化角 在离雾化器一定距离上处，作一垂 直于油雾锥中心线的直线，与喷雾边界 有两个交点，将两交点分别与喷嘴中心 连线，两线间的夹角即定义为条件雾化 图1 2 雾化锥角表示法 锥角，如图中的。在实验中，对于大f i g u r e l - 2 a t o m i z a t i o n a n g l e d i a g r a m 流量喷嘴，常取工为l o o 1 5 0 r a m ；对于小流量喷嘴，常取三为4 0 8 0 m m 。 显然，条件雾化角小于出口雾化角，两者的差有时可达2 0 0 以上，条件雾化 还随所取的距离变化而变化。 4 流量密度 单位时间内通过垂直与燃油喷射方向上单位截面积的燃油体积( 或质量) ，叫 做流量密度，单位为c m 3 ( c m 2 * s ) 或g ( c m 2 * s ) 。流量密度与喷油嘴的结构及工况 参数有关，由实验测得。 流量密度也是表征雾化特性的一个重要参数。流量密度分布合理的雾化器能 将燃油恰当地分散到燃烧室内各个位置，以保证燃油和空气很好的混和燃烧。为 了保证各处的油雾都有适量的空气与之混和，故沿圆周方向的流量密度分布应较 为均匀。 s 第1 章绪论 1 4 本文研究内容 工业炉是为了达到一定的工业应用目的的锅炉，所以不同的工业炉对火焰的 长度和形状要求也不同。重油雾化喷嘴对火焰的长度和形状起着至关重要的作 用，所以如何选用经济高效的重油喷嘴是工业炉设计的关键。 喷嘴的雾化质量是与喷嘴的类型、几何结构密切相关的，不同类型的喷嘴， 不同的结构设计，有不同的流量特性，会产生不同的喷雾长度、不同的雾化角、 不同的雾化粒径以及粒径均匀度。所以针对重油为燃料的各种工业炉的实际要求 和工作特点，选择相应的喷嘴类型，确定合适的几何结构，成为解决重油雾化， 高效清洁利用重油的关键。 另外，不同的工业炉其热负荷不同，因此燃油的消耗量也不同，所使用的重 油喷嘴的额定流量也不同。流量变化范围可从每小时燃油几公斤到燃油几十吨， 范围挺广。小流量工况下，由于孔径比较小，重油的粘度较高，在燃烧的过程中 特别容易堵塞；大流量工况下，雾化质量下降，雾化粒径变大，使得液滴蒸发燃 烧的时间加长，从而影响燃烧的完全度，并且在炉膛的高温环境下容易结焦。如 何在设计重油喷嘴的过程中减轻或避免上述情形的发生，对于重油的燃烧具有重 要的实际意义和价值。 本文的研究工作就是针对重油燃烧的特点和工业炉的实际工作需要，基于流 体动力式超声波理论，进行一系列的理论分析和实验研究，并在这些实验研究的 基础上，对流体动力式超声波重油雾化喷嘴的设计提供了理论和实践基础，为早 日实现流体动力式超声波重油雾化喷嘴的系统化打下了基础。 本文的研究内容主要包括以下几部分： 第一部分，基于液体燃料燃烧的特点和流体动力式超声波原理，将超声波发 生器与传统气动式空气雾化喷嘴相结合，设计出一系列实验喷嘴。 第二部分，对所设计的喷嘴进行流量特性实验，进行喷嘴的冷态喷雾实验， 并将设计喷嘴与传统重油雾化喷嘴相比较，通过大量的实验，证明超声波雾化喷 嘴的优点和存在的不足，找出超声波雾化喷嘴的设计规律。 第三部分，对所设计的喷嘴进行点火实验，研究其燃烧现象，测试其燃烧效 果。 第四部分，在冷态和热态实验的基础上，对设计流体动力式超声波重油雾化 喷嘴需要注意的事项和尚待解决的问题做出总结，为更好地设计重油雾化喷嘴打 好基础。 第2 章超声波喷嘴的原理与设计 第2 章超声波啧嘴的原理与设计 2 1 超声波喷嘴原理 2 1 1 超声波雾化机理 图2 1 是超声波使液体雾化的过程示意图n 2 1 。当由声源发出的超声波传到液 面时，由于空气振动产生网状波，如果超声波振动加剧，在波峰处会有小液滴飞 起，飞出的液滴又被超声波振动而进一步雾化 ( 1 ) 开辑产生虢 搦l l l 裁犬氍皤3 ) 生或大直径波鞠硒藏龠分裘 0 0 站台 ( c ) 液谪雾化 图2 - 1 超声波使液体雾化的过程示意图 f i g u r e 2 一ls k e t c hm a po f a t o m i z a t i o no f l i q u i d b y u l t r a s o n i c 超声波在液体介质中传播时会引起空化作用，这是超声波的一个重要的物理 特征。由于超声波的频率高、功率大，所以它引起液体的疏密变化快，且疏密的 差别大。这种迅速交替的疏密变化使液体时而受压，时而受拉。液体承受拉力的 能力很差，如果液体支持不住这种拉力，液体就会断裂，产生一些接近真空的小 空穴，其内部压强可达几百个大气压以上。到压缩阶段，这些空穴发生崩溃，对 周围环境产生巨大的复杂应力，产生了超声波空化作用。 超声波燃油雾化是利用空气射流在谐振腔产生高频率、高振幅的剧烈振动来 强化雾化的一种喷雾技术。它的雾化机理研究并不透彻，但是它完全不同于其它 雾化形式，目前认为有两种因素起作用：一个是高频率、高振幅的超声本身将非 常强的声波压力作用在燃油上，以及燃油内的空化作用使燃油雾化；另一个是高 频振动的气流所具有的剧烈紊流脉动将油膜拉成细丝，破碎成油滴而在气体动力 作用下进一步雾化成细雾。超声波雾化燃油还有一个起作用的因素是高频、高振 幅的气流具有线性运动动能，在与油滴碰撞时，将能量传递给油滴。使其获得非 常大的能量后，破碎成更细小雾滴，因此又接近气动雾化。多种因素的作用使超 声波雾化喷嘴可以获得直径小于6 0 t t m 的雾滴，因此燃烧充分，可节约燃料。 超声波重油喷嘴主要有两种：电动式和流体动力式超声波喷嘴。 2 1 2 电动式超声波喷嘴 如图2 - 2 所示，为电动式超声波发生器，它包含电振器和振子，振子中心开 有长孔，油从振子振幅低的地方流入，喷嘴前端中心振幅大的部分喷出去。重油 肌甜 蚍孰群 粥m 北京工业大学工学硕士学位论文 在沿长孔流到喷嘴的过程中，受表面张力和粘性力的作用形成一层薄膜，在超声 波的振动作用下破裂而被雾化。但由于它要外装电器设备，故成本较高【1 2 1 。另外， 电动式超声波燃烧器还有致命的弱点即居里点的温度太低( 一般居里点的温度在 3 6 0 左右) ，不适合于高温燃烧场合，故不适合于工业上应用。 藏体燃科 图2 - 2 电动式超声波雾化喷嘴示意图 f i g u r e 2 - 2s k e t c hm a po f e l e c t r i cu l t r a s o n i c a t o m i z e r 2 1 3 流体动力式超声波喷嘴 如图2 3 示，是流体动力式超声波雾 化喷嘴示意图0 2 1 。喷嘴上装有超声波发 生器，当高速流体从喷嘴喷出时，流体 的冲力会激发超声波发生器的共振腔振 动产生超声波，使重油在超声波的作用 下发生振动而被雾化。随着超声波频率 的增加，雾化液滴越来越细，一般超声波 的振动频率作用下可获得几微米级的燃 油液滴。高强度声波的频率一般为空气一 图2 - 3 流体动力式超声波雾化喷嘴 f i g u r e 2 - 3s k e t c hm a po f f l u i dd y n a m i c u l t r a s o n i ca t o m i z e r 1 0 1 4 k h z 。由于这种喷嘴的工作压力较宽，气流在亚声速条件下，都可以得到 较高的声压，且雾化处理量大，结构简单，工作可靠，成本较低，所以比电动式 超声波雾化喷嘴有更好的发展前景。 2 2 流体动力式超声波发生器 流体动力式超声波发生器是流体动力式超声波雾化喷嘴的核心部件，雾化喷 嘴的雾化效果在很大程度上取决于超声波发生器的发声频率。流体动力式超声波 发生器的结构示意简图如图2 - 4 所示。喷嘴头部有一长方形窄缝，正对着窄缝的 是一个边缘呈刀口状的簧片( 共振劈) ，簧片有支杆夹住，并封闭在助声筒中。 超声助声筒是具有液流输出孔的圆柱形套筒，共振劈置于套简中心( 焦点) ，当 共振劈共振产生超声波时，助声筒的作用是使声能集中，增加共振劈产生的声波 的振幅，提高超声混和的效果【1 3 】。 第2 章超声波喷嘴的原理与设计 当两相或两相以上液体在一定压力下，从入口进入喷嘴，因喷嘴外部基本无 背压，液体接着从喷嘴的矩形窄缝高速喷射出去，形成射流射向共