（热能工程专业论文）y型喷嘴的雾化特性研究及其在增湿活化反应器内的应用.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 y 型喷嘴的雾化特性研究及其在增湿活化反应器内的应用 摘要 ；。 为了对增湿活化脱硫实验进行零究，需对琴彳七喷嘴的平均滴径等雾 化特性有充分的了解。据此要求，本文迸存芋猜y 型喷嘴酶毒化特性，、 化镑画、秧验妒眵究赢念f 要3 渗 一一。 珍。、，。，丁互7 7 、，7 一、二 本文首先简要岔绍了莛乡增湿活化脱硫和喷嘴雾化弓背景。( 说明了 我国的二氧化硫酹污染日益严重，因此对符合我国国情的增湿活化脱硫 技术研究有重要的意义。面底，对活化器内的关键设备一雾化喷嘴的基 辅嬲婴跛一掣j 砭誊密邈搬滁! 然君采用蕈喷嘴出e l 液膜表面在不同波长酾扰动波作用下波幅增长一 破碎的篱主诗的分阶段气动力雾化理论，并遍过与酬痧7破碎的理论和液滴的分阶段气动力雾化理论，并通过与前劣蝴的蔻芳7 ，一 l y 型喷嘴的内部流垫骜学模型相衔接，艘关于y 型喷嘴的流动与雾 化的数学模型“4 弘矽_ 弘菠南、一 ( 在程序编制的基础上，作者计算茬霞许了增湿活柑鬓验台的实际工 作森，鼻麟了雾化喷帅测彭砸雌能瀛彩蕊寻3 和作条件，并 设计了雾化喷嘴和测量雾化喷嘴性能的买验澎：囊磷对3 和 4 # 雾化喷矗行了详细的剿黼囤叠埔妊衍射 式激光测粒仪对喷嘴的各种平均雾化滴径和滴径分布进衬浠商量，并 ?、， j 艄3 “ 罩同时测量暌嘴的气、水流量和报关压力等参数，得到大量有价值的数 “， _ ，1 。 专 一 、j _ - ，接孙认q 嘶；：川 ， 二垦塑奎望查堂堡主兰垡笙苎 ：二 ，塑茎 一7 据糍与装豸赫算艄黼果进行峨巢i 淼囊釜墓游 ，么盘左趴柏涉 。74“ 堡结果鸾堑黟雾零一致，且计算所得的滴径可认为是喷嘴雾炬的质量 平塑径。，_ i ；导到整不r 型碛嘴的薮毫篓笋竺耄堡计的王况下较好的预测吨 瞎苎磐皇雾化特。| 攀尊眵t 签声对与实验结果不尽一致的模型预报结果= 二 讲行了分析，并对讲一彤舟钉粒学樽到的研有t 作棍小了建议帚后对啼。一7 嘴的雾化特性对增湿 e 一一 l 作用莉。育e 碜可能影响进行了分析。一 。e 7 关键词：增湿活化：y 型喷嘴_ 雾化，数学模型。 的a 应ff 汐彬 活， 墅婴鉴塑主兰型苎一 塑茎 t h es t u d yo ft h e p e r f o r m a n c eo fy j e t 坞峨l n o z z l e ，sa t o m i z a t l 0 na n d i t sa p p l i c a t i o n i nt h e h 【l i d i f i c a t i o nr e a c t o r a b s t r a c t t h r o u g hm o d e l i n gt h ef o r m a t i o no fs p r a yb a s e do nt h eb r e a k u po ft h e l i q u i ds h e e t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ep e r f o r m a n c ep r e d i c a t i o na n d d e s i g no p t i m i z a t i o nf o ry - j e tn o z z l ew a sc o m p l e t e d t h e nf o u rn o z z l e sw e r ed e s i g n e dw h i c hw i l lb eu s e di nah u m i d i f i c a t i o n r e a c t o r w em e a s u r e dt h e d r o p l e ta v e r a g e d i a m e t e ra n dt h e d r o p l e t s i z e d i s t r i b u t i o no ft h e s e y - j e t n o z z l e s b y a n o p t i c a l p r o b e u s i n g a l i g h t s c a t t e r i n g m e t h o d b yc o m p a r i n g a n d a n a l y z i n g t h er e s u l t so ft h e m e a s u r e m e n ta n d c a l c u l a t i o n ，t h e w r i t e r g e t t h ec o n c l u t i o nt h a tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lc a na c c u r a t e l yp r e d i c tt h e d r o p l e ta v e r a g es i z eo ft h e y - j e t n o z z l e k e yw o r d s ：r e a c t i v a t i o n b yh u m i d i f i c a t i o n ，y - j e tn o z z l e ， a t o m i z a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 上簿交通大学硕士学位论文 主要符号说明 a 。、， c y l o d o d ( 3 ，2 ) ，z ：乙 d ( 4 ，3 ) ，d 。? d ； d ( 5 0 ) ，j s o s d ，dl d 2 ，d 2 d 3 ，d 3 一盛1 f l ，f 2 ，f 3 g 1 0 g 2 0 g h y 1 。 n k l l ，l2 1 3 m n n 7 。 n o n 墨量州h 主要符号说明 枥蓊量， 垮粤旦量塑掣含灰量， 嘲呼用基彬碳量， 水比热，痧7 ( 妇k ) 雾化空气或一般流体定压比热，j ( k g k ) 初级破碎所得液滴直径，m 索特尔平均滴径，um 液滴群质量平均滴径，“m 二次雾化过程中的液滴直径，m 液滴群质量中径，“m 液丝直径，m 气孔直径，m m 水孔直径，m m 混合孔直径，m m 蔽滴群质量平均摘至，二日护 气孔、水孔及混合孔的单孔截面积，m 2 喷嘴气耗量及出力，k g h 重力加速度，m s 2 褰星盖辨萤，磊、飞、半液膜厚度，um，d 、忙， 烟气焓值，内n m 3 喷嘴气耗率，；波数，t m 气孔、水孔的长度，一 混合段长度，i n t o 液滴质量 液滴数 始啦用基皆 含氮量， 孔数 l 7 昂色格数 上海交通大学硕士学位论文 兰墨笪呈塑望 汽、油两相界面上的正应力，p a pn 沿混合孔轴线方向的分量，p a 普朗特数 环境总气体压力，b a r k 舞i 计算点处蒸汽或水的压力，p a i = l ，2 ，7 雾化蒸汽、水的供给初压，b a r 混合孔内气、水交混点处的压力( 表压) ，b a r 雾化空气气体状态常数，j ( k g k ) 煤中的含硫量，。 、斯坦顿数一 一一。 j 弛p j ( 滴无鼢欠破碎( 总) 时间 计算点处蒸汽或水的绝对温度，k ，i = i ，2 ，7 水蒸气露点温度，硫酸露点温度 液滴蒸发时间 水滴破碎时间，s 活化器出口烟温，。c 雾化空气、水的初始温度， 喷嘴出口液膜喷射速度，m l s 空气流平均速度，m s ；烟气流量，m 3 h 理论空气量，n m 3 k g 液膜表面的y 方向速度，m s 计算点处空气或水的速度，m s ，i = 1 ，2 ，7 煤应用基中的含水量， 韦伯数及临界韦伯数 ，一、l 生魄 、塑造至鹭，一。一f ? i ，气 气孔、水孔流量系数 。 水，气孔夹角，。 传质系数：与喷嘴结构参数有关的常数 气，水间的热量交换率，j s 传热对数平均温差，k 水滴与环境介质间的相对速度，m s p 月 p ， p r p p i p t 0 ，p 2 0 r s 。、1 “。 s t t i d ，t s i d t ， t 1 0 t 2 0 u 0 v v ” v w ” 。 w e ，。别w e c q1 ，a ： 圩 b q 7 a u i i - 上海交通大学硕士学位论文 主要符号说明 矿 w 0 f n q 。 uf v f pl p2 p1 pi q pl o p2 0 中 ( d 4 ，( d 5 v 传动对数平均速度差，m s 气、水间的动能交换率，j s 水表面张力系数，n m 或d y n e s c m 扰动波振幅，m 扰动波最大增长率 水膜发生初级破碎的最适宜波长，m 水动力粘性系数，k g ( m s ) 水运动粘性系数，c e n t i s t o k e s 流体密度，k g m 3 环境介质密度，k g m 3 水密度，k g m 3 计算点处蒸汽或水的密度，k g m a ，i = l ，2 ，7 环境空气与水的密度比 雾化空气初始密度，k g m 3 水初始密度，g 一 速度势 混合孔中蒸汽流道截面占有率 液膜扰动波增长率 流函数 i l i 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 11 脱硫技术概述 1l1 我国的二氧化硫排放现状 第一章绪论 随着生产力的高速发展，我国作为世界上以燃煤为主要能源的国家之一，二氧化 硫排放一直呈上升趋势，而且增加迅猛。据统计，1 9 9 3 年全国的排放量为1 7 9 5 万吨 年，1 9 9 4 年上升至1 8 2 5 万吨年，1 9 9 5 年则达1 8 9 l 万吨年，预计到2 0 0 0 年间增加 到2 l o o - _ 2 3 0 0 万吨年【l i 。因此我国大气污染严重，全国8 6 个大中城市中s 0 2 超标的 城市就有4 6 个( 1 9 9 4 年) 。同时由硫酸引起的酸雨问题严重且主要集中在南方。 由s 0 2 引起的环境污染影响孑人体健康，破坏矿生态环境，对国家造成了巨大的经济 损失。表1 1 为1 9 9 2 年各种设旋所排放的二氧化硫量。、彰吞 9 0 8 口_ 9 09 0 _ 9 7 5 0 - - 8 0 运行费用较高中等较低较低 适用范围1 中、高硫煤；1 中、低硫煤；l 中、高硫煤；1 中、低硫煤i 2 用于已建电2 条件适合时2 用于已建电2 适用于 厂改造困难较可用于现有电厂的改造困难3 0 0 m w 以下 大。厂的改造。较大。的机组及现有 电厂改造。 脱硫后烟气脱硫后烟气经可控制喷雾塔可控制循环床可控制活化反 洗涤温度低于后烟气温度高中增湿后的烟应器增湿后烟 露点，需再热于露点，不再气温度高于露气温度高于露 需要再热点，不需再热点，不需再热 目前国际上的己由三十年的已有1 7 年应从1 9 8 0 年起从1 9 8 6 年有8 应用情况应用历史，全用历史，全世投入使用，共个电站采用了 世界9 0 的电界有3 8 0 0 m w有1 9 套装置l i f a c 系统， 厂烟气脱硫应的发电厂安装投入运行，最最大容量为 用此法有该设备大为2 5 0 m w 3 0 0 m w 机组。 ， ：。 j 上海地区新建电厂石洞口二厂、吴泾六期工程以及正在建设中的外高桥电厂等锅 炉都燃用东胜神木煤，7 燃用神木煤锅炉的装机容量将达上海地区总装机容量的2 3 。 ，该煤种的特点为高钙低硫，含硫量约为o5 ，其烟气中s 0 2 理论排放浓度为 c 4 0 61 0 m g m 3 ( 炉膛出口过剩空气系数为14 ) ，灰特性见表1 - 3 。煤自身燃烧脱硫与喷 钙脱硫有一定的相似性一方面煤自身燃烧脱硫研究可以借鉴喷钙脱硫的研究方法和 t 、一1 孑。、 铲 、 、 渗 小 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 一些研究成果；另一方由于脱硫剂存在和加入方式不同，必须对高钙煤的自身燃烧脱 硫进行研究。国内学者的研究表明高钙煤能达到2 5 左右的自身脱硫率【4 】”i ，但总的 来说，这方面缺乏系统研究，对自身脱硫因素( 温度、气氛、停留时间等) 的影响， 及自身燃烧脱硫过程优化做的工作很少，特别是对灰中矿物质在自身燃烧脱硫中的作 用未作具体研究。从文献【6 】【7 【8 【9 】【l o 】 1 1 】【1 2 】中可见，国内学者已对增湿活化技术 进行了一些初步研究，对些基本因素如喷水量、烟气入口温度、c a s 比、二氧化 硫浓度等的影响进行了分析，但对雾化情厦荨酌影响缺乏进一步酊研究_ 腔l 寸t 。正j 。因此设想利用神木煤中的钙，在炉内进行自身燃烧脱硫，在燃烧中把一部分硫与 这些钙基化合物反应固定在灰中；另外在烟道内喷水，活化未反应的灰中氧化钙，在 烟道内进行二次脱硫。即：自身燃烧脱硫及增湿活化工艺。而这一方法具有投资低、 工艺简单、有效的特点。对燃用神本爆为主的上海地区电厂有很重要的实用意义。 表1 - 3 神木煤灰成分分析 lf e 2 0 3a 1 2 0 3c a om g ot i 0 2s i o zk 2 0n a 2 0 m n 0 l l 9 3 81 03 82 57 546 o3 53 39 200 709 502 8 6 总之，高钙煤百身脱硫及烟气活化 煤为主的上海地区电厂，具有重要意义 对燃用高钙低硫 5 0 左右的脱硫 率，即可满足环保要求。因此针对上海电力工业的实际，尽早进行高钙煤自身脱硫及 烟气活化工艺研究意义重大。 f i g1 - 1 t h es c h e m a t i co f a h u n n d i f i c a i f i o nr e a c t o r 图1 - 1 增湿活化工艺示意图 觯要 备一工 设鞋红辅塑抗投酿淼 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 12 雾化喷嘴简介m 1 由于喷嘴是增湿活化反应器中最重要的部件之一，因此本文将着重对雾化喷嘴 的特性进行研究。 1 2 1 机械式喷嘴 机械式喷嘴又分为直流型喷嘴和离心式喷嘴。 直流型喷嘴如图1 - 2 ( a ) 所示，是利用液体的势能压力将液体从喷嘴高速喷出， 在喷嘴外依靠高速液流自身的强烈扰动及其周围空气介质之间的气动互相作用而完 成雾化，形成实心雾化锥体。这种喷嘴的破碎能量来自液体的压力势能，故对液体 压力的要求较高，且雾化质量也不是很好。 离心式喷嘴如图1 2 ( b ) 所示，其原理是高压液体通过切向槽和漩涡室而获得 强烈旋转，再经喷孔喷出，因离心力的作用而得以雾化，并形成空心雾化锥体。这 种喷嘴的燃料供给系统简单，加工方便；不用雾化介质，能耗少，噪音低，运行操 作方便n 雾难孺蔓密度万希较理骶取嬉短而疆j 1 溅冒龟严平存蓟蕞再z 泛喜尹 搬甫 其缺点是对液体要求同样较高，通常要求液体压3 3 在1 5 2 5 m p a 以上同时 液体粘度不太高的条件下，才能雾化较好，但与气力喷嘴相比，其雾化平均滴径仍 嫌较粗；另外喷嘴出力下降时雾化恶化也影响了其应用。 12 2 旋转式喷嘴 如图1 - 2 ( 曲所示，这种喷嘴的原理是液体随高速旋转的圆盘或转杯起旋转而 获得很大的离心力，同时在旋转圆盘或转杯四周的股由风机来的高速气流的作用 下，形成雾炬。其雾化性能取决于旋转速度和气流速度，因此对液体的粘度及有无 杂质不敏感，降低负荷时不会影响雾化质量。但由于其为一高速旋转部件，结构复 杂、投资费用高、运行维护困难，因而限制了其应用范围。 12 3 汽( 气) 力式喷嘴 这种型式的喷嘴采用过热蒸汽( 或压缩空气) 作为雾化介质，可分为纯蒸汽雾化 喷嘴和蒸汽机械雾化喷嘴。纯蒸汽雾化喷嘴如图1 - 2 ( d ) 所示，其雾化原理是依靠高 速流动蒸汽的动能将液体“吹”碎。这种喷嘴对运行液体压力的要求不高，甚至只 需要利用高位储液箱的压力即可，雾化质量较高且不受出力大小的影响，但因耗汽 量太大，一般只用于小型工业锅炉。 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 盎 七哥蝌勘 f 远1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a t o m i z e r s 图1 - 2 各类雾化喷嘴示意图 气力机械雾化喷嘴综合利用了机械雾化喷嘴和纯气力雾化喷嘴两者的优点，即 前者因不需使用雾化介质而经济性高，后者调节比大，在低负荷时也能保证雾化质量。 在这种喷嘴中，具有o5 22 m p a 左右压力( 表压) 的液体除利用自身压力势能之外， 进一步在初压( 表压) 为o5 一1 2 m p a 的高速过热蒸汽( 或压缩空气) 的作用下得到雾 化。按液体与过热蒸汽相遇点的不同，该类型喷嘴又分为内混式和外混式两种，本论 文的研究对象，即是内混式喷嘴的一种一y 型喷嘴。 1 24y 型喷嘴 y 型喷嘴是一种内混式气力机械雾化喷嘴，雾化介质除用蒸汽外，也可为压缩空 气d 但伪说明方便起见由于本论文的研究对象为空气和水，、此后若非特别说明，雾 化介质均视为压缩空气。这种喷嘴的结构比较简单，水经外管流入喷嘴头部的水孔， 空气通过内管流入气孔，二者在混合孔中相遇，然后再由混合孔喷入炉内，水被雾化 成细滴。设计和运行实践表明，这种喷嘴具有以下优点： ( 1 ) 喷嘴结构简单，气和水供给压力都比较低。 ( 2 ) 由于兼具机械式喷嘴的特点，其气耗量也不高。 ( 3 ) 喷嘴单只出力大。由于y 型喷嘴可通过增加孔数来提高出力，故易于设计出 6 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 高出力喷嘴，据介绍目前已有单只出力达1 0 ，0 0 0 k g h 的喷嘴。 ( 4 ) 对液体燃料种类的适应性较强，高粘度液体也能雾化良好。 ( 5 ) 雾化质量好。其雾炬的索特尔平均摘径可达5 0 “1 1 左右，且在任何出力下均 能保持良好雾化质量。 ( 6 ) 负荷变化时雾化角几乎不变。 ( 7 ) 负荷调节比大。 ( 8 ) 雾化质量与孔表面光洁度的关系较小。这使得和机械雾化喷嘴相比，其使用 期限较长。 表1 - 4 各种平均粒径的表示和计算i 4 j _ 、班 f ， 表各种平均粒径的表示和计算f i 4 j _ 7 名称计算公式物理意义采用场合 算术平均径 d 。= n d i ” 单一粒径的数学平均蒸发，各种尺 值寸的比较 几何平均径 d ：= ( d ld ：d 。) l l n n 个粒径积的1 3 次方根 调和平均径 以= 门如d ) r 1 个粒径调和平均值 面积长度平均径 d 4 = n d 2 n d 表面积总和除以直径吸附 的总和 体面积平均径 d ，= d ，：- - z n d 3 z n d 2 全部颗粒的体积除以传质，颗粒充 ( s a u t e r 平均总表面积填层的流动 径)阻力 重量平均径 d 。= d 。= n d 4 n d 3 质量等于总质量，数目气力输送，燃 等于总个数的等颗粒烧 粒径 平均表面积径 d ，= t z n d 2 胛r 将总表面积除以总个吸收 数的平方根 平均体积径 d s = n d 3 ” l 3 将总体积除以总个数光的散射，喷 的立方根雾的质量分 布的比较 比表面积径 d = 6 1 p 。a 。 a a = ) c d ，蒯2 1 6 ) 蒸发，分子扩 = 6 p ，d 散 中径 以。 以粒径分布的累计值分离，分级装 为5 0 时的粒径表示置 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 颗粒的粒径表示方法及测量手段 1 31 粒径表示方法 表卜4 列出了常用的颗粒粒径表示方法和计算方法。i 、f 1 3 2 颗粒群的粒度分布 颗粒群是由许多颗粒组成的。如果组成颗粒群的所有颗粒具有相同或相近的粒 径，则称该颗粒群为单分散的。当颗粒群有大小不一的颗粒组成时，则称为多分散的。 实际颗粒群的颗粒粒径分布严格讲是不连续的，但当测量的数目很大时，可以认为 是连续的。由大小不同的颗粒组成的多分散系的尺寸分布有单峰分布和多峰分布 1 5 1 。 见图1 - 4 。 dd ( a )( b ) f i g1 - 4 u m m o d c l d i s t r i b u t i o n ( a ) a n dm u l f i m o d e ld i s t r i b u t i o n ( b ) 图i - 4 单峰( a ) 和多峰( b ) 分布的颗粒系 表达颗粒群粒度分布的方法有多种，根据物理意义有两类，颗粒数分布和颗粒体 积分布。颗粒数分布n ( d ) 和体积分布v ( d ) 的关系是 矿( d ) = 州) d 3 6 由于颗粒体积是直径的3 次方，故少量大颗粒可对体积分布产生很大影响。此两 种分布又可分为频度分布和累计分布，有三种表达方法： 1 表格法 2 直方图法 3 函数表达法 常用的些分布函数【1 4 l 【1 5 l 有 1 r o s i n - - r a m m l e r ( r r ) 函数 r - 一r 分布函数，它是由r o s i n 和r a m m l e r 于1 9 3 3 年研究磨碎煤粉颗粒的尺寸 分布时提出来的，后经研究表明对大多数由破碎形成的颗粒均能用此函数来表示，它 8 - 圭塑茎望查兰堡主兰垒笙茎 苎二兰丝垒 的表达式为： 矿( d ) = 1 - e x p ( 一( d d ) 。) 这是一个累计分布函数，v ( d ) 表示直径小于d 的颗粒的累计体积百分率。图1 5 为不同k 之下的d 的频度分布。 f i g1 - 5 r o s i n - r a m m l o r d i s t r i b u t i o n w i t hs a i n eda n dd i f f l r e t t t k 图1 - 5 相同万不同k 的r - r 分布函数数目频度分布曲线 2 正态分布函数 正态分布函数表征颗粒的分布形式如下 奶= e x p ( 一05 ( 一万) j ) 2 ) ( 压而) 西表征颗粒数的分布，它和盯分别是尺寸参数和分布参数。 d f i g i - 6l o g n o m a ld i s t r i b u t i o n w i t h t h es a m e 万a n d d i 丘 f f e n t o 图1 - 6 相同的万不同的口的对数正态分布函数曲线 欠7 莒! 骱肽 锕 9 ，) 口 f 、 气 。 l u _ 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 3 对数正态分布函数 实际颗粒的分布很少是对称的。故正态分布函数实际应用并不多，较常用的是对 数正态分布函数，其形式如下： = e x p ( 一05 ( 0 n d i n d ) i n c r ) 2 ) ( 压l n 仃) ， 图1 - 6 为万相同时，o 为3 、6 、9 时的曲线( 从上至下) 。【， 、_ 一j 1 33 粒径测量方法 表1 5 几种主要的颗粒粒度测定方法【“j i 方法与仪器测定范围f “m )原理 电子显微镜 00 0 1 _ 05 光学放大，记数 光学显微镜 o5 一1 0 0 光学放大，记数 筛分法4 0 以上筛网分离，计算分散度 移液管沉降法 1 5 0在重力作用下，不同大小颗粒在液 体介质中的沉降速度不同，用移液 管分层吸取悬浊液，烘干后计算分 散度 沉降天平法1 - - 5 0在沉降桶底部安放天平秤盘，随时 间变化自动纪录沉降在秤盘上的颗 粒质量，由此得出颗粒分散度 散射光颗粒分析仪 03 一1 0 0 0含颗粒空气经管道送入光束照射的 检测匡：。用光电蟹接曼颗粒散射光， fn j 、 t 。 。1 产生电压脉冲，脉冲大小与颗粒秽 “d 、 径成比磐勤得出分散度 表1 5 列出了常用的颗粒粒径涣十量方法，由于本文将采用光散射法测量滴径，故 对光散射法作进步介绍。、广、 光散射法是近年来得到最为广泛使用的一种颗粒测量方法。它属光学法，但与显 微镜法不同，不是光学成像法。由于光的特异性能，很早以前，人们就开始探索把光 的衍射原理用于颗粒测量，特别是对雾化液滴的测量，并取得一定的成功。1 9 7 6 年 英国谢菲尔的大学s w i t h e n b a n d 发表了它的著名研究报告【”】，之后，基于衍射原理的 光散射法开始在颗粒测量中确立了自己的地位。随后一段时间内，各种不同形式的光 散射式颗粒测量仪相继问世，在粉体工程中获得了越来越多的应用。早在1 9 8 5 年， 即有文献报道指出：光散射法在颗粒测量以及在国际市场上已经占据主导地位。 1 0 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 光散射法的基本工作原理 光散射法基于光的散射原理。简单的说，穿过纯净介质的光束将沿直线传播，但 当纯净介质中存在颗粒时( 不管是固体颗粒、液滴或气泡) ，光束将向空间四周散射， 而光的各个散射参数与颗粒的粒径密切相关，这就为颗粒测量提供了一个尺度。可用 于确定颗粒粒径散射参数的可以是：散射光的强度或散射光强的空间分布、散射光的 能量或散射光能的空间分布、透射光强度相对于入射光的衰减、散射光的偏振度或者 他们之间的不同组合，这就构成了散射式颗粒测量仪的形式多样性。 目前市场上的散射式颗粒测量仪的形式种类很多，但他们的基本原理及组成部分 却大致相同，图1 7 给出了光散射式颗粒测量仪的原则性工作原理图。来自光源1 的 光束照射到含有待测颗粒的器皿或某空间2 在光与颗粒的相互作用下产生光的散 射。与颗粒粒径大小相关的散射光信号由光电检测器3 所接收并转换成电信号。电信 号经放大器4 放大后由接口5 送入计算机6 。计算机按编制的软件对所接收的散射光 信号进行处理，即可从中得到颗粒大小及分布的信息由外围设备7 打印输出或储存。 2 光散射法的优点 f i g1 - 7 t h es c h e m a t i c d i a g r a m o f a d r o p l e t p r o b eu s i n g l i g h ts c a t t l n g m e t h o d 1 l i g h ts o u r c e ；2c o n t a i n e r ；3p h o t o e l e c t r i cm e a s u r i n gd e v i c e ；4a m p l i f i e r 5i n t e r f a c e ； 6c o m p u t e r ；7 p r i n t e r 图1 7 光散射发测量原理图 1 光源；2 器4 ；3 光电检测器；4 放大器；5 接1 2 ；6 计算机；7 打印机 光散射法之所以能在很短的时间内获得广泛的应用，是因为与其它测量方法相 比，具有如下显著优点【l 5 j ： ( 1 ) 适用性广 除固体颗粒外，液滴、气泡也都可以测量，这是其它方法所不能的。 ( 2 ) 粒径测量范围广 从动态光散射法的下限为几个纳米到衍射散射的上限约1 0 0 0 微米甚至更大。 实际上可以满足粉体工程中各种颗粒测量的要求。可测粒径的相应范围高达6 个数量 级，这是别的方法难以做到的。 ( 3 ) 测量准确，精度高，重复性好 对单分散性高分子聚合物标准粒子的测量误差和重现性偏差可以限制在l 2 内。与p d a 相比，7 器测量值相差在l o 以内【1 6 】。 ( 4 ) 测量速度快 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 由于光电转换的时间十分短处，再加上现代计算机技术的应用，试验的一次测 量( 包括数据采集和数据处理) 可以在一分钟，甚至几十秒的时间内完成，实时性好。 光散射式颗粒测量仪是现代光电技术、微电子技术和计算机技术发展的集中体现。 ( 5 ) 需要知道的被测颗粒及分散介质的物理参数少 多数情况下，例如，当采用目前得到最多应用的衍射式激光测粒仪时，可以完全 不需要知道待测颗粒和分散介质的任何物理参数，少数情况下，只要知道被测颗粒的 相对折射率即可，使用的限制少。 ( 6 ) 仪器的自动化和智能化程度高 可以避免或排除测量过程中操作人员主观因素的影响。仪器的操作简单，使用 方便。 ( 7 ) 在线测量 由于光的投射性，光散射法特别适宜于在线测量。在线测量时，无需取样，避免 了由此可能产生的各种偏差，也不会对被测对象或测量环境造成干扰，测量结果更符 合真实情况。当前，生产过程的规模日益增大，为了准确及时的监控生产过程，保证 产品的性能质量，减少损失，对在线测量提出越来越多的要求。光散射法可以满足这 一要求，己在在线测量中得到了应用，并将获得日益增多的应用。 1 4 本文主要工作 1 采用液膜表面的不同波长的扰动波波幅增长破碎理论和随后的液滴二次雾化 理论，并与课题组以前的关于y 型喷嘴内部流动的数学模型相结合，建立了y 型喷 嘴自身完整的数学模型。 2 设计并搭建了增湿活化实验台和雾化喷嘴性能实验台，运用衍射式激光测粒 仪等设备对y 型喷嘴的雾化特性进行了测量，为验证新建立的喷嘴雾化数学模型提 供了必要的实验数据。 3 通过比较模型计算结果和实验的测量结果，验证了所采用模型的正确性，并 对与模型计算不十分吻合的结果给出了初步的解释。 - 1 2 - 上海交通大学硕士学位论文 第二章y 型喷嘴的雾化模型 第二章y 型喷嘴的雾化模型 2 1y 型喷嘴内部流动模型简介 由于喷嘴的雾化模型需要用到喷嘴出口的气、液速度和液膜厚度，而本文的雾化 模型所用的上述参数来自文献【l 明中的y 型喷嘴的内部流动计算结果，下面对其计算 模型作简单介绍。，1 。 由文献【1 4 】给出的回归公式可算得喷嘴的气 孔、水孔和混合孔直径d l 、d 2 、d 3 。同时为得到 喷嘴的变工况特性，可在喷嘴结构参数确定的条 件下，改变出力g 2 和气耗率k ，来计算气、水的 初始压力p 1 0 、p 2 0 。 内部流 首先将 成如图2 1 相流动结构简化 的气水质量流量 g l 、g 2 ，喷嘴入口处的气水初始状态参数。然后 可根据流动的各自特点分段写出其连续性寺程、 f i g 2 _ 11 d c a l i ”8 丑o w i n g8 缸。缸” 能量方程、动量方程、气体状态方程方程。其中， “i d co 8 。酏”础 混合孔内的水、气相相互作用形式如下： 图2 - 1 理想化的7 型喷嘴内部流动 结构示意图 气、水在混合孔内相遇，受两相表面正应力；。 的作用，水流改变方向，气流截面收缩。考虑到与4 - - 5 段两相间剧烈的能量交换相 比，3 4 段的能量交换可忽略。可列出气、水侧各自的动量方程： g l ( v 4 一v 3 ) = p s f 3 一；。，f 3 ( 1 一( p 4 ) p 4 f 3 ( p 4 g 2 v 6 一g 2 v 2 c o s c t l 2 = f 3 ( 1 一( d 4 ) ( j 。，一p 4 ) ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ；。，为两相界面正应力j 。在混合孔方向上的分量；为混合孔面积；( p 4 为出口截面6 4 4 6 上气流的截面比。 在4 5 段，气、水截面上发生剧烈的动量与热量交换。设a q 、a w 分别为4 - 5 段内的换热量和动能交换量，则气、水侧各自的能量方程分别为： c p t 4 + v 4 2 2 = c p t 5 + v 5 2 2 + ( a q + a w ) g l( 2 3 ) 7 ：互 1p ：。一 、 1 3 上海交通大学硬士学位论文 第二章y 型喷嘴的雾化模型 g 2 t 2 c f + a q = g 2 t 7 c f v 6 2 + p 4 p f + a w g 2 = n | 2 姆| p t ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中，c f 、p f 分别为水的比热和密度。同时，与气、水间剧烈的动量交换做功相比， 混合孔内管壁的摩擦阻力损失也可忽略，从而可得出两相的总的动量方程： ( g 1 v 5 + g 2 v 7 ) 一( g l v 4 + g 2 v 6 ) = f 3 ( p 4 一p 5 )( 2 - 6 ) 待求的未知量为1 至7 点的压力p 、密度p 和温度t 值，4 、5 处的空气流通截面 积所占的截面比率【p 4 、( p 5 ，气、水间交换的热量和功量a q 、a w 及z ，共2 5 个值，而 根据以上分析可得2 4 个方程，敌补充一方程才能求解。) 考虑到两相间的传热和动量传递有相似性，由雷诺比拟剁。对于气体介质， s ，。厂，i 弓1 。 s t 为传热强度与摩擦应力的无因次准则数斯坦顿数，f 为摩擦系数。将其用于混合孔 内的气流和周围水膜的相互作用得： 丝；型：鱼坚 f 2 - 7 1 矿 f 矿 矿矿 乞 、。 式中，a 为壁面换热系数，t 为壁面剪应力，g 为流体定压比热，v 为流速。 至此共列出2 5 个方程，从而求得喷嘴的各点的参数和出口的液膜厚度和出口速 度。昔，盼二i t i 矿 忱i t 22 喷嘴雾珑的长短波破碑簌垄 、 22l 季琵横堑丽茇宸蔺了r t 罾ro 簪引 理1 记 喷嘴的雾化目的是在一定喷雾角度下产生所需尺寸的液滴，为了对液滴的形成过 程建立模型，首先必须提出液膜破碎的机理，并进一步在此机理上建立数学公式。过 去的研究人员，如d o m b r o w s k i 和j o h n s ，假设液滴尺寸和液膜表面的波长有关| 1 9 】。 d o m b r o w s k i 和j o h n s 对无穷小振幅的长波推导出了包括液体表面张力、气体阻力和 液体粘度的影响因素的关系方程。他们认为波长在最大增长率的时候，液膜在半波长 处破裂并形成液丝，然后液丝破碎成液滴。这种机理，如图2 - 2 所示，己被广泛采用。 尽管d o m b r o w s k i 和j o h n s 的理论已有实验验证，但假设中仍有一些未解决的问 题。首先，d o m b r o w s k i 和j o h n s 是用了一维液膜模型，并且忽视了y 方向的变化。这 种假设不适用于粘性液膜，从而d o m b r o w s k i 和j o h n s 的假设导出的离散方程并不精 确。进一步说，d o m b r o w s k i 和j o h n s 是用了长波假设，然而在当前的喷嘴的实际工 况条件下，长波假设不能精确的预测液膜特性。l i 和t a n k i n 与h a g e r t y 和s h e a 没有 - 1 4 上海交通大学硕士学位论文第二章y 型喷嘴的雾化模型 f i g2 - 2 s c h e m a t i co f t h es h e e td i s i n t e g r a t i o na n dd r o pf o r m a t i o np r o c e s sa sp r o p o s e db y d o m b r o w s k ia n dj o h n s 图2 - 2 由d o m b r o w s l d 和j o h n s 提出的液膜破碎和液滴形成示意图 作此假设，但只有l i 和t a n k i n 考虑了粘性的影响【l 。h a g e r t y 和s h e a 假设了气一液密 度比远小于波数与膜厚的乘积的双曲正切函数值。但目前的研究显示这种假设在韦伯 数很低的情况下导致较大误差。另一方面，l i 和t a n k i n 的粘性模型尽管相当通用， 但在求解多维模型时，要求对非线性方程进行数值求解时还存在一些困难。i 批白1 箭丽研究顾产泛如研究了液膜的线性和非线性特性，但是其液膜雾化模型或 是忽视主要雾化过程，或是使用通过长波假设简化的非粘性理论。五劲 ，目前的# 要 研究工作的目标是得到包括液体粘性，表面张力和周围空气影响的液膜破碎模型，莎 。牾陛方程j ) 得出从长波向短波转换的临界韦伯数。从下面的分析结果可知对产生低速 液膜的喷嘴，长波影响占主导地位，对产生高速液膜的喷嘴，短波影响占主导地位。 上述推导的结果将用于简化通用的粘性公式并推导出应用于粘性薄液膜上的新方程。 另外，由短波公式预测的最大增长率和相应的波数与为简化的方程经数值计算得到的 结果相吻合。 2 22 液膜波动的基本方程f l q 【2 。j 假定一二维、粘性。不可压缩的厚为2 h 的液膜以速度u 通过静止的、非粘的、 不可压缩的气体介质。气、液密度为p ：、p 。，液体粘度为“，。坐标系随液膜运动， 一系列无限小扰动的波荔器f ， 妒| 暑彩： 叩= 厦r oe x p ( i c c + c a ) 7 7 ( 2 - 8 ) 加于最初的稳定的运动上。扰动产生的波动速度和压力为u 。、v 。、p ，( 液体) ，u ：、v 2 、 p 2 ( 气体) 。在方程( 2 8 ) 中，no 是初始振幅，k = 2 “ 是波数，= ，+ i ，为复 合增长率。最不稳定扰动有最大的u ，值，用q 。表示。并假设。= q 。时导致破碎。产 生的液丝尺寸与最不稳定波长 。= 2 k ，有关，k 为与最大增长率q ；相对应的波数。 因此，如能推导出。= m ( k ) 的关系，即可求得最不稳定扰动。 一1 5 一 二兰查奎里查兰堡主兰垒兰苎一 整三兰! 型堕堕塑墨些塑型 为了得到此关系，首先根据液面上线性的边界条件求解线性的液体连续性方程和 运动方程， v ：塑 1 a ( 2 - 9 ) 加t 氖= 一锄。砂 ( 2 一l o ) 一p 1 + 2 1 加1l a y + p 2 = 0 0 2 q l o x 2( 2 一1 1 ) o 为液膜表面张力。方程( 2 - 9 ) 至( 2 一n ) 为关于运动自由表面条件，剪应力 的连续性( 由于气体假设无粘故表面无剪应力) 和法向应力连续性的描述。 通过求解如下气体运动的方程，可得到方程( 2 一1 1 ) 中的气体压力p 。由气相的 边界条件得到，在边界处( y = + - h ) v 2 = o q a + u o q 良( 2 - 1 2 ) 而在远离边界处为，气相条件为： u 2 ，v 2 ，p 2 0( 2 1 3 ) 为了解液体的方程，将速度进行亥姆霍兹分解 “l = ，+ = a 破西一a 一钞( 2 - 1 4 ) v i = u + = a 。砂+ 伊鼍西( 2 - 1 5 ) 其中u - 和v r 无旋量，u r 和v r 含粘性影响。并定义上述式中的速度势为： 以= 妒( y ) e x p ( i o ：+ 倒)( 2 - 1 6 ) 流函数为： y l = z ( y ) e x p ( i k x + c o t )( 2 - 1 7 ) 从液体方程可推导： p l = 一p 1 0 1 西( 2 一1 8 ) 妒：七2 妒。( j ，) = 0 ( 2 1 9 ) 彳一l 2 x ，) = 0 ( 2 2 0 ) 其中l 2 = k 2 + v 。根据边界条件，求解方程( 2 - 1 9 ) ，( 2 2 0 ) ，得由。和1 l r 。，并进 1 6 上海交通大学硕士学位论文 第二章y 型喷嘴的雾化模型 h h 芒= 二= = 二= ；夕 = 弋 陛：二二二7 茅、弋二二二：7 l ，。- - - - - - x f i g2 3 s c h e m a t i co f ( a ) s i n u o u sw a v e sa n d ( b ) v a r i c o s ew a v e s 图2 - 3 正弦波( a ) 和曲张波( b ) 的示意图 一步求得u 。和v l o 然后根据( 2 1 8 ) 式得出液体压力。 对非粘性液膜，根据上下边界，有两个解满足方程( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 。如图2 - 3 所示，第一个解，称为正弦波模型；、另一解称为曲张波模型，上下界面波有弧度的 相位差。对正弦波，其速度势和流函数为： 4 1 = c 1 詈躲垡拿s i 蚋) e x p ( 溉删1 ( 2 - 2 t ) = gc o s h ( l y ) e x p ( i k x + c o t ) ( 2 2 2 ) c ，为常数。 如果气体流函数定义为： ：= ( u c ) ( y ) ( 2 2 3 ) c = i 。k 为相速度，由气体方程可得如下关系： “婴f 1 一铲f ：o ( 2 - 2 4 ) f ( y ) 表示y 不同时的值。将方程( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 的边界条件用于上式并假设u ( y ) 、 上海交通大学硕士学位论文 第二章y 型喷嘴的雾化模型 为常数，可得( 2 - 2 4 ) 的解如下： = e x p k 一y ) 】 ( 2 2 5 ) 然后解得压力为 p 2 = p 2 7 7 ( “一c ) 2 f 。 ( 2 2 6 ) 将上述诸式带入方程( 2 - 儿) ，可得如下关于。和k 的关系方程( 正弦波) ： 0 9 2 t a n h ( k h ) + q 】+ 【4 v l k 2t a n h ( k h ) + 2 i q k u + 4 v a 2 k 4t a n h ( k h ) 一4 v 。2 k3 l t a n h ( l h ) 一q u 2 2 + 生：o ( 2 _ 2 7 ) 尸1 其中q = p ：p ，。如果用c o t h ( k h ) 和c o t h ( l h ) 替代t a n h ( k h ) 和t a n h ( l h ) ， 可得曲张波的相应方程。 2 23 非粘性液膜假设的求解 如忽略粘性