噴嘴不同噴霧方式及其應用與噴嘴排布

王晉南

2015年7月16日 10:22

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噴嘴不同噴霧方式及其應用與噴嘴排布

1、噴嘴流量公式的分析

1)流量及錐角均偏小，可研磨加大噴口直徑dc，此時的流量系數u降低，a值增大，流量仍然顯著增大。這足由于噴口面積Fc=πr2增大的作用超過u減小的作用(噴口阻力減小)。dc增大時，旋流增強，a增大。

2)流量偏小，錐角偏大，可增大切向槽(孔)尺寸，幾何特性A減小，進入旋流室的人口速度減小，中心氣體旋渦半徑減小，有效噴出環形面積增大、qv增加，旋流減弱，a減小。

3)錐角偏小，可研磨噴口端面，以縮短噴口長度Le。減小Le將使噴口阻力減小，有利于a明顯增大.Le太小會惡化霧化質量。

4)噴嘴的燃油分布的不均勻度與許多因素有關，并且主要受噴嘴零件加工質量的影響，將在后面再作說明以上性能調整一般原則也可以作為設計計算中參數調整的指導性條款。

1、噴霧方式及其應用

目前歐美國家的多家噴嘴專業生產公司為鍋爐生產燃油燃燒器上的噴嘴，基本上都是帶旋流錐的單油路壓力霧化噴嘴，并且可以提供不同噴霧方式的噴嘴，各個公司以不同代號加以區分，按歐洲標準分為五種(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，非歐洲標準分為三種(實心S，空心H，半實心B)。

所謂噴霧方式就是垂直噴霧錐的截面上燃燃油分布不同，大體上可以區分為空心及超空心)、半空心、實心(或稱彌散型)等。

不同噴霧方式與供油量、噴霧錐角要求有關，有的與點火、燃燒噪音及污染性能有關。一般空心噴霧的火焰短，實心的火焰長。

上述不同噴霧方武的形成，主要是在旋流錐與噴孔之問采取了不同結構措施：

有的是在旋流錐出口端加裝一個不同結構尺寸的孔板(含旋流室與噴口)；

有的是在旋流錐出口端的內凹圓孔的尺寸不同等。

具體結構尺寸很難經理論計算確定，而是通過反復試驗后才可以確定。

另外噴霧方式也隨流量(或油壓)變化，當流量增大，噴霧錐的空心度也增大。

總之，通過改變燃油進人旋流室的切向和徑陽分速的關系，以實現不同噴霧方式。

上述多種噴霧方式實際上可分為空心和實心錐兩大類。

除此之外，還有一種扇形噴霧方式，即噴霧呈大張角扇片式展開，因此也稱為扇片式噴嘴。不同噴霧方式可以在單一液體工質機械霧化噴嘴上實現，也可以在液態丁質的空氣(或蒸汽)霧化噴嘴上實現。不同的噴霧方式各有其特點，人們利用其特性應用于不同的燃燒與非燃燒設備上，發揮其功能。

(1)實心噴霧噴嘴

實心噴霧就是燃料或其他工質均布于噴霧錐橫截面上。該種噴嘴又可分兩種類型：一種是簡單直射噴嘴，它的噴射錐角很小(小于15)，甚至近似直線噴射。它的射程長，沖擊力最大。在燃燒設備上應用也很廣泛。在非燃燒設備上也有應用，如清洗設備、噴射、冷卻、潤滑、防火等行業。另一種是在噴嘴殼體內裝有旋流葉片，其噴霧錐角可為50°～120°，其沖擊最小。在非燃燒設備上應用最為廣泛，也可用于清洗、冷卻、防火、加濕、防塵等。一般實心噴霧粒徑較粗，為了減小粒度也可采用空氣或蒸汽助霧化。

(2)空心噴霧噴嘴

在上列各種噴霧方式中，它是對噴霧質量要求最嚴格的一種(特別是對航空和地面燃機燃燒室上采用的)。該種噴嘴除了廣泛應用于工業爐窯、鍋爐、內燃機、燃氣輪機等燃燒設備外，在非燃燒設備上也有廣泛應用。由于它可以獲得最小的平均粒徑，在噴霧壓力，噴霧流量和角度相同的情況下，可以使處理工件表面面積增大，并處理得更加細膩，對物質的移動產生較大影響。困此，空心噴霧噴嘴在氣體冷卻、空氣加濕、金屬處理、粉塵控制、氣體洗凈以及化學反應上使用能產生很好的效果，在粉料制取、噴涂等眾多行業的設備上廣泛采用。空心噴霧噴嘴也可以采用空氣或蒸汽助霧化。

(3)扇形噴霧噴嘴

扇形噴霧可以讓工質由噴嘴夾部多個小孔或多管耙噴射產生；也可以由工質經圓孔噴出沖擊出口曲面或經長圓孔截面噴口噴出，再經噴口外V形條縫形成。其沖擊力僅次于小噴霧角的直射噴嘴，它可按一定間距排列的一排或多排水(清洗液)簾，對平移的大批量碎礫石，工件和按一定間距排列的水果、蔬菜等進行流水線式清洗；也可以利用噴射冷(熱)空氣流對零件冷卻、干燥、洗滌等。

3、噴嘴布局

從以上各種噴霧方式可以看出：噴霧錐角(或扇面角)從噴嘴端面開始，隨軸向距離增加，噴霧散布截面(或橫向尺寸)越大。對于燃氣輪機環形燃燒室來說有多個(多至30多個)分布在圓周上；對非燃燒設備上的清洗、潤滑、外涂等裝置也會排布大量噴頭．都要求得到較均勻的流量分布(或稱噴霧體積通量)，以達到設備的功能要求。為此必須防止不合適的液霧重疊，對噴嘴的布局要有所安排。

嚴格地說，最好在保證所有噴嘴的流量、噴霧錐角、噴霧質量、噴霧體積通量(即單位時間內通過采樣體單位探測面積的液體體積)等基本相等條件下(當然這些數據要通過預先檢測得到)，按環面或長條平面保證均等流量分布來安排噴嘴間距。

實際工程應用中難于按上述要求去執行，有的通過實用效果檢測去修正完善。例如在早期航空發動機燃燒室上的噴嘴排布(或稠度)是進行過大量調驗才予確定的。

噴嘴間距合適與否會反應在以下性能：

1)出口溫度場的變化，一般噴嘴間距太大．出口溫度分布系數 (或出口熱點分布系數OTDF)偏大(特別在高功率狀態下尤為突出)；

2)低工況燃燒性能惡化，一般噴嘴間距太小，即噴嘴數量太多，相同噴口尺寸及總供油量條件下，每個噴嘴供油量少，勢必降低了供油壓差，燃油霧化質量惡化，燃燒效率降低，點火困難．燃燒穩定性差。這些性能參數及表現均可通過燃燒室方案選擇性試驗確定，進而折中作出噴嘴數量選定。

首先，燃燒室類型不同，同一類噴嘴的稠度也不同，如采用壓力霧化噴嘴的單管或聯管型燃燒室，一般稠度取值約為1．1，即留夠傳焰管安裝尺寸和保證火焰筒周向均勻進氣要求的間隙；而對于環形燃燒室來說，噴霧錐受到火焰筒頭部及主燃區的外壁進氣的壓縮作用，其縱截面勢必呈橢圓形，為了防止油錐重疊，噴嘴稠度取值為1.3-1.5。

其次，在環形燃燒室上，不同類型噴嘴及其安裝方式的稠度也有差別：

a．T形蒸發管供油方式的支管稠度小于1，r形的小0.5。這是由于從支管噴出的油氣混合物射流不可能產生很大的噴霧錐，而即刻進人頭部相應回流區。

b．切向安裝的壓力霧化噴嘴的稠度較大，一般lx／hf>1．5，如GTCP36-300、WTQ-l等。如果采取周向分級，為保證高況工況的性能，則其稠度為1．5左右。

c．回油噴嘴在低工況下噴霧錐角變大，其稠度取值可大些，其噴霧角達90°土5°，因此稠度達到2左右

d．扇片式噴嘴的情況前面已討論過，它的稠度取值也達到2左右。

e．空氣霧化噴嘴(含組合式空氣霧化裝置)是一個獨立的油氣供給裝置，受火焰筒頭部進氣影響小，特別是組合式的，霧化空氣量占總氣最比例大，因此稠度取值偏小，如CT7的稠度為l.2左右。

以上歸納的噴嘴稠度取值原則主要以大超小發動機燃燒室的資料為依據，這些原則對于大發動機也基本上適用。在非燃燒設備的清洗、噴涂、潤滑、冷卻等裝置安排噴嘴群也必須要求所用噴嘴的流量、噴霧錐角、流量分布等基本性能相近，然后按噴嘴端面至工作平臺高度、噴霧壓力及工質性質不同初步確定噴嘴布局。一般情況多用扇形噴霧噴嘴，它的噴霧體積通量呈山形分布(外側流量少)，因此必須有一定噴霧重疊量．實心噴霧噴嘴的噴霧體積流量類似扇形噴霧，只足它的分布更如同圓面包形。而空心噴霧的縱剖面如同馬鞍形(即中心部位流量少)。無論何種噴霧形式都必須考慮覆蓋面的重疊量，至于具體數據尚難給定。

目前測量粒徑的方法

（1）接觸式

印痕法、石蠟法等

（2）非接觸式

激光散射技術

馬爾紋粒度儀

脈沖激光全息技術

新一代高效霧化進料噴嘴

一.霧化技術及原理

二.催化裂化進料噴嘴

三.新型噴嘴的開發

四.主要技術指標和特點

五.工業應用

1、霧化技術

液體霧化是指在外加能量作用下，液體在氣體環境中變成液霧或小液滴的過程。霧化原理主要可以分為以下幾類：（1）單相流霧化原理，（2）多相流霧化原理，（3）利用聲、電、機械能的霧化原理。

? 單相流霧化：霧化能量來源于液體本身的壓力能。如壓力霧化噴嘴和機械旋轉霧化噴嘴。

? 兩相流霧化：兩相流霧化有以下幾類：

–低壓鼓風霧化，利用大量而低速的氣體來實現霧化；

–氣體輔助霧化，利用少量而高速的氣體來實現霧化。

–氣泡霧化，在混合腔壓力下，氣體以氣泡的形式存在于液體之中，經噴口噴出時壓力突然降低，氣泡突然膨脹，使液體得到霧化。

? 其它能量來源的霧化：它們包括機械旋轉霧化，靜電霧化和超聲波霧化、哨聲霧化等。

在催化裂化過程中由于處理量大且原料油粘度較大，使用的均為兩相流霧化噴嘴。

2、液滴破碎形式

液體破碎的形式可大致可分為三類：即液滴的破碎、液柱的破碎和液膜的破碎。不論是單相流霧化還是多相流霧化，在同一霧化過程中這三種破碎類型往往同時存在，只不過在多相流霧化過程中，這些現象得到了強化。

3、霧化性能指標

?霧化粒徑常用的有SMD粒徑

?霧化角

?液霧分布的均勻性

出口噴霧線速

兩相流霧化噴嘴

兩相流霧化噴嘴可分為內混式、外混式氣體輔助霧化和氣泡霧化。氣體輔助霧化能有效利用高速氣體的能量，因而具有霧化效果好，單噴嘴可以有較大處理量，是一種非常有潛力的噴嘴形式。當然，此種結構中需要額外的氣（汽）源。

? 內混式氣體輔助霧化：氣體和液體在離開噴嘴之前首先在噴嘴的內部進行混合，然后經過噴口噴出；

?外混式氣體輔助霧化：高速運動的氣流在噴嘴的出口處或出口處之外與液體相接觸并產生作用；

?氣泡霧化：氣泡霧化是利用氣體在液相中產生氣泡，氣泡在噴口爆破將液滴再次破碎。

新型噴嘴采用的霧化原理：新型噴嘴的工作過程基于內混式霧化原理和氣泡霧化原理。

二.催化裂化進料噴嘴

從九十年代中期以后，各大石油公司分別開發出了新一代高效霧化進料噴嘴，稱為第三代霧化進料噴嘴,如Mobil & Kellog公司的Atomax噴嘴和UOP公司的Optimix 噴嘴。這些噴嘴的霧化SMD粒徑在50-60 m，它們能使裝置的輕油產率有較為明顯的提高。石油大學自1996年在中石化總公司立項，進行催化裂化新型高效霧化進料噴嘴的開發。

催化裂化工藝對霧化噴嘴的要求

?能夠將原料油良好的霧化，具有較細的平均液滴粒徑，較窄的粒徑分布，大液滴極少；使原料油能夠迅速氣化，使裂化反應在氣相進行，以改善產品的選擇性；

?產生的噴霧射流應呈扁平扇形，對提升管截面有較好的覆蓋，使催化劑與油霧充分接觸，以避免有些催化劑在進料部位接觸不到原料油，而后

?只能依靠返混來進行接觸；噴霧射流要有一定的

?穿透力，但又不能射到對面的提升管管壁，以避免結焦；

?噴霧射流不應太厚，避免使催化劑顆粒在油霧中經過太長的距離，否則催化劑顆粒的表面已經沾滿了油霧，但仍然在油霧中運動，顯然對裂化反應不利；

油與霧化蒸汽應平穩地均勻混合，油霧應平穩具有地噴入提升管，而不應產生節涌和振動；

三.新型進料噴嘴的開發

1、實驗裝置

本項研究的實驗裝置見圖2

2、實驗變化參數

通過液路及氣路的控制，可以改變處理量、氣液比和操作壓力進行實驗。