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喷头雾化液态工质的原理与液态雾化的重要性及液态工质的种类介绍

各领域需要采用喷头雾化的工质,包括各类燃烧设备燃用的液体燃料,以及非燃烧设备中的料液、涂料、水等。在非燃烧设备上利用喷头的暖雾功能,主要是将液态工质形成喷雾,而不燃烧。但是也有各种要求,有的要求雾滴特别细,有的要求较粗,有的要求雾滴大小均匀

    对液态工质的雾化原理(机理)的研究往往滞后于喷头雾化技术的应用,它是人们为了改进和完善雾化技术而开展的。20世纪30年代才开始对液体喷雾机理进行研究,日前还在研究之中,至今对有些雾化方式的机理也还研究得不够透彻。下面先介绍目前人们对几种主要雾化方式的一般性原理说明,然后对迄至今为止的几种雾化机理学说先作一些简要介绍,对深入开发研究喷头技术是十分有意义的。

    

    一、液态工质雾化原理

    (1)压力雾化喷头
    当液体加压,由喷头以高速射人静止或低速气流中,由于喷头结构不同,其雾化过程也有些差异。
    1)直射喷头雾化过程
    当液体压力升高,喷射速度增大,在液体表面张力、粘件及空气阻力相互作用下,液体由滴落、平滑流、波状流向喷雾流过渡,喷射速度(即流量)增大时,在上述液流状态时液柱长度的变化状态。从迁移流到波状流过渡到转折点的雷诺数RE=1800~2400,与液流的层流和紊流(湍流)的转折点是一致的。而粘稠液体的转折RE≥3000时才町形成喷雾流。
    2)离心喷头液膜射流雾化过程
    旋流式压力雾化喷头(或称离心喷头)在不同油压下的雾化过程。在低油压下,喷射速度小,主要是表面张力和惯性力起作用。虽然表面张力克服了惯性力,使液膜收缩成液泡,但在气动力作用下破碎为大液滴。随着压力增大,喷射速度增加,液膜在惯性力作用下而失稳.破裂成丝或带状,与空气相对运动剧烈,表面张力及粘性力的作用减弱,液膜长度缩短.并扭曲,在气动力作用下破碎为小雾滴。更高压力下(3.0MPa)液体射流速度更大,液膜离开喷口即被雾化。一般离心喷头在压力为0.3-0.5MPa时,即喷口出口处有一部分液膜也可投入燃烧过程。在研究上述雾化过程中,发现液体的表面张力愈小,则液膜可以在较薄时破裂,形成细小丝、带,以及聚缩为细小液滴。而粘性则有阻碍破碎的作用,粘稠度愈大,越不易雾化成滴,只能形成细丝,甚至是片或块状。另外也发现液体的粘性对液体在旋流搴的旋流张度产生影响。当粘度低时,旋流室内切向和径向分速增大,雾化质量变好。在雾化中期,表面张力起主要作用,即影响液膜分裂。而在雾化后期,粘性力、表面张力、油滴惯性力和空气阻力相互作用,使液滴进一步分裂。

    (2)旋转式雾化喷头
    将液体供向高速旋转件中心,液体向旋转件周边或孔中甩出,它就是借助离心力和气动力而雾化液体的旋转式雾化。液体流量很小时,当离心力大于液体表面张力,转盘边缘抛出的少量大液滴,此时直接分裂成液滴。当流量和转速增大,液体被拉成数量较多的丝状射流,液状流极不稳定,离开盘缘一定距离处会分离成小液滴。这就是丝状割裂成液滴。当转速和流量再增大.液丝连成薄膜,随着液膜向外扩展成更薄的液膜,并以高速喷出,与周围空气发生摩擦而分离雾化.由薄膜状分裂成液滴。以上过程可以看出:旋转雾化包含了离心雾化和速度雾化的交互作用。
    以上两种借助外界动力(油泵增压和电机增速)雾化液体的方法统称为机械雾化。而离心式压力雾化和旋转式雾化,均借助了离心力。但在转杯式的旋转雾化装置上还借助了少量雾化空气,可对液滴进一步雾化。

    (3)介质雾化式喷头
    借助空气或蒸汽等流体的高速同轴或垂直方向的高速射流,使赦态工质的液柱或液膜雾化的方式.统称为双流体雾化喷头,也称勾气动喷头、空气雾化喷头。它们的雾化实质与前述压力雾化过程相似,仅是加强了周围气流的作用。它是利用高速,一般以每秒数十米,甚至超声速的空气或蒸汽与低速液体的液柱或液膜相互冲击、摩擦,破碎为细小雾滴,即外力(冲击力、摩擦力)大于油的内力(表面张力和粘性力)而破碎流股或液膜。在工业领域先于压力雾化喷头的介质雾化喷头,曾经由于气耗(汽耗)太大而影响了它的发展,近期又被重新得到广泛应用,这是由于:
    1)低氧燃烧要求高的雾化质量。一般来说,如果喷头的结构合理,运行参数适当,介质雾化喷头的雾化质量优于机械雾化的。
    2)工业炉和锅炉功率增大,要求更大容量的喷头。若采用压力雾化喷头则必须采用很高的油压,给供油系统的制造和维护带来很大斟难。
    3)劣质油燃料或高粘度流体的良好雾化质量和不被堵塞等要求是压力雾化喷头难于胜任的。
    4)介质雾化喷头结构不完善和创新,可以降低气(汽)耗率。我们介绍种类繁多的介质雾化喷头,其中包括一些新型低气耗的喷头。

    

    二、液态工质雾化的重要性

    各领域需要采用喷头雾化的工质,包括各类燃烧设备燃用的液体燃料,以及非燃烧设备中的料液、涂料、水等。在非燃烧设备上利用喷头的暖雾功能,主要是将液态工质形成喷雾,而不燃烧。但是也有各种要求,有的要求雾滴特别细,有的要求较粗,有的要求雾滴大小均匀等。

    在各类燃烧装置上燃用液态燃料时,一般包含以下几个阶段:
    1)燃油雾化,由喷头完成此任务;
    2)喷雾蒸发;
    3)油雾与空气混合;
    4)油气着火和燃烧,即产生激烈化学反应。

    很明显,液态燃料燃烧过程比气态燃料要复杂。一般液态燃料的燃烧属于非均相扩散燃烧,它的燃烧总时间是由上列的后三个阶段的时间组成,它们也不可截然分开。但是实验中发现:上述后三个阶段中,化学反应是十分迅速的,而蒸发过程是最缓慢的环节,也就是说.液体燃料的燃烧速度主要取决于蒸发速度的快慢。
    如何才能缩短蒸发时间呢?除了采用雾化性能好的工质和有利的蒸发条件外,增加液体燃料的蒸发表面是关键,即利用喷头将液体燃料雾化成很细的雾滴滴群。因为雾滴表面积反比于直径,1m3的燃油雾化到平均直径1mm,其表面积约为60cm2,在空气中燃烬约需1s;若雾化为50um,表面积约为1200cm2,燃烬时间仅0.0025s。由此可见,液态燃料的雾化对能源的利用,对燃烧装置的结构性能极为重要,更多的理论上的分析,可参阅有关燃烧技术教科书。因此,当液态燃料在燃烧装置上被广泛采用后,人们对它的雾化方式、雾化机理、雾化器的设计方法及性能检测等方面进行了大量的研究开发工作,内容非常丰富。

 

    三、液态工质的种类

    (1)石油系液体燃料

    可作为燃烧装置中使用的液体燃料也有许多种,如石油系的汽油、煤油、轻柴油、重柴油、重油、渣油、原油等,以及代用液体燃料,如醇类燃料、植物油燃料等。每一种燃料又有不同品种,不同质量等级,不同牌号,其中原油和渣油又由于产地和提炼方法也有很大差别,在燃烧喷头装置中燃用液体燃料时,必须利用喷头进行雾化,雾化的方式有多种形式,后面再作介绍。影响燃油雾化质量的因素可以归纳如下:影响雾化质量的作用力有、内力、外力、黏度、表面张力、雾化剂流出速度、雾化剂单位耗量、油的流出速度、雾化剂和流束接触面积、雾化剂和油束交角、雾化剂压力、喷头直经雾化剂流速、油压、喷头直径、结构。

    燃油粘度和表面张力是主要影响因素。以压力雾化喷头为例,在雾化初始阶段,粘度的影响起决定性作用,随着粘度的降低,燃油在旋流室中旋流强度增大,切向力和径向力增大,雾化质量变好。在雾化中期,表面张力起主要作用。表面张力减小,油膜克服表面张力进行分裂更容易进行。在雾化后期,粘性力、表面张力、油滴惯性力和空气动力相互作用,使液滴进一步分裂。

    实验和理论分析已经表明:当液体从喷头喷射流转化为喷雾流,取决于流体的雷诺数,当喷口直径一定,随流速增大而变大,有利于液流由层流转为湍流和雾化。但是粘度增加则不利于雾化。
    燃油的粘度和表面张力均随温度增加而变小,为了改善粘度很大的燃油雾化质量和燃烧性能,可采用加热燃油的方法,另外从凝点也可看出重质燃油在常温(15℃)下为凝固状态。因此,一般为了输送,油泵前的重油粘度不应超过30-40E,重油应预热80℃左右。为了燃油雾化,喷头前燃油粘度值可根据喷头类型要求的牯度确定合适的加热温度。各种液体燃料的与喷头有关的主要性质,燃烧器的燃料油的主要性质,影响喷头燃油雾化质量的各种油品的粘度等性质的差别很大。正因为如此,不同种类和品种的燃油应用范围也不相同,所采用的喷头类型也有不同考虑。除此之外,还有一些性质影响着喷头及燃烧器的工作性能。
    粘度不同经乳化处理的奥里油的粘度大大降低。另外奥里油是一种非牛顿流体,它的粘度不仅随温度变化,而且受剪切率变化而变化.与水煤浆相似,由于运行中油循环受油系统中不同剪切率影响,其粘度不确定,因此喷头流量特性也会受影响。为此喷头的流量调节比要大,风油调再也必须与之适应。
    乳化稳定性差经试验可知,这种乳化油稳定范围为:温度为5—70℃(最佳55~60℃),剪切率不能大于500s:在合适温度范同内,其粘度小于水,否则使油水分离无法使用。奥里油的乳化原理从微观上看足油水界面处下产生吸附,形成界而膜,即水包油乳化液.水为连续相,油为分散相。过分地搅拌和过强的紊流均会造成界面膜破坏,油水分层、油珠聚集。因此采用机械雾化喷头,也不宜离心泵增压;而可采用简单的一级空气雾化喷头,以及采用容积泵增压。

    替换喷气燃料航空运输消耗的喷气燃料的需求量日益增加,人们也在寻求未来的替换燃料。目前大致有如下解决方案:

    a.放宽喷气燃料的技术条件,增加从原油中提取喷气燃料产率,这是已经采取的措施其一是放宽馏程范围。以下两项措施会增高冰点,蒸汽压较高,特别芳香烃增高(含氢量减少).生炭性和冒烟性影响很大,因此在喷头与燃烧室方面也要采取相应措施.。国内于20世纪70年代已经开展了评油研究工作,已经证实上述措施对燃烧性能不会带来太大影响。
    b.从油页岩和煤中提炼放宽技术条件的喷气燃料,采用加氢处理法,改善了这类燃料物化性质,经试验表明对燃烧性能影响不大。只是处理成本,因此是近中期的解决措施。
    c.采用液态甲烷和氢作为喷气燃料,它们热值高,排气污染物少是一种理想的清沽燃料。前苏联曾在某型飞机试用过液态氢。但是密度小,沸点低,必须有庞大的绝缘的燃料箱;并且生产成本高,如以太阳能源制造的氢的成本是汽油的100倍。因此,在飞机(含汽车)使用此类燃料还有许多工作要做,是中远期的代用燃料。

    (2)非燃料的液态工质

    在非燃烧设备巾的喷雾液态介质的种类繁多,如水、氧化剂、燃烧剂、槽液、料液、油漆、金属熔液等。对于粘度很高的油漆(涂料)及料液等的喷雾也是一个关键技术问题。一般采用加入非极性溶剂调整粘度,或者采用不同类型加以解决。对于温度很高的料液、金属熔液则需要解决喷头耐热问题。

    

(责任编辑:裕升喷嘴)
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