喷嘴喷雾方式、应用与排布详解

1、喷嘴流量公式的分析

1)流量及锥角均偏小，可研磨加大喷口直径dc，此时的流量系数u降低，a值增大，流量仍然显著增大。这足由于喷口面积Fc=πr2增大的作用超过u减小的作用(喷口阻力减小)。dc增大时，旋流增强，a增大。

2)流量偏小，锥角偏大，可增大切向槽(孔)尺寸，几何特性A减小，进入旋流室的人口速度减小，中心气体旋涡半径减小，有效喷出环形面积增大、qv增加，旋流减弱，a减小。  

3)锥角偏小，可研磨喷口端面，以缩短喷口长度Le。减小Le将使喷口阻力减小，有利于a明显增大.Le太小会恶化雾化质量。

4)喷嘴的燃油分布的不均匀度与许多因素有关，并且主要受喷嘴零件加工质量的影响，将在后面再作说明以上性能调整一般原则也可以作为设计计算中参数调整的指导性条款。

2、喷雾方式及其应用

目前欧美国家的多家喷嘴专业生产公司为锅炉生产燃油燃烧器上的喷嘴，基本上都是带旋流锥的单油路压力雾化喷嘴，并且可以提供不同喷雾方式的喷嘴，各个公司以不同代号加以区分，按欧洲标准分为五种(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，非欧洲标准分为三种(实心S，空心H，半实心B)。

所谓喷雾方式就是垂直喷雾锥的截面上燃燃油分布不同，大体上可以区分为空心及超空心)、半空心、实心(或称弥散型)等。

不同喷雾方式与供油量、喷雾锥角要求有关，有的与点火、燃烧噪音及污染性能有关。一般空心喷雾的火焰短，实心的火焰长。

上述不同喷雾方武的形成，主要是在旋流锥与喷孔之问采取了不同结构措施：

有的是在旋流锥出口端加装一个不同结构尺寸的孔板(含旋流室与喷口)；

有的是在旋流锥出口端的内凹圆孔的尺寸不同等。

具体结构尺寸很难经理论计算确定，而是通过反复试验后才可以确定。

另外喷雾方式也随流量(或油压)变化，当流量增大，喷雾锥的空心度也增大。

总之，通过改变燃油进人旋流室的切向和径阳分速的关系，以实现不同喷雾方式。

上述多种喷雾方式实际上可分为空心和实心锥两大类。

除此之外，还有一种扇形喷雾方式，即喷雾呈大张角扇片式展开，因此也称为扇片式喷嘴。不同喷雾方式可以在单一液体工质机械雾化喷嘴上实现，也可以在液态丁质的空气(或蒸汽)雾化喷嘴上实现。不同的喷雾方式各有其特点，人们利用其特性应用于不同的燃烧与非燃烧设备上，发挥其功能。

1)实心喷雾喷嘴

实心喷雾就是燃料或其他工质均布于喷雾锥横截面上。该种喷嘴又可分两种类型：一种是简单直射喷嘴，它的喷射锥角很小(小于15)，甚至近似直线喷射。它的射程长，冲击力最大。在燃烧设备上应用也很广泛。在非燃烧设备上也有应用，如清洗设备、喷射、冷却、润滑、防火等行业。另一种是在喷嘴壳体内装有旋流叶片，其喷雾锥角可为50°～120°，其冲击最小。在非燃烧设备上应用最为广泛，也可用于清洗、冷却、防火、加湿、防尘等。一般实心喷雾粒径较粗，为了减小粒度也可采用空气或蒸汽助雾化。

2)空心喷雾喷嘴

在上列各种喷雾方式中，它是对喷雾质量要求最严格的一种(特别是对航空和地面燃机燃烧室上采用的)。该种喷嘴除了广泛应用于工业炉窑、锅炉、内燃机、燃气轮机等燃烧设备外，在非燃烧设备上也有广泛应用。由于它可以获得最小的平均粒径，在喷雾压力，喷雾流量和角度相同的情况下，可以使处理工件表面面积增大，并处理得更加细腻，对物质的移动产生较大影响。困此，空心喷雾喷嘴在气体冷却、空气加湿、金属处理、粉尘控制、气体洗净以及化学反应上使用能产生很好的效果，在粉料制取、喷涂等众多行业的设备上广泛采用。空心喷雾喷嘴也可以采用空气或蒸汽助雾化。

3)扇形喷雾喷嘴

扇形喷雾可以让工质由喷嘴夹部多个小孔或多管耙喷射产生；也可以由工质经圆孔喷出冲击出口曲面或经长圆孔截面喷口喷出，再经喷口外V形条缝形成。其冲击力仅次于小喷雾角的直射喷嘴，它可按一定间距排列的一排或多排水(清洗液)帘，对平移的大批量碎砾石，工件和按一定间距排列的水果、蔬菜等进行流水线式清洗；也可以利用喷射冷(热)空气流对零件冷却、干燥、洗涤等。

3、喷嘴布局

从以上各种喷雾方式可以看出：喷雾锥角(或扇面角)从喷嘴端面开始，随轴向距离增加，喷雾散布截面(或横向尺寸)越大。对于燃气轮机环形燃烧室来说有多个(多至30多个)分布在圆周上；对非燃烧设备上的清洗、润滑、外涂等装置也会排布大量喷头．都要求得到较均匀的流量分布(或称喷雾体积通量)，以达到设备的功能要求。为此必须防止不合适的液雾重叠，对喷嘴的布局要有所安排。

严格地说，最好在保证所有喷嘴的流量、喷雾锥角、喷雾质量、喷雾体积通量(即单位时间内通过采样体单位探测面积的液体体积)等基本相等条件下(当然这些数据要通过预先检测得到)，按环面或长条平面保证均等流量分布来安排喷嘴间距。

实际工程应用中难于按上述要求去执行，有的通过实用效果检测去修正完善。例如在早期航空发动机燃烧室上的喷嘴排布(或稠度)是进行过大量调验才予确定的。

喷嘴间距合适与否会反应在以下性能：

1)出口温度场的变化，一般喷嘴间距太大．出口温度分布系数 (或出口热点分布系数OTDF)偏大(特别在高功率状态下尤为突出)；

2)低工况燃烧性能恶化，一般喷嘴间距太小，即喷嘴数量太多，相同喷口尺寸及总供油量条件下，每个喷嘴供油量少，势必降低了供油压差，燃油雾化质量恶化，燃烧效率降低，点火困难．燃烧稳定性差。这些性能参数及表现均可通过燃烧室方案选择性试验确定，进而折中作出喷嘴数量选定。

首先，燃烧室类型不同，同一类喷嘴的稠度也不同，如采用压力雾化喷嘴的单管或联管型燃烧室，一般稠度取值约为1．1，即留够传焰管安装尺寸和保证火焰筒周向均匀进气要求的间隙；而对于环形燃烧室来说，喷雾锥受到火焰筒头部及主燃区的外壁进气的压缩作用，其纵截面势必呈椭圆形，为了防止油锥重叠，喷嘴稠度取值为1.3-1.5。

其次，在环形燃烧室上，不同类型喷嘴及其安装方式的稠度也有差别：

a．T形蒸发管供油方式的支管稠度小于1，r形的小0.5。这是由于从支管喷出的油气混合物射流不可能产生很大的喷雾锥，而即刻进人头部相应回流区。

b．切向安装的压力雾化喷嘴的稠度较大，一般lx／hf>1．5，如GTCP36-300、WTQ-l等。如果采取周向分级，为保证高况工况的性能，则其稠度为1．5左右。

c．回油喷嘴在低工况下喷雾锥角变大，其稠度取值可大些，其喷雾角达90°土5°，因此稠度达到2左右

d．扇片式喷嘴的情况前面已讨论过，它的稠度取值也达到2左右。

e．空气雾化喷嘴(含组合式空气雾化装置)是一个独立的油气供给装置，受火焰筒头部进气影响小，特别是组合式的，雾化空气量占总气最比例大，因此稠度取值偏小，如CT7的稠度为l.2左右。

以上归纳的喷嘴稠度取值原则主要以大超小发动机燃烧室的资料为依据，这些原则对于大发动机也基本上适用。在非燃烧设备的清洗、喷涂、润滑、冷却等装置安排喷嘴群也必须要求所用喷嘴的流量、喷雾锥角、流量分布等基本性能相近，然后按喷嘴端面至工作平台高度、喷雾压力及工质性质不同初步确定喷嘴布局。一般情况多用扇形喷雾喷嘴，它的喷雾体积通量呈山形分布(外侧流量少)，因此必须有一定喷雾重叠量．实心喷雾喷嘴的喷雾体积流量类似扇形喷雾，只足它的分布更如同圆面包形。而空心喷雾的纵剖面如同马鞍形(即中心部位流量少)。无论何种喷雾形式都必须考虑覆盖面的重叠量，至于具体数据尚难给定。

目前测量粒径的方法

1）接触式

        印痕法、石蜡法等

2）非接触式

       激光散射技术

       马尔纹粒度仪

       脉冲激光全息技术

新一代高效雾化进料喷嘴

一.雾化技术及原理

二.催化裂化进料喷嘴

三.新型喷嘴的开发

四.主要技术指标和特点

五.工业应用

1、雾化技术

液体雾化是指在外加能量作用下，液体在气体环境中变成液雾或小液滴的过程。雾化原理主要可以分为以下几类：（1）单相流雾化原理，（2）多相流雾化原理，（3）利用声、电、机械能的雾化原理。

单相流雾化：雾化能量来源于液体本身的压力能。如压力雾化喷嘴和机械旋转雾化喷嘴。

两相流雾化：两相流雾化有以下几类：

–低压鼓风雾化，利用大量而低速的气体来实现雾化 ；

–气体辅助雾化，利用少量而高速的气体来实现雾化。

–气泡雾化，在混合腔压力下，气体以气泡的形式存在于液体之中，经喷口喷出时压力突然降低，气泡突然膨胀，使液体得到雾化。

其它能量来源的雾化：它们包括机械旋转雾化，静电雾化和超声波雾化、哨声雾化等。

在催化裂化过程中由于处理量大且原料油粘度较大，使用的均为两相流雾化喷嘴。

2、液滴破碎形式

液体破碎的形式可大致可分为三类：即液滴的破碎、液柱的破碎和液膜的破碎。不论是单相流雾化还是多相流雾化，在同一雾化过程中这三种破碎类型往往同时存在，只不过在多相流雾化过程中，这些现象得到了强化。

3、雾化性能指标

雾化粒径    常用的有SMD粒径

雾化角

液雾分布的均匀性

出口喷雾线速

两相流雾化喷嘴

两相流雾化喷嘴可分为内混式、外混式气体辅助雾化和气泡雾化。气体辅助雾化能有效利用高速气体的能量，因而具有雾化效果好，单喷嘴可以有较大处理量，是一种非常有潜力的喷嘴形式。当然，此种结构中需要额外的气（汽）源。

 内混式气体辅助雾化：气体和液体在离开喷嘴之前首先在喷嘴的内部进行混合，然后经过喷口喷出；

外混式气体辅助雾化：高速运动的气流在喷嘴的出口处或出口处之外与液体相接触并产生作用；

气泡雾化：气泡雾化是利用气体在液相中产生气泡，气泡在喷口爆破将液滴再次破碎。

新型喷嘴采用的雾化原理：新型喷嘴的工作过程基于内混式雾化原理和气泡雾化原理。

二.催化裂化进料喷嘴

从九十年代中期以后，各大石油公司分别开发出了新一代高效雾化进料喷嘴，称为第三代雾化进料喷嘴,如Mobil & Kellog公司的Atomax喷嘴和UOP公司的Optimix 喷嘴。这些喷嘴的雾化SMD粒径在50-60 m，它们能使装置的轻油产率有较为明显的提高。石油大学自1996年在中石化总公司立项，进行催化裂化新型高效雾化进料喷嘴的开发。

催化裂化工艺对雾化喷嘴的要求

能够将原料油良好的雾化，具有较细的平均液滴粒径，较窄的粒径分布，大液滴极少；使原料油能够迅速气化，使裂化反应在气相进行，以改善产品的选择性；

产生的喷雾射流应呈扁平扇形，对提升管截面有较好的覆盖，使催化剂与油雾充分接触，以避免有些催化剂在进料部位接触不到原料油，而后

只能依靠返混来进行接触；喷雾射流要有一定的

穿透力，但又不能射到对面的提升管管壁，以避免结焦；

喷雾射流不应太厚，避免使催化剂颗粒在油雾中经过太长的距离，否则催化剂颗粒的表面已经沾满了油雾，但仍然在油雾中运动，显然对裂化反应不利；

油与雾化蒸汽应平稳地均匀混合，油雾应平稳具有地喷入提升管，而不应产生节涌和振动；

三.新型进料喷嘴的开发

1、实验装置

  本项研究的实验装置见图2

2、实验变化参数

   通过液路及气路的控制，可以改变处理量、气液比和操作压力进行实验。

3、液滴雾化粒径的测量

   在本相研究中，液滴雾化粒

径通过 Malvern激光粒度测试仪

进行测量。

   当激光束穿过油雾后，散射

光被多元光电探测器所接收，通过测量光电探测器平面上有限面积内的散射

光的分布，再根据Frannbofer的衍射理论，就可得到各尺寸数粒子的体积V和

粒子数N，从而得到粒子的尺寸分布。

2、喷嘴结构及实验结果

新型喷嘴同时采用内混式雾化原理与气泡雾化原理，其结构如图3所示。

 其工作过程如下：气体和液体首先在喷嘴的内部混合腔进行有效地混合，数百个蒸汽微射流将原料油破碎，蒸汽以气泡的形式存在，然后经过喷口喷出，经过射流剪切和气泡膨胀，达到将液体雾化的目的。

四.主要技术指标和特点

操作压力：0.3-0.6MPa

汽液比：2－5％(W)

液滴SMD：50 m

喷雾形状：平面扇形等，对提升管有良好覆盖；可以根据需要设计

处理量：单喷嘴1－60吨/时

液滴分布窄：5倍于SMD的液滴完全消除

具有较大的操作弹性、操作平稳；改造简单，投资小，换喷嘴即可；

喷嘴的主要特性包括：

喷雾类型

喷射角度

喷嘴流量

喷嘴材料

液滴大小

冲击力

流量分布均匀性

喷雾系统公司可以提供近千种用于PCB生产的各个工序的喷嘴。

产品的优势

提供完整的压力-流量-角度参数

喷雾流量均匀分布

相同压力下可产生直径更小的液体

相同压力下可实现更大的冲击力

喷嘴选型和系统设计应注意的问题

材质

耐腐蚀、耐高温、耐磨损

喷雾形状

实心锥形、平面扇形

喷雾流量

喷射角度

角度越小，冲击力越大

喷雾重叠

喷嘴覆盖宽度重叠约

25%~30%

扇形喷流面应与管轴线倾斜10~15°，确保整个表面的喷雾均匀性

在板两边预留30%的余量来保证整个板面的一致性

喷淋管上合理的喷嘴数量的计算公式：

   W(2N-1)/3=C

   W=单个喷嘴喷射宽度

C=PCB板宽度

N=喷嘴数量

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