螺旋噴嘴液滴分布特性的實驗研究

， ，，， ， ，

(四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065)

?開發與研究?

螺旋噴嘴液滴分布特性的實驗研究

關曉瓊，祝杰，葉世超，武浩宇，王巧，曹杰，呂路兵

(四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065)

以水為噴淋介質，研究了螺旋噴嘴的噴淋量與噴淋壓力的關系，考察了霧化液滴的粒徑分布特性。實驗結果表明，隨著噴淋壓力的增大，噴淋量相應增大，并逐漸趨于平緩；螺旋噴嘴噴霧區噴淋量沿徑向形成多個峰，隨工作壓力增大各峰沿徑向外移，處在峰面上液滴的索特直徑較峰面間的大；液滴平均粒徑隨壓力升高而趨于均勻，且大噴嘴霧化形成的粒徑比小噴嘴的略大。研究結果可為螺旋噴嘴的實際應用提供參考。

螺旋噴嘴；流量；霧化；粒徑分布

0 引言

螺旋噴嘴作為液體、霧化的一種裝置，被廣泛應用于農業、園藝、工藝等各個領域[1-5]。螺旋噴嘴是由中間空腔和環狀逐漸變小的螺旋狀噴口構成，其特殊結構可有效降低流動阻力，不易堵塞[6]。近年來，許多學者就噴嘴的霧化性能展開了研究。朱學軍等[7-8]對旋流壓力式噴嘴噴淋特性進行了試驗研究，分析了噴嘴流量和噴孔直徑對噴淋角、液滴Sauter平均直徑(SMD)的影響規律，研究了旋流壓力式噴嘴噴淋液滴尺寸分布、噴淋介質徑向通量分布及噴淋周相均勻度。劉乃玲等[9-10]實驗研究了TF6噴嘴的霧化液滴直徑隨噴霧壓力變化的規律，用因次分析的方法回歸得到TF6型噴嘴的霧化準則關系式。解更存等[11]著重研究了螺旋噴嘴在冷卻塔上的應用情況。

從現有資料看，螺旋噴嘴噴淋液滴特性的研究還存在不足，噴淋液滴的徑向分布特性有待研究。本文以自來水為實驗介質，考察螺旋噴嘴的工作性能，得到液滴分布特性，以期為工業應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗系統

實驗裝置如圖1所示。分別對SPJT-3/8-120S(孔徑為6 mm)、SPJT-1/4-120S(孔徑為3 mm)的螺旋噴嘴進行了實驗考察。實驗時開啟水泵將水從水箱抽出，進入管道后經距離地面高1.85 m的螺旋噴嘴噴淋。流量大小通過一定時間接液質量求取。液滴平均直徑測量方法：先在培養皿內放少許凡士林，加熱使其熔化，待凡士林在培養皿中凝固成薄層，即可進行噴淋，然后使用拍照法，通過圖像處理軟件測得液滴直徑。

圖1 螺旋噴嘴實驗裝置圖

1.2 液滴的表征參數

以索特直徑表征平均液滴直徑，其計算公式為：

(1)

式中：D為液滴直徑，mm；N為液滴數量，個。

2 結果與討論

2.1 質量流量與壓力

噴淋量隨壓力的變化規律如圖2所示。由圖2可知，隨著工作壓力的增大，兩個噴嘴的質量流量均增加，但增長率隨壓力的增加而降低，這是由于受到噴嘴孔徑的限制，壓力的增加對質量流量的影響減小，從而使曲線趨于平緩。在相同工作壓力下大噴嘴的噴淋量大于小噴嘴，原因是對于同一套裝置，在相同壓力的條件下流體進管速度相同，則雷諾數相同，由流量系數與雷諾數的關系可知，孔口截面積與管道截面積的比值越大孔流系數越大。而本實驗管道截面積相同，大噴嘴的孔徑大于小噴嘴，可得大噴嘴的噴淋量大于小噴嘴。

圖2 質量流量與壓力的關系

對數據進行擬合，得到SPJT噴嘴的質量流量隨壓力及噴嘴孔徑的關系式為：

Qm=64.28p0.59d1.78

(2)

式中，d為螺旋噴嘴孔徑，mm；p為噴淋壓力，MPa；Qm為噴淋質量流量，g/s。

2.2 噴淋液徑向通量

不同壓力下螺旋噴嘴質量通量的徑向分布規律如圖3所示。圖中R為采樣點位置處的半徑，m；R0為噴淋覆蓋面的半徑，m。由圖3可知，在不同壓力下的曲線均有兩個峰值。這是由于螺旋噴嘴噴霧區呈現層狀分布[6]：在噴淋液層區域質量通量較大，而液層間的區域質量通量則較小。隨著工作壓力的增加，第二個波峰開始右移，這是因為隨著工作壓力的增加，液體出口速度的水平分量增加，隨之帶來噴淋液層的外移。而壓力達到0.065 MPa后，曲線沒有出現相應的峰，說明噴嘴霧化效果變得均勻。

圖3 不同工作壓力下噴嘴質量通量的徑向分布

2.3 液滴粒徑分布

大噴嘴在0.05 MPa的條件下，D32沿徑向的分布規律示于圖4。

圖4 大噴嘴D32沿徑向的分布

比較圖3和圖4可以發現，在相同壓力條件下，噴淋液質量通量越大的半徑處，其D32也越大。這是由于大液滴慣性較大，空氣阻力對液滴影響相對較小，但對于較小的液滴，由于慣性力較小，空氣阻力對它的作用效果增強，因此小液滴更多的落在噴淋液層間的位置。

2.4 液滴粒徑分布

圖5為小噴嘴在不同壓力下霧化液滴粒徑分布曲線。

圖5 不同工作壓力下小噴嘴液滴分數函數

由圖5可知，在各壓力下，粒徑分布隨著壓力的升高而趨于均勻。隨著壓力的增大，噴淋液滴的粒徑略減小。

在壓力為0.04 MPa的條件下，大小噴嘴霧化液滴粒徑分布如圖6所示。從圖6中可以發現，大噴嘴霧化粒徑比小噴嘴的大，這是由于噴孔直徑越大，達到霧化的流量越大，其噴嘴入口壓力增加越慢，說明在0.04 MPa的壓力下，沒有達到大噴嘴的最佳噴淋效果，而小噴嘴噴淋效果相對較好。因此在此霧化壓力下，大噴嘴的液滴尺寸也就越大[12]。

圖6 不同噴嘴液滴分數函數

3 結論

以水為噴淋介質，通過對SPJT型噴嘴低壓噴淋條件下的液滴進行測試，所得結論如下：①噴嘴流量隨工作壓力的增大而增大，擬合得到SPJT型噴嘴噴淋流量隨壓力及噴嘴孔徑的變化的關系式為Qm=64.28p0.59d1.78；②螺旋噴嘴質量通量隨著層狀的螺旋面分布而形成多個峰，工作壓力增大各峰值隨之沿徑向向外移動，如果需要得到噴灑均勻的效果，宜采用多個噴嘴組合使用；③螺旋噴嘴霧化粒徑隨壓力升高而趨于均勻，且大噴嘴的粒徑比小噴嘴略大。

[1]劉乃玲,張 旭.螺旋型噴嘴霧化及流量特性實驗[J].農業機械學報,2006,37(9): 79-82.

[2]Ramon H,Langenakens J.Model-based improvement of spray distribution by optimal positioning of spray nozzles[J].Crop Protection,1996,15(2):153-158.

[3]Miller P C H,Butler Ellis M C.Effects of formulation on spray nozzle performance for applications from ground-based boom sprays[J].Crop Protection,2000,19(8):609-615.

[4]陳 斌,郭烈錦,張西民，等.噴嘴霧化特性試驗研究[J].工程熱物理學報，2001,22(2):237-240.

[5]張 政,樊未軍,楊茂林.雙路離心式噴嘴霧化特性研究[J].工程熱物理學報，2003,24(1):153-156.

[6]劉定平,李史棟.4種脫硫噴嘴霧化特性對比試驗[J].流體機械,2013,41(4):1-6.

[7]朱學軍,呂 芹,葉世超.旋流壓力式噴嘴低壓噴淋特性[J].華僑大學學報：自然科學版,2007,28(3):235-238.

[8]朱學軍,呂 芹,葉世超.旋流壓力式噴嘴低壓噴淋液滴粒徑的實驗研究[J].化學工業與工程技術,2006,27(6):1-3.

[9]劉乃玲,張 旭.螺旋型噴嘴液滴分布特性及液滴直徑經驗公式的擬合[J].實驗流體力學,2006,20(3):8-12.

[10]劉乃玲,張 旭,楊 勇.螺旋型噴嘴霧滴分布特性實驗研究[J].山東建筑大學學報,2006(4):346-349.

[11]解更存,朱機靈.螺旋噴嘴在冷卻塔上的運用及工藝改造[J].石油化工安全環保技術,2009,25(4):57-58.

[12]Mugele R A,Evans H D. Droplet size distribution in sprays[J].Industrial & Engineering Chemistry,1951,43(6):1317-1324.

ExperimentalStudyonDropletDistributionCharacteristicsofSpiralNozzle

GUANXiao-qiong，ZHUJie，YEShi-chao，WUHao-yu，WANGQiao，CAOJie，LVLu-bing

(College of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

The influence of pressure on the flow rate of spiral nozzle is studied with tap water,and the distribution characteristics of droplet size are obtained. The result shows that the curve of water flow rate increases with the increasing of working pressure and then went flat slowly;the flow rate developed into several peaks on and move outward along the radial direction with the increasing of pressure,and the sauter diameter on the peaks is larger than the others;the droplet sizes tend to be uniform with the increasing of pressure as well.The droplet size of large nozzle is larger than the small one.

spiral nozzle ; flow ; spray ; droplet diameter distribution

2014-01-21

關曉瓊(1991-)，女，本科生；聯系人：葉世超(1956-)，男，教授，主要從事傳質與分離，流態化與多相流技術的科學研究，E-mail：shichaoye@sina.com。

TQ050.2

A

1003-3467(2014)02-0030-03