实践中的喷嘴设计--找到适合于您使用的喷嘴

作者:本网编辑 文章来源:《流程工业》(化工) 点击数:692 发布时间:2010-07-05


双流体喷嘴的喷嘴口示意图,在预雾化面中形成气-液的强力混合

在流程工艺技术的研发过程中,或者在工艺技术的优化改进过程中,合适的喷嘴往往对项目的成功起着决定性的作用。因此,在这些项目规划设计的初期阶段就应该注意采用最佳的喷嘴技术,包括喷嘴系统的所有附件。

在原材料和热传导区域内生成相对较大的液体表面、在被涂覆工件的喷涂过程中生成相对较大的涂覆表面、或者微小颗粒的生产过程等都属于雾化技术的传统领地。为了解决雾化技术中的问题,人们研发生产了多种多样不同的雾化喷嘴,而每一种喷嘴都有着自己特殊的雾化特性。就是在初步选择确定喷嘴时,要注意考虑到可能的、被喷涂液体特性的影响。在这些要注意的影响因素中,不仅有喷射时容积流量的因素,还有液体的流变学特性和对喷雾器本身提出的要求。传统式喷嘴分类是按照其喷射液体时所使用的能源来分类的。

单流体喷嘴

这种结构的喷嘴利用被喷射介质的压力差在喷嘴口处将被喷射介质加速到一定的喷射速度。在涡流效应和与周围空气的相互作用下使得液体被喷射出去,或者在叶片的作用下形成雾滴。这类喷雾设备的典型代表是全锥喷嘴和空心锥形喷嘴。

这种喷嘴结构的特点是:无需辅助能源,例如它不需要压缩空气,结构简单、制造方便。喷嘴口处雾化区中雾滴的喷射速度仅与压力差Δp有关,可用下式估算:

同时,在一定的喷嘴孔径条件下最大的喷射容积流量也可以根据压力差按下式计算:

根据上式可以看出:在现有喷嘴和规定的被喷射介质中,可以通过改变喷射压力实现喷射时的容积流量的调节。在这种喷射时容积流量的调节中,是依靠压力差的变化改变雾滴颗粒的大小来实现流量调节。随着喷射压力的逐渐降低,喷雾雾滴的大小也逐步增大。当超过了一定的极限值后,喷嘴雾化失效。因此,单一介质喷嘴在喷射粘稠介质时,尤其是在喷射时的容积流量较小的情况下常常不理想。这时,由于所要求的喷嘴直径非常小,加之被喷射介质的粘度很大,对喷射雾化有着决定性意义的雷诺数急剧下降。

因此,这种喷嘴结构适合于对低粘度、大流量液体介质的喷射雾化。

双流体喷嘴

与单流体喷嘴不同,双流体喷嘴需要喷射速度很高的气体作为动力源,常用的雾化能源载体为压缩空气或者蒸汽。气体的密度明显小于液体介质。两者的密度差导致:即使只有很小的相对压力差也会产生很高的喷射速度,甚至达到音速。

在带有预雾化面的外混合双流体喷嘴中,从气流通道喷射出来的流动气体在预雾化面处遇到了几乎静止的液体介质。这样就把预雾化面上很薄的液膜粉碎成非常细小的微粒。而被雾化的液体介质本身不需要有很高的压力差。

在各种不同的工作条件下,这种喷嘴都能实现液体介质的自吸。这种雾化方式的优点是:可以对高粘度液体介质进行雾化;它本身也不需要被加速到很高的速度,因为它不是喷射时的能量载体;由压缩空气承担着能量载体的任务。

在此基础上使它具有另外一个非常重要的优点:即使在喷射时的容积流量很小时它也能够实现很好的雾化。这样就可以使用孔径较大的喷嘴,可明显降低喷嘴堵塞的可能性。因此,使用这种喷嘴之后可以使喷嘴合适的容积流量范围更大。在这种喷嘴类型中,评判雾化状况的重要依据是负荷系数μ,即气体质量和液体质量的比值:

通过气体压力的匹配,也可以在液体介质质量流量发生变化时把雾化程度控制在额定值允许的范围内。

在内混合喷嘴中,被喷射的液体介质和气体在喷嘴内已经完成了混合,形成了一种有着特殊物理性能的双相流体。双相流体介质在喷射时一定要使气体和液体介质的压力保持相互匹配,否则会出现爆喷式的喷射现象。

机械雾化器

典型的机械式雾化器当属旋转雾化器和超声波雾化器。在流程工业技术领域,旋转雾化器使用的最为普遍。利用这种雾化器可以毫无堵塞可能地对高粘度的液体介质进行雾化。被雾化的液体介质与高速旋转的圆盘或者叶片相碰撞。在附着力的作用下,液体介质也获得了很高的加速度,理想情况下,它们获得了与圆盘、叶片相同的圆周线速度。流出的液体介质以线形或者片形的雾滴飞散出去。最令人感兴趣的是,在一定的条件下几乎达到了颗粒相同的弥散程度。这在工业化大面积产品喷涂时是最常用的工艺装备。

机械式雾化器能够按360°喷射角喷射雾化微粒,这一点在喷雾器和管道的设计时要尤其注意。超声波雾化技术的使用条件有限,其原因是:它所能够粉碎的液体介质粘度非常小,价格也相对较高。当液体介质的粘度稍微粘稠一些时,它马上不能正常工作。在特定合适的使用条件下它还是有优点的,如能够提供几乎没有脉动的雾化颗粒。

喷雾系统的选择

为了选择出合适的雾化喷射系统应首先明白下列问题:

雾化喷射设备的容积流量或者质量流量是多少?

被喷射介质是含有悬浮物的液体介质?如果是,则要知道是什么样的固体悬浮物,这些固体悬浮物的颗粒大小是多少?

被喷射介质是熔液吗?有使雾化器结冻的可能性吗?

被喷射液体介质的流变学参数都知晓吗?尤其重要的是其动力粘度,密度和表面张力。

被喷射液体介质具有牛顿流动特性吗?

所需微小颗粒的粒度范围是多少?允许的最大微粒颗粒是多大?要避免喷溅、超范围的喷涂吗?

喷射轨迹和喷射角度重要吗?

从流程工艺的角度出发,允许辅助使用压缩空气、惰性气体或者蒸汽吗?

对喷嘴的材料和其他外部设备:泵、MSR等有特殊的要求吗?

是否要把完全雾化状况作为功能性工作参数让机床设备的控制系统识别和采集?

对于上述问题的回答,有些要以实验室的试验、或者计算数据为基础。而这些试验和计算都是IBR雾化技术公司能够为您提供的技术服务内容。        

符号说明:

D     喷嘴直径[m]

m˙   质量流量[kg/s]

v˙   容积流量[m3/s]

v     速度[m/s]

Δp   压力差[Pa]

η    动态粘度[Pa s]

ρ    密度[kg/m3]

σ    表面张力  [N/m]