霧化噴嘴

噴嘴

英文（NOZZLE)

噴嘴是很多種噴淋，噴霧，噴油，噴砂設備里很關鍵的一個部件，甚至是主要部件。

霧化噴嘴是一種能夠將液體霧化噴出，而均勻懸浮於空氣中的一種裝置。其工作原理是通過內部壓力，將內部的液體擠壓進噴嘴中，噴嘴內部放置有一塊鐵片，高速流動的液體撞擊在鐵片上，反彈后形成直徑15-60微米左右的霧化顆粒，並通過噴嘴出口噴出。霧化噴嘴被廣泛的應用於各種噴霧劑產品，比如：殺蟲劑、空氣清香劑、藥劑噴霧等。

噴嘴研究的方法主要有試驗方法和數值方法。

冷態模擬試驗方法是目前最主要的試驗方法，在冷態工況下採用水、空氣等模擬介質進行試驗，應用PDA等光學儀器進行噴霧測量，對噴嘴的流量特性、霧化特性及混合特性進行研究。在熱試條件下的噴嘴特性研究是通過透明窗對噴嘴下游燃燒流場實現可視觀察，通過光學拍攝得到噴嘴霧化過程圖像及燃燒流場中的液滴運動和組份分佈等信息。

隨著CFD技術的發展，對霧化過程進行數值模擬已成為一種重要的新興研究方法。在用數值模擬方法求解噴嘴流動問題時，關鍵問題是建立準確描述液體介質變形過程、液體與氣體作用過程、液體離散化為液滴的過程及液滴在空間運動過程的計算模型。所採用的計算網格和計算模型是否合理也將直接影響計算的結果。

經過眾多學者的多年研究，對噴嘴的工作過程、性能規律和初步的霧化規律已經有所掌握。

研究表明，噴嘴霧化過程主要受4種力的控制，即氣動阻力、黏性力、液體的表面張力和慣性力。這4種力之間的相互作用，使連續的液注發生分裂、破碎。一般認為噴嘴霧化過程分為射流霧化過程與液膜霧化過程。

Rayleigh於1876年對射流破碎機理進行了分析。他採用小擾動方法分析了低速射流破碎所需要的條件，認為只有當對稱的擾動波波長達到與射流直徑可比時才能使得射流破碎。Tyler通過測量射流破碎的頻率，研究了射流破碎與擾動波波長之間的關係，驗證了Rayleigh的理論分析。

Weber發展了更具一般意義的低速黏性射流破碎理論，提出射流破碎存在最佳擾動波波長，並給出了其表達式。通過分析液體霧化過程中各種力的相互作用，他認為氣動力對液體的摩擦作用與液體自身的高速流動慣性是導致液滴破碎的重要原因。當氣動阻力的作用大於表面張力時，液體就會發生霧化現象，液體表面發生液滴剝離。據此他提出了一個無量綱常數——Weber數，並給出了霧化現象發生的臨界Weber數、臨界液體速度等重要指標參數。 

Haenlein則通過試驗驗證了Weber的結論，並將液體射流霧化區分為4類過程：無空氣影響時的液滴形成、有空氣影響時的液滴形成、射流波動引起的液滴生成和射流的完全破碎即霧化。Ohnesorge根據射流受力的重要程度將數據進行整理，引入無量綱數Ohnesorge數將射流破碎過程分為3個階段：

(1)低雷諾數段，此時Rayleigh機理控制破碎過程：

(2)中雷諾數段，射流破碎由射流擾動控制；

(3)高雷諾數段，霧化過程在噴嘴出口很短的距離內完成。

這個分類廣為引用。最近，為了解決Ohnesorge分類圖中存在的不確定狀態問題，Reitz通過分析柴油機噴霧的試驗數據，提出以下4種破碎狀態：Rayleigh形破碎；一次風生破碎；二次風生破碎以及霧化。

Fraser和Eisenklam定義了3種液膜破碎方式：邊緣脫落、表面波動及液膜穿孔。他們認為液膜破碎時首先轉變為液帶，而後繼續破碎為液滴。邊緣脫落所形成的液滴仍然沿著破碎前的方向運動。液膜穿孔方式形成的液滴具有很好的均勻性，而表面波動方式形成的液滴尺寸變化很大。對於發生液膜霧化的噴嘴來說，3種破碎方式可能同時發生。1950年代，Dombrowski和Fraser通過大量試驗深入研究了液膜的破碎過程。他們發現，液帶主要是由於液膜穿孔造成，如果孔由空氣摩擦引起，液帶會非常快地破碎：而孔若由噴嘴中的湍流引起，則液帶破碎得很慢。他們總結認為：高表面張力和高黏性的液膜最難於破碎：液體的密度對液膜破碎幾乎不起作用。York等人對平面液膜的破碎機理進行了理論與試驗研究，得到結論認為，連續相與離散相界面之間的不穩定性和表面波的形成是影響液膜破碎為液滴的主要因素。

可見，上述機理分析離不開試驗的支持。因霧化過程複雜，迄今為止幾乎所有的理論研究結果都是經驗和半經驗的。

霧化特性指噴嘴結構、工作參數、霧化劑及霧化介質的物性等因素對噴嘴霧化性能的影響規律。為了全面評價噴嘴霧化性能，提出了多項指標參數，主要包括：霧化細度、霧化均勻度，以及霧化錐角等。 

霧化細度

霧化后的液滴大小反映了霧化的顆粒細度，是評定霧化質量的重要指標。一般來說，霧滴的顆粒越細，就越易加熱、蒸發和燃燒。但是霧化過細也不好，燃料由噴嘴噴出後會馬上被氣流帶走，在某一區域形成過濃的混合物；而在油滴無法射到的地方，混合物的濃度卻很低。濃度場的這種分佈會縮小燃燒穩定性範圍，降低燃燒效率。由於液滴直徑的大小是不均勻的，最大和最小有時可相差50～100倍，因此只能用液滴平均直徑概念來表示霧化細度。人們提出了多種平均直徑的計算方法，常用的是質量中間直徑（MMD）和索太爾平均直徑（SMD或D32）。

D32相當於液霧內全部液滴的容積與總表面積的比值，它真實反映了液滴群的蒸發條件，因此對評價霧化質量具有重要意義，被廣泛用作燃料噴嘴的重要評價指標。

霧化均勻度

霧化均勻度是指燃料霧化后油滴尺寸的均勻程度。霧化均勻度較差，則大液滴數目較多，這對燃燒是不利的。但過分均勻也是不合理的，因為這會使大部分油液滴集中在某一區域，而使燃燒室容積得不到充分利用，也使燃燒穩定性受到影響。目前，人們常用液滴尺寸的分佈來描述霧化均勻度。 

霧化錐角

從噴嘴噴射出來的燃油噴霧炬是呈中空錐體狀的，它是由許多懸浮於周圍空氣中的，或是在其中運動的細小霧滴組成。一般把噴嘴的出口到噴霧炬外包絡線的兩條切線之間的夾角定義為噴霧錐角。噴霧錐角的大小在很大程度上決定了燃料在燃燒空間的分佈情況，應根據燃燒室尺寸和燃料與空氣的混合條件來選擇噴霧錐角。較大的噴嘴錐角不但可以把燃料充分供應到空氣中，而且能夠從周圍吸入較多的空氣，使其進入到噴霧炬中參加燃料的破碎過程。但是過大的錐角會把燃料噴射到火焰管壁上去，造成積炭和不完全燃燒。當然錐角不宜過小，否則會使燃油液滴不能有效地分佈到整個燃燒室空間，過多的噴射到缺氧的迴流區中，造成與空氣的不良混合，發生析炭，產生排氣冒煙。此外噴霧錐角的大小還影響到火焰外形的長短，如角度較大，火焰則短而粗；反之，則細而長。

噴嘴有兩大類：

一、燃燒器用噴嘴（軍用，民用）

二、非燃燒器類噴嘴

按噴嘴的功能噴嘴大致可分為，噴霧噴嘴，噴油燒嘴，噴砂嘴，及特殊噴嘴。

按材料分類，可分為金屬噴嘴，塑料噴嘴，陶瓷噴嘴，合金噴嘴。

按行業分類，可分為石化噴嘴，農業噴嘴，紡織噴嘴，造紙噴嘴，環保噴嘴，噴塗噴嘴，化工噴嘴，鋼鐵噴嘴，電子版路噴嘴。

按形狀分類，可分為空心錐噴嘴，實心錐噴嘴，方形噴嘴，橢圓形噴嘴，扇形噴嘴，柱流噴嘴，二流體噴嘴，多流體噴嘴等等。

特殊行業噴嘴：噴火嘴，催化裂化噴嘴，德士古噴嘴，造粒噴頭，噴砂嘴等等。

總之噴嘴應用非常之廣，幾乎涉及到各個領域。

霧化噴嘴分類

霧化噴嘴有兩種：

一、精細霧化噴嘴

1、無需使用壓縮空氣，利用液壓即可形成非常微細的霧化噴霧。

2、非常細小的顆粒，形成霧狀噴霧效果。

3、牆上安裝型，可安裝在外牆，容器和管道。

4、多種噴嘴可拆卸，便於清洗安裝。

5、多數噴嘴內置濾網。

二、空氣霧化噴嘴

空氣霧化噴嘴需要一個單一的空氣源來提供霧化空氣。一些型號裝有自動氣缸或清除/斷流針，需要一條額外的空氣通道。所有的型號都需要液流通道。液流通道通過增壓、配備虹吸傳送或重力傳送裝置來輸送液體。無論是精細霧話噴嘴還是空氣霧化噴嘴作用都是一樣的，都是為了產生很細密的霧化效果。

可調空氣霧化噴嘴

可調空氣霧化噴嘴能夠調節液體流量，在不改變空氣壓力和液體壓力的環境下，同樣可以產生合乎要求的噴霧降溫效果，因此具有很強的適應性。噴霧設備也需要用到可調空氣霧化噴嘴。空氣霧化噴嘴是空氣流和液體流互相影響而產生薄霧的裝置，此裝置特殊的內部結構設計能使液體和氣體均勻混合，產生微細液滴尺寸的噴霧加濕或粗液滴噴霧。通常，通過增加氣體壓力或降低液體壓力可得到更加微細的液滴噴霧，從而導致較高的氣體流動率液體流率比。

按霧流形狀分類

根據噴嘴形成的霧流形狀，可將噴嘴分成錐形實心噴嘴和錐形空心噴嘴兩大類。實心噴嘴以降塵為主，空心噴嘴以阻塵為主。

實心噴嘴噴出的錐形實心霧柱的霧流速度較大，被霧粒碰撞的粉塵一般都能降下來。但因為霧流速度大，其周圍引射的空氣很容易將粒徑較小的呼吸性粉塵吹跑，客觀上影響了降塵效果。空心噴嘴噴出的錐形霧幕以阻塵為主，為使霧幕覆蓋的面積加大，一般都有很大的霧幕錐角，噴嘴離塵源也相對較遠。這樣也造成在霧幕直徑大的一端，霧粒速度已降到很小，除不能捕捉塵粒外，還失去了阻塵作用。

從霧體形狀分析，在它的全長區域內，實心噴霧霧體的密度比空心噴霧霧體的密度大，在實心噴霧的有效射程內，一般情況下煤粉塵很難穿過霧幕，所以，實心圓錐形霧體較空心圓錐形霧體效果為佳。 

按霧化方法分類

(1)機械霧化

機械霧化主要是靠液體在壓差作用下產生的高速射流使自身霧化，因此噴嘴可分為直射式噴嘴、離心式噴嘴和旋轉式噴嘴。直射式霧化和離心式霧化可統稱為壓力霧化。

直射式噴嘴主要依靠水的噴射達到霧化的目的，水壓要求比較高，而且噴孔直徑越大霧化越粗，故噴孔直徑不能太大，流量調節範圍比較小。離心式噴嘴是利用高壓水經旋流裝置產生的離心力產生液膜，被空氣破碎而霧化。離心式霧化的效果優於直射式霧化，但是它同樣需要較高的供水壓力，因此應用條件有所限制。

旋轉式噴嘴大體上分為旋轉體型和旋轉噴口型兩大類。旋轉體型又分為轉杯式和旋盤式。轉杯式霧化是將水噴入圓錐形轉杯的前端，藉助高速旋轉的轉杯將水展成薄膜，由“離心力噴霧”和“速度噴霧”的綜合作用而霧化液體。同理，旋盤式霧化是依靠高速旋轉的圓盤來霧化液體。

(2)介質霧化

根據霧化方式的不同又分為氣動霧化和氣泡霧化，氣動霧化噴嘴應用廣泛。氣動霧化噴嘴依靠一定壓力的氣體(壓縮空氣或蒸汽)形成高速氣流，使空氣與水之間形成很高的相對速度以達到霧化的目的。其優點是可以在較低的水壓下獲得良好的霧化效果，並且工作狀況可以在較大的範圍內調節。但動力源不單一，系統構成複雜。

特殊噴嘴一般採用超聲波、電磁場、靜電作用等原理進行霧化。這類噴嘴雖然在其他一些工業應用中效果良好，但因煤礦井下環境惡劣所致，應用較少。

壓力型噴嘴

採用壓力型霧化噴嘴(直射式和離心式)實施噴霧降塵時，針對確定的使用場合，降塵效率主要取決於供水壓力，不同粒徑的粉塵需要的水壓力不同，越細微的粉塵需要的壓力越高。供水壓力高，不僅可以獲得顆粒細微的水霧，還使水霧顆粒運動速度大、空間含水量大，這對於以碰撞機理為主的降塵方法極其有利。依據實際粉塵顆粒的分散度和降塵效率要求，參照相應的曲線圖來選擇合適的水壓可以達到好的效果和最佳的經濟效益。該結論適用於任何採用壓力型霧化噴嘴噴霧沉降煤礦粉塵的工作場所。 

兩相型噴嘴

對於兩相型噴嘴，其霧化能力受以下因素的影響：

(1)混和管直徑及長度的影響

混和管內徑變小，能增加氣液兩相的相對速度，有利於霧化，但這又會影響霧化粒子的重新聚和。因為混和管太長，氣體能量損耗也多，所以會使液流霧化變差；如果混和管太短，氣體能量就不能得到充分利用，造成液流霧化不充分。

(2)噴頭的影響

因為縮小噴頭出口面積會提高出口壓降，所以導致氣液兩相混和物的加速作用明顯增強，而氣液兩相間的相對速度增大，也促使液相破碎得更細。但是，出口壓降的增大必然會增加混和管內的壓強，從而導致混和管內氣液兩相的相對速度減小，這又會使霧化變差。

(3)氣液比與霧化粒徑的關係

隨著氣液比的增大，霧化粒徑呈減小的趨勢。因此，增加氣液比可增加氣液兩相的相對速度，使液膜破碎得更細。但是，氣液比增大到一定程度后，粒徑的變化反而不明顯。

(4)液滴濃度隨氣液比的變化

隨著氣液比的增大，水的顆粒濃度呈減小趨勢，這是因為水在空氣中的質量分數的減小造成的。 

根據霧化機理和實驗研究，並結合煤礦現場使用經驗，改善噴嘴霧化的途徑主要有以下幾個方面

(1)增加氣液兩相的相對速度差以增大氣動力，使液滴在較大氣動力的作用下，破碎得更細。

(2)提高液相噴嘴的出口速度以增強對撞，使相對噴出的液滴在對撞時能夠進一步破碎。實驗發現，若液滴出口速度小，則會聚成大液滴，若液滴出口速度大，可改善霧化的程度。但是，這樣會使氣液的相對速度減小，使氣動力霧化液滴變差。

(3)實驗結果表明，噴頭、混合管的幾何形狀和尺寸對霧化性能的影響很大。因此，在設計模型時，除分別考慮它們對霧化的影響外，還應考慮它們結合在一起后的整體性能的變化。

(4)研究噴霧供水系統流量、壓力和噴嘴幾何尺寸、結構形狀的關係，提高霧化效果。特別是供水系統的水壓對霧化效果影響較大，水壓越高，水霧顆粒越細。但較高的水壓帶來的問題是：①能耗大；②供水系統中所有零部件承受壓力大，易出故障、壽命短，尤其是採掘設備上的內噴霧系統。這就為我們提出了又一個研究課題：如何在有限的供水壓力下，改進壓力型霧化噴嘴結構以獲得細微的水霧顆粒。 

通過分析噴嘴的分類及其特性，指出各類噴嘴的適用範圍，並在分析影響噴嘴霧化能力因素的基礎上，提出改善噴嘴霧化效果的途徑。為了提高噴嘴的霧化效果，必須使噴嘴和供水系統的特性相匹配，同時改善水質，提高噴霧水的過濾精度。 

噴嘴研究的主要困難

噴嘴研究的困境主要在於噴嘴霧化過程的支配規律尚不清楚。由於涉及到連續相液體轉變為大量離散相微小液滴的過程，描述霧化過程的物理模型難於建立。另外，因為尺寸一般較小，噴嘴內部的液體介質流動過程複雜，其對噴嘴的工作性能有著不可忽視的影響。再者，真實的噴嘴霧化過程往往發生在燃燒流場中，這對試驗測量帶來了很大困難，至今還不了解真實燃燒條件下噴嘴的霧化特性。