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氧乙醇燃烧过程中乙醇雾化机理与方法的研究
1绪论
1.1 乙醇燃料的发展趋势以及氧乙醇火焰切割的现状
随着世界经济的发展, 各国对能源的依赖性越来越强, 寻找和生产具有可持续性发展的绿色能源, 逐步摆到了重要位置。在对各种替代燃料进行科学分析和性价对比后, 燃料乙醇作为新型能源, 以其优越的性能, 成为燃料替代的首选。
当前,中国工业发展迅速, 金属气割加工的需求量越来越大, 因此开发推广安全环保、 高效节能、 切割质量高、 操作方便、 燃料来源广及供应方便的气割方法是一项重要的课题。当前, 应用在低碳钢及低合金结构钢的热切割方法主要是氧乙炔火焰切割, 其工艺缺点是乙炔气造价高, 在生产和使用过程中消耗能源多, 对环境污染较大, 且储存、 运输及使用时安全性差等。为此, 人们开发了很多的代用液体燃料切割技术, 其中比较典型的有氧汽油、 氧乙醇切割技术。可是, 这两种技术都有自身的局限性, 氧汽油切割技术具有优良切割质量且节能环保, 可是汽油的使用将增加石油资源的消耗, 存在能源危机问题。氧乙醇火焰因为乙醇燃料的可再生性备受当前能源界的推崇, 但其火焰温度较低, 延长起始预热金属的时间, 造成切割效率的下降。从节能高效的角度出发, 利用乙醇可再生性和汽油的高热值进行相互补充而开发适合金属热切割过程的混合燃料是具有广阔前景的工作。随着醇类燃料的广泛应用, 火焰切割用燃料用醇类燃料必将替代以往的石油系燃料。
金属切割的需求量伴随着世界各国工业化程度的提高越来越大, 对环保、 高效节能、 切割质量高、 利用可再生燃料的火焰切割技术的研究越来越受到研究人员的高度重视, 许多国家不惜重金进行新型火焰切割技术的研究与开发工作。因此, 新型燃料用于火焰切割的研究一直成为火焰切割新技术的热点研究领域。长期以来, 金属的气焊和气割主要采用乙炔作为燃料, 由于乙炔在使用过程中易燃、 易爆, 容易回火, 极易发生安全事故; 乙炔在制造过程中, 所用的电石生产成本高、 能耗大、 污染环境; 而且采用氧乙炔火焰切割时, 切割质量差, 钢材切口不光滑、 挂渣多、 难清除, 切口上缘塌边, 因此用其它燃气替代乙炔气早已形成共识。中国自改革开放以来, 特别是20世纪90年代以来, 政府有关部门采取了诸
多措施消除乙炔造成的污染。l995年, 机械工业主管部门发布不再审核新建、 改扩建电石厂、 乙炔气厂的决定, 同时大力推广使用新型工业燃气。1992年, 国家科委发文推广氧液化石油气火焰切割技术, 1996年9月国家经委、 国家计委、 国家科委等联合将氧丙烷火焰切割技术列为”九五”期间国家重点推广项目, 后来又出现了以丙烷、 丙烯为基, 加入各种添加剂的工业燃气。历经l0余年的努力, 中国新型工业燃气的推广工作取得了重要进展, 但由于燃气供应等问题, 当前新型工业燃的使用面仍不是很大, 氧乙炔火焰切割的使用比率仍在85％左右。从20世纪70年代起, 世界一些发达国家就开始以烷烃烯烃类新型工业燃气替代乙炔气, 80年代中期, 美国、 英国、 日本等发达国家新型工业燃气的使用率已达50％～70％。90年代美国则达到了85％, 相比之下, 中国新型工业燃气的应用落后了美国将近20年[3]。随后, 发达国家都相继开展了对数控切割的技术、 工艺、 相关配套软件和设备的深入开发研究工作, 经过40多年的不懈努力, 得益于计算机产业不断进步的相助, 已向市场推出了各种类型、 功能齐全的系列化数控切割产品。
近20年来国内外有关研究机构及企业相继投入大量资金, 开发研究成本低、 安全、 减少环境污染的新型燃气, 当前国内已自主开发及引进了多种新型工业燃气代替乙炔用于工业火焰加工。生产新型工业燃气的企业近干家, 应用量及推广面较大的几种新型工业燃气为: 丙烷气(C3H8)、 丙烯气(C3H6)、 金火焰工业燃气、 霞普气(SHARP)、 氟菜玛克斯气(FLAMEX)和特利气等, 约占国内新型工业燃气市场的90％。同时与新型工业燃气相配套焊割炬的生产企业也陆续建成投产, 各种焊割炬机具品种齐全, 手工割炬切割厚度可达350mm, 机用割炬切割厚度可达1800mm。因用新型工业燃气切割加工生产成本较乙炔气低大约1/3, 且具有环保无污染、 回火率低、 安全性能好和易掌握等众多优点, 受到了国家各有关管理机构的高度重视。为此, 很多研究部门正在积极研究开发代替型能源, 可再生能源和环保能源。燃料乙醇是用无水乙醇作为燃料, 是一种可再生的生物质能。早在1973年石油危机爆发时, 巴西政府就下决心用乙醇作为替代燃料。1979年初, 当时的美国宣布, 使用和推广添加10％乙醇的汽油, 推行这一政策大大有利于销售商和消费者, 同时节省了国家的石油资源。美国于1992年开始鼓励使用乙醇作新配方汽油的充氧剂, 从而极大地促进了美国燃料乙醇的生产至 , 法国5％燃料可能来自再生能源。在中国, 随着经济的迅速发展, 汽车的保有量高速增大, 这使得国内对汽车能源的需求与日俱增, 大力发展乙醇燃料已纳入规划, 生产燃料乙醇已列为国家”十五”示范工程重大项目。从使用情况和技术成熟角度看, 乙醇是一种比较理想的生物液体燃料, 是当前典型的可再生能源。随着中国工业的发展, 金属气割加工的需求量越来越大, 因此开发推广安全环保、 高效节能、 切割质量高、 操作方便、 燃料来源广及供应方便的气割方法是一项重要的课题。当前, 应用在低碳钢及低合金结构钢的热切割方法主要是氧乙炔火焰切割, 其工艺缺点是乙炔气造价高, 在生产和使用过程中消耗能源多, 对环境污染较大, 且储存、 运输及使用时安全性差等。为此, 人们开发了很多的代用液体燃料切割技术, 其中比较典型的有氧汽油、 氧乙醇切割技术。可是, 这两种技术都有自身的局限性, 氧汽油切割技术具有优良切割质量且节能环保, 可是汽油的使用将增加石油资源的消耗, 存在能源危机问题。氧乙醇火焰因为乙醇燃料的可再生性备受当前能源界的推崇, 但其火焰温度较低, 延长起始预热金属的时间, 造成切割效率的下降。从节能高效的角度出发, 利用乙醇可再生性和汽油的高热值进行相互补充而开发适合金属热切割过程的混合燃料是具有广阔前景的工作。随着醇类燃料的广泛应用, 火焰切割用燃料用醇类燃料必将替代以往的石油系燃料。
1.2氧乙醇燃烧过程中液体燃料的雾化方式
氧乙醇燃烧过程中, 使燃料完全燃烧以提高火焰温度的最主要方式就是乙醇燃料的充分雾化, 当前已知的雾化方式有: 压力雾化、 喷溅雾化、 超声波雾化、 溶气雾化等。
﹙1﹚压力雾化
雾化是将液体或液—固悬浊体分散成数微米至数十微米细小滴粒的作业,它能够提供巨大的相间接触面积,是一种重要的单元操作。在工业、 农业、 民用消费及化工等领域有广泛的应用。压力雾化是利用压力使液体高速经过喷嘴, 将液体静压能转变为动能经喷嘴高速喷出并形成雾滴, 从而达到液体的雾化。单纯依靠压力经过小孔喷射仍不能达到雾化要求,常见的压力雾化器(又称力喷嘴) 一般采用液体加压与旋转运动相结合, 使高速喷出的液体形成锥形薄片, 液膜伸长变薄最后碎裂成为雾滴。在各种雾化方法中,压力喷嘴以其结构简单、 雾化性能好、 能耗低、 操作简便等优势, 应用十分广泛。
﹙2﹚喷溅雾化
这是一种燃料在高速喷出后碰撞后破碎的雾化方式, 碰撞的界面能够是改变方向的管道壁面, 像瀑布流下后水碰到石头溅起的水雾。由于燃烧室空间的限制, 特别是对于中小型柴油机, 燃料喷出后与室壁发生碰撞是常见现象, 碰撞后, 随即液体燃料产生喷溅, 发生破碎。破碎的液滴再次与周围的液滴发生二次碰撞, 进一步碎化, 使液体燃料在喷溅的强烈作用力下达到雾化的目的。
﹙3﹚超声波雾化
超声波雾化也称为超声振荡雾化, 是利用超声波的作用来加强液体分解和雾化的试验研究工作早在20世纪30年代就已经开始了。超声波雾化原理是: 利用压电陶瓷所固有超声波振荡特点, 经过一定的振荡电路手段与压电陶瓷固有振荡频率产生共振, 就能直接将与压电陶瓷接触的液体雾化成1--3μm的微小颗粒。其原理是, 电路超声波振荡, 传输到压电陶瓷振子表面, 压电陶瓷振子会产生轴向机械共振变化, 这种机械共振变化再传输到与其接触的液体, 使液体表面产生隆起, 并在隆起的周围发生空化作用, 由这种空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断重复, 使液体表面产生有限振幅的表面张力波。这种张力波的波头飞散, 使液体雾化, 同时产生大量的负离子。超声波雾化也是液体燃料雾化的主要方式。
﹙4﹚溶气雾化
液体燃料柴油、 汽油、 航空油、 重油等广泛地被用于内燃机、 燃气轮机、 锅炉、 冶金炉及其它燃烧装置中, 高效、 合理、 低污染地使用燃油是能源研究中的一个重要课题。理论和实践表明, 为了获得高强度、 高效率、 低污染的燃烧效果。首先必须将液体燃料粉碎成细小细粒, 取得良好的雾化质量。其次必须提高燃料、 气体混合质量。这两者的优劣对燃料的燃烧过程起着决定性的作用, 基于大量的试验研究,提出一种燃料雾化新概念—— 溶气雾化。它完全不同于当前在一般燃烧装置上广泛采用的压力雾化方法和介质雾化方法等。燃料溶气雾化的原理是事先在燃料中溶入气体, 喷射时利用喷孔的负压效应, 使燃料中溶解的气体过饱和, 在喷孔内急剧析出, 产生气爆雾化。溶气析出产生的气态膨胀力克服燃料的内聚力和表面张力, 将燃料粉碎成细小微粒, 形成抛物形状喷注。
总之,在利用氧乙醇火焰进行切割、 下料操作时,液体燃料(乙醇)的充分雾化是使其充分燃烧和提高火焰温度的重要措施。液体燃料的充分雾化也是当今工程领域研究的重要课题。

2 氧乙醇火焰燃烧过程
2.1乙醇概述
乙醇作为燃料早在20世纪初就出现了。后来随着价廉物美的石化系燃油大量生产, 使汽油和柴油成了发动机的主要燃料, 从而抑制了乙醇燃料的发展。直到20世纪7O年代初全球性”石油危机”的爆发和不断严格的汽车排放法规才使得燃料乙醇的研究应用迅速发展。
2.1.1乙醇的分子结构及性质
1．乙醇的分子结构
乙醇分子是由乙基和羟基两部分组成, 能够看成是乙烷分子中的一个氢原子被羟基取代的产物, 也能够看成是水分子中的一个氢原子被乙基取代的产物。乙醇分子中的碳氧键和氢氧键比较容易断裂, 其相对分子量为46.07。
2．乙醇的物理、 化学性质
﹙1﹚物理性质
乙醇俗称酒精, 化学分子式为CH3CH2OH,是一种无色透明且具有特殊芳香味和强烈刺激性的液体。它以玉米、 小麦、 薯类、 糖蜜等为原料, 经发酵、 蒸馏而制成, 乙醇沸点和燃点较低, 属于易挥发和易燃液体, 除大量应用于化工、 医疗、 制酒业外, 还能作为能源工业的基础原料-燃料。所谓变形燃料乙醇就是将乙醇进一步脱水再加上适量汽油后形成的。燃料乙醇具有和矿物质燃料相似的燃烧特性, 但其生产原料为生物源, 是一种可再生的能源。另外, 乙醇燃烧过程所排放的一氧化碳和含硫气体均低于汽油燃烧, 所产生的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳的数量上基本持平, 能够减少污染抑制”温室效应”, 它也因此被称为”清洁型燃料”。乙醇的物理性质主要与其低碳直链醇的性质有关。分子中的羟基能够形成氢键, 因此乙醇黏度很大, 也不及相近相对分子质量的有机化合物极性大。室温下, 乙醇是无色易燃, 且有特殊香味的挥发性液体。λ=589.3nm和18.35°C下, 乙醇的折射率为1.36242, 比水稍高。作为溶剂, 乙醇易挥发, 且能够与水、 乙酸、 丙酮、 苯、 四氯化碳、 氯仿、 乙醚、 乙二醇、 甘油、 硝基甲烷、 吡啶和甲苯等溶剂混溶。另外, 低碳的脂肪族烃类如戊烷和己烷, 氯代脂肪烃如1,1,1-三氯乙烷和四氯乙烯也可与乙醇混溶。随着碳数的增长, 高碳醇在水中的溶解度明显下降。由于存在氢键, 乙醇具有潮解性, 能够很快从空气中吸收水分。羟基的极性也使得很多离子化合物可溶于乙醇中, 如氢氧化钠、 氢氧化钾、 氯化镁、 氯化钙、 氯化铵、 溴化铵和溴化钠等。氯化钠和氯化钾则微溶于乙醇。另外, 其非极性的烃基使得乙醇也可溶解一些非极性的物质, 例如大多数香精油和很多增味剂、 增色剂和医药试剂。
﹙2﹚化学性质
a.酸性:
乙醇分子中含有极化的氧氢键, 电离时生成烷氧基负离子和质子。CH3CH2OH→( 可逆) CH3CH2O- + H+乙醇的pKa=15.9, 与水相近。乙醇的酸性很弱, 可是电离平衡的存在足以使它与重水之间的同位素交换迅速进行。CH3CH2OH+D2O→( 可逆) CH3CH2OD+HOD因为乙醇能够电离出极少量的氢离子, 因此其只能与少量金属( 主要是碱金属) 反应生成对应的醇金属以及氢气: 2CH3CH2OH + 2Na→2CH3CH2ONa + H2醇金属遇水则迅速水解生成醇和碱。
　( 1) 乙醇能够与金属钠反应, 产生氢气, 但不如水与金属钠反应剧烈。
( 2) 活泼金属( 钾、 钙、 钠、 镁、 铝) 能够将乙醇羟基里的氢取代出来。
b.燃烧:
乙醇能够与空气中氧气发生剧烈的氧化反应产生燃烧现象, 生成水和二氧化碳。 CH3CH2OH+3O2 → 2CO2+3H2O
乙醇也可被浓硫酸跟高锰酸钾的混合物发生非常激烈的氧化反应,燃烧起来。
2.1.2乙醇的用途
乙醇的用途很广, 主要有:
(1)溶剂, 用于消毒剂、 洗涤剂、 工业溶剂、 稀释剂、 涂料溶剂等几大方面, 其中用量最大的是消毒剂, 浓度为70%～75%的乙醇溶液的杀菌能力最强;
(2)基本有机化工原料, 乙醇可用来制取乙醛、 乙醚、 乙酸乙酯、 乙胺等化工原料, 也是制取医药、 染料、 涂料、 洗涤剂等产品的原料;
(3)汽车燃料, 乙醇能够调入汽油, 作为车用燃料, 美国销售乙醇汽油已有20年历史。
2.2氧乙醇火焰燃烧过程
乙醇分子是由乙基和羟基两部分组成, 能够看成是乙烷分子中的一个氢原子被羟基取代的产物, 也能够看成是水分子中的一个氢原子被乙基取代的产物。乙醇分子中的碳氧键和氢氧键比较容易断裂。
氧乙醇火焰燃烧的过程是( 键断裂时的化学)能转化为( 热能)能的过程, 其化学反应方程式为:
CH3CH2OH+2O2=2CO+3H2O 不完全燃烧
CH3CH2OH+3O2=2CO2+3H2O 完全燃烧
2.3氧-乙醇火焰燃烧性能分析
1.火焰燃烧过程分析

1.1焰心分解

1.2内焰燃烧过程

1.3外焰燃烧过程

氧气消耗分析: 内焰消耗1分氧气, 其中0.5份来自自身分解, 其余0.5份来自纯氧。外焰消耗2.5分氧气, 这些氧既可完全由空气提供, 也可由纯氧和空气共同提供, 这时, 内焰将有自由氧的存在而呈现氧化性。如果外焰完全由空气提供, 内焰将呈还原性, 可是火焰外焰很长, 温度较低。分析如下:
a.内焰呈还原性时, 内焰无自由氧的情况下, 外焰中参加反应的空气量为:

其中氮气:
11.89-2.5=9.39
外焰区域总共有生成气体数为:
9.39+5=14.39
同乙炔火焰的外焰区域生成物气体数8.64相比多66.6%
此时的火焰温度计算:

尝试解的
b.最大供应氧气下, 即外焰燃烧需要的氧气完全由纯氧供应时:
尝试法解的
c.氧气由纯氧和空气的氧共同供应时:
外焰中参加反应的氧气中1份由空气提供, 其余由纯氧供应, 此时消耗的空气量为:

其中氮气:
4.76-1.0=3.76
外焰区域总共有生成气体数为:
3.76+5=8.76
同乙炔火焰的外焰区域生成物气体数8.64相差不多。
尝试算后的T=2926K
3 液体燃料的燃烧过程
3.1液体燃料燃烧的特点
1.扩散燃烧
指混合扩散因素起着控制作用的燃烧。扩散燃烧的主要特点: (1)燃料与空气分别送入燃烧室, 边混合、 边燃烧; (2)燃料与空气中的氧进行化学反应所需时间与经过混合扩散形成可燃混合气所需时间相比少到能够忽略不计的程度; (3)燃烧时产生的火焰较长, 且多呈红黄色。此时, 燃料燃烧所需的时间主要取决于与混合扩散有关的因素, 包括气流速度、 流动状况(层流或湍流)、 气流流经的物体形状和大小等。炭粒、 油滴或液体燃料自由液面的燃烧均属于扩散燃烧的范畴。
2.非均相燃烧
　　 化工生产中, 绝大多数反应都属非均相反应, 即反应系统包括两个或两个以上的相, 如催化裂化, 煤的气化、 焦化和加氢液化, 矿物的焙烧, 烃类的蒸汽转化, 甲醇的合成, 氨的合成, 二氧化硫的催化氧化, 芳烃的催化氧化, 羰基合成, 烃类液相氯化, 芳烃烷基化, 水吸收氮氧化物制取硝酸等均属于非均相反应。
3.2液体燃料燃烧过程
使液体燃料在特定的环境中完成燃烧化学反应的过程。一般液体燃料的着火温度比沸点高, 进行燃烧化学反应的活化能也远高于燃料蒸发气化所需的气化潜热, 因此液体燃料不可能在液态时直接进行燃烧, 而需要先蒸发气化为燃料蒸气, 然后进行燃烧, 其实质就是带气化过程的气相扩散燃烧。使液体燃料加快蒸发气化的常见方法有: (1)使燃料经过喷油嘴雾化为由大量小油滴形成的油雾, 以增加油滴总的蒸发表面, 在柴油机或燃气轮机中均有使用; (2)将燃料喷入特制的蒸发管, 使燃料在管内接受燃气的加热而气化, 仅适用于航空燃气轮机的燃烧室。
液体燃料的燃烧过程是: (1)雾化; (2)蒸发; (3) 掺混; (4)燃烧。

4 评价液体燃料燃烧的方法与参数
4.1 液体燃料与燃烧
1.燃料与液体燃料
﹙1﹚燃料 燃料是指在燃烧过程中能放出大量热墨的物质。工程上讲的燃料是加热到一定温度后 ,能与氧发生强烈反应 ,并放出大量热量的碳化物或碳氢化合物。
燃料按形态可分为固体燃料、 液体燃料和气体燃料三种; 按获得方法可分为天然燃料和人工燃料两种。
人工燃料是经过一定处理过程所获得的燃料。各种形态的燃料, 都有相应的天然燃料和人工燃料。
﹙2﹚液体燃料 液体燃料以重油为主, 也称燃料油, 其次是醇类燃料,如甲醇和乙醇。重油中碳和氢含量较高, 发热量高, 一般约 40700KJ/kg, 内部杂质很少, 不超过千分之几。在正常燃烧时, 燃料油的燃烧产物只是气体, 而没有灰渣。燃料油含氢量较高, 燃烧后产生大量水蒸气, 水蒸气容易和燃料中硫的燃烧产物生成硫酸, 对金属造成腐蚀 , 因此燃料油中的硫很有害。除此之外, 植物油也是液体燃料的一种。
2.液体燃料的燃烧
当液体燃料滴经过加热后, 在其表面先蒸发产生蒸气, 蒸气向四周扩散 , 和周围的空气混合, 进一步被加热着火燃烧。因为燃烧速度快, 蒸发速度慢, 液体燃料的燃烧快慢取决于其蒸发速度。
4.2 液体燃料燃烧的方法与参数
液体燃料燃烧是使液体燃料在特定的环境中完成燃烧化学反应的过程。一般液体燃料的着火温度比沸点高, 进行燃烧化学反应的活化能也远高于燃料蒸发气化所需的气化潜热, 因此液体燃料不可能在液态时直接进行燃烧, 而需要先蒸发气化为燃料蒸气, 然后进行燃烧, 其实质就是带气化过程的气相扩散燃烧。
4.2.1 概述 液体燃料的燃烧过程和燃烧方法
液体燃料的燃烧就是液体的雾化燃烧过程。
1.液体雾化燃烧过程:
液体雾化为细小的颗粒→然后与氧接触→着火燃烧
2.液体雾化燃烧的特点:
①液体的雾化燃烧过程是一个复杂的物理化学过程;
②重油在炉内的燃烧是以油雾矩的形式燃烧,故各个油粒在同一时间并不经受同一阶段;
③燃烧过程的各个阶段之间是相互联系,相互制约的;
④油雾燃烧包括油蒸汽的同相燃烧,和液粒、 焦粒、 烟粒的异相燃烧。
3.油雾与空气流的混合:
①加大空气速度;
②使空气与油雾成交角相遇;
③使空气成旋转气流与油雾相遇;
④使空气两次与油雾相遇;
⑤油雾化很细。
液滴与燃烧室壁或其它物体碰撞:热表面→蒸发, 与空气混合燃烧形成点火源; 冷表面(或缺氧介质)→结焦。
4.稳定和强化液体燃料燃烧的基本途径:
①改进雾化质量;
②供给适量的空气,强化空气与液体雾化后的混合;
③保证点火区域和燃烧室的高温。
4.2.2液体燃料的雾化
1.雾化原理及方法
(1)雾化过程的几个阶段:
①液体由喷嘴流出时形成薄幕或流股;
②液体表面弯曲波动;
③产生流体薄膜;
④薄膜分裂成颗粒,小液滴;
⑤颗粒的聚合。
(2)雾化方法的分类和特点:
根据雾化过程所消耗的能量来源,可将雾化方法分为两类:
①靠附加介质的能量使油雾化
据雾化剂压力不同又分为:a.高压雾化:雾化剂压力在100kPa以上; b.中压雾化:雾化剂压力在10-100kPa; c.低压雾化:雾化剂压力在3-10kPa。
②油压式(或机械式)雾化
(3)雾化的特点:
①用气体介质做雾化剂时,雾化剂以较大的速度和质量喷出,当和液体燃料流股相遇时,对液体表面产生冲击和摩擦,液体表面受到外力,外力大于液体的内力→液体微粒破碎雾化。
②液压式雾化:液体燃料以高压由小孔喷出,产生强烈的脉动能,使它产生很大的径向分力和波浪式运动,周围介质对它的附加外力→液体燃料流股的连续性遭到破坏,分散成细颗粒。
2.液体燃料雾化炬的特点—衡量雾化质量的参数
(1)液体微粒的直径
雾化后的液体微粒直径不均匀,能够用三个参数来说明液体微粒直径的大小:油粒直径分布,平均直径和最大直径。
液体微粒的直径分布说明不同大小的颗粒在总颗粒中占的百分数。
(2)平均直径的计算方法—索太尔平均值法
雾化颗粒的平均直径是雾化质量的一个重要指标, 因此, 对雾化的研究, 大量工作是研究平均直径与各因素之间的关系, 以探讨改进雾化质量的途径和方法。
设在特定的液滴群中的滴数为a,且所有液滴的直径等于R,液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总体积与总面积之比。
(3)雾化角—燃料雾化炬的张角
①雾化角的定义:雾化角即油雾炬的张角。雾化角大, 则可形成张角较大的、 短而粗的火焰; 反之, 则可形成细而长的火焰。各种喷嘴所形成的油雾炬的形状不同, 并与工况参数有关。一般的油雾炬, 都不会是一个正锥形, 因此, 雾化角的数值便是有规定条件的。一般以喷口为中心,以100mm长为半径作弧与燃料雾化炬边界(边界的位置也是近似的)相交,然后将交点与喷口中心相连所得夹角, 即定为雾化角。
②雾化角的计算
根据流体力学的原理, 雾化角的大小取决于流股断面上质点的切向分速t与轴向分速a之比。因此, 凡是有助于提高切向分速度的因素, 都会使雾化角增加; 凡是提高轴向分速度的因素都会使雾化角减小。
(4)液体燃料微粒流量密度及其分布
液体燃料微粒流量密度的定义:
指单位时间内在液体微粒运动的法线方向上,单位面积上所经过的液体微粒的流量。流量密度与喷嘴结构及工况参数有关, 由实验测得。
(5)液体燃料雾化射程
①定义:在水平喷射时,液体微粒降落前在轴线方向移动的距离。
②特点:油雾中油粒直径是不均匀的, 它们移动的距离是不相同的, 甚至有极小的颗粒会悬浮于气流之中而不降落。因此所谓油雾射程的数值是非常粗略的; 油雾射程的远近取决于流体动力因素, 一般来说, 轴向速度越大, 油雾射程就越远。切向分速度越大, 射程就越近。射程在一定程度上能够反映火焰长度, 射程比较远的喷嘴常常形成长的火焰。可是射程与火焰长度是两个不同的概念, 二者并不等同。
3.雾化颗粒的平均直径
雾化颗粒的平均直径是雾化质量的一个重要指标, 因此, 对雾化的研究, 大量工作是研究平均直径与各因素之间的关系, 以探讨改进雾化质量的途径和方法。
(1)影响颗粒平均直径的因素
根据雾化理论的研究, 影响颗粒平均直径的因素有喷嘴结构参数、 油的性质参数及工况参数。影响颗粒平均直径的因素很多, 大多数实验研究都是在一定条件下, 即固定某些参数, 而找出颗粒平均直径与另一些参数之间的关系。因此, 经过以上分析, 可将影响雾化颗粒直径的因素概括如下:
影响雾化质量的作用力
①内力: 包括粘度和表面张力;
②外力: 包括雾化剂流出速度、 雾化剂单位耗量、 油的流出速度、 雾化剂与油流股的接触表面以及油流股的交角等。
(2)各因素对颗粒平均直径的影响的基本规律
①油温的影响;
改变油温→油的粘度和表面张力;
主要靠降低油的粒度改进雾化质量。
②雾化剂压力和流量的影响;
a.当雾化剂相对速度越大,雾化后的颗粒平均直径越小,高压油烧嘴比低压好;
b.雾化剂单位耗散的影响。
③油压的影响;
④油烧嘴结构的影响。
4.2.3液体燃料喷嘴
1.燃油烧嘴的基本要求:
①一定的燃烧能力;
②在一定的调节范围内保证雾化质量;
③能造成一定的空气与燃料雾混合良好条件,调节倍数;
④燃烧稳定,火焰的形状和火焰长度稳定;
⑤喷嘴便于调节,能实现自动调节。
2.燃料油喷嘴的分类及结构:
燃料油喷嘴的种类很多,主要讲按雾化剂方法分类:
( 1) 气体介质雾化油喷嘴:靠气体介质的动量将油雾化;
( 2) 油压式喷嘴:油高压下流出而得到雾化;
( 3) 转杯式油喷嘴:油经过高速旋转的转杯,成薄膜状喷出,然后又被空气雾化;
( 4) 气体介质雾化油喷嘴。
a.低压燃料油喷嘴:
(1)性能:嘴前风压为5-10kPa,高的可达12 kPa,雾化剂与燃料相遇时的速度为
50～100m/s,n=1.0-1.15,喷嘴能力150-200kg/h。
(2)结构:包括四部分:空气导管,油导管,烧嘴喷头和调节机构。
b.高压燃料油喷嘴:
①性能:雾化剂一般压缩空气或蒸汽,喷嘴前的空气压力300-700kPa,雾化剂用量一般为0.2～0.6kg/kg,n=1.2～1.25;
②结构简单,体积小;
③种类:涡流式高压燃料油喷嘴;
内混式高压燃料油喷嘴, 油压式(机械式)燃料油喷嘴:
特点:
①靠燃料油在本身压力能的作用下,由喷嘴喷出而雾化,不需要雾化剂,全部空气由鼓风机另行供给;
②燃料油的喷出速度高,油压要求高1500-2500Pa;
③离心式喷嘴的火焰较短,但张角较大,一般80-120°。
3.燃料油喷嘴的计算
(1)已知条件:
①每个喷嘴的燃烧能力;
②油压、 油温、 燃料油的密度;
③雾化剂的种类、 温度、 压力和密度。
(2)主要计算的尺寸:
①燃料油导管的直径Dy;
②雾化剂导管的直径Dw;
③喷口断面积Ay和直径dy;
④雾化剂喷口的断面积Aw或直径dw。

5 超声波雾化
5.1超声波概述
1.超声波简介
由生活经验能够知道, 当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率, 它的单位是赫兹。人类耳朵能听到的声波频率为20～ 0赫兹。当声波的振动频率大于 0赫兹或小于20赫兹时, 便听不见了。因此, 把频率高于 0赫兹的声波称为”超声波”。一般见于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫兹。超声波具有方向性好, 穿透能力强, 易于获得较集中的声能, 在水中传播距离远等特点。可用于测距, 测速, 清洗, 焊接, 碎石等。在医学,军事,工业,农业上有很多的应用。
理论研究表明, 在振幅相同的条件下, 一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时, 介质质点振动的频率很高,因而能量很大。在中国北方干燥的冬季, 如果把超声波通入水罐中, 剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴, 再用小风扇把雾滴吹入室内, 就能够增加室内空气湿度。这就是超声波加湿器的原理。
2.超声波的产生
声波是物体机械振动状态( 或能量) 的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如, 鼓面经敲击后, 它就上下振动, 这种振动状态经过空气媒质向四面八方传播, 这便是声波。超声波是指振动频率大于 0Hz以上的,其每秒的振动次数( 频率) 甚高, 超出了人耳听觉的上限( 0Hz) , 人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的, 它们的共同点都是一种机械振动, 一般以纵波的方式在弹性介质内会传播, 是一种能量的传播形式, 其不同点是超声频率高, 波长短, 在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性, 当前腹部超声成象所用的频率范围在 2~5兆Hz之间, 常见为3~3.5兆Hz( 每秒振动1次为1Hz, 1兆Hz=10.6Hz,即每秒振动100万次, 可闻波的频率在16－ 0Hz之间) 。
3.超声波的特点
(一)超声波在传播时, 方向性强, 能量易于集中。
(二)超声波能在各种不同媒质中传播, 且可传播足够远的距离。
(三)超声与传声媒质的相互作用适中, 易于携带有关传声媒质状态的信息( 诊断或对传声媒质产生效应。( 治疗)
超声波是一种波动形式, 它能够作为探测与负载信息的载体或媒介( 如B超等用作诊断) ; 超声波同时又是一种能量形式, 当其强度超过一定值时, 就能够经过与传播超声波的媒质的相互作用, 去影响, 改变以致破坏后者的状态, 性质及结构( 用作治疗) 。
5.2 液体超声波雾化原理及雾化喷嘴设计
1,超声波雾化设计原理分析
有关研究认为, 超声波雾化是利用超声能量使液体在气相中形成微细雾滴的过程, 即在振动的液体表面产生超声波, 由振幅所构成的振峰把液滴从表面分离并破碎。随着超声波频率增加, 雾化液滴越来越细, 一般在超声波的振动频率作用下, 可获得微细的液滴。另外, 超声波频率场还能消除或减薄传热面附近的温度附面层, 从而促进传热。
一般雾化液体(油或水)都采用压力雾化喷嘴(离心喷嘴)。当液体流量太大时(或液体粘性过大时), 由于离心喷嘴喷口尺寸增加, 喷嘴出口液膜增加, 造成液体雾化质量恶化, 液珠的索太尔平均直径急剧增加。为了在液体流量较大时, 得到理想雾化质量, 能够采用压缩空气(或蒸气)作为雾化剂, 来改进雾化质量。雾化剂压力一般在0．3～0．5 MVa, 例如Y型喷嘴, 内混式喷嘴和外混式喷嘴等。
由于Y型、 内混式和外混式喷嘴, 仅利用雾化剂的气动能来雾化液体, 因而所需雾化剂量较大, 为了得到理想的液珠平均直径, 一般雾化剂占被雾化液体质量的30 ～60。
超声雾化器分为两大类: 流体动力型和电声换能型。流体动力型超声雾化利用高速气体或液体激发共振腔而产生超声, 其频率主要由共振腔的几何尺寸决定, 雾滴大小与液流速率、 气压大小和喷嘴结构有关。超声气雾化技术采用的就是流体动力型超声雾化器, 另外水、 有机液体、 熔融金属等液体介质的超声雾化也常采用这种形式。电声换能器型超声雾化利用换能器将高频电磁振荡转化为液体的机械振荡, 使液体破碎成雾。主要有两种形式: 一种是压电换能器在液体中辐射强超声, 经过薄透声膜辐射到液体中, 而在液面产生喷泉状雾化, 这是典型的超声加湿器原理; 另一种是液体流至超声聚能器表面, 并形成薄液层, 薄液层在超声振动作用下激起表面张力波, 当振动面的振幅达到一定值时, 液滴即从波峰上飞出而形成雾化。
雾化喷嘴是雾化装置中使雾化介质获得高能量、 高速度的器件, 也是对雾化效率的高低和雾化过程的稳定性起重要作用的关键部件。它的功能是控制雾化介质的流动和流型, 以求有效地破碎液体金属和生产特定性能的粉末。雾化喷嘴事实上是一件换能器, 即将高压气体具有的动能转化为金属的表面能。作为换能器, 其能量转换效率是至关重要的。
超声波雾化喷嘴, 不但利用雾化剂的气动能, 更主要依赖于超声波能来雾化液体。因此, 不但能够降低雾化剂的用量, 而且能够进一步改进雾化质量。
2. 超声波雾化喷嘴雾化机理
(1) 超声波激发机理
气体在喷口达到音速时, 在喷口出口形成激波, 这个激波是稳定的。当激波下游存在钝体时, 激波变为不稳定, 出现压力脉动, 压力脉动存在一定频率, 但脉动幅值不大。当激波下游安装一个固定频率和该脉动频率相同的共振腔时, 由于共振使压力脉动幅值大大增加。超声波是由激波和共振器共同作用而产生的。
超声波频率和超声波能量与喷口结构尺寸和气流的压力有关, 喷口尺寸增加, 频率下降, 超声波能量增加。声压是直接影响雾化效果的一个重要声学量, 可用改变共振腔的几何尺寸和增加气流出口前的压力两种途径来获得较大的声压值。中科院声学研究所从多种声雾化燃烧器的实测中, 总结归纳出计算频率的经验公式:
f=c/4[h+0.3(dr-dc)
式中:h---共振腔深度, mm; dr---共振腔直径, mm; dc---中心杆直径, mm; c---常温下空气中声速, m／s。
经过实验证实: 用上述经验公式计算得出的频率与实测频率值存在误差, 误差范围小于10%。
3.超声波雾化喷嘴设计
当前实际应用的雾化喷嘴在型式和结构方面多种多样, 一般根据液体的温度和生产粉末的要求, 选择适当的雾化喷嘴型式。由于它在整个工艺过程中起着重要的作用, 一向受到生产和研究者的极大重视。下文介绍3类超声波雾化喷嘴。
(1) 雾化水类的喷嘴—— 离心式超声雾化喷嘴本设计喷嘴为离心。超声喷嘴的组合。当无雾化剂时, 具备离心喷嘴雾化的特性, 水从喷口喷出后, 形成锥形水膜, 水膜在离出口一定距离处, 失稳、 破碎成大小不同的水珠。由于喷口尺寸大, 雾化质量差。有雾化剂时, 由于高速气流和超声波的作用, 锥形水膜离开出口后立即被雾化成大小不同的水珠, 水珠随气流向下游运动。
(2) 雾化汽油等燃料类的喷嘴—— 喷注式发生器雾化喷嘴
喷注式发生器(空气哨), 超声波发生器设置在燃烧器本体上, 当液体经过雾化器时, 在燃料喷射区和燃烧区产生超声振动, 雾化燃料和强化燃烧。为便于制造、 使用、 维护, 所使用的超声波雾化器采用喷注式发生器结构, 即利用蒸汽或压缩空气在雾化器内流动, 在其端部产生超声波振动以雾化燃油。
为保证工作可靠性与工作质量(雾化质量), 雾化器采用两级雾化, 即机械雾化与超声波雾化相结合。在雾化器中心采用机械雾化结构, 燃油在管道中心流动, 经过旋流室和雾化片先进行第一级机械雾化。在雾化室出口处外围有一环形共振腔槽, 蒸汽或压缩空气流过环形腔体时, 高速气流产生超声波振动, 对机械雾化喷出的油雾作第二级雾化, 从而获得雾化质量满意的燃油雾化。
(3) 雾化金属粉末的喷嘴—— 双层固体技术雾化喷嘴
在研究普通的气体雾化过程知道, 气体雾化的破碎机理应为五个阶段: 形成波形、 波形碎裂和形成条带、 条带破碎和波形破裂(一次雾化)、 二次雾化、 碰撞和聚合。在此, 提出一种新型的气体雾化制粉方法—— 固体雾化技术。在不改变现有设备和喷腔结构的前提下, 改变雾化介质, 在雾化气流中加入固体粉末, 提高气流的冲击动量, 增强破碎效果。从而达到提高雾化效率和细粉收得率的目的。
5.3 超声波雾化控制参数
超声波雾化也称为超声振荡雾化。利用超声波的作用来加强液体分解的和雾化的试验研究工作早在20世纪30年代就已经开始了。超声波燃油雾化是利用空气射流在谐振腔产生高频率( 10~40kHz) , 高振幅的剧烈震动来强化雾化的一种喷雾技术。也能够说, 它是属于空气( 或蒸汽) 机械雾化喷嘴, 是高压气雾化基础上的改进型式。
超声波的雾化过程是: 当在一个强超声波波源发出的超声波传到液面时, 液面受到声波的振动而产生网状波。如果超声波振动加剧时, 在波峰处会有小液滴飞起, 飞出的液滴又被超声波振动而进一步被雾化。
它的雾化机理研究并不透彻, 可是它完全不同于其它雾化形式。当前认为超声波雾化燃油有两种因素起作用: 一个是高频, 高振幅的超