如何计算雾化器的主要尺寸？

气流式雾化器的动力消耗较大,故一般不适用于大规模生产的需要,旋转式雾化器的型式虽然多样,但计算较为简单,在此着重介绍压力式雾化器的结构计算。

液体以切线方向进入喷嘴旋转室,如图6-19所示,形成厚度为t的环形液膜绕半径为rc的空气心旋转而喷出,形成一个空心锥喷雾,其喷雾角为θ。液膜是以θ角喷出的,液膜的平均速度uo(指液体体积流量被厚度为t的环形截面积除所得之速度)可分解为水平分速度ux和轴向分速度uy,在确定干燥塔直径和高度时,有时要知道ux和uy,因此,在喷嘴尺寸确定后,要估算出ux和uy。

图6-19　液体在喷嘴内流动示意图

推导流体在喷嘴内的流动方程式时,利用三个基本方程式,即角动量守恒方程式、伯努利方程式及连续性方程式。

按照角动量守恒方程式

式中,uin为切线入口速度,m/s;R为旋转室半径,m;uT为任意一点液体的切线速度,m/s;r为任意一点液体的旋转半径,m。

由式(6-8)可见,愈靠近轴心,r愈小,旋转速度愈大,其静压亦愈小,直至等于空气心的压力——大气压。

按照伯努利方程式

式中,H为液体总压头,m;g为重力加速度,m/s2;p为液体静压强,Pa;uT为液体的切向速度分量,m/s;为液体的轴向速度分量,m/s;ρ为液体的密度,kg/m3。

按照连续性方程式

式中,qV为液体的体积流量,m3/s;ro为喷嘴孔半径,m;rc为空气心半径,m;π()为环形液流通道截面积,m2;uo为喷嘴处的平均液流速度,m/s。

联立式(6-8)～式(6-10)可解得:

设

则式(6-11)可以整理为:

令

则

式中,CD为流量系数;Ao为喷嘴孔截面积;H为喷嘴孔处的压头,H=Δp/(ρg);a=1-表示液流截面积占整个孔截面积的分数,反映了空气心的大小,称为有效截面系数;A=表示喷嘴主要尺寸之间的关系,称为几何特性系数。

式(6-16)为离心压力喷嘴的流量方程式,用来确定喷嘴孔的直径。

上述的推导都是以一个圆形入口通道(其半径为rin)为基准的。在实际生产中,一般采用两个或两个以上的圆形或矩形通道,这时A值要按下式计算:

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式中,A1为全部入口通道的总横截面积。

当旋转室只有一个圆形入口,其半径为rin时,则A1=,此时A=

当旋转室有两个圆形入口,其半径为rin时,则A1=2(),此时A=

当旋转室入口为两个矩形通道,其宽度和高度分别为b和h时,则A1=2bh,此时A=

由式(6-11)～式(6-15)可见,流量系数CD、空气心半径rc都是与喷嘴尺寸有关的。

考虑到喷嘴表面与液体层之间摩擦阻力的影响,将几何特性系数A乘以一个校正系数,得

式中,R1=R-rin,对矩形通道,R1=R-

如果按式(6-15),以A′对CD作图,可以得到图6-20。只要已知结构参数A′,即可由此图查出流量系数CD。

为了计算液体从喷嘴喷出的平均速度uo,就需先求得空气心半径rc。如已知a和ro,即可由式(6-12)求得rc。而a也是与结构有关的参数,也可以作出A和a的关联图,如图6-21所示。利用图6-21,可由A查出对应的a,再由a=1-求得rc。

图6-20　CD与A′的关联图

图6-21　A与a的关联图

至于雾化角θ可由雾滴在喷嘴孔处的切向速度ux和轴向速度uy之比来确定,即

但切向和轴向速度也是喷嘴结构参数的函数,也有一些理论公式和经验式可用来计算雾化角。下面介绍一个半经验式,即

将此式作图,可得到A′与θ的关联图,如图6-22所示。

根据上述基本关系即可进行喷嘴的计算,其步骤如下:

①根据经验,选定雾化角θ及喷嘴切向入口断面形状;

②利用图6-22,由θ求得喷嘴结构参数A′;

③利用图6-20,由A′得到流量系数CD,并由此求出喷嘴孔径do,并加以圆整;

④喷嘴旋转室尺寸的确定:对于矩形入口,一般h/b=1.3～3.0,2R/b=6～30,对于圆形入口一般2R/do=6～30,由A′=求出A′值,若为两个矩形入口,A1=2bh,b值选定,则可求出h,然后圆整;

⑤圆整do、h之后,核算生产能力,如不满足要求则重新调整;

图6-22　A′与θ的关联图

⑥计算rc值;

⑦计算液膜平均速度uo及其分速度ux、uy。