第21卷第1期2011年2月
PO WDER MET ALLURGY INDUST RY
粉末冶金工业
Vo l. 21No. 1Feb. 2011
环孔雾化喷嘴设计参数的研究
刘福平
(广州有色金属研究院, 广州 510651)
摘 要:根据对雾化气流流动的理论分析及环孔雾化喷嘴设计参数的研究, 提出了环孔雾化喷嘴设计参数的定性解析和定量描述; 导出了在环孔雾化喷嘴出口处雾化气体流速及质量流量取得极大值时, 雾化喷嘴气流出口截面积与空腔截面积及雾化压力的解析表达式; 建立了雾化气体流速与环孔雾化喷嘴节圆直径、环孔直径及喷射顶角的函数关系式; 探讨了保障环孔雾化喷嘴同心度的方法。
关键词:雾化喷嘴; 雾化气流; 质量流量; 喷射顶角中图分类号:TF123 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2011) 01-0040-05
ANA LYSIS ON DESIGN PARAM ETERS OF TH E ATOM IZING
NOZZLE WITH RING H OLES
LIU Fu ping
(Guang zho u R esear ch Institute of N on fer rous metals, Guang zhou 510651, P R China)
Abstract:Desig n parameters of the atom izing nozzle w ith ring holes is qualitativ ely explained and quantitativ ely described based on the theor y o f atom izing jet flow The m athematical ex
pr ession o f the atom ization pressure required for maximum jet velocity has been presented, and the relatio nship o f the ex it area and the atom izing chamber ar ea required fo r producing max imum exit jet velocity and m ax imum g as mass flow rate have been established T he influ ence of jet apex ang le, jet distance, pitch circld diameters and the ex it hole diameters o n jet velocity have been analy sed T he mathem atical ex pression and design requirements of jet for producting max im um velocity have been established The method o f ensuring concentricity o f the ato mizing nozzle w ith ring holes is discussed
Key w ords:atomizing no zzle; atom izing jet ; gas mass flow ; jet apex ang le 在气流雾化制粉及喷射成形制坯技术中, 雾化喷嘴是使雾化介质获得高能、高速的核心部件, 也是对雾化效率及雾化过程稳定性起重要作用的关键部件。高压气体经雾化喷嘴后转换成高速气流, 高速气流冲击低速的金属或合金液流柱, 使之雾化, 并且要求雾化成的液滴形状规则、尺寸细小及分布集中, 因此设计结构合理的雾化喷嘴是获得好的雾化效果的前提
[6 9]
[1 5]
雾化喷嘴设计参数主要有雾化介质的种类和压
力、雾化喷嘴气流出口截面积和喷射顶角等, 并有对雾化顶角从90 到30 之间每隔15 为一个变化值进行雾化铜合金粉的试验报道。本文将通过雾化气流流动的理论进行分析以及研究环孔雾化喷嘴设计参数, 旨在为设计环孔雾化喷嘴提供相关理论计算。
[2, 7]
。
收稿日期:2009-11-26
作者简介:刘福平(1963-) , 男, 广东五华人, 教授级高工, 学士, 主要从事粉体焊接材料研究和应用开发。
第1期 刘福平:环孔雾化喷嘴设计参数的研究
41
-1
v 1={[2k 0p 0/(k -1) ][1-(p /
1 雾化气流流动的理论分析
1 1 雾化气流沿流线流动的能量方程
假设雾化介质为可压缩气流, 为方便讨论气流经过雾化喷嘴出口处的流速v 1, 将雾化器等效地示于图1。分别在雾化喷嘴空腔内和气体出口处选
取截面A A 和B B , 且气流在雾化喷嘴空腔内A A 处的压力为p 0, 在B B 处的压力为p , A t 为B B 处
的截面积。
[10]
p 0) (k -1) /k ]}1/2
(4)
由此可见, 当气体处于静止时的压力p 0确定后, 其流出雾化喷嘴出口截面时的流速v 1仅是出口截面处气流压力p 的函数。
当出口截面处气流压力p 等于环境压力p e , 且p =p e =1 013 105Pa (105Pa =1大气压) 时, 将
-1 0p 0=gRT 0代入式(4) , 并假设雾化喷嘴空腔内
气体温度T 0不变化, 则式(4) 可简化为:
v 1={[Ck /(k -1) ][1-(p 0) (1-k) /k
]}1/2
(5)
式中:C 为由g 、R 、T 0等常数合成的一个系数。由于气流的压容比k >1, 故从式(5) 看出:v 1随p 0的增加而增大; 但p 0到一定值后, v 1则成为常数, 不随p 0的增加而变化, 因此, 通过提高雾化压力来增大雾化喷嘴出口气流的流速v 1是有限度的, 必须对雾化喷嘴的设计进行研究, 以期为雾化过程提供较大的能量及较有效地利用能量。
2 环孔雾化喷嘴设计参数的分析
图1 雾化喷嘴等效示意图
从图1看出, 压力为p 0的气流经截面B B 流入压力为p e 的环境, 当把这个过程的流动近似地看作连续(即气流充满整个管道, 且管道不吸气也不漏气) 而且稳定流动, 并忽略位能及摩擦力所做的功时[11], 那么气流沿流线流动的微分方程可表示为
[12]
图2为环孔雾化喷嘴结构简图[14], 在一个轴对称的环形高压气腔底部均布若干半径为R 0的喷孔, 喷孔轴线NF 与雾化喷嘴主轴线OF 的交角 称为喷射顶角; 以OF 为对称轴的两喷孔中心距离D 称为节圆直径。由此可知, 设计环孔雾化喷嘴时, 须研究和计算这些参数。
:
d v 2/2+d p / =0
(1)
由于气流在环孔或环缝处的流动时间很短, 视
为绝热流动, 并考虑到气流的可压缩性(气流密度 常数) , 有[13]:
p / =常数
k
(2)
将式(2) 代入式(1) 积分得到可压缩流体的能量方程(Bernoulli 方程) :
2
v 21/2=(v 2) /2+[k/(k -1) ][p 0/ 0-p / ](3) 式中:k 为气流的压容比; v 2为A A 截面的雾化气体流速, m /s; 0为雾化喷嘴空腔内的气流在温度为T 0及压力为p 0时的密度, kg/m 。1 2 雾化气流压力与雾化喷嘴出口气流流速的关系
为简化式(3) 计算, 假设A A 截面的雾化气体为从静止流向B B , 即V 12=0, 则由式(3) 可得出气
103
图2 环孔雾化器结构简图
2 1 环孔雾化喷嘴喷孔与雾化气流压力及质量流
量的关系
假设图1中雾化喷嘴出口截面B B 处气流的质量流量为:
42 G = v 1A t
式(6) 中:A t = R 20
将式(2) 和式(4) 代入式(6) 得:
0/(k -1) ][(p /p 0) G =( R 0) {[2kp 0
2
2/k
粉末冶金工业 第21卷
(6) 将式(2) 、式(4) 代入式(12) 可得雾化喷嘴空腔截面积与气流出口截面积的关系为:
A t /A 0=v 2(p 0/p )
1/k
{[2kp 0
(k -1) /k
/(k -1) ][1-
-(p /
p 0)
(k +1) /k
]}(7) 由式(7) 可看出:当环孔雾化喷嘴的喷气孔半径
1/2
(p /p 0) ]}(13)
由式(13) 可推出:设计气流流速和质量流量均呈极大值的雾化喷嘴时, 首先要确定A A 处的截面积A 0; 通过选定雾化介质, 确定k 值; 再通过供气源(如气流压缩机) 能稳定供气的压力p 0和流量G 0, 计算v 2; 并根据式(9) 计算雾化喷嘴出口气流流速及质量流量均为极大值的p 后, 通过式(13) 即可计算出气流从雾化喷嘴流出的截面积A t , 从而确定R 0的值。
2 3 雾化喷嘴喷出的气体射流流速与雾化喷嘴气流出口半径、喷射距离、喷射顶角和节圆直径的关系如图3所示, 假设雾化喷嘴的气流在喷嘴出口半径为R 0处以平均流速v m 沿NF 轴方向流动。由于抽引了大量周围气体, 其外边界(气体射流与空间介质相交流速为零的边界线) b 沿Y 轴将越变越宽; 当气流的中心流速(气流沿NF 轴的流速) v 等于v m 时, 此区段为初始段, 其长度为s; v 逐步降低的区段则为基本段; N 点为气体射流外边界的交汇点﹙极点﹚。根据文献[15], 气流从环孔雾化喷嘴流出后的流速与其出口处的流速v m 、喷射距离s 和气流出口半径R 0的变化关系为:
[15]
(k -1) /k -1/2
R 0及气体在雾化喷嘴空腔处于静止的压力p 0确定后, 气流从雾化喷嘴喷气孔出口截面处流出的流量G 仅是该处气流压力p 的函数, 并且当p =0或p =
p 0时, G =0, 显然G 0雾化过程都不能实现, 因此, 在B B 处气流压力p 必须满足0
d G /d p =0得极大值时的压力p m 为:
p m =p 0[2/(k +1) ]
k /(k -1)
(8)
可求出气流在雾化喷嘴出口B B 处流量G 取
(9)
将式(9) 分别代入式(4) 和式(7) , 并将式(2) 中
的 0由p 0代换后, 可求出在B B 处气流流速及质量流量取得极大值的关系式分别为:
V m =[2kp 0
1) ]
1/2
(k -1) /k
/(k +1) ]
1/2
(10)
[2k p 0
(k +1) /k
G m =A t {[2/(k +1) ]
1/(k -1)
/(k +
}(11)
从式(9) 、式(10) 可知, 对于不同的雾化介质, 当
p 0为定值时, v m 和p m 随雾化介质压容比k 的变化而变化; 并且, 当雾化喷嘴出口截面上的气流压力p 达到p m , 同时气流流入的环境压力p e p m 时, 其流速和质量流量均能达到分别由式(10) 、式(11) 计算的极大值; 当p e >p m 时, 气流流入环境受阻, 其流量和流速均将减小。由式(10) 、式(11) 还得出:对于确定雾化介质的气流, 其流速的极大值v m 和雾化压力p 0成正比, 而其质量流量的极大值G m 则和雾化
(k +1) /k
喷嘴的喷气孔半径R 20及雾化压力的p 0成正
比; 因此, 当A t 一定时, 要想増加气流质量流量的极大值G m , 必须提高雾化压力p 0, 单纯降低环境压力p e 是无效的。
2 2 雾化喷嘴腔体截面积及环孔气流出口截面积的确定
由式(6) 看出, 气流从雾化喷嘴流出的截面积A t 是影响气体流量的重要参数。假设图1中雾化喷嘴空腔内A A 的截面积为A 0, 气流以恒定流速v 2流过A A 截面后, 从B B 截面流出。根据流量恒定条件有:
020v A (图3 雾化气体射流流动简图
v =12 44v m /(3 77+s/R 0) (14)
从式(14) 看出:当气流出口半径R 0一定时, 其
从雾化喷嘴流出后流速v 与喷射距离s 成反比; 而当喷射距离s 一定时, 在满足式(9) 和式(13) 的条件下, 适当增大气流出口半径R 0, 有助于减少气流从雾化喷嘴流出后流速v 的衰减。
第1期 刘福平:环孔雾化喷嘴设计参数的研究
43
结合式(14) 和图2可推出:当气流出口半径R 0
一定时, 参数D 和 的变化将直接影响喷射距离s , 从而影响v , 并且可算出:
s =D /(2sin )
(15)
将式(15) 代入式(14) 得到气流从环孔雾化喷嘴流出后的流速v 与其出口处的流速v m 及喷嘴的R 0、D 和 的表达式为:
v =24 88v m sin /(7 54sin +D/R 0)
(16)
图4 环孔喷嘴雾化示意图
从式(15) 、式(16) 可看出:适当增大 、R 0及减小D, 可减少v 的衰减, 使气流保持较大的动能, 增加雾化过程液流被破碎的程度, 雾化后能获得较小尺寸的液滴。
根据图2及式(16) , 若v 在与主轴线OF 相交处的F 点仍保持v m 的值, 此时设定气流撞击液流的动能为极大值, 则可求得 和D 的关系式:
D =17 34R 0sin
(17)
式(17) 中, 0 90 。
设计时, 由于D 为两个半径为R 0的对称小喷孔的孔心距, 因此, 2R 0
[16]
在雾化喷嘴出口速度及质量流率取得极大值时的解析表达式, 导出了环孔雾化喷嘴气流出口截面积与其空腔截面积及雾化压力的计算关系式。
(2) 通过对雾化气流喷射参数的研究及环孔喷嘴设计参数的分析, 建立的从雾化喷嘴喷射出的气流流速与雾化喷嘴气流出口半径、喷射距离、喷射顶角及节圆直径的变化关系式, 为雾化喷嘴的设计计算提供了依据。
(3) 提出了在环孔喷嘴上设置导液管护套, 可保障雾化喷嘴的同心度不发生偏差。参考文献
[1] 李周, 张智慧, 张国庆, 等. 雾化气体和熔滴速度的研究
[J].粉末冶金技术, 1999, 17(1) :10.
Li Zhou, Zhang Zhihui, Zhang Guoqing , et al. Study o f atomizatio n g as v elocit y[J]. Pow der M etallur gy T ech nolog y, 1999, 17(1) :10.
[2] 赵麦群. 非限制式雾化器的气体动力学[J]. 粉末冶金
技术, 1997, 15(2) :99.
Zhao M aiqun. T he analy sis of g asdynamical fo r a non -confined no zzle[J]. Po wder M etallurg y T echnolog y, 1997, 15(2) :99.
[3] 李清泉. 紧密偶合气体雾化制粉原理[J]. 粉末冶金工
业, 1999, 9(5) :2.
Li Q ingquan. T he pr inciple o f pow der pro duction by the close-co upled g as ato mizatio n[J]. P ow der M et al lurg y Industry , 1999, 9(5) :2.
[4] 刘福平. 气流出口截面恒定的雾化器设计[J]. 金属材
料与冶金工程, 2007, 35(4) :40 42.
Liu Fuping. Desig n for the fix at ive ex it cr oss area o f atomizers[J].M etal M eter ials And M etallurg y Eng i neering , 2007, 35(4) :40 42. [5] nal A. Rapidly solidified aluminium alloy pow der s by gas atomisat ion[J]. Po wder M etallurg y, 1990, 33(1) :60 61.
[6] 丁国陆, 李华伦, 勾宏图, 等. 铝合金低压气雾化技术研
究[J]., 1996, 2) :。研究指出
[10]
:当雾化气体压力大
于0 4M Pa 时, 环孔雾化喷嘴的 宜选用30 , 例如, 设有20个小孔的环孔雾化喷嘴, 当小孔最小截面处的直径为1 8m m 时, 可选用22 5~30 。2 4 雾化喷嘴的同心度
雾化喷嘴的同心度对雾化效果产生影响。导液管堵塞时经常需要拆卸喷嘴, 这有可能引起雾化喷嘴与气流间的同心度发生偏差, 从而引起导液管与气流间的同心度发生偏差, 雾化时将加大雾化液滴的不均匀度, 降低雾化效果, 严重时会产生局部粘壁现象[17]。根据文献[18], 设计如图4所示的环孔喷嘴。从图看出, 锥形导液管护套套在喷嘴上, 当雾化过程导液管堵嘴时, 可轻易地将锥形导液管护套及导液管取出, 而不用拆卸喷嘴, 确保雾化喷嘴与气流间的同心度不发生偏差; 锥形导液管护套套在喷嘴上也确保了喷嘴与护套的同心度不发生偏差, 因此, 当导液管导入护套后, 它与喷嘴的同心度也不发生偏差, 这就保障了雾化时雾化液滴的均匀稳定。
3 结 论
(1) 依据对气流在雾化喷嘴内的流动分析以及
44
粉末冶金工业 第21卷
行业动态
美国Hoeganaes 有限公司在中国新建的工厂投入运营
中图分类号:T F12 文献标识码:D
美国H oeg anaes 有限公司在中国江苏省距离南京市70公里的镇江市新建立了一个工厂, 2010年10月28日H oeganaes 有限公司的总裁Dav e Kasputis 出席了新工厂的落成典礼, 出席新工厂落成典礼的还有GKN 中国公司的总裁Stefan M agirius, NBTM (中国最大的粉末冶金企业之一) 的副总经理Zhou H ai Yang, 中国机协粉末冶金分会(CM PM A) 的秘书陈越女士, H o eg anaes 有限公司的中国区经理王威廉(Wil liam Wang ) 。H o eg anaes 有限公司的新建工厂将主要致力于为中国客户提供高质量的混合料, 新建工厂附属了一个可提供技术支持和质量保证的设备齐全的实验室, 新建工厂产品的销售工作将集中在上海开展。H oeganaes 有限公司的总裁Dave Kasputis 在新工厂的落成典礼上说: H oeganaes 有限公司在中国的扩张使我们能有效的满足快速发展的中国市场的需求, 符合H oeganaes 有限公司在全世界的发展战略。 摘译自 金属粉末报告 , 网站http://w w w. metal po w der. net/view /13761/hoeganaes opens new plant in china/2010 11 5/2010 11 11
(孙世杰)
Beijing :M echanical Industry Pr ess, 1982:21 24.
崔成松, 蒋祖龄, 沈军, 等. 金属雾化过程气体质量流率的研究[J]. 材料科学与工程, 1995, 13(1) :32.
Cui Cheng so ng , Jiang Zuling , Shen Jun etal. A nsalys is on t he g as mass flow rate in atomizing pr ocess o f metal[J].M ater ials Science &Engineer ing, 1995, 13(1) :32.
黄培云. 粉末冶金原理[M ].北京:冶金工业出版社, 1988:99 100.
H uang P eiyun. In:Pow der M etllurg ic T heo ry [M ].Beijing :M etallurg ical Indust ry P ress, 1988:99 100. 刘福平, 杨凯珍, 刘凤美. 环孔雾化器出口气体射流结构参数的研究[J]. 粉末冶金技术, 2009, 27(4) :257. L iu Fuping, Yang K aizhen, L iu Fengmei. A naly sis on structural par ameters of the atomizer w ith ring g as jet by holes[J].Pow der M etallurg y T echnolog y, 2009, 27(4) :257.
赵麦群, 王迪功. 新型环孔雾化喷嘴[J]. 粉末冶金技术, 1996, 14(4) :274.
Zhao M aiqun, W ang D igo ng. N ew atomizing nozzle w ith ring holes[J]. Po wder M etallurg y T echnolog y, 1996, 14(4) :274.
王喜忠, 于才渊, 周才君编著. 喷雾干燥[M ]. 北京:化学工业出版社, 2003:60.
Wang Xizhong, Y u Caiyuan, Zhou Caijun In:Spray Dr ying [M ].Beijing:Chemical Industr y Pr ess, 2003:60.
杨凯珍, 刘福平, 黄云帅. 气雾化制备A l-Si 钎料粉末的研究[J]. 材料研究与应用, 2007, 1(3) :210.
Y ang K aizhen, L iu Fuping , H uang Y unshuai. T he dev elo pment of A l-Si br aze pow der produced by g as atom izat ion [J ].M ateria ls research and applicatio n, 2007, 1(3) :210.
Ding G uo lu, L i H ualun, Go u H o ng tu, et al. Study of lo w
pr essure g as ato mization techno log y o f aluminum allo y [J].Po wder M etallurg y T echnolog y, 1996, 14(2) :96. [7] 陈文汩, 万新华. 喷嘴结构和工艺参数对雾化锌粉粒度
的影响[J].中国有色金属学报, 2001, 11(5) :852.
Chen W enmi, W an X inhua. Effects of str ucture o f noz zle and pro cessing parameters on pa rticle size of zinc po wders in g as at omizatio n[J]. T rans No nfer rous M et So c China, 2001, 11(5) :852.
[8] Russell S M , Steven A M , Sadhir D S, et al. T w o
phase flo w M o del for the Close-co upled ato mizat ion of meals [J]. t he Internatio nal Jour nal o f P ow der M etallur g y , 1996, 32(4) :341 351.
[9] nal A. F low Separatio n and L iquid rundow n in a gas
-atomization pro cess [J]. M etallurg ical T r ansactio ns B, 1989, 20B:613 622.
[10] 沈军, 崔成松, 蒋祖龄, 等. 雾化过程几个重要参量的
计算[J].粉末冶金技术, 1994, 12(4) :255 256.
Shen Jun, Cui Chengsong , Jiang Zuling etal. Calcula tion o f sever al key par ameters o f g as ato mization pr ocess[J]. P ow der M etallurg y T echnolog y, 1994, 12(4) :255 256.
[11] 崔成松, 蒋祖龄, 沈军, 等. 雾化过程气体与金属雾滴
的三维流动模型[J].金属学报, 1994, 30(7) B298. Cui Chengso ng , Jiang Zuling , Shen Jun etal. T he g r aphic model of gas and allo y droplets dur ing spr ay fo rming [J ].A cta M et allur gica Sinica, 1994, 30(7) B298.
[12] 上海工业大学流控研究室编. 气动技术基础[M ].北
京:机械工业出版社, 1982:21 24.
Shang hai U niversit y of Industry , F luid Lo gic Contro ls I nstit ute. In:Gasdynam-ical T echnolog y Basic [M ].
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
第21卷第1期2011年2月
PO WDER MET ALLURGY INDUST RY
粉末冶金工业
Vo l. 21No. 1Feb. 2011
环孔雾化喷嘴设计参数的研究
刘福平
(广州有色金属研究院, 广州 510651)
摘 要:根据对雾化气流流动的理论分析及环孔雾化喷嘴设计参数的研究, 提出了环孔雾化喷嘴设计参数的定性解析和定量描述; 导出了在环孔雾化喷嘴出口处雾化气体流速及质量流量取得极大值时, 雾化喷嘴气流出口截面积与空腔截面积及雾化压力的解析表达式; 建立了雾化气体流速与环孔雾化喷嘴节圆直径、环孔直径及喷射顶角的函数关系式; 探讨了保障环孔雾化喷嘴同心度的方法。
关键词:雾化喷嘴; 雾化气流; 质量流量; 喷射顶角中图分类号:TF123 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2011) 01-0040-05
ANA LYSIS ON DESIGN PARAM ETERS OF TH E ATOM IZING
NOZZLE WITH RING H OLES
LIU Fu ping
(Guang zho u R esear ch Institute of N on fer rous metals, Guang zhou 510651, P R China)
Abstract:Desig n parameters of the atom izing nozzle w ith ring holes is qualitativ ely explained and quantitativ ely described based on the theor y o f atom izing jet flow The m athematical ex
pr ession o f the atom ization pressure required for maximum jet velocity has been presented, and the relatio nship o f the ex it area and the atom izing chamber ar ea required fo r producing max imum exit jet velocity and m ax imum g as mass flow rate have been established T he influ ence of jet apex ang le, jet distance, pitch circld diameters and the ex it hole diameters o n jet velocity have been analy sed T he mathem atical ex pression and design requirements of jet for producting max im um velocity have been established The method o f ensuring concentricity o f the ato mizing nozzle w ith ring holes is discussed
Key w ords:atomizing no zzle; atom izing jet ; gas mass flow ; jet apex ang le 在气流雾化制粉及喷射成形制坯技术中, 雾化喷嘴是使雾化介质获得高能、高速的核心部件, 也是对雾化效率及雾化过程稳定性起重要作用的关键部件。高压气体经雾化喷嘴后转换成高速气流, 高速气流冲击低速的金属或合金液流柱, 使之雾化, 并且要求雾化成的液滴形状规则、尺寸细小及分布集中, 因此设计结构合理的雾化喷嘴是获得好的雾化效果的前提
[6 9]
[1 5]
雾化喷嘴设计参数主要有雾化介质的种类和压
力、雾化喷嘴气流出口截面积和喷射顶角等, 并有对雾化顶角从90 到30 之间每隔15 为一个变化值进行雾化铜合金粉的试验报道。本文将通过雾化气流流动的理论进行分析以及研究环孔雾化喷嘴设计参数, 旨在为设计环孔雾化喷嘴提供相关理论计算。
[2, 7]
。
收稿日期:2009-11-26
作者简介:刘福平(1963-) , 男, 广东五华人, 教授级高工, 学士, 主要从事粉体焊接材料研究和应用开发。
第1期 刘福平:环孔雾化喷嘴设计参数的研究
41
-1
v 1={[2k 0p 0/(k -1) ][1-(p /
1 雾化气流流动的理论分析
1 1 雾化气流沿流线流动的能量方程
假设雾化介质为可压缩气流, 为方便讨论气流经过雾化喷嘴出口处的流速v 1, 将雾化器等效地示于图1。分别在雾化喷嘴空腔内和气体出口处选
取截面A A 和B B , 且气流在雾化喷嘴空腔内A A 处的压力为p 0, 在B B 处的压力为p , A t 为B B 处
的截面积。
[10]
p 0) (k -1) /k ]}1/2
(4)
由此可见, 当气体处于静止时的压力p 0确定后, 其流出雾化喷嘴出口截面时的流速v 1仅是出口截面处气流压力p 的函数。
当出口截面处气流压力p 等于环境压力p e , 且p =p e =1 013 105Pa (105Pa =1大气压) 时, 将
-1 0p 0=gRT 0代入式(4) , 并假设雾化喷嘴空腔内
气体温度T 0不变化, 则式(4) 可简化为:
v 1={[Ck /(k -1) ][1-(p 0) (1-k) /k
]}1/2
(5)
式中:C 为由g 、R 、T 0等常数合成的一个系数。由于气流的压容比k >1, 故从式(5) 看出:v 1随p 0的增加而增大; 但p 0到一定值后, v 1则成为常数, 不随p 0的增加而变化, 因此, 通过提高雾化压力来增大雾化喷嘴出口气流的流速v 1是有限度的, 必须对雾化喷嘴的设计进行研究, 以期为雾化过程提供较大的能量及较有效地利用能量。
2 环孔雾化喷嘴设计参数的分析
图1 雾化喷嘴等效示意图
从图1看出, 压力为p 0的气流经截面B B 流入压力为p e 的环境, 当把这个过程的流动近似地看作连续(即气流充满整个管道, 且管道不吸气也不漏气) 而且稳定流动, 并忽略位能及摩擦力所做的功时[11], 那么气流沿流线流动的微分方程可表示为
[12]
图2为环孔雾化喷嘴结构简图[14], 在一个轴对称的环形高压气腔底部均布若干半径为R 0的喷孔, 喷孔轴线NF 与雾化喷嘴主轴线OF 的交角 称为喷射顶角; 以OF 为对称轴的两喷孔中心距离D 称为节圆直径。由此可知, 设计环孔雾化喷嘴时, 须研究和计算这些参数。
:
d v 2/2+d p / =0
(1)
由于气流在环孔或环缝处的流动时间很短, 视
为绝热流动, 并考虑到气流的可压缩性(气流密度 常数) , 有[13]:
p / =常数
k
(2)
将式(2) 代入式(1) 积分得到可压缩流体的能量方程(Bernoulli 方程) :
2
v 21/2=(v 2) /2+[k/(k -1) ][p 0/ 0-p / ](3) 式中:k 为气流的压容比; v 2为A A 截面的雾化气体流速, m /s; 0为雾化喷嘴空腔内的气流在温度为T 0及压力为p 0时的密度, kg/m 。1 2 雾化气流压力与雾化喷嘴出口气流流速的关系
为简化式(3) 计算, 假设A A 截面的雾化气体为从静止流向B B , 即V 12=0, 则由式(3) 可得出气
103
图2 环孔雾化器结构简图
2 1 环孔雾化喷嘴喷孔与雾化气流压力及质量流
量的关系
假设图1中雾化喷嘴出口截面B B 处气流的质量流量为:
42 G = v 1A t
式(6) 中:A t = R 20
将式(2) 和式(4) 代入式(6) 得:
0/(k -1) ][(p /p 0) G =( R 0) {[2kp 0
2
2/k
粉末冶金工业 第21卷
(6) 将式(2) 、式(4) 代入式(12) 可得雾化喷嘴空腔截面积与气流出口截面积的关系为:
A t /A 0=v 2(p 0/p )
1/k
{[2kp 0
(k -1) /k
/(k -1) ][1-
-(p /
p 0)
(k +1) /k
]}(7) 由式(7) 可看出:当环孔雾化喷嘴的喷气孔半径
1/2
(p /p 0) ]}(13)
由式(13) 可推出:设计气流流速和质量流量均呈极大值的雾化喷嘴时, 首先要确定A A 处的截面积A 0; 通过选定雾化介质, 确定k 值; 再通过供气源(如气流压缩机) 能稳定供气的压力p 0和流量G 0, 计算v 2; 并根据式(9) 计算雾化喷嘴出口气流流速及质量流量均为极大值的p 后, 通过式(13) 即可计算出气流从雾化喷嘴流出的截面积A t , 从而确定R 0的值。
2 3 雾化喷嘴喷出的气体射流流速与雾化喷嘴气流出口半径、喷射距离、喷射顶角和节圆直径的关系如图3所示, 假设雾化喷嘴的气流在喷嘴出口半径为R 0处以平均流速v m 沿NF 轴方向流动。由于抽引了大量周围气体, 其外边界(气体射流与空间介质相交流速为零的边界线) b 沿Y 轴将越变越宽; 当气流的中心流速(气流沿NF 轴的流速) v 等于v m 时, 此区段为初始段, 其长度为s; v 逐步降低的区段则为基本段; N 点为气体射流外边界的交汇点﹙极点﹚。根据文献[15], 气流从环孔雾化喷嘴流出后的流速与其出口处的流速v m 、喷射距离s 和气流出口半径R 0的变化关系为:
[15]
(k -1) /k -1/2
R 0及气体在雾化喷嘴空腔处于静止的压力p 0确定后, 气流从雾化喷嘴喷气孔出口截面处流出的流量G 仅是该处气流压力p 的函数, 并且当p =0或p =
p 0时, G =0, 显然G 0雾化过程都不能实现, 因此, 在B B 处气流压力p 必须满足0
d G /d p =0得极大值时的压力p m 为:
p m =p 0[2/(k +1) ]
k /(k -1)
(8)
可求出气流在雾化喷嘴出口B B 处流量G 取
(9)
将式(9) 分别代入式(4) 和式(7) , 并将式(2) 中
的 0由p 0代换后, 可求出在B B 处气流流速及质量流量取得极大值的关系式分别为:
V m =[2kp 0
1) ]
1/2
(k -1) /k
/(k +1) ]
1/2
(10)
[2k p 0
(k +1) /k
G m =A t {[2/(k +1) ]
1/(k -1)
/(k +
}(11)
从式(9) 、式(10) 可知, 对于不同的雾化介质, 当
p 0为定值时, v m 和p m 随雾化介质压容比k 的变化而变化; 并且, 当雾化喷嘴出口截面上的气流压力p 达到p m , 同时气流流入的环境压力p e p m 时, 其流速和质量流量均能达到分别由式(10) 、式(11) 计算的极大值; 当p e >p m 时, 气流流入环境受阻, 其流量和流速均将减小。由式(10) 、式(11) 还得出:对于确定雾化介质的气流, 其流速的极大值v m 和雾化压力p 0成正比, 而其质量流量的极大值G m 则和雾化
(k +1) /k
喷嘴的喷气孔半径R 20及雾化压力的p 0成正
比; 因此, 当A t 一定时, 要想増加气流质量流量的极大值G m , 必须提高雾化压力p 0, 单纯降低环境压力p e 是无效的。
2 2 雾化喷嘴腔体截面积及环孔气流出口截面积的确定
由式(6) 看出, 气流从雾化喷嘴流出的截面积A t 是影响气体流量的重要参数。假设图1中雾化喷嘴空腔内A A 的截面积为A 0, 气流以恒定流速v 2流过A A 截面后, 从B B 截面流出。根据流量恒定条件有:
020v A (图3 雾化气体射流流动简图
v =12 44v m /(3 77+s/R 0) (14)
从式(14) 看出:当气流出口半径R 0一定时, 其
从雾化喷嘴流出后流速v 与喷射距离s 成反比; 而当喷射距离s 一定时, 在满足式(9) 和式(13) 的条件下, 适当增大气流出口半径R 0, 有助于减少气流从雾化喷嘴流出后流速v 的衰减。
第1期 刘福平:环孔雾化喷嘴设计参数的研究
43
结合式(14) 和图2可推出:当气流出口半径R 0
一定时, 参数D 和 的变化将直接影响喷射距离s , 从而影响v , 并且可算出:
s =D /(2sin )
(15)
将式(15) 代入式(14) 得到气流从环孔雾化喷嘴流出后的流速v 与其出口处的流速v m 及喷嘴的R 0、D 和 的表达式为:
v =24 88v m sin /(7 54sin +D/R 0)
(16)
图4 环孔喷嘴雾化示意图
从式(15) 、式(16) 可看出:适当增大 、R 0及减小D, 可减少v 的衰减, 使气流保持较大的动能, 增加雾化过程液流被破碎的程度, 雾化后能获得较小尺寸的液滴。
根据图2及式(16) , 若v 在与主轴线OF 相交处的F 点仍保持v m 的值, 此时设定气流撞击液流的动能为极大值, 则可求得 和D 的关系式:
D =17 34R 0sin
(17)
式(17) 中, 0 90 。
设计时, 由于D 为两个半径为R 0的对称小喷孔的孔心距, 因此, 2R 0
[16]
在雾化喷嘴出口速度及质量流率取得极大值时的解析表达式, 导出了环孔雾化喷嘴气流出口截面积与其空腔截面积及雾化压力的计算关系式。
(2) 通过对雾化气流喷射参数的研究及环孔喷嘴设计参数的分析, 建立的从雾化喷嘴喷射出的气流流速与雾化喷嘴气流出口半径、喷射距离、喷射顶角及节圆直径的变化关系式, 为雾化喷嘴的设计计算提供了依据。
(3) 提出了在环孔喷嘴上设置导液管护套, 可保障雾化喷嘴的同心度不发生偏差。参考文献
[1] 李周, 张智慧, 张国庆, 等. 雾化气体和熔滴速度的研究
[J].粉末冶金技术, 1999, 17(1) :10.
Li Zhou, Zhang Zhihui, Zhang Guoqing , et al. Study o f atomizatio n g as v elocit y[J]. Pow der M etallur gy T ech nolog y, 1999, 17(1) :10.
[2] 赵麦群. 非限制式雾化器的气体动力学[J]. 粉末冶金
技术, 1997, 15(2) :99.
Zhao M aiqun. T he analy sis of g asdynamical fo r a non -confined no zzle[J]. Po wder M etallurg y T echnolog y, 1997, 15(2) :99.
[3] 李清泉. 紧密偶合气体雾化制粉原理[J]. 粉末冶金工
业, 1999, 9(5) :2.
Li Q ingquan. T he pr inciple o f pow der pro duction by the close-co upled g as ato mizatio n[J]. P ow der M et al lurg y Industry , 1999, 9(5) :2.
[4] 刘福平. 气流出口截面恒定的雾化器设计[J]. 金属材
料与冶金工程, 2007, 35(4) :40 42.
Liu Fuping. Desig n for the fix at ive ex it cr oss area o f atomizers[J].M etal M eter ials And M etallurg y Eng i neering , 2007, 35(4) :40 42. [5] nal A. Rapidly solidified aluminium alloy pow der s by gas atomisat ion[J]. Po wder M etallurg y, 1990, 33(1) :60 61.
[6] 丁国陆, 李华伦, 勾宏图, 等. 铝合金低压气雾化技术研
究[J]., 1996, 2) :。研究指出
[10]
:当雾化气体压力大
于0 4M Pa 时, 环孔雾化喷嘴的 宜选用30 , 例如, 设有20个小孔的环孔雾化喷嘴, 当小孔最小截面处的直径为1 8m m 时, 可选用22 5~30 。2 4 雾化喷嘴的同心度
雾化喷嘴的同心度对雾化效果产生影响。导液管堵塞时经常需要拆卸喷嘴, 这有可能引起雾化喷嘴与气流间的同心度发生偏差, 从而引起导液管与气流间的同心度发生偏差, 雾化时将加大雾化液滴的不均匀度, 降低雾化效果, 严重时会产生局部粘壁现象[17]。根据文献[18], 设计如图4所示的环孔喷嘴。从图看出, 锥形导液管护套套在喷嘴上, 当雾化过程导液管堵嘴时, 可轻易地将锥形导液管护套及导液管取出, 而不用拆卸喷嘴, 确保雾化喷嘴与气流间的同心度不发生偏差; 锥形导液管护套套在喷嘴上也确保了喷嘴与护套的同心度不发生偏差, 因此, 当导液管导入护套后, 它与喷嘴的同心度也不发生偏差, 这就保障了雾化时雾化液滴的均匀稳定。
3 结 论
(1) 依据对气流在雾化喷嘴内的流动分析以及
44
粉末冶金工业 第21卷
行业动态
美国Hoeganaes 有限公司在中国新建的工厂投入运营
中图分类号:T F12 文献标识码:D
美国H oeg anaes 有限公司在中国江苏省距离南京市70公里的镇江市新建立了一个工厂, 2010年10月28日H oeganaes 有限公司的总裁Dav e Kasputis 出席了新工厂的落成典礼, 出席新工厂落成典礼的还有GKN 中国公司的总裁Stefan M agirius, NBTM (中国最大的粉末冶金企业之一) 的副总经理Zhou H ai Yang, 中国机协粉末冶金分会(CM PM A) 的秘书陈越女士, H o eg anaes 有限公司的中国区经理王威廉(Wil liam Wang ) 。H o eg anaes 有限公司的新建工厂将主要致力于为中国客户提供高质量的混合料, 新建工厂附属了一个可提供技术支持和质量保证的设备齐全的实验室, 新建工厂产品的销售工作将集中在上海开展。H oeganaes 有限公司的总裁Dave Kasputis 在新工厂的落成典礼上说: H oeganaes 有限公司在中国的扩张使我们能有效的满足快速发展的中国市场的需求, 符合H oeganaes 有限公司在全世界的发展战略。 摘译自 金属粉末报告 , 网站http://w w w. metal po w der. net/view /13761/hoeganaes opens new plant in china/2010 11 5/2010 11 11
(孙世杰)
Beijing :M echanical Industry Pr ess, 1982:21 24.
崔成松, 蒋祖龄, 沈军, 等. 金属雾化过程气体质量流率的研究[J]. 材料科学与工程, 1995, 13(1) :32.
Cui Cheng so ng , Jiang Zuling , Shen Jun etal. A nsalys is on t he g as mass flow rate in atomizing pr ocess o f metal[J].M ater ials Science &Engineer ing, 1995, 13(1) :32.
黄培云. 粉末冶金原理[M ].北京:冶金工业出版社, 1988:99 100.
H uang P eiyun. In:Pow der M etllurg ic T heo ry [M ].Beijing :M etallurg ical Indust ry P ress, 1988:99 100. 刘福平, 杨凯珍, 刘凤美. 环孔雾化器出口气体射流结构参数的研究[J]. 粉末冶金技术, 2009, 27(4) :257. L iu Fuping, Yang K aizhen, L iu Fengmei. A naly sis on structural par ameters of the atomizer w ith ring g as jet by holes[J].Pow der M etallurg y T echnolog y, 2009, 27(4) :257.
赵麦群, 王迪功. 新型环孔雾化喷嘴[J]. 粉末冶金技术, 1996, 14(4) :274.
Zhao M aiqun, W ang D igo ng. N ew atomizing nozzle w ith ring holes[J]. Po wder M etallurg y T echnolog y, 1996, 14(4) :274.
王喜忠, 于才渊, 周才君编著. 喷雾干燥[M ]. 北京:化学工业出版社, 2003:60.
Wang Xizhong, Y u Caiyuan, Zhou Caijun In:Spray Dr ying [M ].Beijing:Chemical Industr y Pr ess, 2003:60.
杨凯珍, 刘福平, 黄云帅. 气雾化制备A l-Si 钎料粉末的研究[J]. 材料研究与应用, 2007, 1(3) :210.
Y ang K aizhen, L iu Fuping , H uang Y unshuai. T he dev elo pment of A l-Si br aze pow der produced by g as atom izat ion [J ].M ateria ls research and applicatio n, 2007, 1(3) :210.
Ding G uo lu, L i H ualun, Go u H o ng tu, et al. Study of lo w
pr essure g as ato mization techno log y o f aluminum allo y [J].Po wder M etallurg y T echnolog y, 1996, 14(2) :96. [7] 陈文汩, 万新华. 喷嘴结构和工艺参数对雾化锌粉粒度
的影响[J].中国有色金属学报, 2001, 11(5) :852.
Chen W enmi, W an X inhua. Effects of str ucture o f noz zle and pro cessing parameters on pa rticle size of zinc po wders in g as at omizatio n[J]. T rans No nfer rous M et So c China, 2001, 11(5) :852.
[8] Russell S M , Steven A M , Sadhir D S, et al. T w o
phase flo w M o del for the Close-co upled ato mizat ion of meals [J]. t he Internatio nal Jour nal o f P ow der M etallur g y , 1996, 32(4) :341 351.
[9] nal A. F low Separatio n and L iquid rundow n in a gas
-atomization pro cess [J]. M etallurg ical T r ansactio ns B, 1989, 20B:613 622.
[10] 沈军, 崔成松, 蒋祖龄, 等. 雾化过程几个重要参量的
计算[J].粉末冶金技术, 1994, 12(4) :255 256.
Shen Jun, Cui Chengsong , Jiang Zuling etal. Calcula tion o f sever al key par ameters o f g as ato mization pr ocess[J]. P ow der M etallurg y T echnolog y, 1994, 12(4) :255 256.
[11] 崔成松, 蒋祖龄, 沈军, 等. 雾化过程气体与金属雾滴
的三维流动模型[J].金属学报, 1994, 30(7) B298. Cui Chengso ng , Jiang Zuling , Shen Jun etal. T he g r aphic model of gas and allo y droplets dur ing spr ay fo rming [J ].A cta M et allur gica Sinica, 1994, 30(7) B298.
[12] 上海工业大学流控研究室编. 气动技术基础[M ].北
京:机械工业出版社, 1982:21 24.
Shang hai U niversit y of Industry , F luid Lo gic Contro ls I nstit ute. In:Gasdynam-ical T echnolog y Basic [M ].
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]