超声波雾化喷嘴的研究进展

述了超 声雾化机理。有 关院所通过实验摸索超声 雾化燃烧 器声 学参数声压 、 频率等的变化规律 。 根据实验 数
据 分 析 了声 学 参 数 随 喷 嘴 结 构 参数 变 化 的规 律 ， 建 立 了 相 关 的经 验 公 式 。 并 主题词 ： 化 雾 喷嘴 燃烧器 声压 频率 超 声 波
在一些 问题 ， 尚未得到 广泛应 用 。
在要 求 的出力 范 围内， 获得 尽可 能细 的油雾 ， 油滴
越细 ， 烧得 越快 。即 雾化 质 量 好是 燃 烧 好的 基 本
条 件。在 机械 雾化 、 介质 雾化 （ 汽或 空气等 ）机 蒸 、
械 ＋介质 雾化 、 泡 雾 化 等 的基 础 上积 极摸 索 开 气 ２ 超声 波雾 化喷嘴 的结构
量传递 给油 滴 。 使其 获得 非常大 的能量后 ， 破碎 成
更细 小雾滴 ， 此 又接 近 气 动雾 化 。多 种 因素 的 因
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一
４ 一 ２
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第 １卷 １
２０ ０ ４年 第 ２期
（） ２ 应选 取 压 电 应变 常 数大 的陶 瓷 作 为换能
空 ℃
大振 幅 ２ Ｌ现 ｊ （） ３ 生成 火 直径 液滴 （） ａ 液 滴分 裂 ４ （） （） 合 ｂ结 （） 滴 雾 化 Ｃ液
图 ３ 超 声 波 使 液体 雾化 的过 程 示 意 图
超 声波燃 油雾 化是 利用 空气射流 在谐振 腔产
度的声 波 ， 燃 料 喷射 区和燃 烧 区提 供气 体 声振 在 动 。 燃料 雾化 。 使 实现 强化燃 烧 。高强度声 波 的频
率一般 为 １ ～４ ｋ ｚ 由于它 的工 作 压力范 围较 ０ ０Ｈ 。
产 生 网状 波 ， 果超声波 振动 加剧 ， 如 在波 峰处 会有
小液滴 飞起 ， 出 的液 滴 又 被超 声 波 振 动 而进 一 飞 步 雾化 。
生高频率 、 振 幅 的剧 烈 振 动来 强 化雾 化 的一 种 高
作用 使超声 波雾化 喷嘴 可 以获 得 直 径 小于 ６ ， ０ｒ ｕ ｎ 的 雾滴， 因此燃烧 充分 ， 可节 约燃料 。
４ 超声波 雾化喷 嘴 的试验 研究
喷雾技 术 。它 的雾 化 机 理研 究并 不透 彻 ， 是它 但
实验摸 索声 雾化 燃烧 器 声 学 参 数声 压 、 率 等 的 频
变化 规律 。
４ ２ １ 芦 压 ・・
径 等因 素对 液滴 形成 的影 响减弱 。因此选 用较低 的喷射 压 力 对 提 高 喷 嘴 的工 作 稳 定 性 也 是 有 利
的。
声压 是直接 影响 雾化燃烧 效果 的一个 重要 声
完全 不 同于 其它 雾化 形式 。 目前认 为有 两种 因素
起作 用 ： 个是 高频率 、 振幅 的超 声本 身将非 常 一 高 强 的声波 压力 作 用在 燃 油 上 ， 以及 燃 油 内的空 化 作用 使燃 油雾 化 ； 另一 个 是 高频 振 动 的气 流 所具 有 的剧 烈紊流 脉 动 将 油膜 拉 成 细 丝， 碎 成 油滴 破 而在气 体动 力作 用下进 一步 雾化 成细雾 。超声波 雾化燃 油还 有 一个 起 作 用 的 因素 是 高频 、 振 幅 高
发 更 高效 、 经 济 、 更 更适 用 的燃 料 油 雾化 技术 ， 利
用超 声波 技 术 雾 化 燃 料 油 就 是 其 中 之 一。２ ０世 纪８ ０年代 末 ～９ ０年 代 初 以来 ， 超声 雾化 作 为 一
按发生超 声波 的声 源不 同来 区分 ， 超声 波 雾
化燃烧 器可分 为两大 类 ： 电动式 和流 体动 力式 。 即 图 １ 电动式超 声 波雾化 喷嘴结 构示 意 图。超声 是 波 发生器独 立于 雾化器外 另行设 置 。它装 有 电振
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第ｌ卷 １
２０ ０ ４年 第 ２期
超 声波 雾 化 喷嘴 的研 究 进 展
金 陵分公 司研 究院 孙 晓霞
摘 要 ： 述 了 超 声 波 雾 化 喷 嘴 的研 究 进 展 情 况 ， 绍 了几 种 不 同 类 型 超 声 波 雾 化 喷 嘴 的 结 构 特 点 ， 综 介 简
学 量。它 与共振腔 的几 何尺寸 和气 流出 口前 的压
力 有 关 ， 复试 验 表 明 ： 气体 压 力 不变 的情 况 反 在 下 ， 压 随着 腔体体 积 的增大 而增大 ； 声 当腔体 体 积
一
（ ） 口直 径 小 ， 易形 成液 滴 ， ５喷 容 且其 它 参数 的影 响减 弱。但 小 喷孔 容 易堵 塞 ， 须提 高 对介 必 质的过 滤精 度 。 （ ） 选取 工作频 率 时， ６在 要考虑 与具体 喷 嘴结
器材 料 ， 喷射压 力越 大， 压 电应 变常数 的影 响越 对
显著 。
（） ３ 喷嘴腔 纵 向间隙存 在最 佳值 ， 于最佳 间 处
隙值 时 ， 射流最 容 易断裂 。离开 这个最 佳值 ， 断裂
效果 逐渐 变坏 。 （） ４ 喷射 压 力 高， 流 不 容 易断裂 ， 较 低的 射 在 压 力下 ， 电应 变 常数 、 嘴 腔纵 向 问隙 、 【直 压 喷 喷 ＿ ＝ ｊ
气 体 压 力／ ａ ＭＰ 液 体燃 ０
ｔ
０． ８ ２
图 ４是 美 国公布 的一 项超声 波燃烧 器专利 中 的 电动式 超声 波雾 化喷 嘴示意 图 Ｊ 。
腔 体 体积 ／ ｍｍ
６ ２ ２
声 压 级／ Ｂ ｄ
ｌ ９ ３
０ ２ ８
０ ２ ８
８ ７ ５
１２ ６ ７
１６ ４
１３ ５
：＼ — 堕 ／ —— ～ ／』 ７ — ／ —
４ ２ 流体 动力式 ・
表 ２ 腔 体 体 积 不 变 时 气 体压 力与 声 压 关 系
捣 鸽
腔体 体 积 ／ ｍｍ
８７ ５ ８ ７ ５ ８ ７ ５
气 体 压 力／ ａ ＭＰ
０． ８ ２ ０． ８ ３ ０ ６ ０
声 压 级 ／Ｂ ｄ
１６ ４ １９ ４ １３ ５
中科 院声学 研 究 所 ２ ０世 纪 ８ ０年 代 初 开 始，
从 事声 雾 化燃 烧 器 的研 制 工 作 ， 着重 流体 动力 式 超声 波 雾 化 喷 嘴 的 研 究。 先 后 研 制 成 了 几 种 结
经过 反复试 验 ， 出 了在 较 宽 的压 力 范 围 内 找 声 压波 动较小 的声雾 化喷 嘴各主要 参数 间 的关 系
能够燃烧 好 的 主要 条 件 是 ： 良好 的雾化 质 量 和合 理的配 风 。因此 ， 喷 嘴和 配风 器 是燃 油 锅 炉 的 油 关键设 备 ， 决定锅 炉 的燃烧 质量 。对油 喷嘴来说 ，
应用 中 ， 主要 基 于经 验公 式 以及 具体 不 同状 况 的 实验 曲线给 出的结果与 特性趋 势来 考虑 问题 。因 此， 超声 波燃烧 器 目前 虽 已迈 向应 用阶段 ， 但还 存
胶 质等 ， 直接 影响燃 烧性 能 ， 使燃 料 油的雾化 质量
性影 响等特性 ， 使其 在重 、 渣油等 高粘 度液体 的雾 化过 程 中逐 步 显示 出其优 越 性 。就 现 阶段 来 说 ， 虽 然国 内一些科研 院所 和大专 院校对 超声雾 化特
性 及机理 做了广 泛的研 究 ， 并取 得 了一定 成果 ， 但
器， 易于实 现低 氧燃 烧 ， 而减少 烟气 中的烟尘 和 从 氮氧 污 染 物 的 排 放 … 。利 用 超 声 来 促进 雾 化 效
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超 声 波 雾 化 喷 嘴 的 研 究 进 展 —— 孙 晓 霞
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宽， 气流处 于亚声速 或超 声速 条件下 。 能得 到 当 都
液体 燃 料
较高 的声压 。流体 动力 式超声 波雾化 喷 嘴处理 量 大 ， 构简单 ， 结 性能 可靠 ， 成本较 低 ， 具有 较好 的应
用前 景 。
图 １ 电动式 超声波雾化喷嘴示意图
图 ２ 流体动 力式超声波雾化喷嘴示意图
Ｒ—Ｒ分布 函 数的 指数 ） 。因此 ， 用 超声 波 雾 化 采
当燃 油从进 液管 进 去 到达 喷 嘴 前端 时 ， 表 面张 受 力 以及亲合 力 的作 用 ， 形成 一 层 薄 膜后 在 超 声 波 作用下被 雾 化 。这 种 雾 化器 结 构 紧 凑 小巧 ， 节 调 范 围广 ， 适用 于 小型 的油 雾化 器 。但 需 要 外装 电 气设备 ， 故成本 较高 。
器 和振子 ， 振子的 中心开 有长孔 ， 油从 振子 振幅低 的部分进 入， 从喷 嘴前端 振幅大 的 中心部分 喷 出。
项 新型 雾化技 术逐 渐 引起人 们的关注 。研 究结果
表 明 ： 声波燃 烧 器 的 雾 化性 能 一 般要 优 于 其 它 超 类 型燃烧 器 ， 雾 化粒 径 较 小 （ ｌ Ｏ ｍ 以 下 ） 其 在 Ｏｔ ￣ ， 雾 化液 滴的 均匀性 较 好， 其均匀 性 指数 Ｎ 都 大于 ２ 而普 通 燃 烧 器 的 Ｎ 值 在 １ １ 。 ， 。 ～１ ７之 间 （ 为 Ｎ
由于超声 雾化机 理 、 共振 特性及 影 响因素 较复杂 ， 大 部分 的研究仅 限于有 关实验 现象 的分析 。实 际
下降， 燃烧不完全， 烟气中有害气体含量增加， 喷 嘴易结 焦等 。燃 烧 重 油 、 渣油 的 工 业炉 如 何 提高
喷 嘴的 雾化 质 量 ， 合理 配 风 ， 提高 燃 烧效 率 ， 能 节 降耗是 人 们研 究的主 要课题 之一 。保证燃 油锅炉
的气 流具有 线性 运动 动能 ， 在与 油滴碰撞 时 ， 能 将
４ １ 电动 式 ・
航 天工业 总公 司 ３ 所 ， １ 中国海鹰 机 电技 术研