喷嘴雾化液滴D50值不确定评价与分析

石零，韩书勇，杨成武，陈文

（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学），江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉430056）

喷嘴雾化液滴D50值不确定评价与分析

石零，韩书勇，杨成武，陈文

（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学），江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉430056）

喷嘴广泛应用于湿法脱硫、除尘等设备中，雾化液滴中位粒径D50是评价喷嘴雾化的重要参数。对孔径分别为1.44 μm和0.46 μm的喷嘴进行不同压力、距离雾化实验，并采用不确定度的评价方法评估了雾化液滴D50值的不确定度。实验和评价结果表明：尽管喷嘴使用条件改变，雾化液滴D50值存在着较大的差别，但相同条件下雾化液滴的D50偏差不大，合成不确定度值小于5.00 μm。进一步说明雾化液滴D50值是由喷嘴结构所决定，用D50指导喷嘴选择是可靠的。

中位粒径；雾化液滴；不确定度评价；雾化喷嘴

0 引言

喷嘴是湿法脱硫、除尘等设备中的关键部件之一［1］，喷嘴的雾化效果直接影响设备系统对污染物的净化效率。喷嘴的雾化效果受很多因素的影响，如雾化压力、雾化液体的物化性质、喷嘴结构、雾化机理等，评价喷嘴的雾化效果指标包括雾化液滴粒径、雾化角、流速等，其中雾化粒径包括D50、D10、D90、D32、D43等参数，而D50是评价雾化液滴粒径的代表性参数，在粒度测试和评价中，一般采用D50作为参考值［2］。目前，国内外科研工作者对喷嘴的雾化特性、结构特点等进行了大量的实验和理论研究［3-5］，对喷嘴的雾化机理、雾化特性都有一定的了解，虽然喷嘴已广泛应用于工业中，但在实际中，仍然存在对喷嘴的选用不当，这其中很大一部分原因是对雾化液滴D50值的偏差的不恰当估计。为此，笔者在孔径分别为1.44 μm和0.46 μm的喷嘴进行不同压力、距离雾化实验的基础上，给出了对喷嘴在不同条件下的雾化液滴D50值测量值的不确定度评估。

1 测量系统和评价模型

喷嘴是液体气溶胶的主要发生装置。液体从喷嘴孔口射流出来，与周围的气体发生相互作用，在此过程中从喷嘴孔口射流出来的液体和与其产生作用力的气体不断地进行质量和动量的交换，液体射流的速度逐渐减小，同时发生滴状分裂、丝状分裂和膜状分裂，形成粒径大小各异的雾化液滴颗粒［6］。喷嘴的雾化液滴是由无数液滴颗粒组成，其粒径大小不一，粒径D50参数表示的是样品中粒径小于它和大于它的颗粒各占50%，而D50值一般作为液滴粒径的代表性参数［7］。

1.1 测量系统

喷嘴雾化液滴粒径的测量是基于欧美克DP-2激光粒度分析仪，测量喷嘴雾化液滴的粒径分布，其中包含有液滴的D50值。在搭建的实验系统上，改变喷嘴雾化条件，测量多组喷嘴雾化液滴的粒径分布，取每组的D50值。

喷嘴雾化实验系统采用一种压力型孔径可调喷嘴，以水为工质。测量仪器欧美克DP-2型激光粒度分析仪使用的主要参数如表1：

表1 DP-2激光粒度分析仪其基本参数和技术指标Tab.1 Basic parameters and technical indexes of the DP-2 laser particle size analyzer

1.2评定模型

雾化液滴D50值采用不确定度的评价方法进行评价［8-9］，建立如下数学模型：其中，y为被测量的雾化液滴的D50值；x为DP-2型激光粒度分析仪测得雾化液滴的D50值。其灵敏度系数为，其不确定度来源主要可以分为：重复测量次数引起的不确定度分量u1、仪器本身引起的不确定度分量u2、环境温湿度引起的不确定度分量u3等。

假设由仪器重复测量所引起的不确定度分量为u（1A类评定），其计算公式为：

其中xk为第k次测量D50值；为D50平均值；n-1为自由度。

u（2B类评定）为仪器本身的不确定度分量，由表1可知，DP-2激光粒度分析仪对雾化液滴D50测量值的精度为±0.03 μm，由矩形分布可知，其不确定度分量：

由于在相同条件下，温湿度及其他因素对D50值的测量造成的影响不大，在此暂不考虑u3及其他因素的影响。根据测量重复次数和仪器本身引起的不确定度，采用合成不确定度的方法进行合成，因为u1和u2相互独立，因此其合成不确定度为：

2 实验结果和雾化液滴D50值不确定度评价和分析

采样建立的评定模型对实验数据进行不确定度的计算和评定，包括在不同的雾化喷嘴喷孔直径、雾化压力和喷孔距测量管线距离条件下的雾化液滴D50值的不确定度评定。

2.1 不同喷嘴孔径下喷嘴雾化液滴D参数的不确定度评价与分析

喷嘴孔径的大小直接影响喷嘴雾化液滴的粒径分布。由实验数据可知：在雾化压力和喷嘴与光线距离相同的情况下，喷嘴孔径较小的喷嘴产生雾化液滴的D50值较孔径较大的喷嘴产生雾化液滴的D50值要小。采用公式（2）对此条件下25组D50值求其不确定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不确定度。表2给出了孔径为0.46 mm和1.44 mm的喷嘴，在雾化压力为0.32 MPa，喷嘴与光线距离为9 cm的雾化条件下，喷嘴所产生的雾化液滴的D50平均值和其合成不确定度值。

表2 不同喷嘴孔径下D50值及其不确定度Tab.2 D50and uncertainty of different nozzle apertures

喷嘴孔径的尺寸与喷嘴雾化液滴的D50值之间暂时没有确切的计算公式，由Lewis-Nukiyama-Ta⁃na-sawa［10］式可以知道在其他参数一定时，液滴粒径的大小随着喷嘴孔径的平方而增加。因此，可以认为喷嘴雾化液滴的D50值是随着喷嘴孔径尺寸的增大而增大。由表2可以看出，在自由度为24时，喷嘴雾化液滴的D50值的合成不确定度值小于0.45μm。

2.2 不同雾化压力下喷嘴雾化液滴D50参数值的不确定度评价与分析

在距离、喷嘴孔径等条件一定时，喷嘴雾化液滴的D50值随着压力的变化而变化。由实验数据可知：在一定的范围内，雾化压力越大，喷嘴雾化液滴的D50值越小且变化率逐渐减小。采用公式（2）对此条件下25组D50值求其不确定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不确定度。表3给出了孔径为1.44 mm的喷嘴在喷嘴与光线距离为9 cm时，在不同压力下的雾化液滴的D50值和其合成不确定度值。

表3 不同压力下D50值及其不确定度Tab.3 D50and uncertainty of different pressure

在高压下，喷嘴将压力转化为液体的动能，液体在喷孔处形成高速运动的射流，与周围的气体介质发生作用，压力越大，液体的动能越大，而液滴粒径的大小是随着射流速度的增加而减小的，所以D50值就减小。采用公式（2）对此条件下25组D50值求其不确定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不确定度。由表3可以看出，在自由度为24时，孔径为1.44 mm的喷嘴在测量光线与喷孔距离为9 cm的雾化液滴的D50值随着压力的增大而减小，其合成不确定度值均小于4.01 μm。

2.3 不同喷嘴与光线距离下喷嘴雾化液滴D50值的不确定度评价与分析

喷嘴与测量光线的距离并不会影响喷嘴雾化液滴的粒径大小，但会影响雾化液滴D50值的测量值。由实验数据可知：喷嘴在雾化压力和喷嘴孔径等参数一定时，喷嘴与光线的距离不同，D50参数的测量值大小也不同，随着距离的增加，D50参数测量值基本上是先增大后减小，当减小到一定值时，又会逐渐增大。采用公式（2）对此条件下25组D50值求其不确定度值u1，然后采用公式（4）求其合成不确定度。表4给出了孔径为1.44 mm的喷嘴，在雾化压力为0.32 MPa的条件下，喷嘴的D50参数值随喷嘴与光线距离的改变而变化。

表4 不同喷嘴与光线距离下D50值及其不确定度Tab.4 D50and uncertainty of different distances between nozzle and ray

液体从喷嘴的喷孔喷出后瞬间被雾化成微细的颗粒状，并呈锥形分布。液体颗粒在出口方向上的速度逐渐减小，在距离喷孔较近的位置，从喷嘴出来的液体还没有完全被雾化，因此所测量的D50值较大。在一定的距离位置，液体被完全雾化，此时雾化喷嘴的D50值是最小的，之后由于部分颗粒之间发生碰撞、凝并以及沉降等作用而发生凝结现象，故雾化液滴的D50值的测量值再次变大。由表4可以看出，D50值的合成不确定度值最大为1.64 μm。

3 结论

通过雾化实验，并用不确定度的评价方法对雾化液滴的D50值进行评价，得出以下结论：

（1）在自由度为24时，对于不同孔径的雾化喷嘴，其D50值的合成不确定度值均小于0.50 μm；

（2）自由度为24时，雾化喷嘴在喷嘴与测量光线的距离为9 cm时，雾化压力从0.14 MPa增大到0.32 MPa的过程中，其雾化液滴的D50值的合成不确定度均小于4.01 μm；

（3）雾化喷嘴在孔径为1.44 mm，雾化压力为0.32 MPa，自由度为24时，喷嘴雾化液滴的D50参数值的合成不确定度均小于1.67 μm。

通过大量的数据统计和分析，提出了一种用不确定度评价方法评定喷嘴雾化液滴D50值的评价方法。实验测量和分析结果表明，喷嘴雾化液滴在不同雾化条件下的粒径存在较大的差别，但每种条件下雾化液滴的D50偏差不大，最大合成不确定度值小于4.01 μm。进一步说明雾化液滴D50值主要是由喷嘴结构所决定，用D50值来指导喷嘴选择是可靠的。

（References）

［1］刘秋生.M5型喷嘴喷淋液滴粒径分布实验研究［J］.华东电力，2014，42（3）：622-626.

［2］SANDRA M，ERIC R，GUILLAUME D.Liquids′atomization with two different nozzles：modeling of the effects of some proce-ssing and formulation conditions by dimensional analysis［J］.Powder Technology 2012（224）：323-330.

［3］魏琪，岑旗钢.喷嘴雾化特性的PDPA实验研究进展［J］.排灌机械，2003，21（4）：27-30.

［4］杨家俊，张冰洁，刘定平.螺旋喷嘴雾化特性试验研究［J］.环境工程，2013，31（5）：71-74.

［5］DUANGKHAMCHAN W，RONSSE F，DEPYPERE F.CFD study of droplet atomization using a binary nozzle in flu⁃idized bed coating［J］.Chemical Engineering Scienc-e，2012（68）：555–566.

［6］向晓东.气溶胶科学技术基础［M］.北京：中国环境科学出版社，2012：176-178.

［7］张福根，荣岳龙.粒度评价方法探讨［J］.中国粉体技术，2001，7（3）：32-34.

［8］臧慕文.分析测试不确定度的评定与表示［J］.分析实验室，2005，24（11）：74-79.

［9］高风英，杨红卫.用不确定度评价测量结果的质量［J］.北京轻工业学院学报，2009，18（3）：57-62.

［10］郭宣祜，王中喜.喷雾干燥［M］.北京：化学工业出版社，1983.

（责任编辑：叶冰）

Uncertainty Evaluation and Analysis of D50Parameters of Atomized Droplet of Spraying Nozzle

SHI Ling，HAN Shuyong，YANG Chengwu，CHEN Wen
（Hubei Key Laboratory of Industrial Fume and Dust Pollution Control，School of Chemistry and Environmental Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Nozzle is widely applied in the devices of wet desulphurization，dust removal and others，the D50of the atomized droplets is the key parameter to evaluate the nozzle.Atomization experiments of different pressure and distance for the nozzle with the apertures of 1.44μm and 0.46 μm were car⁃ried on，and the uncertainty values of the D50of the atomized droplets are calculated with uncertain⁃ty evaluation method.The experiment and evaluation results indicate，the D50value of the atomized droplets changes a lot with the change of atomized conditions，but the deviation of the D50values in the same conditions is small with the maximum value of measure of uncertainty being 5μm.And the further conclusion is that the D50of the atomized droplets is determined by the structure of nozzle，and it is reliable to guide the selection of nozzle with D50.

D50；atomized droplet；uncertainty measurement；spraying nozzle

X70

A

1673-0143（2014）06-0005-04

2014-08-13

武汉市科技计划项目（2013061001010482）

石零（1968—），男，副教授，博士，研究方向：大气污染控制技术。