流量是指流體在一段時間內,經過某一截面積的通過量,分為體積流量與質量流量兩種類型。一般情況下,噴嘴流量指的是體積流量,通常以「升/分鐘」(L/min)為單位,即測量噴嘴每分鐘噴灑出的多少升的液體(液體體積)。
設計噴嘴時,需要考量到許多影響噴灑效果的因素,包含流量大小、流量分佈、壓力差以及噴嘴角度等因素,本文將帶您了解流道設計,流量與流量分佈的相關知識。
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一、流道設計
通過截面積相同的噴嘴,透過改變流道設計,可以調整流量和流量分佈,從而達到不同的噴灑效果。
- 流量=水流的多寡:透過改變流道設計,以增加或減少流速,可以改變噴嘴的流量。
- 流量分佈=水流的分布形狀:改變流道設計,改變水在出口處的分佈形狀,使相同流量的噴嘴,產生不同的流量分佈,譬如將鐘型分佈變成均等型分佈。
二、流量分佈
液體從噴嘴噴灑出來後,根據噴嘴的設計,會形成不同的分佈形態。這些分佈形態決定了液體在覆蓋範圍內的分配情況,簡單來說就是某些區域的水量較多,而某些區域較少。通過這樣的設計,噴嘴可以適應不同的應用需求。我們可以用流量截面圖來理解常見的幾種流量分佈形式:
1. 鐘形分布:中間多、兩邊少
鐘形分布,流量分佈噴霧量在噴射範圍的中間部分最大,兩邊逐漸減少,形成鐘形的分佈曲線。
鐘形流量分佈噴嘴有最高的衝擊力,適合需要集中衝擊力的應用,如清洗表面污垢,由於邊緣區域覆蓋不足,不適合均勻塗覆要求高的情況。
如果希望改善兩側的覆蓋不足,則安裝噴嘴時,可以縮短噴嘴的間距,也就是讓兩顆噴嘴的噴灑範圍重疊,則能改善覆蓋不足情況。
2. 均等分布:中間多、兩邊少
均等分布的流量像是高原一樣,兩測量量較小,中間流量多但分布平均,不像標準凸形分佈有一個高峰。
噴霧在中間部分保持均勻且較高的流量,邊緣區域流量相對較低,形成一個平台狀的分佈。
適合需要在較大區域內保持均勻覆蓋的應用,如噴塗和化學處理,能夠提供較為一致的覆蓋效果,但邊緣的流量仍可能不足。
3. 空心分佈:中間少、周圍多
空心圓錐噴嘴(hollow cone)噴灑的流量分佈效果,,噴霧量在噴射圓形範圍的邊緣區域最大,中間部分相對較少,形成環形或甜甜圈形的分佈,剖面圖看起來是中間凹陷的樣子。
適合需要避免中心區域過度濕潤的應用,如某些精細噴塗或化學反應場合,需注意調整噴射角度和距離,確保邊緣區域不會過度集中。
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三、關於「流量」你還需要知道的 3 件事
- 流量分佈常常會隨壓力改變
- 設計圖與真實情況會有落差
- 角度與流量會影響分佈
1.流量分佈常常會隨壓力改變
設計噴嘴時,設計者界定一標準流量與標準壓力,設計流量分佈效果,由於流量分佈會受壓力影響,當壓力增加或減少時,流體的流速和流向都會改變,從而影響流量的分佈形態。當噴嘴的上游壓力增大時,出口流速增高,但分佈可能會變得更不均勻,尤其是在噴嘴中心和邊緣處。
2.設計圖與真實情況會有落差
一般設計噴嘴時,會忽略不可控的外部因素繪製流量圖,以至於實際噴灑效果和繪製圖不可能完全相符。實際上,噴嘴或管道表面細微的不平整,流體的黏性、湍流效應,都會使得流量分佈與理論設計的理想狀態有差異。而LORRIC承諾的5%或10%噴嘴流量公差,是基於設計的標準壓力和流量條件,保證流量輸出誤差在 ±5% 或 ±10%之內。
3. 角度與流量會影響分佈
噴嘴角度越大,流體擴散越廣,流量分佈可能變得不均勻,邊緣流速減弱。當流量增大時,流速提高,流體的慣性會加強,流量分佈更容易集中在某些方向。
四、體積流率和質量流率
文章前段有提到,流量可分為體積流率和質量流率兩種,噴嘴是以體積流率看流量,體積流率和截面積、流速成正相關,截面積越大,體積流率越大;流速越快,體積流率也越大。
一般來說,我們可以簡單地透過單位來辨別體積流率和質量流率:體積流率單位通常是(m3/s);而質量流率單位通常是(kg/s)。以下會更詳細地說明兩種流率概念。
1.體積流率(Volumetric Flow Rate)
體積流率是在時間內通過某一截面的流體體積,像是超音波流量計、浮子流量計、蹼輪流量計、渦輪式流量計、容積式流量計、電磁流量計等,都是以體積流率計算流量,
體積流率公式中寫作Q,單位通常是(m3/s),體積流率等於截面積乘以流速:
Q =A x V
截面積A越大,體積流率越大;流速V越快,體積流率也越大
像是用水龍頭接水,水流的「快慢」(流速)與水龍頭開口的大小(截面積)都會影響水流的體積流量。,口越大、流速越快,接滿水桶的速度自然也越快。
2.質量流率(Mass Flow Rate)
質量流量則是指在時間內通過某一截面的流體質量,噴嘴設計參考質量流量,科氏力質量流量計、熱式質量流量計、壓差式流量計也都是測質量流量。
質量流率公式中寫作m,單位通常是(kg/s),質量流率等於體積流量乘以流體密度:
m =ρ x Q
流體密度ρ越大,質量流率m越大;體積流量Q越大,質量流率m也越大
加油站為例,車輛加油時,加柴油(密度較高),相比同流速下的汽油,單位時間內會獲得更多的質量流量。
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