CN101287555B

CN101287555B - 双料雾化喷嘴

Info

Publication number: CN101287555B
Application number: CN2006800370835A
Authority: CN
Inventors: 迪特尔·沃尔兹; S·哈蒂格
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: PL1931478T3; ES2421923T3; EP2444161B1; CN101287555A; WO2007042210A1; EP1931478B1; US8028934B2; US20090166448A1; EP2444161A1; EP1931478A1; DE102005048489A1; RU2008117344A; RU2441710C2

Abstract

本发明涉及一种双料雾化喷嘴，用来借助于高压气体雾化液体，它带有一个混合室、一个延伸至混合室中的液体入口、一个延伸至混合室中的高压气体入口和一个混合室顺流方向的出口。按照本发明，设置了一个围绕着出口的环状间隙，用来以较高的速度喷出高压气体。应用在比如烟气清洁上。

Description

双料雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种双料雾化喷嘴，用来借助于高压气体雾化液体，它带有一个混合室、一个延伸至混合室中的液体入口、一个延伸至混合室中的高压气体入口和一个混合室顺流方向的出口。

背景技术

在很多工艺流程设备中，液体被分散为气体。其中，通常具有决定意义的是，液体被雾化为尽可能细的液滴。液滴越细，单位液滴表面就越大。由此可以获得巨大的工艺流程上的优势。因为，比如反应器的大小及其制造成本很大的取决于平均液滴大小。但是在多数情况下，平均液滴大小低于某一极限值是绝对不够的。即使一些不是很大的液滴就可以导致很大的故障。特别是在这种情况下，即液滴因为其大小而没有被足够快速地蒸发，这样，液滴或黏稠的微粒在随后的组件中(比如在织物过滤软管或风扇叶片上)沉积并通过结壳或腐蚀导致故障。

为了很细地雾化液体，或者使用高压单料喷嘴或者使用中压双料喷嘴。双料喷嘴的一个优势是，其具有相对较大的流体断面，这样，即使是含有粗微粒的液体也可以被雾化。

图1示出了根据现有技术的一个带有内部混合的双料喷嘴。这种喷嘴的一个根本问题是，混合室7的内壁被液体浸湿。将混合室7的内壁浸湿的液体以液膜20的形式由剪切应力和压力推至喷嘴出口。我们试着假设，喷嘴出口处的内壁由于较高的气相流速被吹干且同时从液膜中只产生非常细的液滴。然而，一个发明者的理论及实践工作(参见附录中的参考文献)表明，如果将液膜推至喷嘴出口的气流达到超音速，内壁上的液膜本身还可以作为稳定的膜存在，不会产生液滴。并且这还可以作为使在火箭推进喷管中运用液膜冷却成为可能的原因。

由气流推至喷嘴出口8的液膜20甚至可以由于粘附力游离于喷嘴出口处尖锐的边缘周围。它们在喷嘴出口8的外侧形成了一个水凸起12。边缘液滴13从水凸起12上脱落，其直径为喷射中心或中心射束21中液滴平均直径的很多倍。尽管这些较大的边缘液滴只占一小部分，但最终对容器的大小尺寸是决定性的，在此容器中，比如气体温度应该通过汽化冷却由350℃降至120℃，不会发生液滴被带到与之相连的风扇或织物过滤器中的情况。

根据现有技术，液体与纵向轴24平行以箭头1的方向导入图1所示的喷嘴中。液体将通过一个与纵向轴24同心方向伸展的喷管2输送并在液体入口10处进入混合室7。喷管2和混合室7同心的由一个环状室6所包围，环状室被建立用来借助于另一个喷管4输送高压气体至双料喷嘴。在此环状室6中，高压气体按照箭头15输送。相对于纵向轴24径向的混合室7圆周壁具有多个高压气体入口5，它们相对于纵向轴24径向布置。通过此高压气体入口5，高压气体可以与通过液体入口10注入的液体射束成直角注入到混合室7中，这样，在混合室7中产生了混合液体/混合空气。在混合室7上连接有一个截锥形的狭窄处3，它构成了一个收敛的出口部分，在最窄的截面14之后又紧接着一个截锥形的扩展9，它构成了一个发散的出口部分。截锥形的扩展9在出口处或喷嘴出口8处终止。

发明内容

通过本发明，提供了一种双料雾化喷嘴，在这种喷嘴中，即可以在边缘区域也可以在射束中心实现一个均匀有规律的细微的液滴谱。

按照本发明，设置了一种双料雾化喷嘴，用来借助于高压气体雾化液体，它带有一个混合室、一个延伸至混合室中的液体入口、一个延伸至混合室中的高压气体入口和一个混合室顺流方向的出口，在这种喷嘴中设置了围绕着出口的环状间隙，用来以较高的速度喷出高压气体。

通过设置充有雾化气体(比如空气或水蒸气)的、将围绕出口的环状间隙，液膜在喷嘴出口的内壁上，特别是在发散的出口部分的内壁上脱落为非常薄的液膜，它分解为小液滴。以这种方式可以避免从喷嘴出口区域内壁液膜中产生较大的液滴或者将其减少到可以接受的程度，同时，可以在射束中心保持细微的液滴谱，不必为此提高双料喷嘴的高压气体用量或与此相关的能量需求。发明者的实验性研究显示，通过设置环状间隙可以将同等能量消耗下的最大液滴大小减至大约三分之一。这应该被归为较小的效应。但要想到，直径以因数3减小的液滴的体积只是较大液滴的二十七分之一。不需要在这里搞清所有已知的相互关系，专业人士就应该明白，由此可以得到关系到汽化冷却装置或吸附装置(比如针对烟气清洁)必要建造容量的巨大优势。通过附加的环状间隙雾化还可以在同等能量消耗下形成基本上更细微的液滴谱。有利的是，环状间隙空气流量占总雾化空气流量的10％至40％。对于在容器或管道内雾化、近似位于环境压力下(1巴)的工艺流程设备，有利的是，环状间隙内空气总压力的绝对值为1.5至2.5巴。有利的是，环状间隙内空气总压力必须达到这样高，即在增加容器内压力水平时近似达到声速。

在本发明的改进方案中，出口借助于一个环形的壁构成，其最外侧的末端构成了一个出口边缘且环状间隙布置于出口边缘的区域内。

以这种方式可以使从环状间隙中以高速喷出的高压气体直接喷出到出口边缘区域中并因此负责可靠地将喷嘴出口处的液膜脱落为非常薄的液膜，然后分解为细微的液滴。

在本发明的改进方案中，环状间隙建立于出口边缘和外侧的环状间隙壁之间。

以这种方式可以使用出口边缘本身来建立环状间隙。这简化了按照本发明的双料雾化喷嘴的构造。

在本发明的改进方案中，环状间隙壁的外侧末端通过环状间隙壁边缘构成且环状间隙壁边缘以流出方向来看布置于出口边缘的后面。有利的是，环状间隙壁边缘布置于出口边缘后出口的直径的5％和20％之间的位置。

以这种方式有效地避免了在出口的边缘处产生粗的液滴。

在本发明的改进方案中，设置了控制机构和/或至少两个高压气体源，这样，输送到环状间隙中的高压气体的压力和通过高压气体入口流入混合室的高压气体的压力可以互相独立的得到调节。

在与环状间隙串接的间隙空气室中的压力可以不依赖于输送给混合室的雾化气体的压力设置时，采用分开的管道来以高压气体给混合室加压和以高压气体给环状间隙加压是有利的。当设备中提供了带有不同反压的空气压缩机或带有相应的不同压力的蒸汽网时，这对于能量需求是有意义的。然而，通常只能够提供带有单一压力的高压气体网。在这种情况下可以比如使用减压器。在通过一个分开的管道以高压气体对环状间隙进行供给时，环状间隙空气流量通过分开的阀门不依赖于输送到混合室中的中心射束空气流量进行调节。

在本发明的改进方案中，为了输送高压气体，混合室至少局部地被环状室所包围，并且一个与环状间隙相串接的间隙空气室与环状室存在流连接。

如果只提供了一个带有单一压力的气体网，不可避免地要从同一个网中提取输送给环状间隙的雾化气体。双料雾化喷嘴的配置可以如下简化，即从环状室中提取输送给环状间隙的雾化气体，从中供给混合室雾化气体。通过合适地确定环状室与间隙空气室之间流连接的大小，按照本发明的喷嘴的能量需求可以被减小到最小程度。流连接将比如借助于环状室与间隙空气室之间分隔墙中的穿孔形成，穿孔的尺寸以横截面或以与组成至混合室的高压气体入口的穿孔的比例关系合适地得到确定。

在本发明的改进方案中，设置了一个至少局部地将出口和环状间隙包围的雾化空气喷嘴。

设置雾化空气喷嘴引起了按照本发明的双料雾化喷嘴喷雾形状的另一个改进，特别是可以避免回流漩涡，通过回流漩涡，液滴和含有灰尘的气体互相混合在一起并导致喷嘴出口处紊乱的堆积。

在本发明的改进方案中，雾化空气喷嘴具有一个出口和将环状间隙包围的雾化空气环状间隙，其出口表面远远大于环状间隙的出口表面。有利的是，供给雾化空气喷嘴的高压气体压力远远小于供给环状间隙的高压气体的压力。

将喷嘴出口以环状包围的雾化空气喷嘴可以以这种方式用较小压力的空气节能地加压。这是非常重要的，因为雾化空气喷嘴的雾化空气环状间隙为了避免回流漩涡必须取远远大于针对液膜雾化的环状间隙的尺寸。

在本发明的改进方案中设置了一些机构，用来将混合室内高压气体和液体的混合物围绕喷嘴的纵向轴冲击成一个涡旋。

用按照本发明的双料雾化喷嘴通过附加的环状间隙雾化可以将存在于喷嘴出口部分内壁上的液膜在喷嘴出口处雾化成较小的液滴，通过上述方法还可以提供其它针对喷嘴构造有意义的出发点。特别是由此允许将混合室内及因此也在喷嘴出口部分中的二相流冲击成涡旋。因此，虽然有更多一些的液滴被甩到出口部分的内壁上，但这由于非常有效的环状间隙喷射不会有影响。形成涡旋的一个优点是，混合室内和出口部分中形成涡旋的流更容易中心对称地得到调节。这用通常的带有内部混合的双料喷嘴几乎不能实现，另外，根据迄今实施的方法，在喷嘴出口处局部地形成了特别大的液滴。结论是，平均液滴大小能够通过中心射束形成涡旋得到显著的降低。

在本发明的改进方案中，高压气体入口具有至少一个延伸至混合室中的第一入口穿孔，它与一围绕喷嘴的中心纵向轴的圆相切，以用来在第一方向产生涡旋。

通过设置切线方向的入口穿孔可以以简单的和不大容易造成堵塞的方式生成混合室内的涡旋。

在本发明的改进方案中，在第一平面中与中心纵向轴垂直且在圆周方向有一定间隔地设置了多个(特别是四个)第一入口穿孔。

通过互相以一定的间隔均匀布置的这种切线方向的入口穿孔，实现了混合室中明显的涡旋。

在本发明的改进方案中，在与纵向轴平行方向与第一入口穿孔成一定距离至少设置了一个第二入口穿孔，它与一围绕喷嘴的中心纵向轴的圆相切，以用来在第二个方向产生涡旋。

以这种方式可以在不同入口穿孔或进气穿孔的平面中形成混合室中反向流动的涡旋反向。通过对流的涡旋方向，在混合室中产生了具有很强的冲击性的剪切层，它用来形成特别细的液滴。

在本发明的改进方案中，在第二平面中与纵向轴垂直且在圆周方向有一定间隔地设置了多个(特别是四个)第二入口穿孔。

在本发明的改进方案中，设置了至少三个与纵向轴平行、互相有一定间隔的带有入口穿孔的平面，其中，相继排列的平面的入口穿孔产生了一个反向的涡旋。

举例来说，按液体进入的顺序来数，第一平面可以具有左旋的入口穿孔，第二平面可以具有右旋的入口穿孔而第三平面可以又具有左旋的入口穿孔。通过对流的涡旋方向，在混合室中产生了具有很强的冲击性的剪切层，它用来形成特别细的液滴。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从权利要求及下面与附图相关的优选实施形式的描述中得出。另外，单个描述的实施形式的单一特征可以以任意方式相互组合，而不会超出本发明的范围。附图说明：

图1按照现有技术的一个双料雾化喷嘴，

图2按照本发明的第一实施形式的一个双料雾化喷嘴，

图2a图2的一个局部放大图，

图3按照本发明的第二优选实施形式的双料雾化喷嘴的一个截面图，

图4图2中喷嘴的一个局部截面图，其中标出了不同的截面平面，

图5图4中平面I的截面图，

图6图4中平面II的截面图，

图7图4中平面III的截面图。

具体实施方式

图2的截面图根据第一优选实施形式示出了一个按照本发明的双料雾化喷嘴30。按照本发明的双料雾化喷嘴30至少在涉及到向混合室注入液体和高压气体以及与混合室相连的喷嘴的造型方面是类似于按照图1的公知的喷嘴建造的。需要进行雾化的液体将以箭头32的方向经过与喷嘴30纵向轴36平行走向的内部喷管34输送并到达相对于管34具有相对小的横截面的液体入口38。在通过液体入口38之后，液体以与纵向轴36同心走向的液体射束的形式到达圆筒形的且与纵向轴36同心布置的混合室40。管34和混合室40被环状室42包围，环状室通过外部喷管43与内部喷管34之间的中间空隙形成，并且高压气体(比如压缩空气)以箭头44的方向注入到环状室中。一个与纵向轴36同心走向的混合室40的圆周壁具有多个进气孔46a、46b、46c，它们共同组成了一个至混合室40的高压气体入口，即用来供给所谓的中心喷射空气。高压气体进气孔46以中心纵向轴36的方向以及还以圆周方向相互错开地布置。不同层中的高压气体由此被注入到混合室40中。高压气体进气孔46的准确布置还将在后面借助于图4至7阐述。

与混合室40相连接设置了一个截锥形的狭窄处48，它构成了一个收敛的出口部分且在通过最窄的截面之后再次过渡为一个具有很小的张角的截锥形扩展，它构成了一个发散的出口部分。发散的出口部分在出口处52或喷嘴出口处终止。出口52通过一个环状的出口边缘54构成，出口边缘组成了顺流方向放置的出口部分末端。

截锥形的狭窄处48和截锥形扩展50被一个漏斗形的部件56所包围，这样，在漏斗形的部件56和出口部分的外墙之间形成了一个环状间隙空气室58。该环状间隙空气室58借助于多个进气孔60从环状室42中供给高压气体。如图2所示的漏斗形部件56的下端通过一个环绕着出口52的环状间隙壁边缘62组成。在环状间隙壁边缘62与出口边缘54之间形成了一个围绕出口52的环状间隙64，它由此也将出口52环状地包围。

通过在图2a中被放大示出的环状间隙64，高压气体以高速流出。通过这种方式，在圆锥形扩展50的内壁上形成的液膜66在此发散状的喷嘴出口部分的出口52处脱落成非常薄的液膜68，它分解为小液滴。发明者的实验性研究显示，通过这种方式，双料雾化喷嘴30的最大液滴大小相对于根据图1按照现有技术的喷嘴在相同能量消耗下可减至大约三分之一。环状间隙空气流量占总雾化空气流量的10％至40％。

如图2和图2a所示，环状间隙出口边缘62比出口边缘54在流出方向凸出一些。通过将外侧环状间隙喷嘴比中心喷嘴的喷嘴出口凸出一些的方法，实现了另一个雾化改进以及尖锐的出口边缘54的保护。有利的是，环状间隙出口边缘62比出口边缘54凸出的长度为出口52直径的5％到20％。

与雾化喷嘴30的实施形式不同的是，环状间隙空气室58可以通过一个单独的管道中的高压气体来供给。另外，比如穿孔60被封闭且高压气体从单独的管道直接输送到环状间隙空气室58中。

图3的截面图按照本发明的第二优选实施形式示出了另外一个双料雾化喷嘴70。双料雾化喷嘴70除了一个附加的雾化空气喷嘴72与图2中的双料雾化喷嘴30的构造是相同的，这样，舍弃了基本工作原理的详细描述且相同的部件配有相同的附图标记。

漏斗形的部件56在双料雾化喷嘴70中被另一个部件74所包围，它原则上为管状结构，组成了另一个喷管且在面向出口52的方向成漏斗形变窄。通过这种方式，在部件74与部件56之间形成了一个雾化空气环状间隙76。雾化空气间隙76大概在出口52的高度处截止且部件74的下部的、环状的边缘布置于与环状间隙壁边缘62同样的高度处。通过这种方式组成的雾化空气间隙的横截面却明显的大于环状间隙64，因此可以在雾化空气注入中避免回流漩涡。将喷嘴出口或出口52环状包围的雾化空气喷嘴72可以节能地采用较小压力的空气加压，它按照箭头78注入。

图2及图3中的双料雾化喷嘴30和双料雾化喷嘴70可以布置于一个伸入流程室的所谓雾化喷管的下部末端。

图4示出了图2中的双料雾化喷嘴30的一个局部截面图。通过带有高压气体进气孔46a、46b、46c的不同平面，设置了以I、II或III标记的截面。

用按照本发明的双料雾化喷嘴30、70通过附加的环状间隙雾化可以将存在于发散的喷嘴出口部分50内壁上的液膜66在喷嘴出口处雾化成较小的液滴，通过上述方法还可以提供其它针对喷嘴构造有意义的出发点。特别是由此允许将混合室40内及因此也在喷嘴30、70的出口部分48、50中的二相流冲击成涡旋。因此，虽然有更多一些的液滴被甩到出口部分的内壁上，但这由于非常有效的附加的环状间隙喷射不会有影响。形成涡旋的一个优点是，混合室40内和出口部分48、50中形成涡旋的流更容易中心对称地得到调节。这用通常的双料喷嘴几乎不能实现，另外，根据迄今实施的方法，这种喷嘴容易“吐口水”从而在喷嘴出口处局部地形成了特别大的液滴。迄今为止，按照图1的传统喷嘴的供气管5的中心线是对准双料喷嘴的纵向轴24。人们倾向于相信，由此一定会得出一个中心对称的流结构。然而却不是这种情况；即使是向混合室输送液体或输送空气时最小的故障也足够使射束侧向偏移。

相反，按照本发明这样设置，即构成高压气体进气孔46a、46b、46c的穿孔分别与一围绕喷嘴的中心纵向轴36的圆相切。因此，旋转的射束自动地在混合室40以及在喷嘴30、70变窄的出口部分和发散的出口部分中汇聚到中央。

高压气体进气孔46a切线方向上的定位可借助于图5的截面图更准确的辨别。总之，在圆周方向相互均匀间隔地在平面I中布置了四个穿孔，它们组成了从环状室42至混合室40的流通连接。所有这些穿孔都被布置成与围绕喷嘴的中心纵向轴36的假想圆80相切。由此，在平面I中形成了一个涡旋，它借助于逆时针方向的圆箭头在图5中示出。

图6示出了形成平面II中的高压气体进气孔46b的四个穿孔的布置情况。高压气体进气孔46b也同样与围绕喷嘴纵向轴36为中心的圆相切地布置，只不过在平面II中，以纵向轴36为中心的流动是以顺时针方向给出。

如图7所示，平面III中的高压气体进气孔46c又是与平面I中的高压气体进气孔46a同样地进行布置，这样，在平面III中再次给出了逆时针围绕纵向轴36的流。

按照本发明还设置了在供气穿孔的不同平面I、II、III中冲击形成对流的涡旋方向。这样，按液体进入的顺序来数，第一供气穿孔平面I左旋地布置，第二穿孔平面II右旋地布置，第三穿孔平面III再次左旋地布置。通过不同平面I、II、III中对流的涡旋方向，在混合室中40中产生了具有很强的冲击性的剪切层，它用来形成特别细的液滴。

此外，双料雾化喷嘴30、70还可以如下优化，流入混合室的巨大的液体射束在与雾化空气进行交换作用之前已经得到分解。这可以以各种传统的方式方法实现，比如通过设置冲击盘、旋转部件及类似装置。

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剪切蒸发液膜的实验及理论研究

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剪切液膜流的次音速-超音速辩证

Claims

1.双料雾化喷嘴，用来借助于高压气体雾化液体，它带有一个混合室（40）、一个延伸至混合室（40）中的液体入口（38）、一个延伸至混合室（40）中的高压气体入口（46a、46b、46c）和一个位于混合室（40）下游的出口（52），其中，在所述混合室中形成液体－/气体混合物，其特征在于，设置了围绕着出口（52）的环状间隙（64），用来以高的速度喷出高压气体，其中所述环状间隙如此构造和布置，使得在处在所述混合室（40）的下游的截锥形的扩展部（50）的限定着喷嘴出口（52）的内壁上形成的液膜（66）在由内壁的最外侧的末端所构成的出口（52）的尖锐的边缘（54）处脱落成薄的液膜（68），该薄的液膜（68）被通过围绕的环状间隙（64）喷出的高压气体分解为小液滴。

2.如权利要求1所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，出口（52）借助于一个环形的壁构成，并且环状间隙（64）布置于出口边缘（54）的区域内。

3.如权利要求2所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，环状间隙（64）构成在出口边缘（54）和外侧的环状间隙壁之间。

4.如权利要求3所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，环状间隙壁的外侧末端通过环状间隙壁边缘（62）构成，且环状间隙壁边缘（62）沿着流出方向来看布置于出口边缘（54）的后面。

5.如权利要求4所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，环状间隙壁边缘（62）布置于出口边缘（54）下游出口（52）的直径的5%和20%之间的位置。

6.如权利要求所述1所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，设置了控制机构和/或至少两个高压气体源，使得输送到环状间隙中的高压气体的压力和通过高压气体入口流入到混合室中的高压气体的压力能够互相独立地得到调节。

7.如权利要求1所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，为了输送高压气体，混合室（40）至少局部地被环状室（42）所包围，并且一个布置在环状间隙（64）之前的间隙空气室（58）与环状室（42）流通连接。

8.如权利要求1所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，设置了一个至少局部地将出口（52）和环状间隙（64）包围的雾化空气喷嘴（72）。

9.如权利要求8所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，雾化空气喷嘴（72）具有一个将出口（52）和环状间隙（64）包围的雾化空气环状间隙，其出口表面远远大于环状间隙的出口表面。

10.如权利要求8所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，供给雾化空气喷嘴（72）的高压气体的压力远远小于供给环状间隙（64）的高压气体的压力。

11.如权利要求1所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，设置了一些机构，用来将混合室（40）内的由高压气体和液体组成的混合物围绕喷嘴（30；70）的中心纵向轴（36）冲击成一个涡旋。

12.如权利要求11所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，高压气体入口（46a、46b、46c）具有至少一个延伸至混合室（40）中的第一入口穿孔，它与围绕喷嘴（30；70）的中心纵向轴（36）的圆（80）相切，以用来在第一方向产生涡旋。

13.如权利要求12所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，在第一平面（I）中与中心纵向轴（36）垂直地且在圆周方向间隔距离地设置了多个第一入口穿孔。

14.如权利要求12所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，在与中心纵向轴（36）平行方向与第一入口穿孔间隔距离地设置了至少一个第二入口穿孔，该第二入口穿孔与围绕喷嘴（30；70）的中心纵向轴（36）的圆相切，以用来在第二个方向产生涡旋。

15.如权利要求14所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，在第二平面（II）中与纵向轴（36）垂直地且在圆周方向间隔距离地设置了多个第二入口穿孔。

16.如权利要求12所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，设置了至少三个与中心纵向轴平行、互相间隔距离的带有入口穿孔的平面（I、II、III），其中，相继排列的平面（I、II、III）的入口穿孔产生了一个反向的涡旋。

17. 如权利要求13所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，设置了四个第一入口穿孔。

18. 如权利要求15所述的双料雾化喷嘴，其特征在于，设置了四个第二入口穿孔。