肖誌鋒    謝翔燕    王俊    劉相東（dōng）
            ^農業大學工學院農業（yè）工程係，北京（100083）

    摘  要：脈動燃燒器（qì）產生的高（gāo）溫振蕩尾氣流對（duì）於很多料液能同時（shí）進行破碎和幹燥，提供了一種新的霧化方法——脈動氣流霧化，它用於噴霧幹燥能夠以更低（dī）的成本得到（dào）質量更好的粉末顆粒（lì）。本文研（yán）究了（le）脈動燃燒尾氣流（liú）霧化料（liào）液過程中料液流量、脈動氣流頻率和（hé）料液（yè）粘度對霧化粒（lì）度（dù）和粒度分布的影響規律。本試驗采（cǎi）用（yòng）的是小型亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動燃燒器，通（tōng）過激光測試儀獲得霧粒的粒度和粒度分布等數據。試（shì）驗結果分析表明：脈動氣（qì）流頻率越大、料液流量越小和料液粘（zhān）度適中時霧化效果^好（hǎo）；采用脈動氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直徑更細，粒度重（chóng）量分布均勻。
    關鍵詞：脈動燃燒；料液霧化；噴霧幹燥；粒度分析

          Experimental Investigation on Liquid Atomization by
                  an Oscillating Flow
              Z. F. Xiao  X. Y. Xie  J. Wang  X. D. Liu*
          (College of Engineering, China Agricultural University)
    ABSTRACT：A pulse combustor offers a new atomization method for spray drying that yields higher quality powders at lower cost. It uses hot and oscillating exhaust gases from a pulse combustor to simultaneously break up and dry a wide range of feed materials. In this work the effect of the oscillating frequency, the solution density, and its flowrate on the mean diameter and distribution of droplets atomized by an experimental scale of Holmholtz type resonator were analyzed. The mean diameter and the distribution of atomized droplets were measured from an optical analyzer. The results indicate that the Sauter mean diameter is smaller and the diameter distribution is more uniformity for the droplets obtained from a pulsating flow than those from conventional atomizers.
    Keywords：Pulse combustion；Atomization；Spray drying；Droplet distribution
引言（yán）
    脈動燃燒（shāo）噴霧幹燥技術是將脈動燃燒器與傳統噴霧幹燥過程相結合而成的一種新型幹燥技術，具有（yǒu）能源利用率高，排放汙染小，傳熱傳質效率高（gāo），設備簡單等優點，該技術利（lì）用一種更有效的熱能發生器——脈動燃燒器產生的（de）高頻、高溫（wēn）、高速振蕩（dàng）尾氣流直接將液態物料（liào）霧化成（chéng）小霧滴，然後快速完成霧滴的幹燥過程（chéng）[1]。傳統的噴（pēn）霧幹燥設備由於噴嘴容易（yì）堵塞和磨損，經常（cháng）需（xū）要停機修理和更換噴嘴。作者在對脈動燃燒器運用過程（chéng）的（de）研究中發現，利用脈動燃燒器產生的高速（sù）脈動氣流可直（zhí）接霧化料液，無需（xū）噴嘴和高壓泵，可免除噴嘴維修的（de）時間和費用，也無需氣體泵送裝置，這顯然是脈動燃燒噴霧幹燥技術所具有的一個^大（dà）優點。以脈（mò）動氣流作為霧化動（dòng）力，對料液（yè）進行霧化操作，將能解（jiě）決傳統的噴霧幹燥技術難題。目（mù）前，國內外對（duì）於脈動燃燒噴霧幹燥的（de）研究主要集（jí）中在其幹燥過程的傳熱傳質（zhì）、數值模擬等基礎理（lǐ）論方麵和物料的幹燥適應性方麵[2~5]，而對於幹燥前脈動氣流料液霧化方麵的研究極少。脈動氣流對料液的霧化效果對於後續的霧滴幹燥過程的有效進行和幹燥後固（gù）體顆粒（lì）產品的質量都密切相關，因此，深入了解（jiě）脈動氣流霧化的特點、效果和作用機理非常必要。
    評價料（liào）液霧化效果的兩個^重（chóng）要指標是霧滴粒度（dù）和粒度分布。本研究的主要（yào）目的是通過脈動氣流霧化試驗探求料液流量（liàng）、脈動（dòng）氣流頻（pín）率和料液粘度這三個因素各（gè）自對霧滴粒（lì）度和粒度分布的（de）影響規律（lǜ），希望有助於脈動氣流霧化機理的研究，為脈動燃燒（shāo）噴霧幹（gàn）燥技術的進一（yī）步開發和（hé）利用（yòng）提供參考。
1 試驗裝置與方法
1.1 試驗裝置
    圖1所示為脈動氣流霧（wù）化料液試驗裝置示意圖，裝置主體為脈動燃（rán）燒器和（hé）激光粒度測試儀。
       
                                       圖1  脈（mò）動氣流霧化料液試驗裝置示意圖
1-液化氣瓶；2-減壓閥；3-轉（zhuǎn）子流量計；4- U形壓力計；5-電磁（cí）閥；6-控製器（qì）；7-燃氣去耦室；8-燃氣閥；9-火花塞；10-空（kōng）氣閥；11-鼓（gǔ）風（fēng）機；12-燃燒室；13-尾管基段；14-尾管；15-料液入口；16-激光粒度測試儀（yí）
    進行脈動氣流霧（wù）化試驗，首先需要一台工作性能穩定可靠的脈（mò）動燃燒器，本研（yán）究（jiū）采用功率為25 kW的（de）膜片式亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動燃燒器[1]產生高頻（pín）、高溫、高速的（de）脈動尾氣流，脈動氣流與從料液入口流入的料液混合而進行霧化試驗，料液入口位於尾管末端。依（yī）據（jù）脈動燃燒器頻率跳變原理，脈動氣流的脈（mò）動頻率通過（guò）改變脈動燃燒器尾（wěi）管的長度來改變[2]。料液的流量和粘度分別通過轉子流量計和粘度計測量。霧滴的粒度和粒度分（fèn）布兩個指標在本文（wén）分別用（yòng）霧滴的Sauter平均直徑(Dvs)和粒度重量分布表示。霧化後霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖由英國Malvern公司生產的Mastersizer S型激光粒度測試儀[6]獲得，激光粒度測試儀安（ān）裝（zhuāng）在距料液管出口下方280mm處，此處料液霧化完全。
1.2 試驗設計和安排
    通過（guò）前期預備試驗，本文試驗（yàn）設計如（rú）下：首先（xiān）進行脈動頻率為100Hz以水為料液（yè）的不同流量條件下的脈動霧化試驗，料液流量選三水平（62L/h、54 L/h和35 L/h）；再進行料液流量為35 L/h以水（shuǐ）為料液的不同脈動頻率條件下（xià）的脈（mò）動（dòng）霧化試驗，脈動頻率選三水平（100Hz、75Hz和61Hz）；^後進行100Hz頻率和35L/h流量下不同動力粘度（dù）麥芽糖溶（róng）液的脈動霧化試（shì）驗，實驗原料選用北京市飴糖廠生產的高麥（mài）芽糖漿，通過稀釋不同的倍數獲得不同的粘度，粘（zhān）度選（xuǎn）四水（shuǐ）平（píng）（0.001Pa.s、0.007 Pa.s、0.016 Pa.s和（hé）0.041 Pa.s）。每一工況下試驗的具體步（bù）驟如下：
    1)安裝脈（mò）動燃燒器（qì），固定燃氣流量（liàng）為0.9m3/h，選定脈動頻率水平；
    2)安裝（zhuāng）激光粒度測試儀，選擇直（zhí）徑為300mm的透鏡，其粒度測量範圍為0.5～880µm；
    3)安裝（zhuāng）實驗台，調整尾管出口（kǒu）與激光光束的位置，其垂直距離為560mm是激（jī）光（guāng）探測器（qì）采（cǎi）集（jí）數據點的^佳位置（zhì）；
    4)點燃脈動燃燒器，進（jìn）行此條件下激光粒度測試儀光學校準和背景規零；
    5)分別選（xuǎn）定（dìng）料液的流量水平和粘度水平，檢測其霧化效果，記錄實驗數據；
    6)選擇激光測試儀的多分散相分析模型和（hé）Standard-Dry(3RHA)表示（shì）式，進行數據（jù）處理，得出霧滴的（de）Dvs值和粒度重量分布圖。
2 試驗（yàn）結果和分析
2.1 脈動頻率一定，料液流量變化條件（jiàn）下霧化
    圖2是脈動頻率為100Hz的脈動氣流霧化流量變化的純水料液時所（suǒ）得到的霧滴粒度重量分布圖。當流量分（fèn）別為62L/h、54L/h和35L/時，測得霧滴DVS值分別為（wéi）73µm、70µm和66µm。頻率為100Hz的（de）脈動燃（rán）燒器產生的脈動氣流在（zài）霧化不（bú）同流量的料液時，隨（suí）著流量的減小，霧滴DVS值減小，粒度（dù）重量分布越均勻。試驗中還發（fā）現當流量低於（yú）28L/h時，霧滴（dī）粒度過小，極易被蒸發而來不及（jí）進行檢測。為方便實驗數據檢測，本文（wén）選擇霧化效果較好的流量為35L/h條件下進行後續實驗。

        圖2  脈動頻率100 Hz霧滴粒度重量分布圖             圖3  料液流量35 L/h 霧滴粒度重量分布圖
2.2 料（liào）液流（liú）量一定，脈動頻率變化條（tiáo）件下霧化
    圖（tú）3是流量為35L/h的純水料液脈動頻率變化（huà）時所得到的霧滴粒（lì）度（dù）重量分（fèn）布（bù）圖。當脈（mò）動頻率分別為100Hz、74Hz和61 Hz時，測得霧滴DVS值分別為66µm、73µm和（hé）93µm，中間直徑DM值分別為80µm、88µm和107µm。隨（suí）著頻率的減小，霧滴DVS值增大，粒度重（chóng）量分布（bù）均勻性變差。當流量固定為35L/h，三個頻率樣本中頻率為100.51Hz時（shí）的霧化效果^好。
2.3 脈動頻率和料液（yè）流量一定條件下，料（liào）液粘度變化條件下霧（wù）化
    圖4是脈動（dòng）氣流頻率為100Hz，霧化流量固定為35L/h時的（de）不同動力粘度的料液，所得到的霧滴（dī）粒度重量分布圖。當料液動力粘度（dù）分別為（wéi）0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s時，測得霧（wù）滴DVS值分別為66µm、53µm、59µm和76µm。可見，粘度變（biàn）化對霧化（huà）效果也存在很（hěn）大的（de）影響，而且影響程度隨著料液（yè）粘（zhān）度的變化而變化。從實（shí）驗及分（fèn）析可以看出，隨著料（liào）液動力粘度的增大，霧化細度先減（jiǎn）小後增大。這種波動情況（kuàng）是由於表（biǎo）麵張力的作用而出現的，粘（zhān）度大的液體，其表麵張力也大。適當的表麵（miàn）張力，有助於液滴的表麵收縮，達到比較小的霧滴粒度，而且一定的表麵張力可（kě）以阻止顆粒間（jiān）進一步聚合；但是當表麵張力（lì）過大，會（huì）對（duì）霧化起到阻（zǔ）礙的作用，霧化出來的霧滴粒度較大，對霧化過（guò）程不利（lì）。因此，在脈動頻率和料液（yè）流量一定時，動力粘度（dù）適中的料液（yè）的霧（wù）化效果^好（hǎo）。
         
        圖4  脈動頻率100 Hz、流量35L/h霧滴粒度重量分布圖
3 結語
    本（běn）文從霧滴的Sauter平均直徑和粒度重量分布（bù）兩個方麵，分別進行了（le）料液流量、脈動氣流（liú）頻率和（hé）料液粘度對霧化（huà）效果影（yǐng）響的試驗研（yán）究（jiū）。試驗結果表明，這三個影響因素對脈動氣流霧化效果（guǒ）都有較大（dà）的影響，脈動氣流（liú）頻率越大、料液流量越小和料液粘度適（shì）中時霧化效果^好；本試驗條件下采用脈動氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直（zhí）徑在50～100µm之間，粒度重量（liàng）分布均勻，應用前（qián）景廣闊。進一步的研究將（jiāng）通過理論與試驗相結合的方式，對脈（mò）動氣流的霧化機理進行探索。

參考文獻（xiàn）
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