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                   肖志鋒    謝翔燕    王俊    劉相東
            ^農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)工程系，北京（100083）

    摘  要：脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的高溫振蕩尾氣流對(duì)于很多料液能同時(shí)進(jìn)行破碎和干燥，提供了一種新的霧化方法——脈動(dòng)氣流霧化，它用于噴霧干燥能夠以更低的成本得到質(zhì)量更好的粉末顆粒。本文研究了脈動(dòng)燃燒尾氣流霧化料液過(guò)程中料液流量、脈動(dòng)氣流頻率和料液粘度對(duì)霧化粒度和粒度分布的影響規(guī)律。本試驗(yàn)采用的是小型亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動(dòng)燃燒器，通過(guò)激光測(cè)試儀獲得霧粒的粒度和粒度分布等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果分析表明：脈動(dòng)氣流頻率越大、料液流量越小和料液粘度適中時(shí)霧化效果^好；采用脈動(dòng)氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直徑更細(xì)，粒度重量分布均勻。
    關(guān)鍵詞：脈動(dòng)燃燒；料液霧化；噴霧干燥；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
    脈動(dòng)燃燒噴霧干燥技術(shù)是將脈動(dòng)燃燒器與傳統(tǒng)噴霧干燥過(guò)程相結(jié)合而成的一種新型干燥技術(shù)，具有能源利用率高，排放污染小，傳熱傳質(zhì)效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)利用一種更有效的熱能發(fā)生器——脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的高頻、高溫、高速振蕩尾氣流直接將液態(tài)物料霧化成小霧滴，然后快速完成霧滴的干燥過(guò)程[1]。傳統(tǒng)的噴霧干燥設(shè)備由于噴嘴容易堵塞和磨損，經(jīng)常需要停機(jī)修理和更換噴嘴。作者在對(duì)脈動(dòng)燃燒器運(yùn)用過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn)，利用脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的高速脈動(dòng)氣流可直接霧化料液，無(wú)需噴嘴和高壓泵，可免除噴嘴維修的時(shí)間和費(fèi)用，也無(wú)需氣體泵送裝置，這顯然是脈動(dòng)燃燒噴霧干燥技術(shù)所具有的一個(gè)^大優(yōu)點(diǎn)。以脈動(dòng)氣流作為霧化動(dòng)力，對(duì)料液進(jìn)行霧化操作，將能解決傳統(tǒng)的噴霧干燥技術(shù)難題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于脈動(dòng)燃燒噴霧干燥的研究主要集中在其干燥過(guò)程的傳熱傳質(zhì)、數(shù)值模擬等基礎(chǔ)理論方面和物料的干燥適應(yīng)性方面[2~5]，而對(duì)于干燥前脈動(dòng)氣流料液霧化方面的研究極少。脈動(dòng)氣流對(duì)料液的霧化效果對(duì)于后續(xù)的霧滴干燥過(guò)程的有效進(jìn)行和干燥后固體顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量都密切相關(guān)，因此，深入了解脈動(dòng)氣流霧化的特點(diǎn)、效果和作用機(jī)理非常必要。
    評(píng)價(jià)料液霧化效果的兩個(gè)^重要指標(biāo)是霧滴粒度和粒度分布。本研究的主要目的是通過(guò)脈動(dòng)氣流霧化試驗(yàn)探求料液流量、脈動(dòng)氣流頻率和料液粘度這三個(gè)因素各自對(duì)霧滴粒度和粒度分布的影響規(guī)律，希望有助于脈動(dòng)氣流霧化機(jī)理的研究，為脈動(dòng)燃燒噴霧干燥技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用提供參考。
1 試驗(yàn)裝置與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
    圖1所示為脈動(dòng)氣流霧化料液試驗(yàn)裝置示意圖，裝置主體為脈動(dòng)燃燒器和激光粒度測(cè)試儀。
       
                                       圖1  脈動(dòng)氣流霧化料液試驗(yàn)裝置示意圖
1-液化氣瓶；2-減壓閥；3-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4- U形壓力計(jì)；5-電磁閥；6-控制器；7-燃?xì)馊ヱ钍遥?-燃?xì)忾y；9-火花塞；10-空氣閥；11-鼓風(fēng)機(jī)；12-燃燒室；13-尾管基段；14-尾管；15-料液入口；16-激光粒度測(cè)試儀
    進(jìn)行脈動(dòng)氣流霧化試驗(yàn)，首先需要一臺(tái)工作性能穩(wěn)定可靠的脈動(dòng)燃燒器，本研究采用功率為25 kW的膜片式亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動(dòng)燃燒器[1]產(chǎn)生高頻、高溫、高速的脈動(dòng)尾氣流，脈動(dòng)氣流與從料液入口流入的料液混合而進(jìn)行霧化試驗(yàn)，料液入口位于尾管末端。依據(jù)脈動(dòng)燃燒器頻率跳變?cè)?，脈動(dòng)氣流的脈動(dòng)頻率通過(guò)改變脈動(dòng)燃燒器尾管的長(zhǎng)度來(lái)改變[2]。料液的流量和粘度分別通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和粘度計(jì)測(cè)量。霧滴的粒度和粒度分布兩個(gè)指標(biāo)在本文分別用霧滴的Sauter平均直徑(Dvs)和粒度重量分布表示。霧化后霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖由英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer S型激光粒度測(cè)試儀[6]獲得，激光粒度測(cè)試儀安裝在距料液管出口下方280mm處，此處料液霧化完全。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和安排
    通過(guò)前期預(yù)備試驗(yàn)，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：首先進(jìn)行脈動(dòng)頻率為100Hz以水為料液的不同流量條件下的脈動(dòng)霧化試驗(yàn)，料液流量選三水平（62L/h、54 L/h和35 L/h）；再進(jìn)行料液流量為35 L/h以水為料液的不同脈動(dòng)頻率條件下的脈動(dòng)霧化試驗(yàn)，脈動(dòng)頻率選三水平（100Hz、75Hz和61Hz）；^后進(jìn)行100Hz頻率和35L/h流量下不同動(dòng)力粘度麥芽糖溶液的脈動(dòng)霧化試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原料選用北京市飴糖廠生產(chǎn)的高麥芽糖漿，通過(guò)稀釋不同的倍數(shù)獲得不同的粘度，粘度選四水平（0.001Pa.s、0.007 Pa.s、0.016 Pa.s和0.041 Pa.s）。每一工況下試驗(yàn)的具體步驟如下：
    1)安裝脈動(dòng)燃燒器，固定燃?xì)饬髁繛?.9m3/h，選定脈動(dòng)頻率水平；
    2)安裝激光粒度測(cè)試儀，選擇直徑為300mm的透鏡，其粒度測(cè)量范圍為0.5～880µm；
    3)安裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整尾管出口與激光光束的位置，其垂直距離為560mm是激光探測(cè)器采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的^佳位置；
    4)點(diǎn)燃脈動(dòng)燃燒器，進(jìn)行此條件下激光粒度測(cè)試儀光學(xué)校準(zhǔn)和背景規(guī)零；
    5)分別選定料液的流量水平和粘度水平，檢測(cè)其霧化效果，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；
    6)選擇激光測(cè)試儀的多分散相分析模型和Standard-Dry(3RHA)表示式，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖。
2 試驗(yàn)結(jié)果和分析
2.1 脈動(dòng)頻率一定，料液流量變化條件下霧化
    圖2是脈動(dòng)頻率為100Hz的脈動(dòng)氣流霧化流量變化的純水料液時(shí)所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)流量分別為62L/h、54L/h和35L/時(shí)，測(cè)得霧滴DVS值分別為73µm、70µm和66µm。頻率為100Hz的脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的脈動(dòng)氣流在霧化不同流量的料液時(shí)，隨著流量的減小，霧滴DVS值減小，粒度重量分布越均勻。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量低于28L/h時(shí)，霧滴粒度過(guò)小，極易被蒸發(fā)而來(lái)不及進(jìn)行檢測(cè)。為方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)，本文選擇霧化效果較好的流量為35L/h條件下進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

        圖2  脈動(dòng)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 料液流量一定，脈動(dòng)頻率變化條件下霧化
    圖3是流量為35L/h的純水料液脈動(dòng)頻率變化時(shí)所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)脈動(dòng)頻率分別為100Hz、74Hz和61 Hz時(shí)，測(cè)得霧滴DVS值分別為66µm、73µm和93µm，中間直徑DM值分別為80µm、88µm和107µm。隨著頻率的減小，霧滴DVS值增大，粒度重量分布均勻性變差。當(dāng)流量固定為35L/h，三個(gè)頻率樣本中頻率為100.51Hz時(shí)的霧化效果^好。
2.3 脈動(dòng)頻率和料液流量一定條件下，料液粘度變化條件下霧化
    圖4是脈動(dòng)氣流頻率為100Hz，霧化流量固定為35L/h時(shí)的不同動(dòng)力粘度的料液，所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)料液動(dòng)力粘度分別為0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s時(shí)，測(cè)得霧滴DVS值分別為66µm、53µm、59µm和76µm?？梢?jiàn)，粘度變化對(duì)霧化效果也存在很大的影響，而且影響程度隨著料液粘度的變化而變化。從實(shí)驗(yàn)及分析可以看出，隨著料液動(dòng)力粘度的增大，霧化細(xì)度先減小后增大。這種波動(dòng)情況是由于表面張力的作用而出現(xiàn)的，粘度大的液體，其表面張力也大。適當(dāng)?shù)谋砻鎻埩Γ兄谝旱蔚谋砻媸湛s，達(dá)到比較小的霧滴粒度，而且一定的表面張力可以阻止顆粒間進(jìn)一步聚合；但是當(dāng)表面張力過(guò)大，會(huì)對(duì)霧化起到阻礙的作用，霧化出來(lái)的霧滴粒度較大，對(duì)霧化過(guò)程不利。因此，在脈動(dòng)頻率和料液流量一定時(shí)，動(dòng)力粘度適中的料液的霧化效果^好。
         
        圖4  脈動(dòng)頻率100 Hz、流量35L/h霧滴粒度重量分布圖
3 結(jié)語(yǔ)
    本文從霧滴的Sauter平均直徑和粒度重量分布兩個(gè)方面，分別進(jìn)行了料液流量、脈動(dòng)氣流頻率和料液粘度對(duì)霧化效果影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，這三個(gè)影響因素對(duì)脈動(dòng)氣流霧化效果都有較大的影響，脈動(dòng)氣流頻率越大、料液流量越小和料液粘度適中時(shí)霧化效果^好；本試驗(yàn)條件下采用脈動(dòng)氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直徑在50～100µm之間，粒度重量分布均勻，應(yīng)用前景廣闊。進(jìn)一步的研究將通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)脈動(dòng)氣流的霧化機(jī)理進(jìn)行探索。

參考文獻(xiàn)
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