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                   肖志鋒    謝翔燕    王俊    劉相東
            ^農業大學工學院農業工程系，北京（100083）

    摘  要：脈動燃燒器產生的高溫振蕩尾氣流對于很多料液能同時進行破碎和干燥，提供了一種新的霧化方法——脈動氣流霧化，它用于噴霧干燥能夠以更低的成本得到質量更好的粉末顆粒。本文研究了脈動燃燒尾氣流霧化料液過程中料液流量、脈動氣流頻率和料液粘度對霧化粒度和粒度分布的影響規律。本試驗采用的是小型亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動燃燒器，通過激光測試儀獲得霧粒的粒度和粒度分布等數據。試驗結果分析表明：脈動氣流頻率越大、料液流量越小和料液粘度適中時霧化效果^好；采用脈動氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直徑更細，粒度重量分布均勻。
    關鍵詞：脈動燃燒；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
    脈動燃燒噴霧干燥技術是將脈動燃燒器與傳統噴霧干燥過程相結合而成的一種新型干燥技術，具有能源利用率高，排放污染小，傳熱傳質效率高，設備簡單等優點，該技術利用一種更有效的熱能發生器——脈動燃燒器產生的高頻、高溫、高速振蕩尾氣流直接將液態物料霧化成小霧滴，然后快速完成霧滴的干燥過程[1]。傳統的噴霧干燥設備由于噴嘴容易堵塞和磨損，經常需要停機修理和更換噴嘴。作者在對脈動燃燒器運用過程的研究中發現，利用脈動燃燒器產生的高速脈動氣流可直接霧化料液，無需噴嘴和高壓泵，可免除噴嘴維修的時間和費用，也無需氣體泵送裝置，這顯然是脈動燃燒噴霧干燥技術所具有的一個^大優點。以脈動氣流作為霧化動力，對料液進行霧化操作，將能解決傳統的噴霧干燥技術難題。目前，國內外對于脈動燃燒噴霧干燥的研究主要集中在其干燥過程的傳熱傳質、數值模擬等基礎理論方面和物料的干燥適應性方面[2~5]，而對于干燥前脈動氣流料液霧化方面的研究極少。脈動氣流對料液的霧化效果對于后續的霧滴干燥過程的有效進行和干燥后固體顆粒產品的質量都密切相關，因此，深入了解脈動氣流霧化的特點、效果和作用機理非常必要。
    評價料液霧化效果的兩個^重要指標是霧滴粒度和粒度分布。本研究的主要目的是通過脈動氣流霧化試驗探求料液流量、脈動氣流頻率和料液粘度這三個因素各自對霧滴粒度和粒度分布的影響規律，希望有助于脈動氣流霧化機理的研究，為脈動燃燒噴霧干燥技術的進一步開發和利用提供參考。
1 試驗裝置與方法
1.1 試驗裝置
    圖1所示為脈動氣流霧化料液試驗裝置示意圖，裝置主體為脈動燃燒器和激光粒度測試儀。
       
                                       圖1  脈動氣流霧化料液試驗裝置示意圖
1-液化氣瓶；2-減壓閥；3-轉子流量計；4- U形壓力計；5-電磁閥；6-控制器；7-燃氣去耦室；8-燃氣閥；9-火花塞；10-空氣閥；11-鼓風機；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
    進行脈動氣流霧化試驗，首先需要一臺工作性能穩定可靠的脈動燃燒器，本研究采用功率為25 kW的膜片式亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動燃燒器[1]產生高頻、高溫、高速的脈動尾氣流，脈動氣流與從料液入口流入的料液混合而進行霧化試驗，料液入口位于尾管末端。依據脈動燃燒器頻率跳變原理，脈動氣流的脈動頻率通過改變脈動燃燒器尾管的長度來改變[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布兩個指標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，激光粒度測試儀安裝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
    通過前期預備試驗，本文試驗設計如下：首先進行脈動頻率為100Hz以水為料液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以水為料液的不同脈動頻率條件下的脈動霧化試驗，脈動頻率選三水平（100Hz、75Hz和61Hz）；^后進行100Hz頻率和35L/h流量下不同動力粘度麥芽糖溶液的脈動霧化試驗，實驗原料選用北京市飴糖廠生產的高麥芽糖漿，通過稀釋不同的倍數獲得不同的粘度，粘度選四水平（0.001Pa.s、0.007 Pa.s、0.016 Pa.s和0.041 Pa.s）。每一工況下試驗的具體步驟如下：
    1)安裝脈動燃燒器，固定燃氣流量為0.9m3/h，選定脈動頻率水平；
    2)安裝激光粒度測試儀，選擇直徑為300mm的透鏡，其粒度測量范圍為0.5～880µm；
    3)安裝實驗臺，調整尾管出口與激光光束的位置，其垂直距離為560mm是激光探測器采集數據點的^佳位置；
    4)點燃脈動燃燒器，進行此條件下激光粒度測試儀光學校準和背景規零；
    5)分別選定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Standard-Dry(3RHA)表示式，進行數據處理，得出霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖。
2 試驗結果和分析
2.1 脈動頻率一定，料液流量變化條件下霧化
    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得到的霧滴粒度重量分布圖。當流量分別為62L/h、54L/h和35L/時，測得霧滴DVS值分別為73µm、70µm和66µm。頻率為100Hz的脈動燃燒器產生的脈動氣流在霧化不同流量的料液時，隨著流量的減小，霧滴DVS值減小，粒度重量分布越均勻。試驗中還發現當流量低于28L/h時，霧滴粒度過小，極易被蒸發而來不及進行檢測。為方便實驗數據檢測，本文選擇霧化效果較好的流量為35L/h條件下進行后續實驗。

        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 料液流量一定，脈動頻率變化條件下霧化
    圖3是流量為35L/h的純水料液脈動頻率變化時所得到的霧滴粒度重量分布圖。當脈動頻率分別為100Hz、74Hz和61 Hz時，測得霧滴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。當流量固定為35L/h，三個頻率樣本中頻率為100.51Hz時的霧化效果^好。
2.3 脈動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是脈動氣流頻率為100Hz，霧化流量固定為35L/h時的不同動力粘度的料液，所得到的霧滴粒度重量分布圖。當料液動力粘度分別為0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s時，測得霧滴DVS值分別為66µm、53µm、59µm和76µm?？梢?，粘度變化對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。從實驗及分析可以看出，隨著料液動力粘度的增大，霧化細度先減小后增大。這種波動情況是由于表面張力的作用而出現的，粘度大的液體，其表面張力也大。適當的表面張力，有助于液滴的表面收縮，達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一步聚合；但是當表面張力過大，會對霧化起到阻礙的作用，霧化出來的霧滴粒度較大，對霧化過程不利。因此，在脈動頻率和料液流量一定時，動力粘度適中的料液的霧化效果^好。
         
        圖4  脈動頻率100 Hz、流量35L/h霧滴粒度重量分布圖
3 結語
    本文從霧滴的Sauter平均直徑和粒度重量分布兩個方面，分別進行了料液流量、脈動氣流頻率和料液粘度對霧化效果影響的試驗研究。試驗結果表明，這三個影響因素對脈動氣流霧化效果都有較大的影響，脈動氣流頻率越大、料液流量越小和料液粘度適中時霧化效果^好；本試驗條件下采用脈動氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直徑在50～100µm之間，粒度重量分布均勻，應用前景廣闊。進一步的研究將通過理論與試驗相結合的方式，對脈動氣流的霧化機理進行探索。

參考文獻
[1]  Zinn B T 著，程顯辰譯. 脈動燃燒[M]. 北京：^鐵道出版社，1994.
[2]  李保國. 脈動燃燒及脈動燃燒干燥的理論分析與實驗研究. 北京：^農業大學博士學位論文 1999.
[3]  吳中華. 脈動燃燒噴霧干燥過程數值模擬. 北京：^農業大學碩士學位論文 2002
[4]  T. Kudra, M. Benali, and I. Zbicinski.  Pulse Combustion Drying: Aerodynamics, Heat Transfer, and Drying Kinetics. Drying Technology 2003, Vol. 21, No. 4, 629~655
[5] Liu X D, Cao C W, Li B G, Zbcinski I, Strumillo C.  Pulse combustion drying[C]. Proceedings of the 11th International Drying Symposium (IDS’98), ZITI EDITIONS press, 1998, Vol. A, 496～503
[6]  Malvern Instruments handbook. Malvern Instruments Ltd. England 1997