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脉动气流雾化料液的试验研究

                   肖志锋    谢翔燕    王俊    刘相东
            中国农业大学工学院农业工程系,北京(100083)

    摘  要:脉动燃烧器产生的高温振荡尾气流对于很多料液能同时进行破碎和干燥,提供了一种新的雾化方法——脉动气流雾化,它用于喷雾干燥能够以更低的成本得到质量更好的粉末颗粒。本文研究了脉动燃烧尾气流雾化料液过程中料液流量、脉动气流频率和料液粘度对雾化粒度和粒度分布的影响规律。本试验采用的是小型亥尔姆霍茨(Helmholtz)型脉动燃烧器,通过激光测试仪获得雾粒的粒度和粒度分布等数据。试验结果分析表明:脉动气流频率越大、料液流量越小和料液粘度适中时雾化效果最好;采用脉动气流雾化得到的雾滴的Sauter平均直径更细,粒度重量分布均匀。
    关键词:脉动燃烧;料液雾化;喷雾干燥;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
    脉动燃烧喷雾干燥技术是将脉动燃烧器与传统喷雾干燥过程相结合而成的一种新型干燥技术,具有能源利用率高,排放污染小,传热传质效率高,设备简单等优点,该技术利用一种更有效的热能发生器——脉动燃烧器产生的高频、高温、高速振荡尾气流直接将液态物料雾化成小雾滴,然后快速完成雾滴的干燥过程[1]。传统的喷雾干燥设备由于喷嘴容易堵塞和磨损,经常需要停机修理和更换喷嘴。作者在对脉动燃烧器运用过程的研究中发现,利用脉动燃烧器产生的高速脉动气流可直接雾化料液,无需喷嘴和高压泵,可免除喷嘴维修的时间和费用,也无需气体泵送装置,这显然是脉动燃烧喷雾干燥技术所具有的一个最大优点。以脉动气流作为雾化动力,对料液进行雾化操作,将能解决传统的喷雾干燥技术难题。目前,国内外对于脉动燃烧喷雾干燥的研究主要集中在其干燥过程的传热传质、数值模拟等基础理论方面和物料的干燥适应性方面[2~5],而对于干燥前脉动气流料液雾化方面的研究极少。脉动气流对料液的雾化效果对于后续的雾滴干燥过程的有效进行和干燥后固体颗粒产品的质量都密切相关,因此,深入了解脉动气流雾化的特点、效果和作用机理非常必要。
    评价料液雾化效果的两个最重要指标是雾滴粒度和粒度分布。本研究的主要目的是通过脉动气流雾化试验探求料液流量、脉动气流频率和料液粘度这三个因素各自对雾滴粒度和粒度分布的影响规律,希望有助于脉动气流雾化机理的研究,为脉动燃烧喷雾干燥技术的进一步开发和利用提供参考。
1 试验装置与方法
1.1 试验装置
    图1所示为脉动气流雾化料液试验装置示意图,装置主体为脉动燃烧器和激光粒度测试仪。
       

                                       图1  脉动气流雾化料液试验装置示意图
1-液化气瓶;2-减压阀;3-转子流量计;4- U形压力计;5-电磁阀;6-控制器;7-燃气去耦室;8-燃气阀;9-火花塞;10-空气阀;11-鼓风机;12-燃烧室;13-尾管基段;14-尾管;15-料液入口;16-激光粒度测试仪
    进行脉动气流雾化试验,首先需要一台工作性能稳定可靠的脉动燃烧器,本研究采用功率为25 kW的膜片式亥尔姆霍茨(Helmholtz)型脉动燃烧器[1]产生高频、高温、高速的脉动尾气流,脉动气流与从料液入口流入的料液混合而进行雾化试验,料液入口位于尾管末端。依据脉动燃烧器频率跳变原理,脉动气流的脉动频率通过改变脉动燃烧器尾管的长度来改变[2]。料液的流量和粘度分别通过转子流量计和粘度计测量。雾滴的粒度和粒度分布两个指标在本文分别用雾滴的Sauter平均直径(Dvs)和粒度重量分布表示。雾化后雾滴的Dvs值和粒度重量分布图由英国Malvern公司生产的Mastersizer S型激光粒度测试仪[6]获得,激光粒度测试仪安装在距料液管出口下方280mm处,此处料液雾化完全。
1.2 试验设计和安排
    通过前期预备试验,本文试验设计如下:首先进行脉动频率为100Hz以水为料液的不同流量条件下的脉动雾化试验,料液流量选三水平(62L/h、54 L/h和35 L/h);再进行料液流量为35 L/h以水为料液的不同脉动频率条件下的脉动雾化试验,脉动频率选三水平(100Hz、75Hz和61Hz);最后进行100Hz频率和35L/h流量下不同动力粘度麦芽糖溶液的脉动雾化试验,实验原料选用北京市饴糖厂生产的高麦芽糖浆,通过稀释不同的倍数获得不同的粘度,粘度选四水平(0.001Pa.s、0.007 Pa.s、0.016 Pa.s和0.041 Pa.s)。每一工况下试验的具体步骤如下:
    1)安装脉动燃烧器,固定燃气流量为0.9m3/h,选定脉动频率水平;
    2)安装激光粒度测试仪,选择直径为300mm的透镜,其粒度测量范围为0.5~880µm;
    3)安装实验台,调整尾管出口与激光光束的位置,其垂直距离为560mm是激光探测器采集数据点的最佳位置;
    4)点燃脉动燃烧器,进行此条件下激光粒度测试仪光学校准和背景规零;
    5)分别选定料液的流量水平和粘度水平,检测其雾化效果,记录实验数据;
    6)选择激光测试仪的多分散相分析模型和Standard-Dry(3RHA)表示式,进行数据处理,得出雾滴的Dvs值和粒度重量分布图。
2 试验结果和分析
2.1 脉动频率一定,料液流量变化条件下雾化
    图2是脉动频率为100Hz的脉动气流雾化流量变化的纯水料液时所得到的雾滴粒度重量分布图。当流量分别为62L/h、54L/h和35L/时,测得雾滴DVS值分别为73µm、70µm和66µm。频率为100Hz的脉动燃烧器产生的脉动气流在雾化不同流量的料液时,随着流量的减小,雾滴DVS值减小,粒度重量分布越均匀。试验中还发现当流量低于28L/h时,雾滴粒度过小,极易被蒸发而来不及进行检测。为方便实验数据检测,本文选择雾化效果较好的流量为35L/h条件下进行后续实验。

        图2  脉动频率100 Hz雾滴粒度重量分布图             图3  料液流量35 L/h 雾滴粒度重量分布图
2.2 料液流量一定,脉动频率变化条件下雾化
    图3是流量为35L/h的纯水料液脉动频率变化时所得到的雾滴粒度重量分布图。当脉动频率分别为100Hz、74Hz和61 Hz时,测得雾滴DVS值分别为66µm、73µm和93µm,中间直径DM值分别为80µm、88µm和107µm。随着频率的减小,雾滴DVS值增大,粒度重量分布均匀性变差。当流量固定为35L/h,三个频率样本中频率为100.51Hz时的雾化效果最好。
2.3 脉动频率和料液流量一定条件下,料液粘度变化条件下雾化
    图4是脉动气流频率为100Hz,雾化流量固定为35L/h时的不同动力粘度的料液,所得到的雾滴粒度重量分布图。当料液动力粘度分别为0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s时,测得雾滴DVS值分别为66µm、53µm、59µm和76µm。可见,粘度变化对雾化效果也存在很大的影响,而且影响程度随着料液粘度的变化而变化。从实验及分析可以看出,随着料液动力粘度的增大,雾化细度先减小后增大。这种波动情况是由于表面张力的作用而出现的,粘度大的液体,其表面张力也大。适当的表面张力,有助于液滴的表面收缩,达到比较小的雾滴粒度,而且一定的表面张力可以阻止颗粒间进一步聚合;但是当表面张力过大,会对雾化起到阻碍的作用,雾化出来的雾滴粒度较大,对雾化过程不利。因此,在脉动频率和料液流量一定时,动力粘度适中的料液的雾化效果最好。
         

        图4  脉动频率100 Hz、流量35L/h雾滴粒度重量分布图
3 结语
    本文从雾滴的Sauter平均直径和粒度重量分布两个方面,分别进行了料液流量、脉动气流频率和料液粘度对雾化效果影响的试验研究。试验结果表明,这三个影响因素对脉动气流雾化效果都有较大的影响,脉动气流频率越大、料液流量越小和料液粘度适中时雾化效果最好;本试验条件下采用脉动气流雾化得到的雾滴的Sauter平均直径在50~100µm之间,粒度重量分布均匀,应用前景广阔。进一步的研究将通过理论与试验相结合的方式,对脉动气流的雾化机理进行探索。

参考文献
[1]  Zinn B T 著,程显辰译. 脉动燃烧[M]. 北京:中国铁道出版社,1994.
[2]  李保国. 脉动燃烧及脉动燃烧干燥的理论分析与实验研究. 北京:中国农业大学博士学位论文 1999.
[3]  吴中华. 脉动燃烧喷雾干燥过程数值模拟. 北京:中国农业大学硕士学位论文 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

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