超声波雾化喷嘴的设计

文章编号 : 1005 - 2046 (2006) 04 - 0014 - 04 超声波雾化喷嘴的设计 梁　荣 , 党新安 , 赵小娟 (陕西科技大学 机电学院 , 陕西 咸阳 　712081) 摘 　要 : 在超声波雾化设计原理的基础上 , 将雾化喷嘴按照用途进行了分类 , 总结了三类超 声波雾化喷嘴。在研究雾化汽油等燃料类的喷嘴、雾化水类的喷嘴的基础上 , 着重叙述了制 取微细金属粉末的超声波雾化喷嘴 ; 在固体雾化技术研究的基础上 , 研制成一种新型的雾化 喷嘴 ———双层固体技术雾化喷嘴 , 叙述了它的工作原理和雾化机理 , 并进行了简单的实验验 证。 关键词 : 超声波 ; 雾化喷嘴 ; 气雾化 中图分类号 : TF12311 + 12 　　　文献标识码 : A Research on Design of Ultrasonic Atomizer LIANG Rong , DANG Xin2an , ZHAO Xiao2juan ( Shanxi University of Science & Technology , Xianyang 712081 , China) Abstract : Based on the theory of ultrasonic atomization , the nozzles are classified according to the applications with the features of three kinds of nozzles summarized. Based on the study of the atomization nozzles for fuels like petroleum and for water , the atomization nozzles for superfine metal powders are described in detail . Based on the study on the atomization of solids , a new atomization nozzle —double2 deck atomization nozzle for solids is developed with its working principle and atomization mechanism described. Key words : ultrasonic wave ; atomization nozzle ; atomization 收稿日期 : 2006202213 基金项目 : 陕西省自然科学基金 (2005E212) : 陕西省咸阳市科学研究项目 ( K050926) ; 陕西科技大学研究生创新研究基金 ( YC0525) 。 作者简介 : 梁荣 (1981～) , 男 , 山东莱西人 , 硕士研究生 , 主要从事材料加工工程的研究。 1 　前　言 雾化喷嘴根据其用途 , 可分为雾化汽油等燃 料类的喷嘴、雾化水类的喷嘴、雾化医药类的喷 嘴和雾化金属粉末的喷嘴。根据不同的用途 , 其 设计和结构有 所不同。虽然运用高速气流 雾化是实现超细 雾化的有效可行的手段之一 , 但迄今为止 , 这些喷嘴尚无一套理论计算方法 , 对雾化喷嘴的设计还以经验、实验为主。 目前 , 随着现代粉末冶金工艺和高性能粉末 冶金材料的研制 , 以及球栅阵列封装 (Ball Grid Array Package , BGA ) 、金属注射成型 ( Metal 第27卷　第 4 期 上 海 有 色 金 属 Vol127 　No14 2 0 0 6 年 12 月 SHANGHAI NONFERROUS METALS Dec. 2 0 0 6 Injection Molding , MIM ) 、热 喷 涂 ( Thermal Spraying , TS) 、金 属 快 速 成 型 ( Metal Rapid Prototyping , MRP ) 、表 面 贴 装 ( Surface Mount Technology , SMT) 等技术的发展 , 对于金属粉末 的几何特征 , 特别是金属粉末的圆度和尺寸的要 求越来越高 , 现有技术和实际生产的需要之间形 成了一定的差距 , 因此受到了许多生产者和科研 工作者的广泛关注 , 高质高量地制取微细金属粉 末已经成为雾化工艺和设备发展的主要方向。据 统计 , 60 %金属粉末采用雾化法生产。雾化喷嘴 是雾化设备中最重要的组成部分。 2 　超声波雾化设计原理 有关研究认为 , 超声雾化是利用超声能量使 液体在气相中形成微细雾滴的过程 , 即在振动的 液体表面产生超声波 , 由振幅所构成的振峰把液 滴从表面分离并破碎。随着超声波频率增加 , 雾 化液滴越来越细 , 一般在超声波的振动频率作用 下 , 可获得微细的液滴。此外 , 超声波频率场还 能消除或减薄传热面附近的温度附面层 , 从而促 进传热。 超声雾化器分为两大类 : 流体动力型和电声 换能型。流体动力型超声雾化利用高速气体或液 体激发共振腔而产生超声 , 其频率主要由共振腔 的几何尺寸决定 , 雾滴大小与液流速率、气压大 小和喷嘴结构有关。超声气雾化技术采用的就是 流体动力型超声雾化器 , 另外水、有机液体、熔 融金属等液体介质的超声雾化也常采用这种形 式。电声换能器型超声雾化利用换能器将高频电 磁振荡转化为液体的机械振荡 , 使液体破碎成 雾。主要有两种形式 : 一种是压电换能器在液体 中辐射强超声 , 通过薄透声膜辐射到液体中 , 而 在液面产生喷泉状雾化 , 这是典型的超声加湿器 原理 ; 另一种是液体流至超声聚能器表面 , 并形 成薄液层 , 薄液层在超声振动作用下激起表面张 力波 , 当振动面的振幅达到一定值时 , 液滴即从 波峰上飞出而形成雾化[1 ] 。 雾化喷嘴是雾化装置中使雾化介质获得高能 量、高速度的器件 , 也是对雾化效率的高低和雾 化过程的稳定性起重要作用的关键部件。它的功 能是控制雾化介质的流动和流型 , 以求有效地破 碎液体金属和生产特定性能的粉末。雾化喷嘴事 实上是一件换能器 , 即将高压气体具有的动能转 化为金属的表面能。作为换能器 , 其能量转换效 率是至关重要的。 3 　超声波雾化喷嘴 目前实际应用的雾化喷嘴在型式和结构方面 多种多样 , 通常根据液体的温度和生产粉末的要 求 , 选择适当的雾化喷嘴型式。由于它在整个工 艺过程中起着重要的作用 , 一向受到生产和研究 者的极大重视。下文介绍 3 类超声波雾化喷嘴。 311 　雾化水类的喷嘴 ———离心式超声雾化喷嘴 本设计喷嘴为离心2超声喷嘴的组合。当无 雾化剂时 , 具备离心喷嘴雾化的特性 , 水从喷口 喷出后 , 形成锥形水膜 , 水膜在离出口一定距离 处 , 失稳、破碎成大小不同的水珠。由于喷口尺 寸大 , 雾化质量差。有雾化剂时 , 由于高速气流 和超声波的作用 , 锥形水膜离开出口后立即被雾 化成大小不同的水珠 , 水珠随气流向下游运动。 试验设备由水路系统、气路系统和参数测量 仪表组成。超声波雾化喷嘴结构如图 1 所示 , 它 由水路通道、气路通道和共振器 3 部分组成[2 ] 。 从压气机来的压缩空气 , 经过调节阀和涡轮流量 计 , 进入试验件的进气管 1。水从储水箱流出 , 经浮子流量计进入试验件的进水接头 6 , 水压由 气瓶提供。水压和气压分别由各自压力表指示 , 并分别用阀门进行控制。 1 —进气管 ; 2 —导流器 ; 3 —喷管 ; 4 —中心杆 ; 5 —共振腔 ; 6 —进水接头 ; 7 —壳体 图 1 　离心式超声雾化喷嘴示意图 51第 4 期 梁 　荣等 : 超声波雾化喷嘴的设计 　　　 　 　　压缩空气由进气管进入 , 经过导流器 2 从喷 管 3 和中心杆 4 形成的环形通道排出 , 气流在喷 管出口处达到音速。水从进水接头进入 , 通过壳 体 7 上切向孔进入 , 从壳体和喷管外表面形成的 环形喷口流出。共振器由中心杆、共振腔 5 组 成 , 通过结构参数选择 , 使其固有频率和激波振 动频率耦合 , 产生一定频率和压力脉动幅值的超 声波。 312 　雾化汽油等燃料类的喷嘴———喷注式发生 器雾化喷嘴 　　喷注式发生器 (空气哨) , 超声波发生器设 置在燃烧器本体上 , 当液体通过雾化器时 , 在燃 料喷射区和燃烧区产生超声振动 , 雾化燃料和强 化燃烧。为便于制造、使用、维护 , 所使用的超 声波雾化器采用喷注式发生器结构 , 即利用蒸汽 或压缩空气在雾化器内流动 , 在其端部产生超声 波振动以雾化燃油。 为保证工作可靠性与工作质量 (雾化质量) , 雾化器采用两级雾化 , 即机械雾化与超声波雾化 相结合。在雾化器中心采用机械雾化结构 , 燃油 在管道中心流动 , 通过旋流室和雾化片先进行第 一级机械雾化。在雾化室出口处外围有一环形共 振腔槽 , 蒸汽或压缩空气流过环形腔体时 , 高速 气流产生超声波振动 , 对机械雾化喷出的油雾作 第二级雾化 , 从而获得雾化质量满意的燃油雾 化。结构如图 2 所示[3 ] 。 1 —接管 ; 2 —外壳 ; 3 —气环 ; 4 —调节内环 ; 5 —中间环 ; 6 — 调节外环 ; 7 —喷头 ; 8 —分流器 ; 9 —套管 ; 10 —芯管 图 2 　喷注式发生器雾化喷嘴结构示意图 313 　雾化金属粉末的喷嘴———双层固体技术雾 化喷嘴 　　在研究普通的气体雾化过程中 , 我们知道 气体雾化的破碎机理应为五个阶段 : 形成波形 — 波形碎裂和形成条带 —条带破碎和波形破裂 (一 次雾化) —二次雾化 —碰撞和聚合。文献 [ 4 ] 中 , 提出了一种新型的气体雾化制粉方法 ———固 体雾化技术。在不改变现有设备和喷腔结构的前 提下 , 改变雾化介质 , 在雾化气流中加入固体粉 末 , 提高气流的冲击动量 , 增强破碎效果 , 从而 达到提高雾化效率和细粉收得率的目的。 在此技术的基础上 , 作者研发和生产了一种 新型雾化喷嘴 ———双层固体技术雾化喷嘴 , 如图 3 所示。 图 3 　双层固体技术雾化喷嘴 它的工作原理是 : 雾化喷嘴最上端为熔融漏 斗 , 周边是加热线包 , 直接对漏斗加热 , 融化金 属 , 采用 XMT2101 型数字温控仪 (具有 012 级精 度) 精确控制其加热温度 ; 塞杆上半部有螺纹 , 在融化金属时下半部起到堵住漏斗的作用。盖子 用 3 个螺钉固定在漏斗上 , 上面开有 <12 的孔 , 开始时作为加料孔 , 加料完毕后插入温度感应 器 , 精确测量熔融液体温度。漏斗与第一层喷嘴 之间有石墨垫 (型号为 450 度) , 450 度以下时起 很好的隔热效果。雾化开始后 , 通过旋转塞杆 , 每转一圈 , 塞杆高度增加一个螺距 , 在盖子上装 有刻度盘 , 直接指示金属的质流率 , 控制熔融金 属的流速。 喷嘴第一层通入 NaCl 粉末和惰性气体 , 喷 嘴第二层通入高压惰性气体 , 通常在试验中采用 的雾化介质为 N2 , 雾化压力直接由减压阀精确 控制。熔融液态金属或合金 , 初级气雾化是在距 61　　　 上 　海 　有 　色 　金 　属 第 27 卷 　 离第一层喷嘴出口处约 5mm , 被具有高冲击动量 的雾化气流打散成雨伞形。 喷嘴第二层为拉瓦尔喷嘴结构 , 初级雾化完 成之后 , 喷嘴第二层在拉瓦尔喷嘴状的出口的作 用下 , 形成高频激振超声波。超声波与初级雾化 完成后的熔融液态金属或合金相遇 , 开始二次雾 化 , 使其雾化为更小的微液滴。继而冷凝成为固 体微细金属粉末 , 在下落过程中冷却凝固。 它的固体技术雾化机理分析 : 添加 NaCl 粉 末后 , 气体的密度大大提高 , 气体的动量增加 , 因而对液流的冲击力得到了提高 ; 同时 , 所添加 的 NaCl 还可以直接冲入金属液流的内部 , 使液 流被撕裂得更充分。在这两方面的作用下 , 粉末 粒度大大降低 , 细粉收得率得到提高。另外 , 添 加 NaCl 后 , 气流运行的扰动减少 , 可以更集中 地冲击液流 , 这可能是粉末粒度分布范围更集中 的原因。从粉末的化学分析来看 , 最终粉末的残 余 Na 含量很低 , 说明所添加 NaCl 可以通过水洗 有效去除。添加 NaCl 可以明显改进气体雾化的 效率 , 降低粉末粒度 , 提高细粉收得率。所添加 的 NaCl 可以通过水洗有效去除 , 不会过多影响 粉末的纯度[4 ] 。 采用这种新型的双层固体技术雾化喷嘴 , 使 用结果比较满意 , 它的雾化效果较好 , 颗粒较 细 , 分布很集中 , 因而凝固金属的收得率显著提 高。为此 , 决定以这种雾化喷嘴的结构进行下一 步的试验和更好的研发。 4 　结束语 颗粒细、粉末粒度分布范围集中、雾化能耗 小、低污染环境、粉末纯度高、收得率高、粉末 特性可控 , 并且符合“绿色制造技术 ( Green Manufacturing Technique , GMT)”的要求 , 已成为 将来国际上高性能制粉技术发展的主要方向。通 过查新我们知道 : 类似 USD (均匀颗粒成形法) 的快速凝固方法 , 可使液态金属发生无偏析凝 固 , 从而得到亚稳组织 , 如 : 非晶、准晶、微晶 和微米晶合金 , 这也是目前国际上材料学与工程 领域非常热门的课。 参考文献 : [1 ] 张曙光 , 杨必成 , 杨博 , 等. 新型超声雾化技术制备球形 金属粉末 [J ] . 金属学报 , 2002 , 38 (8) : 889. [2 ] 刘鸿 , 王家骅. 超声波雾化喷嘴的试验研究 [J ] . 江苏工 业学院学报 , 2005 , 17 (1) : 32. [ 3 ] Lefebvre A H. Atomization and Spray [ M ] . New York : Hemisphere Publishing Corporation , 1989. [4 ] 陈刚 , 陈振华 , 等. 一种新型的气体雾化制粉方法 [J ] . 中国有色金属学报 , 2001 , 35 (11) : 33. 《铜业工程》征订启事 　　国际刊号 ISSN100923842 　国内刊号 CN3621237/ TF 　广告许可证号 160110682X 中国学术期刊 (光盘版) 收录期刊 , 中国期刊网上网期刊 , 中国学术期刊综合评价数据库来源期刊 , 中文科技期 刊数据库原文收录期刊 , 万方数据 ———数字化期刊群入网期刊。 办刊宗旨 : 推广铜工业技术 , 开展铜技术理论研究 , 交流国内成功经验 , 传递国际铜发展信息。 着重报道 : 铜企业的采矿、选矿、冶金、分析化验、材料加工、机电、工业建筑、自动化、节能、环保、企业管 理和资源综合利用等方面的科研成果、学术和综合评述 , 并侧重报道国内外铜工业生产的建设成就、科技动态、 市场信息、新知识、新技术、新观点等。 请您投稿 , 请您订阅 , 请您刊登广告 刊登广告请直接与本编辑部联系。 本刊为季刊 , 全年订价 38 元 (含邮费) , 订费直接由邮局汇至本编辑部 , 并请附“订刊”字样。 通讯地址 : 江西贵溪江西铜业集团公司 　　邮编 : 335424 　　收款人 :《铜业工程》编辑部 　　 电话 : 0701 —3777132 　　传真 : 0701 —3777132 　　电子信箱 : tygc @chinajournal. net. cn 71第 4 期 梁 　荣等 : 超声波雾化喷嘴的设计