超声雾化系统的雾化性能测试

超声雾化系统的雾化性能测试 黄 晖, 姚 熹, 汪敏强, 吴小清 ( )西安交通大学 电子陶瓷与器件教育部实验室, 西安 710049 摘 要: 研究建立了超声雾化装置, 用激光粒度仪测试了雾化液滴的粒径, 并研究了雾化溶液加入量、超声雾 化功率、载气流量等雾化参数对超声雾化速率及管路输运损失的影响。 结果表明, 雾化液滴的粒径约Ø 2. 6 。在 Λm一定加液量范围内, 加液量的变化对雾化速率影响不大, 雾化速率随载气流量和雾化功率的增大而增大; 而管路输 3 运损失随载气流量的增大先减小, 在载气流量为 800 附近达到最小后, 再随载气流量的增大而增大。ƒcm m in 关键词: 超声雾化; 液滴; 雾化速率; 输运损失 中图分类号: 559 文献标识码: TB A The M ea surem en ts of A tom iz in g Proper t ies of U l tra son ic A tom iz in g Sy stem - - , , , HUA NG Hu iYAO X iW A NG M in q ian gW U X ia oq in g ( )E lect r ica l Ceram ics & D ev ices L ab. , Key L ab. of the E duca t ion M in ist ry, X i’an J iao tong U n iver sity, X i’an 710049, Ch ina A bstra c t: U lt ra son ic a tom izing sy stem w a s se t up in th is w o rk , and th e a tom izing p rop e r t ie s w e re stud ied. T h e , inf luence s of th e a tom izing sam p le vo lum eth e a tom izing pow e r and th e f low ra te of ca r r ie r ga s on th e a tom izing ra te . 216 . and t ran spo r t ing lo ss w e re stud iedT h e size of th e d rop le t s m ea su red by la se r p a r t icle size r w a s abou t ΛmT h e a t2 , om izing ra te ch anged sligh t ly w ith th e sam p le vo lum e decrea singand increa sed w ith a tom izing pow e r and th e f low . , ra te of ca r r ie r ga sW ith th e f low ra te of ca r r ie r ga s increa sedt ran spo r t ing lo ss decrea sed w ith th e f low ra te le ss th an 3 3 800 ƒ, 800 ƒ. cm m in and th en increa sed w ith th e f low ra te h igh e r th an cm m in : ; ; ; Key wordsu lt ra son ic a tom izingd rop le t sa tom izing ra tet ran spo r t ing lo ss 立了用于高温等离子体气化沉积的超声雾化先体溶 1 引言 液输运系统, 并研究了该系统的超声雾化性能。 超声雾化技术广泛应用于空气加湿、农业喷药、 药剂雾化治疗、半导体刻蚀、电子产品盐雾试验以及 超声雾化原理和装置 2 光谱等方面。近年来, 以超声雾化为代表的气溶 超声雾化原理是利用超声换能器产生的超声波 1, 2 胶制备材料技术如喷雾干燥、喷雾热解、液相气 3 4 通过雾化介质传播, 在气液界面处形成表面张力波, 相化学沉积以及熔融液滴沉积等, 日益引起人 由于超声空化作用而使液体分子作用力破坏, 从液 们的关注。在实验室中, 采用超声雾化为基础的材料 体表面脱出形成雾滴, 从而液体被雾化为气溶胶状 制备技术已制备出各种组分和形态的材料, 包括粉 态。超声雾化产生的液滴喷射速度低, 可制得分散均 体、薄膜、涂层、纤维以及纳米复合材料等; 在工业应 匀的 2, 4 级液滴, 而且液滴的初始速度几乎为 Λm 用上, 主 要 集 中 在 用 于 制 备 、以 及 S iO 2T iO 2 A l2O 3 零, 所需载气的流量小, 容易产生高浓度细小的液滴 等材料上, 在制备电子陶瓷薄膜和粉体、光学材料、 6, 7 5 流, 有利于输运和沉积。 贵金属及其他材料方面也显示较明显优势。 超声 本工作所用的超声雾化装置是自行研制的高温 雾化所产生液滴的大小及其粒径分布对所制备材料 6 等离子体雾相气化沉积薄膜系统的一部分, 用于将 的性能影响很大, 但很多的研究主要集中在材料 液态先体溶液超声雾化为液滴, 再用载气将雾滴输 制备上, 而对超声雾化性能的影响研究较少。本文建 运到高温等离子体中, 先体经高温气化后, 在基片上 沉积生成薄膜。 超声雾化装置如图 1 所示。 该装置 , 计算得到雾化瓶中液滴的 径、载气流量和雾化速率 11 3包括超声发生器、雾化瓶以及循环冷却水系统。其中 密度约为 3. 7×10。 ƒk gm 采用激光粒度仪所测量( ) 超 声 发 生 器 2660, 的 振 动 频 率 为HM G recity 的雾化水液滴的粒径分 1. 67 , 雾化功率为 40 。 雾化瓶直径为Ø 50 M H zW 布较宽, 平均粒径为 Ø 2 582 , 小 于 计 算 值 3. 0nm , 高 70 , 采用声阻抗率与水较接近的有机玻mm mm 。 由于在测试过程中大液滴自然沉降较快, 导致 Λm 璃瓶, 减小由于两者声阻抗率相差较大而在水与瓶测量结果小于理论计算值; 而且实际上由于液滴间 底界面发生的超声波反射损失, 以让大部分超声波 的碰撞凝结等原因, 液滴尺寸变大, 因此, 测试结果 能量透射进入雾化瓶中, 雾化溶液。采用低流量泵使 显示液滴的粒径分布较宽。 雾化池中的水不断循环冷却, 避免由于雾化水温度 3 升高而影响雾化速率。 所产生的雾滴用氧气作为载 在载气流量为 1 000 且其他雾化条件 ƒ, cm m in 气, 通过内径为Ø 6 的聚乙烯管输运, 载气流量 mm 不变的情况下, 测得雾化时间为 10 、20 和m inm in () 用 质量流量控制器 07, 北京建中机器厂测量和 D 30 的 平 均 雾 化 速 率 依 次 为 0. 5 ƒ、m in mL m in控制。 0. 49 ƒ和 0. 5 ƒ。 测试结果表明, 该雾 mL m in mL m in 化系统雾化速率均匀, 雾化重复性较好。为比较该超 声雾化系统对水溶液和盐溶液的雾化性能, 配制了 0. 05 ƒ的硝酸铅与硝酸氧钛的水溶液, 在相同 m o lL 雾化条件下分别测得该溶液和水的雾化速率分别为 0144 ƒ和 0146 ƒ。由于硝酸铅与硝酸氧钛 gm in gm in 水溶液的表面张力及其中离子的影响, 该溶液的雾 化速率小于纯水的雾化速率。 图 2 为雾化参数对系统的超声雾化性能的影 3 ( ) 响。 图 2 为 载 气 流 量 分 别 为 1 000 和ƒa cm m in 3 1 500 ƒ雾化速率随雾化瓶中加水体积的变 , cm m in 化图。 由图可见, 随着雾化瓶中加液量的增加, 雾化 3 速率呈逐渐减小趋势。 载气流量为 1 000 ƒcm m in 的曲线在加液量约为 50 , 雾化速率随体积变化 mL 不明显; 当加液量增大到 70 , 雾化速率增大到一 mL 图 1 超声雾化系统 极大值后迅速减小, 溶液呈现雾化困难, 与. M L an2 9 等的研究结果一致。 实验所测得的雾化速率 g let () 用激光粒度仪 290, 测量了超 B IB rook H avern 实际为雾化液滴的排出速率, 在一定的加液量范围 声雾化产生水液滴的粒径; 采用称量法测量了雾化 内, 雾化瓶中雾化介质的实际超声雾化速率较大, 此 前后雾化溶液的减少量及输运管路中液体的增加 时雾化瓶中先体的减少量受载气流量的控制, 因此 量, 由此分别计算了平均雾化速率和管路输运损失; 在载气流量不变情况下, 测得的雾化速率随加液量 的变化较小。随着雾化瓶中加液量的增多, 液面高度 研究了雾化溶液加入量、超声雾化功率、载气流量及 增加, 当液面高度处于超声波能量密度最大处附近 先体类型对雾化速率的影响, 并研究了雾化参数对 时, 超声空化作用强, 溶液的雾化速率达到最大; 当 雾滴在 1 长输运管路中的输运损失的影响。m 液面高度继续增大, 超过超声波在液体中能量密度 最大处时, 超声空化作用减弱, 溶液的雾化速率急剧 3 结果分析与讨论 减小。在本实验中, 测得该雾化瓶的临界加液量约为 83 超声雾化所生成雾滴直径可用 式计算L ang 70 。 随着载气流量增大到 1 500 被载 ƒ, mL cm m in , 3 气 载 出 的 液 滴 量 增 大, 雾 化 速 率 高 于 1 000 ƒ cm 即 ; 而且由于载气流量大, 气体流速较快, 输运管 m in ΠΧ81ƒ3()) ( 1 = 0. 34 d 2路中气流扰动激烈, 管路输运损失也较大。由图可以 Θf 看出, 管路输运损失的变化趋势与雾化速率的变化 式中 为液滴直径; ; 为雾化先体的表面张力d Χ Θ ( ) 为先体密度; 为超声频率。 根据式 1计算取水的 f 3 表面张力为 72. 9 水的密度为 1. 0×10 ƒ, ƒmN m k g 3 , 超声雾化器的振动频率为 1. 67 , 计算得到 m M H z 雾化液滴的粒径为 3. 0 。 根据所计算的液滴粒Λm 趋势基本相同。在一定加液量范围内, 由于加液量对 , 气流的扰动激烈, 此时 路中的气流由层流变为湍流 液滴在管壁上的附着损失占优势, 因此管路输运损 雾化速率的影响不大, 因此在雾化过程中先体量虽 失开始随着载气流量的增大而增大。 然有所减少, 但雾化速率变化很小。 () 图 2 为超声雾化功率对雾化速率的影响。图 c 中表明, 随着超声雾化功率的增大, 雾化速率以及管 路输运损失均增大。随着超声雾化功率的增大, 单位 时间内雾化的先体量增多, 雾化瓶中雾滴的分布密 度增大, 因此被载气带出的雾滴量增多, 管路输运损 失也增大, 表现出雾化速率及输运损失均随超声雾 化功率的增大而增大。 4 结束语 建 立 了 超 声 雾 化 装 置, 雾 化 液 滴 的 粒 径 约 为 216 。在一定加液量范围内, 雾化速率受加液量 Λm 的影响不明显; 当雾化介质液面位于超声波能量密 度最大处附近时, 雾化速率达到最大, 当雾化介质液 面超过此临界值时, 雾化速率随加液量的增加而迅 速减小。雾化速率随载气流量的增大而增大; 随着载 气流量的逐渐增大, 管路输运损失先减小, 在载气流 3 量约为 800 ƒ达到最小后, 再随载气流量的 cm m in 增大而增大。 雾化速率及管路输运损失均随雾化功 率的增大而增大。 参考文献: 1 SH IFL E T T M B , FOL E Y H C. U lt ra son ic depo sit ion 2[]. of h igh se lect iv ity nanopo rou s ca rbon m em b rane s J () , 1999, 285 5 435: 1 90221 905.Science 2 , , . HU A N G C SCH EN J SL E E C HN ebu lized sp ray 1999, 34 depo sit ion of PL T th in f ilm [J ]. J M a te r Sci, () 4: 7272733. 3 W A N G H B , M EN G G Y , P EN G D K. A e ro so l and p la sm a a ssisted ch em ica l vapo r depo sit ion p roce ss fo r 2[].m u lt icom ponen t ox ide L a0. 8 S r0. 2M nO 3 th in f ilm J 2 雾化参数对系统的超声雾化性能的影响 图 () T h in So lid F ilm , 2000, 368 2: 2752278. 吴胜举, 王志刚, 任金莲, 等. 功率超声雾化制备钛金4 () 图 2 为雾化速率随载气流量的变化图。由图 b( ) 属粉 末 的 实 验 研 究 []. 压 电 与 声 光, 2001, 23 6 : J 4902492. 可见, 随着载气流量的增大, 被载气带出的液滴量增 , 2. 5 KA DA S T T HAM PD EN SM ITH M JA e ro so l p ro s2 多, 雾化速率明显增大。 在载气流量较低时, 管路输 []. , , e ssing of m a te r ia ls M N ew Yo rk C h ich e ste r 运损失开始随载气流量的增大而减小, 在载气流量 , , , : 2W e inh e im B r isbaneS igapo reTo ron toW IL E Y 3 1999. V CH , 约为 800 ƒ达到最小; 之后, 管路输运损失随 cm m in , , . 6 M E SS IN G G L ZHA N G S C JA YA N TH I G VC e2 着载气流量的增大而增大。 液滴在管路输运中的损 []. ram ic pow de r syn th e sis by sp ray p y ro ly sis J J A m () 1993, 76 11: 2 70722 726. C e ram Soc, 失主要来自大液滴颗粒在管壁上的自然沉降损失, 7 PA T IL P S. V e r sa t ility of ch em ica l sp ray p y ro ly sis 以及在输运管中由于气流扰动产生的液滴在管壁上 ( ) []. , 1999, 59 3: 1852tech n ique J M a te r C h em P h y s 的附着损失。 在载气流量较小时, 液滴输运速率较 198. 8 . []. LA N G R JU lt ra son ic a tom iza t ion of liqu id s J J A 2 低, 液滴在管壁上自然沉降较快, 沉降损失占优势, () cou st Soc A m , 1962, 34 1: 628. 因此管路输运损失较大; 随着载气流量的增大, 液滴 9 LA N GL E T M , JOU B ER T J C. C h em ist ry of advanced []. : , 1993.m a te r ia ls M O xfo rdB lackw e ll Scien t if ic 输运速率也增大, 液滴在管壁上的沉降损失减小, 因 此管路输运损失减小。当载气流量继续增大, 输运管