微米級(jí)液滴撞擊低溫球形顆粒的涂覆凍結(jié)

武秀勝，徐 慶,2，王瑞芳,2，李占勇,2

(1. 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津市低碳綠色過(guò)程裝備國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222)

噴霧冷凍干燥(spray-freeze drying，SFD)是近幾 年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新型的工程技術(shù)，可以生產(chǎn)獨(dú)特的粉末狀產(chǎn)品，同時(shí)還包括常規(guī)冷凍干燥產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，主要用于奶粉、藥物蛋白、卵清蛋白、流感疫苗[1-4]等高附加值熱敏性產(chǎn)品的制備．為了解決粉體的團(tuán)聚、粉體顆粒尺寸不均勻等現(xiàn)象，進(jìn)一步提高噴霧冷凍干燥技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，李占勇等[5]設(shè)計(jì)了一種惰性粒子流化床噴霧冷凍干燥設(shè)備，即在密閉的流化床內(nèi)引入惰性粒子作為流化載體，同時(shí)這類載體顆粒也可作為最終產(chǎn)品的添加劑使用，在封閉的流化床內(nèi)霧化液滴在處于低溫且流化狀態(tài)的載體顆粒上進(jìn)行凍結(jié)、升華干燥和剝離等操作．由于整個(gè)干燥過(guò)程處于密閉的系統(tǒng)下操作，所有步驟都在同一個(gè)設(shè)備中連續(xù)的運(yùn)作，避免了污染環(huán)境，通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)料液食品和含藥性成分的溶液一步干燥成粉體產(chǎn)品，無(wú)需二次加工；而且，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、操作過(guò)程方便快捷、能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的一體化．液滴在載體上的涂覆效果是影響該過(guò)程最終產(chǎn)品的顆粒結(jié)構(gòu)的重要因素，因此研究液滴撞擊低溫載體顆粒表面動(dòng)力學(xué)行為，進(jìn)而作為以后設(shè)備工程化應(yīng)用的理論指導(dǎo)．Bakshi等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了單液滴撞擊干燥球形表面的過(guò)程，從實(shí)驗(yàn)和理論方面研究了液滴撞擊球面時(shí)液膜厚度的變化過(guò)程．通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的分析可以得出結(jié)論：液滴撞擊過(guò)程液膜的形態(tài)變化可以分為三個(gè)階段，分別為液膜初始快速鋪展階段、慣性力主導(dǎo)階段和表面應(yīng)力和黏性力主導(dǎo)的階段；Walford等[7]詳細(xì)研究了空氣中微小液滴的凍結(jié)機(jī)理，實(shí)驗(yàn)是將水滴輕輕地落在冷銅表面，凍結(jié)形成冰的尖塔狀顆粒，得出液滴凍結(jié)過(guò)程中固液交界面處剪切牽引力與水平的冷表面平行，冰珠的黏性力在-22℃的情況下達(dá)到最大值．Hu等[8]實(shí)驗(yàn)研究結(jié)冰的小水滴的非穩(wěn)態(tài)傳熱和相變過(guò)程，以闡明結(jié)冰現(xiàn)象的重要微觀物理過(guò)程．實(shí)驗(yàn)采用基于分子的壽命標(biāo)記法(MTT)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施，得出成液態(tài)的小水滴的平均溫度在不斷增加，而不是減少．

這些研究中大多是對(duì)毫米級(jí)的液滴在撞擊低溫壁面過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為，很少涉及微米級(jí)液滴的碰撞問(wèn)題，且液滴與壁面的撞擊現(xiàn)象多涉及平面，很少涉及曲面的碰撞現(xiàn)象，因此本文主要研究在顆粒表面低溫狀態(tài)下(-20、-30℃)霧化液滴(240、400、600μm)撞擊低溫球形顆粒過(guò)程中液膜的鋪展等動(dòng)力學(xué)行為，其中載體顆粒的尺寸為 3mm、5mm．通過(guò)研究液滴在載體顆粒的涂覆現(xiàn)象對(duì)制備表面具有多孔結(jié)構(gòu)的粉體顆粒提高粉體的速溶性和尺寸均勻性具有重大意義．

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用的料液為黏度較大的普魯蘭溶液作為液滴材料．普魯蘭多糖作為新增 4種食品添加劑產(chǎn)品之一，結(jié)構(gòu)上極富有彈性，溶解度比較大，而且成膜性、可塑性、黏性均較強(qiáng)，因此廣泛被應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、輕工、化工和石油等領(lǐng)域．實(shí)驗(yàn)使用蒸餾水溶解普魯蘭多糖配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 5%、10%、15%、20%的普魯蘭多糖溶液，用黏度計(jì)(DV-Ⅲ型，美國(guó)博力飛公司)測(cè)得其黏度[9]．質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%溶液黏度為0.908Pa·s，該黏度已接近噴霧極限，因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的溶液并無(wú)研究意義；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%、10%的溶液黏度分別為 0.0528Pa·s、0.1435Pa·s，但由于其中的普魯蘭多糖含量較少，干燥等量的糖需消耗更多能源．因此，本文采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%的普魯蘭多糖溶液，其黏度為 0.2215Pa·s．

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

如圖 1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要有液滴產(chǎn)生裝置、圖像采集所用的計(jì)算機(jī)、高速攝像機(jī)、不銹鋼球及其配套支撐架、照明燈、在線式紅外線測(cè)溫儀和制冷冰柜.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 The diagram of experimental device

1.2.1 液滴發(fā)生裝置

微米級(jí)液滴是由微膠囊造粒儀(B-395Pro型，瑞士 BUCHI公司)產(chǎn)生的，它利用層流液體噴射并加以高頻率振動(dòng)，制造出極其均勻的圓形微顆粒，如圖2所示．該設(shè)備生成的球形液滴粒徑可以根據(jù)噴嘴的選擇預(yù)先設(shè)定，范圍為 0.15～2mm，粒徑分布窄(＜5%標(biāo)準(zhǔn)偏差)．液滴產(chǎn)生后具有一定動(dòng)能，并豎直下落撞擊在顆粒表面．本實(shí)驗(yàn)選用液滴直徑(dL)分別為 240、400、600μm，液滴出口溫度為室溫，噴嘴流量為8mL/min．

圖2 微膠囊造粒儀Fig. 2 Microcapsule granulator

1.2.2 制冷調(diào)控裝置

本文研究霧化的液滴撞擊球面溫度(T)為-20、-30℃的顆粒的碰撞過(guò)程．為滿足實(shí)驗(yàn)要求，利用冷柜(DW-60W156型，海爾公司)作為制冷裝置．冷柜的內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)100cm、寬 70cm、高 60cm；溫度檢測(cè)裝置采用在線式紅外線測(cè)溫儀(DT-380型，東美公司)．

1.2.3 高速攝像裝置

實(shí)驗(yàn)是通過(guò)高速攝像機(jī)記錄液滴的碰撞過(guò)程，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而揭示液滴碰撞過(guò)程中動(dòng)力學(xué)行為．拍攝采用高速攝像機(jī)(SA3系列，日本 Phtron公司)搭配 Tokina微距鏡頭(100mm，f-2.8)．為了獲得的照片具有良好的清晰度，全面的記錄液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將拍攝速度定位 5000幀/秒，圖像為 1024像素×512像素，攝像機(jī)和被拍攝的顆粒在同一個(gè)水平面上．為了清楚地拍攝整個(gè)撞擊過(guò)程的液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用背光法拍攝，照明光源由60W的 LED攝影燈提供，在光源和撞擊球面之間設(shè)有柔光罩．采用低照度的光源避免背光拍攝過(guò)程中對(duì)相機(jī)的損害，同時(shí)采用柔光罩可以柔化強(qiáng)光使光線均勻平行地投射在球面上．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都是在冷柜中完成，為了提高效率保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度恒定，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前選取 10顆等直徑鋼球放置在長(zhǎng) 20cm、寬 2.5cm、高 0.8cm的鋁板上(鋁板上有10個(gè)手工開(kāi)鑿的圓形凹槽，凹槽直徑為 2mm，深度為 1mm，相鄰凹槽的間距為2cm)．將鋁板放置在中間開(kāi)槽矩形鋁管中，且可以自由滑動(dòng)，使得霧化液滴通過(guò)槽的間隙撞擊在鋼球表面而且不影響其他鋼球的撞擊涂覆．移動(dòng)鋁板，使鋁板上第一個(gè)鋼球與鋁管槽、噴嘴三者保持同一直線，打開(kāi)液滴產(chǎn)生裝置，并用高速攝像機(jī)記錄，調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使噴嘴與鋼球球心距離為 50cm，移動(dòng)鋁板，對(duì)下一刻鋼球重復(fù)實(shí)驗(yàn)，依此順序記錄 10次鋼球表面的碰撞行為．

1.4 數(shù)據(jù)處理

以液膜的厚度及鋪展弧長(zhǎng)描述液滴在碰撞過(guò)程中的形態(tài)變化．圖像處理采用 Matlab軟件，首先對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，提取圖像中液膜與鋼球邊界，然后對(duì)鋼球輪廓進(jìn)行擬合．鋼球的直徑是定值，以鋼球?yàn)閰⒄瘴镞M(jìn)行標(biāo)定，然后采用圖3所示的處理過(guò)程可以得出液膜厚度和鋪展弧長(zhǎng)．

圖3 Matlab圖像處理過(guò)程Fig. 3 Matlab image processing process

定義液膜厚度為 H，液膜頂點(diǎn)到圓心的距離為L(zhǎng)，R為涂覆球面半徑，則液膜的厚度

圖4 液膜示意圖Fig. 4 Diagram of liquid film

如圖 4所示通過(guò)像素掃描可得液膜的邊界定點(diǎn)位置，將兩定點(diǎn)與圓心連接可得到兩條連線之間的夾角θ，則液膜鋪展弧長(zhǎng)為

定義顆粒的周長(zhǎng)為C，則液膜鋪展弧長(zhǎng)占顆粒周長(zhǎng)比

定義液膜厚度占顆粒半徑比

2 結(jié)果與討論

2.1 液滴碰撞過(guò)程

在球面溫度為-30℃時(shí)，直徑為 600 μm 的液滴撞擊在直徑為5mm的鋼球表面，液膜在2.6ms的時(shí)間范圍內(nèi)的形態(tài)變化過(guò)程如圖 5所示．對(duì)比圖 3發(fā)現(xiàn)液滴撞擊位置略有不同，這是由于液滴粒徑較小，進(jìn)入冷柜后，在冷氣流影響下，發(fā)生偏移，導(dǎo)致撞擊位置發(fā)生偏差，但實(shí)驗(yàn)圖像與對(duì)心撞擊位置偏移較小，故忽略此誤差影響，并且可以看出液膜呈現(xiàn)厚度逐漸增加、對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)逐漸減小的趨勢(shì)．根據(jù) Mitra等[10]的實(shí)驗(yàn)可知，在常溫狀態(tài)下液滴由鋪展?fàn)顟B(tài)到恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)大約需要 15ms．隨著球面溫度降低，固體表面的黏性力增加，在碰撞過(guò)程中液滴的表面張力也隨之增大，從而在液滴鋪展和回縮階段阻止液滴運(yùn)動(dòng)的阻力也隨之增大．因此，液滴在過(guò)冷表面的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與常溫狀態(tài)相比也會(huì)大大縮減．

圖5 液滴撞擊過(guò)程液膜的形態(tài)變化實(shí)驗(yàn)圖像Fig. 5 Snapshot of morphological changes of liquid film during droplet impacting process

2.2 過(guò)程參數(shù)對(duì)液膜形態(tài)的影響

2.2.1 液滴直徑對(duì)液膜形態(tài)的影響

選取液滴直徑為 240、400、600μm 的液滴進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)，碰撞過(guò)程中的液膜厚度和α 變化分別見(jiàn)圖6和圖7．

圖6 球面溫度為-30℃時(shí)，不同直徑液滴撞擊 5 mm球形顆粒過(guò)程中的液膜厚度變化Fig. 6 Impacting effect of droplets of different diameters on the thickness of liquid film impacting on 5 mm spherical particles with spherical temperature of-30℃

由圖6可知：在球面溫度為-30℃時(shí)，在t=0ms時(shí)，液滴開(kāi)始接觸鋼球，并開(kāi)始鋪展，t=0.5ms時(shí)鋪展到最大，此時(shí)液膜厚度最小，隨后液膜厚度呈現(xiàn)先急劇增加，然后趨緩，最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)．這與文獻(xiàn)描述的常溫下液滴的碰撞過(guò)程有很大不同：在常溫下的液滴碰撞過(guò)程中，由于受到慣性力、黏性力、表面應(yīng)力的相互作用，液滴形態(tài)變化有明顯的回縮和振蕩過(guò)程；然而，在低溫狀態(tài)下液滴撞擊球面過(guò)程中，由于受球面溫度的影響，液滴在過(guò)冷表面鋪展的瞬間液膜與固體表面交界面被凍結(jié)形成冰膜，冰膜的表面應(yīng)力和黏性力都急劇增加，從而阻礙液滴運(yùn)動(dòng)．具體過(guò)程是，初始階段的液滴在慣性力的主導(dǎo)下迅速鋪展，然后在表面應(yīng)力和彈性勢(shì)能的作用下逐漸回縮直至穩(wěn)定．液滴內(nèi)部的彈性勢(shì)能由于受到較大黏性力的影響很快轉(zhuǎn)化為耗散能[11]，因此低溫狀態(tài)下液滴的碰撞過(guò)程沒(méi)有明顯的振蕩過(guò)程，且冰膜形成后冰核逐漸增大，水-冰界面逐漸向上推移直至整個(gè)液膜被凍結(jié)[12]．如圖6所示，隨著液滴直徑的增大液膜厚度也隨之增加．

圖7 球面溫度為-30℃時(shí)，不同直徑液滴撞擊 5 mm球形顆粒過(guò)程中的α 變化Fig. 7 Variation of α with time and the droplets impingement on 5 mm spherical particles of different diameters at the temperature of -30℃

由圖 7可知：在碰撞初始階段瞬間鋪展到最大值，其最大鋪展弧長(zhǎng)隨著液滴直徑的增加而增加．液膜鋪展弧長(zhǎng)整體趨勢(shì)呈現(xiàn)先降低然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)．液滴在碰撞的初始階段由于受到黏性力影響，液滴的初始動(dòng)能不斷地向耗散能轉(zhuǎn)化，直至液滴鋪展弧長(zhǎng)達(dá)到最大值．液滴在表面應(yīng)力和彈性勢(shì)能作用下不斷地回縮，在液滴回縮階段同時(shí)受到液滴黏性力的影響，液膜迅速地達(dá)到最小鋪展弧長(zhǎng)[13]．雖然在回縮階段液膜鋪展弧長(zhǎng)有輕微的波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)．

2.2.2 球面溫度的改變對(duì)液膜形態(tài)的影響

統(tǒng)計(jì)液膜的厚度與載體顆粒的比值可以直觀反映液膜在鋼球表面的涂覆程度，結(jié)果見(jiàn)圖 8．由圖 8可以看出：不同球面溫度下液膜的厚度在碰撞初始狀態(tài)時(shí)大致相同，隨后呈現(xiàn)逐漸增加的整體趨勢(shì)，但不同球面溫度時(shí)的最大液膜厚度也不相同．隨著球面溫度的不斷降低，液膜厚度逐漸降低．與低溫狀態(tài)相比，常溫狀態(tài)下液膜的厚度明顯較大．在碰撞的初始階段液滴瞬間鋪展到最大，由于液滴初始動(dòng)能較大，鋪展過(guò)程瞬間完成，黏性力作用時(shí)間較短，因此此時(shí)液膜的厚度與所處的球面溫度無(wú)關(guān)，但隨后，由于與常溫狀態(tài)相比低溫狀態(tài)下液滴表面應(yīng)力和黏性力明顯高，因此低溫狀態(tài)下液膜的厚度最大值明顯小于常溫狀態(tài)下的最大值．當(dāng)球面溫度為-20、-30℃時(shí)液膜厚度變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明在該低溫狀態(tài)下，液滴表面的應(yīng)力與黏性力基本相同，液滴運(yùn)動(dòng)與凍結(jié)狀態(tài)也十分相似．

圖8 不同球面溫度條件下，600 μm液滴撞擊5 mm球形顆粒過(guò)程中的β變化Fig. 8 Changes of β in the process of 600 μm droplet impinging on 5 mm spherical particles at different temperature

選擇液滴直徑分別為 400、600μm，球面溫度分別為 25、-20、-30℃，研究液滴撞擊球面時(shí)液膜鋪展變化，結(jié)果如圖9所示．

圖9 不同球面溫度條件下，不同直徑液滴撞擊 5 mm球形顆粒過(guò)程中的液膜鋪展弧長(zhǎng)變化Fig. 9 Variation of liquid film spreading arc length of droplets with different diameters impacting 5 mm spherical particles at different temperatures

由圖9可以看出：兩組液滴的鋪展弧長(zhǎng)隨球面溫度的變化趨勢(shì)基本相同，先急劇增大，然后降低，接著出現(xiàn)振蕩，最后趨于穩(wěn)定．顯然，液滴直徑越大液膜的鋪展弧長(zhǎng)也越大．其中對(duì)于同一組液滴，隨著溫度降低，液膜的鋪展弧長(zhǎng)也減小，這是因?yàn)殡S著溫度的降低，液滴在與過(guò)冷的載體顆粒表面碰撞時(shí)，在液滴與固體表面交界處形成冰膜，造成液滴表面應(yīng)力和黏性力隨溫度的降低而增加．由于表面應(yīng)力和黏性力在液滴鋪展回縮過(guò)程中起阻礙作用，因此溫度越低則鋪展弧長(zhǎng)就會(huì)越?。蓤D 9還可以看出：隨著球面溫度的降低，液滴在過(guò)冷載體顆粒表面的振蕩次數(shù)也隨之減少，液滴在達(dá)到最大鋪展弧長(zhǎng)后會(huì)發(fā)生回縮和振蕩的現(xiàn)象，這與液滴內(nèi)部張力及內(nèi)部勢(shì)能有關(guān)，隨著溫度的降低黏性力急劇增大，內(nèi)部勢(shì)能向黏性耗散能轉(zhuǎn)變，因此隨著溫度降低液滴內(nèi)部耗散能降低，則液滴的振蕩次數(shù)也會(huì)隨之減少．相比于常溫狀態(tài)，低溫狀態(tài)下液滴會(huì)更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)．因此，球面溫度的變化對(duì)液膜的動(dòng)力學(xué)特性有極大的影響．

2.2.3 鋼球直徑對(duì)液膜形態(tài)的影響

選取液滴直徑為 240、400、600μm，鋼球直徑(dS)為 3、5mm，研究液膜鋪展弧長(zhǎng)和液膜厚度隨鋼球直徑的變化，結(jié)果分別見(jiàn)圖10和圖11．

圖10 球面溫度為-30℃時(shí)，不同直徑液滴撞擊不同直徑球形顆粒過(guò)程中的液膜鋪展弧長(zhǎng)變化Fig. 10 Changes of liquid film spreading arc length when droplets of varying sizes impinge on spherical particles of different diameters at spherical temperature -30℃

由圖 10可以看出：對(duì)于不同的液滴直徑和鋼球直徑，液膜鋪展弧長(zhǎng)都呈現(xiàn)先增大后緩慢減小，隨后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)．其次，液滴隨鋼球直徑的增大其液膜鋪展弧長(zhǎng)也隨之增加．相同直徑的液滴撞擊在 3mm和5mm的鋼球表面，液滴在3mm的鋼球表面液膜鋪展弧度(θ)明顯大于在 5mm 鋼球表面的鋪展弧度，但由于顆粒半徑不同，5mm 鋼球表面的液膜鋪展弧長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)．從力學(xué)角度分析，直徑較小載體顆粒的曲率較大，鋼球表面上的液滴所受重力分量較大，液滴有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因此隨著曲率增大，在液滴鋪展時(shí)所受重力分量也隨之增加，故其液膜鋪展弧度增大；但弧度較大時(shí)，對(duì)應(yīng)顆粒直徑較小，液膜弧度較大時(shí)對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)仍小于液膜弧度較小時(shí)對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)．

圖11 球面溫度為-30℃時(shí)，不同直徑液滴撞擊不同直徑球形顆粒過(guò)程中的液膜厚度變化Fig. 11 Variation of liquid film thickness when droplets impinge on spherical particles of different diameters at spherical temperature of -30℃

由圖 11可以看出：液膜的厚度隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)；不同直徑的液滴撞擊相同直徑鋼球表面，其液膜厚度隨液滴直徑的增加而增加；而相同直徑的液滴撞擊不同直徑的鋼球表面，液膜的厚度隨鋼球直徑的增加而減?。@是因?yàn)殡S著鋼球直徑的增大，液膜弧長(zhǎng)隨之增大，隨著相同直徑的液滴在鋼球表面液膜弧長(zhǎng)增加，液滴與鋼球表面接觸的面積更大，當(dāng)液滴在鋪展到最大直徑后，液膜所受黏性力和表面應(yīng)力增大，即回縮階段所受的阻力增加，故相同直徑液滴撞擊鋼球表面時(shí)，隨著鋼球直徑的增大，液膜的厚度隨之減?。?/p>

3 結(jié) 論

(1)在相同球面溫度(-30℃)條件下，液膜厚度隨液滴直徑的增大而增加，液膜鋪展弧長(zhǎng)隨液滴直徑增大而增加．

(2)在相同液滴直徑的條件下，液膜厚度隨球面溫度的降低而不斷減?。怀貭顟B(tài)(25℃)與低溫狀態(tài)(-20、-30℃)下液膜厚度相差較大，但低溫狀態(tài)下的不同溫度對(duì)應(yīng)的液膜厚度相差較小；隨著溫度的降低，液膜的鋪展弧長(zhǎng)也會(huì)隨之減?。?/p>

(3)相同直徑的液滴撞擊不同直徑鋼球表面時(shí)，液膜鋪展弧長(zhǎng)隨鋼球直徑的增加而增加，液膜的厚度隨鋼球直徑的增加而減?。?/p>