超聲霧化噴嘴的設(shè)計(jì)

楊歆雨，肖鋒

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超聲霧化噴嘴的設(shè)計(jì)

楊歆雨，肖鋒

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

超聲霧化產(chǎn)生的霧滴顆粒均勻、粒徑小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低，方便實(shí)用，一般被應(yīng)用于室內(nèi)加濕、醫(yī)療吸入治療和工業(yè)應(yīng)用等方面。在文章中，綜述了超聲波霧化噴嘴的研究進(jìn)展情況，將霧化噴嘴按照能量來(lái)源進(jìn)行了分類，總結(jié)了兩類超聲波霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了超聲霧化機(jī)理。

超聲波；噴嘴；霧化

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)使用重油、渣油的熱能動(dòng)力鍋爐、供熱鍋爐等熱力設(shè)備大部分存在以下現(xiàn)象：消耗燃油量大，霧化顆粒的直徑大；液體燃料與助燃?xì)怏w摻混不均勻；助燃介質(zhì)消耗量大等。這些問(wèn)題直接造成我國(guó)的液體能源被巨大浪費(fèi)。[1]霧化噴嘴是霧化中令霧化介質(zhì)獲得高能量、高速度的裝置，也是提升霧化效率以及提高霧化過(guò)程穩(wěn)定性有著重要作用的重要裝置，因此研究開(kāi)發(fā)新型的高效節(jié)能噴嘴顯得尤為重要。[2-3]

自1990年以來(lái)，一種新型霧化技術(shù)即超聲霧化技術(shù)漸漸引起社會(huì)廣泛的關(guān)注。人類所能聽(tīng)到的聲波頻率為16Hz-20 kHz之間，而頻率大于20kHz的聲波稱為超聲波。通常把通過(guò)超聲波效應(yīng)使液體霧化的噴嘴稱為超聲霧化噴嘴。超聲霧化器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、霧化效果好且霧化精度高等優(yōu)點(diǎn)，從而得以廣泛運(yùn)用。

2 超聲霧化器的種類

2.1 流體動(dòng)力型超聲霧化器

依照超聲波的聲源類型來(lái)劃分，超聲波霧化器被分做兩種類型，分別是電聲換能型和流體動(dòng)力型。圖1是流體動(dòng)力型超聲波霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。霧化噴嘴上裝有超聲波發(fā)生器，從噴嘴噴出的高速流體的沖力可以使共振腔體發(fā)生振動(dòng)從而產(chǎn)生高強(qiáng)度的聲波，在燃料噴射區(qū)域以及燃燒區(qū)域振動(dòng)從而使燃料霧化。流體動(dòng)力型超聲波霧化噴嘴工作量大且經(jīng)濟(jì)性較好，工作可靠且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景十分好。當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用中，最為廣泛的是Hartman哨和簧片哨，相應(yīng)的，這兩種哨也研制出了與之相關(guān)的噴嘴，即Hartmann哨超聲霧化噴嘴和簧片哨超聲霧化噴嘴。[3]

圖1 流體動(dòng)力式超聲霧化噴嘴示意圖

2.2 電聲換能型超聲霧化器

電聲換能型超聲霧化的原理是利用換能器將高高頻率電磁振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的機(jī)械振動(dòng)，從而令液體碎裂成液滴。電聲轉(zhuǎn)換型超聲霧化器根據(jù)能量轉(zhuǎn)化方式的不同可分為聲波表面張力波型、變幅桿增幅型和錐孔噴嘴型三種。

1965年美國(guó)Whirerm和Voltmerf提出了一種能在壓電基底表面激勵(lì)產(chǎn)生聲表面波的叉指結(jié)構(gòu)，在受到外加驅(qū)動(dòng)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可以在壓電基底表面產(chǎn)生聲表面波，該結(jié)構(gòu)在交流電壓的激勵(lì)下，沿壓電基底淺表層傳播的一種機(jī)械波，稱為聲表面張力波，該聲表面張力波具有能量集中的優(yōu)點(diǎn)。[5]

2002年，立陶宛Prof.hab和PiotrVasiljev在壓電換能器的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合超聲變幅桿原理設(shè)計(jì)出一種帶有球狀金屬球預(yù)壓力結(jié)構(gòu)的變幅桿增幅型超聲霧化器。壓電基底在外接電源的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生一個(gè)縱向行波，該行波向上運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)周圍液體一起向上傳送到霧化口，傳輸?shù)囊后w在超聲波激勵(lì)下，帶動(dòng)帶有預(yù)壓力的金屬球產(chǎn)生振動(dòng)形成霧化。

錐形網(wǎng)孔型霧化器是一種新型霧化器，它的基礎(chǔ)是網(wǎng)孔和MEMS技術(shù)，具有體積小、便于攜帶、高效等優(yōu)點(diǎn)。它通常借助微孔板，通過(guò)壓電陶瓷的高頻振動(dòng)迫使液體從微孔擠出，形成噴霧。網(wǎng)孔型霧化器基本組成部分有壓電驅(qū)動(dòng)換能器和帶有微孔的金屬板。由于微孔區(qū)域金屬板振動(dòng)情況不同，一般將網(wǎng)孔型霧化器分為靜態(tài)網(wǎng)孔型和振動(dòng)網(wǎng)孔型。

3 結(jié)束語(yǔ)

超聲霧化作為一種新型霧化技術(shù)，與其他霧化形式不同，應(yīng)加強(qiáng)超聲霧化的應(yīng)用和研究。近年以來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)于將超聲波與氣泡霧化結(jié)合的試驗(yàn)和理論研究，這些研究的結(jié)論，對(duì)于超聲霧化噴嘴的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。工業(yè)應(yīng)用中，超聲波霧化其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)漸漸被人們發(fā)現(xiàn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。[7]

[1] 宿鳳明.超聲霧化噴嘴的實(shí)驗(yàn)及理論研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué), 2002.

[2] 魏敬晨.基于超聲霧化器的小型噴霧干燥裝置設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué),2015.

[3] 梁榮.超聲波霧化噴嘴的設(shè)計(jì)[J].上海有色金屬,2006.

[4] 劉旭澤.超聲霧化噴嘴的研究[D].太原理工大學(xué),2016.

[5] 胡方軍.微泵型壓電超聲波霧化器的研究 [D].南京航空航天大學(xué), 2013.

[6] 宋曉龍.基于壓電驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)孔型超聲霧化器研究[D].南京航空航天大學(xué),2017.

[7] 孫曉霞.超聲波霧化噴嘴的研究進(jìn)展[J].中石化金陵分公司研究院,2004.

Design of ultrasonic atomizer

Yang Xinyu, Xiao Feng

( School of Automobile Chang’an Universiti, Shaanxi Xi’an 710064 )

The spray particles produced by ultrasonic atomization are uniform,small in size,simple in structure,low in processing cost,convenient and practical,and are commonly used in indoor humidification,medical inhalation treatment and industrial application.In this paper,the research progress of ultrasonic atomizing nozzles is reviewed.The atomizing nozzles are classified according to energy sources.The structural characteristics of two types of ultrasonic atomizing nozzles are summarized,and the mechanism of ultrasonic atomization is briefly described.

ultrasonic; nozzle; atomization

A

1671-7988(2019)05-152-02

U462

A

1671-7988(2019)05-152-02

U462

楊歆雨，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.047