片煙加料外混式空氣霧化噴嘴霧化粒徑分布特性

黎 西，袁銳波*，錢俊兵，汪院林，袁安華，何邦華

1. 昆明理工大學機電工程學院，昆明市呈貢區(qū)景明南路727 號 650504

2. 云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367 號 650231

煙草加料是卷煙制造的重要工序之一，其中加料噴嘴霧化效果直接影響片煙和香精香料的混合均勻性[1-2]，而噴嘴霧化效果由霧化液滴粒徑分布進行評價。目前，國內外通常通過檢測片煙和香精香料混合均勻性來經驗式判斷霧化效果，而非通過系統(tǒng)性研究加料過程中料液霧化液滴粒徑分布情況進行判斷[3-4]，使得加料工序的調控存在一定的局限性[5]。由于國內外對噴嘴霧化過程的檢測與評價主要是采用圖像處理軟件和激光檢測噴霧測量系統(tǒng)相結合的方式進行[6-7]，因此，結合噴嘴霧化液滴破碎過程和特點，考慮外混式空氣霧化噴嘴裝置內液體流速快、易于調控氣壓和液體流量、適用高黏度液體分析等優(yōu)點[8-9]，采用高速相機背光源補償拍照，利用Halcon 軟件確定及選取特征霧化液滴，研究了霧化氣壓力、料液流量、料液溫度對霧化液滴粒徑分布的影響，評價了煙草加料效果，旨在為評價卷煙感官質量影響因素提供科學理論驗證和相關技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甲醇，1,2-丙二醇（AR，昆明寶城化工有限公司）；片煙樣品在加料滾筒出口處連續(xù)隨機抽取，每次取樣100 g 左右，共抽取30 次[樣品取自紅云紅河煙草（集團）有限責任公司制絲車間加料工序]；料液由紅云紅河煙草（集團）有限責任公司提供。

FASTCAM Mini UX100 高速相機（日本Photron公司）；外混式空氣霧化噴嘴[紅云紅河煙草（集團）有限責任公司提供]；KLB-CMFI-DN3 加料流量計（北京科力博奧儀表有限公司）；SWPC40 料液溫度傳感器（香港昌輝儀表有限公司）；CC.HBD/2.15/5.0 料液、料溫、霧化氣壓力供給系統(tǒng)（意大利COMAS-SRL 灌裝設備公司）。

1.2 試驗裝置及測試原理

試驗裝置示意圖見圖1。裝置測試原理為：①利用料液、料溫、霧化氣壓力供給系統(tǒng)進行溫度、氣壓和流量的調節(jié)（如圖2 所示）；②利用高壓空氣的噴散作用，通過外混式空氣噴嘴以較高的速度將夾帶著料液的高壓空氣噴向加料空間；③利用兩臺分別安裝在試驗臺軸向中部位置處和徑向中部位置處的高速相機（如圖3 所示）在背光光源的補償下捕捉高速運動以及快速破裂的料液霧化液滴，并自動將圖片上傳至計算機；④采用德國MVtec 公司Halcon 圖像處理軟件處理和提取高速相機所拍攝的液滴圖，采用陰影法對圖像進行處理，取得各個液滴的實測值[10]。

1.3 方法

1.3.1 霧化粒徑分布的檢測

圖1 霧化試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of atomization test device

圖2 料液、料溫、霧化氣壓力供給系統(tǒng)Fig.2 Supply systems for casing, material temperature, air pressure

圖3 高速相機徑向與軸向位置Fig.3 Radial and axial positions of high-speed camera

試驗中采用空壓機為外混式空氣霧化噴嘴提供氣壓，霧化液體為片煙加料料液。試驗臺為長度2 400 mm，高度和寬度均為1 500 mm 的透明長方體。由噴嘴噴射料液時，通過高速成像技術，利用分別設在試驗臺軸向和徑向兩個位置的高速相機（圖1）并在背光光源的補償下，通過控制拍照間隔時間分別得到不同軸向和徑向位置處液滴霧化圖，最后自動傳輸?shù)絇C 上保存及處理，獲得霧化液滴空間坐標，進而得到霧化液滴粒徑分布情況。同時采用Halcon 軟件對圖像進行處理，選取了各所需位置特征霧化液滴情況[11-12]，如圖4 所示。在實際的噴霧過程中，液體霧化后會形成大小和形狀不同的液滴組，不同液滴組間尺寸可能相差幾十倍，并且噴霧場中的液滴分布也有較大差別，因此考慮雷諾數(shù)（Re）的影響，根據(jù)量綱分析法，得到SMD 與Re關系式，從而計算得到實驗所得的粒徑值。

1.3.2 霧化粒徑區(qū)域劃分及均勻性統(tǒng)計量數(shù)學建模將透明試驗臺軸向上分為10 個研究區(qū)域（見圖5），同時選取該試驗臺徑向方向正方形截面的內接圓作為徑向研究區(qū)域，每個軸向研究區(qū)域均對應有1 個徑向研究區(qū)域。利用Halcon 軟件處理高速相機拍攝得到的霧化液滴像素圖，通過選取每個研究區(qū)域軸向和徑向上分布最均勻的霧化液滴區(qū)域作為特征分析區(qū)域，并將這兩個特征分析區(qū)域作圓約束處理，同時將該圓約束圖劃分為16等份，得到了基于不同顏色下不同粒徑的霧化液滴效果圖，如圖6 所示。據(jù)此，建立了用來描述霧化液滴在軸向、徑向區(qū)域分布情況的特征分析區(qū)域的分布函數(shù)。基于離散型均勻分布法，構造用于描述霧化液滴軸向和徑向的空間分布的統(tǒng)計量tm，見公式（1）。

圖4 Halcon 軟件特征液滴選取Fig.4 Characteristic droplet selection by Halcon software

圖5 軸向分析區(qū)域劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of axial division of testing area

圖6 區(qū)域粒徑分布及特征霧化液滴選取Fig.6 Particle size distribution and characteristic atomized droplet selection

式中：qc為每個等份內的特征霧化液滴數(shù)量的期望值；Bci為每個等份內期望含有的特征霧化液滴面積比；Bc為期望值；T1為液滴個數(shù)統(tǒng)計量；T2為液滴面積統(tǒng)計量；λ為權重；c 為軸向和徑向系數(shù)，當c=α時為軸向，該軸向處統(tǒng)計量為tm=t1；當c=β時為徑向，該徑向處統(tǒng)計量為tm= t2。

經查閱相關論文資料[13]，判定公式（1）中λ=0.2。由公式（1）可得，t1和t2值越小，表示圖像中特征液滴分布的相對均勻性越好?；谝陨陷S向與徑向t1和t2，構造霧化均勻性統(tǒng)計量T，見公式（2）。

經過試驗研究分析，判定公式（2）中的μ=0.3。

1.3.3 霧化粒徑仿真模擬

霧化粒徑由索太爾平均直徑（SMD）表征，在相同的工況下，SMD 值越小表示霧化均勻性越好。選取上述劃分的10 個區(qū)域中的其中1 個區(qū)域，通過分析計算高速相機拍攝時的時間參數(shù)，獲得該區(qū)域中的噴嘴霧化液滴分布情況。利用ANSYS-FLUENT 仿真軟件分析噴嘴液滴噴灑和霧化的過程，邊界條件設置為：入口壓力0.20 MPa，出口壓力0 MPa，料液溫度45 ℃，料液流量20 kg/h，霧化介質壓力0.15 MPa。通過仿真研究，從區(qū)域4 開始，霧化液滴總數(shù)開始大量增加，因此將區(qū)域4 作為研究區(qū)域。仿真模擬料液霧化情況如圖7 所示。

1.3.4 霧化粒徑計算

索太爾平均直徑（SMD）是按假設的液滴群的體積表面積之比與真實的液滴群的體積表面積之比與真實的液滴群的體積表面積之比相同來進行推算，根據(jù)量綱分析法，可以得到SMD 與雷諾數(shù)（Re）的關系[14]，見公式（3）。

圖7 料液流量20 kg/h、料液溫度45 ℃、霧化氣壓力0.2 MPa 時料液霧化仿真效果Fig.7 Simulation of casing atomization at casing flow rate of 20 kg/h,casing temperature of 45 ℃and air pressure of 0.2 MPa

式中：xi表示所劃分的10 個軸像區(qū)域（i=1,2,3，…，10）相關系數(shù)，工況不同，系數(shù)也不同。

式中：ρi表示該實驗所用料液密度為1 037 kg/m3；Δp 表示噴嘴進出口壓力差，MPa；ρa為氣體密度，kg/m3；Q1為料液出口流量，kg/h；T1為料液溫度，℃。

由公式（3）和（4）可以獲得區(qū)域4 于高速相機背光源捕捉拍照和Halcon 軟件特征液滴選取的試驗噴嘴霧化液滴粒徑情況。

2 結果與分析

2.1 霧化液滴粒徑仿真模擬和試驗計算結果

根據(jù)該煙草公司提供的實際工藝參數(shù)，分別設定3 個研究變量的參數(shù)為[15-17]：霧化氣壓力0.20、0.25、0.35、0.40 MPa；料液流量20、30、40、50 kg/h；料液溫度35、45、55、65 ℃。采用1.3.3 小節(jié)的方法獲得不同工況下區(qū)域4 霧化液滴粒徑仿真理論值，如表1 所示。采用1.3.4 小節(jié)的方法獲得不同工況下區(qū)域4 霧化液滴粒徑試驗計算值，結果見表2。

2.2 不同工況對SMD 值的影響

由表1 仿真模擬得到的SMD 值和表2 試驗計算得到的SMD 值，可分析在不同工況影響下區(qū)域4 霧化液滴粒徑參數(shù)的變化情況，如圖8 所示。

由圖8 可以看出：①在料液流量20 kg/h 時，試驗中隨著料液溫度的增加，不同霧化氣壓力下SMD 值呈下降趨勢，但當霧化氣壓力為0.30 MPa時，SMD 值直線增大；仿真中相同霧化氣壓力下SMD 值隨著料液溫度的增加整體呈減小趨勢，其中以霧化氣壓力0.20 MPa 時下降趨勢更加明顯。②在料液流量30 kg/h 時，試驗和仿真模擬中不同霧化氣壓力下SMD 值整體均為下降趨勢；這是因為隨著料液溫度的提高，料液黏度逐漸減小，破碎需要的動能有所減小，所以粒徑逐漸減小[18]。③在料液流量40 kg/h 時，試驗中不同霧化氣壓力下SMD 值趨于減小趨勢，但霧化氣壓力為0.30 MPa 時，SMD 值呈增大減小再增大的不規(guī)則變化；仿真中SDM 值均呈下降趨勢。④在料液流量50 kg/h 時，試驗中不同霧化氣壓力下SMD 值隨著料液溫度的升高呈不規(guī)則的增加趨勢，這是因為隨著料液流量的增加，液滴破碎所需能量增加，但霧化氣壓力提供的能量有限，所以料液流量增加到一定程度后霧化粒徑逐漸增大。其中以霧化氣壓力0.25、0.30 MPa 時變化最為明顯；在仿真中，SDM值均呈下降趨勢。

表1 不同工況下區(qū)域4 霧化液滴粒徑理論值Tab.1 Theoretical value of atomized droplet size in area No.4 under different working conditions

表2 不同工況下區(qū)域4 霧化液滴粒徑試驗計算值Tab.2 Calculated value of atomized droplet size in area No.4 under different working conditions

由于SMD 值越小，霧化液滴粒徑越小，分布越均勻，卷煙生產后續(xù)工序（煙葉加料混合）物料的均勻性越好。基于上述實驗結果，可得出工況條件為料液溫度35 ℃、料液流量30 kg/h、霧化氣壓力0.30 MPa 時，得到的SMD 值最好。

圖8 流體參數(shù)及溫度對區(qū)域4 液滴SMD 的影響Fig.8 Influences of fluid parameters and temperature on SMD in area No.4

圖8 中試驗結果與仿真結果存在一定的誤差，這是因為：①高速相機所拍攝得到的霧化液滴粒徑均較大，采用陰影法求得的霧化粒徑也忽略了細小的霧化液滴。②試驗采用手動選取測量，然后進行數(shù)學計算；而仿真則是直接得到結果。

2.3 不同區(qū)域內霧化液滴粒徑分布

取最佳工況進行舉例分析，通過高速相機拍攝和相應軟件預處理，將特征霧化液滴的大小和位置數(shù)據(jù)導入Matlab 中編程計算，由公式（1）、（2）可以得到徑向處10 個區(qū)域不同工況下的均勻性，如表3 所示。

根據(jù)均勻分布理論，均勻性統(tǒng)計量越低表明霧化效果越好，霧化液滴體積越小。從表3 可以看出，所劃分的10 個區(qū)域霧化液滴粒徑均勻性統(tǒng)計量均逐漸降低，說明霧化液滴粒徑分布也逐漸均勻。其中區(qū)域1 到區(qū)域3 霧化粒徑分布呈不規(guī)則變化，區(qū)域2 T 值最大，為0.206 79；但從區(qū)域4開始，霧化效果逐漸增加，T 值由0.190 97 逐漸降到0.117 51。

利用高速相機拍攝得到的10 個區(qū)域徑向的霧化液滴像素圖，通過配套電腦系統(tǒng)性的處理，導出各徑向區(qū)域像素圖中霧化液滴的二維坐標點，將其導入Matlab 中，處理得到10 個研究區(qū)域徑向霧化液滴分布圖，見圖9。由圖9 可以看出區(qū)域1、2、3 中霧化液滴處于聚合狀態(tài)，霧化液滴較多，說明此階段霧化液滴并未開始破碎；區(qū)域4 中霧化液滴開始均勻分布整個空間；區(qū)域5、6、7 中霧化液滴數(shù)量開始逐漸減少，說明這3 個區(qū)域中液滴開始破碎并分散；區(qū)域8、9、10 中拍攝得到的霧化液滴數(shù)量逐漸減少，說明該階段液滴已經大量破碎并分布于整個空間。圖9 比較完整地描述了霧化液滴破碎過程。

表3 不同區(qū)域霧化液滴徑向均勻統(tǒng)計量的變化Tab.3 Variation of radial uniform statistics of atomized droplets in different areas

圖9 不同徑向區(qū)域粒徑分布試驗圖Fig.9 Particle size distribution in different radial areas

2.4 特征區(qū)域霧化粒徑均勻性分析

由于從區(qū)域4 開始，霧化液滴開始均勻分布整個空間，液滴大量破碎和均勻擴散，該區(qū)域的霧化情況影響著后續(xù)整個實驗過程中液滴的霧化效果。因此選取區(qū)域4 作為特征區(qū)域，通過研究該區(qū)域中不同工況下霧化液滴粒徑的均勻性，可以大體表征整個霧化過程中液滴粒徑分布均勻性。

圖10 流體參數(shù)及溫度對區(qū)域4 液滴霧化均勻性統(tǒng)計量的影響Fig.10 Influences of fluid parameters and temperature on atomization uniformity statistics in area No.4

區(qū)域4 中，流體參數(shù)及溫度對霧化均勻性統(tǒng)計量的影響如圖10 所示。由圖10 可以看出，隨著霧化氣壓力逐漸增加，軸向霧化液滴均勻性統(tǒng)計量t1直線下降，徑向霧化液滴均勻性統(tǒng)計量t2呈先增大后降低趨勢，液滴破碎狀態(tài)逐漸趨于小粒徑顆粒變化狀態(tài)，霧化效果T 逐漸變佳；其他條件不變的情況下，霧化氣壓力0.35 MPa 為最佳指標。隨著料液流量逐漸增加，t1先減小后增大，而t2先增大后減小，總體霧化液滴均勻性統(tǒng)計量T 逐漸增加，霧化效果逐漸變差；其他條件不變情況下，料液流量50 kg/h 為最差工況。隨著料液溫度的增加，t1和t2及霧化液滴均勻性統(tǒng)計量先減小后增加，霧化效果先變佳后變差；最佳料液溫度為55 ℃。

3 結論

①流體參數(shù)固定不變的情況下，隨著料液溫度、霧化氣壓力的增加，SMD 值呈不規(guī)則變化，其中以料液溫度55 ℃、霧化氣壓力0.20 MPa 時SMD值最??；以料液溫度35 ℃、霧化氣壓力0.35 MPa時SMD 值最大。②隨著料液流量、霧化氣壓力的增加，SMD 值呈先減小后增大趨勢，其中以料液流量30 kg/h、霧化氣壓力0.3 MPa 時SMD 值最小。③隨著料液流量、料液溫度的增加，SMD 值逐漸減小，其中以料液溫度65 ℃、料液流量30 kg/h 時SMD 值最大；整體上實驗和仿真的數(shù)據(jù)變化趨勢較為吻合，但由于實驗器材的質量，陰影法測量的不確定性以及仿真結果的差異性，產生了相對誤差。④利用離散型均勻分布法分析了不同區(qū)域內噴嘴霧化效果，其中霧化液滴分布均勻性統(tǒng)計量以區(qū)域4 的差異最大，故選作進行特征區(qū)域分析。在特征區(qū)域內，噴嘴霧化液滴開始大量破碎、擴散；在其他變量一定下，隨著霧化氣壓力的增加T 值逐漸降低；隨著料液流增加T 值逐漸增加；隨著料液溫度增加T 值先減小后增加。T 值越小，霧化效果越好，反之越差。軸向和徑向均勻性統(tǒng)計量相對于霧化均勻性指標誤差范圍在0.17%～0.46%之間。