梁其誠(chéng)，余 愚，王利平，連帥梅，吳 勇

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都 610039）

標(biāo)氣動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)的負(fù)壓吸動(dòng)式霧化發(fā)生池①

梁其誠(chéng)，余 愚，王利平，連帥梅，吳 勇

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都 610039）

提出了一種新型的負(fù)壓吸動(dòng)式霧化發(fā)生池，主要應(yīng)用于氣源常溫下為液態(tài)的標(biāo)氣發(fā)生系統(tǒng)中。介紹其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的原理，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇最佳的孔徑參數(shù)值，達(dá)到最好的霧化效果。該發(fā)生池最終成功應(yīng)用于標(biāo)氣動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)中，運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的效果。

負(fù)壓;霧化發(fā)生池;實(shí)驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)氣體已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督和質(zhì)量控制、儀器儀表的校準(zhǔn)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、臨床檢驗(yàn)、分析方法的評(píng)價(jià)等領(lǐng)域［1］，各行業(yè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體精度的要求越來(lái)越高，加強(qiáng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)生裝置的研究十分必要。標(biāo)準(zhǔn)氣體的配制有動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法，本文所提出的數(shù)控標(biāo)氣動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)運(yùn)用的是動(dòng)態(tài)配氣法。在數(shù)控動(dòng)態(tài)標(biāo)氣發(fā)生系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)有擴(kuò)散式發(fā)生池、攜帶式發(fā)生池和霧化式發(fā)生池，它們針對(duì)的氣源揮發(fā)度由高到底，在常溫常壓下均為液態(tài)。根據(jù)配制氣體組分的不同，選擇不同的發(fā)生池，稀釋氣體流過(guò)發(fā)生池把氣源帶入發(fā)生系統(tǒng)中，系統(tǒng)中有若干加熱器、傳感器、電磁比例閥、質(zhì)量流量控制器、多通多位接頭，通過(guò)PLC控制，易控組態(tài)軟件監(jiān)控，由此形成了數(shù)控標(biāo)氣動(dòng)態(tài)的發(fā)生系統(tǒng)，如圖1示意圖所示。本文所研究的對(duì)象是該系統(tǒng)中的霧化式發(fā)生池，它針對(duì)的是揮發(fā)度低的氣源 (常溫常壓下為液態(tài)），利用負(fù)壓吸動(dòng)的作用形成霧化，很好地解決了氣源難揮發(fā)的問(wèn)題，具有一定的創(chuàng)新性，該裝置最終成功運(yùn)用于數(shù)控標(biāo)氣動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)中，運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文所研究的對(duì)象是該系統(tǒng)中的霧化式試劑發(fā)生池。霧化式試劑發(fā)生池放置在恒溫箱體中，主要作用是完成低揮發(fā)度的液態(tài)氣源的霧化過(guò)程，使其形成蒸氣或氣溶膠狀態(tài)，由稀釋氣體攜帶進(jìn)入系統(tǒng)的混氣室。發(fā)生池主要由噴霧器和試劑擴(kuò)散池構(gòu)成，如圖2所示。噴霧器本身有兩部分:外殼和噴嘴，如圖3所示。

圖1 數(shù)控標(biāo)氣動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Standard gas dynamic system structure diagram

在外殼和噴嘴之間有一個(gè)體積合理的氣液混合腔體，外殼上有一根直徑為1.7 mm的導(dǎo)液管 (軟管），連通氣液混合腔體和試劑發(fā)生池底部的液態(tài)氣源。外殼上進(jìn)液管口的直徑為0.8 mm，噴嘴口直徑為0.4 mm，配合時(shí)進(jìn)液管口與噴嘴口的間隙為2 mm(以上數(shù)據(jù)均由實(shí)驗(yàn)選擇最佳值得出）。使用時(shí)，稀釋氣流以4～150 m/s的速度高速經(jīng)過(guò)噴嘴口流進(jìn)進(jìn)液管口，根據(jù)流體力學(xué)理論，此時(shí)在進(jìn)液管口處產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)液管將試劑液體吸入氣液混合腔體，氣流與液體在混合室中進(jìn)行能量交換，形成一定壓力的混合流體，在氣流的攜帶下經(jīng)進(jìn)液管口，以噴霧狀進(jìn)入試劑擴(kuò)散池，形成氣溶膠及氣體的混合體系。霧化器的發(fā)生性能主要取決于氣液混合腔體產(chǎn)生負(fù)壓的大小，負(fù)壓的大小受進(jìn)液管口孔徑、噴嘴口的孔徑、噴嘴口到進(jìn)液管口的距離和稀釋氣體流速的影響，下一步我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)選取最佳的影響因素值。

由于噴嘴與外殼間有一個(gè)氣液混合腔體，為了防止混合的氣體從器件的裝配縫隙流出，造成器件腐蝕，制造時(shí)，首先要求選用耐腐蝕的材料，其次要保證噴嘴的外螺紋和外殼的內(nèi)螺紋具有很高的精度，兩個(gè)螺紋還要求具有同軸度，使器件氣密性良好。為此我們用聚四氟乙烯作為噴嘴的材料，同時(shí)在加工中采用了導(dǎo)向柱面與O型圈密封組合結(jié)構(gòu)，確保噴嘴軸心線(xiàn)的位置精度，阻斷了腐蝕性試劑進(jìn)入螺紋區(qū)域的通道，收到了較好的效果。

試劑擴(kuò)散發(fā)生池設(shè)計(jì)由14個(gè)零件組成:擴(kuò)散發(fā)生室體、頂蓋、螺栓、滾花螺栓、出氣口接頭、進(jìn)氣口外蓋、3個(gè)O型密封圈、4個(gè)六角頭螺栓、硅橡膠密封圈。噴霧器與試劑擴(kuò)散發(fā)生池加工裝配時(shí)采用基孔制間隙配合，外面加蓋固定，在噴霧器外殼與試劑擴(kuò)散發(fā)生室外壁接觸的地方加O型密封圈，防止漏氣，保證了良好的氣密性。霧化試劑發(fā)生池實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 霧化式試劑發(fā)生池實(shí)物圖Fig.4 Atomizing type reagent pool physicalmap

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/h2>

在噴霧器裝置中，有4個(gè)重要的參數(shù)需要確定，分別是進(jìn)液管口孔徑、導(dǎo)液管口徑、噴嘴的口徑和噴嘴口到進(jìn)液管口的距離。根據(jù)所需求的混合氣體濃度的大小和合理的工藝要求，確定了兩個(gè)參數(shù):進(jìn)液管的口徑為0.8 mm;導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm。噴嘴口的孔徑和噴嘴口到進(jìn)液管口的距離根據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

(1）測(cè)量氣液混合腔的壓力和大氣壓的壓差。

(2）選擇合理的噴嘴口徑。

(3）選擇合理的噴嘴口到進(jìn)液管口距離。

實(shí)驗(yàn)器材:

一個(gè)噴霧器、兩個(gè)飲料瓶、一臺(tái)空氣壓縮機(jī)、一個(gè)質(zhì)量流量控制器 (調(diào)節(jié)范圍50～1000 mL/ min）、一張白紙、一把刻度尺。

實(shí)驗(yàn)方法:

噴霧器的結(jié)構(gòu)緊湊，配合精密，利用水銀壓力計(jì)或壓力傳感器都比較難測(cè)得氣液混合腔體中的壓力值。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量導(dǎo)液管中水柱的高度來(lái)計(jì)算氣液混合腔內(nèi)的壓力值，很好地解決了測(cè)量難的問(wèn)題。

用自來(lái)水來(lái)替代液態(tài)氣源，把導(dǎo)液管插入自來(lái)水中，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，通過(guò)質(zhì)量流量傳感器調(diào)節(jié)氣體的流速，可以觀察到自來(lái)水被吸進(jìn)氣液混合腔體中，從噴霧器噴口處噴出，噴口前放了一張白紙，噴射在白紙上的水霧清晰可見(jiàn)。

為了能夠通過(guò)導(dǎo)液管的水柱計(jì)算出氣液混合腔的壓力值，我們把導(dǎo)液管加長(zhǎng)至200 mm。氣體在某流速下，自來(lái)水停留在導(dǎo)液管中，用刻度尺測(cè)量導(dǎo)液管中水柱的高度h，根據(jù)公式P=ρgh，其中ρ =1000 kg/m3、g=9.8 N/kg，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的壓力值。

本次實(shí)驗(yàn)一共測(cè)得了3組數(shù)據(jù)，第一組:調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器，保持氣體流量為800 mL/min，進(jìn)液管的口徑為0.8 mm，導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm，噴嘴口到進(jìn)液管口的距離為2 mm，噴嘴口的孔徑分別為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm時(shí)，氣液混合腔對(duì)應(yīng)的壓力值;第二組:調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器，保持氣體流量為800 mL/ min，進(jìn)液管的口徑為0.8 mm，導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm，噴嘴口的孔徑為0.4 mm，噴嘴口到進(jìn)液管口的距離分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm時(shí)，氣液混合腔對(duì)應(yīng)的壓力值。第三組:進(jìn)液管的口徑為0.8 mm，導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm，噴嘴口的孔徑為0.4 mm，噴嘴口到進(jìn)液管口的距離分別為2 mm時(shí)，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器，改變氣體流量分別為600 mL/min、700 mL/min、800 mL/ min、900 mL/min、1000 mL/min時(shí)，氣液混合腔對(duì)應(yīng)的壓力值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

氣體流量為800 mL/min，進(jìn)液管的口徑為0.8 mm，導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm，噴嘴口到進(jìn)液管口的距離為2 mm，改變噴嘴的孔徑如表1，圖5為折線(xiàn)圖。

表1 噴嘴孔徑變化表Table 1 The nozzle aperture changing table

圖5 改變噴嘴孔徑大小Fig.5 Change the nozzle aperture size

氣體流量為800 mL/min，進(jìn)液管的口徑為0.8 mm，導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm，噴嘴口的孔徑為0.4 mm，改變噴嘴口到進(jìn)液管口的距離如表2，圖6為折線(xiàn)圖。

表2 噴嘴口到進(jìn)液管口距離變化表Table 2 The nozzle orifice into the liquid inlet nozzle distance changing table

進(jìn)液管的口徑為0.8 mm，導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm，噴嘴口的孔徑為0.4 mm，噴嘴口到進(jìn)液管口的距離分別為2 mm，改變氣流流量如表3，圖7為折線(xiàn)圖。

圖6 改變噴嘴口與進(jìn)液口的距離Fig.6 Change the nozzle outlet and liquid inlet distance

表3 氣流流量變化表Table 3 Air flow changing table

圖7 改變氣體流量Fig.7 The change of gas flow

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)進(jìn)液管的口徑為0.8 mm，導(dǎo)液管的口徑為1.7 mm時(shí)，為達(dá)到最佳的噴霧效果，應(yīng)選擇噴嘴孔徑為0.4 mm，噴嘴口到進(jìn)液管的距離為2 mm。當(dāng)氣體的流速加快時(shí)，負(fù)壓的值越大，噴出的液體增多。本實(shí)驗(yàn)證明:用此霧化發(fā)生池使低揮發(fā)度的液態(tài)氣源霧化，使其形成蒸氣或氣溶膠狀態(tài)，由稀釋氣體攜帶進(jìn)入系統(tǒng)的混氣室是可行的。

曾有許多學(xué)者對(duì)導(dǎo)液管末端氣體射流負(fù)壓吸動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究，并初步探討了作用區(qū)壓力的形成機(jī)理［2］。本文認(rèn)為，高速氣體射流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于流體內(nèi)摩擦力的作用，將引起噴嘴口與進(jìn)液口附近的氣體分子沿著與射流大致相同的方向運(yùn)動(dòng)，從而氣體分子跟隨射流一起運(yùn)動(dòng)而被抽空，使氣液混合腔內(nèi)氣體變得稀薄，壓力低于環(huán)境壓力 (大氣壓），從而引起吸動(dòng)效應(yīng)。

4 結(jié) 論

在數(shù)控標(biāo)氣動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)工作之前，先啟動(dòng)系統(tǒng)末端的真空隔膜泵，使整個(gè)系統(tǒng)處于負(fù)壓的狀態(tài)，霧化式發(fā)生池的壓差在－20 Pa左右，從而更加優(yōu)化了霧化的效果。噴霧器應(yīng)用于數(shù)控標(biāo)氣動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)中，長(zhǎng)期工作，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，很好地解決了腐蝕性揮發(fā)度低的液態(tài)氣源的發(fā)生問(wèn)題。

［1］姜素霞，韓中樞，夏春.標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備方法及配制技術(shù)［J］．化學(xué)分析計(jì)量，2004，13(6）:71-72．

［2］沈軍，蔣祖齡，曾松巖，李慶春．氣體霧化過(guò)程的增壓與吸動(dòng)現(xiàn)象 ［J］．粉末冶金技術(shù)，1994，12(1）: 15-17．

Standard Gas Dynam ic System W ith Negative Pressure Suction Type Atom izing Pool

LIANG Qicheng，YU Yu，WANG Liping，LIAN Shuaimei，WU Yong
(School of Mechanical Engineering＆Automation，XiHua University，Chengdu 610039，China）

This paper presents a novel negative pressure suction type atomizing pool，whichmainly used in gas liquid standard gas dynamic system．The paper introduces the structure and operating principle，on the basis of experiments，analysis of experimental data，choose the bestaperture parameter values，to achieve the besteffectof atomization．The pool eventually successfully used in CNC standard gas dynamics system，running stability，and achieved good results．

negative pressure;atomization pool;experiment

TH6

A

1007-7804(2012）01-0021-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.01.006

2011-12-01

梁其誠(chéng) (1985），男，海南省文昌市人，西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院2010級(jí)碩士研究生，主要研究方向:機(jī)械制造及其自動(dòng)化。