楊 華 胡翌靈 湯靜怡 周 磊 劉景航 孫宏振 金旭豪

(河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

霧化是指通過噴嘴或高速氣流使液體分散為細(xì)小液滴的操作，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，本文將討論霧化裝置在降溫和凈化領(lǐng)域的應(yīng)用。

在降溫領(lǐng)域，霧化裝置在空調(diào)的應(yīng)用大大降低了空調(diào)能耗。2003年后空調(diào)市場(chǎng)由風(fēng)機(jī)、水機(jī)、多聯(lián)機(jī)三分天下[1]，使用傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷或制冷劑降溫的方法較為普遍，然而隨著對(duì)節(jié)能的要求越來越高，使用水霧噴淋的降溫方式也受到越來越多的關(guān)注，空調(diào)領(lǐng)域中霧化裝置的應(yīng)用也逐漸增加。水作為一種天然冷源，比熱大、資源豐富[2]，在汽化時(shí)能吸收大量的汽化潛熱能迅速降低環(huán)境溫度，基于此，將霧化裝置應(yīng)用于空調(diào)中相較空氣或制冷劑降溫的方式，性價(jià)比更高也更為節(jié)能。

在凈化除塵領(lǐng)域，空調(diào)中利用霧化裝置可提高空氣潔凈度，在工業(yè)領(lǐng)域也可用霧化裝置來吸收空氣中顆粒，以達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

霧化裝置按作用機(jī)理大致可分為五類，離心式、旋轉(zhuǎn)式、壓力—?dú)饬魇?、超聲式、靜電式，本文將從五大類霧化裝置的原理、特點(diǎn)進(jìn)行分析，討論霧化裝置在降溫、凈化領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 離心式霧化裝置

1.1 霧化機(jī)理

離心式霧化裝置中液體從離心式霧化裝置后部或側(cè)部，沿軸向或切向方向進(jìn)入筒體，在內(nèi)壁上由于摩擦力液體會(huì)形成液膜，受裝置的離心力作用沿內(nèi)壁形成旋流，至出口處向外甩出。旋流效應(yīng)越強(qiáng)，液膜的擾動(dòng)也越強(qiáng)，越容易被破碎；基于此，噴嘴進(jìn)口處為強(qiáng)化旋流作用，可使用一個(gè)收縮口，但在出口處會(huì)形成空心錐形膜，影響了液體的霧化效果，因此需要將形成的空心錐形膜破碎。霧化裝置出口處的空心錐形膜流速越高，與周圍空氣的速度相對(duì)速度與接觸面積越大，產(chǎn)生的摩擦力越大可破壞空心錐形

膜的表面張力，把液膜撕裂成小水滴達(dá)到霧化的目的[3]，見圖1。

1.2 霧化特點(diǎn)

霧化的效果取決于出口處液滴的大小、環(huán)境介質(zhì)對(duì)液膜破碎的程度，即液體出口流速越大，液體與周圍環(huán)境空氣的摩擦力也就越大，越容易破壞液膜表面張力形成小液滴。因此，旋流效應(yīng)越強(qiáng)、出口速度越快，霧化效果越好。

2 旋轉(zhuǎn)式霧化裝置

2.1 霧化機(jī)理

旋轉(zhuǎn)式霧化裝置霧化機(jī)理與離心式霧化裝置相同，旋轉(zhuǎn)式霧化裝置也是主要依靠離心力將液體打碎霧化；但與離心式裝置不同，液體進(jìn)入霧化裝置內(nèi)部后，受離心力作用從側(cè)面離心出，而不是依靠旋流從出口離心出形成空心膜，因此側(cè)面大多開孔、布置熱管，或直接為開式裝置沒有側(cè)面,見圖2[11]。

2.2 霧化特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)式霧化裝置霧化特點(diǎn)與離心式霧化裝置不同的是，旋轉(zhuǎn)霧化裝置不會(huì)形成液膜、且霧化出的液體大多成滴狀，因此不需要進(jìn)行液膜的打碎過程，霧化效果較膜狀好。但旋轉(zhuǎn)式霧化裝置的缺點(diǎn)是，從壁面直接依靠離心力旋轉(zhuǎn)霧化出的小水滴容易受到出口形狀和旋轉(zhuǎn)速度的限制。

3 壓力式霧化裝置

3.1 霧化機(jī)理

壓力式霧化裝置霧化機(jī)理是由裝置提供高壓，使液體從裝置壁面的孔上噴出，其中壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而高于周圍流體的動(dòng)能使得液體與周圍空氣發(fā)生強(qiáng)剪切使得液體霧化。實(shí)質(zhì)上，霧化裝置提供的動(dòng)能與壓力主要消耗在克服液體表面的張力及液體內(nèi)部的粘滯力，使得液體難以在這兩種力的作用下保持大體積的膜狀。高于周圍氣體的速度及高壓使裝置內(nèi)部液體噴出，且破碎成滴狀，實(shí)現(xiàn)霧化[4,5]。

3.2 霧化特點(diǎn)

壓力式霧化裝置液壓增大，提供給噴霧霧滴運(yùn)行過程中的能量也越大，自然液體的速度和動(dòng)能也越大[6]，可形成更為細(xì)密的水霧，霧化效果更好，但此種霧化裝置需要提供高壓即高能耗以消除液體的粘滯力及張力的影響[7]。

4 超聲波式霧化裝置

4.1 霧化機(jī)理

超聲波是一種縱波，傳播時(shí)可高頻率地?cái)D壓或拉伸介質(zhì)，使介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)而產(chǎn)生剪切力與沖擊力，且超聲振動(dòng)的頻率越高，質(zhì)點(diǎn)的加速度越大[8]。當(dāng)合適頻率的超聲在液體中傳播時(shí)，使液體中的微氣核(空化核)受到生長(zhǎng)、收縮或崩潰，同時(shí)，周圍產(chǎn)生高溫高壓并伴隨微激波或微射流現(xiàn)象。超聲波式霧化裝置利用壓縮空氣沖擊共振腔產(chǎn)生聲波，聲波在共振腔反射產(chǎn)生共振的頻率達(dá)到超聲頻率，且聲強(qiáng)足夠大時(shí)，可將水很好的霧化。

4.2 霧化特點(diǎn)

超聲波產(chǎn)生的水霧噪聲小、溫度低、清潔度高，且水霧中含有大量的負(fù)離子可吸收空氣中的有害氣體。超聲波頻率越高霧化出的液滴粒徑越小，超聲強(qiáng)度越大霧化的量越大。

5 靜電式霧化裝置

1)霧化機(jī)理。

靜點(diǎn)式霧化機(jī)理是利用液體帶電后庫侖力削弱液體表面張力而使液體破碎成液滴[9]。

2)霧化特點(diǎn)。

靜電式霧化出的顆粒細(xì)小，霧化效果好，但需要增加液膜的導(dǎo)電性才能使靜電霧化效果更好[9]。

6 五類霧化裝置在降溫、凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，霧化裝置也越來越多地應(yīng)用到降溫、凈化上，五類裝置也分別適用于不同場(chǎng)合。

6.1 離心式霧化裝置應(yīng)用于降溫領(lǐng)域

近年來離心式霧化裝置已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于無人機(jī)噴霧上，茹煜等人[10]在2011年就設(shè)計(jì)了離心式霧化噴嘴應(yīng)用于無人機(jī)遠(yuǎn)程噴霧的霧化系統(tǒng)，該系統(tǒng)噴灑面積相對(duì)較廣、施藥均勻、噴灑效率高，有較好的霧化效果。

6.2 旋轉(zhuǎn)式霧化裝置應(yīng)用于凈化領(lǐng)域

垃圾焚燒發(fā)電是垃圾處理的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，而垃圾處理中脫硫技術(shù)是凈化空氣的關(guān)鍵。高志宏[11]研究了在焚燒垃圾發(fā)電中運(yùn)用旋轉(zhuǎn)式霧化裝置脫硫凈化空氣的方法，并對(duì)霧化裝置進(jìn)行了優(yōu)化。

6.3 壓力式霧化裝置應(yīng)用于降溫、凈化領(lǐng)域

2010年上海世博會(huì)戶外使用的霧化降溫裝置即為壓力式霧化裝置，在霧化利用分裂出帶負(fù)電水滴吸收空氣中的原子形成負(fù)離子，在空氣中沉降，達(dá)到霧化的效果，有效地降低了室外的環(huán)境溫度，創(chuàng)造了相對(duì)適宜的環(huán)境。

6.4 超聲波式霧化裝置應(yīng)用于降溫、凈化領(lǐng)域

楊洋等人[12]做了關(guān)于利用超聲波霧化的研究，即用超聲波在空調(diào)噴水室內(nèi)霧化以凈化PM2.5，并發(fā)現(xiàn)超聲波除降塵效率較傳統(tǒng)噴水室高，且提高了資源利用率、節(jié)省了資源利用量。

6.5 靜電式霧化裝置應(yīng)用于凈化領(lǐng)域

靜電霧化主要應(yīng)用于凈化領(lǐng)域，其中靜電除塵器因除塵效率高且能耗較傳統(tǒng)除塵器的能耗低，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的煙氣粉塵凈化[13]。

7 結(jié)語

通過對(duì)五類霧化裝置的機(jī)理和特點(diǎn)的分析，結(jié)合其在降溫、凈化領(lǐng)域的應(yīng)用，主要得出以下這些結(jié)論：

1)五類霧化裝置都是借助外力(離心力、高壓或超聲波)將液體破碎、利用液滴蒸發(fā)吸熱降溫或吸收顆粒。

2)在降溫領(lǐng)域離心式、旋轉(zhuǎn)式、壓力式和超聲式霧化裝置應(yīng)用得較多，在凈化領(lǐng)域壓力式、超聲式和靜電式裝置應(yīng)用得較多。

一套適宜的霧化裝置對(duì)提高能效、降低能耗、減少資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染具有重要意義，而不同的場(chǎng)合，應(yīng)充分考慮各類裝置不同特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)有的條件選擇適合的霧化裝置才能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。