王 猛，郝蕙玲，張 建*，呂鴻雁，周宏平，茹 煜

（1.海軍特色醫(yī)學中心，上海 200433；2.南京林業(yè)大學，南京 210037）

0 引言

霧化是通過噴嘴將液體分散成微小液滴，呈霧狀噴射出去的過程[1-2]。霧化的方法[3-4]主要有壓力霧化[5-6]、離心霧化[7-8]、氣力霧化[9]、聲波霧化[10]等。其中氣力霧化是依靠高速氣流的沖擊力對液體進行破碎，實現(xiàn)液體霧化。氣力霧化具有霧化效果好[11]、適用液體種類多、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，應(yīng)用較為廣泛。

防疫消殺噴霧的主要目的是對空間進行消毒處理，殺死環(huán)境空間的害蟲，防止發(fā)生大范圍的公共衛(wèi)生安全事故[12]。防疫消殺噴霧機目前采用的氣力霧化結(jié)構(gòu)主要有以下2 種：一是采用變截面氣道結(jié)構(gòu)增加風壓實現(xiàn)霧化[13]；二是采用雙流道或者三流道結(jié)構(gòu)，在噴頭內(nèi)部實現(xiàn)一次霧化，噴頭外部氣流對一次霧化氣流進行強烈沖擊實現(xiàn)二次霧化。以上2 種方式雖然可以得到較細的霧滴，但均存在結(jié)構(gòu)復雜、制造精度高、霧化穩(wěn)定性不高等缺點，且對于空間結(jié)構(gòu)復雜、夾層密布的場合，霧滴粒徑難以達到氣霧級別（粒徑＜50 μm），達不到防疫消殺效果。

為達到簡化霧化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高霧化效果的目的，本文設(shè)計了具有兩級反向葉輪的霧化噴頭，搭建了以該噴頭為主要霧化部件的兩級反向氣力霧化系統(tǒng)，通過對本霧化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行試驗分析，研究設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化組合方案。研究結(jié)果表明，本系統(tǒng)霧化效果優(yōu)于市售主流產(chǎn)品，對于防疫消殺噴霧機的新型產(chǎn)品開發(fā)具有參考價值。

1 防疫消殺噴霧機兩級反向氣力霧化系統(tǒng)原理樣機設(shè)計

如圖1 所示，本文設(shè)計的兩級反向氣力霧化系統(tǒng)由外接電源、控制單元、送風電動機、供液單元、氣力霧化噴頭及相應(yīng)連接管線等組成，原理樣機實物圖如圖2 所示。

圖1 兩級反向氣力霧化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 兩級反向氣力霧化系統(tǒng)原理樣機實物圖

控制單元的主要功能是控制電動機啟停和調(diào)節(jié)供液量大小。供液單元由藥液箱、吸藥管和供液管組成，主要目的是使藥液箱中的液體經(jīng)過內(nèi)部管道輸送到氣力霧化噴頭位置處。

送風電動機是一個帶送風葉輪的串激電動機，主要作用是為氣力霧化提供適宜的風量和風壓。當串激電動機帶動送風葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，在葉輪前方產(chǎn)生高壓氣流。高壓氣流的主要作用有2 個：一是為霧化噴頭提供高速氣流，對液體進行充分霧化；二是利用氣體的虹吸作用，通過吸藥管將藥液箱內(nèi)的液體源源不斷地吸入供液管，并送入氣力霧化噴頭中，這種供液方式不需要配置單獨的液泵，結(jié)構(gòu)相對簡單，串激電動機正常工作即可實現(xiàn)穩(wěn)定供藥。噴灑施藥作業(yè)時，藥液通過供液管送入噴嘴中，從噴嘴內(nèi)部的細孔噴出后，遇到第一級霧化空間內(nèi)的正向旋轉(zhuǎn)氣流，實現(xiàn)第一次霧化后，又遇到第二級霧化空間內(nèi)的反向旋轉(zhuǎn)氣流，被反向氣流再次沖擊霧化，形成進一步細化的霧滴后，從氣力霧化噴頭噴出。

為提高氣力霧化系統(tǒng)噴灑施藥的殺滅效果，本文設(shè)計了兩級反向氣力霧化原理的噴頭，如圖3～4所示。該噴頭由噴頭外殼和兩級反向葉輪單元共同組成。兩級反向葉輪單元是霧化的核心部件，作用是集束并調(diào)整風向，提高噴頭位置處的風速。兩級反向葉輪單元由噴頭蓋板、固定式兩級反向葉輪、噴嘴、噴嘴體組成，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其中，噴嘴與噴嘴體連接成一體，可防止漏氣；固定式兩級反向葉輪的葉片旋向相反，形成方向相反的兩股氣流，可達到對液體2 次霧化的效果。

圖3 兩級反向氣力霧化噴頭結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 兩級反向氣力霧化噴頭三維示意圖

圖5 兩級反向葉輪單元三維結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)原理樣機噴霧效果試驗

經(jīng)初步分析，在兩級反向氣力霧化系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)中，噴嘴芯孔徑、噴嘴體直徑以及電動機功率是影響霧化效果的關(guān)鍵參數(shù)。本文設(shè)計加工了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴頭，通過對比試驗研究電動機功率、噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化與霧化效果的關(guān)系。

2.1 噴嘴芯孔徑對霧化效果的影響

采用功率為3 kW 的電動機帶動葉輪鼓風，分別開展噴嘴芯孔徑為2.0、1.5、1.2、0.8 mm 下的噴藥粒徑分析，霧滴粒徑分布圖如圖6～9 所示。其中累積（紅色曲線）是指粒徑小于該數(shù)值的顆粒數(shù)量占顆?？倲?shù)的百分比；濃度是指光學濃度，也叫遮光比，是激光法測量時粒子計數(shù)儀器接收到的光信號的大??；頻率（藍色直方圖）是指某個粒徑區(qū)間的顆粒數(shù)占顆?？倲?shù)的百分比。

圖6 噴嘴芯孔徑為2.0 mm 時的霧滴粒徑分布圖

圖6 中噴嘴芯孔徑為2.0 mm，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為17.727、28.182、72.745 μm，面積平均粒徑D[3，2]為27.543 μm，體積平均粒徑D[4，3]為38.990 μm。

圖7 中噴嘴芯孔徑為1.5 mm，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為15.851、27.044、119.027 μm，面積平均粒徑D[3，2]為25.879 μm，體積平均粒徑D[4，3]為47.478 μm。

圖7 噴嘴芯孔徑為1.5 mm 時的霧滴粒徑分布圖

圖8 中噴嘴芯孔徑為1.2 mm，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為13.286、25.343、151.449 μm，面積平均粒徑D[3，2]為23.990 μm，體積平均粒徑D[4，3]為47.407 μm。

圖8 噴嘴芯孔徑為1.2 mm 時的霧滴粒徑分布圖

圖9 中噴嘴芯孔徑為0.8 mm，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為10.592、18.149、44.633 μm，面積平均粒徑D[3，2]為17.318 μm，體積平均粒徑D[4，3]為25.636 μm。

圖9 噴嘴芯孔徑為0.8 mm 時的霧滴粒徑分布圖

防疫消殺噴霧機的霧滴粒徑要求中，表面滯留噴灑需要的粒徑（50～100 μm）較容易實現(xiàn)，最關(guān)鍵的是10～30 μm 的細小霧滴。從以上試驗結(jié)果可以看出，本方案設(shè)計的兩級反向氣力霧化系統(tǒng)均能實現(xiàn)霧滴粒徑小于30 μm 的霧化效果，具有較好的應(yīng)用價值。同時，在其他參數(shù)設(shè)置情況相同的工況下，隨著噴嘴芯孔徑的減小，霧滴粒徑呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，說明在一定范圍內(nèi)，噴嘴芯孔徑越小，霧滴粒徑越小，霧化效果越好。

2.2 電動機功率對霧化效果的影響

風速和噴嘴結(jié)構(gòu)是影響霧滴粒徑的關(guān)鍵因素，也是能夠產(chǎn)生小霧滴的關(guān)鍵。在某些對臨時用電設(shè)備功率有特殊限制要求的特殊場所，大功率噴霧機會被限制使用。

為研究電動機功率對霧化效果的影響，本文采用噴嘴芯孔徑0.8 mm、噴嘴體直徑18 mm 的噴頭，分別用600、900、1200 W 3 種功率的電動機送風，研究本系統(tǒng)的霧化效果，霧滴粒徑分布圖如圖10～12所示。

圖10 噴嘴體直徑為18 mm、電動機功率為600 W 時的霧滴粒徑分布圖

圖10 中噴嘴體直徑為18 mm、電動機功率為600 W，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為19.474、38.494、85.224 μm，面積平均粒徑D[3，2]為34.123μm，體積平均粒徑D[4，3]為45.956μm。

圖11 中噴嘴體直徑為18 mm、電動機功率為900 W，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為19.384、32.011、70.529 μm，面積平均粒徑D[3，2]為30.812μm，體積平均粒徑D[4，3]為39.068μm。

圖11 噴嘴體直徑為18 mm、電動機功率為900 W 時的霧滴粒徑分布圖

圖12 中噴嘴體直徑為18 mm、電動機功率為1200 W，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為19.447、29.637、54.212 μm，面積平均粒徑D[3，2]為28.694μm，體積平均粒徑D[4，3]為33.895μm。

圖12 噴嘴體直徑為18 mm、電動機功率為1200 W 時的霧滴粒徑分布圖

試驗結(jié)果顯示，隨著電動機功率增大，總體霧化效果有所改善，但作用有限。在實際應(yīng)用方面，在600～1200 W 電動機作用下均有10%～50%的粒徑處于30 μm 以下，能夠滿足氣霧噴灑的防疫消殺需求。

2.3 相同功率下噴嘴體直徑對霧化結(jié)果的影響

采用1200 W 的電動機送風，噴嘴芯孔徑設(shè)為0.8 mm，分別針對噴嘴體直徑為16、18、20 mm 的3種噴嘴進行霧化效果試驗對比，研究電動機功率恒定情況下，噴嘴體直徑對霧化效果的影響，霧滴粒徑分布圖如圖13、12、14 所示。

圖13 噴嘴體直徑為16 mm、電動機功率為1200 W 時的霧滴粒徑分布圖

圖13 中噴嘴體直徑為16 mm、電動機功率為1200 W，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為18.095、27.436、48.075 μm，面積平均粒徑D[3，2]為26.693μm，體積平均粒徑D[4，3]為30.938μm。

圖14 中噴嘴體直徑為20 mm、電動機功率為1200 W，霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為16.783、30.268、64.289 μm，面積平均粒徑D[3，2]為28.091μm，體積平均粒徑D[4，3]為36.263μm。

圖14 噴嘴體直徑為20 mm、電動機功率為1200 W 時的霧滴粒徑分布圖

試驗結(jié)果顯示，在其他條件相同的情況下，噴嘴體直徑越小，噴嘴產(chǎn)生的霧滴粒徑總體趨于變小，綜合效果較好。但是改變噴嘴體的入口直徑對霧滴粒徑影響較小，因此噴嘴體的直徑不是影響霧化效果的關(guān)鍵因素。

2.4 兩級反向氣力霧化系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選方案

綜合上述試驗情況分析可以得出，噴嘴芯孔徑越小、電動機功率越大，霧滴粒徑越小，霧化效果越好。

電動機功率的選擇，主要取決于應(yīng)用環(huán)境因素。綜合考慮防疫場所可能涉及的用電負荷要求，建議采用900 W 電動機、噴嘴芯孔徑為0.8 mm、噴嘴體直徑為16 mm 的兩級反向氣力霧化系統(tǒng)。采用該參數(shù)的霧化系統(tǒng)的霧滴粒徑分布如圖15 所示。

圖15 噴嘴體直徑為16 mm、噴嘴芯孔徑為0.8 mm、電動機功率為900 W 的霧滴粒徑分布圖

圖15 中霧滴累積計數(shù)10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑分別為9.185、18.058、47.543 μm，面積平均粒徑D[3，2]為16.265 μm，體積平均粒徑D[4，3]為23.286 μm。

上述試驗結(jié)果表明，采用該參數(shù)的樣機，功率不大于1 kW，噴霧效果達到氣霧級別（粒徑小于50 μm），能夠合理滿足功率、霧滴粒徑的綜合要求，可作為防疫消殺噴霧機的優(yōu)選方案。

3 與市售產(chǎn)品的綜合對比分析

為了比較本方案霧化系統(tǒng)的原理樣機與市售同類主流產(chǎn)品的性能優(yōu)劣，本文選擇多款市售的氣力霧化噴霧機進行試驗對比分析，結(jié)果見表1。

從表1 中可知，在功率＜1000 W 的條件下，本文的霧化系統(tǒng)原理樣機的最小霧滴粒徑較國內(nèi)同類產(chǎn)品有明顯的優(yōu)勢。

表1 本文樣機與市售多種氣力霧化噴霧機綜合性能比較

4 結(jié)語

本文設(shè)計了具有兩級反向葉輪結(jié)構(gòu)的防疫消殺噴霧機氣力霧化系統(tǒng)，根據(jù)噴嘴芯孔徑、電動機功率、噴嘴體直徑等不同設(shè)計參數(shù)的變化，對霧化效果進行試驗，得出了較佳組合方案。與市售產(chǎn)品霧化性能對比試驗說明本設(shè)計能夠得到較小的霧滴粒徑，霧化效果優(yōu)于同類產(chǎn)品，對提高防疫消殺產(chǎn)品效能具有重要的參考價值。

雖然本文研制樣機的噪聲水平與市售各種樣機無明顯差異，但實際噴霧作業(yè)中，此噪聲水平已經(jīng)能夠引起操作者不適并加速精神疲勞。未來應(yīng)進一步分析氣力霧化噴頭的葉輪形狀、轉(zhuǎn)角大小等因素對霧化效果、工作噪聲2 個方面的綜合效應(yīng)，在保持霧化效果的同時降低噪聲水平。