标气动态发生系统的负压吸动式雾化发生池①

梁其诚，余 愚，王利平，连帅梅，吴 勇

(西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039）

标气动态发生系统的负压吸动式雾化发生池①

梁其诚，余 愚，王利平，连帅梅，吴 勇

(西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039）

提出了一种新型的负压吸动式雾化发生池，主要应用于气源常温下为液态的标气发生系统中。介绍其结构和运行的原理，在实验的基础上，分析了实验数据，选择最佳的孔径参数值，达到最好的雾化效果。该发生池最终成功应用于标气动态发生系统中，运行稳定，取得了良好的效果。

负压;雾化发生池;实验

标准气体已广泛应用于产品质量监督和质量控制、仪器仪表的校准、大气环境监测、医疗卫生、临床检验、分析方法的评价等领域［1］，各行业对标准气体精度的要求越来越高，加强对标准气体发生装置的研究十分必要。标准气体的配制有动态法和静态法，本文所提出的数控标气动态发生系统运用的是动态配气法。在数控动态标气发生系统中，我们设计有扩散式发生池、携带式发生池和雾化式发生池，它们针对的气源挥发度由高到底，在常温常压下均为液态。根据配制气体组分的不同，选择不同的发生池，稀释气体流过发生池把气源带入发生系统中，系统中有若干加热器、传感器、电磁比例阀、质量流量控制器、多通多位接头，通过PLC控制，易控组态软件监控，由此形成了数控标气动态的发生系统，如图1示意图所示。本文所研究的对象是该系统中的雾化式发生池，它针对的是挥发度低的气源 (常温常压下为液态），利用负压吸动的作用形成雾化，很好地解决了气源难挥发的问题，具有一定的创新性，该装置最终成功运用于数控标气动态发生系统中，运行稳定，取得了良好的效果。

1 系统构成

本文所研究的对象是该系统中的雾化式试剂发生池。雾化式试剂发生池放置在恒温箱体中，主要作用是完成低挥发度的液态气源的雾化过程，使其形成蒸气或气溶胶状态，由稀释气体携带进入系统的混气室。发生池主要由喷雾器和试剂扩散池构成，如图2所示。喷雾器本身有两部分:外壳和喷嘴，如图3所示。

图1 数控标气动态发生系统结构图Fig.1 Standard gas dynamic system structure diagram

在外壳和喷嘴之间有一个体积合理的气液混合腔体，外壳上有一根直径为1.7 mm的导液管 (软管），连通气液混合腔体和试剂发生池底部的液态气源。外壳上进液管口的直径为0.8 mm，喷嘴口直径为0.4 mm，配合时进液管口与喷嘴口的间隙为2 mm(以上数据均由实验选择最佳值得出）。使用时，稀释气流以4～150 m/s的速度高速经过喷嘴口流进进液管口，根据流体力学理论，此时在进液管口处产生负压，导液管将试剂液体吸入气液混合腔体，气流与液体在混合室中进行能量交换，形成一定压力的混合流体，在气流的携带下经进液管口，以喷雾状进入试剂扩散池，形成气溶胶及气体的混合体系。雾化器的发生性能主要取决于气液混合腔体产生负压的大小，负压的大小受进液管口孔径、喷嘴口的孔径、喷嘴口到进液管口的距离和稀释气体流速的影响，下一步我们将通过实验来选取最佳的影响因素值。

由于喷嘴与外壳间有一个气液混合腔体，为了防止混合的气体从器件的装配缝隙流出，造成器件腐蚀，制造时，首先要求选用耐腐蚀的材料，其次要保证喷嘴的外螺纹和外壳的内螺纹具有很高的精度，两个螺纹还要求具有同轴度，使器件气密性良好。为此我们用聚四氟乙烯作为喷嘴的材料，同时在加工中采用了导向柱面与O型圈密封组合结构，确保喷嘴轴心线的位置精度，阻断了腐蚀性试剂进入螺纹区域的通道，收到了较好的效果。

试剂扩散发生池设计由14个零件组成:扩散发生室体、顶盖、螺栓、滚花螺栓、出气口接头、进气口外盖、3个O型密封圈、4个六角头螺栓、硅橡胶密封圈。喷雾器与试剂扩散发生池加工装配时采用基孔制间隙配合，外面加盖固定，在喷雾器外壳与试剂扩散发生室外壁接触的地方加O型密封圈，防止漏气，保证了良好的气密性。雾化试剂发生池实物图如图4所示。

图4 雾化式试剂发生池实物图Fig.4 Atomizing type reagent pool physicalmap

2 实验目的和方法

在喷雾器装置中，有4个重要的参数需要确定，分别是进液管口孔径、导液管口径、喷嘴的口径和喷嘴口到进液管口的距离。根据所需求的混合气体浓度的大小和合理的工艺要求，确定了两个参数:进液管的口径为0.8 mm;导液管的口径为1.7 mm。喷嘴口的孔径和喷嘴口到进液管口的距离根据实验选择。

实验目的:

(1）测量气液混合腔的压力和大气压的压差。

(2）选择合理的喷嘴口径。

(3）选择合理的喷嘴口到进液管口距离。

实验器材:

一个喷雾器、两个饮料瓶、一台空气压缩机、一个质量流量控制器 (调节范围50～1000 mL/ min）、一张白纸、一把刻度尺。

实验方法:

喷雾器的结构紧凑，配合精密，利用水银压力计或压力传感器都比较难测得气液混合腔体中的压力值。本实验通过测量导液管中水柱的高度来计算气液混合腔内的压力值，很好地解决了测量难的问题。

用自来水来替代液态气源，把导液管插入自来水中，启动空气压缩机，通过质量流量传感器调节气体的流速，可以观察到自来水被吸进气液混合腔体中，从喷雾器喷口处喷出，喷口前放了一张白纸，喷射在白纸上的水雾清晰可见。

为了能够通过导液管的水柱计算出气液混合腔的压力值，我们把导液管加长至200 mm。气体在某流速下，自来水停留在导液管中，用刻度尺测量导液管中水柱的高度h，根据公式P=ρgh，其中ρ =1000 kg/m3、g=9.8 N/kg，即可计算出对应的压力值。

本次实验一共测得了3组数据，第一组:调节质量流量控制器，保持气体流量为800 mL/min，进液管的口径为0.8 mm，导液管的口径为1.7 mm，喷嘴口到进液管口的距离为2 mm，喷嘴口的孔径分别为0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm时，气液混合腔对应的压力值;第二组:调节质量流量控制器，保持气体流量为800 mL/ min，进液管的口径为0.8 mm，导液管的口径为1.7 mm，喷嘴口的孔径为0.4 mm，喷嘴口到进液管口的距离分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm时，气液混合腔对应的压力值。第三组:进液管的口径为0.8 mm，导液管的口径为1.7 mm，喷嘴口的孔径为0.4 mm，喷嘴口到进液管口的距离分别为2 mm时，调节质量流量控制器，改变气体流量分别为600 mL/min、700 mL/min、800 mL/ min、900 mL/min、1000 mL/min时，气液混合腔对应的压力值。

3 实验结果与分析

气体流量为800 mL/min，进液管的口径为0.8 mm，导液管的口径为1.7 mm，喷嘴口到进液管口的距离为2 mm，改变喷嘴的孔径如表1，图5为折线图。

表1 喷嘴孔径变化表Table 1 The nozzle aperture changing table

图5 改变喷嘴孔径大小Fig.5 Change the nozzle aperture size

气体流量为800 mL/min，进液管的口径为0.8 mm，导液管的口径为1.7 mm，喷嘴口的孔径为0.4 mm，改变喷嘴口到进液管口的距离如表2，图6为折线图。

表2 喷嘴口到进液管口距离变化表Table 2 The nozzle orifice into the liquid inlet nozzle distance changing table

进液管的口径为0.8 mm，导液管的口径为1.7 mm，喷嘴口的孔径为0.4 mm，喷嘴口到进液管口的距离分别为2 mm，改变气流流量如表3，图7为折线图。

图6 改变喷嘴口与进液口的距离Fig.6 Change the nozzle outlet and liquid inlet distance

表3 气流流量变化表Table 3 Air flow changing table

图7 改变气体流量Fig.7 The change of gas flow

根据上述实验结果，当进液管的口径为0.8 mm，导液管的口径为1.7 mm时，为达到最佳的喷雾效果，应选择喷嘴孔径为0.4 mm，喷嘴口到进液管的距离为2 mm。当气体的流速加快时，负压的值越大，喷出的液体增多。本实验证明:用此雾化发生池使低挥发度的液态气源雾化，使其形成蒸气或气溶胶状态，由稀释气体携带进入系统的混气室是可行的。

曾有许多学者对导液管末端气体射流负压吸动效应进行了研究，并初步探讨了作用区压力的形成机理［2］。本文认为，高速气体射流运动过程中，由于流体内摩擦力的作用，将引起喷嘴口与进液口附近的气体分子沿着与射流大致相同的方向运动，从而气体分子跟随射流一起运动而被抽空，使气液混合腔内气体变得稀薄，压力低于环境压力 (大气压），从而引起吸动效应。

4 结 论

在数控标气动态发生系统工作之前，先启动系统末端的真空隔膜泵，使整个系统处于负压的状态，雾化式发生池的压差在－20 Pa左右，从而更加优化了雾化的效果。喷雾器应用于数控标气动态发生系统中，长期工作，运行稳定，效果良好，很好地解决了腐蚀性挥发度低的液态气源的发生问题。

［1］姜素霞，韩中枢，夏春.标准气体的制备方法及配制技术［J］．化学分析计量，2004，13(6）:71-72．

［2］沈军，蒋祖龄，曾松岩，李庆春．气体雾化过程的增压与吸动现象 ［J］．粉末冶金技术，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

梁其诚 (1985），男，海南省文昌市人，西华大学机械工程与自动化学院2010级硕士研究生，主要研究方向:机械制造及其自动化。