空气滤清器性能试验台气溶胶特性

林忠平，吴昌甫，李 钊

（同济大学 机械与能源工程学院，上海200092）

多分散相气溶胶发生器对于空气滤清器性能试验装置是不可或缺的，为了测试空气滤清器的计数效率，需要均匀、稳定、浓度及粒径分布可控的多分散相气溶胶，因而有必要分析气溶胶的制备及其影响因素.本文根据《道路车辆－乘驾室用空气滤清器》（QC／T795—2007）［1］的相关要求，针对一种新型多分散相气溶胶发生喷嘴，采用粒径测量范围宽、通道多、浓度上限高的 Welas－2000气溶胶粒径谱仪，通过雾化效果对比实验，分别探讨压缩空气与喷雾溶液之间的气液比、喷雾溶液的动力粘度、表面张力等物理性质以及压缩空气的压力、速度、密度等参数对发生气溶胶浓度、粒径分布及其分散度的影响.

1 气溶胶发生器

为了对空气滤清器的过滤性能进行深入研究，2010年同济大学与相关合作单位联合研制了“空气滤清器性能试验装置”及相应的多分散相气溶胶发生装置，采用的气溶胶发生喷嘴是一种气-液二流外混式喷嘴，即外管走气体，内管走液体，气体与液体在喷嘴出口处掺混，如图1所示.压缩空气从环隙中高速喷出，产生的强大气动力作用和伯努利效应使喷嘴出口区域形成负压或者较低压力场，从而卷吸KCl喷雾溶液.同时，KCl溶液在自身的位置势能作用下以一定的速度流下，但该速度与气流速度相差70倍以上，如此大的相对速度使得气液之间产生较强的摩擦力和剪切力，液体在瞬间被拉成一条条细长的液束，并在其较细处很快断裂而形成微小的雾滴［2－3］.同时经干燥的压缩空气迅速吸收蒸发KCl溶液中的水分，产生具有一定粒径分布的KCl晶体颗粒，与测试主管道中的实验气流形成气固两相流.

2 气溶胶特性实验

图1 多分散相气溶胶发生喷嘴结构示意图Fig.1 Schematic of the nozzle for poly -disperse aerosol generator

对于气流式雾化器，雾滴的平均直径D是衡量雾化性能的重要指标.雾滴平均直径是多个因素综合作用的结果［4］.本实验中，气体和液体喷嘴出口在同一平面上，液孔壁厚很小，可以忽略.另一方面，由于液体流速很慢，气液流速相差70倍以上，可用气体速度近似代替气液相对速度，故雾滴平均直径的影响因素为

式中：DL为液孔内径，m；AG为气体环形出口面积，m2；AL为液体出口面积，m2；μL为液体动力粘度，Pa·s；ρL为液体密度，kg·m－3；ρG为气体密度，kg·m－3；σL为液体表面张力，N·m－1；ML为液体质量流量，kg·s－1；MG为气体质量流量，kg·s－1.

由式（1）中的参数可组合为以下4个量纲一数［4］：

式中的Ds为Sauter平均直径，We′和Re′分别表示修正韦伯数和修正雷诺数.以下通过一系列气溶胶特性实验来探讨各参数和量纲一数对发生气溶胶浓度、粒径分布及其分散度的影响.

2.1 气液比的影响

根据《道路车辆-乘驾室用空气滤清器》标准对实验风量QTest的要求（150～680m3·h－1），选取一般空气滤清器额定风量300m3·h－1为实验风量.配置质量分数为3.0%的KCl溶液，并保持在同一液体流量开度.调节压缩空气的输出压力ΔPout，可得到不同的气液比.图2～图3分别为不同气液比条件下的粒径分布和Sauter平均直径.从图2～3可知，随着气液比的增加，粒子数量浓度总量会显著增加，粒径几何标准差也逐渐增大，且位于0.295～1.244μm粒径段的粒子数最为集中，占到总量的88.4%～93.1%.同时，Sauter平均直径在气液比65～109范围内逐渐增加，当气液比超过136后雾滴Sauter平均直径明显变小，因此气液比109～136是平均雾滴粒度变化趋势发生改变的临界范围.从图3可知，随着气液比MG／ML的增大，粒径几何标准差也从3.30增加到3.72，均大于1.5，故为多分散相.

2.2 液体物理性质的影响

喷雾使连续的液体碎裂成为细小的液滴，液滴的稳定取决于液体的表面张力，它阻止液滴表面的变形，雾化所需要的最小能量就等于表面张力乘以液体表面积的增加量［5］.在大多数情况下，粘性是最重要的液体性质.虽然它对喷雾影响的敏感程度不如表面张力，但是它的影响不仅体现在雾化液滴的粒径分布，而且还有液体在喷嘴内部的流动速率和雾化的模式［5］.

将KCl白色结晶粉末与不同量的水混合，分别配置1.0%，5.0%，10.0%，15.0%，20.0%等5种质量分数的KCl溶液；利用甘油、乙醇与水可以相互溶解的性质，分别将它们按照与水4：1和1：4的体积比进行混合；并结合甘油、DEHS（癸二酸二辛酯）液体的高粘性，来研究液体的动力粘度、表面张力等物理性质对喷雾效果的影响.各液体的物性参数见表1.

表1 实验溶液的物性参数［6－7］及实测Sauter平均直径与公式（4）计算值对比Tab.1 Properties of the aerosol［6－7］and the experimental Dscompared with theoretical predictions using the equation（4）

图4～图5为5组不同质量分数的KCl溶液经多分散相喷嘴雾化后的Sauter平均直径、粒子数量浓度总量分别与液体动力粘度、表面张力的关系曲线（其中的实验风量QTest、压缩空气的输出压力ΔPout及其流量QG等实验条件分别如图所示）.由图4可知，随着KCl溶质的增多，KCl溶液的动力粘度和表面张力均有所增加，Sauter平均直径和粒子数量浓度总量也随之增大，几何标准差由3.57逐渐降低至3.39.图6～图7为甘油、DEHS等高粘性液体的雾化特性曲线.此时，Sauter平均直径随着粘性的增加先增大而后趋近于一恒定值，随着表面张力的增加先减小而后增大；粒子数量浓度总量随着粘性的增加先增大而后降低，随着表面张力的增加先减少而后变化趋缓.

综合图4～图7的实验结果可知，对于低粘度液体（如KCl溶液、乙醇），粘度的减小会使Re增大，加快湍流的发展，促进喷雾液膜射流的碎裂，使雾化液滴的尺寸减小.对于高粘度液体（如DEHS、甘油），流动速率和体积流量通常会随着液体粘度的增大而减小.实验发现，因乙醇的表面张力较小，每滴乙醇液滴体积相对较小，而滴速相似，故乙醇溶液在雾化过程中形成的低粘度液膜射流容易碎裂成液片，导致其Sauter平均直径小于其他液体工质的平均粒径.当喷雾工质选为粘度较大的甘油和DEHS时，随着粘度的增加滴速迅速降低，促使高粘度液膜射流更易碎裂成液线，Sauter平均直径也更大，但由于流量的减小幅度较大使得粒子数量浓度总量减少.从图8～图9的雾化粒径分布知，0.255～1.077μm范围内的粒子数最为集中，占到总数的85.5%～99.6%，几何标准差为3.16～4.24.

2．3 相对速度和气体密度的影响

由于本实验的压缩空气经过干燥装置脱除水蒸气，故可当作干空气处理，其密度可用下式计算［8］：

式中：ρG为喷嘴入口处压缩空气的密度，kg·m－3；B为实验室环境大气压力，Pa；PG为喷嘴入口处压缩空气静压力，Pa；tG为喷嘴入口处压缩空气干球温度，℃．

图2～图5中有关压缩空气流量的数值均按照式（3）进行密度修正．通过调节压缩空气的输出压力与流量可改变其密度和气流速度．当压缩空气流量高于2．44m3·h－1时，输出压力保持为0．45MPa，通过调节压缩空气管的阀门开度将气流量增大至2．93，3．42，3．91m3·h－1，对应的压缩空气密度不变，而气流速度依次增大，如图10所示．由图11可知 ，当气流速度较小（66．9m·s－1以下）时，气液比也相对较小，逐渐增大气流速度会使液束趋于稳定，Sauter平均直径也随之增加；当气流速度提高至99.5m·s－1时气液比逐渐趋近于恒定，但是Sauter平均直径会因气流速度的增加导致喷雾能量的显著增强、加速液束的碎裂而降低.由于液体流速均在1.3m·s－1以下，故压缩空气的速度可看作气液相对速度.从空气动力角度来看，压缩空气的密度与气流速度的增大意味着增加了空气动能，让更多的能量用于雾化，平均雾滴粒度也会随之减小.文献［2］提出雾滴的平均粒径与空气动力的0.57次方成反比.

从压缩空气用量、气液相对速度以及雾化效果综合考虑，可以通过图11确定最佳的喷雾方案.比如根据滤清器效率测试对人工气溶胶Sauter平均直径的要求，可根据图11确定相应的气流速度和气液比，并选择合适的压缩空气输出压力.

3 分析与讨论

根据式（2）中的Π1，Π2，Π3，Π4等4个量纲一数，可以组合出以下公式［4］：

将实验数据代入式（4）中，计算出不同喷雾溶液的Sauter平均直径，并与实测值进行对比分析，如表1所示.对于不同质量分数的KCl溶液，实测值Ds0与计算值Ds1均吻合得很好，如图12所示.而对于其他溶液，特别是粘度较大的甘油和DEHS，偏差则相对较大，因此公式（4）对于粘度较大的溶液需要进行必要的修正，其适用性需要更多的后续研究工作进行探讨.

Nukiyama和Tanasawa提出液体喷雾的液滴粒径分布［5，9］，有如下实验关系式：

式中：N为粒子数量浓度，个；D为粒径，μm；a，b，m，n分别为4个相互独立的常数，由于本文实验中气液体积比QG／QL均大于5 000，故可取m＝2，n＝1［9］.

将式（5）等号两边同除以D2并取对数，则

图12 部分实测Sauter平均直径与公式（4）计算值对比图Fig.12 Comparison of the experimental Dsvalues with theoretical predictions using equation（4）for KCl

图13 不同液体工质的雾化粒径分布趋势线Fig.13Trend line of aerosol concentration-diameter distribution with different spray solution

将不同液体工质的实验数据代入式（6）中，并作粒径分布趋势线，如图13所示.可以看出，不同质量分数KCl溶液的趋势线和相关系数比较接近，b集中于3.62～4.00，lna处于11.11～11.92，R在0.975以上.乙醇、甘油和DEHS等5种液体的趋势线除了乙醇1∶4的b相差较大，其他的b位于3.13～4.05，lna处于9.52～11.21，R在0.944以上.

4 结论

（1）对于气 -液二流外混式轴针喷嘴，雾滴Sauter平均直径随着气液比的增加先增大经过拐点后减小.

（2）液体工质的动力粘度和表面张力对雾化效果的影响显著.增加KCl溶液的质量分数，雾滴Sauter平均直径、粒子数量浓度总量、几何标准差也随之增大.

（3）当气流速度相对较小时，Sauter平均直径随着气流速度的提高而增大；当气流速度提高到一定程度后气液比趋近于恒定，Sauter平均直径显著降低.

（4）对于KCl溶液，雾化Sauter平均直径的实测值与经验公式计算值吻合很好；对于甘油、DEHS等高粘性液体，两者相差较大，其适用的经验公式有待后续工作进行进一步研究.

（5）根据本文实验数据拟合的雾化液滴粒径分布关系式，对于KCl溶液和其他液体工质（除乙醇1∶4之外）均具有较为相近的实验系数和较高的相关系数.

［1］QC／T795—2007道路车辆－乘驾室用空气滤清器（第1部分）：粉尘过滤测试［S］.2007.QC／T795—2007 Road vehicles－air filters for passenger compartment（Part 1）：Test for particulate filtration［S］.2007.

［2］刘厂文.喷雾干燥实用技术大全［M］.北京：中国轻工业出版社，2001.LIU Changwen.Practical technology of spray drying［M］.Beijing：China Light Industry Press，2001.

［3］曾卓雄，姜培正，谢蔚明.喷嘴雾化粒径的实验研究［J］.西安交通大学学报，2000，34（4）：75.ZENG Zhuoxiong， JIANG Peizheng， XIE Weiming.Investigation of atomizer particle diameter［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2000，34（4）：75.

［4］Ceidk P，Flikova I.Some aspects of spray formation by pneumatic nozzles［J］.Drying Technology，1985，3（1）：101.

［5］曹建明.喷雾学［M］.北京：机械工业出版社，2005.CAO Jianming.Spray［M］.Beijing：China Machine Press，2005.

［6］欧阳跃军.无机盐溶液表面张力的影响研究［J］.中国科技信息，2009（22）：42.OUYANG Yuejun.Study on effect of surface tension of the inorganic saline solution［J］.China Science and Technology Information，2009（22）：42.

［7］张海朗，张锁江，陈庚华，等.电解质（NaCl和KCl）及其混合物含水溶液在298.15K下的粘度［J］.化工学报，1996，47（2）：211.ZHANG Hailang，ZHANG Suojiang，CHEN Genghua，et al.The viscosity of electrolytes （NaCl and KCl）and their aqueous solution at 298.15K［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering（China），1996，47（2）：211.

［8］赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节［M］.第3版.北京：中国建筑工业出版社，1994.ZHAO Rongyi，FAN Cunyang，XUE Dianhua，et al.Air conditioning［M］.3rd ed.Beijing：China Architecture and Building Press，1994.

［9］持田隆，茎田嘉男，今村薰.喷雾干燥［M］.张佑国译.苏州：江苏科学技术出版社，1982.Mochidat，Kukiday，Imamurak.Spary drying［M］.Translated by ZHANG Youguo.Suzhou：Jiangsu Publishing Company of Science and Technology，1982.