双毛细管静电雾化模式试验

2018-05-09 12:39王贞涛朱忠辉张永辉

江苏大学学报（自然科学版） 2018年3期

王贞涛, 朱忠辉, 夏磊, 张永辉, 李睿

(1. 洁华控股股份有限公司博士后科研工作站, 浙江海宁 314419; 2. 江苏大学能源与动力工程学院, 江苏镇江 212013)

当液体以一定的流量从带电的金属毛细管流出时,液体的表面受到高压静电场的作用发生不稳定现象,当静电力和重力超过液体表面张力作用的束缚时,金属毛细管末端以一定的频率不断产生分散性液滴,随着荷电电压或电场强度的增加,液体经过金属毛细管在电场力的作用下在其末端形成间断或连续射流[1-3],此过程称为静电雾化.静电雾化产生的雾滴细小,并且可以通过调节电压实现雾滴粒径和运动轨迹的调整,因此广泛应用在微纳米级材料粒子和薄膜的制备、质谱分析、空间推进技术以及微尺度液态燃料燃烧等领域[4-9].

由于静电雾化的特性及其应用,已经引起了众多研究者的研究兴趣,特别是在静电雾化模式的研究方面取得了显著的进展.前人根据毛细管末端形成的弯月面、液滴以及雾化射流的形态,观察并定义了多种毛细管静电雾化模式,包括滴状、纺锤、锥射流及多股射流等典型的雾化模式[10-13].在不同的雾化模式下雾滴的尺寸分布与运动行为亦有较大的区别.文献[14]研究了甘油在空气和真空中的静电雾化现象,定义滴状模式以及其他周期性出现的雾化模式.文献[15]研究了毛细管的静电雾化模式,探讨了射流直径与流量、施加电压的关系.文献[16]研究了处于二氧化碳中水的静电雾化,获得了典型的锥射流模式和电晕辅助锥射流模式,并给出了对应的电压、流量范围与雾滴粒径分布.文献[17]采用丙二醇作为雾化介质,研究了单毛细管静电雾化的稳定性,获得了稳定锥射流与多股射流存在的电压与流量范围.陈效鹏等[12]通过研究乙醇的单毛细管静电雾化现象,获得了毛细管静电雾化存在的滴状、脉动、锥射流和不稳定多股射流模式,并且这些雾化模式与溶液的电导率、介电常数、表面张力、黏性、电压与流量均有关系.文献[18]采用高速数码摄像技术研究了去离子水的单毛细管静电雾化,分析了滴状与微滴模式下液滴产生频率以及在静电雾化射流的形态与发展过程.在两个及多个毛细管静电雾化研究方面,文献[19-20]分别设计了微孔阵列静电雾化装置与多管道静电雾化系统,探讨了电流与流量的关系、粒径分布等.文献[21]研究了多毛细管静电雾化锥射流模式的起始电压、电流和流量的关系,并探讨了单排毛细管静电雾化现象,分析了多管道雾化的稳定性问题,探讨了稳定锥射流下电压、电流、粒径和流量的关系等.文献[22]采用高速数码摄像技术研究了双毛细管产生的不同雾化模式,并分析了各种不同雾化模式下雾化形态与雾化演变过程.

综上所述,单毛细管静电雾化现象已经有了较为系统的研究,特别是静电雾化模式以及不同雾化模式下对应的雾滴尺度分布或射流形态、流量与电压范围等均有不同形式的详细报道.但双毛细管以及多毛细管的静电雾化现象研究较少,对双毛细管中出现的静电雾化模式分析和研究也较少,尚处于起步的阶段.因此文中采用显微高速数码摄像技术研究去离子水和无水乙醇双毛细管静电雾化现象,拍摄静电雾化图像,根据弯月面、液滴和雾化射流形态确定双毛细管静电雾化模式,并简单探讨雾化介质和双电极对雾化模式的影响.

1 试验装置与方法

双毛细管静电雾化模式试验装置如图1所示.

图1 静电雾化模式试验装置

本次试验的液体供给选择型号为RSP01-B注射泵,注射泵最大线速度65 mm·min-1,最小线速度1.0 μm·min-1,流量误差控制在0.5%以内.为了保证雾化过程供液的稳定性,金属双毛细管直接固定在除去活塞芯的5.0 mL的注射器下端,毛细管管中心之间的距离设定为2.0 mm.不锈钢毛细管为医用注射针头,其末端磨平,不锈钢毛细管的内径为0.30 mm,外径为0.55 mm,长度为13.00 mm.在注射泵与储液管之间通过输液管(硅胶管)连接.试验中的高压静电由负高压静电发生器提供,负高压静电发生器输出的高压负电直接连接在不锈钢毛细管上(作为负极),并采用聚四氟乙烯材料作为隔离,防止导线影响雾化区.在不锈钢毛细管末端正下方20 mm处布置铜质金属接收盘,接收盘直径为150 mm,直接接在大地.在毛细管电极与接收盘电极之间形成不均匀的静电场,雾化在此区域内产生.试验部件关键连接部位采用聚四氟乙烯进行绝缘处理,以保证试验过程中的精度与安全.毛细管静电雾化图像通过型号为MotionProTMX4puls的高速数码相机,配合型号为NAVITAR12X的显微变焦镜头进行微距拍摄,拍摄光源为LED冷光源.高数数码相机通过计算机进行控制,获取的图像直接存在计算存储器内,采集完成后进行图片离线分析.试验中所采用的雾化介质为无水乙醇和去离子水,相关物性参数如表1所示.试验环境温度为15 ℃,相对湿度为52%.

表1 去离子水与乙醇的物理参数

2 试验结果与分析

在单毛细管雾化模式的研究中,尽管存在多种雾化模式,但依据其弯月面、雾滴与射流的形态来分,总体有几种典型的雾化模式,分别为滴状、纺锤、振荡射流、锥射流以及多股射流模式等[4-6],如图2所示.随着对静电雾化研究的不断深入,也出现了微滴模式、脉动锥射流模式、分支模式以及旋转射流模式等.在单毛细管雾化中,其雾化射流的轴线与毛细管轴线基本处于同一直线或围绕毛细管轴线出现摆动与转动现象.而在双毛细管静电雾化过程,由于静电场存在的斥力作用,毛细管射流轴线与喷嘴轴线出现了一定的夹角,且在一定的雾化电压或雾化模式下,夹角保持在一定的范围以内.为了更好地对不锈钢毛细管静电雾化射流进行分析,对所获得的大量图像进行了整理和分析.双毛细管在空间形成电场具有对称性,因此形成的雾化射流具有对称性,选取并列双不锈钢毛细管中左侧一根毛细管进行图像处理与分析,如图3,4所示.从图3和4中可以明显看出,在双毛细管静电雾化模式中出现了滴状、纺锤、锥射流以及多股射流等多种比较典型的雾化模式,但所不同的是由于液滴、弯月面和射流受到并列的另外一根毛细管所形成电场的库仑力作用,不锈钢毛细管静电雾化射流呈现倾斜状态,即射流轴线与毛细管轴线存在一定的夹角.

图2 单毛细管典型的雾化模式

图3 无水乙醇的静电雾化模式

图4 去离子水的静电雾化模式

2.1 乙醇双毛细管静电雾化模式

图3为乙醇在双毛细管时出现的典型雾化模式,在不同的操作参数下可以明显看出雾化模式呈现出滴状(qV=0.50 mL·min-1,U=2.0 kV)、斜滴状(qV=0.30 mL·min-1,U=4.0 kV)、纺锤(qV=0.50 mL·min-1,U=5.5 kV)、脉动锥射流(qV=0.30 mL·min-1,U=7.5 kV)、稳定锥射流(qV=0.30 mL·min-1,U=8.0 kV)、鞭式射流(qV=0.05 mL·min-1,U=6.5 kV)、多股射流(qV=0.05 mL·min-1,U=9.5 kV)等雾化模式.当电压比较低(或电场强度较小)时,双毛细管形成滴状模式,此时滴状模式与单毛细管滴状模式一致,两个液滴基本呈对称分布.液滴与弯月面之间存在细长的液丝,当重力超过静电力和表面张力作用不能平衡时,形成液滴滴下来,液滴粒径是毛细管内径2～3倍,如图3a所示.在滴状模式下,随着电压(或电场强度)进一步增大,液滴粒径有所减小,并且在另外一侧毛细管和射流形成电场产生的库仑力作用下,液滴分离方向出现倾斜,倾斜角度与毛细管电压、流量紧密相关,并且随着液滴的下落其夹角逐渐减小.液滴与弯月面之间的液丝比垂直滴状模式时有所拉长,如图3b所示.当电压进一步增加时,即对应的电场强度超过某个定值时,毛细管末端的弯月面在静电力的作用下被拉长形成一股倾斜的类似纺锤状的射流,射流方向与毛细管轴线方向的夹角跟流量与电压均有关,而弯月面此时呈现为倾斜的泰勒锥状.在纺锤形成的过程中,在纺锤的末端开始连续喷射出极为细小的一股射流,形成极细微的液滴,如图3c所示.随着电场强度的进一步增大,在双毛细管末端产生脉动锥射流模式,弯月面在静电力的作用形成一个较长的锥形体,在锥体末端形成射流,然后射流破碎为单个的液滴,此时形成的液滴大小约为射流直径的1.89倍,如图3d所示.当电场强度进一步增加后,弯月面仍旧被拉成一个较长的锥形体,此时锥形体的锥角有所增大,在射流的末端雾滴破碎成细小的伞状,即为稳定锥射流模式,如图3e所示.在不同的流量下雾滴的雾化模式还能出现鞭式射流以及多股射流.图3f为鞭式射流,此时弯月面不再为锥形体,在远离毛细管中心电场的一侧斜射出一股细小的射流,射流出现摆动,像鞭子末尾的摆动一样.在鞭式射流的末尾,射流亦产生破碎,产生极细微的液滴.图3g为稳定的多股射流模式,在毛细管末端形成多股(一般2～8股)细微的射流,此时多股射流由于另外一侧的毛细管形成的电场产生的库伦作用而产生倾斜,倾斜角度与电场强度紧密相关.在单毛细管中多股射流会产生旋转模式,而在双毛细管静电雾化模式中多股射流并未产生旋转.

2.2 去离子水双毛细管静电雾化模式

毛细管静电雾化实质是静电力克服液体表面张力同时拉长液滴的半月面使初始液滴变形并破碎出更小子液滴的过程.显然除去电场与流量等操作参数外,液体的表面张力等物性参数也是影响液体静电雾化模式的重要参数之一,因此通过去离子水可以进行对比研究.图4为去离子水在双毛细管时出现的典型雾化模式,随着操作参数的变化雾化模式呈现出滴状(qV=0.30 mL·s-1,U=3.0 kV)、斜滴状(qV=0.15 mL·s-1,U=4.5 kV)、纺锤(qV=0.15 mL·s-1,U=6.5 kV)、振荡射流(qV=0.15 mL·s-1,U=10.5 kV)、锥射流(qV=0.15 mL·s-1,U=14.5 kV)等典型的雾化模式.当电压为3.0 kV,流量为0.30 mL·s-1时,去离子水呈现滴状模式,同乙醇的滴状模式相同,液滴与弯月面之间存在细长的液丝,当重力超过静电力和表面张力作用后,平衡被破坏,液滴从毛细管末端滴落下来,液滴粒径是金属毛细管内径4～6倍,是该模式下乙醇液滴粒径的2倍左右,这是由于2种液体的表面张力不同所致,如图4a所示.在斜滴状模式下,如图4b所示,液滴呈现出与无水乙醇相同的雾化模式,液滴与弯月面之间亦存在液丝,液滴射出方向与毛细管轴线之间的夹角随着液滴的下降而逐渐变小,显然该夹角取决于电场强度(或者电压),同时由于重力作用而逐渐减小.该模式下液滴的粒径比图4a中垂直滴状液滴的粒径有所减小,表明在液滴界面电剪切力的作用下,液滴界面的表面张力均有所减少,符合Rayleigh极限相关理论.在中等电场强度下,去离子水的毛细管静电雾化会亦产生纺锤模式.弯月面在电场作用下被拉长一个类似纺锤的射流,在弯月面与纺锤之间连接了较为细小细丝[23].由于表面张力比无水乙醇大,在纺锤的末端并未产生细小的微射流,仅出现纺锤形状,纺锤中心线与毛细管轴线的夹角在同一电压和流量时,其较小变化较小,如图4c所示.随着电场强度的继续增加,在毛细管的末端产生分散状的振荡射流模式.毛细管末端的弯月面呈现倾斜状态,在弯月面的最下端斜拉出一股细小的射流,在射流末端射流破碎成细小的液滴,液滴粒径比相同雾化模式下无水乙醇的雾化液滴平均液滴大,且分布不均匀,这显然是由于两种液体的表面张力之间存在显著差异的结果,如图4d所示.当电场强度进一步增大时,射流出现倾斜锥射流模式,如图4e所示.在毛细管末端出现倾斜的锥体,锥体与毛细管轴线之间仍然存在一定的夹角,在锥体的末端斜拉出一股射流,射流的末端破碎成尺度大小不等的液滴.

在双毛细管布置的条件下,通过改变电压与流量获得了不同的静电雾化模式,与单毛细管静电雾化模式基本相同,但存在雾化射流方向改变以及雾化模式减少的现象.双毛细管静电雾化模式研究一方面证明多毛细管静电雾化具有传统单毛细管静电雾化的特点与优势,另一个方面多毛细管静电雾化可以实现雾化流量的明显提升,改变单毛细管流量过低的弊端.因此本试验对研究多毛细管静电雾化模式、雾化特性以及在超低量精确喷洒施药技术、生物质液体静电雾化燃烧以及生物质谱分析等方面的应用提供了参考.

3 结论

1) 设计并构建了双毛细管静电雾化试验装置,采用高速数码摄像技术详细研究了无水乙醇和去离子水的双毛细管静电雾化,获得了滴状模式、纺锤模式、锥射流模式以及多股射流模式等典型的雾化模式,弯月面和雾化射流及产生液滴受到并列的另外一根毛细管所形成电场的库伦作用,不锈钢毛细管产生的雾化射流呈现出一定的倾斜角.

2) 在无水乙醇的双毛细管静电雾化模式根据电场强度的变化,依次出现了滴状、斜滴状、纺锤、脉动锥射流、稳定锥射流、鞭式射流、多股射流模式;而在去离子水雾化中,雾化模式依次出现滴状、斜滴状、纺锤、振荡射流以及锥射流等模式.在静电力的作用,各种雾化模式的雾滴呈现出不同的形态与尺寸分布,且雾化射流的中心线与毛细管轴线之间存在不同的夹角,雾化夹角主要取决于电场强度,但与雾化模式及流量均有关.由于液体表面张力的差异,无水乙醇雾化模式更为丰富,雾滴粒径更为细小.

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