谈雾化装置在降温净化领域的应用

杨 华 胡翌灵 汤静怡 周 磊 刘景航 孙宏振 金旭豪

(河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401)

0 引言

雾化是指通过喷嘴或高速气流使液体分散为细小液滴的操作，在工业、农业等各个领域都有应用，本文将讨论雾化装置在降温和净化领域的应用。

在降温领域，雾化装置在空调的应用大大降低了空调能耗。2003年后空调市场由风机、水机、多联机三分天下[1]，使用传统的风冷、水冷或制冷剂降温的方法较为普遍，然而随着对节能的要求越来越高，使用水雾喷淋的降温方式也受到越来越多的关注，空调领域中雾化装置的应用也逐渐增加。水作为一种天然冷源，比热大、资源丰富[2]，在汽化时能吸收大量的汽化潜热能迅速降低环境温度，基于此，将雾化装置应用于空调中相较空气或制冷剂降温的方式，性价比更高也更为节能。

在净化除尘领域，空调中利用雾化装置可提高空气洁净度，在工业领域也可用雾化装置来吸收空气中颗粒，以达到卫生标准。

雾化装置按作用机理大致可分为五类，离心式、旋转式、压力—气流式、超声式、静电式，本文将从五大类雾化装置的原理、特点进行分析，讨论雾化装置在降温、净化领域的应用。

1 离心式雾化装置

1.1 雾化机理

离心式雾化装置中液体从离心式雾化装置后部或侧部，沿轴向或切向方向进入筒体，在内壁上由于摩擦力液体会形成液膜，受装置的离心力作用沿内壁形成旋流，至出口处向外甩出。旋流效应越强，液膜的扰动也越强，越容易被破碎；基于此，喷嘴进口处为强化旋流作用，可使用一个收缩口，但在出口处会形成空心锥形膜，影响了液体的雾化效果，因此需要将形成的空心锥形膜破碎。雾化装置出口处的空心锥形膜流速越高，与周围空气的速度相对速度与接触面积越大，产生的摩擦力越大可破坏空心锥形

膜的表面张力，把液膜撕裂成小水滴达到雾化的目的[3]，见图1。

1.2 雾化特点

雾化的效果取决于出口处液滴的大小、环境介质对液膜破碎的程度，即液体出口流速越大，液体与周围环境空气的摩擦力也就越大，越容易破坏液膜表面张力形成小液滴。因此，旋流效应越强、出口速度越快，雾化效果越好。

2 旋转式雾化装置

2.1 雾化机理

旋转式雾化装置雾化机理与离心式雾化装置相同，旋转式雾化装置也是主要依靠离心力将液体打碎雾化；但与离心式装置不同，液体进入雾化装置内部后，受离心力作用从侧面离心出，而不是依靠旋流从出口离心出形成空心膜，因此侧面大多开孔、布置热管，或直接为开式装置没有侧面,见图2[11]。

2.2 雾化特点

旋转式雾化装置雾化特点与离心式雾化装置不同的是，旋转雾化装置不会形成液膜、且雾化出的液体大多成滴状，因此不需要进行液膜的打碎过程，雾化效果较膜状好。但旋转式雾化装置的缺点是，从壁面直接依靠离心力旋转雾化出的小水滴容易受到出口形状和旋转速度的限制。

3 压力式雾化装置

3.1 雾化机理

压力式雾化装置雾化机理是由装置提供高压，使液体从装置壁面的孔上喷出，其中压力势能转化为动能，而高于周围流体的动能使得液体与周围空气发生强剪切使得液体雾化。实质上，雾化装置提供的动能与压力主要消耗在克服液体表面的张力及液体内部的粘滞力，使得液体难以在这两种力的作用下保持大体积的膜状。高于周围气体的速度及高压使装置内部液体喷出，且破碎成滴状，实现雾化[4,5]。

3.2 雾化特点

压力式雾化装置液压增大，提供给喷雾雾滴运行过程中的能量也越大，自然液体的速度和动能也越大[6]，可形成更为细密的水雾，雾化效果更好，但此种雾化装置需要提供高压即高能耗以消除液体的粘滞力及张力的影响[7]。

4 超声波式雾化装置

4.1 雾化机理

超声波是一种纵波，传播时可高频率地挤压或拉伸介质，使介质的质点振动而产生剪切力与冲击力，且超声振动的频率越高，质点的加速度越大[8]。当合适频率的超声在液体中传播时，使液体中的微气核(空化核)受到生长、收缩或崩溃，同时，周围产生高温高压并伴随微激波或微射流现象。超声波式雾化装置利用压缩空气冲击共振腔产生声波，声波在共振腔反射产生共振的频率达到超声频率，且声强足够大时，可将水很好的雾化。

4.2 雾化特点

超声波产生的水雾噪声小、温度低、清洁度高，且水雾中含有大量的负离子可吸收空气中的有害气体。超声波频率越高雾化出的液滴粒径越小，超声强度越大雾化的量越大。

5 静电式雾化装置

1)雾化机理。

静点式雾化机理是利用液体带电后库仑力削弱液体表面张力而使液体破碎成液滴[9]。

2)雾化特点。

静电式雾化出的颗粒细小，雾化效果好，但需要增加液膜的导电性才能使静电雾化效果更好[9]。

6 五类雾化装置在降温、净化领域中的应用

近年来，雾化装置也越来越多地应用到降温、净化上，五类装置也分别适用于不同场合。

6.1 离心式雾化装置应用于降温领域

近年来离心式雾化装置已经越来越多地应用于无人机喷雾上，茹煜等人[10]在2011年就设计了离心式雾化喷嘴应用于无人机远程喷雾的雾化系统，该系统喷洒面积相对较广、施药均匀、喷洒效率高，有较好的雾化效果。

6.2 旋转式雾化装置应用于净化领域

垃圾焚烧发电是垃圾处理的一个发展趋势，而垃圾处理中脱硫技术是净化空气的关键。高志宏[11]研究了在焚烧垃圾发电中运用旋转式雾化装置脱硫净化空气的方法，并对雾化装置进行了优化。

6.3 压力式雾化装置应用于降温、净化领域

2010年上海世博会户外使用的雾化降温装置即为压力式雾化装置，在雾化利用分裂出带负电水滴吸收空气中的原子形成负离子，在空气中沉降，达到雾化的效果，有效地降低了室外的环境温度，创造了相对适宜的环境。

6.4 超声波式雾化装置应用于降温、净化领域

杨洋等人[12]做了关于利用超声波雾化的研究，即用超声波在空调喷水室内雾化以净化PM2.5，并发现超声波除降尘效率较传统喷水室高，且提高了资源利用率、节省了资源利用量。

6.5 静电式雾化装置应用于净化领域

静电雾化主要应用于净化领域，其中静电除尘器因除尘效率高且能耗较传统除尘器的能耗低，因此广泛应用于工业领域的烟气粉尘净化[13]。

7 结语

通过对五类雾化装置的机理和特点的分析，结合其在降温、净化领域的应用，主要得出以下这些结论：

1)五类雾化装置都是借助外力(离心力、高压或超声波)将液体破碎、利用液滴蒸发吸热降温或吸收颗粒。

2)在降温领域离心式、旋转式、压力式和超声式雾化装置应用得较多，在净化领域压力式、超声式和静电式装置应用得较多。

一套适宜的雾化装置对提高能效、降低能耗、减少资源的浪费和环境污染具有重要意义，而不同的场合，应充分考虑各类装置不同特点，并结合现有的条件选择适合的雾化装置才能达到最佳的节能效果。