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喷雾

  喷雾(spray)是将液体通过喷嘴喷射到气体介质中,使之分散并碎裂成小颗粒液滴的过程。由于液体相对于空气或气体的高速运动,或者由于机械能的施加和喷射装置的旋转或振动,液体会雾化成各种尺寸范围的细小颗粒。

喷雾的产生

  喷雾可以由多种途径产生,但不论哪种途径,有几个基本的因素适于所有的雾化过程:

  1、圆射流或液膜射流喷射表面波的发展和气体的扰动作用,它涉及喷射表面波的形成与发展理论和空气动力学,由此会导致喷射液体碎裂成片、线、大颗粒液滴,直至最终的小颗粒液滴。

  2、喷雾喷嘴的几何形状、喷雾喷嘴内部的流动特性、喷射压力与环境气体背压的差值、气体介质的性质和液体本身的物理特性,它们对于确定喷雾的形态、锥角、贯穿度、液滴尺寸和速度随时间和空间的分布至关重要。这些因素并非独立存在,而是相互影响、相辅相成,最终决定了雾化的效果。

  喷雾机理的研究一直是喷雾学的难点之一,尚未完善。其物理模型和数学模型的建立要求研究者具有扎实的流体力学和数学知识。对各种边界条件的正确确定和数学推导的严密性要求很高,有时甚至需要反复研讨才会有所进展。

喷雾喷嘴

  根据形状和喷射的特点,喷雾喷嘴可以分成许多类型,每种喷嘴都有它特定的用途和雾化的特点。最典型的喷嘴是平孔喷雾喷嘴,它广泛地应用于汽车、飞机和火箭发动机的燃烧室中。平孔喷雾喷嘴所形成的圆射流在很高的喷射压力下高速喷出,受气流的扰动作用而碎裂。

  喷嘴的喷雾原理:

  Rayleigh提出,只要液体圆射流表面波的波长接近圆射流直径两倍时,气流的扰动就会导致圆射流碎裂;而湍流圆射流能够在没有任何外力作用的情况下,仅仅依靠其本身的湍流脉动就会碎裂。一旦液体离开喷雾喷嘴,喷嘴壁面就不再控制圆射流,液体将主要受本身表面张力的直接影响。

  当液体克服了自身的表面张力时,圆射流就会碎裂。液体在形成小的片、线或颗粒液滴情况下达到新的平衡,一旦液体由于本身或气体的扰动而再次克服表面张力时,就会进一步碎裂成更加细小的颗粒。液体的粘度抑制圆射流不稳定性的增长及推迟液体碎裂的进程,使雾化发生在气、液相对速度较低的下游区域。

  在大多数情况下,液体的湍流、喷嘴的空腔、环境气体密度的增大和气体动力作用都对雾化有利。能够产生液膜射流的喷嘴使液体雾化,并使液、气充分混合。

  喷嘴对液膜射流的影响:

  平面液膜射流通常是由高压液体通过一个狭缝所产生,如扇形喷雾喷嘴,它应用于制衣工业和小型环状燃气轮机燃烧室中。

  环状液膜射流是由高压液体通过一个环形狭缝产生,如压力喷雾喷嘴中的轴针式喷嘴和喷气喷雾喷嘴中的预膜喷嘴,它们分别应用于柴油机和燃气轮机中;或者通过一个转盘或转杯所产生,分别称为转盘喷雾喷嘴和转杯喷雾喷嘴,应用于雾化干燥、雾化冷却和农业灌溉。这些喷雾喷嘴要求一定的喷射压力或旋转离心力,以便产生一定的喷射速度。

  液膜射流一旦形成,其最初的液体动力稳定性就会被空气动力的扰动所破坏。随着液膜射流远离喷嘴的扩展,液膜射流的厚度会逐渐增大,使之碎裂成液线及最终的液滴。如果喷射压力足够大,液体在喷嘴的出口处就会雾化成细小颗粒,而没有线状过渡区。

  除此之外,液膜射流的初始厚度、与环境气体的相对速度、液体的粘性和表面张力也是决定雾化液滴尺寸范围和平均直径的重要因素。喷气喷嘴喷射的液体与环境气体之间有很高的相对速度,液体运动速度较慢,而喷射的空气速度却很快,流量也大。其基本机理是低压喷雾喷嘴将低粘度的液体随高速气流喷出,液膜射流的表面波由于高速喷射气流的扰动而碎裂、雾化。

喷雾的特性

  喷雾液束的形态、发散度、锥角和贯穿距离统称为喷雾特性。

  喷雾液束的形态:

  在大多数实际应用中,喷雾液束形态的对称性是重要的参数。非对称液束削弱了液体碎裂的效率,使雾化质量变差。在喷雾印染中,液束的对称和均匀是保证印染质量的基本要求。

  液束的对称性对于燃烧装置中的喷雾也是十分重要的,燃油必须均匀地分布于整个燃烧室空间,以便燃油和空气能够充分混合,提高燃烧效率,降低排放污染物。但是喷雾液束的不对称通常不易察觉,除非这种不对称已经非常严重才会被观测到。

  液束的发散度是喷雾液束内液体与气体的总体积与液束内液体体积的比值。发散度高的液束能够使雾化液体与环境气体的混合更为迅速,液滴的蒸发速率更高。

  喷雾的发散度与喷雾锥角:

  发散度与喷雾锥角密切相关,平孔喷雾喷嘴的喷雾锥角较小,发散度也小。通常,能够使喷雾锥角增大的因素都会使液束的发散度增大。

  由于喷雾液束与环境气体的相互作用,使得液束的边界不是直的,而是一个曲面,这将造成喷雾锥角定义和测量的困难。为了解决这个问题,通常以从喷雾喷嘴出口到液束某一轴向位置所连接的直线来代替液束轮廓的曲线。

  用闪光照相法测量喷雾锥角,通常要将液束的侧面照片放大至少2~3倍,测量结果才较准确。一种简单的测量方法是将一张白纸放置于液束的某一轴向位置,喷雾会将白纸浸湿,立即测量白纸上湿润印迹的直径,经简单计算就可得到喷雾锥角。

  喷雾的贯穿距离:

  喷雾的贯穿距离可以定义为液束能够到达的最大距离。它由两个相互作用力的差值决定:一个是液体射流的初始动力,另一个是环境气体的空气动力阻力。

  射流的初始速度很高,但随着喷雾过程的进展,以及雾化液滴数目的增多和总表面积的增大,由于液滴与环境气体的摩擦,液体动能逐渐减弱。当最终耗尽了液滴的动能时,液滴就会随着环境气体的运动而运动,或者受重力作用而下落。喷射压力越大,环境气体阻力越小,喷雾锥角越小,贯穿距离就越大。

喷雾雾化

  通常,雾化液滴的尺寸范围很广。液滴尺寸分布的知识对于评估雾化质量,以及液滴与环境气体之间的质量和热量传输的计算十分有益。

  确定雾化液滴尺寸分布的困难致使人们去使用比较容易确定的平均直径来评估雾化质量的好坏。雾化液滴的平均直径通常是以肿为单位的,其表示方法很多,如长度平均直径D10、表面积平均直径D20、面长比平均直径D21、体积平均直径(或称质量平均直径)D30、体长比平均直径D31、索特(Sauter)平均直径D32(或以符号SMD表示)和德布鲁克(DeBmuckere)平均直径D43等。最常用的是索特平均直径,尤其对于燃烧室内燃料的传质、传热问题,多用它来进行评估,其次为体积平均直径和长度平均直径。

  蒸发将使雾化的大颗粒液滴变小,小颗粒液滴成为气体,即粒径为零。它与液滴的相互碰撞一同直接影响液滴的存留时间,从而使液滴的尺寸随着时间的推移而重新分布。其对于燃烧室中燃油的雾化质量随时间变化的评估意义重大,它也对燃烧产物的排放产生很大影响。

  雾化特性和液滴尺寸分布的测量方法有很多,目前最先进的测量方法有激光全息摄像法、高速摄像法、激光多普勒法和马尔文法等。激光全息摄像法曝光时间极短,可以记录喷雾粒子的三维瞬态图像,静态再现。高速摄像的频率可以达到每秒10万帧以上,而且配有计算机图像处理软件,还可以用来研究喷雾速度、锥角、贯穿距离等喷雾特性。激光多普勒和马尔文粒子分析系统可以准确高效地研究雾化液滴的尺寸分布。这些测量方法的共同缺点是高质量仪器的价格较贵。

  近年来,高清晰度数码照相机开发速度很快,高端产品不断更新。它拍摄便捷、可靠性高,易于对拍摄位置和参数进行调整,图像清晰,试验成本低廉,可以用于喷雾特性的比较研究。

喷雾的应用

  自然的雾化有下雨、瀑布和海水雾化等。喷雾的应用主要有以下几个方面:

  1、日常生活:淋浴,花园和草地的浇水,整理发型的发胶和摩丝,灭蚊蝇的喷药器和空气消毒、清洁器,空气加湿器,清洁街道的洒水车,喷雾作画,喷墨打印机等。

  2、医用:雾化清痰器和挥发性麻醉剂的蒸发等。

  3、生产和工艺流程:雾化干燥(如牛奶制品、咖啡和茶叶,药片糖衣,肥皂和清洁剂等),雾化润湿,雾化冷却(如雾化池、塔、反应器等),雾化反应(如吸收器、烘干器和汽车烤漆房),粉末冶金,表面涂脂(如环氧树脂、聚酯类等),泡沫和乳化剂的制取,汽车清洗喷头,制衣(包括表面处理、喷雾印染、纤维和绝缘材料的制作等),半导体和计算机芯片的酸碱蚀刻等。

  4、农业:给果树喷洒农药的喷雾器和农业灌溉等,用喷雾器进行农作物给水要比放水漫灌节约更多可贵的水资源,而且农作物的长势良好,这种方法要求雾化液滴的尺寸不能太小,以便

  喷射得更远,增大灌溉的覆盖面积。

  5、消防:雾化后的水滴能够吸收更多的热量,从而有效地压制火势。

  6、沥青雾化铺路:(常表现为非牛顿流体)。

  7、燃烧室:燃油锅炉、柴油机、汽油机、燃气轮机、飞机发动机和火箭发动机的燃料雾化。在这些装置中,喷雾喷嘴的设计、制造精密度很高,雾化的大量小颗粒燃料液滴能够有效地增大燃料与助燃剂接触的表面积,使燃料蒸发迅速,充分与助燃剂混合,增强质量和热量的传递并燃烧完全,减少排放污染。

  在过去的数十年中,喷雾科学与技术有了长足的发展,应用领域不断扩大,目前,喷雾学已经成为国际性的研究领域。其发展主要表现在喷雾数学模型的进展、数值计算分析的不断完善和光学测试技术的改进与开发。


喷雾剂
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喷雾降温
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  喷雾降温,可以局部地控制大环境的温度。喷雾降温系统通过散发到空气中的水微粒,在汽化的过程中要吸收大量周围环境中的热量,蒸发冷却从而降低周围环境温度的原理,达到降温的目的。

喷雾降温原理

  喷雾降温系统利用高压泵将水加压至4~7MPa,再通过高压管路系统传送到特制的高压雾化喷嘴,形成细水雾颗粒喷射到空气中,雾滴在空气中悬浮扩散并不断蒸发,消耗空气中的大量热能,从而降低喷雾区域的温度,达到降温的目的;同时,雾层还能对太阳光起到吸收、反射和散射的作用,减弱雾层下方空气和地面的太阳辐射强度,减少地面热量积累,降低地面温度。

  喷雾降温理论上1m3空气仅需吸收2.93g水的蒸发潜热即可使40℃空气等压降温5℃。用于人类活动环境的喷雾降温,雾滴不能大量沉降到地面,以避免明显润湿行人着装、淋湿地面而带来不便,因此喷雾降温系统比传统农牧业中的喷淋或喷灌系统的雾化要求更为严格。

  喷雾降温适用于室外和通风较好的半室外场所,可运用于公众广场、街道、运动场馆、游乐场、工厂、空调外机、农畜牧等多个领域的降温,降温效果明显,发展前景广阔。随着喷雾降温技术的成熟,喷雾降温有望在一定程度上改善夏天室外的炎热环境,使城市局部小气候的调节成为可能。

喷雾降温的作用

  随着人民生活水平的提高,各种大型室外活动越来越普遍,室外高温环境对人体的影响引起人们的关注。传统的环境降温方式于室内,降温范围有限。针对城市高温和热岛效应,急需一种GX、节能的室外环境降温系统以改善城市热气候和室外环境质量。喷雾降温技术是以水为原料的纯物理方式,以蒸发吸热原理吸收环境热量,降温过程中不产生有害物质,不对环境二次污染,降温效果迅速,人体舒适度好。

  高压喷雾系统主要应用于景观绿地、体育场馆、主题公园、舞台影视等领域,用于营造景观效果。随着科技的发展,高压喷雾系统已越来越多的应用于室外降温领域。

  高压喷雾直接蒸发冷却技术应用在降温

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  喷雾降尘是一种新型的降尘技术,是利用喷雾产生的微粒由于其及其细小,表面张力基本上为零,喷洒到空气中能迅速吸附空气中的各种大小灰尘颗粒,形成有效控尘。

喷雾降尘原理

  喷雾原理:

  喷雾是通过喷嘴,使液体分散成细小的雾滴,进入到空气中。喷雾的整个过程,包括内部液体的动力、喷射表面气体的运动、喷射压力,以及喷嘴的形状等都对液体雾化的效果有重要的影响,这些因素之间彼此联系,相互影响。

  目前对于雾化的机理主要有两种:

  一种是射流破碎理论,瑞利Z先提出射流破碎不稳定理论,他认为要形成喷雾的液体在喷射时,其与气体的速度差会产生扰动,当这个扰动不断扩大时,直至扰动振幅达到Z初射流半径,就会破坏射流的稳定,液体也就产生破碎,进而形成液滴。但这个理论忽略了液体的粘结力,韦伯在此基础上,加入了液体的粘结力,计算得出了粘性射流Z大的不稳定值,完善了射流破碎理论。

  另一种机理是液膜破碎雾化理论,这种理论认为液体喷出时,在液体表面有一层液膜,在喷出的过程中,液膜的稳定性受到破坏,产生波动,随着扰动的加大,当扰动振幅达到半个或一个波长时,液膜破裂,液体便会分散,之后由于表面张力作用,分散的液体又再次聚集,形成液滴。

  降尘原理:

  喷雾降尘主要是通过四种方式捕捉粉尘,并使其沉降,从而实现降尘。

  1、通过喷雾,矿井内的湿度,水气便会以粉尘颗粒为ZX聚集,使尘粒的质量和直径增加,利于尘粒之间的碰撞,当尘粒相互碰撞时,由于表面有水气包围,反弹力减少,尘粒便会逐渐沉降下来;

  2、质量和直径较大的尘粒受到自身重力和惯性的影响,运动方向会脱离风流的流线方向,不计尘粒的质量,尘粒会与分流一同运动,但尘粒有一定的大小,当喷雾的水雾粒与尘粒质心的距离小于其半径时,两者会粘结到一起,从而尘粒被拦截,这个过程称为拦截捕尘;

  3、直径大于 0.5~1μm 的尘粒,其与水滴的相对速度,以及水滴的直径都对粉尘的惯性

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  喷雾剂,系指原料药物或与适宜辅料填充于特制的装置中,使用时借助手动泵的压力、高压气体、超声振动或其他方法将内容物呈雾状物释出,用于肺部吸入或直接喷至腔道黏膜及皮肤等的制剂。

喷雾剂和气雾剂的区别

  喷雾剂概念:

  指不含抛射剂,借助于手动泵的压力将药液喷射成雾状的制剂。质量要求:①药物分散均匀、稳定。溶液型喷雾剂的药液要澄明;乳剂型喷雾剂分散相在分散介质中应分散均匀;混悬型喷雾剂中的药物应微粉化。②无毒、无刺激。③用于创面的应无菌。

  气雾剂概念:

  指药物与适宜的抛射剂封装于具有特制阀门系统的耐压密封容器中而制成的制剂。使用时借助抛射剂的压力将内容物喷出。质量要求:①无毒、无刺激。②喷出物的雾滴或雾粒要细小、均匀、剂量准确。③泄露与爆破应符合规定,确保安全使用。④用于烧伤、烫伤的气雾剂应无菌。

  气雾剂和喷雾剂的区别:

  喷雾剂和气雾剂Z大的区别在与喷雾剂靠借助外力喷射,气雾剂借助内压及抛射剂喷出。另外气雾剂相对喷雾剂的缺点有:①成本较高(因内压容器、阀门系统和特殊的生产设备)。②抛射剂有致冷效应,多次使用于受伤皮肤创面可引起不适于刺激。③抛射剂有一定的毒性,不适宜心脏病患者作为吸入气雾剂使用。④易发生爆炸。

喷雾剂的制备

  根据喷雾剂内容物的不同可分为溶液型喷雾剂、乳液型喷雾剂、混悬型喷雾剂。喷雾剂的制备需根据药物本身的溶解性能、毒副作用及其他理化性质选择合适的类型及制备工艺。

  1、溶液型喷雾剂的制备

  溶液型喷雾剂药物以分子状态分散在溶剂中形成澄明溶液。此类喷雾剂多以水或不同浓度乙醇溶液为溶媒,增强难溶性药物的溶解性能成为此类型制剂研究的关键。

  生物药剂学分类系统将具有低溶解度、高渗透特性的药物归为Ⅱ类药物,高溶解度、低渗透性的药物归为Ⅲ类药物,大多数药物包括天然药物的活性成分多属于此2类,可根据药物溶解性能和渗透性能的优劣,选择适宜的增溶方法。

  2、混悬液型喷

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