談霧化裝置在降溫凈化領域的應用

楊 華 胡翌靈 湯靜怡 周 磊 劉景航 孫宏振 金旭豪

(河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401)

0 引言

霧化是指通過噴嘴或高速氣流使液體分散為細小液滴的操作，在工業、農業等各個領域都有應用，本文將討論霧化裝置在降溫和凈化領域的應用。

在降溫領域，霧化裝置在空調的應用大大降低了空調能耗。2003年后空調市場由風機、水機、多聯機三分天下[1]，使用傳統的風冷、水冷或制冷劑降溫的方法較為普遍，然而隨著對節能的要求越來越高，使用水霧噴淋的降溫方式也受到越來越多的關注，空調領域中霧化裝置的應用也逐漸增加。水作為一種天然冷源，比熱大、資源豐富[2]，在汽化時能吸收大量的汽化潛熱能迅速降低環境溫度，基于此，將霧化裝置應用于空調中相較空氣或制冷劑降溫的方式，性價比更高也更為節能。

在凈化除塵領域，空調中利用霧化裝置可提高空氣潔凈度，在工業領域也可用霧化裝置來吸收空氣中顆粒，以達到衛生標準。

霧化裝置按作用機理大致可分為五類，離心式、旋轉式、壓力—氣流式、超聲式、靜電式，本文將從五大類霧化裝置的原理、特點進行分析，討論霧化裝置在降溫、凈化領域的應用。

1 離心式霧化裝置

1.1 霧化機理

離心式霧化裝置中液體從離心式霧化裝置后部或側部，沿軸向或切向方向進入筒體，在內壁上由于摩擦力液體會形成液膜，受裝置的離心力作用沿內壁形成旋流，至出口處向外甩出。旋流效應越強，液膜的擾動也越強，越容易被破碎；基于此，噴嘴進口處為強化旋流作用，可使用一個收縮口，但在出口處會形成空心錐形膜，影響了液體的霧化效果，因此需要將形成的空心錐形膜破碎。霧化裝置出口處的空心錐形膜流速越高，與周圍空氣的速度相對速度與接觸面積越大，產生的摩擦力越大可破壞空心錐形

膜的表面張力，把液膜撕裂成小水滴達到霧化的目的[3]，見圖1。

1.2 霧化特點

霧化的效果取決于出口處液滴的大小、環境介質對液膜破碎的程度，即液體出口流速越大，液體與周圍環境空氣的摩擦力也就越大，越容易破壞液膜表面張力形成小液滴。因此，旋流效應越強、出口速度越快，霧化效果越好。

2 旋轉式霧化裝置

2.1 霧化機理

旋轉式霧化裝置霧化機理與離心式霧化裝置相同，旋轉式霧化裝置也是主要依靠離心力將液體打碎霧化；但與離心式裝置不同，液體進入霧化裝置內部后，受離心力作用從側面離心出，而不是依靠旋流從出口離心出形成空心膜，因此側面大多開孔、布置熱管，或直接為開式裝置沒有側面,見圖2[11]。

2.2 霧化特點

旋轉式霧化裝置霧化特點與離心式霧化裝置不同的是，旋轉霧化裝置不會形成液膜、且霧化出的液體大多成滴狀，因此不需要進行液膜的打碎過程，霧化效果較膜狀好。但旋轉式霧化裝置的缺點是，從壁面直接依靠離心力旋轉霧化出的小水滴容易受到出口形狀和旋轉速度的限制。

3 壓力式霧化裝置

3.1 霧化機理

壓力式霧化裝置霧化機理是由裝置提供高壓，使液體從裝置壁面的孔上噴出，其中壓力勢能轉化為動能，而高于周圍流體的動能使得液體與周圍空氣發生強剪切使得液體霧化。實質上，霧化裝置提供的動能與壓力主要消耗在克服液體表面的張力及液體內部的粘滯力，使得液體難以在這兩種力的作用下保持大體積的膜狀。高于周圍氣體的速度及高壓使裝置內部液體噴出，且破碎成滴狀，實現霧化[4,5]。

3.2 霧化特點

壓力式霧化裝置液壓增大，提供給噴霧霧滴運行過程中的能量也越大，自然液體的速度和動能也越大[6]，可形成更為細密的水霧，霧化效果更好，但此種霧化裝置需要提供高壓即高能耗以消除液體的粘滯力及張力的影響[7]。

4 超聲波式霧化裝置

4.1 霧化機理

超聲波是一種縱波，傳播時可高頻率地擠壓或拉伸介質，使介質的質點振動而產生剪切力與沖擊力，且超聲振動的頻率越高，質點的加速度越大[8]。當合適頻率的超聲在液體中傳播時，使液體中的微氣核(空化核)受到生長、收縮或崩潰，同時，周圍產生高溫高壓并伴隨微激波或微射流現象。超聲波式霧化裝置利用壓縮空氣沖擊共振腔產生聲波，聲波在共振腔反射產生共振的頻率達到超聲頻率，且聲強足夠大時，可將水很好的霧化。

4.2 霧化特點

超聲波產生的水霧噪聲小、溫度低、清潔度高，且水霧中含有大量的負離子可吸收空氣中的有害氣體。超聲波頻率越高霧化出的液滴粒徑越小，超聲強度越大霧化的量越大。

5 靜電式霧化裝置

1)霧化機理。

靜點式霧化機理是利用液體帶電后庫侖力削弱液體表面張力而使液體破碎成液滴[9]。

2)霧化特點。

靜電式霧化出的顆粒細小，霧化效果好，但需要增加液膜的導電性才能使靜電霧化效果更好[9]。

6 五類霧化裝置在降溫、凈化領域中的應用

近年來，霧化裝置也越來越多地應用到降溫、凈化上，五類裝置也分別適用于不同場合。

6.1 離心式霧化裝置應用于降溫領域

近年來離心式霧化裝置已經越來越多地應用于無人機噴霧上，茹煜等人[10]在2011年就設計了離心式霧化噴嘴應用于無人機遠程噴霧的霧化系統，該系統噴灑面積相對較廣、施藥均勻、噴灑效率高，有較好的霧化效果。

6.2 旋轉式霧化裝置應用于凈化領域

垃圾焚燒發電是垃圾處理的一個發展趨勢，而垃圾處理中脫硫技術是凈化空氣的關鍵。高志宏[11]研究了在焚燒垃圾發電中運用旋轉式霧化裝置脫硫凈化空氣的方法，并對霧化裝置進行了優化。

6.3 壓力式霧化裝置應用于降溫、凈化領域

2010年上海世博會戶外使用的霧化降溫裝置即為壓力式霧化裝置，在霧化利用分裂出帶負電水滴吸收空氣中的原子形成負離子，在空氣中沉降，達到霧化的效果，有效地降低了室外的環境溫度，創造了相對適宜的環境。

6.4 超聲波式霧化裝置應用于降溫、凈化領域

楊洋等人[12]做了關于利用超聲波霧化的研究，即用超聲波在空調噴水室內霧化以凈化PM2.5，并發現超聲波除降塵效率較傳統噴水室高，且提高了資源利用率、節省了資源利用量。

6.5 靜電式霧化裝置應用于凈化領域

靜電霧化主要應用于凈化領域，其中靜電除塵器因除塵效率高且能耗較傳統除塵器的能耗低，因此廣泛應用于工業領域的煙氣粉塵凈化[13]。

7 結語

通過對五類霧化裝置的機理和特點的分析，結合其在降溫、凈化領域的應用，主要得出以下這些結論：

1)五類霧化裝置都是借助外力(離心力、高壓或超聲波)將液體破碎、利用液滴蒸發吸熱降溫或吸收顆粒。

2)在降溫領域離心式、旋轉式、壓力式和超聲式霧化裝置應用得較多，在凈化領域壓力式、超聲式和靜電式裝置應用得較多。

一套適宜的霧化裝置對提高能效、降低能耗、減少資源的浪費和環境污染具有重要意義，而不同的場合，應充分考慮各類裝置不同特點，并結合現有的條件選擇適合的霧化裝置才能達到最佳的節能效果。