一種微米及納米干粉顆粒的連續(xù)噴射彌散方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣溶膠技術(shù)、顆粒技術(shù)及多相流實驗技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種干粉顆粒的連續(xù)噴射彌散方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微米及納米顆粒兩相流是自然界的普遍現(xiàn)象，并且在大氣環(huán)境科學(xué)、現(xiàn)代納米材料制備、工程熱物理、化工合成、吸入毒理學(xué)及醫(yī)療制藥等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是目前流體力學(xué)的研究熱點。作為氣固兩相流的離散相，顆粒應(yīng)用在這些領(lǐng)域時往往要求其為彌散狀態(tài)，如模擬大氣污染物一霾、多相射流合成新納米材料、(高溫)噴涂納米涂層、火力發(fā)電系統(tǒng)中流化床內(nèi)的煤粉燃燒、可吸入顆粒物(亞微米及納米顆粒)長期毒理學(xué)實驗及氣溶膠藥物靶向投放等等。但是，一般工業(yè)制備的顆粒都為固體干粉狀態(tài)，因此在進(jìn)行上述應(yīng)用之前就必須先進(jìn)行顆粒彌散。另一方面，顆粒的物理化學(xué)特性對兩相流中顆粒的動力學(xué)特性、顆粒間的粘著力、云凝結(jié)核總濃度及其毒性或療效等生物學(xué)特性有至關(guān)重要的影響，所以在進(jìn)行顆粒彌散時，如何準(zhǔn)確控制顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)顯得尤為重要。
[0003]現(xiàn)有的顆粒彌散方法有干、濕兩種。通過將納米顆粒干粉配成溶液或懸浮液，而后用超聲震蕩分散后進(jìn)行霧化，再通過干燥來獲得氣溶膠的方法稱之為“濕式”方法。但是這種方法常常無法將溶劑完全去除，獲得的離散相會發(fā)生物理化學(xué)改性。如對比干濕兩種發(fā)生方法，顆粒濕度改變可達(dá)100倍以上，越小的顆粒濕度的變化越大。顆粒濕度會大大影響顆粒的質(zhì)量、改變其空氣動力學(xué)直徑，從而影響所彌散的粒徑譜。此外，由于疏水性顆粒不溶于水且往往也難溶于其它溶劑，因此類似情況下便無法應(yīng)用“濕式”法了。相比之下，顆粒彌散的“干式”法是指將顆粒干粉不經(jīng)過水溶液在氣體中直接進(jìn)行彌散，因能夠最大限度保留離散相的物理化學(xué)性質(zhì)，這種方法在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。顯然，“干式”顆粒彌散可以較好地解決上述“濕式”法面臨的問題。因此，“干式”顆粒彌散在兩相流實驗研究、吸入毒理學(xué)、醫(yī)療制藥及能源工程方面具有重要的工程價值和現(xiàn)實意義。
[0004]目前市場上有很多具有代表性的粉塵發(fā)生器實際上就屬于“干式”顆粒彌散技術(shù)，但這些顆粒彌散設(shè)備存在兩個不足:(I)絕大多數(shù)的粉塵發(fā)生器是針對微米級的顆粒彌散開發(fā)的，不適用于納米顆粒彌散，由于粒徑尺度的影響，納米顆粒彌散的難度更大；(2)主流的粉塵發(fā)生器都比較昂貴，同時所發(fā)生的彌散顆粒分布相當(dāng)部分為多峰分布，而不是單峰的且?guī)缀纹骄钶^小準(zhǔn)對數(shù)正態(tài)分布。這里納米顆粒的彌散難度相比微米顆粒要更大是由于納米顆粒處于過渡區(qū)(I〈他〈50)，這區(qū)別于連續(xù)區(qū)的微米級顆粒，同時其大小相比于分子區(qū)又不能忽略，因此在連續(xù)區(qū)可以被忽略的范德華力或靜電力則開始占有優(yōu)勢，并成為顆粒間粘著力的主要構(gòu)成。如粒徑約為10nm的顆粒其范德華力引力已接近為顆粒重力的14-1O5倍。加上顆粒在過渡區(qū)，Stokes定律已不再適用，顆粒受到的空氣阻力因邊界層發(fā)生滑移會有一個明顯的下降，這兩方面很大程度上加大了納米顆粒彌散的難度。Kn是努森數(shù)，定義為氣體平均自由程與顆粒直徑的比值。
[0005]最近相關(guān)研究已證明利用價格低廉的真空發(fā)生器彌散微米及納米顆粒是可行的，但是這種新方法每次的噴射彌散只能持續(xù)數(shù)秒鐘，不能實現(xiàn)顆粒的連續(xù)噴射彌散、顆粒濃度的精準(zhǔn)控制。針對該問題，本發(fā)明利用精密定量給料器進(jìn)行給料，實現(xiàn)顆粒連續(xù)噴射彌散及其濃度可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對目前基于真空發(fā)生器干粉顆粒噴射彌散技術(shù)的不足，提供了一種基于真空發(fā)生器的干粉顆粒連續(xù)噴射彌散方法。該方法通過步進(jìn)電機精確控制分料器的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行定量精密給料、壓力平衡單元隔絕真空發(fā)生器真空端與給料器出口兼作顆粒干粉中轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)微米及納米顆粒的連續(xù)噴射彌散。利用壓力平衡單元隔絕精密定量粉末給料器與真空發(fā)生器真空端，同時將給料器送出的干粉顆粒在隔絕壓力的情況下送入接料器，進(jìn)而保證精密定量粉末給料順利進(jìn)行、真空發(fā)生器的真空端負(fù)壓力與流量不受影響，達(dá)到顆粒連續(xù)噴射彌散及其濃度可控的目的。
[0007]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明方法是在真空發(fā)生器的真空端由遠(yuǎn)及近依次裝有精密定量粉末給料器、壓力平衡單元及帶有均壓補氣入口的接料器。其中，真空發(fā)生器負(fù)責(zé)顆粒的噴射彌散是顆粒彌散的核心單元；精密定量給料器用于精確控制給料速率；壓力平衡單元是保證給料器能夠在壓力相對穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行精確定量給料，是該方法實際實施的關(guān)鍵部分；壓力平衡單元特制閥芯的旋轉(zhuǎn)中心軸通過聯(lián)軸器與減速電機連接，減速電機由此驅(qū)動壓力平衡單元的閥芯，通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速可以滿足不同給料速率與不同材料的顆粒的中轉(zhuǎn)；從壓力平衡單元傳入的干粉顆粒在接料器中與純凈補給氣體混合后在真空端負(fù)壓的作用下被吸入真空發(fā)生器進(jìn)行噴射彌散。
[0008]本發(fā)明方法基本工作原理為:給料器中的干粉顆粒在勻速旋轉(zhuǎn)的分料器的刮掃下以相對穩(wěn)定的速率落入給料器墊片圓形出口而進(jìn)入壓力平衡單元；真空發(fā)生器在接料器內(nèi)部產(chǎn)生的負(fù)壓由壓力平衡單元進(jìn)行隔絕，保證給料器在基本恒定的壓力下正常工作；壓力平衡單元的閥芯隨減速電機做均勻同軸轉(zhuǎn)動，閥芯上特設(shè)有用于剩料的圓柱型盲孔，當(dāng)閥芯上的盲孔正對著給料器物料出口時，已由給料器送出的干粉顆粒受重力作用而落入閥芯盲孔；隨后，閥芯隨電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)盲孔恰好對準(zhǔn)平衡單元正下方的出口時，干粉顆粒便完成在壓力平衡單元中的傳輸，隨接料器內(nèi)補氣氣流一起進(jìn)入真空發(fā)生器，最終完成從粉狀顆粒到氣溶膠的彌散；與此同時，閥芯隨電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在盲孔重新到達(dá)壓力平衡單元上方的給料器出口時，從上次盲孔接料結(jié)束至此刻這段時間內(nèi)由給料器送出的顆粒將落入盲孔，于是開始新一輪的給料與彌散過程。由此實現(xiàn)噴射彌散的連續(xù)進(jìn)行。
[0009]所述的顆粒為微米及納米級干粉金屬、非金屬氧化物、無機鹽及有機物等顆粒。
[0010]所述的真空發(fā)生器其內(nèi)置文丘里噴嘴標(biāo)稱直徑為0.5~2mm，入口壓力0.1-1MPa0
[0011]所述的給料器出口直徑即出口墊片圓通孔直徑0] 10_-15_，給料器電機轉(zhuǎn)速可調(diào)。
[0012]所述的壓力平衡單元由閥芯、閥芯旋轉(zhuǎn)軸、閥體、上下法蘭及聚四氟乙烯填料組成。其中閥芯在與旋轉(zhuǎn)軸垂直的方向上開有一個用于暫存干粉顆粒的盲孔，盲孔直徑盲孔直徑深度10mm~20mm。壓力平衡單元通過上下法蘭將填料緊壓在閥芯上，填料與閥芯球面之間的接觸面閉合時即為密封狀態(tài)。減速電機軸與閥芯旋轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器連接。減速電機的轉(zhuǎn)動將帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動則帶動閥芯做繞圈旋轉(zhuǎn)軸軸線的圓周轉(zhuǎn)動。閥芯材料為不銹鋼等高硬度耐磨材料。
[0013]所述的接料器入口直徑與壓力平衡單元閥門盲孔直徑相當(dāng)約為1.0D-1.2 Dm，後料器出口直徑與真空發(fā)生器真空端入口直徑化匹配，約為1.0化?1.2化，接料器入口中心橫截面附近沿其外壁面一周開有3-8個補氣孔，補氣孔直徑約為0.21M).m由均壓管連接各補氣孔。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果是:
1、針對目前利用真空發(fā)生器無法連續(xù)噴射彌散干粉顆粒且濃度不可控的不足，提供了一種基于真空發(fā)生器的干粉顆粒連續(xù)且濃度可控的噴射彌散方法；由精密定量粉末給料單元精確控制給料速率，進(jìn)而控制所彌散顆粒的總數(shù)濃度；利用壓力平衡單元隔絕精密定量粉末給料器與真空發(fā)生器真空端，同時將給料器輸出的干粉顆粒在壓力平衡狀態(tài)下送入接料器，進(jìn)而保證精密定量粉末給料的正常進(jìn)行及真空發(fā)生器的真空端負(fù)壓力與流量不受影響；由此達(dá)到顆粒連續(xù)噴射彌散及其濃度可控的目的。
[0015]2、本方法適用性較強，調(diào)整彌散顆粒的總濃度只需調(diào)整給料器電機轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變分料器的轉(zhuǎn)速，當(dāng)給料器電機停止時，分料器隨之停止，給料亦停止，噴射彌散控制非常便捷；此外，因為給料器電機為可編程步進(jìn)電機，所以本發(fā)明還可以通過控制給料器電機的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行非均勻的可編程動態(tài)給料，實現(xiàn)可控動態(tài)變化的噴射彌散；根據(jù)給料速率的大小及顆粒的材料特性(粘附、摩擦等特性)可以適時調(diào)整壓力平衡單元閥芯的轉(zhuǎn)速，保證給料的順暢與均勻性。
[0016]3、對于本發(fā)明方法，提高真空發(fā)生器入口壓力可以增強顆粒的彌散效果。區(qū)別于常規(guī)靜態(tài)給料，本發(fā)明采用的是精密定量粉末給料器進(jìn)行動態(tài)給料，在粉末被輸出給料器到進(jìn)入真空發(fā)生器真空端的過程中，顆粒粉末有一個額外的預(yù)分散過程，所以真空發(fā)生器入口壓力的改變會影響真空端入口流量，進(jìn)而影響所述粉末的預(yù)分散。即使給料器與真空發(fā)生器真空端的壓力差達(dá)到0.4MPa (通過調(diào)整壓力平衡單元的上下法蘭間的拉力，可以耐受更大的壓差)，本發(fā)明的壓力平衡單元也可以保證給料器與真空端也不發(fā)生貫通，確保給料器能夠正常給料。實際上當(dāng)給料器剩料容器內(nèi)為常壓時，真空端與給料器的最大壓差也在0.1MPa以內(nèi)，對給料器沒有影響，因此，本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)真空發(fā)生器入口壓力來提升顆粒彌散效果。
【附圖說明】
[0017]圖1為干粉顆粒連續(xù)噴射彌散整體示意圖；
圖2a為精密定量粉末給料器爆炸圖；
圖2b為精密定量粉末給料器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3a為壓力平衡單元爆炸圖；
圖3b為壓力平衡單元結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4a為真空發(fā)生器左視圖；
圖4b為圖4a中的A-A向圖；
圖4c為真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為不同給料速率下連續(xù)噴射彌散顆粒的粒徑分布； 圖6為不同給料速率下連續(xù)噴射彌散顆粒的總數(shù)濃度；
圖7a為給料器及壓力平衡單元的納米SiC協(xié)同給料特性；
圖7b為給料器及壓力平衡單元的納米Cu協(xié)同給料特性。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]如圖所示，本發(fā)明的整體實施方案為:
由給料器I的給料口向剩料容器10