液体粘度对单纯喷雾干燥雾化器性能的影响

《Journal of Food Engineering》：Impact of Liquid Viscosity on Simplex Spray Drying Atomizer Performance

本文通过实验研究不同液体粘度（1-35 mPa·s）和喷嘴几何参数对压力 swirl 喷雾干燥器性能的影响，重点考察了喷嘴的流量系数、全球 Sauter 平均直径（SMD）和喷雾锥角。实验表明，液体粘度增加会导致流量系数增大、SMD 增大、喷雾锥角缩小，并建立了基于量纲分析的预测模型，相关系数均超过 0.97，为食品工业喷雾干燥优化提供了可靠工具。

　　### 液体粘度对喷雾干燥喷嘴性能的影响研究

在食品工业中，喷雾干燥是一种广泛使用的干燥技术，它通过将液体浆料或溶液雾化成细小的液滴，然后利用热气（通常为空气）在干燥室内进行蒸发，从而形成干燥颗粒。这种技术在制药、食品生产和材料科学中具有重要价值，因为它能够高效地进行干燥，同时保持对敏感化合物的完整性。然而，喷雾干燥过程中，液体的粘度对雾化效果和干燥效率有着深远的影响，但目前对于特定系统设计下粘度对喷雾特性的影响研究仍然有限。因此，本研究通过实验手段，量化分析了液体粘度和喷嘴几何形状对喷雾干燥过程中关键参数的影响，包括喷雾流量系数、全球萨特尔平均直径（SMD）和喷雾锥角。

#### 喷雾干燥的基本原理与应用

喷雾干燥的关键在于液体雾化过程。在喷雾干燥系统中，液体通过喷嘴被高速喷出，形成细小的液滴，这些液滴在干燥室内与热空气接触，迅速蒸发水分，最终形成干燥粉末。在这一过程中，液体的物理性质，如粘度、密度和表面张力，对雾化效果起着至关重要的作用。粘度是影响喷雾性能的重要参数之一，其变化会显著影响喷雾的形态和质量。例如，高粘度液体在喷嘴出口处会形成更厚的液膜，从而影响喷雾的均匀性和分布范围。

在食品工业中，常见的喷嘴类型是压力旋涡喷嘴（Simplex喷嘴），其结构简单且成本较低。这种喷嘴通过在旋涡室中注入液体，产生一个空心锥形喷雾。液体在喷嘴内部形成均匀的液滴，并与热空气混合，从而实现高效的干燥。然而，对于某些高粘度液体，如乳制品或蛋白质浓缩物，其雾化过程可能会导致较大的液滴形成，从而影响干燥效率和最终粉末的质量。因此，理解液体粘度与喷雾特性之间的关系，对于优化喷雾干燥过程至关重要。

#### 喷嘴性能的实验研究

本研究使用Delavan SDX V系列的压力旋涡喷嘴，包括SB30、SB70、SD30、SD70、SE50和SF30等不同几何形状的喷嘴。这些喷嘴的几何参数，包括旋涡室直径（d_sc）、旋涡室高度（h_sc）和喷嘴出口直径（d_o），被详细记录并用于后续的分析。实验过程中，喷嘴被安装在STANDA的电机驱动微定位平台系统上，以确保精确的实验控制。该平台允许喷嘴在X、Y、Z三个轴向进行移动，并可绕喷嘴轴线旋转，以适应不同实验条件。

实验所用的液体为水和甘油的混合物，其粘度范围为1至35 mPa·s，覆盖了食品工业中常见的液体粘度范围。通过调整甘油的体积比例，可以精确控制液体的粘度。此外，实验过程中还使用了先进的光学诊断技术，如相位多普勒分析（PDA）和阴影图像分析，以测量喷雾的特性参数，如液滴大小和喷雾锥角。这些技术能够提供高精度的数据，从而确保实验结果的可靠性。

#### 液体粘度对喷雾特性的影响

实验结果表明，随着液体粘度的增加，喷雾流量系数（discharge coefficient）也随之增加。这表明，在相同的喷嘴几何结构和操作条件下，粘度较高的液体更容易通过喷嘴排出。然而，粘度的增加同时导致喷雾锥角的减小，这表明粘度较高的液体在喷嘴出口处形成更集中、更狭窄的喷雾。此外，粘度的增加还会导致喷雾的萨特尔平均直径（SMD）的增大，这可能会降低干燥效率，因为较大的液滴需要更长的时间才能完全干燥。

为了进一步量化这些影响，研究者通过非量纲分析方法，结合大量实验数据，建立了粘度与喷雾特性之间的经验公式。这些公式能够准确预测喷雾流量系数、SMD和喷雾锥角，其预测精度达到R2 > 0.97。这一结果为喷雾干燥过程的模拟和设计提供了有力的工具，使得在不进行复杂实验的情况下，能够预测不同液体粘度和喷嘴几何结构下的喷雾特性。

#### 喷雾形态与液体粘度的关系

在喷雾形成过程中，液体粘度对喷雾的形态和分布起着关键作用。例如，使用高粘度液体时，喷嘴出口处的液膜会变得更厚，这会减少液滴的形成，导致喷雾锥角变窄。同时，由于粘度较高，液滴的形成和破碎过程会受到更大的阻力，从而使得液滴的尺寸分布发生变化。在喷雾中心区域，液滴尺寸较小，而在喷雾边缘，液滴尺寸则相对较大。这种现象表明，粘度对液滴的形成和分布具有显著影响，尤其是在喷雾形成过程中。

此外，实验还发现，喷嘴出口直径和旋涡室高度对喷雾特性有重要影响。例如，当喷嘴出口直径增大时，喷雾锥角也会相应增大，这表明喷嘴的几何设计在喷雾性能方面起着重要作用。同样，旋涡室的高度变化也会影响喷雾的形态，较高的旋涡室可能导致更集中、更狭窄的喷雾。这些发现为喷雾干燥系统的优化提供了重要的理论依据，使得工程师可以根据不同的液体粘度和喷嘴几何结构，合理调整喷雾参数，以达到最佳的干燥效果。

#### 喷雾干燥的工业应用与挑战

在食品工业中，喷雾干燥技术被广泛应用于奶粉、果汁、蛋白质浓缩物等产品的生产过程中。然而，由于液体粘度的变化，实际应用中常常面临挑战。例如，高粘度液体的雾化过程可能会导致液滴尺寸过大，从而影响干燥效率和最终产品的质量。此外，喷雾锥角的变化也会影响液滴在干燥室内的分布，进而影响干燥的均匀性。

为了克服这些挑战，研究者通过实验和非量纲分析，建立了能够预测喷雾特性的经验公式。这些公式不仅适用于不同的喷嘴几何结构，还能够适应不同粘度范围的液体。通过这些公式，工程师可以在设计喷雾干燥系统时，快速预测不同操作条件下的喷雾特性，从而优化干燥过程。此外，这些公式还可以用于模拟喷雾干燥过程，提高工业应用的效率和准确性。

#### 研究的意义与未来展望

本研究的结果为喷雾干燥技术的优化提供了重要的理论支持。通过实验数据和非量纲分析，研究者建立了粘度与喷雾特性之间的经验关系，使得喷雾干燥过程的模拟和设计更加精确。这些成果不仅适用于食品工业，还可能推广到制药和其他需要喷雾干燥的领域。此外，研究还强调了在实际操作中，粘度对喷雾性能的影响，提醒工程师在选择喷嘴和调整操作参数时，需要充分考虑液体的粘度特性。

未来的研究可以进一步探讨非牛顿流体在喷雾干燥中的行为，以及不同喷嘴设计对喷雾特性的具体影响。此外，随着食品工业对产品品质要求的不断提高，如何通过优化喷雾干燥过程，提高干燥效率和产品均匀性，仍然是一个重要的研究方向。通过本研究的成果，可以为这些未来研究提供坚实的基础，推动喷雾干燥技术的进一步发展和应用。