武秀勝，徐 慶,2，王瑞芳,2，李占勇,2

(1. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 天津市低碳綠色過程裝備國際聯(lián)合研究中心，天津 300222)

噴霧冷凍干燥(spray-freeze drying，SFD)是近幾 年來開發(fā)的一種新型的工程技術，可以生產獨特的粉末狀產品，同時還包括常規(guī)冷凍干燥產品的優(yōu)點，主要用于奶粉、藥物蛋白、卵清蛋白、流感疫苗[1-4]等高附加值熱敏性產品的制備．為了解決粉體的團聚、粉體顆粒尺寸不均勻等現(xiàn)象，進一步提高噴霧冷凍干燥技術在工程實際中的應用，實現(xiàn)批量生產，李占勇等[5]設計了一種惰性粒子流化床噴霧冷凍干燥設備，即在密閉的流化床內引入惰性粒子作為流化載體，同時這類載體顆粒也可作為最終產品的添加劑使用，在封閉的流化床內霧化液滴在處于低溫且流化狀態(tài)的載體顆粒上進行凍結、升華干燥和剝離等操作．由于整個干燥過程處于密閉的系統(tǒng)下操作，所有步驟都在同一個設備中連續(xù)的運作，避免了污染環(huán)境，通過這種方法可以實現(xiàn)料液食品和含藥性成分的溶液一步干燥成粉體產品，無需二次加工；而且，設備結構簡便、操作過程方便快捷、能夠實現(xiàn)設備的一體化．液滴在載體上的涂覆效果是影響該過程最終產品的顆粒結構的重要因素，因此研究液滴撞擊低溫載體顆粒表面動力學行為，進而作為以后設備工程化應用的理論指導．Bakshi等[6]通過實驗研究了單液滴撞擊干燥球形表面的過程，從實驗和理論方面研究了液滴撞擊球面時液膜厚度的變化過程．通過對實驗圖像的分析可以得出結論：液滴撞擊過程液膜的形態(tài)變化可以分為三個階段，分別為液膜初始快速鋪展階段、慣性力主導階段和表面應力和黏性力主導的階段；Walford等[7]詳細研究了空氣中微小液滴的凍結機理，實驗是將水滴輕輕地落在冷銅表面，凍結形成冰的尖塔狀顆粒，得出液滴凍結過程中固液交界面處剪切牽引力與水平的冷表面平行，冰珠的黏性力在-22℃的情況下達到最大值．Hu等[8]實驗研究結冰的小水滴的非穩(wěn)態(tài)傳熱和相變過程，以闡明結冰現(xiàn)象的重要微觀物理過程．實驗采用基于分子的壽命標記法(MTT)技術的開發(fā)和實施，得出成液態(tài)的小水滴的平均溫度在不斷增加，而不是減少．

這些研究中大多是對毫米級的液滴在撞擊低溫壁面過程中的動力學行為，很少涉及微米級液滴的碰撞問題，且液滴與壁面的撞擊現(xiàn)象多涉及平面，很少涉及曲面的碰撞現(xiàn)象，因此本文主要研究在顆粒表面低溫狀態(tài)下(-20、-30℃)霧化液滴(240、400、600μm)撞擊低溫球形顆粒過程中液膜的鋪展等動力學行為，其中載體顆粒的尺寸為 3mm、5mm．通過研究液滴在載體顆粒的涂覆現(xiàn)象對制備表面具有多孔結構的粉體顆粒提高粉體的速溶性和尺寸均勻性具有重大意義．

1 材料及方法

1.1 實驗材料

采用的料液為黏度較大的普魯蘭溶液作為液滴材料．普魯蘭多糖作為新增 4種食品添加劑產品之一，結構上極富有彈性，溶解度比較大，而且成膜性、可塑性、黏性均較強，因此廣泛被應用于醫(yī)藥、食品、輕工、化工和石油等領域．實驗使用蒸餾水溶解普魯蘭多糖配成質量分數(shù)分別為 5%、10%、15%、20%的普魯蘭多糖溶液，用黏度計(DV-Ⅲ型，美國博力飛公司)測得其黏度[9]．質量分數(shù)為 20%溶液黏度為0.908Pa·s，該黏度已接近噴霧極限，因此質量分數(shù)為20%的溶液并無研究意義；質量分數(shù)為 5%、10%的溶液黏度分別為 0.0528Pa·s、0.1435Pa·s，但由于其中的普魯蘭多糖含量較少，干燥等量的糖需消耗更多能源．因此，本文采用質量分數(shù)為 15%的普魯蘭多糖溶液，其黏度為 0.2215Pa·s．

1.2 實驗儀器與設備

如圖 1所示，實驗裝置主要有液滴產生裝置、圖像采集所用的計算機、高速攝像機、不銹鋼球及其配套支撐架、照明燈、在線式紅外線測溫儀和制冷冰柜.

圖1 實驗裝置示意圖Fig. 1 The diagram of experimental device

1.2.1 液滴發(fā)生裝置

微米級液滴是由微膠囊造粒儀(B-395Pro型，瑞士 BUCHI公司)產生的，它利用層流液體噴射并加以高頻率振動，制造出極其均勻的圓形微顆粒，如圖2所示．該設備生成的球形液滴粒徑可以根據(jù)噴嘴的選擇預先設定，范圍為 0.15～2mm，粒徑分布窄(＜5%標準偏差)．液滴產生后具有一定動能，并豎直下落撞擊在顆粒表面．本實驗選用液滴直徑(dL)分別為 240、400、600μm，液滴出口溫度為室溫，噴嘴流量為8mL/min．

圖2 微膠囊造粒儀Fig. 2 Microcapsule granulator

1.2.2 制冷調控裝置

本文研究霧化的液滴撞擊球面溫度(T)為-20、-30℃的顆粒的碰撞過程．為滿足實驗要求，利用冷柜(DW-60W156型，海爾公司)作為制冷裝置．冷柜的內部尺寸為長100cm、寬 70cm、高 60cm；溫度檢測裝置采用在線式紅外線測溫儀(DT-380型，東美公司)．

1.2.3 高速攝像裝置

實驗是通過高速攝像機記錄液滴的碰撞過程，并對其進行數(shù)據(jù)分析，從而揭示液滴碰撞過程中動力學行為．拍攝采用高速攝像機(SA3系列，日本 Phtron公司)搭配 Tokina微距鏡頭(100mm，f-2.8)．為了獲得的照片具有良好的清晰度，全面的記錄液滴運動過程，在實驗過程中將拍攝速度定位 5000幀/秒，圖像為 1024像素×512像素，攝像機和被拍攝的顆粒在同一個水平面上．為了清楚地拍攝整個撞擊過程的液滴運動狀態(tài)，采用背光法拍攝，照明光源由60W的 LED攝影燈提供，在光源和撞擊球面之間設有柔光罩．采用低照度的光源避免背光拍攝過程中對相機的損害，同時采用柔光罩可以柔化強光使光線均勻平行地投射在球面上．

1.3 實驗方法

由于整個實驗過程都是在冷柜中完成，為了提高效率保證實驗環(huán)境溫度恒定，在實驗開始前選取 10顆等直徑鋼球放置在長 20cm、寬 2.5cm、高 0.8cm的鋁板上(鋁板上有10個手工開鑿的圓形凹槽，凹槽直徑為 2mm，深度為 1mm，相鄰凹槽的間距為2cm)．將鋁板放置在中間開槽矩形鋁管中，且可以自由滑動，使得霧化液滴通過槽的間隙撞擊在鋼球表面而且不影響其他鋼球的撞擊涂覆．移動鋁板，使鋁板上第一個鋼球與鋁管槽、噴嘴三者保持同一直線，打開液滴產生裝置，并用高速攝像機記錄，調節(jié)升降臺，使噴嘴與鋼球球心距離為 50cm，移動鋁板，對下一刻鋼球重復實驗，依此順序記錄 10次鋼球表面的碰撞行為．

1.4 數(shù)據(jù)處理

以液膜的厚度及鋪展弧長描述液滴在碰撞過程中的形態(tài)變化．圖像處理采用 Matlab軟件，首先對圖像進行灰度處理，提取圖像中液膜與鋼球邊界，然后對鋼球輪廓進行擬合．鋼球的直徑是定值，以鋼球為參照物進行標定，然后采用圖3所示的處理過程可以得出液膜厚度和鋪展弧長．

圖3 Matlab圖像處理過程Fig. 3 Matlab image processing process

定義液膜厚度為 H，液膜頂點到圓心的距離為L，R為涂覆球面半徑，則液膜的厚度

圖4 液膜示意圖Fig. 4 Diagram of liquid film

如圖 4所示通過像素掃描可得液膜的邊界定點位置，將兩定點與圓心連接可得到兩條連線之間的夾角θ，則液膜鋪展弧長為

定義顆粒的周長為C，則液膜鋪展弧長占顆粒周長比

定義液膜厚度占顆粒半徑比

2 結果與討論

2.1 液滴碰撞過程

在球面溫度為-30℃時，直徑為 600 μm 的液滴撞擊在直徑為5mm的鋼球表面，液膜在2.6ms的時間范圍內的形態(tài)變化過程如圖 5所示．對比圖 3發(fā)現(xiàn)液滴撞擊位置略有不同，這是由于液滴粒徑較小，進入冷柜后，在冷氣流影響下，發(fā)生偏移，導致撞擊位置發(fā)生偏差，但實驗圖像與對心撞擊位置偏移較小，故忽略此誤差影響，并且可以看出液膜呈現(xiàn)厚度逐漸增加、對應弧長逐漸減小的趨勢．根據(jù) Mitra等[10]的實驗可知，在常溫狀態(tài)下液滴由鋪展狀態(tài)到恢復穩(wěn)定狀態(tài)大約需要 15ms．隨著球面溫度降低，固體表面的黏性力增加，在碰撞過程中液滴的表面張力也隨之增大，從而在液滴鋪展和回縮階段阻止液滴運動的阻力也隨之增大．因此，液滴在過冷表面的運動時間與常溫狀態(tài)相比也會大大縮減．

圖5 液滴撞擊過程液膜的形態(tài)變化實驗圖像Fig. 5 Snapshot of morphological changes of liquid film during droplet impacting process

2.2 過程參數(shù)對液膜形態(tài)的影響

2.2.1 液滴直徑對液膜形態(tài)的影響

選取液滴直徑為 240、400、600μm 的液滴進行碰撞實驗，碰撞過程中的液膜厚度和α 變化分別見圖6和圖7．

圖6 球面溫度為-30℃時，不同直徑液滴撞擊 5 mm球形顆粒過程中的液膜厚度變化Fig. 6 Impacting effect of droplets of different diameters on the thickness of liquid film impacting on 5 mm spherical particles with spherical temperature of-30℃

由圖6可知：在球面溫度為-30℃時，在t=0ms時，液滴開始接觸鋼球，并開始鋪展，t=0.5ms時鋪展到最大，此時液膜厚度最小，隨后液膜厚度呈現(xiàn)先急劇增加，然后趨緩，最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)．這與文獻描述的常溫下液滴的碰撞過程有很大不同：在常溫下的液滴碰撞過程中，由于受到慣性力、黏性力、表面應力的相互作用，液滴形態(tài)變化有明顯的回縮和振蕩過程；然而，在低溫狀態(tài)下液滴撞擊球面過程中，由于受球面溫度的影響，液滴在過冷表面鋪展的瞬間液膜與固體表面交界面被凍結形成冰膜，冰膜的表面應力和黏性力都急劇增加，從而阻礙液滴運動．具體過程是，初始階段的液滴在慣性力的主導下迅速鋪展，然后在表面應力和彈性勢能的作用下逐漸回縮直至穩(wěn)定．液滴內部的彈性勢能由于受到較大黏性力的影響很快轉化為耗散能[11]，因此低溫狀態(tài)下液滴的碰撞過程沒有明顯的振蕩過程，且冰膜形成后冰核逐漸增大，水-冰界面逐漸向上推移直至整個液膜被凍結[12]．如圖6所示，隨著液滴直徑的增大液膜厚度也隨之增加．

圖7 球面溫度為-30℃時，不同直徑液滴撞擊 5 mm球形顆粒過程中的α 變化Fig. 7 Variation of α with time and the droplets impingement on 5 mm spherical particles of different diameters at the temperature of -30℃

由圖 7可知：在碰撞初始階段瞬間鋪展到最大值，其最大鋪展弧長隨著液滴直徑的增加而增加．液膜鋪展弧長整體趨勢呈現(xiàn)先降低然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)．液滴在碰撞的初始階段由于受到黏性力影響，液滴的初始動能不斷地向耗散能轉化，直至液滴鋪展弧長達到最大值．液滴在表面應力和彈性勢能作用下不斷地回縮，在液滴回縮階段同時受到液滴黏性力的影響，液膜迅速地達到最小鋪展弧長[13]．雖然在回縮階段液膜鋪展弧長有輕微的波動，但整體呈現(xiàn)減小趨勢并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)．

2.2.2 球面溫度的改變對液膜形態(tài)的影響

統(tǒng)計液膜的厚度與載體顆粒的比值可以直觀反映液膜在鋼球表面的涂覆程度，結果見圖 8．由圖 8可以看出：不同球面溫度下液膜的厚度在碰撞初始狀態(tài)時大致相同，隨后呈現(xiàn)逐漸增加的整體趨勢，但不同球面溫度時的最大液膜厚度也不相同．隨著球面溫度的不斷降低，液膜厚度逐漸降低．與低溫狀態(tài)相比，常溫狀態(tài)下液膜的厚度明顯較大．在碰撞的初始階段液滴瞬間鋪展到最大，由于液滴初始動能較大，鋪展過程瞬間完成，黏性力作用時間較短，因此此時液膜的厚度與所處的球面溫度無關，但隨后，由于與常溫狀態(tài)相比低溫狀態(tài)下液滴表面應力和黏性力明顯高，因此低溫狀態(tài)下液膜的厚度最大值明顯小于常溫狀態(tài)下的最大值．當球面溫度為-20、-30℃時液膜厚度變化趨勢相似，說明在該低溫狀態(tài)下，液滴表面的應力與黏性力基本相同，液滴運動與凍結狀態(tài)也十分相似．

圖8 不同球面溫度條件下，600 μm液滴撞擊5 mm球形顆粒過程中的β變化Fig. 8 Changes of β in the process of 600 μm droplet impinging on 5 mm spherical particles at different temperature

選擇液滴直徑分別為 400、600μm，球面溫度分別為 25、-20、-30℃，研究液滴撞擊球面時液膜鋪展變化，結果如圖9所示．

圖9 不同球面溫度條件下，不同直徑液滴撞擊 5 mm球形顆粒過程中的液膜鋪展弧長變化Fig. 9 Variation of liquid film spreading arc length of droplets with different diameters impacting 5 mm spherical particles at different temperatures

由圖9可以看出：兩組液滴的鋪展弧長隨球面溫度的變化趨勢基本相同，先急劇增大，然后降低，接著出現(xiàn)振蕩，最后趨于穩(wěn)定．顯然，液滴直徑越大液膜的鋪展弧長也越大．其中對于同一組液滴，隨著溫度降低，液膜的鋪展弧長也減小，這是因為隨著溫度的降低，液滴在與過冷的載體顆粒表面碰撞時，在液滴與固體表面交界處形成冰膜，造成液滴表面應力和黏性力隨溫度的降低而增加．由于表面應力和黏性力在液滴鋪展回縮過程中起阻礙作用，因此溫度越低則鋪展弧長就會越?。蓤D 9還可以看出：隨著球面溫度的降低，液滴在過冷載體顆粒表面的振蕩次數(shù)也隨之減少，液滴在達到最大鋪展弧長后會發(fā)生回縮和振蕩的現(xiàn)象，這與液滴內部張力及內部勢能有關，隨著溫度的降低黏性力急劇增大，內部勢能向黏性耗散能轉變，因此隨著溫度降低液滴內部耗散能降低，則液滴的振蕩次數(shù)也會隨之減少．相比于常溫狀態(tài)，低溫狀態(tài)下液滴會更快地進入穩(wěn)定狀態(tài)．因此，球面溫度的變化對液膜的動力學特性有極大的影響．

2.2.3 鋼球直徑對液膜形態(tài)的影響

選取液滴直徑為 240、400、600μm，鋼球直徑(dS)為 3、5mm，研究液膜鋪展弧長和液膜厚度隨鋼球直徑的變化，結果分別見圖10和圖11．

圖10 球面溫度為-30℃時，不同直徑液滴撞擊不同直徑球形顆粒過程中的液膜鋪展弧長變化Fig. 10 Changes of liquid film spreading arc length when droplets of varying sizes impinge on spherical particles of different diameters at spherical temperature -30℃

由圖 10可以看出：對于不同的液滴直徑和鋼球直徑，液膜鋪展弧長都呈現(xiàn)先增大后緩慢減小，隨后達到穩(wěn)定狀態(tài)．其次，液滴隨鋼球直徑的增大其液膜鋪展弧長也隨之增加．相同直徑的液滴撞擊在 3mm和5mm的鋼球表面，液滴在3mm的鋼球表面液膜鋪展弧度(θ)明顯大于在 5mm 鋼球表面的鋪展弧度，但由于顆粒半徑不同，5mm 鋼球表面的液膜鋪展弧長相對較長．從力學角度分析，直徑較小載體顆粒的曲率較大，鋼球表面上的液滴所受重力分量較大，液滴有向下運動的趨勢，因此隨著曲率增大，在液滴鋪展時所受重力分量也隨之增加，故其液膜鋪展弧度增大；但弧度較大時，對應顆粒直徑較小，液膜弧度較大時對應的弧長仍小于液膜弧度較小時對應的弧長．

圖11 球面溫度為-30℃時，不同直徑液滴撞擊不同直徑球形顆粒過程中的液膜厚度變化Fig. 11 Variation of liquid film thickness when droplets impinge on spherical particles of different diameters at spherical temperature of -30℃

由圖 11可以看出：液膜的厚度隨時間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；不同直徑的液滴撞擊相同直徑鋼球表面，其液膜厚度隨液滴直徑的增加而增加；而相同直徑的液滴撞擊不同直徑的鋼球表面，液膜的厚度隨鋼球直徑的增加而減?。@是因為隨著鋼球直徑的增大，液膜弧長隨之增大，隨著相同直徑的液滴在鋼球表面液膜弧長增加，液滴與鋼球表面接觸的面積更大，當液滴在鋪展到最大直徑后，液膜所受黏性力和表面應力增大，即回縮階段所受的阻力增加，故相同直徑液滴撞擊鋼球表面時，隨著鋼球直徑的增大，液膜的厚度隨之減小．

3 結 論

(1)在相同球面溫度(-30℃)條件下，液膜厚度隨液滴直徑的增大而增加，液膜鋪展弧長隨液滴直徑增大而增加．

(2)在相同液滴直徑的條件下，液膜厚度隨球面溫度的降低而不斷減?。怀貭顟B(tài)(25℃)與低溫狀態(tài)(-20、-30℃)下液膜厚度相差較大，但低溫狀態(tài)下的不同溫度對應的液膜厚度相差較小；隨著溫度的降低，液膜的鋪展弧長也會隨之減?。?/p>

(3)相同直徑的液滴撞擊不同直徑鋼球表面時，液膜鋪展弧長隨鋼球直徑的增加而增加，液膜的厚度隨鋼球直徑的增加而減?。?/p>