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什么是動(dòng)態(tài)超高壓微射流？

為什么動(dòng)態(tài)超高壓微射流均質(zhì)機(jī)比傳統(tǒng)高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)效果更加好？

動(dòng)態(tài)超高壓微射流技術(shù)（dynamic high pressure microfluidization，DHPM）,是一種*的高壓加工技術(shù), 它以超高壓理論、流體力學(xué)理論、撞擊流理論為基礎(chǔ), 集輸送、混合、超微粉碎、加壓、膨化等多種單元操作于一體, 能對(duì)流體混合物料進(jìn)行強(qiáng)烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時(shí)釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴等一系列的綜合作用, 從而起到很好的超微化、微乳化和均一化效果。動(dòng)態(tài)超高壓技術(shù)代表著一種重要的創(chuàng)新因?yàn)樗鼙挥糜诟淖內(nèi)闋钜夯蛏锔呔畚? 并且能應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上。

動(dòng)態(tài)超高壓微射流技術(shù)應(yīng)用原理

動(dòng)態(tài)超高壓微射流是一種特別形式的超高壓均質(zhì)技術(shù),動(dòng)態(tài)超高壓微射流均質(zhì)機(jī)是在動(dòng)態(tài)超高壓微射流技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,以實(shí)現(xiàn)物料的乳化、均質(zhì)為主要目的一種技術(shù)裝備。動(dòng)態(tài)超高壓微射流均質(zhì)機(jī)主要是由液壓泵和撞擊腔所組成。它利用液壓泵所產(chǎn)生的高壓,使撞擊腔內(nèi)的流體被分散成兩股或更多股細(xì)流,并在極小空間內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)烈的高速撞擊。在撞擊的過程中瞬間轉(zhuǎn)化其大部分能量,產(chǎn)生巨大的壓力降,從而使得液體顆粒高度破碎。它是集輸送、混合、超微粉碎、加壓、加溫、膨化等多種單元操作于一體的一門全新技術(shù)。主要適用于流體混合物料液一液相或液一固相的剪切、破碎、均質(zhì)和膨化。在這種均質(zhì)過程中, 劇烈的處理?xiàng)l件如液體高速撞擊、高剪切、空穴爆炸、高速振蕩等作用可能會(huì)導(dǎo)致大分子結(jié)構(gòu)的變化, 從而引起物料的物理性質(zhì)的變化。

1.微射流均質(zhì)腔均質(zhì)原理

物料通過柱塞泵吸入，在柱塞和單向閥共同作用下進(jìn)入微射流均質(zhì)腔，物料經(jīng)過特別孔徑的微射流腔體，產(chǎn)生超高壓破碎效應(yīng)。在介質(zhì)選定的情況下，轉(zhuǎn)速越大，流速越大，均質(zhì)壓力高

2.微射流均質(zhì)腔的原理

由于高壓均質(zhì)腔的內(nèi)部具有特別設(shè)計(jì)的幾何形狀，因此在增壓機(jī)構(gòu)的作用下，高壓溶液快速的通過均質(zhì)腔，物料會(huì)同時(shí)受到高速剪切，高速撞擊，空穴現(xiàn)象以及對(duì)流撞擊等機(jī)械力作用和相應(yīng)的熱效應(yīng)，由此引發(fā)的機(jī)械力學(xué)效應(yīng)可誘導(dǎo)物料大分子的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生變化，以達(dá)到均質(zhì)的效果。

3.微射流型號(hào)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)室專用型（適合：生物，醫(yī)藥，食品，化工，納米懸浮液。。。等行業(yè)）

技術(shù)性能

★ 設(shè)計(jì)壓力0-3500bar(350Mpa/50750psi)
★ 工作壓力0～3000bar(300MPa/43500psi)
★ 工作流量2.6L/h
★ 最小處理量：5ml
★ 進(jìn)料粒徑≤300um
★ 進(jìn)料黏度≤2000cp
★ 工作溫度≤ 90℃

★ 均質(zhì)樣品溫度可控制 ≤ 4～10℃

★ 均質(zhì)閥組件為人造金剛石材質(zhì)，耐壓，抗磨
★ 泵體為分體式設(shè)計(jì)，易拆卸，易清洗
★ 整機(jī)為GMP設(shè)計(jì)，可在線進(jìn)行SIP/CIP操作
★ 具有超高壓設(shè)計(jì)，壓力可達(dá)3500bar/50750psi
★ 高壓微射流均質(zhì)閥設(shè)計(jì)，氧化鋯高抗磨材質(zhì)閥組件
★ 數(shù)字式壓力顯示，計(jì)算到1 bar

★ 在線排空，內(nèi)部可達(dá)到零殘留，不消耗物料

★ 物料可在高壓下暫停，走空，斷料后自動(dòng)關(guān)機(jī)。
★ 動(dòng)力端配置大功率電機(jī)，保證高壓下穩(wěn)定工作
★ 特別進(jìn)料閥設(shè)計(jì)，無需排氣，可直接進(jìn)料
★ 物料殘留量為零，特別適合原輔料昂貴的產(chǎn)品研發(fā)
★ 整機(jī)擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)
★ 通過歐盟CE機(jī)械安全認(rèn)證

★ PLC自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，配有數(shù)據(jù)USB接口,可實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線圖。

特點(diǎn)：

1、關(guān)機(jī)不用刻意旋動(dòng)手柄泄壓，本設(shè)備內(nèi)部自動(dòng)泄壓。

2、整機(jī)使用液壓系統(tǒng)作動(dòng)力，高壓穩(wěn)定。

3、整機(jī)采用高壓金屬密封為主，無泄漏，工作時(shí)間長。

4、高壓下可暫停，走空，加入物料后無需排氣，可正常工作。

4、物料走空后可自動(dòng)關(guān)機(jī)。

5、可實(shí)時(shí)監(jiān)控，拷貝曲線圖。

6、均質(zhì)過程易產(chǎn)生高熱量的部件全程處于低溫冷媒控制中（4-10度之間）。

7、可24小時(shí)高壓開機(jī)工作。

8、PLC自動(dòng)預(yù)設(shè)調(diào)壓，無需手動(dòng)加壓。

微射流是在超高壓(310MPa)的壓力作用下，經(jīng)過孔徑很微小的閥心，產(chǎn)生幾倍音速的流體，從而達(dá)到分散，均質(zhì)，乳化，納米顆粒等等。

工作原理：

物料流經(jīng)單向閥后，在高壓腔泵里加壓。通過微米級(jí)的噴嘴，以亞音速撞擊在乳化腔上，同時(shí)通過強(qiáng)烈的空穴，剪切效應(yīng)，得到足夠小而均一的粒徑分布。 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)： 電液傳動(dòng)，在保證可靠性的同時(shí)，特別的腔體構(gòu)造，使均質(zhì)壓力可達(dá)3100bar，可靠解決顆粒的納米級(jí)分散； 并可循環(huán)均質(zhì)。 噴嘴核心材料為金剛石，同時(shí)采用金屬錐面密封，在承受超高壓力的同時(shí)，保證密封性，延長使用壽命。 主要應(yīng)用： 脂肪乳、脂質(zhì)體、納米混懸液的制備； 細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的提?。?xì)胞破碎）； 食品、化妝品的均質(zhì)乳化； 新能源產(chǎn)品（石墨烯電池導(dǎo)電漿料、太陽能漿料）

概述

微射流特指不需要額外的流源，射流的形成直接來源于周圍流體。該項(xiàng)技術(shù)早在20世紀(jì)70年代提出，但直到90年代才得到充分研究。微射流的形成主要有兩種形式，一種是由僅在一個(gè)側(cè)面上開有微小孔的封閉腔體形成射流作動(dòng)器，工作時(shí)開孔相對(duì)的側(cè)面產(chǎn)生振動(dòng)，外界流體便會(huì)經(jīng)由開孔不斷進(jìn)入、排出腔體，形成微射流；另一種為直接將振動(dòng)膜片放入環(huán)境流體之中，膜片振動(dòng)時(shí)只要其振幅足夠大，也會(huì)沿膜片法線方向形成射流。兩種形式中，振動(dòng)的產(chǎn)生又可分為電磁機(jī)械式、靜電式和壓電式。

微射流作動(dòng)器原理

GlezerA等人研制成功的微射流作動(dòng)器及其形成的微射流流場(chǎng)示意圖。

整個(gè)作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸很小，它采用微電子制造技術(shù)，在硅基或其他材料上整體加工而成。作動(dòng)器腔體深度僅為幾十微米，射流出入口處長度為幾百微米，開孔平面為0.5mm寬×75mm長的窄縫。腔體的金屬振動(dòng)薄膜由圓狀壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)。作動(dòng)器開始工作時(shí)，在其上加上周期性變化的電壓信號(hào)，壓電陶瓷片就驅(qū)動(dòng)腔體金屬薄膜產(chǎn)生振動(dòng)。以作動(dòng)器在空氣中工作為例，當(dāng)薄膜沿x反向振動(dòng)時(shí)，腔體內(nèi)氣體壓強(qiáng)降低，外界氣體經(jīng)開孔進(jìn)入腔體；當(dāng)薄膜沿x正向振動(dòng)時(shí)，腔體內(nèi)氣體受到壓縮，又會(huì)經(jīng)由開孔排出腔體。在此過程中，開孔處氣流受到強(qiáng)烈的剪切作用，因而在出口銳緣處發(fā)生分離(流動(dòng)由貼體進(jìn)入腔體轉(zhuǎn)向?yàn)榱飨颦h(huán)境)，進(jìn)而卷起形成兩列旋渦；而旋渦一經(jīng)形成，就會(huì)向下游遷移。在遷移過程中，旋渦對(duì)的能量不斷耗散，其相干結(jié)構(gòu)逐漸消失，從而演化為散亂的湍流流動(dòng)，直至與環(huán)境氣體融為一體。周期性的薄膜振動(dòng)不斷產(chǎn)生旋渦對(duì)，并重復(fù)演化過程，從而形成微射流。微射流在x-y平面上的速度分布如圖1上方的曲線所示。在旋渦對(duì)經(jīng)過的途中，會(huì)伴隨產(chǎn)生流動(dòng)壓強(qiáng)降低的區(qū)域(卷吸場(chǎng))。

微射流作動(dòng)器及其形成的微射流流場(chǎng)的特點(diǎn)

a.微射流作動(dòng)器結(jié)構(gòu)微小，質(zhì)量也很小，因而具有很廣的用途。但其加工要涉及微電子制造技術(shù)，常規(guī)機(jī)械制造無法完成。

b.與常規(guī)的連續(xù)射流相比，微射流是有間隔的流動(dòng)。它的凈質(zhì)量流率為零，動(dòng)量不為零。其實(shí)質(zhì)是旋渦對(duì)的生成、遷移和耗散。只是由于這一系列過程進(jìn)行的頻率很高，宏觀表現(xiàn)類似于常規(guī)射流而已。

c.微射流流動(dòng)中伴隨有卷吸場(chǎng)產(chǎn)生，這也是其不同于常規(guī)射流的特征所在。

d.微射流的能量水平(旋渦對(duì)強(qiáng)度)不僅取決于金屬薄膜振動(dòng)所消耗的電能功率，而且還與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率及作動(dòng)器腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等有關(guān)，因此有可能消耗極少量的電能功率來獲得很強(qiáng)的微射流強(qiáng)度。

微射流之間的相互作用

形成零凈質(zhì)量流率微射流時(shí)，在作動(dòng)器出口附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸場(chǎng)，這一點(diǎn)可從兩相鄰的微射流相互作用看出圖2。其中兩射流雷諾數(shù)均為Re=300，正弦電壓信號(hào)的驅(qū)動(dòng)頻率為600Hz，相鄰兩射流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差為θ。圖2a中，θ=70°，兩射流同相，相互作用的結(jié)果是兩股射流合成為沿x方向加寬的一股。圖2b中θ=70°。這樣，當(dāng)一個(gè)射流作動(dòng)器處于排氣過程時(shí)，另一個(gè)尚處于吸氣過程；排氣過程受吸氣過程影響，結(jié)果是相位落后的射流發(fā)生偏離，流向相位超前的一側(cè)。圖2c中θ=130°，兩射流的相互作用更為明顯，相位落后的射流幾乎貼著作動(dòng)器表面流向相位超前的一方。

微射流技術(shù)的應(yīng)用

氣動(dòng)力控制

微射流技術(shù)在氣動(dòng)力控制上的應(yīng)用結(jié)果之一是可提高模型的升阻比。MichaelAmitay等人對(duì)2D圓柱體的氣動(dòng)力性能調(diào)節(jié)進(jìn)行了全面實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)在風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞截面尺寸為0.91m×0.91m；氣流雷諾數(shù)Re=3×104～1.3×105；流動(dòng)速度為32m/s。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娣胖昧銉糍|(zhì)量流率的微射流作動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)中微射流產(chǎn)生的低壓回流區(qū)形成一“虛擬面"，使附近的流線偏離未受擾動(dòng)的邊界層，從而使作動(dòng)器前后模型表面的壓強(qiáng)系數(shù)顯著降低。若在周向放置多個(gè)微射流作動(dòng)器，則使得模型的升力系數(shù)提高，阻力系數(shù)降低。

氣流在薄翼上的分離與再附

應(yīng)用微射流技術(shù)還可完善翼型的失速性能。還是AmitayM等人利用微射流技術(shù)對(duì)氣流在薄翼鈍頭體上的分離與再附進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。薄翼上安放有兩個(gè)微射流作動(dòng)器，其出口寬度為0.5mm，兩者相距2.5mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不使用微射流作動(dòng)器，當(dāng)薄翼攻角超過5°時(shí)，流動(dòng)就會(huì)分離。而使用微射流作動(dòng)器對(duì)氣流進(jìn)行控制后，在17.5°攻角范圍內(nèi)，氣流是附面的，部分地方達(dá)到25°附面臨界角。由于氣流附面區(qū)域擴(kuò)大，使得薄翼的升力提高、壓差阻力下降，而且通過控制氣流分離點(diǎn)位置，薄翼的失速性能變得更加好。

SeifertA等人還在飛行馬赫數(shù)下，采用微射流技術(shù)，對(duì)推遲氣流在機(jī)翼上的分離點(diǎn)位置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中微射流作動(dòng)器工作頻率為800Hz。結(jié)果顯示，在低馬赫數(shù)下(可認(rèn)為氣流不可壓縮)，機(jī)翼升力系數(shù)可提高15%，失速后升力可提高50%，阻力降低50%，而且機(jī)翼尾跡區(qū)氣流變得較為平穩(wěn)。在高馬赫數(shù)條件下(要考慮氣流的可壓縮性)，機(jī)翼性能的變化非常復(fù)雜。由于微射流的存在，機(jī)翼邊界層內(nèi)氣流加速，分離點(diǎn)位置退移，這是有利的一面，但對(duì)于高速可壓縮流微射流的控制效果不理想。對(duì)于跨音速流動(dòng)，雖然微射流對(duì)提高機(jī)翼升力不明顯，但可顯著緩和其顫震現(xiàn)象。

增強(qiáng)混合

大量微尺度的微射流旋渦元與射流相互作用還可增強(qiáng)主流的混合。DavisSA等人利用微射流技術(shù)對(duì)增強(qiáng)噴液射流(主流)的混合過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中噴液孔直徑為25.4mm，出口速度為11.4m/s，雷諾數(shù)為ReD=19000。噴液孔周圍放置9個(gè)微射流作動(dòng)器，微射流流動(dòng)方向可調(diào)整為平行或垂直噴液孔軸線。微射流作動(dòng)器開口寬度0.5mm×9mm，工作頻率為1.2kHz，微射流出口速度為11m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，正是因?yàn)槲⑸淞髯鲃?dòng)器的作用，在同樣下游位置處，主流剪切邊界層沿徑向擴(kuò)展加速；與此同時(shí)，沿軸線的流動(dòng)速度減慢，并且主流近場(chǎng)處的徑向波動(dòng)速度增加了將近10倍；主流較遠(yuǎn)的下游位置處，徑向波動(dòng)速度減小至低于主流未受控的程度。幾方面原因都使得主流的混合程度加強(qiáng)。

控制換熱

微射流技術(shù)還可應(yīng)用于冷卻之目的并取得顯著效果。MarkGillespie研究了使用微射流技術(shù)對(duì)微電子集成電路進(jìn)行對(duì)流冷卻的問題。結(jié)果顯示，周期性變化的吸入/排出微射流流場(chǎng)顯著增強(qiáng)了元器件的冷卻效果。在元器件表面溫度為100℃時(shí)，自然對(duì)流散熱功率僅為2W，而使用微射流作動(dòng)器后，功率可達(dá)17W。與常規(guī)的采用連續(xù)射流的散熱方式相比，兩者消耗同樣的能量水平，微射流作動(dòng)器可增強(qiáng)散熱功率200%。鑒于微電子工業(yè)領(lǐng)域在元器件生產(chǎn)向小型、微型化發(fā)展的同時(shí)，其表面的發(fā)熱熱流率變得越來越劇烈，因而微射流技術(shù)在此方面的應(yīng)用具有廣闊的前景。