CN108225987A - 解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其包括液滴碰撞实验台和图像采集可视化系统，液滴碰撞实验台由低温控制系统、静电式雾化器、颗粒分布板、升降台组成；静电式雾化器放置在低温控制系统上端，球形颗粒排列在颗粒分布板上，颗粒分布板置于升降台肋板上并放置在低温控制系统内部与喷嘴同一竖直位置；图像采集可视化系统由高速摄像机、LED光源、PC机组成；将PC机与高速摄像机端口连接，高速摄像机与LED灯源对称放置于升降台两端，并将镜头与光源调节到与球形颗粒球心等高位置。本方法实验工况为低温条件，能够清晰采集液滴撞击球形颗粒冷冻涂覆的图像，并有可视化系统的图像处理方法，适用于液滴撞击固体表面涂覆冷冻的研究。

Description

解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统与方法

技术领域

本发明属于喷雾冷冻干燥技术领域，它涉及一种微米级液滴撞击球形颗粒表面冷冻涂覆时的形态变化微观动态观测技术，特别是一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统与方法，用以分析微米级液滴撞击低温球形表面冷冻涂覆时的动态变化。

背景技术

单液滴撞击球形颗粒表面的研究在近年来越来越引起广大研究者的关注，液滴的碰撞问题主要涉及工业中喷雾冷冻干燥技术和现实生活中的自然灾害问题的解决。如，在干燥行业利用喷雾冷冻干燥技术提高粉体产品的质量，通过研究液滴在载体颗粒的涂覆现象制备表面具有多孔结构的粉体颗粒提高粉体的速溶性和尺寸均匀性；研究冬季雾滴在输送电线结冰现象，通过研究其结冰机理预防输送电线因结冰问题而出现坍塌。为了深入研究雾化液滴撞击载体颗粒后的冻结机理，因此需要通过实验研究液滴撞击球形颗粒过程中液滴的冻结行为。

以往的研究来看，液滴与壁面的撞击现象多涉及平面，很少涉及曲面的碰撞现象，而且多数的实验研究常温下液滴铺展及破碎等物理变化。对于液滴碰撞过程中的冻结行为的研究多数涉及毫米级大尺寸的液滴。

因此本方法解决了研究微米级液滴碰撞球形颗粒表面冷冻涂覆过程的动态行为，并有可视化系统的图像处理方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，是一种微观观测方法，为研究雾化液滴撞击颗粒后的一系列动态行为及冻结机理提供可靠的研究方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：包括液滴碰撞实验台和图像采集可视化系统，所述的液滴碰撞实验台由低温控制系统、静电式雾化器、颗粒分布板、升降台组成；静电式雾化器放置在低温控制系统上端，球形颗粒排列在颗粒分布板上，颗粒分布板置于升降台上端并放置在低温控制系统内部的喷嘴同一竖直位置；所述的图像采集可视化系统由高速摄像机、LED光源、PC机组成；将PC机与高速摄像机端口连接，高速摄像机与LED灯源对称放置于升降台两端，并将镜头与光源调节到与球形颗粒球心等高位置。

而且，所述低温控制系统可人为设定温度，并在低温控制系统上盖开设液滴进入孔以及调节颗粒分布板的的手孔。

而且，所述静电式雾化器通过静电雾化产生微米级液滴，并且可调节流量、静电压力和频率，且可安装不同尺寸喷嘴。

而且，所述的颗粒分布板为条状铝板，表面有一列半球形凹槽。

而且，所述的高速摄像机使用三脚架支撑，并将数据输出端口通过数据线连接PC机，高速摄像机机体外设有保温层。

而且，所述的升降台上端设有矩形管道，用于放置颗粒分布板，管道中心开有矩形槽口。

一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)颗粒预冷：将球形颗粒排列放置与颗粒分布板，将分布板置于升降台上端，并将升降台放置于低温控制系统内部，球形颗粒球心与液滴进入孔圆心对齐，设置低温控制系统温度为-30℃，进行预冷；

2)设置图像采集可视化系统：预冷完成后，将高速摄像机与LED灯源对称放置于球形颗粒两侧，并将镜头与光源调节到与球形颗粒球心等高位置，将PC机与高速摄像机连接，将拍摄速度定位5000帧/秒，拍摄时采用图像像素为1024*512，并调节光源强度，直至PC机采集到清晰的颗粒图象，关闭低温控制系统，再次短暂预冷；

3)设置静电式雾化器：使用注射器吸入喷淋液体50ml，将注射器安装在静电式雾化器顶端，调节流量以及静电压力频率，并将静电式雾化器放置在低温控制系统上盖，将喷嘴与液滴进入孔圆心、颗粒球心保持三点一线；

4)液滴撞击：同时开启图像采集软件与静电式雾化器，对液滴撞击球形颗粒冷冻涂覆过程进行拍摄，图像采集完毕后，通过低温控制系统手孔移动颗粒分布板，对其他球形颗粒进行实验，重复以上操作直至所有颗粒实验完毕；

5)图像处理：对图片进行灰度处理，提取图像中液膜与球形颗粒边界，然后对颗粒轮廓进行拟合进而得到液膜的形态图像，颗粒的直径是定值，我们依颗粒为参照物惊醒标定，最后对其进行扫描得出液膜的厚度和铺展长度等参数。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，静电式雾化器可以添加不同喷淋液体，设置不同进料流量，可以安装不同喷嘴，产生微米级液滴(80～2000μm)，适应多种实验研究。

2、本发明的一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，高速摄像机与LED灯源放置于颗粒两侧，LED灯源采用平行光，并采用背光拍摄，大大提高图像清晰度。

3、本发明的一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，颗粒分布版有一列半球形凹槽，可以放置多颗不同尺寸的球形颗粒，大大提高可视化系统的使用连续性，避免多次开关低温控制系统，节约能耗。

4、本发明的一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，升降台可以调节不同高度，并在升降台上端设有矩形管道用于放置颗粒分布板，管道有矩形槽，避免液滴对分布板上其他颗粒的影响，提高实验准确性。

5、本发明的一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，本方法所用图像处理可视化系统，可以得到液滴的动态变化，并通过编程处理后得到液滴液膜的厚度和铺展长度等参数，为机理研究提供充足的数据。

附图说明

图1为本发明可视化系统的结构示意图；

图2为本发明可视化系统的升降台的左视图；

图3为本发明可视化系统的颗粒分布板的俯视图；

图4为本发明液滴撞击过程液膜的形态变化示意图；

图5为图像处理过程示意图。

附图说明

1-低温控制系统、2-高速摄像机、3-矩形管道、4-PC机、5-手孔、6-静电式雾化器、7-注射器、8-喷嘴、9-液滴通入孔、10-球形颗粒、11-颗粒分布板、12-LED光源、13-升降台。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，其特征在于包括液滴碰撞实验台和图像采集可视化系统，液滴碰撞实验台包括低温控制系统1、静电式雾化器6、颗粒分布板11、升降台13。球形颗粒10排列摆放在颗粒分布板11上，再将颗粒分布板11插入矩形管道3中，将升降台13置于低温控制系统1内部，使球形颗粒10与液滴进入孔9保持同一竖直位置，将静电式雾化器6置于低温控制系统1上端，使喷嘴7与球形颗粒10保持同一竖直位置。图像采集可视化系统包括高速摄像机2、PC机4、LED灯源12。将高速摄像机2和LED灯源12放置在升降台13两侧，使球形颗粒10与高速摄像机2、LED光源12保证同一水平位置。

低温环境由低温控制系统1提供，并在低温控制系统上盖开设有手孔5和液滴进入孔9，手孔5用于移动颗粒分布板11，提高实验重复率，减少低温控制系统1开关次数。

液滴发生可视化系统由静电式雾化器6产生微米级液滴，注射器7和喷嘴8安装在静电式雾化器6上，设置特定流量、静电压力和频率，产生微米级微小液滴。

一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的可视化系统与方法，以10％普鲁兰多糖溶液为喷淋液滴物料，钢球(5mm)为球形颗粒，冷库温度为-30℃为例，包括如下步骤：

1)钢球预冷：将钢球排列放置于颗粒分布板，将分布板置于升降台上端，并将升降台放置于低温控制系统内部，钢球球心与液滴进入孔圆心对齐，设置低温控制系统温度为-30℃，进行预冷；

2)设置图像采集可视化系统：预冷完成后，打开低温控制系统，将高速摄像机与LED灯源对称放置于球形颗粒两侧，并将镜头与光源调节到与球形颗粒球心等高位置，将PC机与高速摄像机连接，将拍摄速度定位5000帧/秒，拍摄时采用图像像素为1024*512，并调节光源强度，直至PC机采集到清晰的颗粒图象，关闭低温控制系统，再次短暂预冷；

3)设置静电式雾化器：使用注射器吸入10％普鲁兰多糖溶液50ml，将喷嘴(240、400、600μm)与注射器安装在静电式雾化器顶端，调节流量以及静电压力频率，并将静电式雾化器放置在低温控制系统上盖，将喷嘴与液滴进入孔圆心、钢球球心三者保持三点一线；

4)液滴撞击：同时开启图像采集软件与静电式雾化器，对液滴撞击球形颗粒冷冻涂覆过程进行拍摄，图像采集完毕后，通过低温控制系统手孔移动颗粒分布板，对其他钢球进行实验，重复以上操作直至所有钢球实验完毕；

5)图像处理：首先对图片进行灰度处理，提取图像中液膜与钢球边界，然后对钢球轮廓进行拟合进而得到液膜的形态图像，钢球的直径是定值(5mm)，我们依钢球为参照物惊醒标定，最后对其进行扫描得出液膜的厚度和铺展长度等参数。如图4中所示，液滴撞击过程液膜的形态变化(实验条件：温度-30℃，液滴直径600μm，钢球直径5mm)；图5为图像处理过程。

实验结论：从图4可以看出，采用本专利所设计的微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆观测方法得到的图像清晰，并且能够采集到液滴整个过程的动态变化，从图5可以看出，采用本专利所设计的图像处理方法，能够精确得到膜的厚度及铺展长度，这说明本方法显著提高了液滴撞击球形颗粒表面研究的可行性，并且得到的图像与数据准确可靠。

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：包括液滴碰撞实验台和图像采集可视化系统，所述的液滴碰撞实验台由低温控制系统、静电式雾化器、颗粒分布板、升降台组成；静电式雾化器放置在低温控制系统上端，球形颗粒排列在颗粒分布板上，颗粒分布板置于升降台上端并放置在低温控制系统内部的喷嘴同一竖直位置；所述的图像采集可视化系统由高速摄像机、LED光源、PC机组成；将PC机与高速摄像机端口连接，高速摄像机与LED灯源对称放置于升降台两端，并将镜头与光源调节到与球形颗粒球心等高位置。

2.根据权利要求1所述的解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：所述低温控制系统可人为设定温度，并在低温控制系统上盖开设液滴进入孔以及调节颗粒分布板的的手孔。

3.根据权利要求1所述的解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：所述静电式雾化器通过静电雾化产生微米级液滴，并且可调节流量、静电压力和频率，且可安装不同尺寸喷嘴。

4.根据权利要求1所述的解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：所述的颗粒分布板为条状铝板，表面有一列半球形凹槽。

5.根据权利要求1所述的解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：所述的高速摄像机使用三脚架支撑，并将数据输出端口通过数据线连接PC机，高速摄像机机体外设有保温层。

6.根据权利要求1所述的解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：所述的升降台上端设有矩形管道，用于放置颗粒分布板，管道中心开有矩形槽口。

7.根据权利要求1所述的解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的系统，其特征在于：所述的LED灯源为平行光源，功率为60W，可调节光强度。

8.一种权利要求1-7任意一项所述的可解决微米级液滴撞击球形表面冷冻涂覆的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)颗粒预冷：将球形颗粒排列放置于颗粒分布板，将分布板置于升降台上端，并将升降台放置于低温控制系统内部，颗粒球心与液滴进入孔圆心对齐，设置低温控制系统温度为-50～0℃；

2)设置图像采集可视化系统：预冷完成后，打开低温控制系统，将高速摄像机与LED灯源对称放置于球形颗粒两侧，并将镜头与光源调节到与颗粒分布板等高位置，将PC机与高速摄像机连接，将拍摄速度定位5000帧/秒，拍摄时采用图像像素为1024*512，并调节光源强度，直至PC机采集到清晰的颗粒图象，关闭低温控制系统；

3)设置静电式雾化器：使用注射器吸入喷淋液体50ml，将注射器安装在静电式雾化器顶端，调节流量以及静电压力频率，并将静电式雾化器放置在低温控制系统上盖，将喷嘴与液滴进入孔圆心对齐；

4)液滴撞击：同时开启图像采集软件与静电式雾化器，对液滴撞击球形颗粒冷冻涂覆过程进行拍摄，图像采集完毕后，通过低温控制系统手孔移动颗粒分布板，对其他球形颗粒进行实验，重复以上操作直至所有颗粒实验完毕；

5)图像处理：对图片进行灰度处理，提取图像中液膜与球形颗粒边界，然后对颗粒轮廓进行拟合进而得到液膜的形态图像，颗粒的直径是定值，我们依颗粒为参照物惊醒标定，最后对其进行扫描得出液膜的厚度和铺展长度等参数。