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CN112827687B - 一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器 - Google Patents

一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器 Download PDF

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CN112827687B CN202011614332.0A CN202011614332A CN112827687B CN 112827687 B CN112827687 B CN 112827687B CN 202011614332 A CN202011614332 A CN 202011614332A CN 112827687 B CN112827687 B CN 112827687B
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Abstract

本发明提供了一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其不仅具有良好的雾化性能，而且能够增强射流的距离和稳定性，有效降低能耗，以及提升液体雾化效率，具有良好的应用前景。其结构主要包括雾化器主体、连接杆以及外部的振荡块，雾化器主体内部设有气体流道、液体流道、气液混合腔、仿生表面流道。气体流道为一收缩圆管，其内壁为双螺旋表面。当高压气体通入时，该流道可使气体大幅度的增速流动并实现旋转式推进运动，与增速后的液体在气液混合腔中发生碰撞，实现液体的初次雾化行为。在经过仿生表面流道后，实现二次增速，雾滴离开雾化器主体后，冲击振荡块，利用振荡块高频振动实现雾滴的二次雾化破碎，以提高系统整体的雾化质量。

Description

一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器
技术领域
本发明属于雾化除尘技术领域，具体涉及一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器。
背景技术
雾化除尘技术是当前较为有效的去除空气中细颗粒物的方法，传统的雾化设备大多采用高压型雾化和超声波雾化的方法，但这类雾化设备都需要额外添加激励装置，会大幅度增加能耗，并且，这类设备结构较为复杂，雾化效果差。在脱硫塔、洗涤塔等封闭场合环境下，这类雾化设备可以取得较好的降尘效果，但在矿井巷道、露天堆场、建筑工地等非封闭场合且相对复杂的环境下，应用效果会大打折扣。
目前，有学者在雾化设备上装有特定架构的腔室，利用射流时腔室产生的振荡将连续射流转变为脉冲射流，通过能量的集聚作用，使得流体在极短的时间内获得一个较高的能量，进而流体在出口处产生高速运动的雾粒，得到较好的雾化效果。例如：公开号为CN204571851U的专利、公开号为CN203711178U的专利、公开号为CN203961086U的专利等，结构尺寸较大或较为复杂，且雾化设备内部的能量聚集与释放不太稳定，出口速度峰值较低。在非封闭的环境下，无法获得连续稳定射流以及高质量的雾化行为。
因此，如何在非封闭场合实现雾化设备雾滴粒径的大幅细化且能够连续稳定射流，以满足细颗粒物的高效脱除要求，是本领域技术人员需要解决的问题之一。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述技术问题。为此，本发明提出了一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器。本发明的技术方案如下：
本发明提出了一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其包括雾化器主体以及外部的连接杆和振荡块，所述雾化器主体内设置有气体流道、液体流道、气液混合腔、仿生表面流道；
所述气体流道为一渐缩圆管，其内壁为双螺旋表面，气体流道与气液混合腔相连通；
所述液体流道包括互连的液体入口段和液体出口段；液体入口段用于连接外部管道，其轴线与气体流道的轴线平行，液体出口段是斜圆台型收缩管道，其与气液混合腔相连通；多个液体流道周向分布在气体流道周围；
所述气液混合腔一端面与气体流道和液体流道出口相通，另一端与仿生表面流道入口相通；
所述仿生表面流道为一渐缩管道，其内壁具有多个仿生减阻环；所述仿生减阻环是由多个圆形凸起组成的环状表面结构；
所述振荡块通过多根连接杆与雾化器主体连接并固定，其主体结构为圆柱块，内部有一特定形状的通孔。
作为基本发明的优选方案，气体流道长度是雾化器总体长度的0.65-0.8倍，内壁双螺旋表面，气体流道的收缩比为0.47-0.53。
作为基本发明的优选方案，所述液体出口段收缩比为0.43-0.47，且其内壁为光滑表面；液体入口段内壁具有螺纹，用于连接外部管道。
作为基本发明的优选方案，多个液体流道的液体入口段分布半径为气体流道半径的2.4-2.8倍。
作为基本发明的优选方案，仿生表面流道的收缩比为0.4-0.5，其入口处的中心点位于液体出口段轴线的延长线上。
作为基本发明的优选方案，所述振荡块为圆柱体结构，其直径与仿生表面流道出口直径相同；振荡块内部有通孔，通孔大口径一侧靠近仿生表面流道出口，小口径一侧与外部相通；振荡块轴线与雾化器主体轴线重合，仿生表面流道处与振荡块的距离是整体结构长度的0.052倍。
作为基本发明的优选方案，所述气体流道内壁的双螺旋表面，是由两根三维螺旋线耦合而成得到的半圆形凸起螺旋表面，其凸起高度为整个气体流道外直径的0.11倍；两根螺旋线的起始角度相差180°，其中一根螺旋曲线方程满足：
Figure BDA0002876013220000021
式中，x为螺旋线上任意点的横坐标；y为任意一点的纵坐标；z为螺旋线在坐标系中的旋转高度；t为螺旋线的旋转角度。
作为基本发明的优选方案，所述多个仿生减阻环等间距分布，其分布间距为仿生表面流道长度的0.1倍；每个减阻环由多个相同尺寸的半球形凸起周向分布形成，每个半球形凸起半径为所在减阻环直径的0.05倍。
与现有技术相比，本发所具有的有益效果包括：
在本发明所述的雾化器结构设计下，高压气体通入气体流道，经过内部螺旋表面以及渐缩管道增速后，产生超高速旋流气体，进入气液混合腔，并且液体通过渐缩设计的液体流道，同样加速进入气液混合腔。超高速旋流气体对液体进行冲击，破坏液体表面张力，使液体分裂成液滴，从而达到初次雾化的效果。接着，含有液滴的气流通过仿生表面流道，由于仿生表面流道内壁有多个仿生减阻环，对高速运动的流体具有明显的减阻效果，并且仿生表面流道具有收缩设计，会对含有液滴的气流进一步提升其流动速度。最后，超高速气液混合液不断冲击振荡块，使振荡块产生高频振荡，加剧雾滴的二次雾化，从而使产生的连续射流具有更小的雾滴粒径和更高的雾滴浓度。
本发明通过螺旋表面以及仿生表面，有效减小气体射流的阻力，增加射流速度，加强气液之间相互作用，能在较低的压力下达到较好的雾化效果。与现有的技术相比，本发明结构简单，可靠性强，并且能够提升整个雾化系统的雾化性能、射流的距离以及稳定性，还能起到节能的效果。
附图说明
图1为基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器的半剖图。
图2为基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器的结构示意图。
图3为振荡块的半剖图。
图4为仿生表面流道的半剖图。
图5为图1所示A-A剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1～2所示，本发明实施例的一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器包括雾化器主体(其内部设有气体流道1、液体流道2、气液混合腔3、仿生表面流道4)以及外部的连接杆5和振荡块6。所述气体流道1，其长度是雾化器总体长度的0.7倍，其内部为收缩圆台型管道，内壁为双螺旋表面10，收缩比为0.5，外表面有螺纹11，可用于与外部气体管道连接，气体流道1非自由端与气液混合腔3相通。
在一个具体实施例中，所述双螺旋表面10是由两根三维螺旋线耦合而成得到的半圆形凸起螺旋表面，其凸起高度为整个气体流道外直径的0.11倍。这两根螺旋线的起始角度相差180°，其中一根螺旋曲线方程满足：
Figure BDA0002876013220000041
式中，x为螺旋线上任意点的横坐标；y为任意一点的纵坐标；z为螺旋线在坐标系中的旋转高度；t为螺旋线的旋转角度。
如图1和5所示，所述液体流道2分为液体入口段12和液体出口段8，液体入口段内壁具有螺纹9，便于连接外部管道，其轴线与气体流道1的轴线平行，液体出口段8是一斜圆台型收缩管道，收缩比为0.46，内壁为光滑表面；多个液体流道2周向分布在气体流道1周围，其分布半径为气体流道1半径的2.6倍。
在一个具体实施例中，所述气液混合腔3为类钻石型结构，其内壁为光滑表面，一端面与气体流道1和液体流道2出口相通，另一端与仿生表面流道4入口相通。所述仿生表面流道4为一收缩型管道，收缩比为0.4，其入口处的中心点位于多个液体出口段轴线延长线的交点上。
如图4所示，所述的仿生表面7即通过对自然界疏水表面的简化和改进得到，由多个仿生减阻环等间距分布形成，其分布间距为仿生表面流道长度的0.1倍。每个减阻环由多个相同尺寸的半球形凸起周向分布形成，每个半球形凸起半径为所在减阻环直径的0.05倍。
在一个优选具体实施例中，所述振荡块6为圆柱体结构，如图3所示，其直径与仿生表面流道4出口直径相同。内部有异形结构通孔，通孔大口径一侧靠近仿生表面流道出口，小口径一侧与外部相通。振荡块6通过连接杆5固定在雾化器主体上，其轴线与雾化器主体轴线重合，仿生表面流道出口处与振荡块1的距离是整体结构长度的0.052倍。
以下对基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器的具体工作过程和工作原理进行介绍：高压气体通入气体流道，经过内部螺旋表面以及收缩管道增速后，产生超高速旋流气体，进入气液混合腔，并且液体通过液体流道，同样在收缩管道作用下加速进入气液混合腔。超高速旋流气体对液体进行冲击，破坏液体表面张力，使液体分裂成液滴，从而达到初次雾化的效果。接着，含有液滴的气流通过仿生表面流道，由于仿生表面流道内壁有多个仿生减阻环，对高速运动的流体具有明显的减阻效果，并且仿生表面流道具有一定的收缩设计，会对含有液滴的气流进一步提升其流动速度。最后，超高速气液混合液不断冲击振荡块，使振荡块产生高频振荡，加剧雾滴的二次雾化，从而使产生的连续射流具有更小的雾滴粒径和更高的雾滴浓度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其特征在于，包括雾化器主体以及外部的连接杆和振荡块，所述雾化器主体内设置有气体流道、液体流道、气液混合腔、仿生表面流道；
所述气体流道为一渐缩圆管，其内壁为双螺旋表面，气体流道与气液混合腔相连通；所述气体流道内壁的双螺旋表面，是由两根三维螺旋线耦合而成得到的半圆形凸起螺旋表面；两根螺旋线的起始角度相差180°，其中一根螺旋曲线方程满足：
Figure FDA0003555553270000011
式中，x为螺旋线上任意点的横坐标；y为任意一点的纵坐标；z为螺旋线在坐标系中的旋转高度；t为螺旋线的旋转角度；
所述液体流道包括互连的液体入口段和液体出口段；液体入口段用于连接外部管道，其轴线与气体流道的轴线平行，液体出口段是斜圆台型收缩管道，其与气液混合腔相连通；多个液体流道周向分布在气体流道周围；
所述气液混合腔为类钻石型结构，一端面与气体流道和液体流道出口相通，另一端与仿生表面流道入口相通；仿生表面流道的收缩比为0.4-0.5，其入口处的中心点位于液体出口段轴线的延长线上；
所述仿生表面流道为一渐缩管道，其内壁具有多个仿生减阻环；所述多个仿生减阻环等间距分布，其分布间距为仿生表面流道长度的0.1倍；每个仿生减阻环由多个相同尺寸的半球形凸起周向分布形成，每个半球形凸起半径为所在减阻环直径的0.05倍；
所述振荡块通过多根连接杆与雾化器主体连接并固定，其主体结构为圆柱块，其直径与仿生表面流道出口直径相同；振荡块内部有通孔，通孔大口径一侧靠近仿生表面流道出口，小口径一侧与外部相通；振荡块轴线与雾化器主体轴线重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其特征在于：气体流道长度是雾化器总体长度的0.65-0.8倍，内壁双螺旋表面，气体流道的收缩比为0.47-0.53。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其特征在于：所述液体出口段收缩比为0.43-0.47，且其内壁为光滑表面；液体入口段内壁具有螺纹，用于连接外部管道。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其特征在于：多个液体流道的液体入口段分布半径为气体流道半径的2.4-2.8倍。
5.根据权利要求1所述的一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其特征在于：仿生表面流道出口处与振荡块的距离是整体结构长度的0.052倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于仿生表面的螺旋管道振荡雾化器，其特征在于：半圆形凸起螺旋表面的凸起高度为整个气体流道外直径的0.11倍。
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