CN100419276C - 用于产生压差的双圆锥 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双圆锥设备，其产生了增强的抽吸、压力放大和降低的噪音。这种增强效果是通过使用用于该双圆锥设备的两个截头圆锥部分的一个连续几何构形而获得的。此外，使用位于出口圆锥上的多个孔而将物料吸入设备内。连续的几何构形导致了稳定的流动剖面，而稳定的流动剖面导致了降低的噪音和增强的放大。孔增加了抽吸力，因为它们可以非常靠近管口地设置。通过选择合适的入口圆锥和出口圆锥的圆锥角，也获得了其他增强效果。

Description

用于产生压差的双圆锥
技术领域
本发明涉及一种双圆锥装置，用于在流体流过该双圆锥装置时产生一个压差。特别地，本发明涉及一种产生了增强的抽吸和降低的磨损的双圆锥设备。
背景技术
一个双圆锥设备包括一个入口单元、一个出口单元和一个中间部分，入口单元和出口单元每个都是中空的截头圆锥形，中间部分称为管口。当流体流过这种设备时，管口部分呈现抽吸特性。此抽吸特性使得一个双圆锥设备在许多场合中都很是有用的，从井中抽吸到分离过程——例如脱盐和除离子。在这些应用中，双圆锥设备用于向这些过程中所使用的流体提供一个压力放大。
已经在名称为“用于产生和利用压差的设备及其技术应用(Device forcreating and exploiting pressure difference and the technical applicationsthereof)”的美国专利申请US4792284中描述了双圆锥设备。本专利所描述的双圆锥设备显示于图1中。
双圆锥设备100包括两个共轴的截头圆锥部分，称为入口圆锥102和出口圆锥104，它们通过一个圆柱管110而保持在一起。入口圆锥102的特征是其长度L1、较大直径D1、较小直径d1和圆锥角θ1。类似地，出口圆锥104的特征是其长度L2、较大直径D2、较小直径d2和圆锥角θ2。在这两部分之间的最小直径部分称为管口106。为双圆锥设备100提供一个从入口圆锥102进入并且从出口圆锥104排出的供给流。供给流可以是任何流体，即可以是液体或气体。
圆柱连接管110包围了环绕管口的区域。一个位于圆柱连接管110上的入口108使得流体可以从设备100外部被抽吸入管口106。
在双圆锥设备100内流动的过程中，供给流经历了一个压力变化，该压力变化是双圆锥设备100的几何构形和在入口圆锥102的入口处的流体速度的函数。在双圆锥设备100内的该压力变化示于图2中。如图2所示，在双圆锥设备100内的压力在流体流过入口圆锥102时逐渐降低，然后在出口圆锥104内重新升高。在管口106内的地点(z＝0)处压力最小。而且，在入口圆锥102起始处(z＝-L1)的压力P1和在出口圆锥104出口点(z＝L2)处的压力P2是不同的。该压差ΔP＝P1-P2称为经过设备100后的压降。
在设备内的供给流性状或者压力变化是多个因素的函数，这些因素包括：例如入口和出口圆锥的圆锥角等几何参数、在入口圆锥的入口处和出口圆锥的出口处的外部压力。特别地，外部压力越高，在管口处的压力越低。这导致了管口处的较高抽吸力。
双圆锥设备的性能通常以其压力放大来衡量。双圆锥设备的压力放大定义为：在出口圆锥出口处的压力P2与经过设备后的压降ΔP之间的比率。可通过减少压降或增加出口压力而提高压力放大。另外一个性能衡量参数是由双圆锥设备产生的噪音。高的噪音程度可以导致设备的快速磨损，并且一般认为是不环保的。此外，必须把设备的磨损降至最低以保证设备有一个长的使用周期。
在基本的双圆锥设计中已经采取了多种改进以改善其性能。
在名称为“用于产生压差的双圆锥(Double-cone for generation of apressure difference)”的PCT专利申请PCT/CH99/00403中已经描述了一个这样的改进。此专利描述了一种双圆锥设备，它包括一个入口圆锥和一个出口圆锥，入口圆锥和出口圆锥由其小直径端连接起来以产生一个管口。此外，入口设置在出口圆锥内，远离管口。入口圆锥角θ1也已经精制到小于5°。这些改进降低了双圆锥设备的噪音和磨损。
在名称为“双圆锥设备和泵(Double-cone device and pump)”PCT专利申请PCT/CH02/00134中已经描述了另一种改进。该双圆锥设备包括通过一个第三圆锥连接起来的一个入口圆锥和一个出口圆锥。一个入口设置在出口圆锥中。入口圆锥的小直径端和第三圆锥连接起来以形成一个管口。第三圆锥的圆锥角小于出口圆锥的圆锥角。此外，第三圆锥的圆锥角必须介于1°到5°之间。第三圆锥的引入和把入口设置在远离管口处降低了磨损。这是因为壁的材料不会承受非常高的应力，象在初始的双圆锥结构中那样。经过设备后的压降也得以降低，导致了更好的抽吸性能。
虽然已经对双圆锥设计进行了多种改进，还可以采取更进一步的改进以加强压力放大、降低噪音程度和稳定流动。例如，在处于某些运行状态下的现有设备中，产生的噪音能达到110至115分贝的量级，而人所能忍受的噪音程度是大约85分贝。因此，需要具有较低噪音程度的双圆锥设备。此外，在现有双圆锥设备中，设备内的流动在高流率时不够稳定。因此，需要改进设计以稳定在高流率下的流动。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有增强压力放大的双圆锥设备。
本发明的另一个目的是提供一种在入口处具有增强的抽吸压力的双圆锥设备。
本发明的另一个目的是提供一种具有降低的噪音程度的双圆锥设备。
本发明的另一个目的是减少双圆锥设备上的磨损从而延长其使用寿命。
本发明的另一个目的是改进流经双圆锥设备的流体的流动剖面。
本发明的另一个目的是提供一种具有降低的工作温度的双圆锥设备。
而本发明的还另一个目的是提供一种双圆锥设备，与现有双圆锥设备相比，它能够在高流速下有效地工作。
上述目的通过使用一个具有连续的几何构形的双圆锥设备来达到。特别地，双圆锥设备包括两个截头圆锥部分，称为入口圆锥和出口圆锥。入口圆和出口圆锥有一个共同的小直径面。该共同直径区称为管口。此外，在靠近管口的出口圆锥上有多个孔。
与现有双圆锥设备所能够获得的相比，本发明实现了较高的压力放大、较高的抽吸力和较低的噪音。通过使用一个连续的几何构形和用作抽吸入口的圆孔而实现了此目的。
孔在出口圆锥上形成，处于管口的下游，但是处在直径小于1.5倍的管口直径的出口圆锥部分内。孔的尺寸小于或等于管口直径的一半。
入口圆锥的圆锥角小于或等于5°，而出口圆锥的圆锥角小于或等于4°。这导致了降低的能量吸收、降低的噪音程度和较高的流率。
在本发明的一个可选实施例中，在出口圆锥上远离管口的孔由一个有孔隙的部分代替，用来模拟一个具有无数个尺寸非常小的孔的区域，此区域处于出口圆锥和管口之间。该孔隙部分由例如陶瓷等材料制成。
本发明的另外一个可选实施例包括两个称为入口和出口圆锥的截头圆锥单元、一个管口区域和一个嵌入部分。在此设备中，嵌入部分提供了将物料流吸入管口区域内的路径。此外，出口圆锥角小于2°。
附图说明
在下文中将参考附图描述本发明的优选实施例，附图用于阐释而非限制本发明，其中同样的标号表示同样的元件，其中：
图1显示了一个在名称为“用于产生和利用压差的设备及其技术应用”的美国专利申请US4792284中描述的双圆锥装置；
图2显示了当供给流流经双圆锥设备的不同部分时的压力变化；
图3显示了一个依照优选实施例的连续几何构形的双圆锥设备；
图4显示了一个带有一个孔隙部分的连续几何构形的双圆锥设备；
图5显示了一个具有一个嵌入部分的双圆锥设备。
具体实施方式
本发明揭示了一种具有连续几何构形的双圆锥设备，它具有一个第一渐缩部分和一个第二渐扩部分。管口后方的第二部分上的多个孔方便了向设备内的抽吸。管口是渐缩部分结束之处以及渐扩部分的起始点，它还是设备直径最小的部分。
图3显示了依照本发明一个优选实施例的具有连续几何构形的双圆锥设备300。设备300包括两个称为第一渐缩部分(在下文中称为入口圆锥)302和第二渐扩部分(在下文中称为出口圆锥)304的中空的截头圆锥部分和多个位于出口圆锥304上的孔306。设备300直径最小的部分也称为管口308。管口308也是入口圆锥302的出口部分和出口圆锥304的入口部分。在一个优选实施例中，管口的边缘应当是尖的并且截面应当是完全圆形的。对于本领域的普通技术人员来说，显而易见的是边缘也可以是平滑的。
入口圆锥302的特征在于其长度L1、较大的直径D1和圆锥角θ1。类似地，出口圆锥304的特征在于其长度L2、较大的直径D2和圆锥角θ2。
在本发明的一个优选实施例中，入口圆锥角θ1小于或等于5°，而出口圆锥的圆锥角小于或等于4°。L1、D1、L2、D2的值可依照所选的角度θ1、θ2的值进行选择。对于本领域的普通技术人员来说，显而易见的是可以采用其他入口圆锥角和出口圆锥角的值，而不会背离本发明的范围。然而，在所选择的角度上，该设备噪音程度降低并且要求输入的能量较低。
双圆锥设备300中供入了从入口圆锥302进入并且从出口圆锥304排出的供给流310。供给流310可以是任何流体，例如液体或气体。
供给流310在双圆锥设备300内经历了压力变化。在供给流310流经入口圆锥302时双圆锥设备内的压力逐渐下降，并且随后在出口圆锥304内重新上升。压力在管口308处是最小的。在出口圆锥内，管口308周围的低压允许物料312通过孔306从设备300之外而吸入设备300之内。
孔可以是任何形状，例如方形、椭圆形和圆形。在一个优选实施例中，采用了圆形孔。此外，在本发明的优选实施例中，孔306沿流动的方向倾斜。对于本领域的普通技术人员来说一定显而易见的是：相对于供给流的方向而言，孔的轴线可以沿任何方向，例如垂直于出口圆锥的表面或者逆着供给流的方向，而没有背离本发明的范围。
孔306的尺寸取决于供给流内的物料310和管口308的尺寸。要吸入的物料的性质直接地影响了孔的尺寸。例如，如果要吸入的物料是水，那么孔的直径与管口直径之间的比例应当小于0.5并且其绝对值应当限制在小于10毫米的范围内。如果使用的是非牛顿流体，那么孔的最大直径限制在4至5毫米。此外，对于一种非牛顿液体而言，孔的尺寸非常依赖于液体的机械特性。在优选实施例中，优选地，孔的尺寸小于0.2倍的管口直径。优选地，孔与管口的尺寸之间的比率是小的，因为如果该比率过高，那么会对供给流的稳定性产生不利影响。
使用了多个孔以便能够吸入大量的物料。保持孔的位置尽可能地靠近管口，因为当离开管口平面时抽吸力降低。在本发明的一个优选实施例中，孔在出口圆锥304的一个截面上形成，该截面的直径小于1.5倍的管口308的直径。
在本发明的一个可选实施例中，出口圆锥的入口部分由孔隙材料制成，而不是具有多个孔。此实施例用图4进行描述。
图4显示了一个双圆锥设备400，包括入口圆锥302、出口圆锥304和一个孔隙部分402。设备的几何构形是连续的并且入口圆锥302和出口圆锥304由第一材料制成，这种材料可以是用于制造双圆锥设备的普通材料，例如钢。孔隙部分402由例如陶瓷或玻璃复合物等有孔隙的材料制成。有孔隙混凝土复合物是用于大尺寸双圆锥设备的理想材料。在其他例子中，能够通过化学淋溶合适的材料而形成有孔隙的部分。例如，由不同合金和塑料组成的复合物能够用来形成几何构形，然后通过化学侵蚀或电侵蚀适当的区域而形成有孔隙的部分。供给流310流经设备400，从入口圆锥302的入口进入并且排出至出口圆锥304的出口。此排放物包括供给流310和吸入的物料404。物料404通过孔隙部分402被吸入设备400内。
对于孔隙材料，使用了尺寸范围在50到100μm之间的孔，以提供一个相对安静的抽吸(低噪音程度)，而没有降低抽吸能力。此外，优选地，孔隙部分402的直径应当小于1.5倍的管口308的直径。
本发明的另外一个实施例使用一个位于入口和出口圆锥之间的嵌入部分。该实施例用图5显示。
图5显示了一个双圆锥设备500，它包括两个称为第一渐缩部分(下文称入口圆锥)502和第二渐扩部分(下文称出口圆锥)504的中空截头圆锥部分，以及一个代替了具有孔的连续部分的嵌入部分508。
出口圆锥504的圆锥角小于2°。选择了这种圆锥角，该设备获得了显著的噪音降低。然而，对于本领域的普通技术人员一定显而易见的是可使用其他出口圆锥角的值而没有背离本实施例的范围。
供给流510从入口圆锥502的入口进入并且排出至出口圆锥504的出口。排放物包括供给流510以及吸入物料512。物料512通过嵌入部分508吸入设备500。
嵌入部分508包括一个从入口圆锥502的较小直径末端延伸到出口圆锥504的起始处的中空的截头圆锥部分。中空部分的较小直径与入口圆锥502的较小直径末端匹配，而中空部分的较大直径末端与出口圆锥504的起初处相匹配。此外，嵌入部分508具有多个位于中空部分的径向孔，用于将物料吸入设备500。
使用嵌入部分导致噪音大大降低。例如，如果压力在出口圆锥的出口是19巴，由现有双圆锥设备产生的噪音是110-115分贝。而在另一方面，由设备500产生的噪音是85-90分贝。
本发明提供了增强的压力放大和降低的噪音。
在双圆锥设备内的噪音由一个与所选择的几何构形不符的流动剖面产生。换言之，流体没有完全接触双圆锥的壁。此外，在现有设备中，当供给流从入口圆锥流向管口区域时，流动剖面急剧地改变。本发明通过产生一个与现有双圆锥设备相比更紧密地遵循壁的几何构形的流动剖面而降低了这种噪音。
本发明的双圆锥设备的连续几何构形使得在管口308和出口圆锥304内的供给流的流动剖面保持与壁接触。这是因为连续的几何构形禁止供给流310如在现有双圆锥设备内那样变得自由。从而，当供给流310从管口308移动到出口圆锥304时，流动剖面没有发生急剧改变。这种改善的流动剖面导致了噪音程度的显著降低。此外，改善的流动剖面降低了设备的磨损。另外，与现有存在设备的可能效率相比，改善的流动剖面使得设备以非常高的流率高效率地工作。
与现有双圆锥设备相比，连续的几何构形还增加了压力的放大。所能够获得的压力放大是在双圆锥内的流动状态的函数。特别地，压力放大是轴向流速分量的函数。轴向流速分量越占主导地位，能够获得的放大越强。连续几何构形减少了非轴向流速分量增加的倾向，从而导致压力放大的增加。
例如，与一个现有双圆锥设备的性能相比，一个连续几何构形的双圆锥设备导致压力放大大约增加50％。连续几何构形的双圆锥设备产生的噪音也得到降低。对于现有的双圆锥设备，会产生大约100分贝的噪音，而连续几何构形的双圆锥设备产生大约80分贝的噪音。特别地，在一个入口圆锥角为5°且出口圆锥角为2°的连续几何构形的双圆锥设备中的所进行的一个实验中，仅产生了10巴的压降，同时在一个大约80分贝的噪音程度上产生了约1.8倍的压力放大。与具有可比功率的现有设备相比较，此压力放大的性能提高了大约50％。
此外，当θ1≤5°时，供给流在设备300内回转的倾向降低。供给流的回转导致能量的消耗。从而，所提供的入口角的选择减少了由于回转而导致的能量消耗。能量消耗的减少导致了可获得的压力放大的增加。
当θ2≤4°，在出口圆锥304内的供给流的流动剖面得以稳定。流体的稳定使得即使在较高流率时设备300也能有效地使用。设备300消耗的能量也得以降低。此外，设备产生的噪音也得以降低。
例如，当用作一个特定的液压回流泵(hydraulic reverse pumping)时，入口圆锥角为5°且出口圆锥角为5°的现有双圆锥设备不能有效地运作。而在另一方面，依照本发明的出口圆锥角为2°的双圆锥设备工作起来不会有任何问题。
与在现有双圆锥设备中从出口圆锥移去切片部分相反，孔的使用导致了一个在管口308下游增强的抽吸压力。抽吸力取决于在管口308周围所产生的压力。在此区域的压力是多个参数的函数。这些参数包括双圆锥设备300的几何尺寸、在出口圆锥304的出口处施加的压力和将物料吸入设备300的入口的位置。特别地，如果用于抽吸物料的入口较靠近管口，则抽吸力更高。这是因为抽吸力取决于在管口308内的压力。在管口308内的压力越低，抽吸力就越高。离开管口308后，压力急剧上升。从而，为使抽吸力最大，抽吸入口应当尽可能靠近管口308。本发明利用这个事实，通过使用多个靠近管口的孔306而产生较高的抽吸。
使用孔306的原因是因为：与一个如同现有设备中那样从出口圆锥中取出的切片相比，孔306更能靠近管口平面。当从出口圆锥中去掉一个切片时，形成了一个自由射流，该自由射流直到深入出口圆锥内后才能与出口圆锥壁重新恢复接触。流速越高，此问题越会恶化。如果去掉的切片太靠近管口，则喷射速度过高，出口圆锥不能对靠近管口的主流施加足够的影响。从而，切口不能靠近管口。
虽然本发明的优选实施例已经得到阐释和描述，很明显，本发明不仅仅限于这些实施例。许多改进、改变、变化、替代和等同物对于本领域的技术人员将是显而易见的，它们没有背离如权利要求所描述的本发明的要旨和范围。

Claims (10)

1. 一种具有连续几何构形的双圆锥设备(400)，用于在一个流体流过该设备时产生一个压差，该设备包括：
a.一个中空截头圆锥形状的第一渐缩部分(302)；
b.一个中空截头圆锥形状的从所述第一渐缩部分(302)的端部延伸的第二渐扩部分(402)，所述第二渐扩部分是有孔隙的以便实现抽吸；和
c.一个中空截头圆锥形状的第三渐扩部分(304)，该第三渐扩部分从所述孔隙部分的端部延伸。
2. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一渐缩部分的圆锥角大于0°并且不超过10°。
3. 如权利要求2所述的设备，其中所述第一渐缩部分的圆锥角不超过5°。
4. 如权利要求1所述的设备，其中所述第三渐扩部分的圆锥角大于0°并且不超过10°。
5. 如权利要求4所述的设备，其中所述第三渐扩部分的圆锥角不超过4°。
6. 如权利要求1所述的设备，其中所述有孔隙的部分的较大直径大于所述第一渐缩部分的较小直径，并且小于该第一渐缩部分较小直径的1.5倍。
7. 一种双圆锥设备(500)，用于在一个流体流过该设备时产生一个压差，该设备包括：
a.一个中空截头圆锥形状的第一渐缩部分(502)；
b.一个中空截头圆锥形状的第二渐扩部分(504)；和
c、一个嵌入部分(508)，所述嵌入部分具有一个居中的中空截头圆锥部分(506)，该中空部分具有与所述第一渐缩部分的较小直径端相匹配的较小直径端和与所述第二渐扩部分的较小直径端相匹配的较大直径端，该嵌入部分从所述第一渐缩部分的较小直径端延伸到所述第二渐扩部分的起始处，其中该嵌入部分具有多个位于所述居中的中空部分上的径向孔而便于抽吸。
8. 如权利要求7所述的设备，其中所述第一渐缩部分的圆锥角大于0°并且不超过10°。
9. 如权利要求7所述的设备，其中所述第二渐扩部分的圆锥角大于0°并且不超过10°。
10. 如权利要求9所述的设备，其中所述第二渐扩部分的圆锥角不超过2°。
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