CN100525931C - 用于过热液体的喷射喷嘴 - Google Patents

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    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl

Abstract

本发明涉及一种允许以极细微液滴形式和极高速度喷射过热液体的装置，该装置包括一个喷嘴主体(1)，之后有一个混合器头以及若干喷射器(16)，所述混合器头和喷射器通往一个扩散喷嘴(5)。本发明还涉及设计成用于调整喷嘴出口截面的配件，这通过增加一个可以在扩散喷嘴(5)的轴线上滑动的成型芯部(11)并允许根据其位置对喷嘴的出口截面进行调整，以保持喷射液滴的最大喷射速度。设计该装置主要是为了化学和能源工业的应用。

Description

用于过热液体的喷射喷嘴
技术领域
本发明涉及一种喷射喷嘴，其设计用于以极细微的液滴形式和极高的速度喷射过热液体，这些液滴的平均尺寸可以小于5微米，其喷射速度可以大大超过音速，该喷射喷嘴用于可能非常重要且可以在很宽范围内调整的液体流，这些结果的获得不需要借助于压缩气体或超声波；术语“过热液体”是指温度为To且压力Po大于与To对应的饱和蒸汽压Ps的液体，蒸汽压Ps本身大于该液体喷射进入的气体介质的压力。
本发明还涉及设计用来在喷射液体的压力或温度发生改变时，或者当液体喷射进入的环境介质的压力改变时，调整喷射喷嘴的出口截面以维持液滴以一个最大超音速喷射的配件(fittings)。
该装置可用于需要通过液体喷射来对气体进行极快速冷却，因而涉及以极高的速度形成极细微液滴的工业设备。
背景技术
在现有技术中，喷射喷嘴设计成通过形成液体射流来喷射未加热液体，该液体射流在离开喷射喷嘴时由一个螺旋式构件或其它构件将其碎开，根据本发明的该装置不需要使用这样的构件，射流在液体过压的作用下自身爆裂开。
另外，传统的喷射喷嘴允许液体以很少超过音速的速度喷射，且喷射液滴的平均尺寸极少小于二十或五十微米；最佳的液滴尺寸和速度通过使用压缩气体辅助喷射，或者通过用于低流速喷嘴的超声波来获得；最后，这些喷射喷嘴并未配置设计成当所喷射液体的压力或温度发生变化时，或者当液体喷射进入的环境介质的压力发生变化时调整出口截面以维持液滴的最大超音速的装置。
发明内容
根据本发明的装置可以对这些缺点进行补救，特别是在重要液体流必须以极细微液滴形式和极高速度进行喷射的情形，这时喷射液体的流动、压力和温度可以很大比例变化，且液体喷射进入的环境介质的压力也可以很大比例变化。
因此，本发明的目的是一种根据下面描述规定的装置。
本发明还涉及在变体中所描述的实施例的特征点和形式。
具体实施方式
实施例1
图1A所示的装置由一个固定在支座(0)上的允许供应过热液体的喷嘴主体(1)组成；所述喷嘴主体包括一个有过热液体在其中流通的管道(3)，管道(3)之后是一个混合器头和若干喷射器，过热液体在这里加速并且流向一个扩散喷嘴(5)；一旦过热液体进入该扩散喷嘴，则液体射流在其自身蒸汽压作用下部分蒸发并立即爆裂开，从而形成细微液滴和蒸汽的混合物。
扩散喷嘴(5)的母线(generator)在其与喷射器(4)的母线的交界处具有一个突变，即，一个拐角，并且其出口截面具有一定尺寸使得所述混合物以外部介质的压力P1从喷嘴喷出，而不会在扩散喷嘴(5)内形成压力波；因此混合物的喷射速度对应于最大喷射速度。
在混合物沿扩散喷嘴(5)流动过程中由于流动加快而压力减小，使得混合物的温度降低，液体持续蒸发，并且蒸汽持续获得速度；在与蒸汽摩擦的作用下，液滴也获得速度，该过程一直持续到出口(6)，在这里混合物的压力P1与该液体喷射进入的环境介质的压力平衡。
沿该装置的过热液体流的数学模拟表明，喷射器(4)的出口压力等于饱和蒸汽压力Ps；一旦其进入扩散喷嘴，则液体流被冷却并即刻达到沸点，并且在液体内蒸汽压力的作用下被分离成颗粒；所得颗粒的尺寸与这些分离力有关，分离力本身取决于液体的传导率、热交换和扩散系数，并且取决于扩散喷嘴(5)的母线在与喷射器(4)结合处的斜度；随着该斜度接近竖直，这些力变得更大，而所述颗粒尺寸变得更小。
在一个针对预定应用场合而定尺寸的装置中，可以通过改变液体进入喷射喷嘴时的压力Po和温度To而改变喷射液体流；理想情况是，当这对数值与扩散喷嘴(5)的出口截面对应时，可获得颗粒喷出该装置时的最高速度。
为改进该装置的性能，扩散喷嘴(5)的母线在其与喷射器(4)结合处的斜度在极限情况下可以是垂直的，如图1A所示：因而扩散喷嘴(5)在其与(4)结合处呈现一个平直部分；该平直部分产生一个高的压力变化，使得可以获得非常细小的细微液滴，并有利于喷射喷嘴的加工。
如果需要，扩散喷嘴可以部分地或者整体地与外部支座(0)成为一体，如图1B所示。
作为一个实施方式的例子，如图1A的喷射喷嘴——其由一个长为20mm的不锈钢主体、9个直径为0.5mm的喷射器以及一个出口直径为8mm的扩散喷嘴组成——允许200k/h的过热水在60巴、270摄氏度的环境空气中以接近540m/s的喷射速度喷射，所喷射的颗粒尺寸接近5微米，而其温度等于100摄氏度；过热水输入流的几乎30％在喷出喷嘴时呈气态。
变体2
图2所示的装置通过使用一个环形喷射器(16)代替圆柱形喷射器(4)使得该喷射喷嘴的设计概念简化、其性能增加，并且便于其制造。
根据本发明的该装置包括一个固定在一个支座(0)上的允许供应过热液体的喷嘴主体(1)；该喷嘴主体包括一个有过热液体在其中流通的管道(3)，之后是一个混合器头和一段我们称之为环形喷射器(16)的环形通道，过热液体在这里加速并且流向一个扩散喷嘴(5)；一旦过热液体进入该扩散喷嘴，则液体射流在其自身蒸汽压作用下部分蒸发并即刻爆裂开，从而形成细微液滴和蒸汽的混合物。
扩散喷嘴(5)的母线在其与环形喷射器(16)的母线的交界处具有一个突变，即，一个拐角，并且其出口截面具有一定尺寸使得所述混合物以外部介质的压力P1从扩散喷嘴喷出，而不会在扩散喷嘴(5)内形成压力波；因此混合物的喷射速度对应于最大喷射速度。
环形喷射器由位于空腔——例如为圆柱形的——和一个喷射芯部(8)之间的自由空间组成；该喷射芯部固定到喷嘴主体上的方式可使待喷射液体在喷嘴内流通。作为一个非穷举性的例子，图2示出了一个圆柱形喷嘴(8)，其具有一个包括通道孔(10)的基部(9)，该基部本身固定到输入管道(3)。
在混合物沿扩散喷嘴(5)流动过程中由于流动加快而压力减小，使得混合物的温度降低，液体持续蒸发，并且蒸汽持续获得速度；在与蒸汽摩擦的作用下，液滴也获得速度，该过程一直持续到出口，在这里混合物的压力P1与该液体喷射进入的环境介质的压力平衡。
沿该装置的过热液体流的数学模拟表明，环形喷射器(16)的出口压力等于饱和蒸汽压力Ps；一旦其进入扩散喷嘴，则液体流被冷却并即刻达到沸点，并且在液体内蒸汽压力的作用下被分离成颗粒；所得颗粒的尺寸与这些分离力相关联，分离力本身取决于液体的传导率、热交换和扩散系数，并且取决于扩散喷嘴(5)的母线在与喷射器(4)结合处的斜度；随着该斜度趋于竖直，这些力变得更大，而所述颗粒尺寸变得更小。
在一个针对预定应用场合而定尺寸的装置中，喷射液体流可以通过改变液体进入喷射喷嘴时的压力Po和温度To而改变，理想情况是，当这对数值与扩散喷嘴(5)的出口截面对应时，可获得颗粒喷出该装置时的最高速度。
为改进该装置的性能，扩散喷嘴(5)的母线在其与空腔的母线的结合处的斜度可以处在相对于该空腔轴线垂直的极限，如图1A所示：因而扩散喷嘴(5)在该处相对于环形喷射器(16)的出口有一个横截面的剧增；该横截面的剧增产生一个高的压力变化，使得可以获得非常细小的细微液滴；另外，其有利于喷射喷嘴的加工。
如果需要，扩散喷嘴可以部分地或者整体地与外部支座(0)成为一体，如图1B所示。
作为一个实施方式的例子，如图2的喷射喷嘴——其由一个长为50mm的不锈钢主体、一个包括直径5mm的孔以及直径为4mm的喷射芯部的环形喷射器、以及一个出口直径为16mm的扩散喷嘴组成——可使800k/h的过热水在60巴、270摄氏度的环境空气中以接近540m/s的喷射速度喷射，所喷射的颗粒尺寸接近5微米，而其温度等于100摄氏度；过热水输入流的接近30％在喷出喷射喷嘴时呈气态。
变体3
图3所示的装置使得对于同一装置而言，可以在需要时对过热液体在进入时的流动、压力Po或者温度To，以及该液体喷射进入的气体介质的压力P1进行修改，而保持了微粒喷出该装置的最大喷射速度，这样的结果是通过一个成型芯部(11)在扩散喷嘴(5)内的受控插入而得到的。
根据本发明的该装置由一个固定在一个支座(0)上的允许供应过热液体的喷嘴主体(1)组成；所述喷嘴主体包括一个有过热液体在其中流通的管道(3)，管道(3)之后是一个混合器头和一个或更多喷射器(4)，过热液体在这里加速并且流向一个扩散喷嘴(5)；一旦过热液体进入该扩散喷嘴，则液体射流在其自身蒸汽压作用下部分蒸发并即刻爆裂开，从而形成细微液滴和蒸汽的混合物。
一个成型芯部(11)可以在扩散喷嘴(5)的轴线上滑动，并且根据其位置可以对该扩散喷嘴的出口截面进行调整；扩散喷嘴(5)和芯部(11)的母线的连续单调轮廓可以使得不管芯部(11)在何位置，沿喷嘴轴线在(5)和(11)之间都保持一段渐增的通道；作为一种非穷举性的举例，与各种变化对应的呈线性或抛物线形截面的母线轮廓可满足这种要求。
芯部(11)的下游母线(12B)的形式是不相关的，可以是平直的，也就是说，包括一个平直基部，或者具有一个空气动力学轮廓以限制混合物在其从喷射喷嘴喷出之后的压力损失，或者与喷射喷嘴环境的其它约束相适应。
扩散喷嘴(5)的母线在其与喷射器(4)的母线的交界处具有一个突变，即，一个拐角。
芯部(11)由一个允许相对于扩散喷嘴(5)对其相对位置进行调整的机构支撑；该机构可以或者与喷射喷嘴结合或者结合到外部；图3中该非穷举性的例子示出了一个由一贯穿喷射喷嘴的轴(13)支撑的芯部，该轴在其末端包括一个具有允许待喷射液体通过的孔(10)的基部(9)；该基部和管道(3)上的螺纹(17)允许对芯部和扩散喷嘴的相对位置进行调整。
可以调整扩散喷嘴的出口截面使得不管待喷射的是什么液体流、不管其压力Po和温度To取什么值、也不管液体喷射进入的气体介质的压力P1是多少，所述混合物均以压力P1从扩散喷嘴喷出而不会在扩散喷嘴(5)内形成压力波；这样，混合物的喷射速度对应于最大喷射速度。
在混合物沿扩散喷嘴(5)流动过程中由于流动加快而压力减小，使得混合物的温度降低，液体持续蒸发，并且蒸汽持续获得速度；在与蒸汽摩擦的作用下，液滴也获得速度，该过程一直持续到出口，在这里混合物的压力P1与该液体喷射进入的环境介质的压力平衡。
沿该装置的过热液体流的数学模拟表明，环形喷射器(16)的出口压力等于饱和蒸汽压力Ps；一旦其进入扩散喷嘴，则液体流被冷却并即刻达到沸点，并且在液体内蒸汽压力的作用下被分离成颗粒；所得颗粒的尺寸与这些分离力相关联，分离力本身取决于液体的传导率、热交换和扩散系数，并且取决于扩散喷嘴(5)的母线在与环形喷射器(16)结合处的斜度；随着该斜度接近竖直，这些力变得更大，而所述颗粒尺寸变得更小。
在一个针对预定应用场合而定尺寸的装置中，喷射液体流可以通过改变液体进入喷射喷嘴时的压力Po和温度To而改变。
为改进该装置的性能，扩散喷嘴(5)的母线在其与空腔(14)的母线的结合处的斜度可以垂直于该空腔的轴线，如图3所示：因而扩散喷嘴(5)在该处相对于环形喷射器(16)的出口有一个横截面的剧增；该横截面的剧增产生一个高的压力变化，使得可以获得非常细小的细微液滴；另外，其有利于喷射喷嘴的加工。
如果需要，扩散喷嘴可以部分地或者整体地与外部支座(0)成为一体，如图1B所示。
作为一个实施方式的例子，如图3的喷射喷嘴——其由一个长为80mm的不锈钢主体、9个直径为0.5mm的喷射器和一个出口直径为23mm的扩散喷嘴，以及一个最大直径为80mm的芯部组成——允许200k/h的过热水在60巴、270摄氏度的空气中喷射，该空气的到气压P1从环境压力变化到0.1巴A，喷射的极端状况为：
对于环境压力下的空气：喷射速度接近540m/s，并且在温度为100摄氏度下的喷射颗粒尺寸接近5微米；过热水输入流的接近30％在喷出喷射喷嘴时呈气态。
对于0.1巴A压力下的空气：喷射速度接近700m/s，并且在温度为46摄氏度下的喷射颗粒尺寸接近5微米；过热水输入流的接近31％在喷出喷射喷嘴时呈气态。
变体4
图4所示的装置允许通过自动调整芯部(11)在扩散喷嘴(5)内的定位而改进变体3的运转情况。
该自动系统作用于支撑机构和芯部(11)的定位，使得扩散喷嘴的出口截面与过热水进入时的流动、压力Po和温度To，以及液体喷射进入的气体介质的压力P1相对应，从而使喷射液滴喷离该装置的喷射速度最大；其可以或者与喷射喷嘴结合或者结合到外部。
图4的非穷举性举例示出了一个具有结合在喷射喷嘴内的自动系统的装置；组成该系统的构件与图3中的构件相同——除了构成芯部整体所需的一个平直部分(9)被代之以一个趋于使芯部(11)穿入扩散喷嘴(5)的复位弹簧(14)；一个螺纹和一个螺钉(18)允许对复位弹簧(11)的张力进行调整。
在喷嘴工作过程中，芯部(11)承受来自趋向于将芯部导入扩散喷嘴(5)的弹簧(11)的力，并且承受混合物流的静压力和动压力。后者直接关联于过热水进入喷射喷嘴时的流速、温度To、喷离时的压力P1，并且关联于(5)和(11)的母线的出口斜度；它们趋于使芯部(11)从扩散喷嘴(5)中退出。
对于芯部的一个给定位置，这些相反力对等；该位置可以通过螺钉(18)在一个给定工作情形中进行调整，从而使所述混合物以出口压力P1从扩散喷嘴喷出，而不会在扩散喷嘴(5)内形成压力波：因此混合物的喷射速度对应于最大喷射速度。
复位弹簧(11)的刚度以及扩散喷嘴(5)的出口的斜度被限定成使得对于喷射喷嘴的所有其它工作情形不必重新调整螺钉(18)就可以获得这些最佳喷射条件。
作为一个实施方式的例子，根据图4的喷射喷嘴——由与变体3的例子中相同的构件组成但是包括例如上述的用于自动调整芯部(11)的定位的系统——当喷射喷嘴流动改变或者液体喷射进入的气体介质的压力发生变化时不必进行干预就可以达到相同的性能。
变体5
图5所示的装置允许对变体3和变体4进行改进，以改善其性能，并通过用一个环形喷射器(16)代替圆柱形的喷射器(4)以便于制造。
环形喷射器由位于空腔——例如为圆柱形的——和一个喷射芯部(8)之间的自由空间组成；该喷射芯部固定到喷嘴主体上的方式可使待喷射液体在喷射喷嘴内流通。图5中该非穷举性的例子示出了一个圆柱形喷射芯部(8)，其配置有一个包括允许待喷射液体流通的通道孔(10)的基部(9)。
作为一个实施方式的例子，如图5的喷射喷嘴——由一个长为50mm的不锈钢主体、一个包括直径为5mm的孔以及直径为4mm的芯部的环形喷射器、以及一个出口直径等于16mm的扩散喷嘴组成——允许800k/h的过热水在60巴、270摄氏度的空气中喷射。
在气压P1从1巴A到0.1巴A变化的空气中，极端的喷射状况为：
对于1巴A下的空气：喷射速度接近540m/s，并且在温度为100摄氏度下的喷射颗粒尺寸接近5微米；过热水输入流的几乎30％在喷出喷射喷嘴时呈气态。
对于0.1巴A压力下的空气：喷射速度接近700m/s，并且在温度为46摄氏度下的喷射颗粒尺寸接近5微米；过热水输入流的接近31％在喷出喷射喷嘴时呈气态。
变体6
图6所示的装置通过用一个沿流动方向变大的变截面成型喷射芯部(15)代替环形喷射器的喷射芯部(8)而允许对变体2和5进行改进以增加其使用的灵活性，所述成型喷射芯部可以在空腔(4)的轴上滑动，这样可以通过调整成型喷射芯部(15)相对于空腔(4)的位置来调整喷射器的出口截面。
图6的非穷举性举例示出了一个圆锥形成型喷射芯部(15)。图7的非穷举性举例示出了一个配置了外部半圆柱形凹槽(19)的圆柱形成型喷射芯部(15)，所述凹槽与(15)的轴平行，长度不相同，各自均包括一个用于待喷射液体的通道部分；通往扩散喷嘴(5)的凹槽(19)的数量以及喷射器的通道部分直接与芯部(11)在扩散喷嘴(5)内的位置相关联。
作为一个实施方式的例子，如图6的喷射喷嘴——其尺寸与变体5的实施例相同并包括一个末端直径为4mm和5mm的圆锥形成型喷射芯部——具有与变体5相同的性能，但是过热水流可以从100到800kg/h进行调整。
本发明的实用性
根据本发明的装置可应用于下述工业过程中：
-需要极快速冷却工业气体的化学加工过程，
-需要使用呈极小尺寸颗粒形式的喷射液体的化学、农业和食品系统过程，
-需要使用以极高速度进行喷射的液体的过程：测试设备、能源设备、热动压缩机等。

Claims (10)

1.一种设计用来以极细微液滴形式和极高速度喷射过热液体的装置，所述过热液体涉及一种温度为To、压力为Po的液体，压力Po大于与To对应的饱和蒸汽压Ps，蒸汽压Ps本身大于该液体喷射进入的气体介质的压力P1，其特征在于，所述装置包括一个固定在支座(0)上的允许供应过热液体的喷嘴主体(1)，所述喷嘴主体包括一个过热液体在其中流通的管道(3)，管道(3)之后是一个或多个混合器头以及一个或多个喷射器(4)，过热液体在喷射器中加速并且流向一个扩散喷嘴(5)，在扩散喷嘴(5)里的液体射流在液体和喷嘴环境介质之间压力差的作用下部分蒸发并即刻爆裂开，从而形成细微液滴和蒸汽的混合物，扩散喷嘴(5)的母线在其与喷射器(4)的母线的交界处具有一个突变，即，一个拐角，并且该扩散喷嘴的出口截面具有一定尺寸使得所述混合物以外部介质的压力P1并且以最大喷射速度从喷嘴喷出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在喷射器(4)的输出处，在扩散喷嘴(5)的母线和该喷射器的壁之间的角度是直角。
3.如权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，扩散喷嘴部分地或者整体地与外部支座(0)结合为一体。
4.一种设计用来以极细微液滴形式和极高速度喷射过热液体的装置，所述过热液体涉及一种温度为To、压力为Po的液体，压力Po大于与To对应的饱和蒸汽压Ps，蒸汽压Ps本身大于该液体喷射进入的气体介质的压力P1，其特征在于，所述装置包括一个固定在支座(0)上的允许供应过热液体的喷嘴主体(1)，所述喷嘴主体包括一个过热液体在其中流通的管道(3)，管道(3)之后是一个混合器头以及一个环形喷射器(16)，过热液体在这里加速并且流向一个扩散喷嘴(5)；在扩散喷嘴(5)里的液体射流在该液体和喷嘴环境介质之间的压力差的作用下部分蒸发并即刻爆裂开，从而形成细微液滴和蒸汽的混合物；扩散喷嘴(5)的母线在其与环形喷射器(16)的母线的交界处具有一个突变，即，一个拐角，并且该扩散喷嘴的出口截面具有一定尺寸使得所述混合物以外部介质的压力P1并且以最大喷射速度从喷嘴喷出。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述环形喷射器包括位于一个空腔和一个喷射芯部(8)之间的自由空间；喷射芯部固定到喷嘴主体上的方式允许待喷射液体在喷嘴内的流通。
6.如权利要求4至5中任一项所述的装置，其特征在于，在扩散喷嘴(5)的母线与环形喷射器的空腔的交界处，扩散喷嘴(5)的母线垂直于该空腔的壁。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置通过使环形喷射器的喷射芯部(8)成型为具有截面沿流动方向变大的变截面成型喷射芯部(15)而允许增加喷嘴的易用性，所述成型喷射芯部可以在环形喷射器的轴线上滑动，这样可以通过调整成型喷射芯部(15)的位置来调整喷射器的出口截面。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述扩散喷嘴部分地或者整体地与外部支座(0)结合为一体。
9.如权利要求6所述的装置，其中对于同一装置，为了允许过热液体进入时的流动、压力Po或温度To以及液体喷射进入的气体介质的压力P1根据需要改变，同时保持喷射液滴喷出该装置时的最大喷射速度，其包括：
一个位于扩散喷嘴(5)内的成型芯部(11)，其可以在该喷嘴的轴线上滑动，并且根据其位置可以允许对该喷嘴的出口截面进行调整，扩散喷嘴(5)以及芯部(11)的母线的连续单调轮廓允许不管芯部(11)的位置如何，沿该喷嘴的轴线在喷嘴(5)和芯部(11)之间都维持一段渐增的通道，以及
一个允许对芯部(11)进行支撑并且允许从外部调整该芯部相对于喷嘴(5)的相对位置的机构。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，芯部(11)在扩散喷嘴(5)内的定位包括自动操作，该自动操作设计成调整喷嘴的出口截面从而使得该截面与过热液体进入时的流动、压力Po以及温度To，以及液体喷射进入的气体介质的压力P1对应，从而使得离开所述装置的喷射液滴的喷射速度始终最大。
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