CN101658823A - 用于闪蒸雾化的表面处理和涂层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于闪蒸雾化的表面处理和涂层。一种闪蒸雾化器(100)包括：构造成以便产生蒸汽和形成流体的两相流的通道基底(104)；以及设置在通道基底(104)上并构造成以便改变形成蒸汽所需要的温度和压力的增强表面(102)，其中该增强表面(102)包括构造成以便促进异质气泡成核的多个活化成核位置。

Description

用于闪蒸雾化的表面处理和涂层

技术领域

本发明公开涉及用于闪蒸雾化的表面和涂层，更具体地说，涉及引入增强表面技术以改进闪蒸雾化。

背景技术

雾化通常涉及将大量液体转换成喷雾或薄雾(即微滴的集合)，其通常通过使液体穿过喷嘴来实现。雾化器是一种用于实现雾化的装置。常见的雾化系统的示例可包括：燃气轮机、汽化器、喷枪、弥雾器、喷雾瓶等等。例如在内燃机中，细粒状燃料雾化可有助于高效的燃烧。

当前的喷气式雾化器使液体从喷嘴孔散布到一个或多个预薄膜化的区域上的薄膜中。雾化器可使用压力、气流、静电、超声波以及其它相似的方法在大量液体薄膜中产生不稳定性以形成微滴。已经展示了闪蒸雾化器来产生非常小的均匀大小的微滴，通常在从大约5微米至大约300微米的范围内。微滴大小对于闪蒸蒸发器是很小的，因为在柱式雾化器的情况下，在通道或孔中产生了足够的蒸汽，以便在将流体喷射到低压的周围环境中之前形成两相流。通常，通道的表面是基本光滑的。当高压下的过冷液体流入到减压通道中时发生闪蒸蒸发。当液体温度在局部起泡点(即初始过热)之上足够高而使得能够在通道表面上发生异质成核时，在通道表面上产生蒸汽。结果产生了两相流体。

然而，闪蒸雾化工艺需要在通道上游对流体进行加热和加压，以便在通道中产生形成两相流所需的蒸汽。对于给定的应用，使流体闪蒸蒸发所需要的热和压力可能非常高，其从操作和装备两个立场来看可能都是昂贵的。降低流体加热和高压泵送的要求可以显著地降低操作成本，并改进闪蒸雾化的性能。

发明内容

本文公开了闪蒸雾化器，其具有构造成用于促进液体雾化的表面。在一个实施例中，闪蒸雾化器包括：构造成以便产生蒸汽和形成流体的两相流的通道基底；以及设置在通道基底上并构造成以便改变形成蒸汽所需要的温度和压力的增强表面，其中，该增强表面结构包括构造成以便促进异质气泡成核的多个活化成核位置。

一种用于控制来自燃烧系统的氮氧化物排放的装置包括：与包含氮氧化物的排气处于流体连通的喷射器，其中，该喷射器构造成以便将雾化的化学还原剂喷射到排气中，其中，该化学还原剂设置成以便将氮氧化物转化成氮；以及与喷射器流体连通并构造成以便使化学还原剂雾化的闪蒸雾化系统，其中，该闪蒸雾化系统包括构造成以便由化学还原剂产生蒸汽和形成两相化学还原剂流的通道基底；以及设置在通道基底上并且构造成以便改变形成蒸汽所需的温度和压力的增强表面，其中，该增强表面结构包括构造成以便促进异质气泡成核的多个活化成核位置。

以下图纸和详细描述将举例说明上述特征以及其它特征。

附图说明

现在参照图纸，其中相同的元件以相同的方式进行编号：

图1是一种包括增强表面的闪蒸雾化器的示例性实施例的截面示意图；以及

图2是用于闪蒸雾化工艺的示例性实施例的工艺流示意图。

部件列表：

100 闪蒸雾化器；

102 增强表面；

104 雾化器通道；

150 闪蒸雾化系统；

152 进料箱；

154 泵；

156 热交换器；

158 流量控制阀；

160 工艺；

具体实施方式

本文所述的闪蒸雾化器和闪蒸雾化系统包括增强表面，以减少在雾化器通道或孔中产生两相流状态所需要的过热和压力。同利用光滑的通道和孔或未处理的表面的当前闪蒸雾化器和系统相比，可减少过热和压力。本文所述的增强表面构造成以便减少沸腾开始(即液体初始气泡成核)所需要的过热。对于给定的过热，相对于当前闪蒸雾化器的平滑表面，增强表面还可增加蒸汽的产生，因为增强表面包括比当前雾化器表面更多的具有可控的大小和分布的活化成核位置。此外，同当前闪蒸雾化器相比，包括增强表面的闪蒸雾化器能够以减小的通道长度-液压直径比(L/dh)、且在减小的喷射压力下产生非常小的均匀的微滴。

闪蒸雾化器的增强表面可包括对雾化器表面的结构化表面处理、表面上的涂层或者这两者的组合。不管增强表面是否包括结构化表面处理或涂层或两者，增强表面都代表对雾化器中的平坦且光滑的表面的改进。如本文所用，用语增强表面意图大体指任何非光滑的雾化器表面，其构造成以便改善雾化器的热传递能力，从而减少使液体蒸发并产生用于喷射的两相流体流所需要的过热和压力。本文所述的系统可与纯净流体和流体混合物等一起使用。示例性的增强型结构化表面处理可包括但不局限于划线、滚花、粗糙化、压花、喷砂、腐蚀、热分解等等。这些处理中选定的一种或全部设定成以便产生活化成核位置(例如，表面下的腔体等等)，以用于蒸汽俘获和随之产生的对泡核沸腾的促进。示例性的增强表面涂层可包括但不局限于位于现有光滑的或非光滑的雾化器表面上的烧结表面、热喷涂表面等表面。类似于增强表面处理，这些涂层构造成以便增加活化成核位置的数量，从而减少初始流体气泡成核所需要的过热。

增强表面处理和涂层可具有适于增加雾化器表面的活化成核位置的深度，以便减少产生蒸汽所需要的过热和压力。在一个示例性实施例中，增强表面可在雾化器基底中延伸到大约0.01微米(μm)至大约500μm的深度，特别是大约0.05μm至大约100μm的深度，更特别为大约0.1μm至大约50μm的深度。与其当前对应物相比，包括增强表面的闪蒸雾化器或雾化系统能够产生更精细、更均匀的微滴。本文所述的闪蒸雾化器的示例性平均微滴大小可以是大约3μm至大约300μm，特别是大约5μm至大约100μm，更特别为大约10μm至大约50μm。

本文所述的增强表面可对闪蒸雾化器和处理它们的工艺具有极大影响。总地说来，闪蒸雾化器性能的测量是气体-液体或蒸汽-液体的比率以及产生给定的平均微滴大小的喷雾所需要的压力降。因此，减少产生对于所需品质的喷雾所需要的相同的气体-液体或蒸汽-液体比率所必要的雾化器过热的能力代表了一种系统级的节能优势。对于给定的压力降或气体-液体或蒸汽-液体的比率，相对于没有增强表面的雾化器而言，在雾化器蒸汽产生面上使用增强表面可有利地导致喷雾品质上的改善。此外，对于给定的平均微滴大小，雾化器的增强表面容许更低的液体供给温度。这个降低的温度可代表将液体供给雾化系统所需要的加热方面的节省。

大体参照附图，并特别参照图1，将理解的是，图示出于描述本文公开的物品的特定实施例的目的，而不意图局限于此。图1是示例性闪蒸雾化器100的示意性的截面视图。这里将参照使用雾化器的增强表面以用于炉式燃烧系统的排放控制。然而，将理解的是，本文公开的增强表面可有利地用于任何闪蒸或沸腾雾化系统以改善雾化器性能。需要闪蒸雾化的系统的示例可包括但不局限于农业、食品制备、着色、清洗、燃料喷射，以及需要喷射均匀大小的薄雾以便快速蒸发到载气或氧化剂中的其它相似加工处理。如本文所述，增强表面的使用可指结构化表面、表面涂层或这两者的组合，当同没有这样的增强表面的当前闪蒸雾化器和系统相比时，其能够以减少的过热和喷射压力产生更细且更均匀的微滴大小。

图1显示了一种增强型沸腾的闪蒸雾化器100的截面视图。雾化器100包括增强表面102。在一个实施例中，雾化器100可以是喷射器的一部分。增强表面102包括雾化器通道104的表面。虽然未从截面中明显看出，但该通道可具有矩形、方形、多边形、圆形等形状。圆形通道有时可被称为孔管。通道将部分地取决于所使用的雾化器的类型、大小和形状。通道具有直径“d”和长度尺寸“L”。直径和长度两者均可具有适于产生两相流体的任何尺寸，两相流体可在雾化器中在下游喷射到远低于流体起泡点压力的环境大气中。在一个示例性实施例中，通道104具有大约10μm至大约2000μm的直径，特别是大约100μm至大约2000μm，且更特别地为大约200μm至大约2000μm。示例性的通道长度可以是从大约0.1毫米(mm)至大约50mm，特别是大约0.5mm至大约25mm，且更特别地为大约1mm至大约10mm。由增强表面102引起的增加的异质气泡成核和蒸汽产生可减少通道104长度-液压直径比(L/dh)。因此，该比率可为大约1至大约200，特别是大约1至大约100，且更特别地为大约1至大约50。

当高压下的过冷液体流入到减压通道104中时，液体在雾化器100中被闪蒸蒸发，从而产生两相流体，其在起泡点压力以下在大气中喷射。由于跨越雾化器至通道104的压力降的原因，在增强表面102上的液膜中产生了沸腾的气泡，即在液体中形成了气体或蒸汽。由于液体中存在气体或蒸汽，接下来的“闪蒸”导致微滴爆炸或碎裂。这种碎裂导致在气态介质中产生了精细的微滴。

增强表面102覆盖了通道基底104的至少一部分。在一个示例性实施例中，增强表面102完全覆盖了整个通道基底104的表面。如先前所述，增强表面102构造成以便为通道104提供比非增强表面所具有的(成核位置)更多的活性成核位置。增加活化成核位置的数量减少了使流体产生蒸汽所需要的过热，并可降低雾化器100的喷射压力。额外的活化成核位置降低了用于开始泡核沸腾(ONB)所需要的过热。ONB指最初在给定的位置-通常是增强表面中的孔隙处形成蒸汽气泡情况下的沸腾。过热指在给定的压力下的饱和温度以上的液体温度。通常，当液体温度超过临界过热时，ONB就会发生，该临界过热取决于成核位置密度、几何形状、大小分布、表面能等等。当液体进入活化泡核沸腾点时，其会蒸发，从而增加蒸汽气泡，直到气泡的一部分脱离并远离活化点而流走。足够的蒸汽仍保持在活化点处，以继续泡核沸腾，由此进入的液体迅速地蒸发，从而增强了由热源至液体的热传递。

可以通过适于增加通道中的活化泡核沸腾点的数量、形状、大小分布、表面能等的任何方法在通道104上产生增强表面102。在一个实施例中，可以机械的方式修改通道104的现有表面以形成增强表面102。修改表面通常可通过机械方式来进行，以便在表面上形成用作泡核沸腾点的合适的腔体。这些结构化表面可通过形成翅肋、压制波纹、划线、滚花、粗糙化或以其它方式刻划凸棱、隧道、凹谷的组合等等而形成，以便增加表面上的活化成核位置。在一个示例中，对通道表面划线或形成翅肋可在金属中形成棱条。后续滚花操作可使棱条变形，使其一部分弯曲到分开棱条的槽中。滚花步骤可产生部分封闭且连接的表面下的腔体。这些腔体提供了活化成核位置，以用于俘获蒸汽并因而促进泡核沸腾。在另一示例中，可首先对通道表面进行滚花，使得表面被压出槽型式的压纹，该型式取决于滚花辊的表面和滚花辊相对通道基底轴线的角度。然后可使经压纹的表面经受形成翅肋以完成增强表面。由形成翅肋产生的间隙可由于压纹而具有锥形形状。锥形间隙可提供可变宽度的槽，其容许蒸汽气泡形成。喷砂是可在通道表面上赋予活化成核位置的又一示例。喷砂可以机械的方式对表面造成损伤而产生小的晶格缺陷。然后可对表面进行腐蚀以除去受损的部分，并从而形成将用作活化泡核沸腾点的复杂的空隙。

对于本文所述的表面修改方法，增强表面102可包括随机的活化成核位置定向，或者其可包括特定的活化成核位置型式。此外，总的说来，增强表面中的棱条、隧道、凹谷、缝隙、槽、翅肋、孔隙等的数量越多，表面在产生蒸汽气泡方面效率将越高。

在另一实施例中，增强表面102可包括位于通道基底104上的涂层。进行涂敷以形成增强表面的示例性方法可包括但不局限于热喷涂、烧结、焊接等等。在一个实施例中，涂层可包括化学添加剂，其设置成以便改变通道基底、液体和/或气体/蒸汽之间的表面能。例如，化学添加剂可包括嵌入在基底壁中的、或嵌入在由本文所述的方法敷设的不同材料的涂层中的分子。例如，可在通道基底上形成多孔的增强表面涂层。可以通过将合适的金属粉末或粒状金属材料经由烧结方法附着到通道基底上来形成增强表面的涂层，其中金属基质的温度升高到接近其熔点。这样基质就在相邻的基质粒子之间以及基质粒子和通道基底之间的边界处变得连接起来。这种增强表面涂层可包括错综复杂地结合在一起以形成用作活化泡核沸腾点的毛细大小的互连孔隙的导热粒子的均匀层。在形成增强表面涂层的另一实施例中，如上所述，金属基质可通过焊接而附连到通道基底上，其中，使用合适的粘接物质使基质粒子彼此连接起来及连接到通道上。

在另一实施例中，可通过将金属基质粉末热喷涂(又名火焰喷涂或金属喷涂)到基底上而在通道基底上形成增强表面涂层。热喷涂利用强烈的火焰对着通道表面带走和引导熔化的金属粒子。金属氧化膜保留结合在基底上。以如此方式产生的增强型涂层可包括位于金属粒子之间的未连接的部分，其限定了能够有助于从液体变成蒸汽的互连的开室型活化成核位置。

在又一实施例中，增强表面涂层可包括设置在通道104上的金属化的多孔材料。例如，多孔材料可包括设置在通道表面上的泡沫层。然后可例如通过无电涂镀或者通过用导电材料-例如粉状石墨来涂敷，而将泡沫制成导电性的。然后可使导电的泡沫层金属化，以产生牢固地结合在通道基底上的网状金属化结构。结合的金属化泡沫可通过火焰进行进一步的高温分解，以除去所有或至少大部分泡沫框架。后面留下的是空心或部分空心的包括增强表面涂层的金属束；该空心部分包括活化成核位置。

现在转到图2，闪蒸雾化器100可以是更大的闪蒸雾化系统150的一个构件。图2是显示了闪蒸雾化系统150的示意性的工艺流程图。进料箱152构造成以便保持有待雾化的流体。泵154可与箱152流体连通，并构造成以便将流体通过系统而泵送至闪蒸雾化器100中。热交换器156可设置在泵154和闪蒸雾化器150之间，以控制液体在进入闪蒸雾化器中之前的温度。流量控制阀158可设置成与泵154处于流体连通。流量控制阀158可构造成以便控制流入到闪蒸雾化器100中的液体的流速，并从而控制雾化器中的压力。闪蒸雾化器100可进一步包括适于将雾化的流体传送至所需加工处理160中的构件(例如喷射器)。如上文所提到的，可受益于增强型沸腾闪蒸雾化器的示例性加工处理可包括不局限于农业、食品制备、着色、冲洗、燃料喷射、排放控制等等。

对来自烟气的排气的氮氧化物进行还原是适用于本文所述的闪蒸雾化系统的排放控制的一个示例领域。用于控制来自燃烧系统的氮氧化物排放的工艺可包括化学还原剂的后燃烧喷射。化学还原剂可包括已知用于使排气系统中的氮氧化物排放物还原的任何合适的化合物。示例可包括氨、尿素等等。此外，可在系统中使用燃料和燃料混合剂来控制排放，例如柴油、喷气燃料、后勤燃料(logistic fuel)(JP-8)、煤油、燃料油、生物柴油、汽油、短链醇(例如乙醇)、含乙醇的汽油(例如E-10、E-85、E-90和E-95)的组合物等等。示例性后燃烧氮氧化物还原系统可包括但不局限于选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)、非氨选择性催化还原(NASCR)等等。在一个实施例中，例如，本文所述的闪蒸雾化器可在NCR系统中有利地用于还原排气中的氮氧化物。在SNCR系统中，可将化学还原剂-例如尿素或氨添加到燃烧排气中，此处其与氮氧化物起反应，以便将其还原成分子状态。在有利于将氮氧化物(NO_X)转化成氮(N₂)的温度下将氨(或尿素)的水溶液喷射到烟气管道中。包括增强表面102的闪蒸雾化器100可构造成以便产生均匀大小的小的氨水微滴。然后精细的均匀大小的氨水微滴能够很快地蒸发到载气，例如空气中。然后可将氨-空气混合物喷射到烟气中，以减少氮氧化物排放。在一个示例性实施例中，利用本文所述的排放控制系统中的闪蒸雾化器100可以取决于应用和混合效率而使氮氧化物排放减少大约20％至大约80％。同样，闪蒸雾化器的增强表面有利地包括比当前雾化器表面更多的活化成核位置，并因此能够更快地使氨蒸发到载气中，同时在更低的温度和压力下来完成它。

本文所述的闪蒸雾化器和闪蒸雾化系统有利地包括增强表面，以减少在雾化器通道或孔中产生两相流状态所需要的过热和压力。增强表面包括位于通道基底上的结构化表面处理或涂层，其增加了雾化器中的活化泡核沸腾点的数量。因此，同利用非增强表面的当前闪蒸雾化器和系统相比，可减少过热和压力，因为液体能够蒸发成气体而更快地形成两相系统。换句话说，本文所述的增强表面可减少沸腾开始(即液体初始气泡成核)所需要的过热。此外，对于给定的过热，相对于当前闪蒸雾化器的光滑表面，增强表面由于增加了活化成核位置的数量而增加了蒸汽的产生。此外，同当前闪蒸雾化器相比，包括增强表面的闪蒸雾化器能够在减小的通道长度-液压直径比(L/dh)下，以减小的喷射压力产生非常小的均匀的微滴。这可导致采用本文所述的闪蒸雾化器的系统在操作费用方面整体降低。

本文公开的范围是包括性的且可组合的(例如，“高达大约25％的重量比，或者更具体地为大约5％重量比至大约20％重量比”的范围包含端点，以及“大约5％重量比至大约25％重量比”的范围内的所有中间值，等等)。“组合”包含混和物、混合物、合金、反应产物等等。此外，用语“第一”、“第二”等等在本文中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一元件区分开，并且用语“一”在本文中并不表示对数量的限制，而是表示存在所指事物的至少其中一个。结合数量使用的修饰语“大约”包含所述值，并且具有由上下文规定的涵义(例如包括与特定数量的度量相关联的误差度)。本文使用的后缀“(s)”意图包括其修饰的事物的单数和复数二者，从而包括一个或多个事物(例如着色剂(s)包括一种或多种着色剂)。整个说明书中对“一个实施例”、“另一实施例”、“一实施例”等等的引述都意味着结合该实施例所描述的特定元件(例如特征、结构和/或特征)都包含在本文所述的至少一个实施例中，并可存在或者不存在于其它实施例中。另外，将理解的是，所述元件可以任何合适的方式组合在各实施例中。

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种变化，并且等效物可替代其元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，还可进行许多改变，以使特定的情形或材料适应本发明的教导。因此，意图使本发明并不局限于作为构思为实现本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附的权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种闪蒸雾化器(100)，包括：

构造成以便产生蒸汽和形成流体的两相流的通道基底(104)；和

设置在所述通道基底(104)上且构造成以便改变形成所述蒸汽所需的温度和压力的增强表面(102)，其中，所述增强表面(102)包括构造成以便促进异质气泡成核的多个活化成核位置。

2.根据权利要求1所述的闪蒸雾化器(100)，其特征在于，所述增强表面(102)包括所述通道基底(104)上的涂层。

3.根据前述权利要求中任一项所述的闪蒸雾化器，其特征在于，所述涂层包括结合到所述通道基底上的多孔金属基质，其中，所述多孔金属基质包括限定了所述多个活化成核位置的多个互连孔隙。

4.根据前述权利要求中任一项所述的闪蒸雾化器，其特征在于，所述增强表面包括结构化型式，其中，所述结构化型式包括限定了所述多个活化成核位置的多个表面特征。

5.一种用于控制来自燃烧系统的氮氧化物的排放的装置，包括：

与包含所述氮氧化物的排气处于流体连通的喷射器，其中，所述喷射器构造成以便将雾化的化学还原剂喷射到所述排气中，其中，所述化学还原剂设置成以便将所述氮氧化物转化成氮；和

与所述喷射器处于流体连通并构造成以便使所述化学还原剂雾化的闪蒸雾化系统(150)，其中，所述闪蒸雾化系统包括：

构造成以便由所述化学还原剂产生蒸汽和形成两相化学还原剂流的通道基底(104)；和

设置在所述通道基底(104)上并构造成以便改变形成所述蒸汽所需的温度和压力的增强表面(102)，其中，所述增强表面(102)包括构造成以便促进异质气泡成核的多个活化成核位置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述增强表面(102)包括所述通道基底(104)上的涂层。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述涂层包括结合在所述通道基底上的多孔金属基质，其中，所述多孔金属基质包括限定了所述多个活化成核位置的多个互连孔隙。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述增强表面(102)包括结构化型式，其中，所述结构化型式包括限定了所述多个活化成核位置的多个表面特征。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述多个活化成核位置减少了开始泡核沸腾所需要的过热。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述排气中的氮氧化物被减少了大约20％至大约80％。

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