CN101959607A - 改进的注射喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种雾化注射喷嘴，包括：a)提供液体射流的中心孔；b)围绕所述中心孔隔开的多个雾化气体入口；c)其中所述雾化气体入口设计成引入雾化气体，以在至少两个不同角度来撞击在所述液体射流上。

Description

改进的注射喷嘴

技术领域

本发明涉及一种用于从液体流中形成小液滴的改进的喷嘴以及一种被称为雾化的方法。本发明的喷嘴特别设计成在以下条件下操作，即在压力高于大气压力情况下无论是否需要液滴；由于在上述大气环境下，喷嘴不容易清洁或者维修，这样就把设计限制在喷嘴上以确保其可靠地运行。具体地说，本发明的喷嘴特别设计成用于把树脂喷射到运送制造纤维板的纤维颗粒高速流的喷管(blowline)中，并将具体参照本申请来描述本发明的喷嘴。然而，本发明的喷嘴可用于需要把液体流破碎成小液滴的任何应用场合。本发明的喷嘴最适合于大量液体要雾化的应用场合以及使用的喷嘴数量被实际需要所限制的情况。

背景技术

纤维板，特别是中密度纤维板(MDF)以及高密度纤维板(HDF)，最初是通过把树脂与从木头或者其他基于纤维素的材料中得到的干纤维混合、然后在热压机中对最终混合物成型。这样就提供了可用产品，然而，遗憾的是，把树脂与干纤维混合将导致在板中产生树脂点，在这些点，树脂聚集产生局部高含量树脂区。这些树脂点比其他邻近板区硬，于是导致切割和加工困难，同时也可能影响表面光洁度。

为了解决这个问题，在喷管中的纤维中加入树脂。此喷管是运送混有水蒸气的高速纤维流从提炼机(制备纤维的地方)到干燥机的管道。在此工艺中，树脂液滴附着到喷管中的纤维上，同时纤维和树脂一起被干燥，然后通过在高温和高压下以被模制和加压的通常方式处理，从而形成终端产品。

在喷管中的液流被强烈扰动(通常雷诺数在700000和3000000之间)，纤维流速度通常在8巴压力下算出的每秒50米的最小数值到大气压下每秒474米的最大数值的范围内(0巴测量仪)。

在喷管中压力大于3.5巴，最好大于6.5巴的位置，树脂通过在喷管壁中的一系列喷嘴被引入到喷管内。

在使用压力雾化喷嘴的情况中，通过在树脂射流和气体之间的速度差值，液体树脂高速射流被粉碎。在喷管中，树脂射流延伸空间有限；已经证明的是，在增加速度情况下，树脂射流可达到喷管远壁处，这就限制了可使用的树脂射流的速度。随之而来的也限制了可在带有压力雾化喷嘴的喷管中产生的液体颗粒尺寸。

纤维流的扰动使树脂射流破碎成一定程度，如果使用相对较小的喷嘴来引入树脂，则可达到合理满意结果。然而，喷嘴越小，就越容易堵塞。此外，喷嘴越小，引入需要量树脂所需的喷嘴数就越大，同时就更不容易探测喷嘴堵塞。由于操作条件所限，难以或者不可能单独监控每个喷嘴的操作，从而仅仅通过在树脂流中急速减少来探测喷嘴堵塞，以及如果使用大量喷嘴，非常难以探测此急速减少，从而一直不能探测堵塞。

使用的把树脂喷射到喷管的喷嘴通常是压力雾化型，其中液滴通过贯穿喷嘴中压降而产生。然而，可使用的贯穿这种喷嘴的压降由喷嘴所处位置的喷管直径所限制；如果树脂射流的任何部分到达喷管远壁处，则树脂在该壁上形成团，该团只可通过在喷管中流动的纤维撞击来去除。这是压力雾化喷嘴的局限。

为此，已经发明一种使树脂雾化的替代方法。在此方法中，每个喷嘴使用气体射流(通常是水蒸气或者空气)，以提供能量，使靠近进入喷管位置的树脂雾化。本发明的喷嘴是使用蒸气或者空气射流与树脂射流在其离开喷嘴时与之交汇的那种。这就更好地控制在气体和液体流之间的交汇，同时更靠近喷嘴地把液体树脂流破碎成液滴。

在当前应用中，这种类型喷嘴的一个成功设计是树脂喷射喷嘴，其中该喷嘴提供三个等距离隔开的水蒸气射流，冲击在与树脂流正切的树脂射流上，同时每个蒸气流与树脂射流成相同的小锐角(一般为30度)倾斜。

另一个已知设计提供六个等距离隔开的水蒸气射流，这些射流均与树脂射流成相同锐角倾斜。

通过在喷管内可利用的空间内产生较小液滴，这些喷嘴与其他压力雾化喷嘴相比提高了树脂性能。

在气体雾化喷嘴中产生的平均液滴尺寸主要由气体：液体质量流比来确定。平均液滴尺寸随着气体：液体质量流比的减少而增加。气体雾化喷嘴的几何尺寸使得此比率随着液体容量增加而趋向降低。为此，不期望增加喷嘴数量来获得需要的气体：液体质量流比，但是在此限制内，重要的是，获得在气体射流和液体流之间最好可能的交汇。

然而，现有气体雾化喷嘴的一个固有的问题是，每个气体射流趋向于与邻近气体射流干涉，从而削弱了在气体射流对树脂射流的雾化效果。

发明目的

因此本发明的目的是提供一种克服了上述问题的树脂喷射喷嘴。更具体地说，本发明提供了受喷管内条件的限制的、对在气体和液体树脂流之间交互作用的更有效的控制。

发明内容

本发明提供一种雾化注射喷嘴，包括：

a)提供液体射流的中心孔；

b)围绕所述中心孔隔开的多个雾化气体入口；

c)其中所述雾化气体入口设计成引入雾化气体，以在至少两个不同角度(例如60度和45度)来撞击到所述液体射流上。

优选的是，所述雾化气体入口还设计成引入雾化气体，以沿着该液体射流在至少两个不同位置撞击到所述液体射流。

本发明还提供一种雾化注射喷嘴，包括：

a)提供液体射流的中心孔；

b)围绕所述中心孔隔开的多个雾化气体入口；

c)其中所述雾化气体入口设计成引入雾化气体，以沿着液体射流在至少两个不同位置来撞击在所述液体射流上。

优选的是，所述雾化气体入口也设计成引入所述雾化气体，以在至少两个不同角度来撞击到所述液体射流上。

优选的是，每个气体入口形成有限制部，在该限制部，入口的横截面积减少，以形成节流点。

可使用两个以上任何数量的雾化气体入口；该入口可围绕中心孔等距离隔开，然而不是必须的。如在这里使用的那样，术语“等距离隔开”是指每个入口与每个相邻入口距离相等。尽管优选实施例描述使用相对布置的偶数气体入口，然而这不是必须的，入口数量可以是偶数或者奇数，同时入口可以对称或者不对称布置。在选择入口数量、间隔和组上唯一考虑是，设置上要使在气体入口之间的干涉最小，因为如上面解释那样，干涉降低了气体射流对树脂射流的雾化作用。

在本发明的一个形式中，喷嘴提供围绕所述中心孔大致等距离隔开的六个雾化气体入口：

第一对相对雾化气体入口设计成以第一角度引入雾化气体；

第二对相对雾化气体入口设计成以与所述第一角度不同的第二角度引入雾化气体；

以及第三对相对雾化气体入口设计成引入雾化气体，从而比由第一和第二对入口提供的雾化气体流离喷嘴更远距离地撞击在所述液体射流上。

在本发明的另一个形式中，喷嘴提供围绕所述中心孔大致等距离隔开的四个雾化气体入口；一对相对的入口设计成以所述第一角度引入雾化气体；另一对相对的入口设计成引入雾化气体。

用这些方式布置雾化气体入口有助于使气体入口本身交互作用最小，从而使气体射流和树脂流之间的交互作用最大。

优选的是，所述第一角度大约为60度，而所述第二角度大约为45度；两个角度是在液体射流和雾化气体射流之间测量的夹角。

雾化气体入口可以都是相同的横截面形状，但不是必须的。横截面形状不必限制成任何具体形状，而可以是较宽范围内任何横截面形状(有规则或者无规则)。个体气体入口的横截面积结合雾化气体入口相对于液体射流中心线的角度以及沿着树脂射流中心线距离来选择，以使气体射流之间的干涉最小。优选的是，雾化气体入口的横截面通常为带有三个边或者四个边的多边形，其中一个或者多个边可以是简单的弧形(圆弧或者抛物线形)或者是更复杂的形状。

附图说明

仅仅借助于实施例，参照附图来详细描述本发明的优选实施例，其中：

图1为根据本发明的水蒸气雾化树脂注射喷嘴组件以及相关部件的简化图；

图2为图1中喷嘴前端的等角透视图，其中没有喷嘴帽；

图3为与图2类似的视图，然而示出了水蒸气和树脂射流；

图4为图2喷嘴的侧视简图，其中用虚线表示喷嘴帽；

图5为图2中喷嘴的平面简图；

图5a为图2中喷嘴变型的平面简图；

图6为沿着图5中A-A线的剖面图；

图7为沿着图5中B-B线的剖面图；

图8为沿着图5中C-C线的剖面图；

图9为与图7类似但比例放大的剖面图；以及

图10为部分与图7类似、局部与图7中剖面图成90度的剖面图。

具体实施方式

图1中示出了与纤维喷管结合使用的水蒸气雾化树脂注射喷嘴组件1。该喷嘴组件1通过把喷嘴壳体5焊接到喷管上而固定到喷管2，这样树脂离开喷嘴的位置靠近喷管内壁。在此位置，水蒸气射流与树脂射流交互作用，形成小树脂滴，已经表明这些树脂滴改进产品中的树脂性能。

树脂穿过端口3a进入到喷嘴组件，并沿着中心管3向下进入到喷嘴尖部4。水蒸气通过端口5a进入，并且穿过喷嘴壳体5，其中该喷嘴壳体5形成了把水蒸气散布到通道6的集管。每个通道6在通道入口处包括流体限制件(如后面描述那样)，其中该限制件确保了在水蒸气射流在离开通道前因阻塞流动条件而发生的任何膨胀，确保了该水蒸气射流精确地指向液体射流的选定位置。

阻塞流动条件在以下情况下出现，即当穿过小孔或者其他路径流动的可压缩流体速度(在路径出口压力下计算得到)超过对于流体的声音速度，对于水蒸气被认为是474m/s。如果这种情况发生，则该路径出口的上游压力将上升到这样的点值，其中流体在封闭路径中压缩到没有超过1马赫(Mach)极限的点值。该压力波“阻碍”流路，从而流体以被称为节流压力的内压力离开路径。当流体流离开此路径时，此内压力使射流侧向散开。如果当气体射流离开此通道时出现此散开，则相邻气体射流之间的关系改变。

喷嘴组件带有柱塞7，其中该柱塞可通过空气动力驱动器8来上升和下降。如果树脂路径被堵的话，这可用来清洁树脂路径；如果树脂不流动时，柱塞也可留在“向下”位置，来阻止纤维从喷管进入到喷嘴。

在喷管中使用的树脂或者粘接剂从以下范围中选择：例如尿素甲醛、三聚氰胺甲醛或者苯酚甲醛的基于甲醛的体系或者基于异氰酸盐的体系以及任何其他合适的体系。树脂可单独或者以各种组合形式添加到喷管上，可在树脂制造期间制备，也可在添加到喷管前混合，或者通过喷管上的不同喷嘴而分别添加。树脂通常是水基的，其中树脂成分存在于溶液中，或者是胶质的或者是乳状颗粒，然而也可使用其他溶剂体系。可以在混合物添加到喷管前将催化剂、硬化剂或者其他可使黏合剂性能改变的物质可添加到树脂中，或者通过独立于用于添加树脂的喷嘴的喷嘴单独添加以上物质。

发明人综合计算机建模和实验工作表明，对于令人满意的树脂量最小的最终产物，非常重要的是，树脂分散成小液滴-期望的是，平均液滴尺寸通常为20微米。此尺寸的液滴为每个具有典型的辐射松(P.Radiata)或者类似软木纤维的尺寸的纤维提供大约一个树脂液滴-。较大液滴意味着一些纤维不能结合到构成纤维板产品的纤维网中，除非在具有添加的粘合剂的纤维形成最终物质前它们被分裂成较小颗粒。当树脂液滴被注射到喷管时它们越大，则被纤维-树脂的交互作用分裂的可能性就越小，所述交互作用在强烈扰动喷管流中产生。

图2-6示出了喷嘴11前端10的细节，其中喷嘴前端就是液体树脂射流穿过其中而进入到喷管的喷嘴端。

特别参见图4，喷嘴11包括由帽10a部分封闭的前端10(即液体树脂射流穿过其中进入喷管的喷嘴端)和提供安装部12的后端，其中安装部12的一端13带有外螺纹(未示出)，用来把喷嘴安装在支撑部上，而其另一端15形成六边形凸缘，可通过扳手啮合用于安装喷嘴。帽10a的外表面接纳在喷管2壁中的安装孔2a内。

喷嘴的前端10带有中心孔16，在使用时液体树脂流穿过其中。在中心孔16周围，有三对等距离隔开的雾化气体入口。最常用的雾化气体是水蒸气，而入口将被称为水蒸气入口，但应该理解的是，也可使用其他雾化气体。

六个入口A1/A2/B1/B2/C1/C2中每个均为形成在喷嘴前端10外表面23和喷嘴帽10a中切入的倾斜槽。水蒸气沿着这些槽经过，进入到喷管，而每组槽组合形成入口，从而每组入口槽的角度控制每一水蒸气射流离开喷嘴的角度。

喷嘴帽10a带有与喷嘴10前端上孔16对应的中心孔，以在使用时使液体树脂蒸气穿过喷嘴帽。喷嘴帽10a的内表面带有槽，这些槽在角度和位置上与喷嘴前端10上的每个槽对应，形成包括入口A1-C2在内的入口。为了清楚起见，从图2、3和5中省略喷嘴帽10a。

喷嘴帽10可以是与喷嘴前端10分开的单独部件，如图9所示那样。该喷嘴帽也可以各种方式固定到喷嘴其他部分上。然而，优选的是，该喷嘴帽10a可与喷嘴的前端10一体形成，如图10所示那样。然而，通过喷嘴前端10上的槽和帽10a上的槽组合形成的水蒸气入口在形状和角度上相同，无论这些部件分别还是一体形成。

图3和图6-8示出了包括A1-C2的水蒸气射流以及固体形状的树脂射流17。在图4和图6-8中，该树脂射流17用较大箭头表示，而水蒸气射流用较小箭头表示。

六个入口A1/A2/B1/B2/C1/C2形成三对；每对入口穿过中心孔16彼此相对。

在这里使用的术语“相对”是指，每对相对的射流这样布置，其中一个位于直径的一侧，另外位于直径的另一侧，从而在使用中，射流撞击在树脂射流的不同部分上。

特别参见图6-8，这些图分别示出了沿着直线A-A、B-B和C-C的剖面图。

如图6所示，第一对入口A1/A2提供了成角度的入口表面24，其中该表面与中心孔16的平面成30度角；这意味着穿过入口A1/A2的水蒸气以60度角(在图6中，在水蒸气和树脂射流的纵向轴之间测量的角度X)撞击在穿过孔16的树脂射流上。

如图7所示，第二对入口B1/B2提供了成角度的入口表面25，其中该表面与中心孔16的平面成45度角。这意味着穿过入口B1/B2的水蒸气以45度角(在图7中，在水蒸气和树脂射流的纵向轴之间测量的角度Y)撞击在穿过孔16的树脂射流上。

图9和图10局部基于图7，然而还示出了实际气体入口，而没有象图7那样以固体形状示出水蒸气射流。

图9以较大比例示出了图7的剖面图，并示出了本发明的变型，其中喷嘴帽10a作为与喷嘴前端10分开的部件形成。在由喷嘴帽提供的每个入口部分和由喷嘴前端提供的每个入口部分之间的分隔线用线50表示。树脂射流17由较大箭头表示，而水蒸气射流的路径由较小箭头表示。

图10示出了发明的优选形式，其中喷嘴帽10a与喷嘴前端10一体形成。图10示出了两个不同的剖面-在分隔线D-D的B侧，示出了与图7相同的剖面；而在A侧，示出了与B侧成90度的剖面，该剖面穿过喷嘴的没有形成入口的部分，示出了在喷嘴前端和喷嘴帽之间的连接腹板51。

如图8所示，第三对入口C1/C2提供了成角度的入口表面26，其中该表面与中心孔16的平面成45度角。然而，不象表面25，表面26偏离距离d，从而穿过这些入口进入的水蒸气以45度角(在图8中为角度Y)撞击在穿过中心孔16的树脂射流上，同时比穿过其他入口进入的水蒸气与喷嘴的距离远离大约1mm。

第三对入口C1/C2的角度与第二对入口B1/B2的相同，然而不是必需的：第三对入口可设定成与第一或者第二对入口不同的角度，或者与第一或者第二对入口相同的角度。

为入口选择的角度取决于系统的几何形状以及气体射流和树脂射流的速度以及还取决于喷管的速度。在实践中发现60度和45度角较好，然而也是可以根据下面讨论的标准变化的。

可采用的最大角度是这样的角度，其允许气体射流与树脂射流交互作用，同时跳过喷嘴的相对侧。此角度由在喷嘴/喷嘴帽前端上槽的深度以及树脂射流的直径来确定。

可采用的最小角度由喷管水蒸气流的影响来确定。当入口角度减小时，来自喷嘴的气体射流在遇到树脂射流前穿过喷管水蒸气流进一步行进；此距离越大，来自喷嘴的气体射流损失能量就越多，同时它的方向受喷管水蒸气流的影响就越大。

上述喷嘴以公知方式使用，即液体树脂穿过中心孔16，同时雾化蒸气的射流穿过包括入口A1-C2的每个入口，当树脂刚进入到喷管雾化蒸气的射流就撞击在树脂射流上。如上所述，通过使水蒸气射流之间的交互作用最小化：每个水蒸气射流以与每个相邻水蒸气射流不同角度和/或不同位置撞击树脂射流上，这样，在包括入口A1-C2的入口角度的变化确保了可获得的蒸气尽可能有效地使用。这就确保了每个水蒸气射流尽可能多的动能传递到树脂射流上，而没有通过撞击到相邻水蒸气射流上而浪费。

需要注意的是，包括入口A1-C2的每个入口都形成有限制部27、28和29，在这里，与紧靠近喷嘴端口的入口部分相比，入口的横截面积被减少到约80％。限制部27、28和29在每个入口有效地提供“节流点”，以限制穿过入口的流动。此限制部的用途是当水蒸气离开入口时，确保节流条件不在穿过入口流动的水蒸气中出现，这意味着在使用中每一水蒸气射流的方向可精确地得到控制。

图6-8示出了用于包括限制部27-29的限制部的一组可能位置，然而限制部的优选位置远离入口喷嘴端，如图9和10中标号28所示那样。

在图5a中示出了上述喷嘴的又一个变型。在此实施例中，替代了六个等距离隔开的入口，只采用了四个。这四个入口围绕中心孔16等距离隔开，并在结构和功能上与六个入口方案中的相同。

第一对入口A1/A2与参照六个入口方案描述的入口A1/A2相同。标号为B1/B2的第二对入口可与六个入口方案中的入口B1/B2相同，或者可与六个入口方案的入口C1/C2相同。

可以理解，也可采用带有超过三对入口的喷嘴的变型。

Claims (21)

1.一种雾化注射喷嘴，包括：

a)提供液体射流的中心孔；

b)围绕所述中心孔隔开的多个雾化气体入口；

c)其中所述雾化气体入口设计成引入雾化气体，以在至少两个不同角度撞击到所述液体射流上。

2.如权利要求1所述的喷嘴，其中所述雾化气体入口设计成引入雾化气体，以沿着液体射流在至少两个不同点撞击到所述液体射流上。

3.一种雾化注射喷嘴，包括：

a)提供液体射流的中心孔；

b)围绕所述中心孔隔开的多个雾化气体入口；

c)其中所述雾化气体入口设计成引入雾化气体，以沿着液体射流在至少两个不同位置撞击到所述液体射流上。

4.如权利要求3所述的喷嘴，其中所述雾化气体入口设计成引入雾化气体，以在至少两个不同角度撞击到所述液体射流上。

5.如权利要求2或者4所述的喷嘴，其中每个气体入口形成有限制部，在该限制部，入口的横截面积减少，以提供节流点。

6.如在前面权利要求中任何之一所述的喷嘴，其中雾化气体入口沿着所述中心孔等距离隔开。

7.如权利要求1-5任何之一所述的喷嘴，其中雾化气体入口围绕所述中心孔不对称地隔开。

8.如前面权利要求任何之一所述的喷嘴，其中雾化气体入口的数量是偶数。

9.如权利要求1-7任何之一所述的喷嘴，其中雾化气体入口的数量是比1大的奇数。

10.如权利要求1-5任何之一的喷嘴，其中所述喷嘴提供了如下围绕所述中心孔大致等距离隔开的六个雾化气体入口：

第一对相对的雾化气体入口设计成以第一角度引入雾化气体；

第二对相对的雾化气体入口设计成以与所述第一角度不同的第二角度引入雾化气体；

以及第三对相对的雾化气体入口设计成引入雾化气体，从而比由第一和第二对入口提供的雾化气体流离喷嘴更远距离地撞击到所述液体射流上。

11.如权利要求10所述的喷嘴，其中所述第三对气体入口设计成以所述第二角度引入雾化气体。

12.如权利要求3所述的喷嘴，其中所述喷嘴提供了如下围绕所述中心孔大致等距离隔开的四个雾化气体入口：

一对相对的雾化气体入口设计成以第一角度引入雾化气体；

另一对相对的雾化气体入口设计成引入雾化气体，从而比由所述一对入口提供的雾化气体流离喷嘴更远距离地撞击到所述液体射流上。

13.如权利要求12所述的喷嘴，其中所述另一对相对雾化气体入口设计成以与所述第一角度不同的第二角度引入雾化气体。

14.如权利要求1所述的喷嘴，其中所述喷嘴提供了如下围绕所述中心孔大致等距离隔开的四个雾化气体入口：

一对相对的雾化气体入口设计成以第一角度引入雾化气体；

另一对相对的雾化气体入口设计成以与所述第一角度不同的第二角度引入雾化气体。

15.如权利要求10、11、13或者14任何之一所述的喷嘴，其中所述第一角度大约为60度，而所述第二角度大约为45度；所述第一和第二角度为测得的液体射流的纵向轴和雾化气体射流的纵向轴之间的夹角。

16.如权利要求1或者4所述的喷嘴，其中所述两个不同角度为60度和45度。

17.如前面权利要求任何之一的喷嘴，其中雾化气体入口中的每个均具有相同形状的横截面。

18.如权利要求17所述的喷嘴，其中每个雾化气体入口的横截面形状是其中一个或者多个边为圆弧的多边形。

19.如权利要求1-16任何之一所述的喷嘴，其中雾化气体入口横截面具有不同的形状。

20.如权利要求19所述的喷嘴，其中一个或者多个雾化气体入口的横截面为一个或者多个边为圆弧的多边形。

21.一种包括如前面权利要求任何之一所述喷嘴的喷嘴组件。

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