CN102112236A - 雾气发生设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改进的用于产生雾气的设备。该设备具有至少一个工作流体供应管道(66)，该工作流体供应管道具有与工作流体供应流体连通的入口以及与第一混合室流体连通的出口。该设备还包括多个输送流体通道(60a，60b)，每一输送流体通道均具有适于接收输送流体供应的入口以及与混合室流体连通的出口。喷嘴(72)位于混合室下游，喷嘴具有与混合室流体连通的入口(74)、出口(78)以及中间连接喷嘴入口(74)和出口(78)的喉部(76)。喷嘴(72)的喉部(76)具有的横截面面积小于喷嘴入口(74)的横截面面积或喷嘴出口(78)的横截面面积。通过设置流入混合室中的多个工作流体通道以及混合室下游的喷嘴，增强了工作流体的雾化，以产生雾气。

Description

雾气发生设备及方法
技术领域
本发明提供了一种用于产生液滴非常小的雾气的改进的雾气发生设备及方法，已经发现雾气在很多各式各样的领域中是有利的。这种领域的实例包括冷却、灭火和净化应用。
背景技术
WO01/76764公开了一种利用两种流体的雾气发生设备，其主要用于灭火。在WO’764中，第一流体液滴(即，气态介质中携带的第一流体液滴)的喷雾穿过多个第一流体喷嘴进入第一流体喷嘴上游的混合区中。同时，一股气流被注射到第一流体喷嘴上游的混合区中。气体携带第一流体液穿过一出口喷嘴，该出口喷嘴从设备中喷出第一流体液滴和第二流体的混合流。WO’764的目的在于，通过气流将液滴携带出喷嘴来减小液滴喷到大气中时作用在液滴上的摩擦力。
WO’764仅使用气流将液滴携带出喷嘴。第一流体液滴的喷雾在WO’764设备上游一未公开的位置处形成，并且该设备自身并未应用任何机构来进一步将第一流体液滴雾化成喷雾。因此，在WO’764设备上游形成的喷雾确定了从设备喷出的液滴尺寸，该设备本身对液滴尺寸没有影响。WO’764设备的另一局限在于，其很难实现液滴和气体的均匀混合(homogenous mixture)。WO’764中公开的第一实施例依赖一单独的环形气流，该环形气流位于第一流体通道和喷嘴径向向外的位置处。这一设置使得非常难以实现第一流体液滴在气体中的有效分布。这些局限使得利用WO’764中所示的设置，液滴尺寸和分布存在难以预料的变化。
发明内容
本发明的目的是消除或减少现有技术中的这些及其他缺陷。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生雾气的设备，包括：
至少一个工作流体供应管道，具有与供应的工作流体流体连通的入口并具有出口；
第一混合室，与工作流体供应管道出口流体连通；
多个输送流体通道，每一输送流体通道均具有适于接收供应的输送流体的入口以及与混合室流体连通的出口；以及
喷嘴，具有与混合室流体连通的入口、出口以及中间连接(intermediate)喷嘴入口和出口的喉部，喉部具有的横截面面积小于喷嘴入口或喷嘴出口的横截面面积。
设备可进一步包括中间连接工作流体供应管道和混合室的至少一个工作流体通道，其中，工作流体通道具有与供应管道流体连通的入口且直径小于供应管道的直径。
设备具有一纵向轴线，并且至少一个输送流体通道出口可定位成到纵向轴线的径向距离小于工作流体通道出口到纵向轴线的径向距离。
多个输送流体通道可包括与纵向轴线同轴的内部输送流体通道以及围绕内部输送流体通道沿周向间隔的多个外部输送流体通道。
设备可包括多个工作流体通道，其中，工作流体通道和输送流体通道围绕设备的纵向轴线沿周向交替。
设备可包括多个工作流体通道，其中，工作流体通道围绕内部输送流体通道沿周向间隔。工作流体通道可沿径向定位于内部输送流体通道与外部输送流体通道之间。可替换地，每个工作流体通道可位于一对外输送流体通道之间，由此工作流体通道和外部输送流体通道围绕内部输送流体通道沿周向交替。
多个工作流体通道可包括内部和外部工作流体通道，其中，成组的内部和外部工作流体通道均围绕内部输送流体通道沿周向间隔，外部工作流体通道到内部输送流体通道的径向距离大于内部工作流体通道到内部输送流体通道的径向距离。
工作流体通道和输送流体通道可彼此基本平行。
至少一个工作流体通道基本平行于设备的纵向轴线。
工作流体供应管道和工作流体通道可彼此基本垂直。
设备可进一步包括中间连接工作流体供应管道和第一混合室的第二混合室，其中，至少一个输送流体通道与第二混合室流体连通，同时，其余输送流体通道与第一混合室流体连通。
设备可进一步包括介于第一和第二混合室之间的连通通路，该通路具有的横截面面积小于任一混合室的横截面面积。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于产生雾气的设备，该设备包括：
本体，具有限定工作流体入口和输送流体入口的第一端以及限定一隔间的第二端，该隔间具有与工作流体入口和输送流体入口流体连通的第一端以及敞口的第二端；
第一插入件，适于被容纳在隔间的开口端，第一插入件限定与工作流体入口流体连通的至少一个工作流体供应管道以及与输送流体入口流体连通的多个输送流体通道；
第二插入件，适于被容纳在隔间中介于第一插入件与隔间的开口端之间，其中，第二插入件限定喉部截面积减小的喷嘴，并且其中，第一和第二插入件在其间限定第一混合室，该第一混合室中间连接工作流体通道和输送流体通道与喷嘴；以及
锁定构件，适于被容纳在第二插入件与本体的第二端上，以将第一和第二插入件固定在隔间中。
第一插入件可进一步包括中间连接工作流体供应管道和第一混合室的至少一个工作流体通道，工作流体通道具有与供应管道流体连通的入口并且直径小于供应管道的直径。
设备和第一插入件围绕一纵向轴线同轴，并且在第一插入件中限定的至少一个输送流体通道出口可被定位成到纵向轴线的径向距离小于工作流体通道出口到纵向轴线的径向距离。
在第一插入件中限定的多个输送流体路径可包括与纵向轴线同轴的内部输送流体通道以及围绕内部输送流体通道沿周向间隔的多个外部输送流体通道。
第一插入件可限定多个工作流体通道，其中，工作流体通道和输送流体通道围绕第一插入件的纵向轴线沿周向交替。
第一插入件可限定多个工作流体通道，其中，工作流体通道围绕内部输送流体通道沿周向间隔。工作流体通道可径向定位于内部输送流体通道与外部输送流体通道之间。可替换地，每一工作流体通道可位于一对外部输送流体通道之间，由此工作流体通道和外部输送流体通道围绕内部输送流体通道沿周向交替。
多个工作流体通道可包括内部和外部工作流体通道，其中，成组的内部和外部工作流体通道均围绕内部输送流体通道沿周向间隔，外部工作流体通道到内部输送流体通道的径向距离大于内部工作流体通道到内部输送流体通道的径向距离。
由第一插入件限定的工作流体通道和输送流体通道可彼此基本平行。
至少一个工作流体通道基本平行于第一插入件的纵向轴线。
工作流体供应管道和工作流体通道可彼此基本垂直。
第一插入件可进一步包括中间连接工作流体供应管道和第一混合室的第二混合室，其中，至少一个输送流体通道与第二混合室流体连通，同时，其余输送流体通道与第一混合室流体连通。
设备可进一步包括介于第一和第二混合室之间的连通通路，该通路具有的横截面面积小于任一混合室的横截面面积。
根据本发明的第三方面，提供了一种产生雾气的方法，包括以下步骤：
供应加压的工作流体至至少一个工作流体供应管道；
通过多个输送流体通道将输送流体供应引入工作流体供应管道下游的第一混合室中；
通过从工作流体供应管道注射一股工作流体至第一混合室中而雾化工作流体，以形成工作流体液滴分散相；
引导输送流体和分散相的工作流体从第一混合室穿过喷嘴喉部，该喷嘴喉部具有减小的横截面面积；以及
将输送流体和分散相的工作流体从喷嘴出口喷出，该喷嘴出口具有的横截面面积大于喷嘴喉部的横截面面积。
混合室具有一纵向轴线，输送流体的一部分可被引入到混合室中一位置处，该位置到纵向轴线的径向距离小于工作流体被引入到混合室中的位置到纵向轴线的径向距离。
输送流体的一部分可经由与纵向轴线同轴的内部输送流体通道而引入到混合室中，并且其余输送流体可经由围绕内部输送流体通道沿周向间隔的多个外部输送流体通道而引入。
可通过使工作流体穿过多个工作流体通道来雾化工作流体，这些工作流体通道与多个输送流体通道围绕纵向轴线沿周向交替。
可通过使工作流体穿过多个工作流体通道来雾化工作流体，这些工作流体通道围绕内部输送流体通道沿周向间隔。工作流体通道可沿径向定位于内部输送流体通道与外部输送流体通道之间。可替换地，每一工作流体通道均可定位在一对外输送流体通道之间，由此工作流体通道和外部输送流体通道围绕内部输送流体通道沿周向交替。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于产生雾气的设备，包括：
至少一个工作流体供应管道，具有与工作流体供应流体连通的入口并具有出口；
至少一个输送流体供应管道，具有与输送流体供应流体连通的入口并具有出口；
第一混合室，与工作流体供应管道和输送流体供应管道的相应出口流体连通；
第二混合室，与第一混合室流体连通；
多个连通通道，连接第一和第二混合室；以及
喷嘴，具有与第二混合室流体连通的入口、出口以及中间连接喷嘴入口和出口的喉部，喉部具有的横截面面积小于喷嘴入口或喷嘴出口的横截面面积。
设备可进一步包括中间连接工作流体供应管道和第一混合室的至少一个工作流体通道，其中，工作流体通道具有与供应管道流体连通的入口且直径小于供应管道的直径。
至少一个工作流体通道和输送流体供应管道从基本相反的方向与第一混合室连通。
多个连通通道可包括与纵向轴线同轴的内部连通通道以及围绕内部连通通道沿周向间隔的多个外部连通通道。
附图说明
下面将参照附图仅通过实例的方式对本发明的优选实施例进行描述，附图中：
图1是雾气发生设备的本体或壳体的纵向剖视图；
图2(a)至图2(c)是雾气发生设备的第一插入件的第一端视图、纵向剖视图以及第二端视图；
图3是雾气发生设备的第二插入件的纵向剖视图；
图4是雾气发生设备的锁定构件的纵向剖视图；
图5是结合有图1至图4所示部件的雾气发生设备第一实施例的纵向剖视图；
图6是雾气发生设备第二实施例的纵向剖视图；
图7是雾气发生设备第三实施例的纵向剖视图；
图8是雾气发生设备第四实施例的纵向剖视图；
图9是雾气发生设备的经更改之后的第一插入件的纵向剖视图；并且
图10是示出雾气发生设备不同实施例中使用的喷嘴的扩张(expansion)等效角度。
具体实施方式
雾气发生装置总体由标号10表示并且其由图1至图4中示出的四个主要部件构成。
如图1所示的第一部件为基本呈圆柱形的本体或壳体20，其具有第一端和第二端22、24。颈部26从本体20的第一端22沿纵向伸出。位于本体第二端24处的是隔间28，其在本体20的第二端24处敞开且其适于容纳设备10的其他部件，这将在下面描述。第一供应管道，或者说输送流体供应管道30沿纵向延伸穿过本体20。输送流体供应管道30具有位于颈部26中的入口以及通向隔间28的出口34。输送流体供应管道30具有发散的轮廓，其中，随着管道30从入口32朝向出口34延伸穿过本体20，管道30的横截面面积增加。第二供应管道，或者说工作流体供应管道36也设置在本体20中并且其延伸穿过本体20的侧壁。工作流体供应管道36具有位于本体20外部上的入口38以及通向隔间28的出口40。因此，输送流体供应管道30和工作流体供应管道36彼此基本垂直。颈部26和/或入口32被适配为使得其能够连接至输送流体源(未示出)，而工作流体入口38被适配为使得其可连接至工作流体源(未示出)。本体20的第二端24具有突出的缘部42，该缘部42具有减小的外径，其中，缘部42的至少一部分外表面设有螺纹(未示出)。
构成设备的一部分的另外两个部件是第一(或流体分布)插入件50，以及第二(或喷嘴)插入件70，其分别在图2和图3中示出并且适于位于本体20的隔间28内。
参照图2(a)至图2(c)，第一插入件50是基本呈圆柱形的插入件，当从垂直剖面看时，其呈I形，如图2(b)所示。换句话说，第一插入件50在其外周处最厚，而插入件50的中间部相比之下具有减小的厚度。插入件50具有第一端面52和第二端面54，每一端面均可从图2(a)至图2(c)的相应视图中看到。插入件50的每一端面52、54均具有围绕插入件50的外圆周延伸的环形槽56、57。在每一环形槽56、57中均设有O形密封圈58、59。
由于当从垂直截面中看时插入件50具有I形形状，因此插入件50的第一和第二端面52、54分别具有形成于其中的第一和第二凹腔53、55。多个第一通道(或输送流体通道)60a、60b沿纵向延伸穿过插入件50并流体连接第一和第二腔53、55。内部第一通道60a位于插入件50的中间，从而其与插入件50和组装好的设备10共有的纵向轴线同轴。外部第一通道60b围绕内部第一通道60a和纵向轴线L沿周向间隔开并且与内部第一通道和纵向轴线基本平行。
插入件50还具有其中形成有通路64的外部周向表面62。通路64围绕插入件50的整个周向延伸。多个工作流体供应管道66从通路64径向向内延伸穿过插入件50。供应管道66基本上垂直于第一通道60和纵向轴线L。供应管道66在设置于外部第一通道60b之间的周向空间中径向向内延伸穿过插入件50。供应管道66允许通路64和位于管道66的径向最内端处的多个第二通道(或工作流体通道)68a、68b之间流体连通。第二通道被分成两组，由此被分为多个内部第二通道68a和多个外部第二通道68b。每一第二通道68a、68b均与纵向轴线L和第一流体通道60a、60b基本平行且因此基本垂直于供应管道66。第二通道68a、68b具有的直径基本恒定且可小于供应管道66的直径。内部和外部第二通道68a、68b围绕内部第一通道60a和轴线L沿周向间隔，其中外部第二通道68b位于内部第二通道68a径向向外处。第二通道68a、68b基本平行于纵向轴线L以及第一通道60a、60b。
从图2(c)中可最佳地看到第一和第二通道中的每一个的相对径向和周向位置。从图2(c)中，可以看出，第二通道68a、68b沿径向和周向间隔开以围绕内部第一通道60a，而外部第一通道60b沿径向和周向间隔开以围绕第二通道68a、68b。
从图3中可以看到第二喷嘴插入件70。和第一插入件50一样，第二插入件70基本呈圆柱形且与设备10的其余部件同轴。第二插入件70中限定有喷嘴72，喷嘴72具有喷嘴入口74、喉部76和喷嘴出口78。喷嘴72与轴线L同轴，喉部76中间连接喷嘴入口74和喷嘴出口78且喉部的横截面面积小于喷嘴入口74或喷嘴出口78的横截面面积。从图3中还能清楚地看到，穿过喷嘴72的横截面面积的减小以及随后的增大在喷嘴72中保持了持续变化的外壁。换句话说，喷嘴72的横截面面积不包括任何突然的变化，这种突然变化将在喷嘴壁中形成干扰流过其中的流体的台阶或壁龛。因此，喷嘴72是本领域技术人员所理解的适于产生穿过其的超音速流动的真正的收敛-发散喷嘴。
喷嘴插入件70具有分别包含第一端面71和第二端面73的第一和第二端。槽80位于插入件70邻近第一端的外圆周表面中。槽80围绕插入件70的整个圆周延伸并且O形密封圈82位于槽80中。喷嘴插入件70具有邻近第二端的直径减小部75。插入件70和直径减小部75之间标准直径的变化形成了邻接面77，该邻接面朝向插入件70的第二端的方向。
设备10的最后的部件是锁定构件90，其如图4所示。锁定构件90优选具有环形形式，其具有第一侧面92和第二侧面94。锁定构件90具有穿过其的孔，该孔由第一和第二部96、98形成。第一孔部96开在第一侧面92上，而第二孔部98开在第二侧面94上。第一孔部96具有的直径大于第二孔部98的直径。第一和第二孔部96、98的直径变化形成了邻接面100，该邻接面朝向锁定构件90的第一侧面92的方向。第一孔部96内表面的至少一部分设置有螺纹(未示出)。锁定构件90的第二端94可设置有一个或多个孔102，这些孔适于容纳适当的工具以将锁定构件90固定至设备10的其余部分。
现在参照图5，如上所述的设备10的各个部分以下面的方式组装在一起。首先，流体分配插入件50经由本体20的第二端24滑入隔间28中。隔间28的内径和插入件50的外径形成为，使得在插入件50和本体20之间实现封闭的密封配合。当插入件50准确定位在隔间28中时，插入件的第一端面52邻接输送流体供应管道30在本体20中的出口34。因此，输送流体管道30的出口34与插入件50的第一腔室53流体连通，且第二流体供应管道36与插入件50的通路64流体连通。O形密封圈58在第一插入件50与本体20之间提供密封配合。
一旦第一插入件安装在位，第二插入件70即可经由本体20的第二端24插入到隔间28中。与第一插入件50类似，隔间28的内径和第二插入件70的外径形成为，使得在插入件70与本体20之间实现封闭的密封配合。当第二插入件70准确定位在隔间28中时，第二插入件70的第一端面71邻接第一插入件50的第二端面54。因此，第二插入件70的喷嘴入口74和第一插入件50的第二腔室55限定出共享纵向轴线L的混合室。由此，本体20、第一插入件50和第二插入件70现在都经由之前所描述的在这些部件中限定的腔室、通道和导管而流体连通，如下面将进一步详细描述的。位于第一插入件50的第二端面54中的第二O形密封圈59在第一和第二插入件50和70之间提供了密封配合。
最后，一旦第一和第二插入件50、70各自于本体20的隔间28中安装在它们合适的位置中，即可将锁定构件90放置在第二插入件70的第二端之上。本体20的缘42的螺纹部与锁定构件90的第一侧面92彼此配合，从而可借助于插在锁定构件90的孔102中的工具(未示出)将锁定构件90螺拧在位。锁定构件90螺拧在本体20上，直至第二插入件70和锁定构件90的相应邻接面77、100彼此紧靠(come up)。
下面可再次具体参照图5来描述设备10的操作方式。起初，将输送流体从适当源(例如，一瓶压缩气体)中引入输送流体供应入口32中。有很多流体适于用作输送流体，但在该优选实例中，输送流体是空气。输送流体的供应压力可在2至40bar的范围内，或更优选在5至20bar的范围内。输送流体沿输送流体供应管道30顺着箭头T的方向进入第一插入件50中限定的第一腔室53内。一旦进入第一腔室53，输送流体即在进入设置于第一插入件50中的内部和外部第一流体通道60a、60b时分成多条流路。当输送流体流离开第一流体通道60a、60b时，它们进入限定在第一插入件50的第二腔室55和第二插入件70的喷嘴入口74之间的混合室中。多个输送流体流在混合室中散开并彼此接触，由此在混合室中形成紊流区。输送流体在高压下低速进入混合室中。
在将输送流体引入到输送流体供应管道30中的同时，以优选范围在2至40bar且更优选范围在5至20bar的供应压力从适当源中引入工作流体。将工作流体引入到设置在本体20中的工作流体供应管道36中。与输送流体类似，工作流体可以是多种流体但在该优选实例中是水。当工作流体穿过工作流体供应管道36时，其进入设置在第一插入件50的外部中的通路64中。工作流体可接下来经由位于本体20和第一插入件50之间的通路64而围绕第一插入件50的整个外圆周流动。当工作流体围绕通道64流动时，工作流体进入第一插入件50中的多个径向供应管道66中并朝设备的纵向轴线L向内流动。在供应管道66的内端，工作流体转90度进入内部和外部第二流体通道68a、68b中。该90度的转弯打破工作流体的稳定，增加了其中紊流的程度并提高了工作流体在混合室中的雾化，这将在下面进一步描述。
输送流体和工作流体可在一个较大的质量流速范围上供应。输送流体和工作流体的质量流速之间的比率可在从20∶1到1∶10的优选范围上变化。
当工作流体到达第二流体通道68a、68b的出口时，从每一第二流体通道68a、68b注射一股工作流体到混合室中。当所注射的成股的工作流体与混合室中的环境气体相接触时，二者之间的摩擦使得成股的工作流体雾化，由此形成工作流体液滴。输送流体进入混合室所产生的紊流确保工作流体雾化所形成的液滴在整个混合室中扩散。这是本发明所采用的雾化机制的第一阶段。
雾化机制的其余阶段发生在设备10的喷嘴72中。紊流的输送流体将混合室中的工作流体液滴携带到喷嘴入口74中。喷嘴入口74和喷嘴喉部76之间横截面面积的逐步减小使得输送流体加速至一非常高且优选为音速的速度。输送流体的加速意味着，喷嘴收敛区(即，喷嘴入口和喷嘴喉部之间的区域)中穿过工作流体液滴存在一速度梯度，这是因为每一液滴的最靠近喷嘴喉部的部分将比最靠近喷嘴入口的部分移动得更快。这使得工作流体液滴受到剪切力并使得工作流体液滴沿流动方向拉伸或伸长。当剪切力超过表面张力时，随着液滴变形且分裂成更小的液滴，进一步的雾化发生。该剪切作用是雾化机制的第二阶段。
尺寸减小的工作流体液滴以非常高且可能为音速的速度离开喷嘴喉部76。如之前所描述的，喷嘴出口78具有的横截面面积大于喷嘴喉部76的横截面面积。因此，高速输送流体在从喉部76朝向出口78流动时经历一扩张。这拉伸了包含在输送流体中的工作流体液滴并使得它们分裂成多个更小的工作流体液滴。该液滴分裂是本发明所采用雾化机制的第三阶段。
最后，液滴从喷嘴出口78作为雾气以分散相喷出。取决于操作条件，穿过喷嘴72的流动在喉部76和喷嘴出口78之间的区域可为亚音速的。可替换地，操作条件可意味着，该区域的流动可沿其一部分或全部长度为超音速的，该超音速终止于喉部76和喷嘴出口78之间、喷嘴出口78处或设备10外部的任何一个冲击波。在发生冲击波的那些操作条件中，由于穿过冲击波的压力突升，可提供第四液滴分裂机制。
图10示意性地示出了在已知喉部和出口的横截面面积以及喉部和出口之间的等效路径距离的情况下如何计算喷嘴72的扩张等效角度。E1是与喷嘴喉部76具有相等横截面面积的圆的半径。E2是与喷嘴出口78具有相等横截面面积的圆的半径。距离d是喉部76和出口78之间的等效路径距离。通过穿过E1和E2的顶部画一条与等效距离线d的延长部分相交的直线来计算角度β。该角度β可通过比例绘图法测量得出或可通过利用半径E1、E2和距离d的三角法计算得出。接着，可通过将角度β乘以系数2计算出第二流体通道的扩张等效角度γ，其中γ＝2β。
为了获得设备10的最佳性能，已经发现，喷嘴72的出口78处的横截面面积可以是喉部76的横截面面积的1.1至28倍，从而使得喷嘴72的喉部76与出口78之间的面积比介于1∶1.1和1∶28之间。喷嘴72的出口78处的横截面面积可最优选地是喉部76的横截面面积的1.4至5.5倍，从而使得喷嘴72的喉部76与出口78之间的面积比最优选介于5∶7和2∶11之间。喉部76与出口78之间的横截面面积的增大形成喷嘴72的扩张等效夹角γ，其介于1至40度之间，且最优选地角度γ介于2至13度之间。
下面的表1示出了对图5所示设备进行测试所得的性能数据。这些结果通过使用测量液滴尺寸并进行数据分析的激光衍射粒度系统来获得。这些数据从距离喷嘴3米处的羽流(plume)中心测量，这使得能够通过测量系统获得良好的微粒观察，而且其呈现了喷嘴的典型羽流特性。当羽流中存在的液滴尺寸已经确定时，可对数据进一步分析以计算Dv90和Df90，其是业内使用的常规测量参数。Dv90是这样一个值，其中所喷液体总体积的百分之九十由直径小于或等于该值的滴状物组成。Df90是这样一个值，其中所喷液滴总数的百分之九十具有小于或等于该值的直径。
在该非限制性的测试实例中，所应用的输送流体为压缩空气并且所应用的工作流体为水。
表1
  气∶液的质量流速比   气∶液的供应压力比  Dv90[μm]  Df90[μm]
  1∶4   1∶0.875   180   4
  1∶8   1∶0.875   220   2.5
  1∶14   1∶0.861   255   2.5
图6至图8示出了雾气发生设备的替换实施例。这些替换实施例中的每一个均利用如上已经参照图2至图4描述的第一和第二插入件50、70和锁定构件90。因此，已经使用相同的参考标号来表示这些部件的特征并且在这些替换实施例中将不再对其进行赘述。
这些替换实施例与上述第一实施例的不同之处在于，这些替换实施例中设置有第三插入件，该第三插入件待与第一和第二插入件50、70一起置于本体20的隔间28中。
在图6所示设备10’的第二实施例中，在插入第一和第二插入件50和70之前，第三插入件110被插入到隔间28中。第三插入件110为管状且具有的外径使得在管状构件110和隔间28的内表面之间提供封闭的密封配合。为辅助这种密封配合，第三插入件110的第一端112设置有第一周向槽114，其中置有O形密封圈116。因此，当第三插入件110在隔间28中准确定位时，第一端112和密封圈116紧靠输送流体供应管道30的出口34。在第三插入件110邻近插入件110的第二端113的外表面中设置有第二周向槽118。另一O形密封圈117设置在第二槽118中，以辅助将第三插入件110的外表面密封至隔间28的内表面。
可以对本体20做某些更改以结合第三插入件110。可增加隔间28的轴向长度，从而使得三个插入件50、70、110可位于其中。可替换地，可减小第一和第二插入件50、70的轴向长度，以使得能够容纳所有三个插入件。可能需要的另一更改是在本体20的不同轴向位置处形成工作流体供应管道36。当第三插入件110位于第一插入件50上游时，这是必须的，因为第一插入件50随后将比在第一实施例中沿隔间28更远。如从图6中所看到的，供应管道36已经重新定位成，使得第一插入件50仍经由供应管道36和通路64接收工作流体。
设备10’的第二实施例以与第一实施例基本相同的方式组装和操作。然而，输送流体供应管道30和第一插入件50之间的管状第三插入件110的存在有效增加了输送流体供应管道30的轴向长度。
图7和图8示出了设备10”、10”’的第三和第四实施例。这些实施例是第二实施例的变型，其中也设置有补充插入件。图7所示第三实施例具有第三插入件120，其与第二实施例中使用的基本相同。然而，在第三实施例中，第三插入件120在隔间28中定位成，使得其夹在第一插入件50和第二插入件70之间。与第二实施例相似，隔间28在本体20中的轴向长度可延伸以容纳所有三个插入件。第三实施例以与第一和第二实施例基本相同的方式组装和操作，但第一和第二插入件50、70之间的管状第三插入件120的存在有效增加了第一插入件50下游的混合室的轴向长度。
图8中所示设备10”’的第四实施例有效结合了设备的第二和第三实施例中使用的布置。这使得形成分别位于隔间28中第一插入件50上游和下游的第三和第四插入件130和140。第三和第四插入件130、140为管状的且与第二和第三实施例中使用的第三插入件基本相同。该实施例的插入件与前述实施例的第三插入件的唯一可设想的区别在于，它们的轴向长度可以较短，从而使得所有四个插入件能够装配在本体20的隔间28中。再者，可对本体20进行更改，以根据插入件的位置，改变隔间28的轴向长度和/或工作流体供应管道36的轴向位置。
第四实施例以与前述实施例基本相同的方式组装和操作，但是第一插入件50的任一侧上第三和第四管状插入件130、140的存在有效增加了传输流体供应管道30和第一插入件50下游的混合室的轴向长度。
利用改变长度的这些补充性的第三插入件、或者第三和第四插入件降低了设备的制造复杂性。例如，可将不同尺寸和长度的喷嘴或第一插入件与一个或多个补充性的插入件一起装入设备本体中，而不需要更改本体或锁定构件的长度或改变将设备连接至工作流体源的管道系统。此外，改变混合室的轴向长度可改变这些区域中的紊流并改变本发明所采用雾化机制的第一阶段。
图9示出了改良的(modified)第一插入件150的截面图，该第一插入件可用于在雾气发生设备的任一前述实施例中。改良的第一插入件150的基本构造与图2所示第一插入件150基本相同，第一和第二腔室53、55通过多个第一通道或输送流体通道60a、60b彼此流体连通。内部第一通道60a位于改良的插入件150的中心，从而其与插入件50和组装好的设备所共有的纵向轴线L同轴，该内部第一通道随后位于组装好的设备中。外部第一通道60b围绕内部第一通道60a和纵向轴线L沿周向间隔且与内部第一通道60a和纵向轴线L基本平行。
改良的插入件150还具有其中形成有通路64的外周向表面62。通路64围绕插入件50的整个圆周延伸。多个工作流体供应管道66从通路64径向向内延伸穿过插入件50。供应管道66基本垂直于第一通道60a、60b和纵向轴线L。供应管道66径向向内延伸穿过插入件50位于外部第一通道60b之间的周向空间中。改良的插入件150与原始第一插入件的不同之处在于，第二或工作流体通道已经由中间第三腔室170代替。第三腔室170与纵向轴线L和内部第一通道60a同轴。第三腔室170形成为使得其与内部第一通道60a并与每个供应管道66和第二腔室55流体连通。第三腔室170具有的内径大于内部第一通道60a的内径但小于第二腔室55的内径。周向缘172从第三腔室170的位于第三腔室通向第二腔室55的点处的壁向内突出。
设置有基本呈圆形的塞子152，以从第二腔室55插入第三腔室170中。塞子152具有塞本体153，塞本体的外径大于缘172的内径。因此，当塞子152插入第三腔室170中时，塞本体153挤过缘172并在塞本体153与缘172之间形成咬合配合(snap fit，或卡扣配合)。由此，缘172防止塞子152从腔室170脱出。凸缘部154从塞本体153径向向外突出。凸缘部154具有的直径大于第三腔室170的内径，以限制塞子152可能进入第三腔室170中的程度。
一中间通道沿纵向延伸穿过塞子152。该中间通道包括大直径部160a和小直径部160b。当塞子152在改良的插入件150中安装到位时，第三腔室170和中间通道的大直径部160a限定第一阶混合室151。第一阶混合室151将接收来自内部第一通道60a的输送流体和来自供应管道66的工作流体。中间通道的小直径部160b允许第一阶混合室151接收的输送流体和工作流体进入部分地由第二腔室55限定的主混合室中。
从相对小直径的内部第一通道60a进入大直径的第一阶混合室151的输送流体将在第一阶混合室中扩展并形成紊流。进入第一阶混合室151中的工作流体将遇到该紊流并且这两种流体之间产生的摩擦力将使得至少一部分工作流体雾化。传输流体流和工作流体流随后将穿过中间通道的小直径部160a进入下游主混合室。因此，在如上所述发生在第一插入件下游的主混合阶段之前，改良的第一插入件150提供了输送流体和工作流体的初步混合阶段。通过提供紊流混合和液滴分裂的两阶初步雾化，这一初步混合阶段增强了发生在喷嘴上游的雾化机制。
设置多个输送流体通道使得形成进入混合室中的多个分离的输送流体流动路径。当这些不同的输送流体流在混合室中彼此接触时，在混合室中形成更大量的紊流。增强的紊流确保雾化液滴均匀分布在混合室中。此外，高程度的紊流意味着，当液滴彼此相碰撞时，或者与一表面碰撞时，所产生的内部应力将很高，从而使得它们更易于超过表面张力。这意味着，碰撞更易于使液滴分裂而不是结合。将多个通道布置成使得输送流体出口或者沿径向方向或者沿周向方向环绕工作流体出口，这实现了液滴在混合室以及喷嘴的扩张截面(即，后喉部)中的更均一的分布。这确保尽可能有效地实现雾化过程的第三(扩张)阶段
当存在多个工作流体通道时，这多个工作流体通道使得待雾化的工作流体的流速更高。
将工作流体通道出口朝向混合室的外部定位能够通过优化壁剥离(wall stripping)机制来增强雾化。通过壁剥离，当输送流体流从工作流体膜中剥离出液滴时，贴附于混合室内表面的工作流体膜将逐步雾化。与使用第三插入件的第三实施例的情况一样，通过设置较长的混合室，由于工作流体膜所扩张的表面积增大，因而壁剥离过程提高。
输送流体供应管道、输送流体通道和喷嘴通道相对较宽且其中限制较少。因此，可使用载有微粒的流体作为输送流体而无需考虑相关通道可能会被包含在输送流体中的微粒物质阻塞。
通过由少数的几个部件来形成设备，本发明提供了一种简化的制造过程。各个部件自身相比于现有设备复杂性降低，这在生产成本方面是有利的。此外，当通过锁定构件将插入件安装在本体中并保持在位时，制造这些部件所要求的加工公差可以减小。
外部第一流体通道并不必平行于纵向轴线L。相反，外部第一流体通道可相对于纵向轴线L成角度。换句话说，每个外部第一流体通道的入口和出口可相对于轴线L位于不同径向位置。此外，第一流体通道不必具有基本恒定的直径。第一流体通道可以具有直径减小的部分和/或直径增大的部分。至于通常的泪滴状横截面，第一流体通道可替换地具有基本呈圆形的横截面，或者它们可具有椭圆形横截面。
可存在多于两组的第一流体通道。例如，第三组第一流体通道可在离轴线L比那些内部和外部第一流体通道离轴线L更远的径向距离处围绕内部和外部第一流体通道沿周向延伸。
还优选地，第二流体通道不必沿径向位于内部第一流体通道和外部第一流体通道之间。第二流体通道可沿径向和周向定位成，使得它们介于成对的外部第一流体通道之间，从而第二流体通道和外部第一流体通道围绕纵向轴线L沿周向交替。换句话说，第二流体通道的出口被第一流体通道的出口沿周向方向环绕。
第二流体通道还可与外部第一流体通道在第一插入件中流体连通，从而使得在混合室上游在第二流体通道内开始雾化。
每一第二流体通道均可在其中包括紊流发生部件。该部件例如可采用通道内渐缩边缘的形式。
第二流体通道不必平行于纵向轴线L。相反，第二流体通道可相对于纵向轴线L成角度。换句话说，每一第二流体通道的入口和出口可相对于轴线L位于不同径向位置处。此外，第二流体通道不必具有基本恒定的直径。第二流体通道可以具有直径减小的部分和/或直径增大的部分。第二流体通道可具有基本呈圆形的横截面，或者它们可具有椭圆形横截面。
可存在多于两组的第二流体通道。例如，第三组第二流体通道可在离轴线L比那些内部组和外部组第二流体通道离轴线L更远的径向距离处围绕内部组和外部组第二流体通道沿周向延伸。
尽管在如上所述的设备优选实施例中仅具有位于本体中的一个工作流体入口，但可以存在围绕本体侧壁沿周向间隔的多个工作流体入口。每一工作流体入口可与围绕第一插入件的周向延伸的通路流体连通。
在如图9所示改良的第一插入件中所采用的塞子可设置有连接第一阶混合室和第二腔室的多个补充通道。这些补充通道可围绕中间通道的小直径部沿周向间隔。补充通道可相对于中间通道的小直径部位于多于一个的径向位置处。
在采用第三插入件或者第三和第四插入件的实施例中，可沿本体在不同位置处设置多个工作流体供应管道。由于这些补充插入件的存在，取决于其沿第一插入件的室的轴向位置，这些供应管道可以是没有盖子的或者在必要时连接至工作流体供应源。可替换地，第一和第三插入件的形状可以形成为，使得第一插入件的周向供应通路在第一插入件的前部上以及第三插入件的一部分上沿纵向延伸。这将意味着，在本体内可设置单一工作流体供应管道，除非该管道由于第三插入件的存在而使第一插入件与管道沿周向间隔开时仍可提供工作流体至第一插入件。
对该设备的进一步的更改是将第一插入件转向，使得第二流体通道向上游面向输送流体供应源。在这种情况下，沿相反方向流动的工作流体和输送流体将在本体和第一插入件之间限定的混合室中彼此接触。工作流体将在混合室中雾化并且随后输送流体将借助于第一插入件中的第一流体通道携带分散的工作流体向下游流至喷嘴。在该改良的设备中，还可在本体与第一插入件之间设置第三管状插入件，由此增加限定在本体与第一插入件之间的混合室的尺寸。以这种方式延长混合室可增强其中的紊流混合。
在设备的最简化形式中，本发明的设备包括通向混合室中的多个输送流体通道和至少一个工作流体通道以及位于混合室下游的喷嘴。仅仅这样的布置即可提供本说明书其他地方列举的一个或多个优点。因此，尽管上面关于本发明优选实施例的说明描述了多组通道及它们相对于彼此的优选径向和周向位置，但应当理解，这些组合对于成功操作本发明来说并不是必不可少的。尽管如上所述本发明的优选实施例包括多个工作流体通道，但本发明并不限于多个工作流体通道。只要本发明具有一个或多个工作流体通道，其就能提供一个或多个这里所列举的优点。此外，尽管该优选实施例具有与纵向轴线L同轴的内部输送流体通道，但本发明并不限于包括该内部输送流体通道。当具有围绕纵向轴线L仅沿周向间隔的输送流体通道时，本发明同样有效。
如在本发明的详细说明中已经阐述的，输送流体并不限于空气。其他适当流体的实例是氮气、氦气和蒸汽。类似地，水并不是本发明可使用的唯一适合的工作流体。包括诸如净化剂、表面活性剂或灭火剂的添加剂的其他流体也适于用作工作流体。
在不背离本发明范围的前提下，可以将这些以及其他更改和改进结合起来。

Claims (30)

1.一种用于产生雾气的设备，包括：
至少一个工作流体供应管道，具有与工作流体供应流体连通的入口并具有出口；
第一混合室，与所述工作流体供应管道的出口流体连通；
多个输送流体通道，每一输送流体通道均具有适于接收输送流体供应的入口以及与所述混合室流体连通的出口；以及
喷嘴，具有与所述混合室流体连通的入口、出口以及中间连接所述喷嘴入口和出口的喉部，所述喉部具有的横截面面积小于所述喷嘴入口的横截面面积或小于所述喷嘴出口的横截面面积。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括至少一个工作流体通道，所述工作流体通道具有与所述工作流体供应管道流体连通的入口以及与所述混合室流体连通的出口，其中，所述工作流体通道具有的直径小于所述供应管道的直径。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述设备具有一纵向轴线并且所述输送流体通道出口中的至少一个被定位成到所述纵向轴线的距离比所述工作流体通道出口到所述纵向轴线的距离短。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述多个输送流体通道包括与所述纵向轴线同轴的内部输送流体通道以及围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔的多个外部输送流体通道。
5.根据权利要求3或4所述的设备，进一步包括多个工作流体通道，其中，所述工作流体通道和所述输送流体通道围绕所述设备的纵向轴线沿周向交替。
6.根据权利要求4所述的设备，进一步包括多个工作流体通道，其中，所述工作流体通道围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述工作流体通道沿径向定位在所述内部输送流体通道与所述外部输送流体通道之间。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，每个所述工作流体通道均位于一对所述外部输送流体通道之间，其中，所述工作流体通道和所述外部输送流体通道围绕所述内部输送流体通道沿周向交替。
9.根据权利要求4所述的设备，其中，所述多个工作流体通道包括内部工作流体通道和外部工作流体通道，其中，成组的内部工作流体通道和外部工作流体通道均围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔，所述外部工作流体通道到所述内部输送流体通道的距离大于所述内部工作流体通道到所述内部输送流体通道的距离。
10.根据权利要求1所述的设备，进一步包括中间连接所述工作流体供应管道和所述第一混合室的第二混合室，其中至少一个所述输送流体通道与所述第二混合室流体连通，而其余所述输送流体通道与所述第一混合室流体连通。
11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括介于所述第一混合室与所述第二混合室之间的连通通路，所述通路具有的横截面面积小于任一混合室的横截面面积。
12.一种用于产生雾气的设备，包括：
本体，具有限定工作流体入口和输送流体入口的第一端以及限定一隔间的第二端，所述隔间具有与所述工作流体入口和所述输送流体入口流体连通的第一端以及敞口的第二端；
第一插入件，适于被容纳在所述隔间的开口端，所述第一插入件限定与所述工作流体入口流体连通的至少一个工作流体供应管道以及与所述输送流体入口流体连通的多个输送流体通道；
第二插入件，适于被容纳在所述隔间中介于所述第一插入件与所述隔间的开口端之间，其中，所述第二插入件限定喉部截面积减小的喷嘴，并且其中，所述第一插入件和所述第二插入件在其间限定第一混合室，所述第一混合室中间连接所述工作流体通道和所述输送流体通道及所述喷嘴；以及
锁定构件，适于被容纳在所述第二插入件与所述本体的第二端上，以将所述第一插入件和所述第二插入件固定在所述隔间中。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一插入件进一步包括至少一个工作流体通道，所述工作流体通道具有与所述工作流体供应管道流体连通的入口以及与所述第一混合室流体连通的出口，其中所述工作流体通道具有的直径小于所述供应管道的直径。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述设备和所述第一插入件关于纵向轴线同轴，并且限定在所述第一插入件中的至少一个所述输送流体通道出口被定位成到所述纵向轴线的径向距离比所述工作流体通道出口到所述纵向轴线的径向距离短。
15.根据权利要求12或14所述的设备，其中，限定在所述第一插入件中的所述多个输送流体通道包括与所述纵向轴线同轴的内部输送流体通道以及围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔的多个外部输送流体通道。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述第一插入件限定多个工作流体通道，其中，所述工作流体通道和所述输送流体通道围绕所述第一插入件的纵向轴线沿周向交替。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述第一插入件限定多个工作流体通道，其中，所述工作流体通道围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述工作流体通道沿径向定位在所述内部输送流体通道与所述外部输送流体通道之间。
19.根据权利要求17所述的设备，其中，所述多个工作流体通道包括内部工作流体通道和外部工作流体通道，其中，成组的内部工作流体通道和外部工作流体通道围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔，所述外部工作流体通道到所述内部输送流体通道的径向距离大于所述内部工作流体通道到所述内部输送流体通道的径向距离。
20.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一插入件进一步包括中间连接所述工作流体供应管道和所述第一混合室的第二混合室，其中，至少一个所述输送流体通道与所述第二混合室流体连通，而其余所述输送流体通道与所述第一混合室流体连通。
21.根据权利要求20所述的设备，进一步包括介于所述第一混合室和所述第二混合室之间的连通通路，所述通路具有的横截面面积小于任一混合室的横截面面积。
22.一种产生雾气的方法，包括以下步骤：
将加压的工作流体供应至至少一个工作流体供应管道；
通过多个输送流体通道将输送流体供应引入所述工作流体供应管道下游的第一混合室中；
通过从所述工作流体供应管道注射一股工作流体至所述第一混合室中而雾化所述工作流体，以形成工作流体液滴分散相；
引导所述输送流体和所述工作流体分散相从所述第一混合室穿过喷嘴喉部，所述喷嘴喉部具有减小的横截面面积；以及
将所述输送流体和所述工作流体分散相从喷嘴出口喷出，所述喷嘴出口具有的横截面面积大于所述喷嘴喉部的横截面积。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述混合室具有一纵向轴线，所述输送流体的一部分被引入到所述混合室中一位置处，所述位置到所述纵向轴线的径向距离小于所述工作流体被引入到所述混合室中的位置到所述纵向轴线的径向距离。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述输送流体的一部分经由与所述纵向轴线同轴的内部输送流体通道而引入到所述混合室中，并且其余所述输送流体经由围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔的多个外部输送流体通道而被引入。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，通过使所述工作流体穿过多个工作流体通道来雾化所述工作流体，所述多个工作流体通道与所述多个输送流体通道围绕所述纵向轴线沿周向交替。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，通过使所述工作流体穿过多个工作流体通道来雾化所述工作流体，所述多个工作流体通道围绕所述内部输送流体通道沿周向间隔。
27.一种用于产生雾气的设备，包括：
至少一个工作流体供应管道，具有与工作流体供应流体连通的入口并具有出口；
至少一个输送流体供应管道，具有与输送流体供应流体连通的入口并具有出口；
第一混合室，与所述工作流体供应管道和所述输送流体供应管道的相应出口流体连通；
第二混合室，与所述第一混合室流体连通；
多个连通通道，连接所述第一混合室和所述第二混合室；以及
喷嘴，具有与所述第二混合室流体连通的入口、出口以及中间连接所述喷嘴入口和所述喷嘴出口的喉部，所述喉部具有的横截面面积小于所述喷嘴入口或所述喷嘴出口的横截面面积。
28.根据权利要求27所述的设备，进一步包括中间连接所述工作流体供应管道和所述第一混合室的至少一个工作流体通道，其中，所述工作流体通道具有与所述供应管道流体连通的入口并且具有的直径小于所述供应管道的直径。
29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述至少一个工作流体通道和所述输送流体管道从基本相反的方向与所述第一混合室连通。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的设备，具有一纵向轴线并且其中，所述多个连通通道包括与所述纵向轴线同轴的内部连通通道以及围绕所述内部连通通道沿周向间隔的多个外部连通通道。
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