CN104797344A - 用于分配流体的喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于分配具有一定速度的流体的喷嘴(100)。所述喷嘴(100)限定了多个流动通道(150、160、170)，多个流动通道(150、160、170)中的至少一个流动通道是中心流动通道(160)，且多个流动通道(150、160、170)中的至少第一流动通道和第二流动通道是外侧流动通道(150、170)。外侧流动通道(150、170)的出口(152、172)被设置在中心流动通道(160)的出口(162)的两侧上。第二外侧流动通道(170)具有小于出口区域(a3)的入口区域(235)。入口(210、220、230)的中心轴实质上垂直于出口(152、162、172)的中心面。

Description

用于分配流体的喷嘴
发明领域
本发明涉及喷嘴领域，并且更具体地涉及用于分配流体的喷嘴。
发明背景
已知流体根据流体的重力和密度将形成水平层。影响流体的密度的一个特性的例子是温度。例如，在所有液态水中，具有4℃的温度的水具有最高的密度。当水聚集了不同的特性(诸如温度、形成层)时发生水的分层。分层可以被通向水的混合层的扰流所扰乱。
其中分层是很重要的一个领域是能量储存器领域，在该领域中，例如，诸如水的流体可以用于储存热能。在很长的时间段中以很大程度保存水的热能，其中传导性是热传递的主要原因。在这样的应用中，可以通过从储存器的一个水平中取出冷水，在热交换器中加热所取出的水并且接着将加热的水在具有相应温度的水平处返回到储存器来对储存器充能。对于放能，热水被从储存器中取出，在热交换器中进行冷却并且在具有相应温度的水平处被返回到储存器。在这种类型的应用中，当向储存器供应水时保持具有不同温度的水未被混合，即，保持分层原封不动是重要的。因而，当向储存器供应水时使在能量储存器中产生尽可能小的扰流是重要的。
发明内容
根据本发明的一方面的目的是提供一种喷嘴，其减少在例如热能储存器内的扰流混合的发生，因而降低了总的热有效能损耗。在此背景下，最关键的情况是将流体分配到停滞的流体体积中。
根据本发明的第一方面，通过用于分配具有一定速度的流体的喷嘴来实现这些目的，该喷嘴界定了多个流动通道，多个流动通道中的每个流动通道具有被设置为接收来自管道的流体的入口和一个出口，多个流动通道中的至少一个流动通道是中心流动通道，且多个流动通道中的至少第一流动通道和第二流动通道是外侧流动通道，外侧流动通道的出口被设置在中心流动通道的出口的两侧上，第一外侧流动通道的入口包围中心通道的入口，且中心通道的入口包围第二外侧流动通道的入口，第二外侧流动通道具有小于出口区域的入口区域，入口的中心轴实质上垂直于出口的中心面。
通过具有小于同一通道的出口区域的通道的入口区域，相较于流出出口的流体速度，入口接收的流体具有更大的速度。根据本发明的流动通道被设置成使得具有最高速度的流体部分从中心流动通道的出口流出，且具有最低速度的流体部分从第一外侧流动通道和第二外侧流动通道的出口流出。第一外侧流动通道的出口沿着入口的中心轴被设置在中心流动通道的出口之上。第二外侧流动通道的出口沿着入口的中心轴被设置在中心流动通道的出口之下。因此，经由出口从喷嘴流出的流体流可以具有中心部分与外侧部分，中心部分具有高的流动速度且外侧部分具有低的流动速度，外侧部分围绕中心部分使得流可产生低的扰流流动。这是有利的，因为如果流体被分配到停滞的流体体积中，则在从中心流动通道的出口流动的流体与从第一外侧流动通道和第二外侧流动通道的出口流动的流体的界面中允许的扰流不会扰乱停滞的流体体积。
在本发明的另一个实施例中，喷嘴还可以包括：沿着入口的中心轴延伸的外侧圆柱形壁，内侧圆柱形分隔壁以及外侧圆柱形分隔壁，所述壁沿着入口的中心轴延伸，内侧圆柱形分隔壁被外侧圆柱形分隔壁包围，外侧圆柱形分隔壁被外侧圆柱形壁包围，中心通道形成在外侧分隔壁与内侧分隔壁之间，第一外侧流动通道形成在外侧壁与外侧分隔壁之间，且第二外侧流动通道形成在内侧分隔壁的内部。
当在环形管道上安装喷嘴时，环形壁尤其有用。相较于使用具有相等的横截面面积的非环形管道，通过使用环形壁，流体可以以更高的速度流经喷嘴。本实施例的另一个优点是，可以使用具有更小直径的环形壁，产生更具成本效益的喷嘴。
根据本发明的另一实施例，喷嘴还可以包括：内侧分隔壁，其相较于外侧分隔壁沿着入口的中心轴延伸得更远；外侧分隔壁，其相较于外侧壁沿着入口的中心轴延伸得更远。
根据又一个实施例，喷嘴还可以包括：第一外侧流动通道的出口，其由外侧壁的端部与从外侧分隔壁的端部在实质上垂直于外侧分隔壁的方向上延伸的第一凸缘界定；中心流动通道的出口，其由第一凸缘与从内侧分隔壁的端部在实质上垂直于内侧分隔壁的方向上延伸的第二凸缘界定；第二外侧流动通道的出口，其由第二凸缘与沿着入口的中心轴被放置在第二凸缘之下的底板界定，底板实质上垂直于入口的中心轴延伸。
根据本发明的实施例，入口的尺寸与出口的尺寸之间的关系使得流出第一外侧流动通道和第二外侧流动通道的每个出口的流体速度实质上低于流出中心流动通道的出口的流体速度。在一个实施例中，流出第一外侧流动通道和第二外侧流动通道的每个出口的流体速度是流出中心流动通道的出口的流体速度的一半。因此，可实现在流体与向其中分配流体的停滞的流体体积之间的低的扰流流动。
根据本发明的又一个实施例，第一外侧流动通道具有小于出口区域的入口区域。中心流动通道也可以具有小于出口区域的入口区域。如前所述，具有小于入口区域的出口区域的影响是，从出口流出的流体速度低于入口所接收的流体速度。通过对喷嘴的各自的入口和出口设定尺寸，可实现流出各自的出口的流体的期望速度。
根据本发明的另一个实施例，第一外侧流动通道的出口区域小于第二外侧流动通道的出口区域。这在流经第一外侧流动通道的流体速度小于流经第二外侧流动通道的流体速度但期望流出各自的流动通道的流体速度相等时可以是有利的，
喷嘴还可以包括沿着入口的中心轴延伸的至少一个子分隔壁，所述子分隔壁被配置为将多个流动通道中的每个流动通道划分成至少两个实质上相等尺寸的子流动通道。喷嘴还可以包括被设置成互相垂直的第一子分隔壁和第二子分隔壁。这些子分隔壁用于实现对从喷嘴流出的流体的更均等的径向分布，使得不出现水平喷射力。根据本发明的实施例，喷嘴被连接到伸缩管。这在喷嘴被用于在(例如能量储存器中的)多个水平处分配流体时可以是有利的。
根据本发明的第二方面，本发明提供对根据本发明的第一方面的喷嘴的使用，该喷嘴用于将具有一定速度的流体分配到另一个实质上停滞的流体体积中。
根据本发明的实施例，流体具有第一温度，并且其中流体被分配到实质上停滞的流体体积中的具有相等的第一温度的层。
第二方面通常可以与第一方面具有相同的优点。
通常，除非本文另有明确规定，否则权利要求中使用的所有术语将根据其在本技术领域中的普通含义进行解释。除非另有明确陈述，否则对“一种(a)/一种(an)/所述(the)(元件、设备、组件、构件等)”的所有提及将被开放地解释为指所述元件、设备、组件、构件等中的至少一个示例。除非明确陈述，否则本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的精确顺序执行。
附图的简要说明
现在将参考示出本发明的当前优选的实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其它方面。
图1是根据本发明的实施例的喷嘴的透视图。
图2是沿着图1的线II-II截取的横截面。
图3是图1的喷嘴的横截面的透视图。
图4是根据本发明的实施例的喷嘴的透视图。
详细描述
当诸如水的流体在各层之间的混合保持为最小的平行层中流动时，出现低的扰流流动。在热能储存器中，实质上停滞的流体体积被用于储存热能。流体体积包含流体层；每层包含具有实质上相等的温度的层。当向储存器提供流体例如以便对储存器增加新的能量时，将这些层的混合保持为最小是重要的。通过在相关层(例如，具有与所提供的流体的温度相等的温度的流体的层)中提供流体使得所提供的流体的与已经存在的流体体积接触的部分具有低的速度，可以实现低的扰流流动。使得流动较少扰流的这种流动的流动型态可确保能量储存器中的流体的不同温度层以很大程度保持原封不动。通过使用根据本发明的喷嘴，可以实现这种流动。
图1示出了喷嘴100的透视图。喷嘴100包括外侧圆柱形壁110。外侧圆柱形壁110可以为管道的端部部分，其中喷嘴100从该管道接收流体。在另一个实施例中，外侧圆柱形壁是耦合到管道的单独部分。外侧圆柱形壁110包围外侧圆柱形分隔壁120。凸缘122从外侧圆柱形分隔壁120的端部沿圆周凸出。在一个实施例中，凸缘122的外径与外侧圆柱形壁110的外径相等。外侧圆柱形分隔壁120包围内侧圆柱形分隔壁130。凸缘132从内侧圆柱形分隔壁130的端部沿圆周凸出。在一个实施例中，凸缘132的外径与外侧圆柱形壁110的外径以及凸缘122的外径相等。在第二凸缘之下放置了底板140。底板140可以通过不扰乱流经喷嘴的流体的金属板(未示出)，或通过本领域技术人员容易知晓的一些其它合适的固定构件来固定到第二凸缘132。底板140还可以被固定到喷嘴100的其它部分。底板140的外径可以与上述的直径相等。在喷嘴100的另外的实施例中，直径可以不同。
凸缘与壁之间的角度优选为正交的。此外，该角度可以更尖锐以便进一步促进流体的水平分配。
因此，流动通道径向引导流动使得从喷嘴流出的流体实质上垂直于被喷嘴接收到的流体。其影响是，流体可以在沿着入口的中心轴的垂直方向上被喷嘴接收，且在沿着出口的中心面的水平方向上流出喷嘴。换句话说，流动通道可因此被配置为以径向方式，例如在喷嘴的出口的所有水平方向上引导流体。使流体沿所有水平方向流出喷嘴的优点在于，这可以降低使喷嘴外部(例如能量储存器中)的现存流体的任何层混合的风险。另一个优点在于，该结构不包含可能导致压力下降的任何小喷嘴、网格或网。此外，不需要大的锥体或类似物来减小进入停滞的体积的流体的速率，其中这些锥体仅使用圆周的一部分来分配和/或具有大于接收管的几何结构，这导致安装复杂。
喷嘴100的直径取决于将使用其的储存器的尺寸。如果储存器为较小的热水储存贮水池，则直径可以例如小至40毫米。如果储存器是较大规格的能量储存器，则直径可以例如大至2米。
喷嘴100的不同部分优选由相同类型的金属来构造以避免电偶腐蚀。金属可以例如为不锈的以便增加金属的耐用性。可选地，喷嘴由塑料或陶瓷材料构成。
第一外侧流动通道150形成在外侧壁110与外侧分隔壁120之间。第一外侧流动通道150具有由外侧壁的端部112与第一凸缘122界定的出口152。出口152因此围绕外侧圆柱形分隔壁120沿圆周延伸。中心流动通道160形成在外侧分隔壁120与内侧分隔壁130之间。中心流动通道160具有由第一凸缘122与第二凸缘132界定的出口162。出口162因此围绕内侧圆柱形分隔壁130沿圆周延伸。第二外侧流动通道170形成在内侧分隔壁130的内部。第二外侧流动通道170具有由第二凸缘132与底板140界定的出口172。因此，除了上述底板140的固定构件(未示出)之外，出口172为敞开的圆周空间。喷嘴中的流动通道150、160、170用于引导流体流动并且还用于控制流出通道150、160、170的出口152、162、172的流体速度。
喷嘴100还可以用于汲取流体，例如用于从能量储存器中取出能量。为了能够有效地汲取流体，当流体被汲取通过喷嘴100并进入到管道中时减小流体的压降是重要的。压降是由流体流经喷嘴100时在流体上的摩擦力引起的。包含许多管配件与接头、管沟会聚度、发散度、转向、表面粗糙度以及其他物理特性的管网(piping network)将影响压降。此外，在大气压力下使用泵汲取具有接近100℃的温度的流体(水)可能导致泵中和沸腾流体中的空隙现象。因此，喷嘴100优选被设计为稀疏的几何结构使得减小压降并使得其非常适合于取出流体。
喷嘴100的示例性的实施例包括两个外侧流动通道150、170。在另外的实施例中，喷嘴100可以包括诸如任意数量的外侧流动通道，例如四个或六个。
图2示出了沿着图1的线II-II截取的横截面视图且示出了外侧壁110、外侧分隔壁120与内侧分隔壁130之间的示例性比例。外侧壁110和外侧分隔壁120界定第一外侧流动通道150的入口210。入口具有区域215。外侧分隔壁120和内侧分隔壁130界定中心流动通道160的入口220。入口220具有区域225。内侧分隔壁130界定第二外侧流动通道170的入口230。入口具有区域235,。不同壁110、120、130的厚度在本实施例中是类似的但在另外的实施例中可以不同。例如，如果外侧壁110是将流体导向喷嘴的管道的一部分，则由于管道的特性和对管道的要求，外侧壁可以比分隔壁120、130厚。
图3示出了图1的喷嘴的横截面的透视图。图3示出了喷嘴100的出口区域a1、a2、a3的比例。如上所述，喷嘴100可将具有一定速度的流体以非扰流的方式分配到实质上停滞的流体体积中。流体经过出口152、162、172的流出速度取决于流体进入相应的入口、入口210、220、230的区域215、225、235以及出口152、162、172的区域a1、a2、a3的速度。
流动通道150、160、170的入口210、220、230接收的流体速度取决于连接到喷嘴100的管道的特性。在非常短的管道中，流动流体的速度实质上在管道的整个横截面上是相等的。在较长的管道中，流体的速度型态看起来像锥体。在管道的中心流动的流体的一部分将具有最高的速度。更靠近管道的壁流动的流体的一部分将具有较低的速度。流体越靠近壁流动，其获得的速度越低。
如上所述，由于管道中的流体速度不是恒定的，必须以合适的方式使区域a1、a2、a3适合于实现低的扰流流动。例如公知的是，较大的出口区域提供较低的出口速度。任何管道配件和接头、管沟会聚度、发散度、管道的转向或类似也将影响流体的速度型态。因此优选地使喷嘴100的尺寸适合于其将连接到的管道。换句话说，优选地使喷嘴100的尺寸适合于喷嘴100接收的流体的速度型态。喷嘴100利用少量的元件来形成具有三个流动通道150、160、170的喷嘴100。这实现了具时间效益和成本效益的制造工艺。喷嘴100的设计还允许在制造喷嘴时对流动通道150、160、170的尺寸的简单修改，使得其容易针对不同的条件制造喷嘴以及制造具有不同规格的喷嘴。
从外侧流动通道150、170流出的流体的目的是将实质上停滞的流体体积与从中心流动通道160流出的流体屏蔽，直到从中心流动通道160流出的流体被减速到足够使得在其与实质上停滞的流体体积直接接触时扰流混合被减小。如前所述，使用喷嘴100来将流体分配到实质上停滞的流体体积中的优点是，停滞的流体体积与分配的流体之间的任何扰流混合被保持为最小。通过允许来自出口162的分配的流体的中心部分与来自出口152与172的同一流体的外侧部分之间的扰流，但保持外侧部分与停滞的流体体积之间的扰流最小来实现该优点。这通过喷嘴100来实现，喷嘴100分配相较于中心部分的速度具有实质上较低速度的流体的外侧部分。从外侧流动通道150、170流出的流体速度应该足够高，但不能高过太多，以便实现该目的。换句话说，流出外侧流动通道的流体速度应该尽可能接近零，但仍然具有足够的速度以将实质上停滞的流体体积与从中心流动通道160流出的流体屏蔽，直到从中心流动通道160流出的流体被减速到足够使得在其与实质上停滞的流体体积直接接触时将任何扰流混合保持为最小。
图4示出了根据本发明的实施例的喷嘴100的透视图。喷嘴100的该实施例包括两个子分隔壁410、420。子分隔壁410、420是平坦的且从喷嘴的上部延伸到底板140，使得入口210、220、230与流动通道150、160、170的每个被分成四个相等的部分。提供板430以将喷嘴100安装到管道。子分隔壁将流体流动分成子流动，这可以对实现来自喷嘴的流体在所有方向上的更均等分配的流出量是有利的。子分隔壁410、420的数量在另外的实施例中可以多于两个。
本领域技术人员应认识到，本发明绝不受限于上述实施例。而是，在所附权利要求的范围内的许多修改和改变是可能的。例如，如果优点是使从出口162流出的流体到达远离喷嘴100之处，则出口162的区域a2可以小于相应的入口区域225。
具有多个外侧流动通道(来自其的流体的流动速率降低)可以进一步减小扰流混合，其有利的原因在于中心流动的速率可以更高，其中最接近中心流动通道的外侧流动通道具有最高的速率。

Claims (13)

1.一种用于分配具有一定速度的流体的喷嘴(100)，所述喷嘴(100)界定了多个流动通道(150、160、170)，所述多个流动通道(150、160、170)中的每个流动通道具有被设置为接收来自管道的流体的入口(210、220、230)和出口(152、162、172)，
所述多个流动通道(150、160、170)中的至少一个流动通道是中心流动通道(160)，且所述多个流动通道(150、160、170)中的至少第一流动通道和第二流动通道是外侧流动通道(150、170)，所述外侧流动通道(150、170)的出口(152、172)被设置在所述中心流动通道(160)的出口(162)的两侧上，
所述第一外侧流动通道(150)的入口(210)包围所述中心通道(160)的入口(220)，且所述中心通道(160)的入口(220)包围所述第二外侧流动通道(170)的入口(230)，
所述第二外侧流动通道(170)具有小于出口区域(a3)的入口区域(235)，
所述入口(210、220、230)的中心轴实质上垂直于所述出口(152、162、172)的中心面。
2.根据权利要求1所述的喷嘴(100)，还包括：
外侧圆柱形壁(110)，其沿着所述入口(210、220、230)的中心轴延伸；
内侧圆柱形分隔壁(130)及外侧圆柱形分隔壁(120)，所述壁(130、120)沿着所述入口(210、220、230)的中心轴延伸，所述内侧圆柱形分隔壁(130)被所述外侧圆柱形分隔壁(120)包围，所述外侧圆柱形分隔壁(120)被所述外侧圆柱形壁(110)包围，
所述中心通道(160)形成在所述外侧分隔壁(120)与所述内侧分隔壁(130)之间，
所述第一外侧流动通道(150)形成在所述外侧壁(110)与所述外侧分隔壁(120)之间，以及
所述第二外侧流动通道(170)形成在所述内侧分隔壁(130)的内部。
3.根据权利要求2所述的喷嘴(100)，还包括：所述内侧分隔壁(130)，其相较于所述外侧分隔壁(120)沿着所述入口(210、220、230)的中心轴延伸得更远；所述外侧分隔壁(120)，其相较于所述外侧壁(110)沿着所述入口(210、220、230)的中心轴延伸得更远。
4.根据权利要求2或3所述的喷嘴(100)，还包括：所述第一外侧流动通道(150)的出口(152)，其由所述外侧壁(110)的端部(112)与从所述外侧分隔壁(120)的端部在实质上垂直于所述外侧分隔壁(120)的方向上延伸的第一凸缘(122)界定；所述中心流动通道(160)的出口(162)，其由所述第一凸缘(122)与从所述内侧分隔壁(130)的端部在实质上垂直于所述内侧分隔壁(130)的方向上延伸的第二凸缘(132)界定；所述第二外侧流动通道(170)的出口(172)，其由所述第二凸缘(132)与沿着所述入口(210、220、230)的中心轴被放置在所述第二凸缘(132)之下的底板(140)界定；所述底板(140)，其实质上垂直于所述入口(210、220、230)的中心轴延伸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(100)，其中所述入口(210、220、230)的尺寸与所述出口(152、162、172)的尺寸之间的关系使得流出所述第一外侧流动通道(150)和所述第二外侧流动通道(170)的每个出口(152、172)的流体速度实质上低于流出所述中心流动通道(160)的出口(162)的流体速度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(100)，其中所述第一外侧流动通道(150)具有小于出口区域(a1)的入口区域(215)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(100)，其中所述中心流动通道(160)具有小于出口区域(a2)的入口区域(225)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(100)，其中所述第一外侧流动通道(150)的出口区域(a1)小于所述第二外侧流动通道(170)的出口区域(a3)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(100)，还包括沿着所述入口(210、220、230)的中心轴延伸的至少一个子分隔壁(410、420)，所述子分隔壁(410、420)被配置为将所述多个流动通道(150、160、170)中的每个流动通道划分成至少两个实质上相等尺寸的子流动通道。
10.根据权利要求9所述的喷嘴(100)，其包括被设置成互相垂直的第一子分隔壁(410)和第二子分隔壁(420)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(100)，其中所述管道是伸缩管。
12.一种根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(100)将具有一定速度的流体分配到另一个实质上停滞的流体体积中的用途。
13.根据权利要求12所述的用途，其中所述流体具有第一温度，并且其中所述流体被分配到所述实质上停滞的流体体积中的具有相等的所述第一温度的层。
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