CN105750111A

CN105750111A - 流体雾化喷嘴及具有该喷嘴的密度测定装置和干燥装置

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Publication number: CN105750111A
Application number: CN201610311620.6A
Authority: CN
Inventors: 李依真
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Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2016-07-13
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Also published as: CN107328688B; CN105750111B; CN107328688A

Abstract

流体雾化喷嘴及具有该喷嘴的密度测定装置和干燥装置。本发明的流体雾化喷嘴通过让流体沿雾化喷嘴侧壁的切线方向进入，扩大喷嘴内腔上下直径的比例，外加控制流体旋向，以及调整不同雾化喷嘴上单孔喷头的出口直径或数量、流体压力、流量等方法，使流体的旋转增加。当多流体角动量大小相等、方向相反时，既有利于强化流体之间的混合，又能克服一种流体沿切线方向进入喷嘴内腔的副作用，这对于提高火箭、喷气式飞机的燃料燃烧性能和推动力及其他要求雾化密度均匀的场合，产生积极作用；当需要“伞形”雾柱时，可控制多流体旋转相同，来实现增大颗粒粒径的功效。本发明无需添加转动部件，即可实现所需压力低限较小、使流体超高速旋转的功效。

Description

流体雾化喷嘴及具有该喷嘴的密度测定装置和干燥装置

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种高效、低阻力、旋速倍增的雾化喷嘴。

背景技术

雾化喷嘴的用途十分广泛，在工业、农业、国防等方面均有诸多应用领域，往往还属于关键设备。当前的雾化喷嘴结构，按雾化方式大体可分为四类：①单孔高压直喷雾化；②离心雾化喷嘴，一种是高压下，让流体1通过等径螺旋通道产生径向旋转后再与轴向直通过来的流体2混合雾化，或直接让流体1沿混合室侧壁的切线方向上的小孔进入流体混合室进行旋转混合雾化；③高压下，气体和液体均通过直通通道，但设置多个气体出口均布于液体出口周围、且出口方向与液体出口方向成相同锐角夹角，实现混合雾化；④借助于高速旋转的转盘或转轮、或转杯实现雾化。其中，①结构最为简单，但适用范围窄、压力损失大，“雾”的颗粒大小分布范围最宽；②适用范围宽、雾化效果好，但前者压力损失更大，后者因混合室的半径是喷嘴半径的数十倍而使流体离开喷嘴约束后，仍维持着较高的转速，而此因素会导致雾柱轴心的密度降低。③与②相比，虽然压力损失有所减小，但个数有限的气体出口必定使“雾”的颗粒大小分布范围变宽；④与②相比，适用范围更宽，所需压力小，“雾”的颗粒大小分布范围主要由转盘的转速决定，转速越高，“雾”的颗粒越小、且粒径分布范围越窄，缺点是需额外增加动力设备，特别是高转速时对设备的精度要求高，还存在轴密封的问题。

综上所述，对低粘度流体来说，现行离心式喷嘴虽具有一定优势，但其也有一个缺点，那就是喷雾流体旋转，虽然有利于与其它低密度流体混合，却不利于“雾”的均匀分布。而这一点对火箭、喷气式飞机来说，必然会降低其推动力。

其次，现有技术中还没有对喷嘴的喷雾密度进行较为准确的测定的技术手段，造成对喷嘴性能的评价缺乏全面的科学依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效、低阻力、流体超高速旋转，但又无需添加转动部件的静态喷嘴，其所需压力低限相对较小、“雾”的颗粒不但小而且粒径分布范围较窄、且雾的密度分布可控的一种雾化喷嘴。同时提供一种较为可靠的雾密度分布测定装置和方法，以及一种喷雾干燥装置。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种单流体高旋速雾化喷嘴，包括喷嘴本体以及安装在喷嘴本体上的多个单孔喷头，所述的喷嘴本体由圆柱状壳体Ⅰ、圆台状壳体、圆柱状壳体Ⅱ和圆锥状壳体上下依次对接组成，使喷嘴本体内形成一个总体呈上宽下窄的喇叭状腔体结构，所述圆柱状壳体Ⅰ内侧壁的上部刻有内丝螺纹，圆台状壳体的上底半径大于其下底半径，圆柱状壳体Ⅱ的外侧壁上设有外丝螺纹，圆锥状壳体的底部开设有一个雾化喷口，在圆柱状壳体Ⅰ侧壁的同一水平面上沿其圆周方向还均匀设置有多个丝口连接座，每个丝口连接座上均配合连接有一个用于向喷嘴本体的内部沿腔体切向输送待雾化流体的单孔喷头，且多个单孔喷头的末端通过连接管相互连通后，与一根高压流体管连接。

在喷嘴本体圆柱状壳体Ⅰ的顶部还安装有一个能够与其内侧壁上的内丝螺纹相配合的腔体密封丝盖。

在喷嘴本体的底部还安装有一个喷口帽，该喷口帽的外螺纹连接圆锥状壳体底部的内螺纹，并使圆锥状壳体内壁的下部末端与喷口帽内壁连接成一个上窄下宽的锥形通道结构，进而使喷嘴本体的下部形成一个拉瓦尔喷管结构，该拉瓦尔喷管结构具有减小阻力的作用。所述圆锥状壳体底部的外螺纹作为固定整个喷嘴的第二个选项。

一种双流体高旋速雾化喷嘴，包括两个上下依次设置的单流体高旋速雾化喷嘴，其中，上部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅱ上的外丝螺纹能够与下部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅰ上的内丝螺纹配合对接，使上部单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅱ、圆锥状壳体均套设在下部单流体高旋速雾化喷嘴的腔体内，并与下部单流体高旋速雾化喷嘴的内侧壁构成一个上端密闭的流体输入腔，该流体输入腔通过上部单流体高旋速雾化喷嘴的雾化喷口底端与下部单流体高旋速雾化喷嘴的雾化喷口顶端之间设置的出口间隙将其内部流体输出混合。该流体输入腔的出口与上部单流体高旋速雾化喷嘴的圆锥状壳体的出口以下区域及下部单流体高旋速雾化喷嘴的出口以上区域之间形成一个内混合腔，内混合腔的内壁下部与下部单流体高旋速雾化喷嘴的喷口帽的内壁连接成一个拉瓦尔喷管结构。

所述上下两个单流体高旋速雾化喷嘴的单孔喷头内所输送流体的旋向相反或相同，且下部单流体高旋速雾化喷嘴所输送流体的密度不大于上部单流体高旋速雾化喷嘴所输送流体的密度，两流体的流量可根据需要进行设置。

一种多流体高旋速雾化喷嘴，包括上下依次设置的多个单流体高旋速雾化喷嘴，在每相邻的两个单流体高旋速雾化喷嘴中，上部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅱ上的外丝螺纹能够与下部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅰ上的内丝螺纹配合对接，使上部单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅱ、圆锥状壳体均套设在下部单流体高旋速雾化喷嘴的腔体内，并与下部单流体高旋速雾化喷嘴的内侧壁构成上端密闭的流体输入腔，该流体输入腔通过上下两个单流体雾化喷嘴的雾化喷口之间设置的出口间隙将其内部流体输出混合；并且最上部的高旋速雾化喷嘴的喷口外径最小，在垂直方向上位置最高，第二个高旋速雾化喷嘴的喷口的内径大于最上部的高旋速雾化喷嘴的喷口外径，其在垂直方向上位置略低，如此，最后一个流体输入腔的出口与其相应上部单流体高旋速雾化喷嘴的出口以下区域及相应下部单流体高旋速雾化喷嘴的出口以上区域之间便形成了一个内混合腔，内混合腔内壁下部与相应下部单流体高旋速雾化喷嘴的喷口帽的内壁连接成一个拉瓦尔喷管结构。

所述的多个单流体高旋速雾化喷嘴中，所输送流体的密度从上到下依次减小，各个单流体高旋速雾化喷嘴的单孔喷头的旋向和流量，可以根据需要进行设置。

在单流体高旋速雾化喷嘴和多流体高旋速雾化喷嘴中，其位于最上部的单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅰ顶部还安装有一个腔体密封丝盖。

一种喷雾密度测定的装置，包块固定板、活动方盘、立柱、驱动装置和控制器，所述固定板的底部均匀设置有多个支脚螺栓，在固定板的上表面上沿其长度方向设置有两条导轨，在固定板上表面的中部，位于导轨的左右两侧对称设置有两根立柱，所述的立柱上设置有刻度线，在两根立柱之间设置有一根横梁，横梁的中部固定安装有一个待测雾化喷嘴，该雾化喷嘴能够随着横梁在两根立柱上实现上下来回移动，所述的立柱上还设置有用于固定横梁水平位置的固定锁紧装置；

所述的活动方盘设置在两条导轨上，活动方盘内在沿平行导轨方向和垂直导轨方向均匀设置有多个用于接收喷雾的梯形方杯，该梯形方杯内均设置有吸雾料，所述的控制器和驱动装置均安装在固定板的一端，驱动装置与活动方盘之间还连接有传动装置，所述的活动方盘能够在控制器、驱动装置和传动装置的共同作用下在两条导轨上来回移动，实现雾化喷嘴喷雾密度的测定。

一种喷雾干燥装置，设有一个柱状干燥塔，在该干燥塔的顶部安装有一个双流体高旋速雾化喷嘴，该双流体高旋速雾化喷嘴的底部雾化喷口穿设在干燥塔的顶端封板上，用于向干燥塔内喷射雾状流体，所述双流体高旋速雾化喷嘴的上部的单流体高旋速雾化喷嘴的单孔喷头与待干燥流体输送管连接，下部单流体高旋速雾化喷嘴的单孔喷头与压缩热空气输送管连接，在双流体高旋速雾化喷嘴的下方设置有一个圆筒状的分隔套筒，该分隔套筒的顶端固定在干燥塔的顶部封板上，分隔套筒的底端呈开口状结构，且该分隔套筒将其所在干燥塔的内部区域分隔成内腔和外腔两个腔室，在分隔套筒的顶端还设置有与外腔相连通的回流口，在外腔的下方连通有一个旋流腔，该旋流腔的侧壁上沿其圆周方向还均匀设置有多个用于向旋流腔内部沿腔体切向输送干燥气流的单孔喷头，该单孔喷头与压缩热空气输送管连接，所述旋流腔和双流体高旋速雾化喷嘴内流体的旋向均相同，所述旋流腔的下端与沉降室连通，沉降室的底端通过一个控制蝶阀与出料机的料斗连接。

所述的分隔套筒由上下两部分对接组成，其中，在靠近双流体高旋速雾化喷嘴的一端，呈上窄下宽的喇叭口状结构。

本发明的有益效果：

1．本发明的双流体高旋速雾化喷嘴可实现双流体的逆向旋转、混合，迫使居中的密度大的流体与居外的密度小的流体交换位置，从而达到物料充分混合的良好效果。

2．通过具有喇叭状腔体的高旋速雾化喷嘴的相互嵌套式设计，外加调整R₁与r₂的比值能够使流体的旋转速度呈几十倍、甚至数万倍地增加，与传统压力型雾化喷嘴相比，所需压力低限较低，动力消耗相对较小。无需另配动力，并能够获得雾滴粒径分布范围窄的高质量“雾”。

3、本发明的雾化喷嘴不需要转盘或转轮、转杯等机械搅拌装置，从而很好的避免了轴密封问题，尤其适合在较高温度条件下使用。

4、本发明的雾化喷嘴可以根据实际需要，方便地对若干个单流体高旋速雾化喷嘴进行组合，或在各个单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱形壳体Ⅰ上设置不同数目的单孔喷嘴，实现单流体、双流体及多流体在本发明内部高速旋转、碰撞混合和雾化。

5、本发明的喷雾密度测定装置能够很好的对雾化喷嘴所喷射雾的外形、喷射距离，以及雾的空间分布均匀性等指标进行测定。测定结果准确度高，这对于农药喷施的均匀性、燃料的燃烧性能，以及化工产品的喷雾干燥效果等，都具有实际的应用价值。

6、本发明的喷雾干燥装置，通过设置双流体高旋速雾化喷嘴，并调整干燥塔的结构，可以显著地提高单位塔容积的生产能力；同时使两流体不仅在垂直方向逆向运动，更重要的是让气、固相在水平方向产生旋转运动，因而具有一定的气、固相分离能力，同时也克服了“粘塔”的弊端。装置整体干燥速度快、动力资源消耗少，且产品颗粒小、粒径分布范围窄，干燥效果好。

附图说明

图1是本发明中单流体高旋速雾化喷嘴的结构示意图；

图2是图1的纵切面图；

图3是图2的局部放大结构示意图；

图4是本发明中双流体高旋速雾化喷嘴的结构示意图；

图5是图4的纵切面图；

图6是图5的局部放大结构示意图；

图7是图1和图4中沿AA’向的轴截面视图；

图8是图4中沿BB’的轴截面视图；

图9是本发明中多流体高旋速雾化喷嘴的纵切面结构示意图；

图10是图9的局部放大结构示意图；

图11是本发明中喷雾密度测定装置的结构示意图；

图12是本发明中喷雾干燥装置的结构示意图；

图中标记：1、单孔喷头，2、圆柱状壳体Ⅰ，3、圆台状壳体，4、圆柱状壳体Ⅱ，5、圆锥状壳体，6、内丝螺纹，7、外丝螺纹，8、雾化喷口，9、丝口连接座，10、连接管，11、高压流体管，12、腔体密封丝盖，13、喷口帽，14、流体输入腔，15、出口间隙，16、固定板，17、活动方盘，18、立柱，19、驱动装置，20、控制器，21、支脚螺栓，22、导轨，23、刻度线，24、横梁，25、待测定雾化喷嘴，26、梯形方杯，27、吸雾料，28、干燥塔，29、顶端封板，30、待干燥流体输送管，31、压缩热空气输送管，32、分隔套筒，33、内腔，34、外腔，35、回流口，36、旋流腔，37、沉降室，38、控制蝶阀，39、出料机，40、料斗，41、流体混合腔，42、外接丝口，43、针状阀，44、活接，45、滚轮，46、吸雾衬底，47、激光器，48、激光接受器Ⅰ，49、方杯固定座，50、喷嘴移动卡套，51、低密度流体压力管，52、高密度流体压力管，53、喷嘴移动卡套的固定螺栓，54、激光接受器Ⅱ，55、激光接受器Ⅲ，56、取样位，57、过渡位，58、传动蜗杆，59、水准器，60、微细颗粒、水蒸气流动方向，61、视镜，62、电动机，63、照明灯，64、产品颗粒沉降方向，65、微细颗粒和气流出口，66、离心分离罐接口。

具体实施方式

本发明的雾化喷嘴包括三种：

1、单流体雾化

在一个由圆柱状壳体Ⅰ围成的圆柱形空腔Ⅰ的下部连接一个上底直径与圆柱形空腔Ⅰ直径相同的圆台形空腔，圆台形空腔的下底直径仅为其上底直径的若干分之一，且圆台形空腔的下底又连接一个直径与圆台形空腔下底直径相同的小圆柱状壳体Ⅱ。圆柱状壳体Ⅱ的侧壁刻有外丝螺纹，其下部与一个一端开口、一端留有一个小孔的圆锥状壳体配合连接。在圆柱形壳体Ⅰ的侧壁设有若干个普通单孔喷头的丝口连接座，丝口连接座的内腔可以容纳普通单孔喷头的头部，并使普通单孔喷头的喷嘴部与圆柱形空腔的内腔相通，普通单孔喷头的尾部与高压流体管连接。圆柱状壳体Ⅰ的上部内侧刻有内丝螺纹，被一个刻有外丝螺纹的丝头腔体密封丝盖配合密封。

在喷嘴本体圆锥状壳体底部还安装有一个喷口帽，该喷口帽的外螺纹连接圆锥状壳体底部的内螺纹（圆锥状壳体底部的外螺纹作为固定喷嘴的第二个选项），并使圆锥状壳体内壁的末端与喷口帽内壁连接成一个拉瓦尔喷管结构。如此便构成了本发明的单流体雾化喷嘴。

单流体高旋速雾化喷嘴属于外混式喷嘴，流体从单流体高旋速雾化喷嘴喷出后，便失去了喷口帽的约束，旋转产生的离心力以及流体高速运动时其内部的压力小于其周围空气的静压力，液柱必定旋转着发散喷出，空气也必定混入其中形成喷雾。但此种喷嘴喷出的雾，由于旋转的密度较大的流体脱离喷嘴的约束后，势必向其前进方向的四周发散运动，而喷嘴周围静止的空气的浸入虽然有利于雾的形成，但对密度较大的流体雾粒的约束能力是比较有限的。因而造成雾的直径大、喷射距离近、中轴线附近雾的浓度低。因此，这种喷嘴的最大优点是雾化所需压力低限较低，只适用于对雾的均匀度要求不高的场合。

2、双流体内混雾化

用两个单流体高旋速雾化喷嘴，把上部的单流体高旋速雾化喷嘴去掉喷口帽，并延长其圆锥状壳体的锥高，把下部单流体高旋速雾化喷嘴去掉其上部的丝头腔体密封丝盖，并与上部单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅱ的外丝连接，让下部单流体高旋速雾化喷嘴的外壁和下锥口内径比上部单流体高旋速雾化喷嘴的外壁和下锥口外径大一些，最终使上部单流体高旋速雾化喷嘴的圆锥状壳体端部、下部单流体高旋速雾化喷嘴的圆锥状壳体端部与下部单流体高旋速雾化喷嘴的喷口帽上部形成一个混合空间。如此便构成了本发明的双流体高旋速雾化喷嘴。

双流体雾化喷嘴属于内混式雾化喷嘴，当两流体的旋转方向相反且它们的角动量之和等零时，不但喷雾距离远，而且雾密度也均匀。这是因为，高密度流体从其上部单液体高旋速雾化喷嘴喷出后，虽然失去了其圆锥状壳体下口的约束，但立即遇到了旋转方向相反的密度相对较小的流体的“制旋”作用。这种作用不但会大幅度地促进两流体的混合，而且会迅速降低它们的旋转速度。这样，混合后的流体，实际上就是高压、高密度的“雾”，在压力作用下便会沿喷嘴轴线方向从喷嘴喷出。喷出的高压、高密度雾，在其内部高压及喷嘴外静态空气的联合作用下，虽然雾柱的直径也会随着喷射距离的增加而扩大，但因雾的颗粒几乎失去了旋转速度，因而也失去了旋转引起的这部分径向运动的动力。而这一点对增加火箭、喷气式飞机的推动力、对喷雾消尘等都是非常有利的。在另一些场合，例如喷雾干燥液体产品，需要较大的固体产品颗粒，就可以让二流体同向旋转，虽然混合效果差一些，雾滴粒径分布范围宽，但非如此难以获得较大的固体颗粒产品。

3、多流体内混雾化

依照本发明双流体高旋速雾化喷嘴的制作方法，在上下两个单流体高旋速雾化喷嘴之间，再套接若干个单流体高旋速雾化喷嘴，并从上到下依次调整单流体高旋速雾化喷嘴的圆锥状壳体的锥高和下锥口的外径和内径，使它们的下端部依次在垂直方向向下延伸，与最后一个单流体高旋速雾化喷嘴的喷口帽形成一个混合空间，并让下部单流体高旋速雾化喷嘴的内壁比上部的单流体高旋速雾化喷嘴的外壁大一些，形成各自的流体输入腔，如此便构成了本发明的多流体高旋速雾化喷嘴。

多流体高旋速雾化喷嘴，特别是三流体高旋速雾化喷嘴，有非常广泛的用途。许多工业产品的喷雾干燥，我们可以先让待干燥流体、空气（对产品惰性）、热空气，自里向外依次通过多流体高旋速雾化喷嘴。至于各流体的旋转方向，应根据具体情况而定，定的原则是若要雾的密度均匀、喷射距离远，则让各流体的角动量之和尽量接近零。否则，应使各流体的旋转方向相同，但大小应有不同的差值，难混合的差值大一些，易混合的差值小一些。例如：在使用三流体雾化喷嘴喷雾干燥产品时，可以先让待干燥流体、空气（对产品惰性）、热空气，自里向外依次通过三流体雾化喷嘴。其中，第一、二流体的旋转方向相反，至于第三流体的旋转方向，应根据具体情况而定。定的原则是：若要产品颗粒细小，则让第一流体的颗粒的旋转速度尽量接近零。这种干燥方式不但干燥速度快、节约动力资源，而且产品颗粒小、粒径分布范围窄；若要产品颗粒大，则应让三流体旋向相同，使形成“伞状”雾柱。

本发明的流体高旋速雾化喷嘴的连接管可以是硬质管，也可以是软质管，具体选择可视情况而定，在硬质管上可设置多个活接44进行管道之间的连接。

本发明的基本原理如下。

使用双流体或多流体高旋速雾化喷嘴时，自里向外依次通入密度逐步减小的流体。本发明工作时，密度不同的流体在压力作用下，经它们各自的普通单孔喷头喷出，迫使流体在各自的本发明的单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅰ中以一定转速旋转，并向各自的本发明单流体高旋速雾化喷嘴的圆锥状壳体的下口方向移动。当整个系统达到稳定平衡后，即输送动力与阻力相等时，可以认为流体质点所受合外力为零，此时，根据角动量守恒定律存在如下关系

L=mR₁ ²ω₁=mr₂ ²ω₂=定值①

或L=mv₁R₁=mv₂r₂=定值②

其中，L为流体质点的角动量，m为流体质点的质量，R₁为圆柱状壳体Ⅰ的轴截面半径，r₂为圆锥状壳体出口处的半径，ω₁为流体在圆柱状壳体Ⅰ中的转速、ω₂为流体在圆锥状壳体出口处的转速，v₁为流体在圆柱状壳体Ⅰ中的线速度、v₂为流体在圆锥状壳体出口处的线速度。

由①式可得ω₂/ω₁=（R₁/r₂）²③

由②式可得v₂/v₁=R₁/r₂④

由于R₁是r₂的数十倍（甚至更高），因此，由③式可知ω₂是ω₁的数十的平方倍，由④式可知，v₂是v₁的数十倍，这表明，本发明对流体转速和线速度均具有显著的倍增作用。

对双流体高旋速雾化喷嘴而言，第一流体与第二流体接触后，若它们的旋转方向相反，按照相对运动的观点，相当于把第一流体的旋转速度提高了几乎一倍，这将非常有利于它们的均匀混合。而相对于本发明喷嘴外的空气，二流体混合后的旋转速度又几乎趋于零，而这又有利于雾柱喷的更远，从而消除了被雾化流体旋转引起的雾的喷射距离近、雾密度不均匀等副作用。

在流体通过本发明的过程中，阻力主要来自普通单孔喷头的出口直径和本发明的喷嘴直径，由于本发明可以根据需要设置多个普通单孔喷头，因此这部分阻力的总和显然是单个普通喷嘴的几分之一。也就是说本发明的阻力要比第②类雾化喷嘴小得多，比第③类喷嘴的雾滴粒径分布窄的多，与第四类喷嘴相比，只需让各流体旋转方向相同，而不需要另加动力，当然也不存在漏液（或漏气）等问题。总之，本发明所需的雾化压力低限较低，且不需要另配动力。

实际上，龙卷风就是本发明的一个相似但又有区别的模型。当高空旋转空气流的旋转半径为几百公里甚至几千公里时，其绕其中心的转速、流速都是很小的，高空的低温环境使其密度增加、下沉，同时又受其周围的高压空气挤压使其旋转半径逐步减小，按角动量守恒原理，旋转空气绕其中心的转速、流速不断增加，最终形成龙卷风。与龙卷风不同的是，本发明有持续的高压推动力，因而可以稳定、连续的工作，而龙卷风的能量受其内部及其周围空气的阻力作用，需不断消耗能量，但却得不到补充，因此一旦消耗完毕，龙卷风便告终止。

本发明与龙卷风不同的是，本发明对流体的约束是刚性的，因此流体在下行的过程中随着旋转半径的减小，不但旋转速度会增加，而且垂直流速也会增加。当密度较大的流体运动到其圆锥状壳体的出口后，突然失去约束，因此流体在向下运动的同时，旋转产生的离心力将使其沿圆锥状壳体的下底内壁的切线方向运动，而此时，其外侧的、以相反（或相同）方向旋转的密度较小的流体，仍受着刚性约束，密度较大的流体的侵入，将迫使密度较小的流体向轴心运动，若它们的旋转方向相反，很显然，这非常有利于流体的混合、雾化。

下面结合附图，以双流体为例进一步说明本发明的实施方法。

如图所示，开启针状阀43，分别通过上下两个单流体高旋速雾化喷嘴的连接管和普通单孔喷头向双流体高旋速雾化喷嘴内输送高密度流体和低密度流体，由于双流体高旋速雾化喷嘴的两个腔体的出口较小，高、低密度流体将在各自的腔中蓄积，并很快充满、旋转、增压，最终达成稳定平衡。

高密度流体向下运动，当到达其出口时，根据角动量守恒原理，流体的转速将增加到其原来的（R₁/r₂）²倍。接着进入流体混合腔41，密度较大的流体突然失去约束，其在向下运动的同时，旋转产生的离心力将使其沿高密度流体出口的内壁的切线方向运动。与此同时，其外侧的密度较小的流体，仍受着刚性约束，密度较大的流体的侵入，将迫使同样已经大幅增加旋转速度的低密度流体向轴心运动。若高、低密度流体旋转方向相反，则它们在流体混合腔41中迅速混合的同时，将使自己的转速迅速降低，并形成高压、高密度雾。高压、高密度雾在压力作用下，从本发明最下端的雾化喷口喷出。由于高、低密度流体已经基本失去了旋转速度，高压、高密度雾的喷出方向必为本发明的轴线方向。高压、高密度雾通过本发明最下端的雾化喷口后将彻底失去本发明雾化喷嘴的约束，在其后续压力、内部的高压以及雾化喷口8外围静态空气的共同作用下，高压、高密度雾将一边膨胀，一边向前方迅速运动，在雾柱轴截面内形成密度比较均匀的雾。

虽然不同的工况对雾的性能要求不同，但对雾的外形、喷射距离、粒径大小及分布，以及雾的空间分布均匀性等指标，一直是评判雾化喷嘴性能的重要指标。相对而言，雾的外形、喷射距离的测定比较容易；粒径大小及分布，尽管各种测定方法的测定结果差别较大，还需要继续探索，但毕竟已有不少方法；然而对雾的空间分布均匀性，至今尚没有一套准确可靠的测定方法。而雾的空间分布均匀性，无论是对农药喷施的均匀性、燃料的燃烧性能，以及化工产品的喷雾干燥效果等，都有重要影响。

为了准确评价本发明雾化喷嘴的性能，特设计了喷雾密度测定装置，其中控制器的按键/开关功能如下表（时间设置以及控制器的电器原理属于常规技术，不赘述）。

其操作方法如下：

1、准备好喷雾设备和本发明的喷雾密度测定装置，一边观察水准器59，一边调整下部的六个支脚螺栓21，方法是先让近人居中和远人居边的支脚螺栓悬空，而后调整其余的三个支脚螺栓，使固定板16水平后，再让悬空的支脚螺栓持力但不影响固定板16水平。

2、把本发明的待测定雾化喷嘴25固定到立柱14的刻度a11，移开梯形方杯26，在活动方盘17中铺上测量纸Z11，打开控制器20的电源，选空白档后，按启动按钮，当活动方盘17复位后，度量Z11上与导轨22垂直方向上的润湿尺寸，即为刻度a11处的雾柱直径D11，把本发明的待测定雾化喷嘴25固定到立柱14的刻度a12，重复上述过程，可测得a12、D12，……

3、将本发明的待测定雾化喷嘴25旋转90°，重复第2步，可以测得a21、D21，a22、D22，……。

4、根据测得的雾柱在刻度线23上的某一位置的直径，确定本发明待测定雾化喷嘴25在刻度线23上的某个具体位置（记为K₁），并固定喷嘴移动卡套50上设置的喷嘴移动卡套的固定螺栓53；根据测得的雾柱在该位置的直径以及梯形方杯26的上口边长设置活动方盘17内方杯固定座49上需要装卡的梯形方杯26的个数，务必使单行（或列）的梯形方杯26的边长总和大于雾柱在该位置的直径。

5、给各个梯形方杯26及其盖子依次编号、称重，并记为H_i0（i为列编号，下同）和S_j0（j为行编号，下同），而后去盖后将它们复位。

6、打开控制器20的电源开关，空白/测定开关置于“空白”位，重新喷雾，待喷雾稳定后，按以下启动按钮，驱动装置18，即电动机正转，活动方盘17正向向左运动，到达过渡位57后，电动机反转使其又回到原位，停止喷雾，对梯形方杯26进行带盖称量，记为H_i1和S_j1。

7、将梯形方杯26复位后，空白/测定开关置于“测定”位并设置测定时间t，重新喷雾，待喷雾稳定后，按下启动按钮，电动机正转，活动方盘17正向向左运动，到达过渡位57后，电动机反转使其回到取样位，电动机停转，计时开始。

8、当到达设定时间后，电动机启动并继续反转，同时接通激光接受器Ⅰ48，当活动方盘17回到原位后，停止喷雾、关闭控制器电源，并把各个梯形方杯26的盖子盖上，对梯形方杯26进行带盖称量，记为H_i2和S_j2。

9、计算△H_i=（H_i2-2（H_i1-H_i0））/t和△S_i=（S_i2-2（S_i1-S_i0））/t，则△H_i和△S_j就能够反映雾柱在K1截面（垂直于雾柱轴向）上的密度分布情况。

10、把本发明的待测定雾化喷嘴25在刻度线84上另换一个位置（记为K₂），重复4～9步，便又可以得到一组数据，如此测定K_i个位置，便可以绘制出所测雾柱在互相垂直的两个径向的密度分布曲线。

应当指出，若将活动方盘17中布满梯形方杯26，用上述方法则可以绘制出雾柱在三维空间密度分布；梯形方杯26的边长越小，测定结果的精度也越高。

喷雾密度测定装置中梯形方杯26内设置的吸雾料27可以为常温常压下不吸潮的无机盐，例如氯化钠和硫酸钡的粉末混合物。活动方盘17内设置的吸雾衬底46材料可以为尿不湿（聚丙烯酸甘油缩聚物）；在雾化喷嘴喷出的是油性雾时，吸雾衬底46材料可以为石棉布浸渍固体石蜡(加热熔化)，吸雾料27的材料可以为碳酸钙粉末浸渍固体石蜡。

运用上述喷雾密度测定方法，对本发明的单流体高旋速雾化喷嘴和双流体高旋速雾化喷嘴的喷雾密度在与雾柱轴垂直的横、纵两个方向上的分布情况进行了测定，结果如表1、2、3。

表1轴向距本发明的单流体喷嘴出口3.5cm处（雾柱截面直径160cm）的雾密度分布测定结果

备注：①小型洗车泵供水，压力0.8MPa，流量32L/min

②普通喷嘴4个，出口直径4mm（下同）

③本发明单流体喷嘴的直径200mm，圆柱状壳体Ⅱ的直径8mm。

由表1数据可以看出，本发明的单流体喷嘴Ⅰ的“雾柱”呈伞状分布，“伞柱”附近的雾密度明显偏低，尤其是“雾柱”的顶角很大，只有在距离喷嘴3.5cmc处，才得到测定。若只考虑2～36号梯形方杯，△H_i、△S_j的平均相对误差分别为73.0%和61.2%，但比较与“伞柱”距离相同的地方的雾密度，它们的误差并不大。

表2轴向距本发明的双流体喷嘴出口112cm处（雾柱截面直径80cm）的雾密度分布测定结果

备注：

①小型洗车泵供水，压力0.8MPa，流量32L/min，空压机供气，压力0.8MPa，流量300L/min；

②普通单孔喷头8个，出口直径，高、低密度流体分别为4mm、8mm；

③本发明的双流体雾化喷嘴，高低密度流体的两个腔室的直径，即R1和r2

分别为440mm和200mm，上部单流体高旋速雾化喷嘴和下部单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅱ的直径分别为8mm和14.6mm。

表3轴向距本发明的双流体喷嘴出口168cm处（雾柱截面直径120cm）的雾密度分布测定结果

备注：

由表2数据可以看出，本发明的双流体喷嘴的“雾柱”呈喇叭形分布，若仅就编号为4～18的梯形方杯26来看，虽然雾柱轴心（11号梯形方杯）的雾密度稍大一些，总体来看“雾”的分布还是基本均匀的，△H_i、△S_j的相对误差分别为2.8%和2.4%之间。这充分证明，本发明的双流体喷嘴采用高、低密度流体逆向旋转，并通过调整它们的甲、圆柱状壳体的相关参数，使两流体的角动量大小相等、方向相反，可以在一定程度上控制雾柱的发散。

由表3可以看出，随着远离本发明喷嘴距离的增加，雾柱直径变大，密度减小，但在编号为4～26梯形方杯26以内，雾柱截面上的雾密度分布仍是比较均匀的，△H_i、△S_j的相对误差分别为2.9%和3.2%之间。结合表2、3的测定结果，可以算出，本发明的双流体喷嘴的“雾柱”顶角仅有39°。

下面结合实施例，进一步说明本发明的喷雾干燥装置在用于泡沫混凝土发泡剂的喷雾干燥时的实施方法。

实施例1

本实施例的基本参数如下。

用于实验的是年产量为1300吨的喷雾干燥塔，其液压泵流量：12kg/min；风机流量：130m³/min；空压机流量：0.3m³/min；

干燥塔中分隔套筒所分隔的内腔直径为390mm，外腔直径为800mm；分隔套筒的高度为2290mm，干燥塔的高度（即顶端封板至旋流腔底部的高度）为3600mm。

干燥塔中下部旋流腔的侧壁上的普通单孔喷头（4个均布）的口径：40mm；

本发明的双流体高旋速雾化喷嘴中与待干燥流体输送管配套连接的普通单孔喷头直径（4个均布）：1mm；

本发明的双流体高旋速雾化喷嘴中与压缩热空气输送管配套连接的普通单孔喷头直径（4个均布）：4.5mm；

热空气入塔温度200℃，出塔温度100℃，冷空气、冷发泡剂溶液，通过热交换器被预热。

液体泡沫混凝土发泡剂，虽然可以直接使用，但包装成本高，运输不方便，特别是近些年来，处于反恐的需要，国家和物流企业对液体产品的运输要求、检查更为严格，特别是向国外运输更为困难。为此，很有必要把液体泡沫混凝土发泡剂制成固体产品。

喷雾干燥是将液体产品制成固体产品的常用方法。但现有的喷雾干燥塔，一是单位塔容积的生产能力小；二是两流体仅在垂直方向逆向运动，不具有气、固相分离能力；三是大都存在“粘塔”的弊端，每隔一段时间就必须停产清塔。使用本发明雾化喷嘴，并调整塔的结构，可以显著地提高单位塔容积的生产能力；同时使两流体不仅在垂直方向逆向（少量同向）运动，更重要的是让气、固相在水平方向产生旋转运动，因而具有一定的气、固相分离能力，同时也克服了“粘塔”的弊端。另外由于本发明雾化喷嘴的出口31的直径较大，也节约动力资源。

其具体原理及操作过程如下。

如图12所示，泡沫混凝土发泡剂浓溶液在液压泵的作用下通过待干燥流体输送管30，经由压力发泡剂溶液入口进入干燥塔顶部设置的双流体高旋速雾化喷嘴的上部单流体高旋速雾化喷嘴中，200℃的热空气通过压缩热空气输送管31，经由压力热空气Ⅰ接口进入双流体高旋速雾化喷嘴的下部单流体高旋速雾化喷嘴中，在双流体高旋速雾化喷嘴的流体混合腔41，虽然两流体同向旋转，但热空气的流速快，泡沫混凝土发泡剂中的胶束被撕裂，加上其中的水分受热产生水蒸汽，便会形成高压、高密度气雾。由于两流体旋转方向相同，当此高压、高密度气雾被喷出后将形成“伞状”雾柱。“伞状”雾柱在分隔套筒32分隔的内腔33的侧壁约束下，固体颗粒会与内腔33的器壁碰撞、反弹（具有清洗器壁的作用，但此作用对泡沫混凝土发泡剂意义不大，因为器壁吸附一层泡沫混凝土发泡剂中的表面活性剂之后，便不会粘壁）、并在运动中不断长大；水蒸气由于密度最小，将位于内腔33中线附近，居其外围的是密度较大的空气层，从而实现泡沫混凝土发泡剂中的固体成分与水分的初步分离。“伞状”雾柱到达内腔33的出口后，体积进一步膨胀、并与旋流腔36侧壁上设置的普通单孔喷头提供的同向旋转的压力热空气接触、被进一步提高转速并相对地降低水蒸气的分压促进固体颗粒中的水分进一步蒸发、并聚集成较大颗粒。大颗粒固体产品沿产品颗粒沉降方向64所示方向下沉到干燥塔下部的沉降室37内成为固体发泡剂；而颗粒极小的固形物和水蒸气、空气，在压力作用下将沿着图中60所示方向进入外腔34。在外腔34中，颗粒极小的固形物由于流速降低、停留时间较长以及水蒸气的分压降低，会逐步变大并沿竖直向下的方向沉降。不能沉降的极微小颗粒，当其上升到达回流口35时，由于双流体高旋速雾化喷嘴喷雾产生的雾流作用，外腔34的压力大于内腔33的压力，将有一定量的颗粒极小的固形物和水蒸气经回流口35再次进入内腔33，由此引进、形成固形物的凝结中心（晶种），从而有利于产品颗粒变大并使颗粒大小更趣均匀。由于本喷雾干燥塔中空气、水蒸气、微小固体颗粒高速旋转，而它们的出口设置在靠近干燥塔中心线的附近，因此微小固体颗粒会被甩到干燥塔内壁附近，不易逃逸，并获得进一步长大、沉降到塔底的机会。

本发明的喷雾干燥装置中还设置有相应的辅助设备，如：视镜、照明灯等。使用时，开启照明灯63，通过视镜61观察，当产品界面到达视镜61中央时，开启控制蝶阀38，产品落入出料机39的料斗40中。当产品界面再次到达视镜61中上部时，开启出料机39中的电动机出料，当产品界面下降到视镜61中下部时，关闭电动机，停止出料，如此反复出料即可。

本发明的压力热空气Ⅰ接口经加热丝管与空压机连接，旋流腔36侧壁上设置的普通单孔喷头输入的压力热空气经加热丝管与风机相连接（图中未显示）。当然，与微细颗粒和气流出口65的外接管接口（即离心分离罐接口66）连接的旋风分离器下部出口也会得到很小部分固体泡沫混凝土发泡剂。

本实施例所得固体泡沫混凝土发泡剂产品，易溶于水，总稀释倍数为1:450，使用时可根据所用发泡机的稀释倍数，按下式计算预稀释倍数：预稀释倍数=450/发泡机的稀释倍数。

本发明的核心技术在于充分利用角动量守恒原理，不但让流体沿雾化喷嘴侧壁的切线方向进入，而且着重扩大喷嘴内腔上下直径的比例，同时通过让流体旋转方向相反的方法，以及调整两流体普通喷嘴出口直径（或数量）、流体压力、流量等参数，使两流体的角动量大小相等、方向相反，这样既有利于强化两种流体的混合，又可以克服现有离心喷嘴仅让一种流体沿切线方向进入喷嘴内腔的副作用，这对于提高火箭、喷气式飞机的燃料燃烧性能和推动力以及其他要求雾化密度均匀的场合，势必会产生积极作用。当然，在某些需要“伞形”雾柱的情况下，可以利用本发明单流体高旋速雾化喷嘴强化“伞形”雾柱的功效，也可以利用双流体高旋速雾化喷嘴，使两流体同向旋转达到目的。因此，本说明书所列实施例，仅用来说明本发明，而不能作为限制本发明的内容。

Claims

1.一种单流体高旋速雾化喷嘴，包括喷嘴本体以及安装在喷嘴本体上的多个单孔喷头（1），其特征在于：所述的喷嘴本体由圆柱状壳体Ⅰ（2）、圆台状壳体（3）、圆柱状壳体Ⅱ（4）和圆锥状壳体（5）上下依次对接组成，使喷嘴本体内形成一个总体呈上宽下窄的喇叭状腔体结构，所述圆柱状壳体Ⅰ（2）内侧壁的上部刻有内丝螺纹（6），圆台状壳体（3）的上底半径大于其下底半径，圆柱状壳体Ⅱ（4）的外侧壁上设有外丝螺纹（7），圆锥状壳体（5）的底部开设有一个雾化喷口（8），在圆柱状壳体Ⅰ（2）侧壁的同一水平面上沿其圆周方向还均匀设置有多个丝口连接座（9），每个丝口连接座（9）上均配合连接有一个用于向喷嘴本体的内部沿腔体切向输送待雾化流体的单孔喷头（1），且多个单孔喷头（1）的末端通过连接管（10）相互连通后，与一根高压流体管（11）连接。

2.根据权利要求1所述的一种单流体高旋速雾化喷嘴，其特征在于：在喷嘴本体圆柱状壳体Ⅰ（2）的顶部还安装有一个能够与其内侧壁上的内丝螺纹（6）相配合的腔体密封丝盖（12）。

3.根据权利要求1所述的一种单流体高旋速雾化喷嘴，其特征在于：在喷嘴本体的底部还安装有一个喷口帽（13），该喷口帽（13）螺纹连接在圆锥状壳体（5）的底部内侧，使雾化喷口（8）的末端形成一个上窄下宽的锥形通道结构。

4.一种双流体高旋速雾化喷嘴，其特征在于：包括两个上下依次设置的单流体高旋速雾化喷嘴，其中，上部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅱ（4）上的外丝螺纹（7）能够与下部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅰ（2）上的内丝螺纹（6）配合对接，使上部单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅱ（4）和圆锥状壳体（5）均套设在下部单流体高旋速雾化喷嘴的腔体内，并与下部单流体高旋速雾化喷嘴的侧壁构成一个上端密闭的流体输入腔（14），该流体输入腔（14）通过上部单流体高旋速雾化喷嘴的雾化喷口（8）底端与下部单流体高旋速雾化喷嘴的雾化喷口（8）顶端之间设置的出口间隙（15）将其内部流体输出混合。

5.根据权利要求4所述的一种双流体高旋速雾化喷嘴，其特征在于：上部单流体高旋速雾化喷嘴中单孔喷头内所输送流体的旋向与下部单流体高旋速雾化喷嘴单孔喷头内所输送流体的旋向相反，且下部单流体高旋速雾化喷嘴所输送流体的密度不大于上部单流体高旋速雾化喷嘴所输送流体的密度。

6.一种多流体高旋速雾化喷嘴，其特征在于：包括上下依次设置的多个单流体高旋速雾化喷嘴，在每相邻的两个单流体高旋速雾化喷嘴中，上部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅱ（4）上的外丝螺纹（7）能够与下部单流体高旋速雾化喷嘴圆柱状壳体Ⅰ（2）上的内丝螺纹（6）配合对接，使上部单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅱ（4）和圆锥状壳体（5）均套设在下部单流体高旋速雾化喷嘴的腔体内，并与下部单流体高旋速雾化喷嘴的侧壁构成一个上端密闭的流体输入腔（14），该流体输入腔（14）通过上下两个单流体高旋速雾化喷嘴的雾化喷口（8）之间设置的出口间隙（15）将其内部流体输出混合，所述的多个单流体高旋速雾化喷嘴中，所输送流体的密度从上到下依次减小。

7.根据权利要求4或5或6所述的一种流体高旋速雾化喷嘴，其特征在于：在位于最上部的单流体高旋速雾化喷嘴的圆柱状壳体Ⅰ（2）顶部还安装有一个腔体密封丝盖（12）。

8.用于对权利要求1或4或5或6的流体高旋速雾化喷嘴进行喷雾密度测定的装置，其特征在于：包块固定板（16）、活动方盘（17）、立柱（18）、驱动装置（19）和控制器（20），所述固定板（16）的底部均匀设置有多个支脚螺栓（21），在固定板（16）的上表面上沿其长度方向设置有两条导轨（22），在固定板（16）上表面的中部，位于导轨（22）的左右两侧对称设置有两根立柱（18），所述的立柱（18）上设置有刻度线（23），在两根立柱（18）之间设置有一根横梁（24），横梁（24）的中部固定安装有一个待测定雾化喷嘴（25），该待测定雾化喷嘴（25）能够随着横梁（24）在两根立柱（18）上实现上下来回移动，所述的立柱（18）上还设置有用于固定横梁（24）水平位置的固定锁紧装置；

所述的活动方盘（17）设置在两条导轨（22）上，活动方盘（17）内在沿平行导轨（22）方向和垂直导轨（22）方向均匀设置有多个用于接收喷雾的梯形方杯（26），该梯形方杯（26）内均设置有吸雾料（27），所述的控制器（20）和驱动装置（19）均安装在固定板（16）的一端，驱动装置（19）与活动方盘（17）之间还连接有传动装置，所述的活动方盘（17）能够在控制器（20）、驱动装置（19）和传动装置的共同作用下在两条导轨（22）上来回移动，实现对待测定雾化喷嘴（25）喷雾密度的测定。

9.利用权利要求4的双流体高旋速雾化喷嘴制备的一种喷雾干燥装置，设有一个柱状干燥塔（28），其特征在于：在该干燥塔（28）的顶部安装有一个双流体高旋速雾化喷嘴，该双流体高旋速雾化喷嘴的底部雾化喷口（8）穿设在干燥塔（28）的顶端封板（29）上，用于向干燥塔（28）内喷射雾状流体，所述双流体高旋速雾化喷嘴中的上部单流体高旋速雾化喷嘴的单孔喷头（1）与待干燥流体输送管（30）连接，下部单流体高旋速雾化喷嘴的单孔喷头（1）与压缩热空气输送管（31）连接，在双流体高旋速雾化喷嘴的下方设置有一个圆筒状的分隔套筒（32），该分隔套筒（32）的顶端固定在干燥塔（28）的顶端封板（29）上，分隔套筒（32）的底端呈开口状结构，且该分隔套筒（32）将其所在干燥塔（28）的内部区域分隔成内腔（33）和外腔（34）两个腔室，在分隔套筒（32）的顶端还设置有与外腔（34）相连通的回流口（35），在外腔（34）的下方连通有一个旋流腔（36），该旋流腔（36）侧壁的同一水平面上沿其圆周方向还均匀设置有多个用于向旋流腔（36）内部沿腔体切向输送干燥气流的单孔喷头（1），该单孔喷头（1）与另一压缩热空气输送管（31）连接，所述旋流腔（36）和双流体高旋速雾化喷嘴内流体的旋向均相同，所述旋流腔（36）的下端与沉降室（37）连通，沉降室（37）的底端通过一个控制蝶阀（38）与出料机（39）的料斗（40）连接。

10.根据权利要求9所述的一种喷雾干燥装置，其特征在于：所述的分隔套筒（32）由上下两部分对接组成，其中，在靠近双流体高旋速雾化喷嘴的一端，呈上窄下宽的喇叭口状结构。