CN106139460B - 气体动力式超声波多相混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体动力式超声波多相混合器，包括：主体；气体引流腔，其用于引入水平方向通入的气体并使气体加速后通过共振产生超声波，气体引流腔包括：导流腔、中心杆以及共振腔；液体引流腔，其沿主体的垂直方向设置，其用于将液体经液体喷嘴破裂，其中，液体引流腔的液体或气体引流腔的气体中预先混入有固体粉末；混合腔，其内部容纳共振腔，其沿主体的水平方向设置，混合腔包括内腔和与内腔连通的混合腔出口，混合腔出口输出气相连续的多相雾状流或液相连续的多相泡状流。本发明通过超声波强化气液固三相混合，形成均匀多相混合流，能产生直径低于10μm的细水雾，雾化效果更佳，还能输出液相连续的多相泡状流，从而提高灭火效率。

Description

气体动力式超声波多相混合器

技术领域

本发明涉及气液固多相混合器。更具体地说，本发明涉及一种气体动力式超声波多相混合器。

背景技术

超声雾化在液体雾化领域有重要应用。当高速气流从气体喷嘴喷出时，会在共振腔中产生超声波，超声波作用于离心液膜和高速射流，会加速液膜和射流的破碎，同时超声波的振荡作用使气液混合更为均匀。以往对超声雾化的应用主要在喷嘴处的开放空间，对结构的紧凑性要求较高，用途上集中于燃烧、冶金、清洗等领域。

前人对哈特曼哨的应用主要集中在超声雾化方面，其主要用于雾化领域，采用气体动力式超声波辅助雾化，直接形成喷雾。此结构是通过带有中心杆的哈特曼哨产生超声波，作用于分布于哈特曼哨周围的几个液体喷嘴所产生的射流或液膜，使液体在声场的作用下能够破裂为更为细小的液滴。此结构能够产生雾化细度良好，雾滴直径均匀的细水雾。但是，此结构形成喷雾需要两套输送管路——气体管路和液体管路，然而在灭火领域，常采用长管输送，此结构在长管输送的弊端明显——两套独立管路成本高、管网复杂。一般而言，基于管路排布、灭火效率和可靠性方面考虑，常采用单管输送灭火介质，此单管可以携带雾状流、泡状流或纯液体，因此，本发明提出了一种气体动力超声波气液固多相混合器，从而在改善多相混合效果的同时可以精简管路，满足细水雾灭火中单管输送的需要。

另外，现有技术中的超声波混合器主要应用于工业生产领域，强调的是将固液、液液进行混合的一个系统，难以将气液固三相进行混合，而且没有限定其核心部件——混合器的结构，因此其对气液混合效果的增强有限，而在灭火领域，雾状流的形成过程中，气液的均匀混合至关重要。因此，本发明提出能够良好混合气液固三相的雾化混合器，从而达到将气液固三相进行混合，更兼顾了雾化混合的三个方面—气固、液固以及气液混合，从而达到提高灭火效果的目的。

此外有文献提到用一部分压力气体使液体雾化成液雾，然后再用另外一部分压力气体引射液雾，比例掺混成气液雾状流，达到气液雾化混合以及两相同管输送的目的。此方法可以产生颗粒直径在5～100μm之间的气液两相雾状流，但是需要使用大量的压力气体，以CO₂气体为例，气液质量比在8～0.2之间，而气液体积比则高达4000～250。因此，本发明提出了应用气体动力超声波的多相混合方案，在不降低灭火细水雾粒度直径的前提下，大大降低气体使用量，使得单管输送中多相灭火介质中的气液质量比显著降低，还可以实现气液质量比远低于一般雾状流的泡状流混合状态，不仅实现气液两相的同管输送，还能实现气液固三相的混合同管输送。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种气体动力式超声波多相混合器，通过气动超声波强化气液固三相混合，形成可以单管输送的均匀多相混合流，不仅可以输出基于气相连续的多相雾状流，还能输出基于液相连续的多相泡状流，从而提高灭火效率和灭火能力。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种气体动力式超声波多相混合器，包括：

主体；

气体引流腔，其设于所述主体的内部，所述气体引流腔包括：

导流腔，其用于引导以水平方向通入的气体进入后加速，所述导流腔连通到混合腔；

中心杆，其一端固定在所述导流腔内；以及

共振腔，其固定于所述中心杆的另一端，所述共振腔用于使通过所述导流腔的高速气体与所述中心杆共振产生超声波；

液体引流腔，其设于所述主体的内部，所述液体引流腔用于将垂直方向通入的液体经液体喷嘴破裂，其中，所述液体引流腔的液体或所述气体引流腔的气体中混入有固体粉末；

混合腔，其设于所述主体内部，所述混合腔的内部容纳所述共振腔，其沿所述主体的水平方向设置，所述混合腔包括内腔和与所述内腔连通的混合腔出口，所述液体引流腔连通到所述内腔，所述混合腔出口沿所述主体的水平轴线设置，其输出气相连续的多相雾状流或液相连续的多相泡状流。

优选的是，所述固体粉末为表面活性剂或灭火添加剂，其体积分数为0.2％。

优选的是，所述中心杆的直径为6mm，所述导流腔的出口的直径为8～12mm，所述导流腔的出口与所述共振腔的水平距离为10～20mm，所述共振腔的直径为8～12mm，所述共振腔的深度为6～12mm，所述共振腔与液体喷嘴的竖直距离为4～6mm。

优选的是，所述气体引流腔还包括：第二气流腔，其用于引导以竖直方向通入的气体进入，所述第二气流腔连通到所述混合腔，所述第二气流腔通入的气体中携带固体粉末，其气体压力为0.2～0.5MPa，且所述导流腔中通入的气体压力为0.5～1.0MPa，所述液体引流腔的液体压力为2～8MPa。

优选的是，所述导流腔包括收缩腔，所述收缩腔为空心的圆台形结构，所述收缩腔的纵截面为圆形，所述收缩腔设置为水平方向通入的气体从半径最大的纵截面处通入。

优选的是，所述气体引流腔还包括第二引流腔，所述第二引流腔包括：

料斗，其进料端垂直开设在所述主体上，所述料斗连通到所述主体的内部，其用于固体粉末的进料；

第一流道，其从所述收缩腔上的引气孔连通到所述料斗的出料端，所述第一流道用于向固体粉末中引入所述收缩腔中的高速气体；

第二流道，其从所述第一流道连通到所述混合腔，所述第二流道用于将在所述第一流道中的固体粉末和高速气体引入所述混合腔中混合。

优选的是，所述液体引流腔包括：

进料斗，其加料端垂直开设在所述主体上，所述进料斗连通到所述主体的内部，其用于固体粉末的进料；

第一液体流道，其从所述液体引流腔连通到所述进料斗的下料端，所述第一液体流道用于向固体粉末中引入从所述液体引流腔中通入的液体；

第二液体流道，其从所述第一液体流道连通到所述混合腔，所述第二液体流道用于将固体粉末和液体引入所述混合腔中混合。

优选的是，所述液体喷嘴上固定有旋流片。

优选的是，所述内腔与所述混合腔出口均为中空圆柱形，其中，所述内腔的内径为25～30mm，所述混合腔出口的内径为20～25mm。

优选的是，所述共振腔的表面设有多个锯齿形凸起。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的气体动力式超声波多相混合器，将哈特曼哨型雾化装置置于管路前端的雾化混合器中，通过气动超声波来强化气液固三相混合，形成可以单管输送的均匀多相混合流，不仅可以输出基于气相连续的多相雾状流，还能输出基于液相连续的多相泡状流，从而提高灭火效率和灭火能力。同时，气体动力式超声波多相混合器是一个相对封闭的空间，能够有效地反射由哈特曼哨产生的超声波，作用于液体及气液固三相混合物，能够更好地改善雾化效果及混合效果，最终产生直径低于10μm的细水雾。本发明的气体动力式超声波多相混合器，由于采用了三相混合的形式，混合腔的内部容纳共振腔的结构，使经过共振腔以及经过液体喷嘴的气液固三相在混合腔中得以充分混合，不仅可以形成基于气相连续的多相雾状流，还能形成基于液相连续的多相泡状流，更有利于灭火的进行，以泡状流的形式存在能大大降低气耗量，拓宽了混合器有效工作的范围。

2、本发明的气体动力式超声波多相混合器，在不降低灭火细水雾粒度直径的前提下，大大降低气体使用量，使得单管输送中多相灭火介质中的气液质量比显著降低，还可以实现气液质量比远低于一般雾状流的泡状流混合状态，能实现气液固三相的混合同管输送。

3、本发明的气体动力式超声波多相混合器，在高速气流与下游共振腔的底部、回流以及腔的前端相互作用产生的超声振荡的作用下，当通入同样压力的气体和液体时，液体的雾化细度以及雾状流的混合均匀度更高。其次，通过引入超声波雾化机制，可以采用的气体压力范围更大，相对于单纯的气液两相雾化混合器，本发明中既可通入较高压力的气体从而形成雾状流，也可通入较低压力的气体从而形成泡状流。形成雾状流时，需要的气体速度较大，并且需要液体速度相对较小，这样就减小了雾化量，不利于灭火，但是由于在本发明中引入超声振荡的作用，气泡不会团聚，形成泡状流时，能保持良好的雾化效果，因此泡状流仍然是管路输送过程中一个理想的流型，在气液固三相的混合过程中，泡状流的流型更有利于固体添加剂的混合，泡状流中气体组分比例较小，水组分较大，更有利于灭火的进行，以泡状流的形式存在，大大降低了气耗量，拓宽了混合器有效工作的范围，增加了气体压力与液体压力的调节范围，因此可操作性更强，并且节约了成本。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的气体动力式超声波多相混合器的结构示意图。

图2为本发明的气体动力式超声波多相混合器的其中一种结构示意图；

图3为本发明的气体动力式超声波多相混合器的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1～3所示，本发明提供一种气体动力式超声波多相混合器，包括：

主体1；

气体引流腔2，其设于所述主体1的内部，所述气体引流腔1用于引入水平方向通入的气体并使气体加速后通过共振产生超声波，其中，所述气体引流腔2包括：

导流腔210，其用于引导以水平方向通入的气体进入后加速，所述导流腔210连通到所述混合腔；

中心杆220，其一端固定在所述导流腔内；以及

共振腔230，其固定于所述中心杆220的另一端，所述共振腔用于使通过所述导流腔210的高速气体与所述中心杆共振产生超声波；

液体引流腔3，其设于所述主体1的内部，所述液体引流腔3用于将垂直方向通入的液体经液体喷嘴破裂，其中，所述液体引流腔3的液体或所述气体引流腔2的气体中混入有固体粉末；

混合腔4，其设于所述主体1内部，所述混合腔4的内部容纳所述共振腔230，其沿所述主体1的水平方向设置，所述混合腔4包括内腔和与所述内腔连通的混合腔出口，所述液体引流腔3连通到所述内腔，所述内腔用于将固体粉末、加速后的气体以及经液体喷嘴破裂后的液体进行混合，所述混合腔出口沿所述主体1的水平轴线设置，其输出气相连续的多相雾状流或液相连续的多相泡状流。

本发明的气体动力式超声波多相混合器使用时，若是由水平方向通入的气体中携带固体粉末，通过气体引流腔2将气体引入混合器，经加速后高速气流与中心杆220及其一端的共振腔230共同作用，产生超声波；液体引流腔3中液体通过液体流入，在液体喷嘴处产生旋转液膜并形成喷雾，其中气体中携带的固体添加剂在超声振荡的作用下，能够以极快的速度在气液两相中进行扩散，并混合成为均匀的雾状流，由混合腔4出口输出气相连续的多相雾状流或液相连续的多相泡状流。同理，若是由垂直方向通入的液体中携带固体粉末，液体中携带的固体添加剂同样在气体为动力产生的超声波的振荡的作用下，能够以极快的速度在气液两相中进行扩散，从而均匀混合，最终由输出气相连续的多相雾状流或液相连续的多相泡状流，在灭火时能提高灭火效率和灭火能力。

在另一种技术方案中，所述固体粉末为表面活性剂或灭火添加剂，其体积分数为0.2％。

在另一种技术方案中，所述中心杆220的直径为6mm，所述导流腔210的出口的直径为8～12mm，所述导流腔210的出口与所述共振腔230的水平距离为10～20mm，所述共振腔230的直径为8～12mm，所述共振腔230的深度为6～12mm，所述共振腔230与液体喷嘴的竖直距离为4～6mm。

在另一种技术方案中，所述气体引流腔2还包括：第二气流腔，其用于引导以竖直方向通入的气体进入，所述第二气流腔连通到所述混合腔4，所述第二气流腔通入的气体中携带固体粉末，其气体压力为0.2～0.5MPa，且所述导流腔210中通入的气体压力为0.5～1.0MPa，所述液体引流腔3的液体压力为2～8MPa。

在另一种技术方案中，所述导流腔210包括收缩腔，所述收缩腔为空心的圆台形结构，所述收缩腔的纵截面为圆形，所述收缩腔设置为水平方向通入的气体从半径最大的纵截面处通入。

在另一种技术方案中，所述气体引流腔还包括第二引流腔240，所述第二引流腔包括：

料斗241，其进料端垂直开设在所述主体1上，所述料斗241连通到所述主体1的内部，其用于固体粉末的进料；

第一流道242，其从所述收缩腔上的引气孔连通到所述料斗241的出料端，所述第一流道242用于向固体粉末中引入所述收缩腔中的高速气体；

第二流道243，其从所述第一流道242连通到所述混合腔，所述第二流道243用于将在所述第一流道242中的固体粉末和高速气体引入所述混合腔4中混合。

使用时，收缩腔上的引气孔用来使收缩腔中的小部分高速气体流出，并用螺钉对引气孔的一端进行密封，引气孔的另一端连通到料斗241的出料端，向料斗241的进料端中加入固体粉末后，固体粉末到达料斗的出料端后，经高速气体带动进入靠近混合腔4的中心位置，与进入混合腔4的其余气体以及液体进行混合，此种结构中，气体与固体先经过一次预混后进入混合腔4进行三相混合，从而使混合更均匀，使固体粉末更好的与其余两相混合，最终产生直径低于10μm的细水雾。

在另一种技术方案中，所述液体引流腔3还包括：

进料斗310，其加料端垂直开设在所述主体1上，所述进料斗310连通到所述主体1的内部，其用于固体粉末的进料；

第一液体流道320，其从所述液体引流腔3连通到所述进料斗310的下料端，所述第一液体流道320用于向固体粉末中引入从所述液体引流腔3中通入的液体；

第二液体流道330，其从所述第一液体流道330连通到所述混合腔4，所述第二液体流道330用于将固体粉末和液体引入所述混合腔4中混合。

此种结构的气体动力式超声波多相混合器使用时，混合腔出口处固定连接有底板，底板上开设有环形槽，液体喷嘴中形成的部分液体通过第一液体流道320中的环形槽到达进料斗310的下料端，向进料斗310的加料端中加入固体粉末后，固体粉末到达进料斗310的下料端后，与液体混合后进入靠近混合腔4的中心位置，再与进入混合腔4的气体以及其余的液体进行混合，固体与液体经过一次预混后再进入混合腔4进行三相混合，从而使固体粉末充分溶于液体中后再混合，使混合更均匀，最终产生直径低于10μm的细水雾，此种情况下当通入较低压力的气体时，能形成液相连续的多相泡状流，更有利于灭火的进行，大大降低气耗量，拓宽了气体动力式超声波多相混合器有效工作的范围。

在另一种技术方案中，所述液体喷嘴上固定有旋流片。

在另一种技术方案中，所述内腔与所述混合腔出口均为中空圆柱形，其中，所述内腔的内径为25～30mm，所述混合腔出口的内径为20～25mm。

在另一种技术方案中，所述共振腔的表面设有多个锯齿形凸起。锯齿形凸起的设置不影响正常情况下超声波的产生，且由于共振腔处于混合腔的内部，锯齿形凸起的设置一定程度上能使固体粉末颗粒破碎成更小的颗粒，也避免固体粉末颗粒进入共振腔内影响超声波的振荡效果。

本发明的气体动力式超声波多相混合器使用时，压力为0.5～1MPa的气体流进入后先经过导流腔210中的扩张段，将气体引入混合器，然后经过收缩腔加速，得到高速气体，然后高速气流与中心杆220及共振腔230共同作用，产生超声波，同时第二气流腔中的压力为0.2～0.5Mpa的气体携带固体进入混合腔4，压力为2～8MPa的液体通过液体引流腔3流入旋流片，在液体喷嘴处产生旋转液膜并把液体破碎成液滴，在超声作用下液体与气体以及固体粉末相混合，液体进一步加速破裂，形成气液固三相均匀流，三相流经过混合腔出口流入灭火系统管路，液体经过此二次雾化后形成平均直径小于10μm的液滴，作用于火焰，能达到良好的灭火效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，包括：

主体；

气体引流腔，其设于所述主体的内部，所述气体引流腔包括：

导流腔，其用于引导以水平方向通入的气体进入后加速，所述导流腔连通到混合腔；

中心杆，其一端固定在所述导流腔内；以及

共振腔，其固定于所述中心杆的另一端，所述共振腔用于使通过所述导流腔的高速气体与所述中心杆共振产生超声波；

液体引流腔，其设于所述主体的内部，所述液体引流腔用于将垂直方向通入的液体经液体喷嘴破裂，其中，所述液体引流腔的液体或所述气体引流腔的气体中混入有固体粉末；

混合腔，其设于所述主体内部，所述混合腔的内部容纳所述共振腔，其沿所述主体的水平方向设置，所述混合腔包括内腔和与所述内腔连通的混合腔出口，所述液体引流腔连通到所述内腔，所述混合腔出口沿所述主体的水平轴线设置，其输出气相连续的多相雾状流或液相连续的多相泡状流。

2.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述固体粉末为表面活性剂或灭火添加剂，其体积分数为0.2％。

3.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述中心杆的直径为6mm，所述导流腔的出口的直径为8～12mm，所述导流腔的出口与所述共振腔的水平距离为10～20mm，所述共振腔的直径为8～12mm，所述共振腔的深度为6～12mm，所述共振腔与液体喷嘴的竖直距离为4～6mm。

4.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述气体引流腔还包括：第二气流腔，其用于引导以竖直方向通入的气体进入，所述第二气流腔连通到所述混合腔，所述第二气流腔通入的气体中携带固体粉末，其气体压力为0.2～0.5MPa，且所述导流腔中通入的气体压力为0.5～1.0MPa，所述液体引流腔的液体压力为2～8MPa。

5.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述导流腔包括收缩腔，所述收缩腔为空心的圆台形结构，所述收缩腔的纵截面为圆形，所述收缩腔设置为水平方向通入的气体从半径最大的纵截面处通入。

6.如权利要求5所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述气体引流腔还包括第二引流腔，所述第二引流腔包括：

料斗，其进料端垂直开设在所述主体上，所述料斗连通到所述主体的内部，其用于固体粉末的进料；

第一流道，其从所述收缩腔上的引气孔连通到所述料斗的出料端，所述第一流道用于向固体粉末中引入所述收缩腔中的高速气体；

第二流道，其从所述第一流道连通到所述混合腔，所述第二流道用于将在所述第一流道中的固体粉末和高速气体引入所述混合腔中混合。

7.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述液体引流腔还包括：

进料斗，其加料端垂直开设在所述主体上，所述进料斗连通到所述主体的内部，其用于固体粉末的进料；

第一液体流道，其从所述液体引流腔连通到所述进料斗的下料端，所述第一液体流道用于向固体粉末中引入从所述液体引流腔中通入的液体；

第二液体流道，其从所述第一液体流道连通到所述混合腔，所述第二液体流道用于将固体粉末和液体引入所述混合腔中混合。

8.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述液体喷嘴上固定有旋流片。

9.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述内腔与所述混合腔出口均为中空圆柱形，其中，所述内腔的内径为25～30mm，所述混合腔出口的内径为20～25mm。

10.如权利要求1所述的气体动力式超声波多相混合器，其特征在于，所述共振腔的表面设有多个锯齿形凸起。