适用于剪切变稀非牛顿流体的气泡雾化喷嘴
技术领域
本发明属于雾化喷涂的技术领域,特别涉及一种适用于剪切变稀非牛顿流体的气泡雾化喷嘴。
背景技术
非牛顿流体是一种具有内部结构的复杂流体,其粘度依赖于剪切率,剪切变稀则指粘度随剪切率的增大而减小,如绝大多数聚合物溶液,悬浮溶液就属于剪切变稀非牛顿流体。非牛顿流体由于其特殊的属性已成为一些新兴技术领域的核心突破点。例如高性能喷涂系统中剪切变稀的非牛顿流体可实现在不同剪切速率下特定的粘度要求;等离子射流系统中悬浮溶液的引入解决了常规前驱物供给中微纳尺度粉末难以输运的困境,可实现超精微颗粒合成。然而非牛顿流体因其高粘度和复杂的流变性能而使雾化困难,如何实现其高效雾化是关键技术。
传统的气力式雾化喷嘴主要利用高压和气液速度差将液柱或液膜破碎成液雾,这一过程基于气动力克服液体的粘性力和表面张力,对于非牛顿流体由于其粘性力较大且随剪切速率变化,气力式的雾化效果较差,且较大的压力差往往需要极小的喷嘴口径,而对于非牛顿流体喷嘴口径过小容易造成堵塞和侵蚀。
新兴的气泡雾化喷嘴依据不同的雾化原理和气液流型在雾化高粘度流体方面表现出了优异的性能,气泡雾化喷嘴将一定量的气体注入液体之内,形成泡状气液两相流,利用气泡的破碎膨胀来雾化液体,但在气液混合室内形成理想的泡状流和气孔的数目,大小及工作参数有关,较难控制。主要有两方面的缺陷阻碍了气泡雾化喷嘴的实际应用:①泡状流型较难控制,通气量过大,则容易使气泡聚结,无法形成均匀的泡状流;通气量过小,气泡的作用不明显,雾化效果显著下降;②气泡的存在会产生速度脉动,导致供液和喷射不连续。
由于气泡雾化喷嘴便于制造加工,耗能少且在雾化高粘度流体和非牛顿流体方面有着巨大潜能,因此吸引了越来越多的关注,但目前以气泡雾化作为主要雾化方式的专利占雾化专利数的份额不足千分之二。申请号201310145913.8的授权发明专利公开了一种可控流型的气泡雾化喷嘴,通过控制喷嘴内部几何条件,调节气泡生成尺寸及流型,该种方式无法调节气泡数量,几何条件与流型关系复杂,实际操作较难把握。申请号是201310283152.2的授权发明专利可以采用外气内液或内气外液两种混合方式,但其气泡发生器内孔数目只能通过更换发生器,操作复杂。以上专利都试图改进气泡雾化喷嘴的性能,但实际操作无法量化调节气泡数量和尺寸,且都没有考虑气泡存在所产生的速度脉动的影响。
发明内容
针对上述的不足,本发明提供一种适用于剪切变稀非牛顿流体的气泡雾化喷嘴,解决了非牛顿流体流道易堵塞、气泡两相流型难控制以及喷射不稳定的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种适用于剪切变稀非牛顿流体的气泡雾化喷嘴,包括气液混合室、气孔调节管套、外环壁、气体加速旋流腔体、喷口;所述气孔调节管套套设在气液混合室上,两者通过螺纹连接,所述气孔调节管套旋接在外环壁的上部,所述气体加速旋流腔体设在外环壁内,所述喷口旋接在外环壁的底部;所述气液混合室上端开有进液口、中部开有气液混合腔、侧壁开有第一气泡发生孔和第二气泡发生孔,所述气孔调节管套上开有与气液混合室上的第一、第二气泡发生孔相对应的气泡发生孔;所述外环壁上开有第一进气口和第二进气口,所述第一进气口与第一、第二气泡发生孔相连通;所述气体加速旋流腔体上开有旋流槽道,所述第二进气口与旋流槽道相连通;所述气液混合室的下端抵住气体加速旋流腔体的上端,所述气体加速旋流腔体中部开有通孔,所述旋流槽道与通孔相连通;所述进液口、气液混合腔、通孔以及喷口依次相连通。
进一步地,所述气液混合腔由第一气液混合腔和第二气液混合腔组成,所述第一气液混合腔的内径R1为第二气液混合腔的内径R2的1~2倍。
进一步地,所述第一气泡发生孔设在第一气液混合腔处,呈360°均匀整列分布,注入气流旋向是顺时针。
进一步地,所述第一气泡发生孔到第一气液混合腔中心轴的偏心距离H1与第一气液混合腔的内径R1之比为0.3-0.6。
进一步地,所述第一气泡发生孔的轴线与第一气液混合腔中心轴呈45°夹角。
进一步地,所述第二气泡发生孔设在第二气液混合腔处,呈360°均匀整列分布,注入气流旋向是逆时针。
进一步地,所述第二气泡发生孔到第二气液混合腔中心轴的偏心距离H2与第二气液混合腔的内径R2之比为0.2-0.4。
进一步地,所述第二气泡发生孔的轴线与第二气液混合腔中心轴呈90°夹角。
进一步地,所述气孔调节管套和气液混合室的旋接处设有第一垫片;所述气孔调节管套与外环壁的旋接处设有第二垫片;所述气体加速旋流腔体上设有密封环,密封环位于第一进气口和第二进气口之间。
进一步地,所述第一进气口和第二进气口可以为同一气源进气。
本发明的有益效果是:
1、充分利用剪切变稀非牛顿流体的流变特性,根据不同流道的速度压力特征,逐层注入气体,以利于产生均匀的气泡流。
2、气泡发生孔的数量和大小可通过垫片进行定量改变,从而调节和优化气液两相流型,操作便利,量化可控。
3、喷嘴出口处的引入外加旋转气流可抑制气泡流动的波动强度,从而提高射流的稳定性。
4、液体流道结构简单,加工便利,口径加大,有利于聚合物溶液以及悬浮液等非牛顿流体顺畅通过,不易造成堵塞和侵蚀,提高了使用性能和寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的气泡雾化喷嘴的总体结构剖面图;
图2是本发明实施例中气液混合室的结构剖面图;
图3是图2中气液混合室中B-B横截面剖面气孔结构示意图;
图4是图2中气液混合室中C-C横截面剖面气孔结构示意图;
图5中(a)为第一气液混合腔气孔结构示意图,(b)第二气液混合腔气孔结构示意图;
图6是本发明实施例中气体调节管套的剖面图;
图7是本发明实施例中气体加速旋流腔体的结构示意图;
图中,气液混合室1、进液口11、第一气液混合腔12、第二气液混合腔13、第一气泡发生孔14、第二气泡发生孔15、气孔调节管套2、外环壁3、第一进气口31、第二进气口32、气体加速旋流腔体4、旋流槽道41、喷口5、第一垫片6、第二垫片7、密封环8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
如图1所示,是本发明实施例的气泡雾化喷嘴的总体结构剖面图,包括气液混合室1、气孔调节管套2、外环壁3、气体加速旋流腔体4、喷口5;所述气孔调节管套2套设在气液混合室1上,两者通过螺纹连接,所述气孔调节管套2旋接在外环壁3的上部,所述气体加速旋流腔体4设在外环壁3内,所述喷口5旋接在外环壁3的底部;所述气液混合室1上端开有进液口11、中部开有气液混合腔、侧壁开有第一气泡发生孔14和第二气泡发生孔15,所述气孔调节管套2上开有与气液混合室1上的第一、第二气泡发生孔(14、15)相对应的气泡发生孔;所述外环壁3上开有第一进气口31和第二进气口32,所述第一进气口31与第一、第二气泡发生孔(14、15)相连通;所述气体加速旋流腔体4上开有旋流槽道41,所述第二进气口32与旋流槽道41相连通;所述气液混合室1的下端抵住气体加速旋流腔体4的上端,所述气体加速旋流腔体4中部开有通孔,所述旋流槽道41与通孔相连通;所述进液口11、气液混合腔、通孔以及喷口5依次相连通。
如图2所示,所述气液混合腔由第一气液混合腔12和第二气液混合腔13组成,所述第一气液混合腔12的内径R1为第二气液混合腔13的内径R2的1~2倍。
如图2、图3和图5(a)所示,所述第一气泡发生孔14设在第一气液混合腔12处,呈360°均匀整列分布,注入气流旋向是顺时针;所述第一气泡发生孔14到第一气液混合腔12中心轴的偏心距离H1与第一气液混合腔12的内径R1之比为0.3-0.6;所述第一气泡发生孔14的轴线与第一气液混合腔12中心轴呈45°夹角;由于气液混合室1与气孔调节管套2通过螺纹旋接,本实施例中气液混合室1按顺时针方向旋转45°可至下层气泡发生孔,按逆时针方向旋转45°可至上层气泡发生孔,即上下两层气泡发生孔之间的距离为螺距的1/8;第一气液混合腔12中共有8层气泡发生孔,孔数共计32个,气孔之间的层距相同。
如图2、图4和图5(b)所示,所述第二气泡发生孔15设在第二气液混合腔13处,呈360°均匀整列分布,注入气流旋向是逆时针;所述第二气泡发生孔15到第二气液混合腔13中心轴的偏心距离H2与第二气液混合腔13的内径R2之比为0.2-0.4;所述第二气泡发生孔15的轴线与第二气液混合腔13中心轴呈90°夹角;由于气液混合室1与气孔调节管套2通过螺纹旋接,本实施例中气液混合室1按顺时针方向旋转45°可至下层气泡发生孔,按逆时针方向旋转45°可至上层气泡发生孔,即上下两层气泡发生孔之间的距离为螺距的1/8;第二气液混合腔13中共有8层气泡发生孔,孔数共计32个,气孔之间的层距相同。
如图1所示,所述气孔调节管套2和气液混合室1的旋接处设有第一垫片6;所述气孔调节管套2与外环壁3的旋接处设有第二垫片7;所述气体加速旋流腔体4上设有密封环8,密封环8位于第一进气口31和第二进气口32之间。
所述第一进气口31和第二进气口32可以为同一气源进气。
第一气液混合腔12和第二气液混合腔13中气泡发生孔的排列和布置充分考虑了非牛顿流体的高粘和剪切变稀特性,由于粘度过大,注入气泡的难度较普通的低粘度流体较大,而气泡雾化喷嘴的雾化效果主要取决于气液两相流中气泡数量的多少和分布的均匀度,本发明通过以下三点设计使得气泡均匀密集的分布于液体中:(1)气孔排列:气孔多层交错排列,采用多级注入,有利于气泡在空间上均匀分布。(2)注气角度:在内径较大的第一气液混合腔12中采用与轴线呈45°注气,此时横截面较大流速较缓,斜向下的注气有利于气泡融入液体中,而在内径较小的第二气液混合腔13中采用与轴线垂直角度注气,此时横截面变小液体流速变大,斜下向注气易产生气液交界面上的速度滑移,使实际注入液体内部的气泡数量减少,而垂直注气更有利于气泡的注入。(3)注气旋向:第一气液混合腔12注气旋向(顺时针)与第二气液混合腔13注气旋向(逆时针)相反,使得气液相对剪切速率加大,有利于非牛顿流体粘度的下降。
如图2和图6所示,所述气液混合室1上气泡发生孔和气孔调节管套2上气孔的相对位置可以通过第一垫片6进行调节,从而增减气泡发生孔的有效个数,定量调节气泡的数量和大小。如图1所示,如减少第一垫片6将气液混合室1旋至最底部,则气孔调节管套2上的气孔与气液混合室1上的气泡发声孔完全吻合,此时全部气孔通气(即64个);如增加第一垫片6,则气液混合室1和气孔调节管套2的相对位置扩大,有效气泡发生孔数量减少。一层垫片的厚度可与气孔之间的层距相同,那么加入一层垫片,则通气孔数量减少8个;一层垫片的厚度也可以是气孔之间层距的1/2,那么加入一层垫片,不改变通气孔数量而减小了通气孔的大小,加入两层垫片才使得通气孔数量减少8个。这种通过垫片调节气泡发生孔个数以及大小的方式,只需更换垫片即可实现,定量可控,操作方便。
如图7所示,当空气经过旋流槽道41收缩加压并产生旋流。增减第二垫片7的厚度可调节外环壁3的锥形面和气体加速旋流腔体4的相对位置,从而改变气体加速旋流腔体4的气体流动圆弧半径,以影响气液在锥形出口处的混合形态。
通过气体加速旋流腔体4后提高了流速和气压,对气泡雾化的流动主要产生两个方面的效果,一是外加气流的引入混合能改善气泡雾化所产生的轴向速度波动,提高射流稳定性。最近的实验研究(文献:A.Kourmatzis,A.Lowe,A.R.Masri,Combinedeffervescent and airblast atomization of a liquid jet.Experimental Thermaland Fluid Science.75(2016)66-76.)通过脉动测量和频谱分析表明外加气流的引入能有效的抑制气泡流动轴向速度的波动强度,从而有利于供液连续和喷射平稳。二是旋流的涡团扰动可增强气液均匀混合和剪切效果,从而降低粘度,改善流型。
如图1所示,所述喷口5内部结构从上至下连接有直线段和扩张段,气泡雾化喷嘴的雾化效果受出口处口径的影响较小,因而可以采用扩张式的出口形态,大幅改善喷嘴的堵塞和侵蚀现象,提高使用性能和寿命。
本发明的工作过程:
液体从进液口11进入,气体从第一进气口31和第二进气口32进入,从第一进气口31进入的气体通过气孔调节管套2和气液混合室1上的第一、第二气泡发生孔(14、15)与液体混合,产生气泡流;从第二进气口32进入的气体进入气体加速旋流腔体4的旋流槽道41,最终在接近旋流槽道41出口时和气泡流相混合,抑制气泡流动的波动强度。
首先在第一气液混合腔12中液体与气体相混合,形成气泡流,此时注入气流方向是顺时针;随后在第二气液混合腔13中液体与气体进行二次混合,进一步形成气泡流,此时注入气流方向是逆时针;第一气液混合腔12和第二气液混合腔13中的气流方向相反将增强剪切效果,且注入角度考虑了气液边界滑移效应的影响。之后气液混合的气泡流将与旋流槽道41中的气流在外环壁3的锥形腔内混合形成旋流;最终气液两相流将经过喷口5喷出。
上述过程中气液混合室1中有效气泡发生孔的个数及大小(即气液混合室1上第一、第二气泡发生孔(14、15)和气孔调节管套2上气孔的相对位置)可通过增减第一垫片6的个数及改变第一垫片6的厚度进行调节,从而量化调节气泡的数量及大小,优化流型。
上述过程中外环壁3的锥形面和气体加速旋流腔体4的相对位置可通过增减第二垫片7的厚度调节,以影响旋流气体和气泡流在锥形出口处的混合形态。
上述实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。