CN107281822A

CN107281822A - 一种蜗旋式除雾除湿装置

Info

Publication number: CN107281822A
Application number: CN201710548482.8A
Authority: CN
Inventors: 郝占宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2017-10-24

Abstract

一种蜗旋式除雾除湿装置，一定数量的蜗旋式结构单元并联阵列水平安装于气流通道中，气流分流在每个蜗旋式结构单元中涡旋前进，过流断面由外向内渐进缩窄，流速增加，压强减小，蜗旋形曲面通道两内壁均为黄金螺线弧面，细小液滴因流道的离心半径效应和周期性曲率增大而被离心去除，气流在压强减小、速度增加的过程中温度降低吸收热量，水蒸气则放热并冷凝成雾，随同细小液滴一同被离心去除，干燥气流携带热量从蜗旋式结构单元顶盖开口流出，流道两侧内壁富集的水膜或液膜受重力下流至底板，在底板汇集后沿气流入口底部流出。

Description

一种蜗旋式除雾除湿装置

技术领域

本发明涉及一种蜗旋式除雾除湿装置，特别是涉及到利用一种蜗旋式结构离心去除气流中的细小液滴，同时冷凝去除水蒸气的发明（去除细小液滴也称除雾，去除水蒸气也称除湿）。

背景技术

工业领域悬浮液滴的分离是许多化工工艺过程中的一个重要问题，在精馏、吸收、解吸、增（减）湿等气（汽）液传质、传热单元操作中，无论是采用填料塔还是板式塔，都是通过两相的密切接触和分离以促进相间组分的传递，达到液体或气体的提纯等目的。在这些过程离开填料层或塔板的气相中，必夹带一定数量、大小不等的液滴或液沫；在随后的冷却、冷凝过程中，还会形成悬浮于气相的微小粒子；当所处理的物系比较复杂时，组分间的气相化学反应亦可能生成更小的颗粒。通常，必须将被气流所夹带的液滴分离出去，也称气液分离（简称除雾）。

目前除雾的方法很多，较为常用的除雾装置有惯性式、折流板式、旋流板式、旋风式、重力沉降式、电分离式、纤维丝网式除雾装置等。各种除雾装置的操作原理不尽相同，分别适用于不同的粒径范围。

１．惯性式除雾装置，比较常见惯性式除雾装置是依靠改变气流的速度与方向，使被携带的密度较大的液滴由于惯性作用附着在装置壁上集结后，靠重力流回。惯性式除雾装置主要是依靠惯性碰撞和直接拦截机理达到气液分离的。这种除雾装置由于结构简单、处理量大，因此它在除雾装置的发展初期被广泛的采用。但是由于它本身的结构所致，惯性式除雾装置所能分离的液滴直径比较大，不适合一些要求很高的场合。

２．折流板式除雾装置，折流板式除雾装置属于惯性式除雾装置，它是利用液滴与固体表面碰撞而将雾沫凝聚并捕集的，通过许多并联的曲折通道，液滴在曲折通道的垂直壁面以及设在曲折处的陷阱中集结后，顺壁下流，得以分离出来。由于液滴与壁面的碰撞机会多，分离效率较高，而气流的压降较小。

３．旋流板式除雾装置，旋流板式除雾装置是一种典型的基于离心分离原理的气液分离器，旋流板由许多按一定仰角倾斜的叶片放置一圈，当气体穿过叶片间隙时就成为旋转气流，气流中夹带的液滴在惯性的作用下以一定的仰角射出而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，从而达到气液分离的目的。

４．旋风式除雾装置主要利用离心分离的原理进行除雾，含有液滴的气体在一定速度下以切向进入旋风分离装置依靠离心力的作用将液滴甩向筒壁，这时气液发生分离，气流沿顶部中心开口流出，而液滴则受顶部挡水板的作用返回。这种形式的除雾装置用于除雾效率较高，处理量大，因而应用较广。但阻力降往往较大，且需要占用一定的空间，设备费用也较高。

５．重力沉降除雾装置在气体流道上设置膨大部分，气体流速降低后，雾滴在重力作用下沉降去除。重力沉降除雾装置构造简单可靠，但体积巨大，且只能用于去除大尺度雾滴。

６．电分离装置在气体流道两侧设置高压静电电极，形成电场，气体从电场中流过，带有电荷的液滴受电场作用，被电极分离。电分离装置效率较高，可以去除小尺度液滴，但对液滴的介电常数有一定要求。此外，民用场合，高压电具备一定危险。

７．纤维丝网式除雾装置采用纤维在一定厚度的空间内形成多重大孔径滤网构造，单重滤网对液滴捕获效率较低，多重构造理论上可以获得任意高去除率。实际上典型的纤维丝网分离装置厚度一般在100mm以上，对细小液滴的去除率一般大于99.7%，压力损失一般在200—1000Pa范围。对于细小液滴含量较高的气体，纤维丝网分离装置阻力通常有所增加。如果液滴不洁净，长期使用后，纤维丝网也存在堵塞或结垢的风险。

以上除雾技术对于充分去除直径5微米以下细小液滴需缩小流道间距或孔径、增加分离捕获单元、增加流速，这样同时阻力增加、雷诺数减小，雷诺数小于2300时形成层流夹带，反而加大了去除难度。

一般雾量大的气流湿度饱和，以上技术均不适合去除湿。湿度，一般在气象学中指的是空气湿度，它是空气中水蒸气的含量。空气中液态或固态的水不算在湿度中。不含水蒸气的空气被称为干空气。空气的干湿程度，表示含有的水蒸气多少的物理量，称为湿度。目前的除湿方法很多，较为常用的除湿装置有冷却除湿机、转轮除湿机、溶液除湿空调系统、电渗透除湿机等，一般民用除湿机是将相对湿度控制在人体感觉舒适的范围内。

1、冷却除湿机，一般型除湿机是指空气经过蒸发器冷却除湿，由再热器加热升温，降低相对湿度。冷却除湿机在低温（ 18 ℃ 以下）环境条件使用，都会结霜或结冰，需要进行除霜或除冰。

2、转轮除湿机，转轮除湿机的主体结构为一不断转动的蜂窝状干燥转轮。干燥转轮是除湿机中吸附水分的关键部件，它是由特殊复合耐热材料制成的波纹状介质所构成。波纹状介质中载有吸湿剂。这种设计，结构紧凑，而且可以为湿空气与吸湿介质提供充分接触的巨大表面积。从而大大提高了除湿机的除湿效率。

3、溶液除湿空调系统，溶液除湿空调系统是基于以除湿溶液为吸湿剂调节空气湿度，以水为制冷剂调节空气温度的主动除湿空气处理技术而开发的可以提供全新风运行工况的新型空调产品；其核心是利用除湿剂物理特性，通过创新的溶液除湿与再生的方法，实现在露点温度之上高效除湿。系统温度调节完全在常压开式气氛中进行。具有制造简单，运转可靠，节能高效等技术特点。

4、电渗透除湿机，电渗透除湿机能量来自于电磁脉冲生成器，是一个由微处理器控制的电子器件在一个环形线圈的帮助下产生一个约50赫兹脉冲磁场。磁场作用于墙体内带极性的水分子，使水分子重新排列并逐渐向下迁移到土壤中。

以上除湿技术均用特殊材料或装置，材料需要再生、装置需要耗电和增设动点控制以及受到一些负面作用的局限，对除湿效果有一定的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积紧凑、重量小、压降低、效率高、处理量大、使用范围广，可同时除雾除湿的装置。

本发明所采用的技术方案是：本装置由一定数量的蜗旋式结构单元阵列式并联组成，蜗旋式结构单元由开孔顶盖(23)、底板(24)、外切蜗旋臂(6)、内置蜗旋臂(5)、蜗旋筒(7)组成；蜗旋式结构单元的并联方式有单层圆周阵列、外围进风多层圆周阵列(44)、外围进风多层圆周阶梯阵列(29)、中心进风多层圆周阶梯阵列(60)、单层线性陈列、多层线性阵列(32)、多层线性阶梯阵列(37)，也可多个阵列并联；外切蜗旋臂垂直连接于开孔顶盖和底板之间，外切蜗旋臂内壁1(9)、外切蜗旋臂内壁2(10)、外切蜗旋臂内壁3(11)在底板上投影弧线所在曲线为黄金螺线（本发明附图中黄金螺线皆为绕原点逆时针旋转），长度不短于M（M≥2,M取正整数，附图示例中M=3）条90°圆弧（四分之一圆周弧）由外向内顺次连接而成的弧线，两相邻圆弧半径比1:0.618，总旋转角度不小于180°，外切蜗旋臂内壁绕黄金螺线原点(8) 逆时针旋转360°/N(N取斐波那契数列中一项，且N≥3)所得位置为内置蜗旋臂外壁1(14)、内置蜗旋臂外壁2(15)、内置蜗旋臂外壁3(16)位置，外切蜗旋臂内壁与内置蜗旋臂外壁围成蜗旋形曲面通道，曲面通道上下面由开孔顶盖和底板封闭；外切蜗旋臂内壁外切于蜗旋筒内壁1（12），内置蜗旋臂外壁与蜗旋筒内壁2（13）相交，相切线和相交线为蜗旋筒立面开口边线；蜗旋筒内壁1（12）在底板投影为180°圆弧线，其半径为外切蜗旋臂内壁3（11）在底板投影的半径的0.618倍；蜗旋筒内壁2（13）在底板投影的圆弧线与蜗旋筒内壁1（12）在底板投影圆弧线内切相连，与内置蜗旋臂外壁3（16）在底板投影相交；蜗旋筒垂直连接于开孔顶盖和底板之间，顶盖开孔（25）于蜗旋筒上口，开孔半径等于蜗旋筒内壁2（13）半径，蜗旋筒下口由底板封闭。蜗旋形曲面通道宽侧外口为蜗旋式结构单元气流入口，顶盖开孔为蜗旋式结构单元气流出口，气流出口截面积不小于气流入口截面积；多个蜗旋式结构单元组成并联阵列，形成统一的气流流入方向和流出方向；并联阵列水平安装于气流通道中，气流流出方向统一向上，气流流入方向因蜗旋式结构单元气流入口排列不同而异，蜗旋式结构单元气流入口指向中心排列的阵列，阵列中心形成通道外口为气流流入方向；蜗旋式结构单元气流入口指向中心反方向排列的阵列，则阵列周围为气流流入方向；蜗旋式结构单元气流入口统一指向一侧的阵列，则所指一侧为气流流入方向。

并联阵列水平安装于气流通道中，入口、出口对应相应的气流方向；富含细小液滴和水蒸气的气流通过并联阵列，在每个蜗旋式结构单元中涡旋前进；蜗旋形曲面通道过流断面由外向内渐进缩窄，气流流速增加，压强减小；水平方向上蜗旋形曲面通道两壁均为相同的黄金螺线，黄金螺线有自我相似的特性，设气流为理想流体，水平面上沿黄金螺线围绕通过原点的垂线做变速运动，线速度增加，运动方向围绕通过原点的垂线不断改变，则曲面通道内气流的水平流线也均为黄金螺线，单个气体分子的水平迹线与水平流线重合，过流断面水平线渐缩且自我相似；将气体分子水平受力情况拆分，每转90°的螺线弧线均为四分之一圆周弧，圆心固定，在这段螺线弧线上运动的气体分子受法向分力作用绕圆心做变速圆周运动，法向分力为指向原点垂线运动力的分力，法向分力即向心力，方向指向圆心，该向心力只改变线速度的方向，不改变线速度的大小，而指向原点垂线运动力的另一个切向分力，与线速度同向，该切向分力不改变线速度方向，只使线速度沿切线方向增加，则气体分子各方向的阻力平衡，气体沿曲面通道做变速圆周运动顺利通过；假设理想气体为空气，细小液滴以细小水珠为主（以下简称水珠，因水珠体积小表面曲率大，表面张力大，可视为球体），水珠在水平面上与每转90°的螺线弧线（流线）上的空气阻力平衡，水珠均可沿螺线弧线（流线）随空气分子同步运动并顺畅通过该段曲面通道，水珠法向受到空气阻力指向每转90°的螺线弧线圆心为向心力，水珠受向心力作用做变速圆周运动，

则向心力F_向=mV²/R, 空气阻力F_空=(1/2)Cρ_空气SV² ,

F_向=F_空，mV²/R=(1/2)Cρ_空气SV²,

m为水珠质量，R为水珠变速圆周运动半径， C为空气阻力系数，球体的空气阻力系数为0.5，S为迎风面积即水珠大圆面积，V为线速度，线速度相同，

则m/R=(1/2)Cρ_空气S，

R= m/((1/2)Cρ_空气S)； …… ①

因m =ρ_水V_球 ,

则m/S=ρ_水V_球/S=(4/3)πr³ρ_水/(πr²) =(4/3)rρ_水； …… ②

②代入①中

R=m/((1/2)Cρ_空气S)，

R=m/S×1/((1/2)Cρ_空气) =(4/3)rρ_水/((1/2)Cρ_空气 )，

因C=0.5，

则R=(16/3)rρ_水/ρ_空气

所以：曲面通道中，水珠受法向向心力做变速圆周运动半径R与切向线速度大小无关，与水珠半径r成正比，与水的密度成正比，与空气密度成反比；相同尺度水珠做变速圆周运动半径相同，固定尺度水珠运动半径为定值。

假设两水平放置圆周曲面通道半径R₁＜R，出口宽度极小且相等，固定尺度水珠刚好可通过R曲面通道，因伯努利方程：P+(1/2)ρV²+ρgh=C（C为常量），等高流动时P+(1/2)ρV²=C（C为常量），则理想空气中，设两曲面通道两端压力差C不变，至压强相同点压强差(1/2)ρ_空气V²= C﹣P不变，则此点线速度V的大小相同，水珠在该点受到压力差（即空气阻力）(1/2)C_阻力系数ρ_空气SV²=（C﹣P）SC_阻力系数，而F_向=mV²/R；当R₁＜R，水珠在曲面通道压强差相同点受到压力差（即空气阻力）为(1/2)C_阻力系数ρ_空气SV²是定值，而该点F_向1＞F_向（mV²/R₁＞mV²/R），即R₁曲面通道中水珠做圆周运动通过所需向心力F_向1大于空气阻力，空气阻力是定值无法增加，水珠无法通过R₁曲面通道。

假设两水平放置圆周曲面通道半径R₂＞R，出口宽度极小且相等，固定尺度水珠刚好可通过R曲面通道，因伯努利方程：P+(1/2)ρV²+ρgh=C（C为常量），等高流动时P+(1/2)ρV²=C（C为常量），则理想空气中，设两曲面通道两端压力差C不变，压强相同点压强差(1/2)ρ_空气V²= C﹣P不变，则此点线速度V的大小相同，水珠在该点受到压力差（即空气阻力）(1/2)C_阻力系数ρ_空气SV²=（C﹣P）SC_阻力系数，而F_向=mV²/R；当R₂＞R，水珠在曲面通道压强差相同点受到压力差（即空气阻力）为(1/2)C_阻力系数ρ_空气SV²是定值，而该点F_向1＜F_向（mV²/R₂＜mV²/R），即R₁曲面通道中水珠做圆周运动通过所需向心力F_向1小于空气阻力，空气阻力是定值无法减小，水珠无法通过R₁曲面通道。

理想空气中，在两端压强差相同而半径不同的圆周曲面通道中，细小水珠做的等高变速圆周运动，通道中压强差相同点的线速度大小相同，F_空气阻力为定值，圆周运动半径R=(16/3)rρ_水/ρ_空气，水珠的半径为定值r则其运动半径为定值R；当圆周曲面通道半径大于R时，水珠做法向向心运动，运动半径趋向于R；圆周曲面通道半径小于R时，水珠做法向离心运动，运动半径趋向于R。

同理可得：

R_液 =(16/3)r_液ρ_液/ρ_气

蜗旋式结构单元曲面通道中，细小液滴受法向向心力做变速圆周运动半径R_液与切向线速度大小无关，与细小液滴半径r_液成正比，与细小液滴的密度成正比，与气体密度成反比；相同尺度细小液滴做变速圆周运动半径相同，固定尺度细小液滴运动半径为定值。

理想气体中，在两端压强差相同而半径不同的圆周曲面通道中，细小液滴做的等高变速圆周运动，通道中压强差相同点的线速度大小相同，F_气体阻力为定值，变速圆周运动半径R_液 =(16/3)r_液ρ_液/ρ_气，细小液滴的半径为定值r_液则其运动半径为定值R_液；当圆周曲面通道半径大于R_液时，细小液滴做法向向心运动，运动半径趋向于R，则大于半径R_液的变速圆周运动结构半径可叫做向心半径；圆周曲面通道半径小于R_液时，细小液滴做法向离心运动，运动半径趋向于R，则小于半径R_液的变速圆周运动结构半径可叫做离心半径；而R_液可称作变速圆周运动平衡半径。自原点或圆心引两条水平射线经过内置蜗旋臂外壁和外切蜗旋臂内壁，形成的外切蜗旋臂内壁弧长大于内置蜗旋臂外壁弧长，因流道内总能量为定值（依据伯努利效应），气流在靠近外切蜗旋臂内壁弧附近的速度快于内置蜗旋臂外壁弧附近速度，产生法向向外的压力差，增大了离心方向速度，因此实施中选用离心半径做圆周曲面通道的结构半径更有利。

本发明设计的蜗旋式结构曲面通道，两垂直内壁投影采用同原点等长黄金螺线弧线，两内壁所在曲线经原点有一定夹角，夹角为360°/N（N取斐波那契数列中一项，且N≥3），因斐波那契数列为黄金分割数列，相邻项比值接近0.618，外切蜗旋臂内壁在底板投影的黄金螺线弧外起点半径R_起点被内置蜗旋臂外壁在底板投影的黄金螺线弧n次(n为所取斐波那契数列N的项次，且n≥1，N=3时n=1 ，N=5时n=2 ，N=8时n=3 ……)黄金分割，其净宽度L（26）=0.618ⁿR_起点（n=1，分割点为内置蜗旋臂外壁在底板投影的黄金螺线弧内端点到半径R_起点的投影；n＞1，分割点在内置蜗旋臂外壁在底板投影的黄金螺线弧上与半径R_起点相交）；该处为蜗旋式结构曲面通道的气流入口，变速圆周运动半径小于R_起点的细小水珠做法向向心运动可以通过半径R_起点曲面通道，变速圆周运动半径小于0.618R_起点的细小水珠做法向向心运动并因入口处的湍流气流扰动也可进入。

因黄金螺线的特性：自外向内，每转90°的螺线弧线均为四分之一圆周弧，两相邻四分之一圆周弧弧长比1:0.618，半径比1:0.618，两弧线连接点对应圆心共在一条法线上，气流经过连接点流线曲率变大至原来的1.618倍(1/0.618=1.618)，小圆周弧上的所需向心力是大圆周弧上的1.618倍，设大圆周弧半径为R小圆周弧半径为R’，R’=0.618R则F_{向小圆周弧}=mV²/R’=1.618mV²/R=1.618F_{向大圆周弧}，此点在大圆周弧上保持变速圆周运动的细小水珠线速度大小不变，则空气阻力不变F_空= (1/2)C_阻力系数ρ_空气SV²，F_空＜1.618F_{向大圆周弧}而无法改变向心力方向，无法使向心力的方向从大圆周弧所在圆心指向小圆周弧所在圆心，细小水珠沿原流线被离心分离到外切蜗旋臂内壁汇集成水膜；设在大圆周弧上保持变速圆周运动的细小水珠半径为r，根据以上证明公式，半径大于r的细小水珠在大圆周弧上离心分离，半径等于r的细小水珠经过流线上的两弧连接点后被离心分离；半径小于r而大于0.618r的细小水珠因变速圆周运动的流线半径在R和0.618R之间而部分被压至内置蜗旋臂外壁、部分进入小圆周弧通道，在小圆周弧与下一级圆周弧连接点处离心分离或在小圆周弧与蜗旋筒内壁连接点处离心分离；变速圆周运动半径小于0.618R的细小水珠半径小于0.618r，其运动180°直径为1.236R小于两相邻螺线弧线的半径之和1.618R（大圆周弧半径+小圆周弧半径），水平法向上做向心运动，被压到内置蜗旋臂外壁汇集成水膜。以上情况也可以用公式R=(16/3)rρ_水/ρ_空气简化理解，R /r =(16/3)ρ_水/ρ_空气，ρ_水和ρ_空气不变，r随R正比例变化，减小R只能是原有尺度的细小液滴无法改变原状态，被分离出场，剩下更小尺度的细小液滴继续参加运动，再次减小R则再次分离对应r的细小水珠。

本装置运行中外切蜗旋臂内壁、内置蜗旋臂外壁、蜗旋筒内壁富集的水膜或液膜受重力下流至底板，在底板汇集后沿气流反方向从气流入口底部流出。

实践中气流情况要复杂一些，曲面通道内存在气液传质、温度变化、不同尺度的液滴存在蒸发、冷凝、碰撞、形状变化，通常气流含有较高的湿度甚至超饱和湿度，根据查理定律：P = P₀(1+t/273) 、伯努利方程：P+(1/2)ρV² =C（C为常量）和文丘里效应：过流断面与流体速度成反比，则蜗旋式结构单元流道渐缩过程中气流压强减小、速度增加、温度降低，水蒸气冷凝放热，热量被降温后的气流吸收并带走，完成热交换功能，使蜗旋式结构单元整体温度降低，增加水蒸气的冷凝液滴，增大细小液滴尺度，进而增强离心分离效果。因此，本装置具有一定的除湿功能，加装储液桶、超声造雾器或压力造雾装置或液体喷雾装置、循环泵、循环装置可加强除湿效果，使被本装置收集的水或液体雾化后作为工作雾再进入装置内的蜗旋式结构单元，蜗旋式结构单元内的雾量增加、湿度进一步饱和，水蒸气冷凝成雾，工作雾、冷凝新增雾和气流中的细小液滴混合并共同被离心分离，冷凝分离后热量被气流带走，装置内部有水或液体流经的部分结构温度会降低，连续循环工作一段时间，水或液体的温度及装置内部温度可以连续降低，导致冷凝除湿效果进一步增强；因查理定律P = P₀(1+t/273) 、伯努利方程P+(1/2)ρV² =C（C为常量），则P₀(1+t/273) =C-(1/2)ρV²，P₀=101325Pa为标准大气压，ρ=1.293 kg/m³，当P₀ =C时，t =﹣(273/2)ρV²/ P₀；蜗旋式结构曲面通道水平放置，曲面通道高度H固定，气流等高流动，黄金螺线自我相似，外切蜗旋臂内壁1外起点的过流断面随曲面通道两壁每旋转90°净宽度L₁按黄金分割比例缩小为L_M=0.618^ML₁，因速度V与过流断面面积L×H成反比，高度H为定值，则V₂ ²﹣V₁ ²= (V₁/0.618^M)²﹣V₁ ²=1.618^2MV₁ ²﹣V₁ ²，那么温差t₂- t₁=﹣(273/2)ρ（1.618^2MV₁ ²﹣V₁ ²）/P₀，M为转过90°的次数，也是外切蜗旋臂内壁在底板投影黄金螺线弧线的条数，当M=3时，t₂- t₁=﹣(273/2)·1.293（1.618⁶V₁ ²﹣V₁ ²）/101325=﹣0.0295V₁ ²℃（负数代表温度降低，风速越快温差越大），若用流量100m³/h的离心风机驱动气流，蜗旋式结构单元入口风速为2m/s，空气的比热为1030J/(kg·℃），同时用水循环造雾，水的比热为4200J/(kg·℃），则每小时每公斤水可降低的温度=空气密度 ×风量×空气比热 /水比热×温差==1.293×100×1030/4200×0.0295×2²=﹣3.74℃；当M=1时，t₂- t₁=﹣0.0046V₁ ²℃，每小时每公斤水可降低的温度=﹣0.58℃；当M=2时，t₂- t₁=﹣0.0119V₁ ²℃，每小时每公斤水可降低的温度=﹣1.51℃。增加外切蜗旋臂的黄金螺线弧线条数可以明显增加降温效果，提高除湿效率，在一定空间内长时间运行产生的累加除湿效果更好，更适合湿量有限的民用场所。

雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比，属于切向量，本发明涉及的技术方案是通过改变水平流场的结构来改变目标流体的运动方向，从而实现气液分离，属于改变法向量，法向量和切向量垂直，对于本装置气流中的细小液滴，气流阻力无法维持半径小于平衡半径的变速圆周运动，法向受力方向改变，改变法向力方向时法向速度为零，不受惯性力和粘性力影响，所以不考虑雷诺数；而目标流体受法向力改变方向后远离圆心，虽然离心方向上面向气体分子，但离心方向是个放射空间，它有上下底，但两侧没有边界和特征长度，所以无法计算雷诺数；另外自原点或圆心引两条水平射线经过内置蜗旋臂外壁和外切蜗旋臂内壁，形成的外切蜗旋臂内壁弧长大于内置蜗旋臂外壁弧长，因流道内总能量为定值（依据伯努利效应），气流在靠近外切蜗旋臂内壁弧附近的速度快于内置蜗旋臂外壁弧附近速度，产生法向向外的压力差，增大了离心方向速度，因此，不考虑雷诺数。

本装置运行一段时间，蜗旋式结构单元内壁两侧都会富集水膜或液膜，水膜或液膜靠重力流至底板，汇集一定液面高度后反向流出气流入口，液面高度因液体不同而异，考虑这个液面高度会影响气流进入量，可以按此高度增加蜗旋式结构单元内壁高度，同时保持实际气流入口、进口出气流量均衡。

黄金螺线的旋转方向为地球北半球绕原点逆时针旋转（左旋），南半球绕原点顺时针方向旋转（右旋），主要是为了减小科里奥利力的影响。若不考虑科里奥利力，左右旋都可以。

本装置制作时，先按公式R_液 =(16/3)r_液ρ_液/ρ_气对应主要组分的细小液滴半径、密度和气体密度计算出外切蜗旋臂内壁1的平衡半径，实体制作半径（离心半径）小于平衡半径，以增强除雾除湿效果；增加外切蜗旋臂内壁长度即黄金螺线弧线条数M，可以成倍增强除雾除湿效果；减小外切蜗旋臂内壁绕黄金螺线原点逆时针旋转角度360°/N，即增加N (N取斐波那契数列中一项，且N≥3)也是减小过流断面宽度，可以增强除雾除湿效果。蜗旋式结构单元的并联形状取决于在气流通道中方便放置的形式，并联数量为气流通道截面积除以单个蜗旋式结构单元的进风口截面积或出风口截面积，并联设计时注意避免进风口和出风口互相遮挡。

本发明的有益效果是，提高去除效率，特别是充分去除直径5微米以下的细小液滴，兼有除湿功能，结构小巧，使用简单，制造与运行成本低廉的产品。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构单元三视图、剖面图、透视图。

图1中5. 内置蜗旋臂，6. 外切蜗旋臂，7. 蜗旋筒，17.正视图，18. 俯视图，19.侧视图，20.A-A剖面图，21.天点透视图，22.地点透视图，23.开孔顶盖，24.底板，25.开孔顶盖孔。

图2是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构单元内壁透视图、蜗旋式结构单元内壁侧视图、蜗旋式结构单元内壁正视图、蜗旋式结构单元内壁俯视图。

图2中1. 蜗旋式结构单元内壁透视图，2. 蜗旋式结构单元内壁侧视图，3. 蜗旋式结构单元内壁正视图，4. 蜗旋式结构单元内壁俯视图5. 内置蜗旋臂，6. 外切蜗旋臂，7. 蜗旋筒，8.原点，9. 外切蜗旋臂内壁1，10.外切蜗旋臂内壁2，11.外切蜗旋臂内壁3，12. 蜗旋筒内壁1，13. 蜗旋筒内壁2，14. 内置蜗旋臂外壁1， 15.内置蜗旋臂外壁2 ，16.内置蜗旋臂外壁3。

图3是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构单元内壁透视图放大图。

图3中9. 外切蜗旋臂内壁1，10.外切蜗旋臂内壁2，11.外切蜗旋臂内壁3，12. 蜗旋筒内壁1，13. 蜗旋筒内壁2，14. 内置蜗旋臂外壁1， 15.内置蜗旋臂外壁2 ，16.内置蜗旋臂外壁3，P6—Q6. 外切蜗旋臂内壁1黄金螺线弧线，Q6 —T6. 外切蜗旋臂内壁2黄金螺线弧线，T6—U6. 外切蜗旋臂内壁3黄金螺线弧线，U6—V6. 蜗旋筒内壁1弧线，V6—U5. 蜗旋筒内壁2弧线，P5—Q5. 内置蜗旋臂外壁1黄金螺线弧线，Q5—T5. 内置蜗旋臂外壁2黄金螺线弧线，T5—U5. 内置蜗旋臂外壁2黄金螺线弧线。

图4是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构单元流场内流线和细小水珠受力分析图。

图4中8.原点，9. 外切蜗旋臂内壁1，10.外切蜗旋臂内壁2，11.外切蜗旋臂内壁3，12. 蜗旋筒内壁1，13. 蜗旋筒内壁2，14. 内置蜗旋臂外壁1， 15.内置蜗旋臂外壁2 ，16.内置蜗旋臂外壁3，B. 内置蜗旋臂外壁1圆心，C.外切蜗旋臂内壁1圆心，C50.流线50第一级螺线圆心，E50.流线50第二级螺线圆心，46. 流场内流线,47. 流场内流线,48. 流场内流线,49. 流场内流线,50. 流场内流线51. 流场内流线52. 流场内流线53. 流场内流线54.流场内流线55.流场内流线，K9. 外切蜗旋臂内壁1细小水珠1，L9. 外切蜗旋臂内壁1细小水珠2，K14. 内置蜗旋臂外壁1细小水珠1，L14. 内置蜗旋臂外壁1细小水珠2，K50.流线50上细小水珠1，L50. 流线50上细小水珠2，M50. 流线50上细小水珠3，N50. 流线50上细小水珠4，Z.水珠着壁点。

图5是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构单元流场内不同半径流线示意图。

图5中5. 内置蜗旋臂，6. 外切蜗旋臂，7. 蜗旋筒，8.原点，9. 外切蜗旋臂内壁1及其半径，15.内置蜗旋臂外壁2及其半径，62.半径8.7㎜流线，63. 半径7.52㎜流线。

图6是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构单元水平面结构示意图。

图6中5. 内置蜗旋臂，6. 外切蜗旋臂，7. 蜗旋筒，8.原点，9. 外切蜗旋臂内壁1半径，10.外切蜗旋臂内壁2半径，11.外切蜗旋臂内壁3半径，12. 蜗旋筒内壁1半径，13.蜗旋筒内壁2半径，14. 内置蜗旋臂外壁1半径， 15.内置蜗旋臂外壁2半径，16.内置蜗旋臂外壁3半径，B.内置蜗旋臂外壁1圆心，C.外切蜗旋臂内壁1圆心，D.内置蜗旋臂外壁2圆心，E.外切蜗旋臂内壁2圆心，F.内置蜗旋臂外壁3圆心，G.外切蜗旋臂内壁3圆心，H. 蜗旋筒内壁2圆心，J. 蜗旋筒内壁1圆心。

图7是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构立壁剖面和开孔顶盖剖面投影示意图。

图7中12. 蜗旋筒内壁1半径，13. 蜗旋筒内壁2半径，25. 开孔顶盖开孔直径，26.外切蜗旋臂内壁起点至内置蜗旋臂外壁净宽度L。

图8是本发明的蜗旋式结构外围进风多层圆周阶梯阵列示意图。

图8中27. 外围进风多层圆周阶梯阵列侧视图，28. 外围进风多层圆周阶梯阵列俯视图，29. 外围进风多层圆周阶梯阵列正视图，30. 外围进风多层圆周阶梯阵列A’—A’剖视图，56. 外围进风多层圆周阶梯阵列透视图。

图9是本发明的蜗旋式结构多层线性阵列示意图。

图9中31. 多层线性阵列侧视图，32. 多层线性阵列正视图，33. 多层线性阵列俯视图，34. 多层线性阵列天点透视图，35. 多层线性阵列地点透视图。

图10是本发明的蜗旋式结构多层线性阶梯阵列示意图。

图10中36. 多层线性阶梯阵列侧视图，37. 多层线性阶梯阵列正视图，38. 多层线性阶梯阵列俯视图，39. 多层线性阶梯阵列地点透视图，40. 多层线性阶梯阵列天点透视图。

图11是本发明的蜗旋式结构外围进风多层圆周阵列示意图。

图11中41. 外围进风多层圆周阵列侧视图，42. 外围进风多层圆周阵列地点透视图，43. 外围进风多层圆周阵列天点透视图，44. 外围进风多层圆周阵列正视图，45. 外围进风多层圆周阵列俯视图。

图12是本发明具体实施方式一的蜗旋式结构中心进风多层圆周阶梯阵列示意图。

图12中5. 内置蜗旋臂，6. 外切蜗旋臂，7. 蜗旋筒，23.开孔顶盖，24.底板，25.开孔顶盖孔，57. 中心进风多层圆周阶梯阵列透视图，58. 中心进风多层圆周阶梯阵列侧视图，59. 中心进风多层圆周阶梯阵列俯视图，60. 中心进风多层圆周阶梯阵列正视图，61. 中心进风多层圆周阶梯阵列A’’—A’’剖面图。

具体实施方式

具体实施方式一

去除空气气流中的雾，主要组分直径5微米的细小水珠，湿度饱和，气流初速度2米/秒，大气压强为101325Pa，蜗旋臂夹角45°=360°/ N N=8，斐波那契数列N的项次n=3，黄金螺线弧线的条数M=3，细小水珠半径r=2.5μm，ρ_空气=1.293kg/m³ ,ρ_水=1000kg/m³,

则R=(16/3)rρ_水/ρ_空气，R=10.31mm，

本装置制作半径取R_制=10mm，R_制＜R为离心半径。

如图12.中心进风多层圆周阶梯阵列A’’—A’’剖面图（61）中，蜗旋式结构单元水平气流入口向内圆周排列，气流从阵列底部中心口向上流入，向四周均衡分流进入各蜗旋式结构单元，在内置蜗旋臂（5）和外切蜗旋臂（6）之间，气流开始加速，速度增加，压强减小，温度降低，沿流道气流方向不断改变，细小水珠不断被分离出来，在蜗旋臂两壁富集成膜，分离后的气体经蜗旋筒（7）旋转向上由开孔顶盖（23）开孔（25）流出；蜗旋臂两壁富集的水因重力下流至底板（24），沿阵列底部中心口流出；正视图（60）和侧视图（58）中，开孔顶盖（23）阵列，底板（24）阵列，开孔顶盖开孔（25）阵列。

如图1. A-A剖面图（20）中，外切蜗旋臂（6）和内置蜗旋臂（5）同原点排列，夹角45°围成蜗旋形曲面通道，外切蜗旋臂（6）外切于蜗旋筒（7），内置蜗旋臂（5）与蜗旋筒（7）相交，相切线和相交线为蜗旋筒立面开口，气流切向进入蜗旋筒（7）；天点透视图（21）中，曲面通道上下面由开孔顶盖（25）和底板（25）封闭。

如图2. 蜗旋式结构单元内壁俯视图（4）中，外切蜗旋臂（6）和内置蜗旋臂（5）同原点（8）排列，夹角45°围成蜗旋形曲面通道；蜗旋式结构单元内壁透视图（1）中，外切蜗旋臂内壁1（9）、外切蜗旋臂内壁2（10）、外切蜗旋臂内壁3（11）组成外切蜗旋臂（6）的内壁，蜗旋筒内壁1（12）、蜗旋筒内壁2（13）组成蜗旋筒（7）的内壁，内置蜗旋臂外壁1（14）、内置蜗旋臂外壁2（15）、内置蜗旋臂外壁3（16）组成内置蜗旋臂外壁。

如图2. P6—Q6. 外切蜗旋臂内壁1黄金螺线弧线，Q6 —T6. 外切蜗旋臂内壁2黄金螺线弧线，T6—U6. 外切蜗旋臂内壁3黄金螺线弧线，U6—V6. 蜗旋筒内壁1弧线，V6—U5. 蜗旋筒内壁2弧线，P5—Q5. 内置蜗旋臂外壁1黄金螺线弧线，Q5—T5. 内置蜗旋臂外壁2黄金螺线弧线，T5—U5. 内置蜗旋臂外壁2黄金螺线弧线；外切蜗旋臂内壁黄金螺线弧线连接点P6、Q6、T6；内置蜗旋臂外壁黄金螺线弧线连接点P5、Q5、T5；蜗旋筒内壁弧线连接点V6；内置蜗旋臂外壁黄金螺线弧线与蜗旋筒内壁弧线连接点U5；外切蜗旋臂内壁黄金螺线弧线与蜗旋筒内壁弧线连接点U6。

如图4.流速平衡后，流线50上细小水珠1（K50）流至（L50）位置，再流至（M50）位置，圆心始终是(C50) ，是变速圆周运动，再由（M50）位置流向（N50）位置时，圆心迁移到（E50）位置，两弧半径比1:0.618，圆心(C50) 与（E50）共在一条法线上，流线曲率变大为原来的1.618倍，所需向心力增大0.618倍，而原平衡的空气阻力未变，细小水珠无法增大运动曲率而从转弯的气流中离心分离，沿原流线前进，最后细小水珠运动到水珠着壁点（Z）附近附着在外切蜗旋臂内壁上，运行中相同尺度的细小水珠汇集于（Z）附近。

如图5. 外切蜗旋臂内壁1（9）的半径R10mm，内置蜗旋臂外壁2（15）的半径R’6.18mm，外切蜗旋臂内壁（6）和内置蜗旋臂外壁（5）之间可容纳流线范围示例，半径8.7㎜流线（62）和半径7.52㎜流线（63）不能通过。

如图6. 蜗旋结构各弧线半径和圆心位置。

如图7.开孔顶盖（25）与蜗旋筒内壁2（13）是投影同心圆，开孔顶盖（25）开孔半径小于蜗旋筒内壁1（12）半径可延长外切蜗旋臂内壁分离区域至蜗旋筒内壁，加强分离效果，外切蜗旋臂内壁起点至内置蜗旋臂外壁净宽度L（26）=0.618³R_制=2.36㎜。

Claims

1.一种蜗旋式除雾除湿装置，特别是涉及到利用一种蜗旋式结构离心去除气流中的细小液滴，同时冷凝去除水蒸气的发明，其特征在于：蜗旋式结构单元由开孔顶盖(23)、底板(24)、外切蜗旋臂(6)、内置蜗旋臂(5)、蜗旋筒(7)组成，一定数量的蜗旋式结构单元以阵列式并联，水平置于气流通道中，富含细小液滴和水蒸气的气流进入并联阵列，在每个蜗旋式结构单元中涡旋前进，过流断面由外向内渐进缩窄，气流流速增加，压强减小；水平方向上蜗旋式结构单元流道两侧内壁投影为同原点等弧长黄金螺线，气流携带细小液滴和水蒸气沿黄金螺线流线做等高变速圆周运动，细小液滴因流道的离心半径和周期性曲率增大的约束而被离心去除；蜗旋式结构同时具有热交换的功能，气流在压强减小、速度增加的过程中温度降低吸收热量，水蒸气则放热并冷凝成雾，随同细小液滴一同被离心去除，完成除雾除湿，干燥气流携带热量从蜗旋式结构单元顶盖开口（25）流出，蜗旋式结构单元流道两侧内壁富集的水膜或液膜受重力下流至底板，在底板汇集后沿气流入口底部流出。

2.根据权利要求1所述的蜗旋式结构，其特征在于：外切蜗旋臂内壁在底板上投影弧线所在曲线为黄金螺线，长度不短于M条90°圆弧由外向内顺次连接而成的弧线，M取大于等于2的正整数，总旋转角度不小于180°，两相邻圆弧半径比1:0.618。

3.根据权利要求1所述的蜗旋式结构，其特征在于：外切蜗旋臂内壁与内置蜗旋臂外壁夹角为360°/N，N取斐波那契数列中一项，且N≥3。

4.根据权利要求1所述的蜗旋式结构，其特征在于：外切蜗旋臂内壁3外切于蜗旋筒内壁1，蜗旋筒内壁1在底板投影为180°圆弧线，其半径为外切蜗旋臂内壁3在底板投影的半径的0.618倍。

5.根据权利要求1所述的蜗旋式结构，其特征在于：外切蜗旋臂内壁1外起点水平半径线段被内置蜗旋臂外壁在底板的投影n次黄金分割(n为所取斐波那契数列N的项次，且n≥1)，其净宽度L₁=0.618ⁿ×半径。

6.根据权利要求1所述的一定数量的蜗旋式结构单元并联，其特征在于：并联数量为气流通道截面积除以单个蜗旋式结构单元的进风口截面积或出风口截面积。

7.根据权利要求1所述的阵列式并联，其特征在于：包括单层圆周阵列、外围进风多层圆周阵列、外围进风多层圆周阶梯阵列、中心进风多层圆周阵列、中心进风多层圆周阶梯阵列、单层线性陈列、多层线性阵列、多层线性阶梯阵列，也包括多个阵列并联。

8.根据权利要求1所述的流道的离心半径，其特征在于：外切蜗旋臂内壁1的黄金螺线弧线半径小于气流维持主要组分细小液滴做变速圆周运动的平衡半径。

9.根据权利要求1所述的蜗旋式结构的热交换功能，其特征在于：黄金螺线自我相似，外切蜗旋臂内壁1外起点的过流断面随曲面通道两壁M次旋转90°，净宽度L₁按黄金分割比例缩小为L_M=0.618^ML₁，M取大于等于2的正整数，则等高过流断面同比例缩小，气流流速增加压强减小，压强减小温度降低，水蒸气冷凝成雾，加装造雾储液循环装置可加强水蒸气冷凝成雾的效果。

10.根据权利要求9所述的加装造雾储液循环装置，其特征在于：加装储液桶、超声造雾器或压力造雾装置或液体喷雾装置、循环泵、液体循环装置。