CN107442527A - 具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器 - Google Patents

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马文琦
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Abstract

本发明公开了一种具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，包括叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴，所述的叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴通过上下自锁螺母连接为一体；所述的亥姆霍兹空化喷嘴由入口腔、上喷嘴出口、共振腔和下喷嘴出口组成；下喷嘴出口直径与上喷嘴出口直径比为1.2‑2.3；共振腔直径和下喷嘴直径比为6‑9；共振腔长度与共振腔直径之比为0.5‑0.7。本发明的亥姆霍兹空化喷嘴能够通过共振腔对上喷嘴出口的水流激波进行放大，水流到下喷嘴出口后能够反馈，从而产生极大的激波，进而对管道进行清洗，产生更好的空化效果。本发明采用设备结构产生水力空化的效果，具有设备简单、操作方便、成本较低的特点。

Description

具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器
技术领域
本发明涉及管道除垢技术，是一种利用低压管道除垢的复合型空化清洗器。
背景技术
在工业生产的发展过程中，管道结垢现象一直是影响管道输送能力、使用周期的主要因素之一。油田供油系统、自来水供水系统、水电站排水系统以及城市下水管道网管路复杂，使用量大，管道长，严重影响了管道的流通性。各行各业中管道输送能力、管网使用时间、管网清洗一直是限制其行业发展的一个重大问题，解决该问题实现管网在线清洗，增长管道的使用周期，使其具有更好的流通、输送能力可推动行业发展，具有重要的现实意义。
目前，管道的清洗主要分为化学清洗和物理清洗，化学清洗利用化学药剂与污垢产生化学反应，使污垢溶解随清洗液流出，达到去除污垢的目的。主要包括：酸洗法、碱洗法、有机溶剂清洗法和表面活性剂清洗法。物理清洗则是利用外来能量作用，产生打击力和压力冲击波作用于管道内壁面污垢，使其破碎、脱落，主要包括机械摩擦、超声波、空化水射流等，物理清洗方法应用达到整个工业清洗的75％左右。
管道化学清洗方式存在的一些缺点：化学清洗由于其使用化学药品容易对环境造成污染，对人身健康有损害，残液对管体有腐蚀，其使用受到了极大的限制。
目前管道物理清洗主要方式包括：高压水射流、PIG清洗方法。高压水射流清洗方式在工业清洗当中具有广泛的应用，但是其清洗压力大，工程上通常在100-280MPa的压力下进行，并且清洗设备投资大，复杂结构管线要求解体清洗，长距离管线分段清洗，危险性较高。PIG清洗是一项由管道保养维护技术发展演变而来的管道清洗技术，其通过能力强，使用范围广，可以通过弯曲的管道而不造成堵塞，并且清洗密封性好，重量轻，回弹性好，但是设备价格昂贵，操作技术困难。
中国专利201710334512.5申请了一种用于管道除垢的复合型空化清洗器，包括叶片清洗结构和空化喷嘴，所述的叶片清洗结构和空化喷嘴通过自锁螺纹和空化喷嘴自身的台肩连接为一体；所述的叶片清洗结构包括内层叶片和外层叶片两组叶片，所述的内层叶片和外层叶片交错叠放在一起；所述的喷嘴由入口腔、空化谐振腔和射流小孔组成。由于该发明采用了空化机理对管道进行清洗，远远超过传统清洗手段的清洗效率。且采用叶片空化清洗器和空化喷嘴两级复合，提高了单级空化清洗器的空化效果。由于该发明采用复合型空化清洗器，所需驱动压力低于10MPa，比传统的高压水射流清洗技术危险性降低。由于该发明采用的空化清洗器，设备简单，造价较低，比传统的PIG清洗技术所需成本降低。
但该复合型空化清洗器，水流进入空化喷嘴后，只能进行单级激振，不能形成共振使其激振峰值叠加，故自激振产生的激波较小。而要产生好的空化效果，需要外加激励源，例如超声波或者激光诱导等方式产生空化效果，这样会导致操作复杂、工况适应性差和成本较高，难以适用于工业生产中。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种空化效果好且低成本的具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，包括叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴，所述的叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴通过上自锁螺母和下自锁螺母连接为一体；
所述的叶片清洗结构包括内层叶片和外层叶片两组叶片，所述的内层叶片和外层叶片交错叠放在一起；所述的叶片清洗结构通过弯折定型成具有双折弯角度的碗状结构，且满足弯折角度θ1>θ2；
所述的亥姆霍兹空化喷嘴由入口腔、上喷嘴出口、共振腔和下喷嘴出口组成；下喷嘴出口直径与上喷嘴出口直径比为1.2-2.3；共振腔直径和下喷嘴直径比为6-9；共振腔长度与共振腔直径之比为0.5-0.7；
所述的叶片清洗结构内腔与压紧板贴合。
进一步地，所述的下喷嘴出口为锥孔，锥孔锥角范围为90°-120°。
进一步地，所述的压紧板与叶片清洗结构内腔贴合，采用高弹性材料。
进一步地，所述的亥姆霍兹空化喷嘴中影响自激振荡效果的主要参数包括：腔式长度L，上喷嘴出口直径D1，下喷嘴出口直径D2，共振腔直径D0，其中各参数之间的比例关系为：D2/D1＝1.2-2.3；D0/D2＝6-9；L/D0＝0.5-0.7；其他尺寸参数为：入流腔直径D与共振腔长度L的结构比例关系一般取值为：D/L＝0.625-0.850。
进一步地，所述的亥姆霍兹空化喷嘴和压紧板通过上自锁螺母、下自锁螺母、上垫片和下垫片固定在叶片清洗结构上，所述的上垫片位于压紧板内腔底部、下垫片位于叶片清洗结构外表面底部。
本发明工作原理如下：当本发明采用水介质作为其工作介质。一方面叶片清洗结构工作区域依靠弹性与管道中的垢质贴合，形成狭窄的节流空间，从而产生大量空泡群，当空泡群在压力较大的区域溃灭时，产生压力脉动和微射流冲击壁面污垢。另一方面通过亥姆霍兹空化喷嘴工作区域的水流经过上喷嘴出口喷出，穿过共振腔室后，再经过下喷嘴出口喷出时，由于共振腔内流体速度远小于射流速度，在共振腔内流体的交界面处存在剧烈的剪切运动。这样流经共振腔通过下喷嘴出口喷出的水流就会产生空化效果，从而冲击复合型空化清洗器前方的垢质，并且能够有效防止清洗过程中复合型空化清洗器的堵塞。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的亥姆霍兹空化喷嘴能够通过共振腔对上喷嘴出口的水流激波进行放大，水流到下喷嘴出口后能够反馈，从而产生极大的激波，进而对管道进行清洗，产生更好的空化效果。
2、本发明的亥姆霍兹空化喷嘴比风琴管式喷嘴多了一级共振腔，虽然沿程损失有所增加，但是两个腔室合理配置后，将激励出更大的流体震荡，瞬时能量得到提高，从而克服了由沿程阻力消耗带来的损失，使亥姆霍兹空化喷嘴部分产生峰值共振，达到更好的激振效果。
3、本发明采用设备结构产生水力空化的效果，与传统的超声波空化清洗、PIG清洗等设备相比，设备简单，操作方便，设备成本较低。
4、由于本发明采用了空化机理对管道进行清洗，远远超过传统清洗手段的清洗效率。且采用的叶片空化清洗器和亥姆霍兹空化喷嘴两级复合及其亥姆霍兹空化喷嘴所具有的两级共振效果，大大提高了单级单激振空化清洗器的空化效果。
附图说明
图1是两组交错叠放的叶片清洗结构三维图。
图2是单组叶片未折弯定型示意图。
图3是单组叶片折弯后定型示意图。
图4是亥姆霍兹空化喷嘴示意图。
图5是压紧板示意图。
图6是本发明的复合空化清洗器结构示意图。
图中：1-内层叶片，2-外层叶片，3-亥姆霍兹空化喷嘴，4-压紧板，5-上自锁螺母，6-上垫片，7-下垫片，8-下自锁螺母。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-6所示，具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，包括叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴3，所述的叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴3通过上自锁螺母5和下自锁螺母8连接为一体；
所述的叶片清洗结构包括内层叶片1和外层叶片2两组叶片，所述的内层叶片1和外层叶片2交错叠放在一起；所述的叶片清洗结构通过弯折定型成具有双折弯角度的碗状结构，且满足弯折角度θ1>θ2；
所述的亥姆霍兹空化喷嘴3由入口腔、上喷嘴出口、共振腔和下喷嘴出口组成；下喷嘴出口直径与上喷嘴出口直径比为1.2-2.3；共振腔直径和下喷嘴直径比为6-9；共振腔长度与共振腔直径之比为0.5-0.7；
所述的叶片清洗结构内腔与压紧板4贴合；所述的喷嘴为亥姆霍兹空化喷嘴3。
进一步地，所述的下喷嘴出口为锥孔，锥孔锥角范围为90°-120°。
进一步地，所述的压紧板4与叶片清洗结构内腔贴合，采用高弹性材料。
进一步地，所述的亥姆霍兹空化喷嘴3中影响自激振荡效果的主要参数包括：腔式长度L，上喷嘴出口直径D1，下喷嘴出口直径D2，共振腔直径D0，其中各参数之间的比例关系为：D2/D1＝1.2-2.3；D0/D2＝6-9；L/D0＝0.5-0.7；其他尺寸参数为：入流腔直径D与共振腔长度L的结构比例关系一般取值为：D/L＝0.625-0.850。
进一步地，所述的亥姆霍兹空化喷嘴3和压紧板4通过上自锁螺母5、下自锁螺母8、上垫片6和下垫片7固定在叶片清洗结构上，所述的上垫片6位于压紧板4内腔底部、下垫片7位于叶片清洗结构外表面底部。
本发明工作原理如下：当本发明采用水介质作为其工作介质。一方面叶片清洗结构工作区域依靠弹性与管道中的垢质贴合，形成狭窄的节流空间，从而产生大量空泡群，当空泡群在压力较大的区域溃灭时，产生压力脉动和微射流冲击壁面污垢。另一方面通过亥姆霍兹空化喷嘴3工作区域的水流经过上喷嘴出口喷出，穿过共振腔室后，再经过下喷嘴出口喷出时，由于共振腔内流体速度远小于射流速度，在共振腔内流体的交界面处存在剧烈的剪切运动。这样流经共振腔通过下喷嘴出口喷出的水流就会产生空化效果，从而冲击复合型空化清洗器前方的垢质，并且能够有效防止清洗过程中复合型空化清洗器的堵塞。
本发明的主体是图1-3所示的叶片清洗结构，在叶片清洗结构的来流端紧贴在管道内壁面上，形成节流，增加流速降低了来流端的压力，从而生成了大量的空泡，由于叶片清洗结构存在折弯角，故在叶片清洗结构出流端流速降低压力急速恢复，空泡快速溃灭并产生压力脉动，从而清洗管道内的污垢。
如图3所示为上折弯角θ1、下折弯角θ2的叶片清洗结构，采用不同的上下折弯角，在上折弯角θ1较小时，在此角度下的叶片清洗结构与管道紧贴在一起，节流面积较小，能够产生空泡。下折弯角θ2较大，能够使在上折弯角叶片清洗结构区域产生的空泡快速溃灭，产生较大的压力脉冲和微射流，清洗管道内污垢。
通过上自锁螺母5和下自锁螺母8把图4所示的亥姆霍兹空化喷嘴和图5所示的压紧板连接在叶片清洗结构上，图4所示的亥姆霍兹空化喷嘴最有三个重要的结构参数：上喷嘴出口、共振腔和下喷嘴出口，直径分别为D1、D0和D2。上喷嘴出口处产生初生的涡旋脉动，共振腔的作用是：一方面对上喷嘴出口的涡旋进行放大和产生新的涡旋，另一方面使通过下喷嘴出口的压力波满足一定的斯塔罗哈尔数，调制其射流流场特性。
如图5所示为压紧板4的结构，它与叶片清洗结构紧密贴合在一起，有一定的柔软性，适合清洗器变直径和变折弯角度的要求。
本发明在管道清洗推进过程中，一部分流体从叶片清洗结构与管道的节流区流过，流过节流区的流体能够产生空化效果从而清除管道污垢。另一部分流体从图4所示亥姆霍兹空化喷嘴3的入口腔流入，通过上喷嘴出口流进共振腔中，由于共振腔内流体速度远小于射流速度，在腔式内流体的交界面处存在剧烈的剪切运动，然后具有激波的流体最后经过下喷嘴出口流出。在亥姆霍兹空化喷嘴3和叶片节流这两部分中，都存在空化效应。空泡的溃灭能产生较大的瞬时压强和微射流，在污垢附近溃灭时，能够利用所产生的溃灭压力和微射流高效清洗管道污垢。本发明前进时即可产生上述空化效果打击壁面，同时可以刮擦壁面上的污垢。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，其特征在于：包括叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴(3)，所述的叶片清洗结构和亥姆霍兹空化喷嘴(3)通过上自锁螺母(5)和下自锁螺母(8)连接为一体；
所述的叶片清洗结构包括内层叶片(1)和外层叶片(2)两组叶片，所述的内层叶片(1)和外层叶片(2)交错叠放在一起；所述的叶片清洗结构通过弯折定型成具有双折弯角度的碗状结构，且满足弯折角度θ1>θ2；
所述的亥姆霍兹空化喷嘴(3)由入口腔、上喷嘴出口、共振腔和下喷嘴出口组成；下喷嘴出口直径与上喷嘴出口直径比为1.2-2.3；共振腔直径和下喷嘴直径比为6-9；共振腔长度与共振腔直径之比为0.5-0.7；
所述的叶片清洗结构内腔与压紧板(4)贴合。
2.根据权利要求1所述的具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，其特征在于：所述的下喷嘴出口为锥孔，锥孔锥角范围为90°-120°。
3.根据权利要求1所述的具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，其特征在于：所述的压紧板(4)与叶片清洗结构内腔贴合，采用高弹性材料。
4.根据权利要求1所述的具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，其特征在于：所述的亥姆霍兹空化喷嘴(3)中影响自激振荡效果的主要参数包括：腔式长度L，上喷嘴出口直径D1，下喷嘴出口直径D2，共振腔直径D0，其中各参数之间的比例关系为：D2/D1＝1.2-2.3；D0/D2＝6-9；L/D0＝0.5-0.7；其他尺寸参数为：入流腔直径D与共振腔长度L的结构比例关系一般取值为：D/L＝0.625-0.850。
5.根据权利要求1所述的具有两级共振功能的用于管道除垢的复合型空化清洗器，其特征在于：所述的亥姆霍兹空化喷嘴(3)和压紧板(4)通过上自锁螺母(5)、下自锁螺母(8)、上垫片(6)和下垫片(7)固定在叶片清洗结构上，所述的上垫片(6)位于压紧板(4)内腔底部、下垫片(7)位于叶片清洗结构外表面底部。
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