CN107983964B - 一种提高雾化效率的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器 - Google Patents

一种提高雾化效率的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种提高雾化效率的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器，包括：导液管，下体，套在所述导液管外表面；上体，为套在下体外的中空管体结构，且与下体之间形成有密闭的能够稳定气体压力的气体驻室空间；上体的端口内表面为向导液管末端方向倾斜的圆锥面或圆锥型面，下体的端口外表面与上体的圆锥面或圆锥型面通过相应的圆锥台型面密封接触，在下体与上体的接触处，沿圆周均匀设置有多个连通外部与气体驻室空间的矩形气体喷嘴。本发明中的矩形通道可以是二维收缩型，也可以是二维收缩‑膨胀(laval)型气体喷嘴。本发明的结构可以提高将高速气流的动能作用到相对静止的液体和液滴上效率，使其雾化为更细小的液滴。

Description

一种提高雾化效率的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器
技术领域
本发明涉及压力气体雾化液体领域，特别是涉及一种可以强化高速气流和低速液流形成涡流和紊流的掺混结构，可以提高雾化效率减小液滴平均直径的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器。
背景技术
紧耦合式雾化器大多采用环缝式和环圆孔式结构，由于气体喷嘴出口距离中心被雾化的液体很近，雾化效率大大提高，在工业上广泛采用。
提高雾化效率，减少气体消耗，降低雾化液滴(冷却后成固体粉末)粒径，始终是人们追求的目标。在雾化效率上环圆孔式雾化器明显优于环缝式雾化器，以往的环孔式雾化器多采用轴对称圆孔式气体喷嘴。人们关注的焦点是如何提高雾化气体的动能，也就是提高气流出口速度，期望提高雾化效率减小粉末粒径(提高冷却速度)，因此都在气体喷管上下功夫作文章。
例如中国专利CN200620039329.X；CN201210291596.6；CN200420023889.7；CN200710175831.2；CN200910304166.1；CN94221583.4；CN200720149810.9；CN2001110005163.5；美国专利US6142382等。以上专利披露的紧耦合式雾化器在提高雾化效率，减少气体消耗，降低雾化液滴(冷却后成固体粉末)粒径方面虽有进步，但改进有限，对于喷制平均粒度小于10～20μm的金属粉末仍有困难。
最早60年代瑞典人Kohlswa提出，后经美国麻省理工学院(MIT)Grant教授在80年代改进完善后提出的美国专利US4778516，在紧耦合式雾化器气体喷嘴的上游附加了Hartman气流哨式的超声波发生装置，让喷出的超声速气流负载一个一定频率的超声波振动，参与对液体的雾化。90年代中国北京科技大学和中国科学院金属所也提出了类似的专利CN94247337.X；CN96239232.4；CN99250106.7。其目的也是想提高雾化效率获取更细(冷却速度更高)的金属粉末。但是在驻室压力高达8.3MPa时，仅能生产出平均粒度22μm的金属粉末。实验研究的结果表明(第六届全国金属粉末学术会论文《超声波在气动雾化制取金属粉末过程中的作用的实验研究》王吉南1993年9月22-25日于黄山)，在驻室压力达5.0-8.0MPa时，气流式Hartman哨的超声波能量转换率很低，大约在10-3～10-4量级，超声波再转化为对液体雾化的能量就更低，气流流场中的噪声幅值完全淹没了超声波发生器发出的超声波的幅值，以至于在流场中检测不到此频率的超声波的存在。雾化铝合金粉末基本没有效果，这种雾化器结构复杂加工困难，工业上没有应用的报到。
90年代德国人冈特·舒尔茨发明了《通过用气体雾化熔液制造细粉的方法和装置》申请了德国专利DE 19758111.0、欧洲专利WO 99/30858和中国专利CN1282282A，提出了熔液从基本为矩形截面喷嘴流出，接着一起与喷雾气体通过一截面为矩形的的Laval喷嘴，此时按层流被加速的气流在Laval喷嘴的收敛部分使熔液薄膜稳定，并同时将其伸出直至在通过最狭的横截面之后，才使熔液薄膜均匀地沿其整个长度雾化。此专利称，此方法和装置能够用小的气体消耗量，获得高的生产效率。根据专利描述一定压力的雾化气体和熔液在矩形Laval喷管内以层流状态逐渐加速运动，熔液被气体压缩和拉伸成薄膜，然后在出口雾化，业内称之为“层流雾化”。但经过喉道后压力气体迅速膨胀加速，不可压缩的熔液在惯性力的作用下与高速气流产生剪切分离，出现掺混和雾化。形成了复杂的混合流动。雾化过程不可能在层流状态下进行。在案例中在铝熔液800℃时，压力氮气30bar，喷溅塔即气体室(雾化室)内有0.2bar的负压，铝液流量2826kg/h，每公斤铝液消耗5.9kg的氮气，得到一10.1μm的平均颗粒直径。该专利熔液和雾化气体都需要密封在一个能够承受雾化压力的罐内。生产一公斤铝粉的氮气消耗量高达5.9kg。如要连续生产，需配置的氮气源和气体压缩机非常庞大，生产成本大大提高。很难实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的是要提供一种可以提高雾化效率减小液滴平均直径的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器。
特别地，本发明提供一种提高雾化效率的紧耦合环矩形气体喷嘴雾化器，包括：
导液管，为中空管体结构；
下体，为中空管体结构，套在所述导液管外表面；
上体，为套在下体外的中空管体结构，且与下体之间形成有密闭的能够稳定气体压力的气体驻室空间；
上体的端口内表面为向导液管末端方向倾斜的圆锥面，下体的端口外表面与上体的圆锥面通过相应的圆锥台密封接触，在下体与上体的接触处，沿圆周均匀设置有多个连通外部与气体驻室空间的气体喷嘴。
在本发明的一个实施方式中，所述气体喷嘴的数量为4～40个。
在本发明的一个实施方式中，所述上体的圆锥面由端口向内部依次分为变径段A和倾斜段A，变径段A的锥面夹角在-20°～60°之间，倾斜段A的锥面夹角为45°～100°。
在本发明的一个实施方式中，所述气体喷嘴处的下体表面分为与所述上体的倾斜段A对应的倾斜段B，和连接倾斜段B与上体外表面的倾斜段C，其中倾斜段B相对轴心线的夹角为3°～40°，所述气体喷嘴的中心线相对轴心线的夹角为5°～45°，所述气体喷嘴的出口喉道的长宽比为1:2～1:15。
在本发明的一个实施方式中，所述倾斜段A和所述倾斜段B在出口喉道处间隔距离为0.1～2mm。
在本发明的一个实施方式中，所述倾斜段A和倾斜段B的宽度为3～15mm。
在本发明的一个实施方式中，所述上体的锥面由端口向内部依次分为变径段B、型面段A和倾斜段D；所述下体的圆锥台分为与型面段A对应并对称的上体型面段B，和与倾斜段D对应的倾斜段E；其中，上体变径段B相对轴心线的角度在-20°～60°之间，倾斜段D和倾斜段E相对夹角为45°～100°，对称的型面段A和型面段B中心线相对轴心线的夹角为5°～45°，形成喷嘴矩形扩张段。所述气体喷嘴的中心线相对轴心线的夹角为5°～45°。
在本发明的一个实施方式中，所述下体型面段B与倾斜过度段E的连接边，与所述型面段A和所述倾斜段D的连接边对齐，在该处形成矩形的喉道，喉道的长宽比为1:2～1:15。
在本发明的一个实施方式中，所述型面段B和所述型面段A在喉道处距离为0.1～2mm；所述型面段B和型面段A的水平宽度为6～20mm。
在本发明的一个实施方式中，所述上体的端口相对所述下体的端口的伸出长度为0.5～4mm；所述导液管的端口相对所述上体的端口的伸出长度为-4～7mm。
本发明可以使喷嘴出口高速的气体射流，与周围环境(雾化室内)相对静止的气体以及中心区导液管内的低速液流之间存在速度差，因此在喷嘴周围形成了气体引射区，而中心区形成了回流区，在引射区和回流区原本相对静止的气体和液体和高速气体射流之间的交界面是流速不连续的间断面，这种间断面是不稳定的，因此高速主射流边界与环境气体和低速中心液流存在强烈的主次流掺混即涡流和紊流现象。由于环境气体和低速液流不断掺混加入到主流，射流的断面面积和质量流量沿程扩大，但速度逐渐减小，最终主射流与次流完全掺混形成混合流，能量耗散殆尽。
在气体雾化液体中真正需要关注的是，如何将高速气流的动能作用到相对静止的液体和液滴上，使其雾化为更细小的液滴。也就是提高气-液两相流的掺混效率。强化掺混技术是解决上述问题的方法。非圆周对称的矩形气体喷管射流，其矩形拐角区域的存在，使得流场因喷嘴处流速和压力不再对称而显示出非稳定性，从而增强细小尺度的流体混合，减少了流场大尺度拟序结构，也就是，具有较强的二次涡流，其矩形拐角区域诱发出展向涡和流向涡，使得湍流强度增大，促进其与中心区液流的能量交换。矩形大宽比收敛喷管加装挡板能够有效增强射流掺混，缩短射流区高温区长度。这种原理应用到紧耦合式气体雾化液体的雾化器上同样有效。延雾化器圆周均布的这种矩形气体喷嘴，形成多股这种射流，适当延长雾化器上体内孔，使得喷嘴出口气体射流与外界气体受到遮挡，减小了掺混，增强了与中心雾化回流区与液体的能量交换和掺混效果，进一步提高了雾化效率，可以减小雾化液滴(冷却后形成固体粉末)的直径。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明另一个实施方式的紧耦合环矩形孔雾化器结构示意图。
具体实施方式
本发明认为在气体雾化液体中真正需要关注的是，如何将高速气流的动能作用到相对静止的液体和液滴上，使其雾化为更细小的液滴。也就是提高气-液两相流的掺混效率，因此通过强化掺混技术可以解决现有技术中存在的问题。
实施例一、如图1、2所示，本实施方式提供一种提高雾化效率的紧耦合环矩形孔气体喷嘴雾化器，包括中空管体结构的导液管1，和中空管体结构的下体2、上体3，下体2套在导液管1外表面，上体3套在下体2外且与下体2之间形成有密闭的能够稳定气体压力的气体驻室空间4；导液管1、下体2和上体3形成层层套接的结构。
上体3的端口内表面为向导液管1端口方向收缩的圆锥面31，下体2的端口外圆锥表面与上体3的圆锥面31通过对应的圆锥台21密封接触，使上体3和下体2的出口形成密封结构，然后在下体2与上体3的接触处，沿下体2的外圆周均匀设置多个凹槽，与上体配合后形成连通外部与气体驻室空间4的气体喷嘴22。
气体喷嘴22的数量可以为4～40个，均匀分布在围绕导液管1的外圆周上，出口处(喉道)的长宽比为1:2～1:15。工作时，气体驻室空间4内的高压气体沿各气体喷嘴22喷出，与导液管1流出的液体渗混雾化在一起，达到降低液体直径的目的。
在本发明的一个实施方式中，上体3向下体2倾斜的锥面31由端口向内部依次可以分为变径段311和倾斜段A312；变径段311根据角度变化可以局部遮挡矩形气体喷嘴22的出口高速气流与外部气体的掺混，控制气体喷嘴22的出口调整气流与外部气体的掺混，也可以控制气流出口喷射的夹角。具体变径段311相对轴心线的角度在-20°～30°之间。
气体喷嘴22处的下体表面沿气体喷嘴的走向，由外至内分为与上体3的倾斜段A312对应的倾斜段B23，和连接倾斜段B23与下体外表面的倾斜段C24。
倾斜段A312和倾斜段B23决定了气体喷嘴22的倾斜角度，本实施方式中，倾斜段A312相对的夹角α1为45°～100°，倾斜段B23相对轴心线的夹角α2为3°～40°，倾斜段A312和倾斜段B23最窄处(喉道)的间隔距离H4为0.1～2mm；长宽比为1：2～1：15；倾斜段A312和倾斜段B23形成的气体喷嘴22的中心线相对轴心线的夹角α3为5°～45°。
位于气体驻室空间4内的高压气体倾斜地沿气体喷嘴22喷出。
如图3所示，在本发明的一个实施方式，提供另一种气体喷嘴22的配合结构，上体3的锥面31由端口向内部依次分为变径段311、型面段A313和倾斜段D314，变径段311和型面段A313为靠近下体2的上体端头。
下体2与上体3密封的型面锥台21，由外至内分为与型面段A313对应的型面段B211，和与倾斜段D314对应的倾斜段E212。其中，变径段311相对轴心线的角度α4可以在-20°～30°之间调整，根据角度变化可以局部遮挡矩形气体喷嘴22的出口高速气流与外部气体的掺混，也可以控制气流出口喷射的夹角。倾斜段D314和倾斜段E212相对轴心线的夹角α1为45°～100°。
此结构下，设置的气体喷嘴22处的下体表面，分为与上体3的型面段A313对应且对称的型面段F25；两型面中心线与轴心线的夹角即气体喷嘴22的中心线相对轴心线的夹角α3可以为5°～45°。
在本实施方式中，下体2的型面段F25与上体3的型面段A313和倾斜段D314的连接边对齐，在该处形成气体喷嘴22的喉道，即气体喷嘴22的最窄出口处，喉道的长宽比为1:2～1:15。
在本发明的一个实施方式中，本申请限定的紧耦合环矩形孔雾化器的具体参数如下：
型面段A313和型面段B211的宽度H5可以为6～20mm；倾斜段E212的水平宽度H6可以为3～10mm；上体3的端口相对下体2的端口的伸出长度H1可以为0.5～4mm；导液管1的端口相对上体3的端口的伸出长度H2可以为-4～7mm。
气体雾化法是生产金属粉末的主要方法，提高雾化效率和获取更细的粉末产品始终是人们追求的目标。气体雾化法采用本实施例的结构生产金属粉末，利用惰性气体保护生产过程，得到的金属粉末球形度较好、而且产量大、纯度高、生产成本较低。
在实际生产中，采用本实施方式的紧耦合环矩形孔雾化器，在氮气保护下由导液管1喷制微细球形铝粉，在气体驻室空间4内的气体压力为34.0～5.0MPa，气体流量60～1400m3/h，金属液流量30～600kg/h，在一公斤铝液消耗1.6～3kg氮气时，能够大批量生产出平均粒度达d50＝13～28μm的微细球形铝粉产品。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (5)

1.一种提高雾化效率的紧耦合环矩形气体喷嘴雾化器，其特征在于，包括：
导液管，为中空管体结构；
下体，为中空管体结构，套在所述导液管外表面；
上体，为套在下体外的中空管体结构，且与下体之间形成有密闭的能够稳定气体压力的气体驻室空间；
上体的端口内表面为向导液管末端方向倾斜的圆锥面，下体的端口外表面与上体的圆锥面通过相应的圆锥台密封接触，在下体与上体的接触处，沿圆周均匀设置有多个连通外部与气体驻室空间的气体喷嘴；
所述上体的圆锥面由端口向内部依次分为变径段B、型面段A和倾斜段D；所述下体的圆锥台分为与型面段A对应并对称的型面段B，和与倾斜段D对应的倾斜段E；其中，变径段B相对轴心线的角度在-20°~60°之间，倾斜段D和倾斜段E相对夹角为45°~100°，对称的型面段A和型面段B中心线相对轴心线的夹角为5°~45°，形成喷嘴矩形扩张段，所述气体喷嘴的中心线相对轴心线的夹角为5°~45°，气体喷嘴处的下体表面为与上体的型面段A对应且对称的型面段F。
2.根据权利要求1所述的紧耦合环矩形气体喷嘴雾化器，其特征在于，
所述气体喷嘴的数量为4~40个。
3.根据权利要求1所述的紧耦合环矩形气体喷嘴雾化器，其特征在于，
所述型面段F与所述型面段A和所述倾斜段D的连接边对齐，在该处形成矩形的喉道，喉道的长宽比为1:2~1:15。
4.根据权利要求3所述的紧耦合环矩形气体喷嘴雾化器，其特征在于，
所述型面段B和所述型面段A在喉道处距离为0.1~2mm；所述型面段B和型面段A的水平宽度为6~20mm。
5.根据权利要求1所述的紧耦合环矩形气体喷嘴雾化器，其特征在于，
所述上体的端口相对所述下体的端口的伸出长度为0.5~4mm；所述导液管的端口相对所述上体的端口的伸出长度为-4~7mm。
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