CN108480071A - 一种脉动式雾化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉动式雾化器，包括嵌套的外管道和内管道，以及雾化喷嘴；外管道为雾化介质管道，内管道为雾化工质管道；雾化工质管道的一端位于雾化介质管道内，与雾化介质管道一并套接雾化喷嘴，经雾化工质通道、雾化介质通道流通至雾化喷嘴的出口处上喷出雾化工质和雾化介质。本发明利用雾化介质和雾化工质之间的相互作用，可以产生周期性脉动的雾化气流，在保证雾化效果的同时，产生周期性的压力、流动和雾化脉动过程；利用本发明结构可以在不涉及燃烧室结构更改的情况下，实现脉动燃烧；同时本发明还适用于其他需要利用周期性的雾化促进掺混、强化传热的领域。
Description
技术领域
本发明涉及液体雾化技术，特别是一种脉动式雾化器。
背景技术
液体雾化器在各种工业设备中，液体雾化方式有机械雾化、超声波雾化、静电雾化和气力雾化等方式。机械雾化是高压液体以较高的速度注入低速的气体中，达到雾化的效果。机械雾化多适用于粘度较小的雾化工质，例如汽油、水等。超声波雾化，通过超声波电子高频振荡，给液体表面一个扰动，使得液体表面波峰处得液体被分离破碎，从而产生雾化。超声波雾化器采用高效集成电路，超小型一体化的独特结构设计，重要部件采用高品质的雾化片。超声波雾化多适用于加湿器、熏香器、美容机、消毒机、浴缸造雾机等对雾化效果要求高，且用量不大的场合。静电雾化，则利用高压静电作用下的雾化，主要用于静电喷涂中。以上三种方式对雾化工质的要求较高，且雾化工质质量流率有限，对于工质粘度且流量较大的场合则不适用。而气力雾化是通过低速气体和高速气体之间的动能交换，使得液体雾化为细小颗粒。气力雾化适合雾化重油、渣油、水煤浆等高粘度燃料，多应用于水煤浆气化炉、燃烧重油的锅炉大型能源转换设备中。
在某些工业设备中，例如工业窑炉、烘干炉、加热炉中，利用脉动燃烧技术来产生周期性的气流脉动，可以起到强化传热，提高燃烧效率，提供热利用效率和加热速率的作用。现有的脉动燃烧技术，大多利用热声耦合的原理，利用周期性的燃烧放热和燃烧室内的声压脉动形成的正反馈闭环系统，形成燃烧振荡。这种方式依赖于燃烧器几何结构导致的声场特性与燃烧器燃烧特性的耦合，其设计和运行控制较为复杂。而且热声耦合燃烧方式大多适用于气体燃烧器，对于燃料为重油或者水煤浆的场合，往往不适用。因此开发一种适用于燃烧水煤浆或者重油等高粘度燃料，且能产生脉动燃烧的雾化装置，对于某些需要脉动燃烧的能源利用领域有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉动式雾化器，通过合适的结构设计，利用雾化介质和雾化工质之间的相互作用，可以产生周期性脉动的雾化气流。在保证雾化效果的同时，产生周期性的压力、流动和雾化脉动过程。利用本发明，可以在不涉及燃烧室结构更改的情况下，实现脉动燃烧；同时本发明还适用于其他需要利用周期性的雾化促进掺混、强化传热的领域。
本发明的技术方案如下：
一种脉动式雾化器，其特征在于：包括输送管道和雾化喷嘴，输送管道包括嵌套的外管道和内管道，其中：外管道为雾化介质管道，用于通流雾化介质（例如空气、氧气等），雾化介质管道上设计有雾化介质接口，通过雾化介质接口连接雾化介质来源管道；内管道为雾化工质管道，用于通流雾化工质（例如水、轻油、重油、水煤浆等），雾化工质管道的一端设计为雾化工质接口，通过雾化工质接口连接雾化工质来源管道，雾化工质接口位于雾化介质管道的外部，雾化工质管道的另一端位于雾化介质管道内与雾化介质管道一并套接雾化喷嘴，经雾化工质通道、雾化介质通道流通至雾化喷嘴的出口处上喷出雾化工质和雾化介质。
所述雾化喷嘴包括雾化工质管座、雾化介质管密封垫、分气芯、内锥管密封垫、内锥套、外套体、内气芯和分气芯堵头，其中：外套体通过螺纹与雾化介质管道的端部连接，二者之间设置有雾化介质管密封垫，通过雾化介质管密封垫保证密封；雾化工质管座通过管螺纹与雾化工质管道连接，保证密封；分气芯通过管螺纹固定于雾化工质管座上；分气芯的中间通道的两端均为螺纹孔设计，靠近雾化喷嘴出口侧的螺纹孔一用于安装内气芯，另一侧的螺纹孔二用于安装分气芯堵头，用于隔绝雾化工质和雾化介质；内锥套通过螺纹固定于分气芯外壁上，并在分气芯外壁与内锥套之间设计有用于密封的内锥套密封垫。
所述分气芯，沿中心轴方向设置有中心流道一和内环流道一，内环流道一以中心流道一为圆心呈环形阵列分布，中心流道一用于流通雾化介质，内环流道一用于流通雾化工质，中心流道一与内环流道一之间称为内环，内环流道一的外壁称为外环，外环外侧还设置有偶数个外肋板，所述外肋板起到分气芯和外套体之间的支撑作用，外环、外肋板和外套体之间形成有外环流道一；所述外肋板中，每间隔一个外肋板，则通过该外肋板设置有用于连通中心流道一和外环流道一的通道，用于雾化介质从雾化介质管道流入中心流道一中。
每两个内环流道一之间为内肋板，内肋板连接于外环与内环之间。
所述外套体、内锥套和内气芯彼此之间的空腔在雾化喷嘴的出口位置形成三个流道，分别与分气芯的中心流道一、内环流道一和外环流道一联通。
本发明的工作过程为：雾化介质经雾化介质接口进入雾化介质管道，然后经过分气芯进行分流，一部分进入外环流道一，并最终进入外套体和内锥套之间形成的外环流道二中，另一部分通过分气芯内开设的雾化介质流道，进入中心流道一，并最终进入内气芯形成的中心流道二；雾化工质经雾化工质接口进入雾化工质管道，经过分气芯中的内环流道一，最终进入内气芯和内锥套之间形成的内环流道二，雾化介质和雾化工质最终从雾化喷嘴出口喷出。
本发明的工作原理为：雾化介质分别从外环流道二和中心流道二高速喷出，与从内环流道二出来的雾化工质存在较大的速度差，使得雾化介质和雾化工质射流会存在强烈的剪切作用，实现良好的雾化的效果。在雾化过程中可以实现雾化工质和雾化介质的强烈掺混，因此雾化工质和雾化介质的强烈作用会对中心流道一、中心流道二、内环流道一、内环流道二、外环流道一和外环流道二的压力产生扰动。中心流道一、中心流道二、内环流道一、内环流道二、外环流道一和外环流道二的结构差异，会导致的压力波动传播特性不同。分气芯的存在使得外环流道一和中心流道一中的雾化介质联通，两路特性有所差异的压力波动在雾化介质管道中耦合、放大，最终在雾化喷嘴出口附近形成强烈的周期性的流动和压力脉动，形成随时间周期性变化的脉动雾化气流。
根据具体设计可以改变上述喷嘴对结构，例如如果将本发明结构应用于燃烧炉中，可以加装水冷盘管，用以延长高温环境下的使用寿命；还可以在喷嘴的出口假装直管段，用以调整雾化角；还可以加装某些声学控制元件，来改变脉动雾化的发生频率等。这些结构更改后的雾化器同样视为本发明的保护范围之内。
根据雾化过程的差异，本脉动式雾化器可以分为外混式、部分内混式和内混式，其中：外混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯、内锥套和外套体三者的出口端端面齐平，雾化过程全部在雾化喷嘴外完成；部分内混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯和内锥套的出口端端面齐平，位于外套体的端口内侧，雾化过程部分在雾化喷嘴内完成；内混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯的出口端位于内锥套出口端内侧，内锥套的出口端位于外套体的出口端内侧，雾化过程几乎全部在雾化喷嘴内完成。
本发明的有益效果如下：
本发明通过合理的结构设计，采用中心流道和外环流道通流雾化介质、内环流道通流雾化工质的方案，强化了雾化介质和雾化工质的雾化效果，既可以满足水、轻油等粘度较小的工质的雾化要求，也可以实现对重油、水煤浆等粘度较大的工质的良好的雾化效果。
本发明实现了中心流道和外环流道中雾化介质的联通，利用二者压力波动传播特性的不同，以及雾化介质和雾化工质强烈的相互作用，可以形成较为强烈的、周期性的压力、流动和雾化过程，可以在不借助燃烧室或燃烧炉内放热和压力波动耦合的情况下，实现脉动燃烧。
本发明通过合理的分气芯设计，在只有一路雾化介质进口的情况下，实现了两路雾化介质出口；依靠雾化器内雾化介质和雾化工质的气动力相互作用产生脉动，不需要复杂的装置，结构简单。
在本发明的基础上，通过适当的结构优化，加装辅助设备，可以应用于燃烧重油、水煤浆等不易雾化和燃烧的工业设备中，通过脉动燃烧的方式，提高燃烧效率、强化传热，促进掺混，也可以应用于其他需要利用脉动雾化的场合，例如灭火器，化工掺混装置等。
附图说明
图1 为本发明为外混式的整体结构示意图。
图2 为本发明为外混式的雾化喷嘴的结构示意图。
图3（a）为本发明的分气芯的剖面结构示意图；
图3（b）为本发明的分气芯的结构示意图；
图3（c）为相对于图3（b）的另一视角结构示意图。
图4 为本发明为部分内混式的喷嘴的结构示意图。
图5 为本发明为内混式的喷嘴的结构示意图。
其中，附图标记为：1雾化介质管道，2雾化工质管道，3雾化工质管座，4雾化介质管密封垫，5分气芯，6内锥套密封垫，7内锥套，8外套体，9内气芯，10分气芯堵头，11雾化介质接口，12雾化工质接口，13通道，14中心流道一，15内环流道一，16内环，17内肋板，18外环，19外肋板，20通道入口，21中心流道二，22内环流道二，23外环流道二。
具体实施方式
如图1所示，一种脉动式雾化器，包括输送管道和雾化喷嘴，输送管道包括嵌套的外管道和内管道，其中：外管道为雾化介质管道1，用于通流雾化介质（例如空气、氧气等），雾化介质管道1上设计有雾化介质接口11，通过雾化介质接口11连接雾化介质来源管道；内管道为雾化工质管道2，用于通流雾化工质（例如水、轻油、重油、水煤浆等），雾化工质管道2的一端设计为雾化工质接口12，通过雾化工质接口12连接雾化工质来源管道，雾化工质接口12位于雾化介质管道1的外部，雾化工质管道2的另一端位于雾化介质管道1内与雾化介质管道1一并套接雾化喷嘴，经雾化工质通道、雾化介质通道流通至雾化喷嘴的出口处上喷出雾化工质和雾化介质。
所述雾化喷嘴包括雾化工质管座3、雾化介质管密封垫4、分气芯5、内锥管密封垫6、内锥套7、外套体8、内气芯9和分气芯堵头10，其中：外套体8通过螺纹与雾化介质管道1的端部连接，二者之间设置有雾化介质管密封垫4，通过雾化介质管密封垫4保证密封；雾化工质管座3通过管螺纹与雾化工质管道2连接，保证密封；分气芯5通过管螺纹固定于雾化工质管座3上；分气芯5的中间通道的两端均为螺纹孔设计，靠近雾化喷嘴出口侧的螺纹孔一用于安装内气芯9，另一侧的螺纹孔二用于安装分气芯堵头10，用于隔绝雾化工质和雾化介质；内锥套7通过螺纹固定于分气芯5外壁上，并在分气芯5外壁与内锥套7之间设计有用于密封的内锥套密封垫6。
所述分气芯5的结构如图3（a）－（c）中所示，沿中心轴方向设置有中心流道一14和内环流道一15，以中心流道一14为圆心呈环形阵列分布有四个内环流道一15，中心流道一14用于流通雾化介质，内环流道一15用于流通雾化工质，中心流道一14与内环流道一15之间称为内环，内环流道一15的外壁称为外环18，外环18外侧还设置有四个外肋板19，所述外肋板19起到分气芯5和外套体8之间的支撑作用，外环18、外肋板19和外套体8之间形成有外环流道一；所述外肋板19中，位置相对的两个外肋板19的端面开设有通道入口20，经过外肋板19设置有用于连通中心流道一14和外环流道一的通道13，用于雾化介质从雾化介质管道1流入中心流道一14中。
每两个内环流道一15之间为内肋板17，内肋板17连接于外环18与内环16之间。
所述外套体8、内锥套7和内气芯9彼此之间的空腔在雾化喷嘴的出口位置形成三个流道，分别与分气芯5的中心流道一14、内环流道一15和外环流道一联通。
本发明的工作过程为：雾化介质经雾化介质接口11进入雾化介质管道1，然后经过分气芯5进行分流，一部分进入外环流道一，并最终进入外套体8和内锥套7之间形成的外环流道二23中，另一部分通过分气芯5内开设的雾化介质流道，进入中心流道一14，并最终进入内气芯9形成的中心流道二21；雾化工质经雾化工质接口12进入雾化工质管道2，经过分气芯5中的内环流道一15，最终进入内气芯9和内锥套7之间形成的内环流道二22，雾化介质和雾化工质最终从雾化喷嘴出口喷出。
根据具体设计可以改变上述喷嘴对结构，例如如果将本发明结构应用于燃烧炉中，可以加装水冷盘管，用以延长高温环境下的使用寿命；还可以在喷嘴的出口假装直管段，用以调整雾化角；还可以加装某些声学控制元件，来改变脉动雾化的发生频率等。这些结构更改后的雾化器同样视为本发明的保护范围之内。
根据雾化过程的差异，本脉动式雾化器可以分为：外混式，如图1、2所示；部分内混式，如图4所示；内混式，如图5所示。其中：外混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯9、内锥套7和外套体8三者的出口端端面齐平，雾化过程全部在雾化喷嘴外完成；部分内混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯9和内锥套7的出口端端面齐平，位于外套体8的端口内侧，雾化过程部分在雾化喷嘴内完成；内混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯9的出口端位于内锥套7出口端内侧，内锥套7的出口端位于外套体8的出口端内侧，雾化过程几乎全部在雾化喷嘴内完成。
Claims (9)
1.一种脉动式雾化器，其特征在于：包括输送管道和雾化喷嘴，输送管道包括嵌套的外管道和内管道，其中：外管道为雾化介质管道（1），用于通流雾化介质，雾化介质管道（1）上设计有雾化介质接口（11），通过雾化介质接口（11）连接雾化介质来源管道；内管道为雾化工质管道（2），用于通流雾化工质，雾化工质管道（2）的一端设计为雾化工质接口（12），通过雾化工质接口（12）连接雾化工质来源管道，雾化工质接口（12）位于雾化介质管道的外部，雾化工质管道（2）的另一端位于雾化介质管道（1）内与雾化介质管道（1）一并套接雾化喷嘴，经雾化工质通道、雾化介质通道流通至雾化喷嘴的出口处上喷出雾化工质和雾化介质。
2.根据权利要求1所述的脉动式雾化器，其特征在于：所述雾化喷嘴包括雾化工质管座（3）、雾化介质管密封垫（4）、分气芯（5）、内锥管密封垫（6）、内锥套（7）、外套体（8）、内气芯（9）和分气芯堵头（10），其中：外套体（8）通过螺纹与雾化介质管道（1）的端部连接，二者之间设置有雾化介质管密封垫（4），通过雾化介质管密封垫（4）密封；雾化工质管座（3）通过管螺纹与雾化工质管道（2）连接；分气芯（5）通过管螺纹固定于雾化工质管座（3）上；分气芯（5）的中间通道的两端均为螺纹孔设计，靠近雾化喷嘴出口侧的螺纹孔一用于安装内气芯（9），另一侧的螺纹孔二用于安装分气芯堵头（10），用于隔绝雾化工质和雾化介质；内锥套（7）通过螺纹固定于分气芯（5）外壁上，并在分气芯（5）外壁与内锥套（7）之间设计有用于密封的内锥套密封垫（6）。
3.根据权利要求1所述的脉动式雾化器，其特征在于：所述分气芯（5），沿中心轴方向设置有中心流道一（14）和内环流道一（15），内环流道一（15）以中心流道一（14）为圆心呈环形阵列分布，中心流道一（14）用于流通雾化介质，内环流道一（15）用于流通雾化工质，中心流道一（14）与内环流道一（15）之间称为内环（16），内环流道一（15）的外壁称为外环（18），外环（18）外侧还设置有偶数个外肋板（19），所述外肋板（19）起到分气芯（5）和外套体（8）之间的支撑作用，外环（18）、外肋板（19）和外套体（8）之间形成有外环流道一；所述外肋板（19）中，每间隔一个外肋板（19），则通过该外肋板（19）设置有用于连通中心流道一（14）和外环流道一的通道（13），用于雾化介质从雾化介质管道（1）流入中心流道一（14）中。
4.根据权利要求3所述的脉动式雾化器，其特征在于：每两个内环流道一（15）之间为内肋板（17），内肋板（17）连接于外环（18）与内环之间。
5.根据权利要求3所述的脉动式雾化器，其特征在于：所述外套体（8）、内锥套（7）和内气芯（9）彼此之间的空腔在雾化喷嘴的出口位置形成三个流道，分别与分气芯的中心流道一（14）、内环流道一（15）和外环流道一联通。
6.根据权利要求3或5所述的脉动式雾化器，其特征在于工作过程为：雾化介质经雾化介质接口（11）进入雾化介质管道（1），然后经过分气芯进行分流，一部分进入外环流道一，并最终进入外套体（8）和内锥套（7）之间形成的外环流道二（23）中，另一部分通过分气芯内开设的雾化介质流道，进入中心流道一（14），并最终进入内气芯（9）形成的中心流道二（21）；雾化工质经雾化工质接口（12）进入雾化工质管道（2），经过分气芯中的内环流道一（15），最终进入内气芯（9）和内锥套（7）之间形成的内环流道二（22），雾化介质和雾化工质最终从雾化喷嘴出口喷出。
7.根据权利要求1所述的脉动式雾化器，其特征在于：所述雾化器为外混式结构，即在雾化喷嘴出口处，内气芯（9）、内锥套（7）和外套体（8）三者的出口端端面齐平，雾化过程全部在雾化喷嘴外完成。
8.根据权利要求1所述的脉动式雾化器，其特征在于：所述雾化器为部分内混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯（9）和内锥套（7）的出口端端面齐平，位于外套体（8）的端口内侧，雾化过程部分在雾化喷嘴内完成。
9.根据权利要求1所述的脉动式雾化器，其特征在于：所述雾化器为内混式的结构特点是在雾化喷嘴出口处，内气芯（9）的出口端位于内锥套（7）出口端内侧，内锥套（7）的出口端位于外套体（8）的出口端内侧，雾化过程几乎全部在雾化喷嘴内完成。
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