CN109253518A

CN109253518A - 一种喷泉雾化装置

Info

Publication number: CN109253518A
Application number: CN201710574875.6A
Authority: CN
Inventors: 袁名伟; 谭积明; 李世文
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-22

Abstract

本发明公开了一种喷泉雾化装置，包括上盖体、筒体上外沿、上部筒体、挡板、管壁、锥形槽、底座、水管、收缩型喷管、进水孔、锥形管、卡扣、锥形腔、雾化腔室和雾化喷口，喷雾装置整体呈筒状，分为上部筒体结构和下部筒体结构，本发明的喷雾装置采用的是压缩空气使液体的雾化以及液滴的破碎原理，应用流体力学原理，以压缩空气为动力，水雾经射流的作用迅速喷射到空气中，水珠由液态变为气态，对空间进行绝对的无水滴均匀加湿、压尘，喷液，在加湿过程中可消除静电，且控制简单方便接通工作介质即可工作，能耗低，雾化效果好，成本低廉。

Description

一种喷泉雾化装置

技术领域

本发明属于家庭加湿装置领域，尤其涉及一种喷泉雾化装置。

背景技术

随着夏天的来临，室内空气愈加干燥。干燥是健康的大敌，它不但会使人体内水分大量流失，造成皮肤紧绷、口舌干燥、唇裂、上火等，还能引起流感等呼吸道疾病。室内空气干燥还会对家具、地板、家电等器物造成危害，减少使用寿命。在当前的市场上，室内的盆景个性百态，引人入胜，但是在家庭的应用中功能相对贫乏。作为家庭当中使用的盆景来说不仅要有令人赏心悦目的美景还要有有利于身体健康的功能，这样才能有锦上添花的效果。超声波加湿是市场上最为普遍的加湿方式，其强度大，加湿均匀，加湿效率高；节能、省电；超长使用寿命；湿度自动平衡，无水自动保护；兼具医疗雾化、冷敷浴面、清洗首饰等功能。

对于喷雾装置而言，雾化性能是评价其实用价值最为重要的指标。喷雾装置的雾化性能，不仅决定着雾滴滴谱的分布，而且关系着液体雾滴在空气中的排放量，它直接影响着空气加湿效果。在研究喷雾装置的雾化性能时，首先需要从理论上分析雾滴破碎的机理，研究雾滴运动分析及其影响因素，找出影响雾滴尺寸和均匀性的主要因素；其次，针对喷雾装置内流场的流动情况，找出喷嘴的设计要求及影像雾化的气流参数，并寻找合理的数值求解算法。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种喷泉雾化装置。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种喷泉雾化装置，包括上盖体、筒体上外沿、上部筒体、挡板、管壁、锥形槽、底座、水管、收缩型喷管、进水孔、锥形管、卡扣、锥形腔、雾化腔室和雾化喷口，喷雾装置整体呈筒状，分为上部筒体结构和下部筒体结构，二者通过上盖体悬置于筒体上外沿上，并通过卡扣连接；

上部筒体结构由上盖体、上部筒体、挡板和收缩型喷管组成，上盖体设置于上部筒体的上部，上部筒体的下部设置挡板和收缩型喷管；挡板和收缩型喷管之间形成雾化腔室，收缩型喷管为上端收紧的喇叭口结构，下方为入口，上方为出口，所述入口直径为2-8mm，出口直径为0.1-0.3mm，上部为雾化喷口下部筒体结构由锥形管、水管和锥形槽组成，锥形管设置于锥形槽内，水管设置于锥形槽的下方，在管壁的内部，在锥形槽的上沿的上方设置有进水孔(其作用是为加湿提供水源，孔将将高过锥型底槽，有利于水的充分利用。底部设置为锥型槽可将管子里的水置于较高的水位以便得到充分利用)。

在上述技术方案中，所述的一种喷泉雾化装置利用轻型材料制成，整体质量为10-20kg。

在上述技术方案中，所述的上部筒体结构的高度为整体喷雾装置高度的1/3-1/2。

在上述技术方案中，所述的喷雾装置的外壁上设置有浮球，用于将装置飘浮于水面，使之随水位的增减上下浮动。

在上述技术方案中，在所述的雾化腔室内形成的雾滴直径在3-8μm。

在上述技术方案中，所述的喷泉雾化装置的尺寸为：长50-70cm，宽30-50cm，高30-50cm。

在上述技术方案中，所述收缩型喷管的入口直径为4-6mm，出口直径为0.1-0.2mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的喷雾装置采用的是压缩空气使液体的雾化以及液滴的破碎原理，本装置应用流体力学原理，以压缩空气为动力，水雾经射流的作用迅速喷射到空气中，水珠由液态变为气态，对空间进行绝对的无水滴均匀加湿、压尘，喷液，在加湿过程中可消除静电，且控制简单方便接通工作介质即可工作，能耗低，雾化效果好，成本低廉。

附图说明

图1为本发明中喷雾装置整体结构示意图。

图2为本发明喷雾装置下部筒体平面结构示意图。

图3为本发明喷雾装置上部筒体平面结构示意图。

图4为本发明中收缩型喷管局部立体结构示意图。

1为上盖体，2为筒体上外沿，3为上部筒体，4为挡板，5为管壁，6为锥形槽，7为底座，8为水管，9为收缩型喷管，10为进水孔，11为锥形管，12为卡扣，13为锥形腔，14为雾化腔室，15为喷口。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图中所示，一种喷泉雾化装置，包括上盖体、筒体上外沿、上部筒体、挡板、管壁、锥形槽、底座、水管、收缩型喷管、进水孔、锥形管、卡扣、锥形腔、雾化腔室和雾化喷口，喷雾装置整体呈筒状，分为上部筒体结构和下部筒体结构，二者通过上盖体悬置于筒体上外沿上，并通过卡扣连接；

上部筒体结构由上盖体、上部筒体、挡板和收缩型喷管组成，上盖体设置于上部筒体的上部，上部筒体的下部设置挡板和收缩型喷管；挡板和收缩型喷管之间形成雾化腔室，收缩型喷管为上端收紧的喇叭口结构，下方为入口，上方为出口，所述入口直径为5mm，出口直径为0.2mm，上部为雾化喷口下部筒体结构由锥形管、水管和锥形槽组成，锥形管设置于锥形槽内，水管设置于锥形槽的下方，在管壁的内部，在锥形槽的上沿的上方设置有进水孔；

在上述技术方案中，在所述的雾化腔室内形成的雾滴直径在5μm。

在上述技术方案中，所述的喷泉雾化装置的尺寸为：长60cm，宽40cm，高40cm。

喷雾装置装置原理：

空气压缩存在着质量传递问题。动量或能量传递是在半组分的流体中进行的。产生这种传递的原因是由于流场中出现了局部速度或温度差，以致高速度或高温度区的流体将动能或能量传递至低速度或低温度区，是流体的速度或温度有渐趋平衡的趋势，而质量传递则是在气体、液体和可溶固体等所构成的多组分混合物中进行的，当混合物中的一种或多种组分在流场中出现局部浓度差时，各组分相对与混合物，均从高浓度区将质量传递至低浓度区的趋势，使流场中个组分的浓度渐趋平衡。

从工程的观点，质量传递通常发生在各组分的界面上，如气—固、气—液、液—固其中一种。湍流(或)涡扩散，在湍流运动中，流体质点除了具有时均运动以外，还具有随机的涨落运动，这种运动与分子运动有相似之处，但本质上则完全相同，后者是物质结构所固有，而前者仍有流动特性所引起，与动量和能量传递相类似。速度与浓度的随机涨落会大大提高质量传递的效率或急剧增强扩散能力，通常认为这些涨落运动与湍流中的涡运动有密切关系，故由涨落运动所引起的扩散系数又称涡扩散。由于湍流量是一种复杂的流动，要从理论或实验上去确定涡扩散系数与时均流动量之间的普适关系是很困难的，因为它不仅对不同流动有不同的值，即使对同一流动，在不同的位置与时间也有不同的值。

压缩空气喷雾装置的设计原理与质量的传递也有着密切的关系。

压缩空气在喷嘴内没有完全膨胀，射流为了膨胀自由射流。

射流与空气发生动量交换、热量交换。由于射流速度较大，且喷嘴出口上游气流有扰动，切向断面不稳定，在该断面上出现漩涡，这些漩涡在流动中做不规则的运动，由此发生微团间的横向动量交换、热量交换，从而形成湍流射流边界层。随着出口距离的增大，湍流边界层不断增后，射流的轴心速度不断下降，从超音速降到亚音速，超音速射流衰减到亚音速之后，可以看作是无激波平行射流。

射流在运动中与周围静止空气发生动量交换，空气不断卷入射流混合区，加上超音速射流呈一定辐射状喷入大气，因此，射流就有横向速度，但与纵向速度相比，横向速度很小，所以，射流中心附近的流线接近平行，可以认为沿轴向的射流速度即可以表征整个射流的速度特征。

喷口状态

压缩机内的气体状态可视为滞止状态：

根据等熵过程能量方程：

其中：k:等熵指数空气为1.4R:气体常数空气为287J/(kg.k)

或

断面的参数与滞止参数之间的关系：

将式(3-5)改写为：

由式(3-7)有：

根据等熵过程方程p/ρ^k＝C、状态方程p/ρ＝RT和式(3-7)，导出：

临界状态：

根据能量方程式(3-6)得：

上式表明，在气体的绝热流动过程中，随着气流速度的增大，当地声速减小，当气流被加速到极限速度v_max时，当地声速下降到零；而当气流速度被滞止到零时，当地声速则上升到滞止声速C₀。因此，在气流速度有小变大和当地声速由大变小的过程中，必定会出现气流速度v恰好等于当地声速C,即Ma＝1的状态。也就是设计所需状态。

将Ma＝1分别代入式(3-7)～式(3-10)，可得：

对于k＝1.4的气体：

喷口处压强

由运动微分方程式和声速公式得：

将式(3-11)代入等熵过程方程的微分式得：

将完全气体状态方程p/ρ＝RT写成微分式，得：

将式(3-11)与(3-12)带入上式，整理得：

式(3-11)～(3-13)表明：气流速度v的变化总是与参数ρ、p、T的变化相反。v沿程增大，ρ、p、T必沿程减小，v沿程减小，则ρ、p、T必沿程增大。

因此，要使喷口处有相当大的气体流速，则需要一个较小压强。

喷口截面积

分析流动参数随通道截面积A的变化关系。

将式(3-11)代入连续方程的微分方程整理得：

由式(3-14)可得出以下结论：

①亚声速气流(Ma＜1),此时(1-Ma²)＞0，dA与dv异号，即通道截面积沿程减小，速度将沿程增大；通道截面积沿程增大，速度将沿程减小。

②超声速气流(Ma＞1),此时(1-Ma²)＜0，dA与dv同号，即通道截面积沿程减小，速度将沿程减小；通道截面积沿程增大，速度将沿程增大。

③声速气流(Ma＝1),此时(1-Ma²)＝0，dA＝0，说明声速只能出现在管道的最大或最小断面处。当通道截面积沿程增大时，亚声速气流的速度将沿程减小，在最大断面处不可能达到声速；超声速气流的速度将沿程增大，最大断面处也不可能达到声速。因此，声速不可能出现在最大断面处。然而，当通道截面积沿程减小时，亚声速气流的速度将沿程增大，在最小断面处流速达到最大值，

在一定条件下可能达到声速；超声速气流的速度将沿程减小，在最小断面处流速达到最小值，在一定的条件下该最小值也可能达到声速。因此，声速流动只可能出现在最小断面处。

因此，射流可看作离射流出口很近的一点处置一无限小半径的小孔所喷出的射流流动,喷口的截面积应设为很小面积。

喷管的作用在于把气体的焓降最充分的转化为动能。根据喷管上下游气体压力比的不同，喷管可分为超音速喷管(拉瓦尔喷管)和亚音速喷管(收缩形喷管)两类。当压力比时，采用拉瓦尔喷管可得到超音速气流；当压力比时，采用收缩形喷管可得到亚音速或音速气流。

根据需要采用PARI BOY 037型压缩机，其相关参数分别为：电流0.5A，功率50w，压强1.3Bar＝0.13MPa,供气量2700～3250L/min＝162～195m³/h。

对入水口断面和出水口断面，试求喷管速度及流量。

喷管出口断面为ρ_e、P_e、T_e，入口断面为ρ₀、P₀、T₀。

根据能量方程：则：

根据状态方程：

利用等熵条件：

因此，式(4-1)还可以写成：

则质量流量：

讨论质量流量Q_m随压强的变化：

Ⅰp₀＝p_b由于喷管两端无压差，气体不流动，Q_m＝0，出口压强p_e＝p_b。

Ⅱp₀>p_b>p_*气体经收缩喷管，压强沿程减小，出口压强p_e＝p_b〉p_*。流速沿程增大，但在管出口处未能达到声速v_e＜C₀。喷管出口流速流量可按式(4-2)和式(4-3)计算。

Ⅲp₀>p_b＝p_*气体经收缩管加速后，在出口达到声速，v_e＝C_*，即Ma＝1。此时，出口速度达最大值v_emax，流量大最大值Q_mmax。出口压强p_e＝p_b＝p_*。由式，得：

将上式带入式(3-11)和(3-12)中可得收缩喷管出口断面的最大流速v_emax和喷管内的最大质量流量Q_mmax，即：

Ⅳp₀>p_*>p_b由于亚声速气流经收缩喷管不可能达到超声速，故气流在喷管出口处的速度仍为声速，v_emax＝C_*，出口处的压强仍为临界压强，p_e＝p_*〉p_b。此时，因收缩喷管出口断面处已达到临界状态，出口断面外存在的压差扰动不可能向喷管内逆流传播，故气流从出口出的压强p_*降至背压p_b的过程只能在喷管外完成，这就是质量流量Q_m不完全按照式(4-3)变化的根本原因。

确定临界参量和临界截面尺寸

临界参量：

临界压力为：p_*＝0.528p₀＝0.528×0.13＝0.06864MPa

临界温度为：T_*＝0.833T₀＝0.833×293＝244.069K

临界密度为：

临界速度为：

截面尺寸：

根据PARI BOY喷雾装置喷管入口直径为5mm,出口直径为0.2mm,依此数据进行设计计算。

因此，选用收缩型喷管。

综上所述，气体经收缩管加速后，须在出口处达到声速，由此可得：

收缩喷管出口处达到声速，即临界状态，v_e＝C_*。

v_e＝C_*＝313.16m/s

ρ_e＝ρ_*＝0.979kg/m³

出口喷管射流雾化机理

射流与空气发生动量交换、热量交换。由于射流速度较大，且喷嘴出口上游气流有扰动，切向断面不稳定，在该断面上出现漩涡，这些漩涡在流动中做不规则的运动，由此发生微团间的横向动量交换、热量交换，从而形成湍流射流边界层。扰动及动能交换使得液体沿喷管两端的孔道上升至喷口端面，由于气流很大，将液体射到喷口上面的挡板上，撞击加速雾化。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.一种喷泉雾化装置，其特征在于：包括上盖体、筒体上外沿、上部筒体、挡板、管壁、锥形槽、底座、水管、收缩型喷管、进水孔、锥形管、卡扣、锥形腔、雾化腔室和雾化喷口，喷雾装置整体呈筒状，分为上部筒体结构和下部筒体结构，二者通过上盖体悬置于筒体上外沿上，并通过卡扣连接；

上部筒体结构由上盖体、上部筒体、挡板和收缩型喷管组成，上盖体设置于上部筒体的上部，上部筒体的下部设置挡板和收缩型喷管；挡板和收缩型喷管之间形成雾化腔室，收缩型喷管为上端收紧的喇叭口结构，下方为入口，上方为出口，所述入口直径为2-8mm，出口直径为0.1-0.3mm，上部为雾化喷口下部筒体结构由锥形管、水管和锥形槽组成，锥形管设置于锥形槽内，水管设置于锥形槽的下方，在管壁的内部，在锥形槽的上沿的上方设置有进水孔。

2.根据权利要求1所述的一种喷泉雾化装置，其特征在于：所述的一种喷泉雾化装置利用轻型材料制成，整体质量为10-20kg。

3.根据权利要求1所述的一种喷泉雾化装置，其特征在于：所述的上部筒体结构的高度为整体喷雾装置高度的1/3-1/2。

4.根据权利要求1所述的一种喷泉雾化装置，其特征在于：所述的喷雾装置的外壁上设置有浮球，用于将装置飘浮于水面，使之随水位的增减上下浮动。

5.根据权利要求1所述的一种喷泉雾化装置，其特征在于：在所述的雾化腔室内形成的雾滴直径在3-8μm。

6.根据权利要求1所述的一种喷泉雾化装置，其特征在于：所述的喷泉雾化装置的尺寸为：长50-70cm，宽30-50cm，高30-50cm。

7.根据权利要求1所述的一种喷泉雾化装置，其特征在于：所述收缩型喷管的入口直径为4-6mm，出口直径为0.1-0.2mm。