CN109569349A - 一种用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器 - Google Patents

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CN109569349A CN201811565793.6A CN201811565793A CN109569349A CN 109569349 A CN109569349 A CN 109569349A CN 201811565793 A CN201811565793 A CN 201811565793A CN 109569349 A CN109569349 A CN 109569349A
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Abstract

本发明涉及一种用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器，包括同轴设置的内壳层和外壳层，外壳层与内壳层之间具有间隙，间隙形成了冷却水通道；所述防爆稀释扩压器靠近用于供二氧化碳射流进入防爆稀释扩压器内的入口端的位置绕设有至少一个进气环；进气环远离外壳层的侧壁上设置有至少一个用于供稀释气体进入进气环内的入口，进气环靠近外壳层的侧壁上间隔设置有多个用于供进气环内的稀释气体进入防爆稀释扩压器内的进气管；内壳层的侧壁上开设有多个进气孔，进气管穿过外壳层与开设在内壳层上的进气孔连接。本发明中的防爆稀释扩压器在不对风洞流场造成较大扰动的前提下，能够对高温CO2射流进行实时稀释，达到了防止爆炸危险的目的。

Description

一种用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器。
背景技术
在现有的用于二氧化碳射流的扩压器中，对于进入扩压器的高温二氧化碳射流(CO2射流)，由于高温CO2射流在3000～8000℃时会出现离解，因此实际上是一氧化碳(CO)和氧原子/氧分子的混合气体,此混合气体在流动过程中温度逐渐下降，当温度下降到CO氧化反应的温度范围时，可能出现剧烈的氧化反应而发生爆炸，因此必须在射流降温到CO氧化温度前对其进行稀释，使CO浓度降至爆炸极限以下(≤12.5％)。
目前，尚未见到用于CO2射流稀释的扩压器，常见的气体混合装置主要有两种：(1)预混合装置：将不同气体通入一个容积较大的容器中，通过自然扩散或强制对流的方式使气体混合均匀，待混合均匀后再通过容器出口取用气体；但是这种预混合装置由于需要将气体分别通入容器，待混合后才能取用，需要一定的时间甚至是强制对流才能保证混合均匀，无法进行实时混合，且需要较大的混合容器，不适合风洞运行环境，无法用于CO2射流的防爆稀释。(2)实时混合装置：不同气体分别通过各自的管道流入主管道，各种气体在主管道流动过程中通过对流和扩散混合，主管道直接通向混合气体使用区域；虽然这种实时混合装置能够实现气体的实时混合，但由于其结构是两种气体直接混合，为了保证混合的均匀性，需要主管道具有较大的长度，而风洞运行过程中为了保证流场品质，必须使用专门设计的喷管和扩压器，无法在其中单独设置较长的管道，因此该方案也不适用于风洞条件，无法用于CO2射流的防爆稀释。
发明内容
本发明的目的是提供一种在不对风洞流场造成较大扰动的前提下，能够对进入扩压器内的高温CO2射流进行实时稀释的用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器，所述防爆稀释扩压器包括同轴设置的内壳层和外壳层，所述外壳层与所述内壳层之间具有间隙，所述间隙形成了用于供冷却水流通的冷却水通道；所述防爆稀释扩压器的两端分别为入口端和出口端，所述入口端用于供二氧化碳射流进入所述防爆稀释扩压器内，所述出口端用于排出所述二氧化碳射流，所述防爆稀释扩压器靠近所述入口端的位置绕设有至少一个进气环；所述进气环远离所述外壳层的侧壁上设置有至少一个用于供稀释气体进入所述进气环内的入口，所述进气环靠近所述外壳层的侧壁上间隔设置有多个用于供所述进气环内的稀释气体进入所述防爆稀释扩压器内的进气管；所述内壳层的侧壁上开设有多个进气孔，所述进气管穿过所述外壳层与开设在所述内壳层上的进气孔连接。
优选地，所述进气管相对所述防爆稀释扩压器的轴向向靠近所述防爆稀释扩压器的入口端的位置倾斜设置，所述进气管与所述防爆稀释扩压器之间的倾斜角α为25～35°，优选为30°。
优选地，所述进气管相对所述进气环的径向倾斜设置，所述进气管与所述进气环之间的倾斜角β为10～20°，优选为15°。
优选地，所述内壳层的外壁上沿周向间隔设置有多条加强筋，每相邻的两条所述加强筋之间形成一个供冷却水通过的独立流道；所述间隙的两端的周向分别间隔分布有多个进水口和多个出水口，使每个所述独立流道内均对应有一个所述进水口和一个所述出水口。
优选地，所述间隙的两端的周向分别间隔分布有4～6个进水口和4～6个出水口，所述进水口和所述出水口的数量相同。
优选地，所述防爆稀释扩压器的两端均设置有法兰盘，设置在所述防爆稀释扩压器的一端的法兰盘的内部沿其周向间隔开设有多个进水通道，所述进水通道的进水端用以与冷却水源连通，所述进水通道的出水端形成所述进水口，设置在所述防爆稀释扩压器的另一端的法兰盘的内部开设有出水通道，所述出水通道的进水端形成所述出水口，所述出水通道的出水端用于将冷却水排出。
优选地，所述进气环的数量为4～8个，优选为5个。
优选地，每个所述进气环上设置的所述进气管的数量为12～20个，优选为16个。
优选地，所述进气管的管径为1.5～2.5mm，优选为2mm。
优选地，所述进气环靠近所述外壳层的侧壁上还设置有连接件，所述进气环通过所述连接件与所述防爆稀释扩压器连接。
本发明与现有技术相比至少具有如下的有益效果：
(1)本发明中所述的防爆稀释扩压器选择扩压器作为了气体混合区域，不会改变风洞的气动布局(即不在风洞主体上增加较大的会影响流场品质的装置)，本发明中所述的防爆稀释扩压器在靠近扩压器的入口端的位置设置了至少一个进气环，所述进气环上设置有多个用于供所述进气环内的稀释气体进入所述防爆稀释扩压器内的进气管，能够根据需要将稀释气体实时注入扩压器并实现快速混合，达到稀释高温气体的目的；本发明实现了风洞运行过程中，在不对风洞流场造成较大扰动的前提下，对进入扩压器的高温CO2射流进行实时稀释，达到了防止爆炸危险的目的。
(2)本发明中，所述内壳层上分布式设置有多个进气孔，所述进气管与所述进气孔连接，实现了稀释气体的分散注入和快速混合，这种分布式进气孔和分布式进气管的设置可以有效防止大孔大量进气对扩压器中的流场造成较大扰动。
(3)本发明中所述的防爆稀释扩压器与现有的预混合装置相比，避免了使用体积庞大的气体混合罐，同时能够实现气体的实时混合；本发明中所述的防爆稀释扩压器与现有实时混合装置相比，缩短了气体混合的路径(管道长度)，可在0.5米内实现气体的均匀混合，实现了在风洞上的应用。
附图说明
本发明附图仅仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
图1是现有技术中预混合装置用于混合气体的示意图。
图2是现有技术中实时混合装置用于混合气体的示意图。
图3是本发明用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器的一个具体实施方式的立体结构示意图。
图4是图3的部分结构示意图。
图5是图3的纵截面图。
图6是图5中A部分的放大图。
图7是图5中C-C的剖面图。
图8是图7中B部分的放大图。
图9是通过计算流体动力学(CFD)方法得到的不同进气角度的所述防爆稀释扩压器的混合效果图。图中(a)表示的是进气管与所述防爆稀释扩压器之间的倾斜角α为150°时的混合效果图；图中(b)表示的是进气管与所述防爆稀释扩压器之间的倾斜角α为90°时的混合效果图；图中(c)表示的是进气管与所述防爆稀释扩压器之间的倾斜角α为30°时的混合效果图。
图中：1：防爆稀释扩压器；11：外壳层；12：内壳层；13：间隙；14：加强筋；15：第一法兰盘；151：进水管接头；16：第二法兰盘；161：出水管接头；2：进气环；21：进气接嘴；3：进气管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器，图3是本发明用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器的一个具体实施方式的立体结构示意图；图4是图3的部分结构示意图；图5是图3的纵截面图；图6是图5中A部分的放大图；图7是图5中C-C的剖面图；图8是图7中B部分的放大图；其中，图5是将图3顺着所述防爆稀释扩压器的轴线(轴心线)的方向沿未设置有加强筋的位置剖开的剖面图(图5中未示出进气环)，图5和图6中的箭头表示的是稀释气体的进气方向；图7中未示出第二法兰盘和出水管接头。
在本发明中，例如，如图3、图4和图5所示，所述防爆稀释扩压器1包括同轴设置的内壳层12和外壳层11，所述外壳层11与所述内壳层12之间具有间隙13，所述间隙13形成了用于供冷却水流通的冷却水通道；所述防爆稀释扩压器1的两端(如图3所示的左右两端)分别为入口端和出口端，所述入口端用于供二氧化碳射流进入所述防爆稀释扩压器1内，所述出口端用于排出所述二氧化碳射流，所述防爆稀释扩压器1靠近所述入口端的位置(所述防爆稀释扩压器的前部)绕设有至少一个进气环2，例如，如图3和图4所示，所述进气环2远离所述外壳层11的侧壁上设置有至少一个用于供稀释气体进入所述进气环2内的入口，所述进气环2靠近所述外壳层11的侧壁上间隔设置有多个用于供所述进气环2内的稀释气体进入所述防爆稀释扩压器1内的进气管3，例如，如图3、图4和图7所示；所述内壳层12的侧壁上开设有多个进气孔，所述进气管3穿过所述外壳层11与开设在所述内壳层12上的进气孔连接，使得稀释气体由所述进气环2和所述进气管3进入所述防爆稀释扩压器1的内部；在本发明中，所述稀释气体例如可以为氮气、氩气等惰性气体。
在本发明中，由于所述防爆稀释扩压器是夹层水冷结构，为避免冷却水进入扩压器内，无法使得所述稀释气体直接从进气孔进入扩压器内，需要设置所述进气管3，使得稀释气体从所述进气管3进入所述防爆稀释扩压器1的内部；在本发明中，例如可以预先在所述外壳层11和所述内壳层12上开设穿孔，开设在所述内壳层12上的穿孔形成所述进气孔，然后将所述进气管3穿设在所述穿孔内，所述进气管3例如可以焊接或者螺纹连接的方式密封连接在所述穿孔内，所述进气管3与开设在所述内壳层12上的进气孔连接的一端例如可以与所述内壳层12的内壁面相平齐或者略伸出所述内壳层12的进气孔。
本发明中的所述防爆稀释扩压器结构设置合理，选择扩压器作为了气体混合区域，不会改变风洞的气动布局，并在靠近所述防爆稀释扩压器的入口端的位置设置了至少一个进气环，所述进气环上设置有多个用于供所述进气环内的稀释气体进入所述防爆稀释扩压器内的进气管，同时实现注入稀释气体的目的，在本发明中，通过分布式进气管和分布式进气孔的设置，能够使得所述稀释气体由所述进气管分散地进入扩压器内与进入所述扩压器内的高温气体快速混合。在本发明中，将所述进气环设置在了靠近所述防爆稀释扩压器的入口端的位置，这是由于在风洞运行过程中，扩压器入口之前的流场温度下降幅度较小，不存在爆炸危险，而气流在流经扩压器时，由于扩压器是夹层水冷结构，气流会逐渐降温，通过扩压器进入冷却器后，气体将降到常温，因此，需要在气体进入冷却器前完成稀释。
根据一些优选的实施方式，所述入口与进气接嘴21连接(例如通过焊接或螺纹连接)，例如，如图3和图4所示，所述进气接嘴21的一端与所述入口连接，所述进气接嘴21的另一端与稀释气体源连接。
根据一些优选的实施方式，所述进气管3相对所述防爆稀释扩压器1的轴向向靠近所述防爆稀释扩压器1的入口端的位置倾斜设置，所述进气管3与所述防爆稀释扩压器1之间的倾斜角α为25～35°(例如25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°或35°)，优选为30°，例如，如图6所示。在本发明中，优选为所述进气管3相对所述防爆稀释扩压器1的轴向向靠近所述防爆稀释扩压器1的入口端的位置倾斜设置，从而使得所述进气管3和进气孔的进气方向沿轴向向所述防爆稀释扩压器1靠近所述防爆稀释扩压器1的出口端的位置(所述防爆稀释扩压器的后部)倾斜，例如，如图5所示，能够进一步防止进入的稀释气体对扩压器中的流场造成较大的扰动。
根据一些优选的实施方式，所述进气管3相对所述进气环2的径向倾斜设置，例如，如图7和图8所示，所述进气管3与所述进气环2之间的倾斜角β为10～20°(例如10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°或20°)，优选为15°；在本发明中，优选为所述进气管和所述进气孔的进气方向沿径向具有一个倾斜角度，是为了使得进入扩压器内的稀释气体具有一定的旋向初速，有利于进一步保证稀释气体与高温气体的均匀混合。
本发明通过计算流体动力学(CFD)方法对进气管以及进气孔沿轴向和径向的倾斜角度(进气角度)进行了优化设计，本发明人发现进气管的最佳进气角度为沿轴向倾斜角α为30°，沿径向的最佳倾斜角β为15°，进一步保证了稀释气体与高温气体的快速、均匀混合；例如，如图9所示，当进气角度为沿轴向倾斜角α为30°时，混合效果最好，混合得最均匀。
根据一些优选的实施方式，所述内壳层12的外壁上沿周向间隔设置有多条加强筋14，每相邻的两条所述加强筋14之间形成一个供冷却水通过的独立流道，例如，如图7所示；所述间隙13的两端的周向分别间隔分布有多个进水口和多个出水口，使每个所述独立流道内均对应有一个所述进水口和一个所述出水口。在本发明中，所述加强筋14的两端例如可以与所述防爆稀释扩压器1的两端连接或者断开；在本发明中，所述加强筋14例如可以通过焊接(例如点焊连接)的方式与所述内壳层12的外壁连接或者所述加强筋14一体成型于所述内壳层12的外壁上，从而可以使得所述加强筋14与所述内壳层12和所述外壳层11的相对位置固定。
在本发明中，多条所述加强筋的设置可以将外壳层与内壳层之间的间隙分隔成了多个独立流道，保证冷却水流同时在每个所述独立流道内快速流动起来，使所述内壳层以及所述外壳层的各部分都可以均匀地被冷却，有效避免了所述防爆稀释扩压器的局部会存在水流较慢的死水区域而出现局部过热的问题，保证了所述防爆稀释扩压器的冷却效率。在本发明中，所述加强筋、所述进水口、所述出水口的数量相同；所述进水口和所述出水口分别分布在所述间隙沿轴向方向的两端。
根据一些优选的实施方式，所述间隙13的两端的周向分别间隔分布有4～6个(例如4、5或6个)进水口和4～6个(例如4、5或6个)出水口，所述进水口和所述出水口的数量相同。
根据一些优选的实施方式，所述防爆稀释扩压器1的两端均设置有法兰盘，例如，如图3所示，设置在所述防爆稀释扩压器1的一端(例如左端)的法兰盘的内部沿其周向间隔开设有多个进水通道，所述进水通道的进水端用以与冷却水源连通，所述进水通道的出水端形成所述进水口，设置在所述防爆稀释扩压器1的另一端(例如右端)的法兰盘的内部开设有出水通道，所述出水通道的进水端形成所述出水口，所述出水通道的出水端用于将冷却水排出。在本发明中，例如可以将设置在所述防爆稀释扩压器1的左端的法兰盘记作第一法兰盘15，将设置在所述防爆稀释扩压器1的右端的法兰盘记作第二法兰盘16。
根据一些优选的实施方式，所述进水通道内连接(例如通过焊接或螺纹连接)有进水管接头151，例如，如图3和图4所示，所述进水管接头151的一端连接在所述进水通道内，另一端伸出所述第一法兰盘15例如通过进水管与冷却水源连接；所述出水通道内连接(例如通过焊接或螺纹连接)有出水管接头161，例如，如图3所示，所述出水管接头161的一端连接在所述出水通道内，另一端伸出所述第二法兰盘16例如通过出水管将冷却水排放到指定位置或者回收容器内；在本发明中，例如当所述第一法兰盘15上连接有6个所述进水管接头151时，两个相邻的所述进水管接头151在周向上的夹角为60°时，即两个相邻的所述进水口在周向上的夹角也为60°。
根据一些优选的实施方式，所述进气环2的数量为4～8个(例如4、5、6、7或8个)，优选为5个；在本发明中，优选为设置有4～8个所述进气环2，可以有效使得稀释气体分散地进入所述防爆稀释扩压器1内；在本发明中，优选为多个所述进气环沿所述防爆稀释扩压器的长度方向(如图3所示的左右方向)间隔均匀地绕设在靠近所述防爆稀释扩压器的入口端的位置。
根据一些优选的实施方式，每个所述进气环2上设置的所述进气管3的数量为12～20个(例如12、13、14、15、16、17、18、19或20个)，优选为16个，如此可以进一步分散稀释气体，防止大孔大量进气对扩压器中的流场造成较大扰动；在本发明中，优选为多个所述进气管间隔均匀地设置在所述进气环的周向上。
根据一些优选的实施方式，所述进气管3的管径为1.5～2.5mm(例如1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5mm)，优选为2mm。
根据一些优选的实施方式，所述进气环2靠近所述外壳层11的侧壁上还设置有连接件，所述进气环2通过所述连接件与所述防爆稀释扩压器1连接；在本发明中，所述连接件的一端连接在所述进气环上，另一端例如可以与所述外壳层11连接或者另一端穿过所述外壳层与所述内壳层的外壁连接，从而进一步保证所述进气环与所述外壳层和/或所述内壳层之间结构的稳固性。在本发明中，例如可以在所述进气环2靠近所述外壳层11的侧壁上相对地设置有两个所述连接件，所述连接件例如可以为金属件，所述金属件的两端例如可以分别焊接在所述进气环和所述外壳层上。
本发明中的所述防爆稀释扩压器为用于高温风洞的气体混合的扩压器，能够将高温气体降温到爆炸温度前将其中的一氧化碳的浓度降低到爆炸极限以下(≤12.5％)，本发明中的所述防爆稀释扩压器不会改变风洞的气动布局，能够实现高温气体与稀释气体的实时、较均匀混合；在本发明中，稀释气体由在扩压器上设置的进气环和进气管进入扩压器内，本发明在气体混合过程中由于分散进气(例如5个进气环，每个进气环上设置16个进气管)以及进气方向轴向倾斜避免了对流场较大扰动；本发明通过精细设计的进气管数量、进气角度等，进一步确保稀释气体在扩压器中与高温气体快速、均匀的混合。
特别说明的是，在本发明中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；在本发明中，术语“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于二氧化碳射流的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述防爆稀释扩压器包括同轴设置的内壳层和外壳层，所述外壳层与所述内壳层之间具有间隙，所述间隙形成了用于供冷却水流通的冷却水通道；
所述防爆稀释扩压器的两端分别为入口端和出口端，所述入口端用于供二氧化碳射流进入所述防爆稀释扩压器内，所述出口端用于排出所述二氧化碳射流，所述防爆稀释扩压器靠近所述入口端的位置绕设有至少一个进气环；
所述进气环远离所述外壳层的侧壁上设置有至少一个用于供稀释气体进入所述进气环内的入口，所述进气环靠近所述外壳层的侧壁上间隔设置有多个用于供所述进气环内的稀释气体进入所述防爆稀释扩压器内的进气管；
所述内壳层的侧壁上开设有多个进气孔，所述进气管穿过所述外壳层与开设在所述内壳层上的进气孔连接。
2.根据权利要求1所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述进气管相对所述防爆稀释扩压器的轴向向靠近所述防爆稀释扩压器的入口端的位置倾斜设置，所述进气管与所述防爆稀释扩压器之间的倾斜角α为25～35°，优选为30°。
3.根据权利要求1所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述进气管相对所述进气环的径向倾斜设置，所述进气管与所述进气环之间的倾斜角β为10～20°，优选为15°。
4.根据权利要求1所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述内壳层的外壁上沿周向间隔设置有多条加强筋，每相邻的两条所述加强筋之间形成一个供冷却水通过的独立流道；
所述间隙的两端的周向分别间隔分布有多个进水口和多个出水口，使每个所述独立流道内均对应有一个所述进水口和一个所述出水口。
5.根据权利要求4所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述间隙的两端的周向分别间隔分布有4～6个进水口和4～6个出水口，所述进水口和所述出水口的数量相同。
6.根据权利要求4所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述防爆稀释扩压器的两端均设置有法兰盘，设置在所述防爆稀释扩压器的一端的法兰盘的内部沿其周向间隔开设有多个进水通道，所述进水通道的进水端用以与冷却水源连通，所述进水通道的出水端形成所述进水口，设置在所述防爆稀释扩压器的另一端的法兰盘的内部开设有出水通道，所述出水通道的进水端形成所述出水口，所述出水通道的出水端用于将冷却水排出。
7.根据权利要求1至6任一项所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述进气环的数量为4～8个，优选为5个。
8.根据权利要求1至6任一项所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
每个所述进气环上设置的所述进气管的数量为12～20个，优选为16个。
9.根据权利要求1至6任一项所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述进气管的管径为1.5～2.5mm，优选为2mm。
10.根据权利要求1至6任一项所述的防爆稀释扩压器，其特征在于：
所述进气环靠近所述外壳层的侧壁上还设置有连接件，所述进气环通过所述连接件与所述防爆稀释扩压器连接。
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