CN110523553A - 一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法及装置，包括水箱、离心机、空压机、磁化装置与气相辅助雾化喷嘴，水箱的出口与离心机的入口相连，离心机的出口与磁化装置的入口相连，磁化装置的出口与气相辅助雾化喷嘴相连；空压机与气相辅助雾化喷嘴相连；通过设置磁化装置以及气相辅助雾化喷嘴，利用磁化装置通过磁化过程规范水体的缔合结构，从而降低水体的表面张力和动力粘度，增加韦伯数，减小气泡雾化对气相表压的需求，形成有利于气泡雾化的条件，进而促进气动、气泡雾化技术的高效结合，提高蒸发速率，降低气相辅助雾化所需的成本。其需求场强较小，有效减小了磁化器的体积，增强了使用的灵活性；几乎不受工作环境的电磁设备影响，效果稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法及装置，属于气液两相流雾化技术领域。
背景技术
雾化喷嘴是一种能够将液体雾化喷出，使液体以微小液滴形式存在于空气中的一种装置。雾化技术几乎已经涵盖所有的工业领域，如交通运输、农业生产、燃料燃烧、日常生活等；雾化技术在非燃烧工业，如催化造粒、食品加工、粉末涂覆、农药喷洒方面等也有着广泛的应用。
现有的雾化喷嘴主要为机械雾化喷嘴和介质雾化喷嘴。机械雾化喷嘴所需水压较高，流量难以调节；介质雾化喷嘴以气相辅助雾化为主，主要有气泡雾化和气动雾化两种：气泡雾化利用喷嘴出口内外压差，令微小气泡在离开出口后急速膨胀破裂，将液膜破碎为液雾，所需气相压力较高，但耗气量较小；气动雾化利用高速气流冲击液体，将液体雾化，耗气量较大，但气相压力较小。
磁化技术可以改变水的物理性质和水体的缔合结构。液滴雾化的难度一定程度上取决于水的表面张力和动力粘度大小：流体表面张力和动力粘度越大，液膜形变、破碎的难度越高，雾化效果越差。流体缔合结构性越弱，液体蒸发速率越慢。经过磁场处理的水的物理性质会发生改变，从而降低液滴雾化的难度。
如上所述，利用磁场作用可以降低雾化难度，但现有的雾化喷嘴均未将磁化与气相辅助雾化相结合，单纯的气相辅助雾化所需条件较高，成本较高，难以满足工业需求；现有的磁化设备大部分都需要较大场强、较长磁化距离，且受制于诸多影响磁场分布的环境因素，如电磁设备干预等，从而普遍存在体积大、不灵活、不稳定、磁化效果差或者缺乏针对性的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法及装置，降低了气相辅助雾化所需的条件和成本。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，包括水箱、离心机、空压机、磁化装置与气相辅助雾化喷嘴，其中，水箱的出口与离心机的入口相连，离心机的出口与磁化装置的入口相连，磁化装置的出口与气相辅助雾化喷嘴相连；空压机与气相辅助雾化喷嘴相连；气相辅助雾化喷嘴包括圆柱形的壳体；壳体一端设置有进液口，另外一端设置有气旋流出口；壳体侧壁中部开设有若干进气口，壳体内设置有文丘里管式内流道，文丘里管式内流道一端与进液口相连，另一端设置有若干泡状流出口，文丘里管式内流道的扩散段的侧壁上开设有若干曝气孔，文丘里管式内流道外侧设置有空腔，空腔一端与进气口相连，另一端与气旋流出口相连通，曝气孔一端与空腔相连通，另一端与文丘里管式内流道相连通；泡状流出口与气旋流出口相连通。
本发明进一步的改进在于，气旋流出口位于文丘里管式内流道的中轴线上。
本发明进一步的改进在于，空腔为渐缩式进气道。
本发明进一步的改进在于，空腔内设置有若干旋流片，若干旋流片沿周向均匀分布。
本发明进一步的改进在于，单个旋流片旋转角度为30°到40°。
本发明进一步的改进在于，磁化装置包括金属波纹管、磁化环、内置软管以及若干磁化装置壳体；其中，若干磁化装置壳体套设在内置软管的外壁上，相邻两个磁化装置壳体通过金属波纹管相连，每个磁化装置壳体内设置有一个磁化环，每个磁化环包括若干钕铁硼磁块，若干钕铁硼磁块组成一组海尔贝克阵列。
本发明进一步的改进在于，内置软管一端设置有前连接螺纹，另一端设置有后连接螺纹；磁化装置和气相辅助雾化喷嘴通过后连接螺纹相连；离心机的出口通过前连接螺纹与磁化装置的入口相连。
一种基于上述装置的磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法，包括以下步骤：
1)通过空压机将压缩气体通入气相辅助雾化喷嘴的进气口，一部分通过曝气孔进入文丘里管式内流道，另一部分气体通过旋流片作用，以气旋流形式从气旋流出口喷出；
2)通过离心机将水通入磁化装置中进行磁化，完成磁化作业，磁化后的水流入气相辅助雾化喷嘴中，流过文丘里管式内流道，通过文丘里管式内流道的渐缩结构增加流速，减小压强，使少量由进气口通入的气体通过若干曝气孔以气泡形式进入水内，形成泡状两相流；泡状两相流通过泡状流出口喷出，实现液体的第一次破碎；破碎后的液滴由步骤1)中气旋流出口喷出的高速旋流气体冲击，完成二次剪切，实现二次破碎。
本发明进一步的改进在于，磁化装置中水流速度恒定为0.2m/s；磁化装置中有效磁场的长度大于100mm，磁化环的气隙直径大于10mm，磁场垂直于水流方向，且强度为170～200mT。
本发明进一步的改进在于，磁化装置中磁场与气相辅助雾化喷嘴的距离为5～15cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过设置磁化装置以及气相辅助雾化喷嘴，可利用磁化装置通过磁化过程规范水体的缔合结构，从而降低水体的表面张力和动力粘度，增加韦伯数，减小气泡雾化对气相表压的需求，形成有利于气泡雾化的条件，进而促进气动、气泡雾化技术的高效结合，减小雾化粒径，提高雾化均匀度，提高蒸发速率，并降低气相辅助雾化所需的成本。本发明中的磁化装置能够实现20℃到25℃情况下表面张力的减小和蒸发速率的增加。其需求场强较小，有效减小了磁化器的体积，增强了使用的灵活性；几乎不受工作环境的电磁设备影响，效果稳定。
应用本发明时，在距喷口距离仅为100mm、气相表压仅为80kPa、液相流量为40kg/h时，索太尔平均直径仅为13.63μm，锥角为50°，远优于现有的各种空气雾化喷嘴。在该工况下，喷雾平均蒸发时间仅19.41ms。本发明实现了均匀、微细、高效的雾化，具有绿色环保、循环利用、经济效益高等特点。同时，该方法工艺简单、成本低廉，可用于各种气相辅助雾化喷嘴，适合批量化生产。
附图说明
图1是本发明中装置的连接示意图；
图2是本发明中的气相辅助雾化喷嘴和磁化装置组合结构图；
图3是本发明中的磁化装置结构图；
图4是本发明中的气相辅助雾化喷嘴结构图；
图5是未使用本发明的相同工况下的雾化粒径分布图；
图6是相同工况下采用本发明方法所产生的雾化粒径分布图。
图中，1为气相辅助雾化喷嘴，2为磁化装置，3为气阀，4为空压机，5为离心机，6为水箱，7为液阀，8为前连接螺纹，9为磁化装置壳体，10为金属波纹管，11为磁化环，12为内置软管，13为后连接螺纹，14为进液口，16为文丘里管式内流道，17为进气口，18为曝气孔，19为旋流片，20为渐缩气道，21为泡状流出口，22为气旋流出口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1和图2，本发明的一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，包括水箱6、离心机5、空压机4、气阀3、液阀7、磁化装置2与气相辅助雾化喷嘴1，其中，水箱6的出口经水管与离心机5的入口相连，离心机5的出口分为两路，一路与水箱6的入口相连，另一路经液阀7与磁化装置2的入口相连，磁化装置2的出口与气相辅助雾化喷嘴1相连；空压机4经空阀3与气相辅助雾化喷嘴1相连。
参见图4，气相辅助雾化喷嘴1为气泡雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或气泡雾化与气动雾化结合喷嘴，包括圆柱形的壳体、进液口14、文丘里管式内流道16、进气口17、曝气孔18、旋流片19、渐缩气道20、泡状流出口21以及气旋流出口22。其中，壳体上一端设置有进液口14，另外一端设置有气旋流出口22；壳体侧壁中部开设有若干进气口17，壳体内设置有文丘里管式内流道16，文丘里管式内流道16一端与进液口14相连，另一端设置有若干泡状流出口21，文丘里管式内流道16包括相连的入口段、收缩段和扩散段，文丘里管式内流道16的扩散段的侧壁上开设有若干曝气孔18，文丘里管式内流道16外侧设置有空腔，空腔为渐缩式进气道。空腔一端与进气口17相连，另一端与气旋流出口22相连通，曝气孔18一端与空腔相连通，另一端与文丘里管式内流道16相连通；泡状流出口21与气旋流出口22相连通。
气旋流出口22位于文丘里管式内流道16的中轴线上。
具体的，进液口14内径为16mm；进气口17内径为6mm；文丘里式内流道16由直径16mm渐缩为直径8mm；曝气孔18和进气口17采用对冲结构，即相对设置，这样便于气体进入曝气孔18中，曝气孔18共42个，直径为0.7mm，以三排并列形式布置，利于进气。进气中形成气泡的气体一部分通过曝气孔18内外压差被压入液流，一部分由于曝气孔18和进气口17对冲设置，被冲入曝气孔18。
泡状流出口21共4个，以正四边形排列布置，即周向均匀分布，能够强化破碎效果、稳定破碎过程并大幅增加液相流量。每个泡状流出口21半径为1mm，相邻泡状流出口21的圆心之间距离为1.41mm。
空腔内设置有若干旋流片19。旋流片19沿周向均匀分布，共6个，单个旋流片19旋转角度为为30°到40°，优选为34.5°，相邻旋流片19角度相差60°，气体通过6片旋流片7产生高速旋流气体，实现气动雾化部分。
泡状流出口21和气旋流出口22之间沿轴向距离为15.3mm。
参见图3，磁化装置2包括前连接螺纹8、磁化装置壳体9、金属波纹管10、磁化环11、内置软管12以及后连接螺纹13。其中，内置软管12外部设置有多个环形的磁化装置壳体9，并且多个磁化装置壳体9套设在内置软管12的外壁上。相邻两个磁化装置壳体9通过金属波纹管10相连，每个磁化装置壳体9内设置有一个磁化环11，每个磁化环11包括8个剩磁0.7T的钕铁硼磁块，8个钕铁硼磁块按照一定排布方式组成一组Halbach(海尔贝克阵列)结构磁化单元，每个磁化环的气隙中磁场均为0.2T垂直向上的匀强恒定磁场。每个磁化环11沿软管12轴向长度为30mm。内置软管12的外壁横截面为正八边形，内壁横截面为圆形。内置软管12一端设置有前连接螺纹8，另一端设置有后连接螺纹13。磁化装置2和气相辅助雾化喷嘴1通过后连接螺纹13相连。
本发明中基于上述的装置的磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法为：
1)通过空压机4将压缩气体通入气相辅助雾化喷嘴1的进气口17，一部分通过曝气孔18进入文丘里管式内流道16，另一部分气体通过旋流片19作用，以气旋流形式从气旋流出口22喷出，创造水体雾化条件。
其中，气相辅助雾化喷嘴1所需的气相表压为50～200kPa，优选为80kPa。
2)通过离心机5将水通入磁化装置2中进行磁化，完成磁化作业，磁化后的水流入气相辅助雾化喷嘴1中，流过文丘里管式内流道16，通过文丘里管式内流道16的渐缩结构增加流速，减小压强，使少量由进气口17通入的气体通过若干曝气孔18以气泡形式进入水内，形成泡状两相流；泡状两相流通过泡状流出口21喷出，实现液体的第一次破碎；破碎后的液滴由步骤1)中气旋流出口22喷出的高速旋流气体冲击，完成二次剪切，实现二次破碎。
其中，气相辅助雾化喷嘴所需的液相流量为40kg/h；磁化装置中水流速度恒定为0.2m/s；磁化装置中有效磁场的长度大于100mm，优选为20～30cm，磁化环11的气隙直径大于10，优选为15～25mm，磁场垂直于水流方向，且强度恒定为170～200mT，优选为200mT；水温为20～25℃。恒定磁场与气相辅助雾化喷嘴1的距离为5～15cm。泡状流出口21的直径为1mm。
未使用本发明的相同工况下的雾化粒径分布如图5所示：单一的使用气相辅助雾化喷嘴条件下，在液相流量为40kg/h，气相压力80kPa时，雾化粒径为23.06mm，雾化液滴蒸发时间为42.11ms，距离喷嘴170mm处达到最佳雾化效果，距离喷嘴300mm处发生汇集，雾化粒径变为44.65mm。
本发明方法产生的雾化粒径分布如图6所示：使用本发明的磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法，在液相流量为40kg/h，气相压力为80kPa时，雾化粒径为13.63mm，雾化液滴蒸发时间为19.57ms，距离喷嘴100mm处达到最佳雾化效果，且之后未发生汇集。
本发明产生的雾化结果具有高效、微细、均匀且雾化所需距离极短等特点，同时，该发明可针对所有气相辅助雾化喷嘴使用，提高幅度基本一致。
本发明通过恒定磁场处理，极大的降低了气相辅助雾化所需的条件和成本；同时，该方法工艺简单、周期较短、绿色环保且生产成本低廉，符合可持续发展理念。
Claims (10)
1.一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，其特征在于，包括水箱(6)、离心机(5)、空压机(4)、磁化装置(2)与气相辅助雾化喷嘴(1)，其中，水箱(6)的出口与离心机(5)的入口相连，离心机(5)的出口与磁化装置(2)的入口相连，磁化装置(2)的出口与气相辅助雾化喷嘴(1)相连；空压机(4)与气相辅助雾化喷嘴(1)相连；气相辅助雾化喷嘴(1)包括圆柱形的壳体；壳体一端设置有进液口(14)，另外一端设置有气旋流出口(22)；壳体侧壁中部开设有若干进气口(17)，壳体内设置有文丘里管式内流道(16)，文丘里管式内流道(16)一端与进液口(14)相连，另一端设置有若干泡状流出口(21)，文丘里管式内流道(16)的扩散段的侧壁上开设有若干曝气孔(18)，文丘里管式内流道(16)外侧设置有空腔，空腔一端与进气口(17)相连，另一端与气旋流出口(22)相连通，曝气孔(18)一端与空腔相连通，另一端与文丘里管式内流道(16)相连通；泡状流出口(21)与气旋流出口(22)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，其特征在于，气旋流出口(22)位于文丘里管式内流道(16)的中轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，其特征在于，空腔为渐缩式进气道。
4.根据权利要求1所述的一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，其特征在于，空腔内设置有若干旋流片(19)，若干旋流片(19)沿周向均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，其特征在于，单个旋流片(19)旋转角度为30°到40°。
6.根据权利要求1所述的一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，其特征在于，磁化装置(2)包括金属波纹管(10)、磁化环(11)、内置软管(12)以及若干磁化装置壳体(9)；其中，若干磁化装置壳体(9)套设在内置软管(12)的外壁上，相邻两个磁化装置壳体(9)通过金属波纹管(10)相连，每个磁化装置壳体(9)内设置有一个磁化环(11)，每个磁化环(11)包括若干钕铁硼磁块，若干钕铁硼磁块组成一组海尔贝克阵列。
7.根据权利要求6所述的一种磁化辅助与气相辅助相结合的雾化装置，其特征在于，内置软管(12)一端设置有前连接螺纹(8)，另一端设置有后连接螺纹(13)；磁化装置(2)和气相辅助雾化喷嘴(1)通过后连接螺纹(13)相连；离心机(5)的出口通过前连接螺纹(8)与磁化装置(2)的入口相连。
8.一种基于权利要求4所述的装置的磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过空压机(4)将压缩气体通入气相辅助雾化喷嘴(1)的进气口(17)，一部分通过曝气孔(18)进入文丘里管式内流道(16)，另一部分气体通过旋流片(19)作用，以气旋流形式从气旋流出口(22)喷出；
2)通过离心机(5)将水通入磁化装置(2)中进行磁化，完成磁化作业，磁化后的水流入气相辅助雾化喷嘴(1)中，流过文丘里管式内流道(16)，通过文丘里管式内流道(16)的渐缩结构增加流速，减小压强，使少量由进气口(17)通入的气体通过若干曝气孔(18)以气泡形式进入水内，形成泡状两相流；泡状两相流通过泡状流出口(21)喷出，实现液体的第一次破碎；破碎后的液滴由步骤1)中气旋流出口(22)喷出的高速旋流气体冲击，完成二次剪切，实现二次破碎。
9.一种根据权利要求8所述的磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法，其特征在于，磁化装置中水流速度恒定为0.2m/s；磁化装置中有效磁场的长度大于100mm，磁化环(11)的气隙直径大于10mm，磁场垂直于水流方向，且强度为170～200mT。
10.一种根据权利要求8所述的磁化辅助与气相辅助相结合的雾化方法，其特征在于，磁化装置中磁场与气相辅助雾化喷嘴(1)的距离为5～15cm。
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