CN114247321A - 一种第一流体喷射混合器及使用该流体喷射混合器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种第一流体喷射混合器及使用该流体喷射混合器的方法，该结构包含基片，至少一个分流件，盖片和固定栓，固定栓通过分别位于基片、分流件和盖片中心的各栓孔将分流件固定在基片和盖片之间，所述基片和盖片具有可重合的外边缘；其中，所述第一流体喷射混合器通过基片固定在运输该第一流体的第一管道的一端，所述基片上分布有至少两个限流孔，分流件包含从分流件的栓孔向外边缘呈辐射状分布的至少两个旋流叶片，相邻的每两个旋流叶片之间形成使第一流体向外边缘流动的导流槽，所述第一管道中的第一流体经各限流孔分别流入各导流槽，并经旋流叶片的引导从外边缘喷出。

Description

一种第一流体喷射混合器及使用该流体喷射混合器的方法

技术领域

本发明涉及一种流体喷射混合器的结构，以及使用该流体喷射混合器将第一流体喷射入第二流体并进行混合的方法。

背景技术

在工业生产中存在将两种或两种以上不同的流体进行混合的需求。例如，在富氧燃烧中，将O₂预先混合入空气或循环利用的烟道气来增加O₂的含量；将臭氧混合入烟道气中与残存的氮氧化物NOx(x为氮氧化物中O与N的原子比例，如NO)反应生成更高价态的氮氧化物，从而有利于湿法洗涤去除氮氧化物；或将不同温度的氮气和天然气等混合，来调整流股的热值和/或温度等。

混合过程一般要求快速、均匀、可控。为了实现这一目标，工业上可使用动态的混合器，例如搅拌装置，也可使用静态的混合器，例如形成涡流的喷射装置。现有技术中，CN101400431B公开了一种混合元件，该设计成盘状的混合元件的入流面相对于大流量气流的流动方向成一角度倾斜地设置，还包括一用于流体流的管状的混入装置，该混入装置在流体出口之前配设一旋流装置，所述大流量气流在混合元件的入流面上形成流动涡流，并且在混合元件的下游与流体流混合。

美国专利5,356,213公开了一种混合两种气体的混合器，该混合器安装在第二种气体管道的端部，它包括向中心缩小的收紧部，连接在收紧部上的辐射状分布的叶片和覆盖在叶片端部的盖布。叶片的布置类似于离心式空气压缩机中叶轮的布置，也就是叶片分别焊接或铆接在收紧部上。第二种气体经收紧部加速后，从中心位置流动至叶片，再沿叶片从外围出口部喷射出。

由上可见，现有技术中的混合器结构比较复杂，往往采用焊接等手段制造，当混合器尺寸较小时，工艺难度更高。同时混合的效果也有待提高。

有鉴于此，如何设计一种改进的流体喷射混合器及混合方法，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

本发明的目的是设计一种新型的流体喷射混合器，该混合器的各主要组成部分可以采用3D打印或激光切割制造，从而在制造和安装过程中都能节省人力和成本。同时还提供使用所述流体喷射混合器的方法，进一步优化混合的速度以及范围。

本发明第一方面公开了一种第一流体喷射混合器的结构，包含基片，至少一个分流件，盖片和固定栓，固定栓通过分别位于基片、分流件和盖片上，较优的在三者中心的各栓孔将分流件固定在基片和盖片之间，所述第一流体喷射混合器具有外边缘；其中，所述第一流体喷射混合器通过基片固定在运输该第一流体的第一管道的一端，所述基片上分布有至少两个限流孔，分流件包含从分流件的栓孔向外边缘呈辐射状分布的至少两个旋流叶片，相邻的每两个旋流叶片之间形成使第一流体向外边缘流动的导流槽，所述第一管道中的第一流体经各限流孔分别流入各导流槽，并经旋流叶片的引导从外边缘喷出。

进一步地，所述旋流叶片为弧线形，且其远离中心的一端不超过外边缘，但与外边缘相交形成交点，该交点处旋流叶片的切线与外边缘切线形成一个夹角，所述夹角的范围在30°～60°。

进一步地，所述限流孔沿基片中心呈中心对称分布，所述限流孔的总面积占基片总面积的20％～70％，较优地占基片总面积的30％～60％。

进一步地，所述旋流叶片的数量等于所述限流孔的数量，所述限流孔均匀地分布在所述旋流叶片之间。

再进一步地，基片、分流件和盖片的相应位置上具有定位孔。

更进一步地，所述的第一流体喷射混合器可包含多于一个分流件，各分流件具有相同或不同的厚度，且各分流件的旋流叶片互相重合。

更进一步地，所述基片和/或分流件和/或盖片采用激光切割或3D打印的方法制造。

本发明的另一方面公开了一种采用如上文所述的第一流体喷射混合器将第一流体喷射入第二流体并进行混合的方法：

a)提供运输第二流体的第二管道，所述第二管道的尺寸大于第一管道的尺寸，

b)将第一管道与基片相固定的一端伸入到第二管道中，且基片所在的平面与第二流体在第二管道中流动的方向大致垂直，

c)将第一流体经第一管道输送入第一流体喷射混合器，并从第一流体喷射混合器的外边缘径向喷出，在第二流体中形成涡流，促进第一流体与第二流体的混合。

进一步地，第一管道与基片相固定的一端为一弯头。

进一步地，第二管道内与第二流体流动方向大致垂直的平面内布置多个第一流体喷射混合器。

更进一步地，所述第一流体可选地包含氧气、富氧空气、臭氧、氮气或它们的混合气。

再进一步地，所述第一流体和/或第二流体可分别为气体或液体。

与现有技术相比，本申请所提供的技术方案具有以下优点：

1.可以采用激光切割、3D打印等技术制造基片，分流件和盖片，提高了制造精度和可重复性，降低了制造难度，减少了制造成本和人力。各部件的安装采用固定栓，十分方便快捷；

2.分流件的设计与常规设计显著不同，避免了焊接叶片的需要，使制造尺寸较小(例如小于DN15)的喷射混合器成为可能；

3.基片上限流孔的设计能够加速进入喷射混合器的第一流体，并将其重新分配，均匀分散。

4.通过选择一个或叠加多个分流件，该喷射混合器可以灵活地适用于不同流量，不同压力的第一流体；

5.按照第二管道的横截面的大小和形状，可以布置一个或多个喷射混合器；

6.计算机模拟显示，本申请的喷射混合器产生的反向涡轮更明显，显著提高混合效果；

7.在喷射氧气、臭氧等反应性气体时，由于高效的混合，在很短时间和距离内，反应性气体的高浓度即会得到稀释，不会对第二管道的管壁产生腐蚀等不良反应。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

图1a-1d为第一流体喷射混合器的主要部件的结构示意图；

图2为安装后的第一流体喷射混合器10沿栓孔方向所作的剖面图；

图3是装有喷射混合器的第一管道安装在运输第二流体的第二管道中的示意图；

图4a-4b为第一流体喷射混合器在不同形状的第二管道中的布置示意图；

图5a-5c是采用计算流体动力学(CFD，computational fluid dynamic)所做的混合过程模拟图。

其中，1-基片，2-分流件，3-盖片，4-栓孔，4-1-基片上的栓孔，4-2-分流件上的栓孔，4-3-盖片上的栓孔，5-限流孔，6-旋流叶片，7-定位孔，7-1-基片上的定位孔，7-2-分流件上的定位孔，7-3-盖片上的定位孔，8-外边缘，8-1-基片的外边缘，8-2-分流件的外边缘，8-3-盖片的外边缘，9-导流槽，10-第一流体喷射混合器，11-固定栓，12-第一管道，12’-弯头，13-涡流，14-第一流体流动方向，15-第二流体流动方向，16-第二管道壁，22-第一流体，25-第一流体扩散范围。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作既包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a、b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a、b和c可以是单个，也可以是多个。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“固定地连接的”或“固定连接”或“非活动地连接的”被理解为指的是在两个或更多结构构件之间的连接不是构造成提供相对运动。一个固定连接的实施例是焊接连结或螺栓连接。“活动地连接”或“活动的”或“移动连接”被理解为指的是在两个或多个结构构件之间的连接，在构件之间允许有相对运动。

在本说明书中描述的“上游”和“下游”是相对于预期的流体(例如第二流体)的流动而加以限定的，上游端对应于最靠近把流体引入到装置的入口的一端，且下游端对应于流体离开装置的出口端。

除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。

如本文所用，“中心轴线”和“轴线”在此处具有相同含义，是指第二管道的旋转轴线、对称轴线或中心线。本文中“中心轴线”的延伸方向可以与第二流体的流动方向平行。如本文所使用的术语“轴向”可以指相对于该中心轴线延伸的方向，术语“径向”、“径向方向”可以指相对于该中心轴线垂直地向外延伸的线的方向或关系。

如本文所用，“径向喷射”指的是将第一流体以基本垂直于第二流体流动方向的角度喷射至第二流体中进行充分混合。

本申请中的第一流体和第二流体皆可选自气体或液体，且既可以只包含单一组分，也可以包含混合物。当第一流体的平均分子量与第二流体的平均分子量差距不大时，例如二者平均分子量的差距小于第二流体的平均分子量的50％时，采用本申请的喷射混合器可以取得较好的混合效果。适用的第一流体/第二流体的组合包括但不限于O₂/空气，O₂/燃烧后烟气，O₃/烟气，N₂/天然气，低温N₂/高温N₂等。

图1a-1d示出了构成本申请的喷射混合器的主要部件的结构示意图，图1a为基片1的结构，其在大致中心处有一个基片栓孔4-1和大致为圆形的外边缘8-1，基片栓孔的内部有与固定栓相匹配的螺纹，在基片表面上开有定位孔7-1。以基片栓孔的中心为对称点，在基片1的表面上分布有呈中心对称的限流孔，限流孔的数量最少为2个，较优地可为6个或8个。限流孔的形状可选择从中心向外边缘扩大的扇形、椭圆形、或其它不规则形状，但各限流孔之间具有一定的距离，不互相联通。限流孔的总面积是基片面积的20％～70％，较优地占基片面积的30％～60％。

图1b为分流件2的结构，其在大致中心处也有一个分流件栓孔4-2。从分流件栓孔4-2向分流件外边缘8-2呈辐射状分布有旋流叶片6，在旋流叶片6上开有定位孔7-2。旋流叶片的数量至少为2个，较优地等于限流孔的数量。两个相邻的旋流叶片之间形成一条导流槽9，由于两个相邻的旋流叶片在靠近分流件栓孔4-2的一端是相连的，进入导流槽9的第一流体沿着弧线形的旋流叶片6向外边缘8-2方向流动，并在喷射出外边缘后形成涡流。

图1c为盖片3的结构，其在大致中心处有一个盖片栓孔4-3和大致为圆形的外边缘8-3，还具有定位孔7-3。

图1d示出了基片1与分流件2在使用时相互叠合的情况。此时，分别设置在基片1和分流件2相对应位置上(例如与中心距离相等)的定位孔7-1与7-2完全重合，并使得每一个限流孔5的全部面积都暴露在分流件相邻的两个旋流叶片6所组成的导流槽9中。所有的限流孔和旋流叶片都以栓孔为中心呈中心对称，且限流孔均匀地分布在每两个相邻的旋流叶片之间。第一流体通过各限流孔分别进入相对应的导流槽，并在各导流槽中沿着旋流叶片的方向从外边缘处离开此喷射混合器。基片与分流件接触面的背面可选择地设置一环形的边，用于焊接到第一管道的端口。较优地，分流件2的外边缘8-2不超过基片1的外边缘8-1，且二者有部分重合。基片的外边缘8-1与盖片的外边缘8-3完全重合，构成第一流体喷射混合器的外边缘。在外边缘为弧形的情况时，旋流叶片6的一端与外边缘8-1相交形成交点，该交点处旋流叶片的切线与外边缘的切线形成一个夹角α，该夹角α的范围在30°～60°。

图2示出了安装后的第一流体喷射混合器10沿栓孔方向所作的剖面图。运输第一流体的第一管道12的一端通过焊接等方式连接到基片1的一面，基片1的另一面与分流件2相接触。基片的面积与第一管道的截面相匹配，当其为圆形时，优选的范围是DN15～DN100。图2中共安装了3个互相接触的形状相同的分流件2，并在最末端安装盖片3。固定栓11将盖片3,3个分流件2和基片1固定在一起。固定栓可选择螺丝，旋紧到基片1的螺纹中。通过完全对齐分别位于基片1，分流件2和盖片3上的定位孔7-1,7-2与7-3，使得安装完毕后3个分流件2相互重合，而且限流孔5与旋流叶片6的相对位置与图1d相符。基片和盖片的外边缘一般形状相同，安装后可以互相重合，形状选自圆形，椭圆形或波浪形。

第一流体喷射混合器的所有组成部件由不锈钢、碳钢、陶瓷、钛金属中的一种或几种制备而成，具体材质的选择取决于喷射混合器使用的环境和条件。基片和盖片的厚度一般在1mm～5mm范围内，单个分流件的厚度一般在2mm～25mm范围内。根据第一流体的流量，调整分流件部分的总厚度，这一总厚度可通过叠加若干个厚度一致或不同的分流件实现。

图3是将带有喷射混合器的第一管道安装在运输第二流体的第二管道中的示意图。第二管道具有管壁16，第二流体在第二管道中沿大致轴向方向流动，其流动方向用箭头15代表。第一管道12通过管壁16上的开口插入第二管道中，二者之间采用法兰等常规方式固定。第二管道连接喷射混合器的一端设置一弯头12’，弯头的朝向与第二流体流动方向15一致，使得固定在弯头上的基面大致垂直于第二流体流动方向。由于当第一流体刚流出弯头时，大部分的流体会集中在弯头的下部，为了使流体的分布更加均匀，现有技术往往在弯头后面接一段直管，然后才安装静态混合装置。但是本发明的限流孔具有分散、均匀流体的效果，因此基片可直接安装在弯头上，避免设置多余的直管，整个装置更加紧凑。

第一流体22沿第一管道12和弯头12’到达喷射混合器10后，沿分流件的导流槽径向喷出，并在第二流体中形成涡流13。第一流体的喷射速度一般大于第二流体的流动速度，随着第二流体的流动，二者充分混合。第一流体在第二流体中流动的方向如箭头14所示。混合的效果受第一流体和第二流体的相对质量以及相对速度影响。

喷射混合器10在第二管道中的布置需要达到使混合迅速、充分地进行的目的。即在很短的时间内，例如0.05秒之内，更优地0.02秒之内，从喷射混合器内喷出的第一流体可以扩散到第二管道的整个径向截面，上述目的可采取不同的手段实现。

例如，第一种情况，根据第二管道的形状、尺寸、两种流体的流量、相对流速、以及喷射混合器入口端与第二管道内的环境压力的压差选择喷射混合器的形状、大小、导流槽数量、分流件厚度等参数，第一流体喷射的压力一般比环境压力高0.49bar～1.47bar(较佳地在0.78bar～0.98bar的范围内)。本领域技术人员可以根据上述已知的工况对喷射混合器的参数进行计算，本发明不意图限制计算方式。如果第二管道的直径与第一管道的直径的比值不大于6，可以在第二管道的大致中心位置安装一个喷射混合器10，例如图4a中，第一流体扩散范围25与第二管道的壁16接近。

例如，第二种情况，作为一种实施方式，在第二管道内可以设置两个或以上的喷射混合器，根据各喷射混合器的入口端的第一流体流量、各喷射混合器入口端与第二管道内的环境压力的压差、反应时间、第一流体在径向方向上所能覆盖的有效截面积，来决定各喷射装置则在第二管道的同一截面处安装多于一个，此处为9个喷射混合器10，每个混合器喷出的第一流体扩散范围25叠加后与第二管道的壁16接近。

图5a-5c是采用计算流体动力学(CFD，computational fluid dynamic)所做的混合过程模拟。使用的软件是ANSYS公司提供的Fluent V182，混合条件为常温常压。被模拟的喷射混合器具有8个中心对称的旋流叶片和8条导流槽，8个限流孔的总面积是基片总面积的30％。第一流体是氧气，第一管道的内径为20mm，第一流体的流量为10Nm3/h，在喷射混合器边缘处的喷射流速为30.0m/s。第二流体是氮气，第二管道的内径为100mm，第二流体的流量为300Nm3/h，流速为12.2m/s。D代表第二管道的内径，x代表显示模拟结果的截面与喷射混合器的距离。图5a-5c中的黑色表示第二管道中不含氧气的部分，正中心的黑色是喷射混合器所在的位置。氧气的浓度用从白到灰的颜色代表，灰色越暗，说明氧气的浓度越低，与第二管道中的氮气混合得越好。图5a中x/D＝0，这一截面位于喷射混合器上，显示出了喷射当时O₂流体的分布情况，此时O₂的浓度是最高的。图5b中x/D＝0.2，即模拟的是喷射混合器下游20mm处的横截面中O₂的分散情况，可以看到明显的涡流，O₂的浓度也大幅度降低。图5c中x/D＝1，即模拟的是喷射混合器下游100mm处的横截面中O₂的分散情况，可以看到混合已基本完成，O₂的浓度在整个第二管道中均匀地分布，且第二管道的管壁不会接触高浓度的O₂，这对于保护第二管道的管壁不被O₂腐蚀格外重要。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (13)

1.一种第一流体喷射混合器(10)，其特征在于：

包含基片(1)，至少一个分流件(2)，盖片(3)和固定栓(11)，固定栓(11)通过分别位于基片(1)、分流件(2)和盖片(3)上的各栓孔(4)将分流件(2)固定在基片(1)和盖片(3)之间，所述第一流体喷射混合器(10)具有外边缘(8)；

其中，所述第一流体喷射混合器(10)通过基片(1)固定在运输该第一流体(22)的第一管道(12)的一端，所述基片(1)上分布有至少两个限流孔(5)，分流件(2)包含从分流件上的栓孔(4-2)向外边缘(8)呈辐射状分布的至少两个旋流叶片(6)，相邻的每两个旋流叶片(6)之间形成使第一流体向外边缘流动的导流槽(9)，所述第一管道(12)中的第一流体(22)经各限流孔(5)分别流入各导流槽(9)，并经旋流叶片(6)的引导从外边缘(8)喷出。

2.如权利要求1所述的第一流体喷射混合器(10)，其特征在于，所述各栓孔(4)分别位于所述基片(1)、分流件(2)和盖片(3)的中心，所述旋流叶片(6)为弧线形，且其远离分流件栓孔的一端不超过外边缘(8)，但与外边缘相交形成交点，该交点处旋流叶片的切线与外边缘的切线形成一个夹角α，所述夹角α的范围在30°～60°。

3.如权利要求2所述的第一流体喷射混合器(10)，其特征在于：所述限流孔(5)沿基片上的栓孔(4-1)呈中心对称分布。

4.如权利要求3所述的第一流体喷射混合器(10)，其特征在于：所述限流孔(5)的总面积占基片(1)总面积的20％～70％，较优地占基片(1)总面积的30％～60％。

5.如权利要求3所述的第一流体喷射混合器(10)，其特征在于：所述旋流叶片(6)的数量等于所述限流孔(5)的数量，所述限流孔(5)均匀地分布在所述旋流叶片(6)之间。

6.如权利要求1所述的第一流体喷射混合器(10)，其特征在于：所述基片(1)、分流件(2)和盖片(3)的相应位置上具有定位孔(7)。

7.如权利要求1所述的第一流体喷射混合器(10)，其特征在于，所述混合器(10)包含多于一个分流件(2)，各分流件(2)具有相同或不同的厚度，且各分流件(2)的旋流叶片(6)互相重合。

8.如权利要求1所述的第一流体喷射混合器(10)，其特征在于，所述基片(1)和/或分流件(2)和/或盖片(3)采用激光切割、3D打印、电弧切割的方法制造。

9.采用如权利要求1-8中任一项所述的第一流体喷射混合器(10)将第一流体(22)喷射入第二流体并进行混合的方法，其特征在于：

a)提供运输第二流体的第二管道，所述第二管道的尺寸大于第一管道(12)的尺寸，

b)将第一管道(12)与基片(1)相固定的一端伸入到第二管道中，且基片(1)所在的平面与第二流体在第二管道中流动的方向大致垂直，

c)将第一流体(22)经第一管道(12)输送入第一流体喷射混合器(10)，并从第一流体喷射混合器(10)的外边缘(8)径向喷出，在第二流体中形成涡流(13)，促进第一流体与第二流体的混合。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一管道(12)与基片(1)相固定的一端为一弯头(12’)。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二管道内与第二流体流动方向大致垂直的平面内布置多个第一流体喷射混合器(10)。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一流体包含氧气、富氧空气、臭氧、氮气中的任意一种或它们的混合气。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一流体和/或第二流体可分别为气体或液体。

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