CN115072828B - 一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，包括：水雾发生装置，用于形成水雾；等离子体发生装置，用于形成等离子体射流；第一介质壁，设有开口末端；其中，等离子体射流在第一介质壁内流动的区域形成第一区域，水雾在第一介质壁内流动的区域形成第二区域，第一区域与第二区域相交的区域为活化区域，等离子体射流与水雾在活化区域内形成气液两相流，其中气相为连续相，液相为分散相。本发明在第一介质壁内，分别形成等离子体射流和水雾，在活化区域内，连续相的等离子体射流与分散相的水雾混合形成气液两相流，等离子体与水雾的活化均匀性更好，活化效率更高，等离子体在喷流过程中直接活化水雾，等离子体射流形成过程稳定。

Description

一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统。

背景技术

大气压冷等离子体可在室温条件下产生大量活性物质，具有非热力消毒作用，同时对环境无害。等离子体活化水是通过在水中或水表面进行大气压冷等离子体放电处理后而获得富含更多种活性成分的水溶液，在杀菌消毒、果蔬保鲜、器械表面去污等多个领域应用效果显著。等离子体活化水雾是等离子体活化水的进阶表现形式，将等离子体活化水以水雾的形式喷出，作用表面积更大，应用范围进一步被拓展。

目前制备等离子体活化水雾的方式，一般是将水雾通入等离子体反应室，在反应室内在生成等离子体，但是由于有水雾的存在，会影响等离子体的放电特性，影响等离子体的稳定性，从而使得等离子体活化水雾的过程不稳定；另外地，也有存在利用等离子体处理完水溶液后生成等离子体活化水后，再将其进行雾化，这种方式提高了处理系统的结构复杂程度，且等离子体活化水雾效率较低。

因此，如何高效可控的形成等离子体活化水雾，在不影响等离子体和水雾各自形成过程的基础上，还能高效地将二者结合活化，是等离子体技术领域中的难题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，以解决现有技术中等离子体活化水雾活性较低、形成过程不可控等问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本申请实施例提供一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，包括：

水雾发生装置，用于形成水雾；

等离子体发生装置，用于形成等离子体射流；

第一介质壁，设有开口末端；

其中，所述等离子体射流在所述第一介质壁内流动的区域形成第一区域，所述水雾在所述第一介质壁内流动的区域形成第二区域，所述第一区域与所述第二区域相交的区域为活化区域，所述等离子体射流与所述水雾在所述活化区域内形成气液两相流，其中气相为连续相，液相为分散相。

在一些实施例中，在所述第一介质壁的外壁面设有磁约束装置，所述磁约束装置被配置为在所述第一区域的至少一部分中形成约束磁场，所述约束磁场用于在所述第一介质壁内形成与所述等离子体射流传播方向平行的轴向磁力线。

在一些实施例中，所述约束磁场的覆盖空间等于所述活化区域。

在一些实施例中，所述等离子体发生装置可改变所述等离子体射流在所述第一介质壁内的流动速度和/或流动长度。

在一些实施例中，所述等离子体射流的射流末端与所述第一介质壁的开口末端平齐。

在一些实施例中，所述水雾发生装置可改变所述第二区域的空间大小。

在一些实施例中，所述磁约束装置包括至少一个磁环线组，所述磁环线组并排布置在与所述活化区域对应的第一介质壁外壁面处。

在一些实施例中，所述水雾发生装置包括储液容器、液压控制模块和第二介质管，所述储液容器通过所述液压控制模块与所述第二介质管连接，所述第二介质管朝向所述第一介质壁开口末端的一端设有喷射部。

在一些实施例中，所述等离子体发生装置包括储气容器、气压控制模块、等离子体发生模块和第一介质管，所述储气容器通过所述气压控制模块与所述第一介质管连接，所述第一介质管与所述第二介质管同轴设置，所述第一介质管的管径大于所述第二介质管的管径，所述第二介质管可相对所述第一介质管作沿轴向方向的线性移动，所述第一介质管的后段管壁组成所述第一介质壁，所述等离子体发生模块用于在所述第一介质管与所述第二介质管之间形成等离子体。

在一些实施例中，所述第二区域呈发散状延伸相交于所述第一区域。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

本申请实施例提供的基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，在第一介质壁内，分别形成等离子体射流和水雾，两者流动相交的区域为活化区域，在活化区域内，连续相的等离子体射流与分散相的水雾混合形成气液两相流，等离子体在喷流过程中直接活化水雾，形成等离子体的放电过程不受水雾影响，等离子体射流形成过程稳定，而且在气液两相流中，等离子体与水雾的活化均匀性更好，活化效率更高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是在一种实施例下一种等离子体活化水雾喷流系统的系统结构示意图。

图2是在另一种实施例下一种等离子体活化水雾喷流系统的系统结构示意图。

图3是作为一种实施方式时等离子体发生模块的结构示意图。

图4是作为另一种实施方式时等离子体发生模块的结构示意图。

图5是作为另一种实施方式时等离子体发生模块的结构示意图。

图6是作为另一种实施方式时等离子体发生模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

发明人发现，在对被处理物进行等离子体射流处理时，由于被处理物的尺寸各异，而等离子体射流的处理截面积只有几平方毫米，在单靠一股等离子体射流的情况下，现有技术无法通过控制其传播的方向和长度等，来适应不同尺寸的被处理物。

鉴于此，参照图1，本实施例提供一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，包括：

水雾发生装置10，用于形成水雾；

等离子体发生装置20，用于形成等离子体射流；

第一介质壁30，设有开口末端31；

需要说明的是，等离子体发生装置20可以在第一介质壁30内形成等离子体射流，也可以在形成等离子体射流后再输送至第一介质壁30内，当然地，水雾发生装置10可以在第一介质壁30内形成水雾，也可以在形成水雾后再输送至第一介质壁30内，将等离子体射流在第一介质壁30内流动的区域定义为第一区域，将水雾在第一介质壁30内流动的区域定义为第二区域，其中第一区域的起始位置比第二区域的起始位置相对于第一介质壁30的开口末端31更远，而第一区域和第二区域的终止位置与第一介质壁30的开口末端31重合，等离子体射流和水雾的形成过程互不影响，各自的形成过程更可控，可以分别调节等离子体射流和水雾的喷流速度、距离、浓度等。

在第一介质壁30内，存在等离子体射流和水雾两种物质同时流动，根据两种物质的流动轨迹，会出现一定的交汇区域，即第一区域与第二区域存在相交的区域，将这一区域定义为活化区域，在进入活化区域之前，等离子体射流是气相，水雾为液相，通过这一活化区域的混合交汇后，形成了一股气液两相流，其中气相为连续相，液相为分散相，分散相均匀分散在连续相中，保证活化均匀性，等离子体射流在喷流的过程中，直接活化水雾，提高活化效率，使得经过气液两相流喷流状态后的等离子体活化水雾，其物性状态更稳定，活化效果更好。

在一些可能的实施例中，在第一介质壁30的外壁面设有磁约束装置50，磁约束装置50被配置为在第一区域的至少一部分中形成约束磁场，约束磁场用于在第一介质壁30内形成与等离子体射流传播方向平行的轴向磁力线，磁约束装置50在通电后，会形成约束磁场，约束磁场所覆盖的区域，其所形成的轴向磁力线的方向与等离子体射流传播方向平行，通过轴向磁力线约束等离子体射流的传播路线，减小等离子体射流与第一介质壁30之间的碰撞复合，减少等离子体的损失，提高等离子体射流活化水雾的效果。

其中，约束磁场的覆盖空间可以包括整个等离子体射流流动的第一区域，优选地，约束磁场的覆盖空间等于活化区域，通过只覆盖活化区域，约束活化区域中等离子体的移动路线，即使在水雾的扩散作用下，等离子体仍能保持与第一介质壁30平行的移动轨迹，避免因为水雾喷射出来后，将等离子体冲击在第一介质壁30面内。

作为一种实施方式，磁约束装置50可以是钕铁硼磁环。

作为另一种实施方式，磁约束装置50包括至少一个磁环线组，磁环线组并排布置在与活化区域对应的第一介质壁30外壁面处，通过多个磁环线组的并排间隔布置，除了形成约束磁场外，还能形成热场，热场能提高等离子体的扩散速度，而且当水雾喷出后，在第一介质壁30内壁处可能形成水膜，利用热场将这部分积累的水膜蒸发，避免壁面积累水太多出现滴水现象，影响正常使用。

优选地，磁环线组是螺旋线圈。

在一些可能的实施例中，在磁环线组的基础上，还可在第一介质壁30外壁面处添加正负电极组，将正负电极组通电后，使得等离子体在所形成的电场中受到垂直于轴向的作用力，由于第一区域涵盖在第二区域之外，为了避免层流，需要将等离子体混入中心部位的第二区域，因此在电场的作用下，等离子体会更好地向中心轴处靠拢，或者形成波动，提高扰动，提高在第二区域中的混合均匀度。

作为一种实施方式，在第二区域中，可设置分散管柱，将水雾分散至四周方向，用分散管柱填充中心区域，迫使水雾向四周扩散，并与在四周射流的等离子体混合。

在本实施例中，等离子体发生装置20可改变等离子体射流在第一介质壁30内的流动速度和/或流动长度，更进一步地，水雾发生装置10也可改变水雾在第一介质壁30内的喷流区域，也即第一区域和第二区域的长度和覆盖范围都可以改变，进而影响活化喷雾的体量和距离，实现对等离子体活化喷雾的剂量、作用距离和效果的有效调控。

优选地，等离子体射流的射流末端与第一介质壁30的开口末端31平齐，因为在第一介质壁30之外，如果等离子体射流过多暴露在大气中，其活性很容易降低，保证射流长度与第一介质壁30的开口末端31平齐，能使在开口末端31之前的活化区域中，等离子体射流和水雾得到充分混合，混合均匀再从开口末端31喷出。

作为一种实施方式，水雾发生装置10包括储液容器11、液压控制模块12和第二介质管13，储液容器11通过液压控制模块12与第二介质管13连接，液压控制模块12为水泵，水泵从储液容器11中抽出自来水，并输入至第二介质管13中，第二介质管13朝向第一介质壁30开口末端31的一端设有喷射部14，通过正压雾化的方式，自来水从喷射部14出来后即变成水雾，通过控制液压控制模块12的转速，调节第二介质管13内的压力，喷射部14可以调节雾化程度。

作为一种实施方式，等离子体发生装置20包括储气容器21、气压控制模块22、等离子体发生模块23和第一介质管24，储气容器21通过气压控制模块22与第一介质管24连接，气压控制模块22为气泵或质量流量控制器，在储气容器21内的工作气体可以是氦气、氩气等惰性气体，也可以为氮气、空气等气体组分，利用气压控制模块22将储气容器21内的工作气体抽出并输送至第一介质管24内，并且可以通过对气体流量的控制，影响射流距离和长度。

第一介质管24与第二介质管13同轴设置，第一介质管24的管径大于第二介质管13的管径，第二介质管13可相对第一介质管24作沿轴向方向的线性移动，但是第二介质管13与第一介质管24之间保持密封，手持第一介质管24，通过推拉第二介质管13，可以影响喷雾效果，第一介质管24的后段管壁组成第一介质壁30，等离子体发生模块23用于在第一介质管24与第二介质管13之间形成等离子体，通过大管套小管的方式，在第二介质管13内流动自来水，并在其出口处形成水雾，在第二介质管13的出口之前，在第一介质管24与第二介质管13之间，通过等离子体发生模块23的作用，在工作气体中形成等离子体，并在工作气体的流动下形成等离子体射流，将两个主要物质的形成区相隔离，互不影响，而且在生产之后，再在活化区域中进行混合。

更进一步地，第一介质管24和第二介质管13为绝缘介质，第二介质管13中的液体保持地电位，所以储液容器11和/或液压控制模块12的至少一个部位接地。

优选地，第二区域呈发散状延伸相交于第一区域，即水雾的扩散方向不是平行于第二介质管13，而是在第二介质管13的出口处呈一定角度向外发散，以便加大水雾的扩散角度，避免活化不均匀。

其中，对于等离子体发生模块23的形式，至少存在以下几种实施方式：

结合图1，作为一种实施方式，等离子体发生模块23包括电源25和金属铜片环电极26，金属铜片环电极26紧密贴合在第一介质管24的外壁，金属铜片环电极26与电源25连接。

结合图3，作为另一种实施方式，等离子体发生模块23包括电源25和若干根金属棒状电极27，金属棒状电极27插入在第一介质管24和第二介质管13之间，金属棒状电极27在通电后，在这一间隙内形成等离子体。

结合图4，作为再一种实施方式，等离子体发生模块23包括电源25和金属线圈28，金属线圈28紧密缠绕在第二介质管13的外部，金属线圈28在通电后，在第一介质管24和第二介质管13之间形成等离子体。

其中，电源25可以是脉冲电源、交流电源等多种成品电源，也可以是蓄电池加逆变、升压电路，用于输出连续稳态高电压，通过调节电源25参数(如电压、功率、频率等)也可以控制等离子体射流的长度。

当然地，也可以是以上各种实施方式的结合，例如结合图5，在金属铜片环电极26的基础上再加设一个金属棒状电极27，会在空间上更均匀地生成等离子体，且浓度可调，优化使用效果，或者使用例如图6所示的结构，在金属铜片环电极26的基础上再加设一个金属线圈28，也能达到同样的效果。

实施例1：

结合图1，在本实施例1中，第一介质管24和第二介质管13都为石英介质管，第一介质管24的内径为9mm外径为11mm，第二介质管13的内径为3mm，外径为5mm，第二介质管13置于第一介质管24的中轴线位置；储气容器21中气体为氦气，气压控制模块22为质量流量控制器，控制氦气以3L/min的流速通过第一介质管24；等离子体发生模块23为金属铜片环电极26紧密贴合在第一介质管24的外部，连接电源25；电源25为正弦电源，输出电压为6kV；在以上实验参数下，第一介质管24内可产生均匀稳定的氦气等离子体射流；

储液容器11内的水溶液为自来水，通过液压控制模块12进入第二介质管13，经过喷射部14变成水雾；在本实施例中液压控制模块12为水泵；水雾喷出即与氦气等离子体射流均匀混合，在气管末端完成等离子体活化水雾的过程；在本实施例中，第一介质管24末端喷口比喷射部14长5mm，磁约束装置50为钕铁硼磁环，高度同样为5mm，氦气等离子体射流与水雾混合后，其长度刚好与第一介质管24末端平齐；等离子体活化后的水雾喷出第一介质管24末端喷口后，可以继续在氦气气流的带动下向前喷射，喷射距离可以达到1.5至2.5m；

等离子体射流在气管内直接活化水雾，满足放电稳定性的同时大幅提高了等离子体活化效率和均匀性，水雾活性更高；通过气压和液压可进一步控制喷雾体量和喷雾距离，实现等离子体活化喷雾剂量、作用距离和作用效果的有效调控；

以上特性使得等离子体活化水雾在物体表面杀菌消毒或空气净化领域的应用效果更为显著。

实施例2：

结合图2，在本实施例2中，等离子体发生模块23在单独一个空间生成等离子体，然后再通过气压控制模块22将等离子体放电的尾气通入第一介质管24内，使放电尾气与水雾充分结合，完成等离子体活化水雾的过程，这种方式有利于便携，将等离子体发生装置20的发生等离子体部分放置在一侧，手持水雾发生装置10和第一介质管24，第一介质管24与等离子体发生模块23通过气管连接，实现在较远位置形成等离子体，并在较近位置产生水雾和经历活化过程。

相对于现有技术，上述实施例提供一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，在第一介质壁30内，分别形成等离子体射流和水雾，两者流动相交的区域为活化区域，在活化区域内，连续相的等离子体射流与分散相的水雾混合形成气液两相流，等离子体在喷流过程中直接活化水雾，形成等离子体的放电过程不受水雾影响，等离子体射流形成过程稳定，而且在气液两相流中，等离子体与水雾的活化均匀性更好，活化效率更高。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，其特征在于，包括：

水雾发生装置，用于形成水雾，包括储液容器、液压控制模块和第二介质管，所述储液容器通过所述液压控制模块与所述第二介质管连接，所述第二介质管朝向第一介质壁开口末端的一端设有喷射部；

等离子体发生装置，用于形成等离子体射流，包括储气容器、气压控制模块、等离子体发生模块和第一介质管，所述储气容器通过所述气压控制模块与所述第一介质管连接，所述第一介质管与所述第二介质管同轴设置，所述第一介质管的管径大于所述第二介质管的管径，所述第二介质管可相对所述第一介质管作沿轴向方向的线性移动，所述第一介质管的后段管壁组成第一介质壁，所述等离子体发生模块用于在所述第一介质管与所述第二介质管之间形成等离子体；

第一介质壁，设有开口末端；

其中，所述等离子体射流在所述第一介质壁内流动的区域形成第一区域，所述水雾在所述第一介质壁内流动的区域形成第二区域，所述第一区域与所述第二区域相交的区域为活化区域，所述等离子体射流与所述水雾在所述活化区域内形成气液两相流，其中气相为连续相，液相为分散相；

在所述第一介质壁的外壁面设有磁约束装置，所述磁约束装置被配置为在所述第一区域的至少一部分中形成约束磁场，所述约束磁场用于在所述第一介质壁内形成与所述等离子体射流传播方向平行的轴向磁力线；

所述磁约束装置包括至少一个磁环线组，所述磁环线组并排布置在与所述活化区域对应的第一介质壁外壁面处，所述磁环线组用于形成约束磁场和热场；所述约束磁场的覆盖空间等于所述活化区域。

2.如权利要求1所述的一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，其特征在于，所述等离子体发生装置可改变所述等离子体射流在所述第一介质壁内的流动速度和/或流动长度。

3.如权利要求2所述的一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，其特征在于，所述等离子体射流的射流末端与所述第一介质壁的开口末端平齐。

4.如权利要求1所述的一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，其特征在于，所述水雾发生装置可改变所述第二区域的空间大小。

5.如权利要求1所述的一种基于气液两相流的等离子体活化水雾喷流系统，其特征在于，所述第二区域呈发散状延伸相交于所述第一区域。