CN205383929U - 一种涡旋波流发生器 - Google Patents

Abstract

一种涡旋波流发生器，其特征是所述涡旋波流发生器包括中心控制轴调整模块、流量计、PLC模块及同轴的始端固定模块、管道固定模块、管道、中心控制轴、可伸缩式叶片和末端固定模块，以管道中流体流动方向确定始端与末端，所述中心控制轴表面具有螺纹，所述可伸缩式叶片由层叠的环形叶片单元组成；所述管道的始端与末端分别采用管道固定模块固定并通过管道固定模块与始端固定模块和末端固定模块固定连接，所述中心控制轴插入管道中，中心控制轴的两端分别穿过管道固定模块后插入始端固定模块和末端固定模块，所述中心轴控制模块位于始端固定模块端部的外部，中心轴控制轴模块分别与中心控制轴端部和PLC模块连接。

Description

一种涡旋波流发生器

技术领域

本实用新型的技术方案覆盖传质传热领域，具体地说是一种涡旋波流发生器。

背景技术

目前能源、石油、化工，环境等领域中传热传质的问题逐渐受到重视。涡旋波流动是一种低雷诺数条件下的特殊流动现象，在热能，化工及环境工程领域常常会涉及到低雷诺数流动。在涡旋波流中，由于其雷诺数低，粘性力在其中占主导地位，产生的边界层分离现象可以有效地提高传质传热效率，其在流动过程中产生的剪应力小，速度低，但涡量场强度非常高，不仅增强了液体的传热传质效率，并且节省了能耗。

中国专利文献200710129298公开了一种涡旋流体机，由固定在管道上的定涡片和动涡片组成，利用固定在管道上的定涡片和中心的动涡片，水流延管壁上固定的定涡片留下，动涡片则反向于水流旋转，产生特定的涡旋流，增强传质传热，为防止水流延动涡片旋转，还设置有防止自身旋转模块，所述防止自身旋转模块包括一对支撑件，其中的一个支撑件设置在轨道运动侧，另一个支撑件设置在外壳内。轨道运动侧上的支撑件包括轴承、用于支撑轴承的支撑板和多个耳状件。至少一个耳状件设置在穿过围绕动涡盘中心的支撑件中心的圆内。该设备虽然可产生稳定的涡旋流，但应用领域只针对于涡旋式真空泵和涡旋式压缩机，并未涉及传热传质领域，且设备复杂，不宜应用于传质传热领域。

中国专利文献200820152687公开了一种低能耗涡旋流膜生物反应器，涉及水、废水或污水的物理处理和生物处理，由循环水箱、蠕动往复型循环水泵、膜组件、膜支架、生物反应器、控制阀、连通管、过滤网、压力表和出水口组成。该发明低能耗涡旋流膜生物反应器运行过程中的特点：水流在膜组件内形成低雷诺数下的涡旋流状态，克服了传统膜生物反应器所要求的水流在膜组件内高雷诺数下高流速带来的高能耗缺点。但是该设备形成涡旋流的技术工艺复杂，在不同的流量下需要设计不同规格螺旋管的结构形式以及调整液流进入管内流动的脉冲频率，才可以在管内形成涡旋波流，并且管内形成的涡旋波流容易受到外界扰动而破坏，即管内形成的涡旋波流态不稳定。

基于上述现有设备的缺陷，提供一种结构简单、产生涡旋波流稳定且不易产生湍流的涡旋波流发生器成为现有技术中亟待解决的问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案是

提供一种涡旋波流发生器，其特征是所述涡旋波流发生器包括中心控制轴调整模块、流量计、PLC模块及同轴的始端固定模块、管道固定模块、管道、中心控制轴、可伸缩式叶片和末端固定模块，以管道中流体流动方向确定始端与末端，

所述中心控制轴表面具有螺纹，

所述可伸缩式叶片由层叠的环形叶片单元组成，所述环形叶片单元由外圆边缘柔性连接的圆环形状相同的无窗圆环叶片和开窗圆环叶片组成，无窗圆环叶片的圆环面封闭，开窗圆环叶片的圆环表面具有窗孔，所述窗孔面积至少为开窗圆环叶片的圆环总面积的55％，相邻环形叶片单元之间通过无窗环形叶片与开窗环形叶片的内圆边缘柔性连接，所述无窗圆环叶片和开窗圆环叶片统称圆环叶片，圆环叶片的外径与管道内径之比为0.9～1，圆环叶片的内径与管道内径之比为0.25～0.4；

所述管道的始端与末端分别采用管道固定模块固定并通过管道固定模块与始端固定模块和末端固定模块固定连接，所述中心控制轴插入管道中，中心控制轴的两端分别穿过管道固定模块后插入始端固定模块和末端固定模块，所述中心轴控制模块位于始端固定模块端部的外部，中心轴控制轴模块分别与中心控制轴端部和PLC模块连接，PLC模块通过中心控制轴模块控制中心控制轴旋转。流体经过始端固定模块进入管道后再经末端固定模块流出，流量计用于检测通过管道的流体流量；

所述可伸缩叶片嵌套在中心控制轴外表面，中心控制轴垂直穿过所有环形叶片单元的圆心，可伸缩叶片的一端固定在在管道末端的管道固定模块内表面，另一端通过螺纹连接件连接在中心控制轴上，当中心控制轴旋转时，螺纹连接件沿中心控制轴的轴向运动，带动可伸缩叶片沿中心控制轴伸缩，可伸缩叶片的无窗环形叶片朝向管道始端，开窗环形叶片朝向管道末端。

所述的一种涡旋波流发生器，其特征是优选窗孔为与开窗圆环叶片同心的扇环窗孔。

所述的一种涡旋波流发生器，其特征是管道固定模块为具有通水口的法兰盘，管道两端的管道固定模块之间采用整体结构支撑钢板3于管道外连接固定，所述始端固定模块为管道腔，管道腔侧面具有进水口，管道腔的一端采用具有通水口的法兰盘与管道固定模块密封连接，另一端采用具有中心孔的法兰盘与中心轴控制模块密封连接，插入始端固定模块的中心控制轴端部通过防水轴承安装在中心孔中，所述中心轴控制模块包括用于驱动中心控制轴旋转的电动机，所述PLC模块通过控制电动机来控制中心控制轴的旋转，所述流量计安装在始端固定模块连接的进水管路上；

所述末端固定模块为管道腔，末端端固定模块的管道腔一端采用具有通水口的法兰盘与管道固定模块连接，另一端采用具有中心孔和通水口的法兰盘，插入末端固定模块的中心控制轴端部通过轴承安装在中心孔中。

本实用新型的有益效果是：

Ⅰ.本实用新型新型涡旋波流发生器的工作原理

当流体遇到障碍物后，会在其后方形成涡旋波流，这种涡旋波流动形式是一种特殊的边界层分离现象，可以减小边界层厚度，提高膜表面的对流传输,达到在层流状态下强化传热传质效果的目的，可解决浓差极化等多种由边界层导致的阻碍两相之间传热传质的问题，并且相对于传统增强传热传质方法，既降低了系统运行能耗，又降低了系统建设，运行和维护的成本。

当液体流过可伸缩式叶片，由于叶片的阻碍作用，会在叶片的后方形成涡旋波流，在液体流速不同的情况下，通过旋转中心控制轴以改变每组叶片间距及夹角，来控制叶片相对于液体的阻碍面积及阻碍夹角，使液体在叶片后方形成稳定的涡旋波流，以此在管路中形成稳定的涡旋流场。

Ⅱ.本实用新型新型涡旋波流发生器的优点

(1)本实用新型的新型涡旋波流发生器突破了传统提高传热传质的理念，没有从增加流速，增强机械搅拌，改变材料性能等方面来考虑提高传热传质效率。而是直接从弱化两相之间膜阻力，利用涡旋波流这种特殊的边界层分离现象，减小边界层厚度，以提高两相之间的传质传热性能的方面进行考虑，从根本上解决了由于两相之间膜阻力导致的传质传热系数低的问题。

(2)本实用新型新型涡旋波流发生器，通过旋转中心控制轴从而改变可伸缩式叶片每个叶片之间的间距宽度，实现了管道内流体流能够在较低雷诺数下形成稳定的涡旋波流，利用涡旋波流强化了传热传质效果，从而使运行能耗大大降低。

(3)本实用新型新型涡旋波流发生器，安装简便，只需将发生器伸入所需管道，然后将设备固定于管道之上，便可在管道内产生稳定的涡旋波流，节省了改建管道所消耗的费用。

(4)本实用新型新型涡旋波流发生器，产生的涡旋波流经过PIV(particleimagevelocimetry)验证，在不同的流速下能保持涡旋波流稳定，避免了由于叶片阻碍力度过大，而使涡旋波流变为湍流的可能性，从而保证了液体传热传质的稳定性，降低了能耗。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型实施例提供的涡旋波流发生器的整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的涡旋波流发生器的环形叶片单元的无窗圆环叶片示意图

图3是本实用新型实施例提供的涡旋波流发生器的环形叶片单元的开窗圆环叶片示意图

图中，1、始端固定模块；2、管道固定模块；3、整体结构支撑钢板；4、管道；5、可伸缩式叶片，501、无窗环形叶片、502、开窗圆环叶片，503、窗孔；6、末端固定模块；7、中心控制轴；8、中心轴控制模块；9、流量计；10、PLC。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本实用新型技术方案

本实用新型提供的本实用新型涡旋波流发生器包括中心控制轴调整模块8、流量计9、PLC模块10及同轴的始端固定模块1、管道固定模块2、管道4、中心控制轴7、可伸缩式叶片5和末端固定模块6，

以管道中流体流动方向确定始端与末端，

所述中心控制轴表面具有螺纹，

所述可伸缩式叶片由层叠的环形叶片单元组成，所述环形叶片单元由外圆边缘柔性连接的圆环形状相同的无窗圆环叶片501和开窗圆环叶片502组成，无窗圆环叶片的圆环面封闭，开窗圆环叶片的圆环表面具有窗孔503，所述窗孔面积至少为开窗圆环叶片的圆环总面积的55％，优选窗孔为与开窗圆环叶片同心的扇环窗孔。

所述相邻环形叶片单元之间通过无窗环形叶片与开窗环形叶片的内圆边缘柔性连接。

所述无窗圆环叶片和开窗圆环叶片统称圆环叶片，圆环叶片的外径与管道内径之比为0.9～1，圆环叶片的内径与管道内径之比为0.25～0.4。

所述管道的始端与末端分别采用管道固定模块固定并通过管道固定模块与始端固定模块和末端固定模块固定连接，所述中心控制轴插入管道中，中心控制轴的两端分别穿过管道固定模块后插入始端固定模块和末端固定模块，所述中心轴控制模块位于始端固定模块端部的外部，中心轴控制轴模块分别于中心控制轴端部和PLC模块连接，PLC模块通过中心控制轴模块控制中心控制轴旋转。所述始端固定模块和末端固定模块分别具有进水口和出水口，流量计用于检测通过管道的流体流量。

所述可伸缩叶片嵌套在中心控制轴外表面，中心控制轴垂直穿过所有环形叶片单元的圆心，可伸缩叶片的一端固定在在管道末端的管道固定模块内表面，另一端通过螺纹连接件连接在中心控制轴上，当中心控制轴旋转时，螺纹连接件沿中心控制轴的轴向运动，带动可伸缩叶片沿中心控制轴伸缩，可伸缩叶片的无窗环形叶片朝向管道始端，开窗环形叶片朝向管道末端

实施例

本实施例中，管道固定模块为具有通水口的法兰盘，管道两端的管道固定模块之间采用整体结构支撑钢板3于管道外连接固定，所述始端固定模块为管道腔，管道腔侧面具有进水口，管道腔的一端采用具有通水口的法兰盘与管道固定模块密封连接，另一端采用具有中心孔的法兰盘与中心轴控制模块密封连接，插入始端固定模块的中心控制轴端部通过防水轴承安装在中心孔中，所述中心轴控制模块包括用于驱动中心控制轴旋转的电动机，所述PLC模块通过控制电动机来控制中心控制轴的旋转。所述流量计安装在始端固定模块连接的进水管路上，流量计测得的流量数据以电信号传输至PLC模块。

所述末端固定模块为管道腔，末端端固定模块的管道腔一端采用具有通水口的法兰盘与管道固定模块密封连接，另一端采用具有中心孔和通水口的法兰盘，插入末端固定模块的中心控制轴端部通过轴承安装在中心孔中。

本实施例中，圆环叶片的外径与管道内径相同，圆环叶片内径与外径之比为0.33，所述窗孔面积为开窗圆环叶片的圆环总面积的60％，通过PLC模块以电信号控制中心轴控制模块中的电动机的旋转并控制可伸缩叶片伸缩，以调节无窗圆环叶片和开窗圆环叶片的张角实现涡旋波流。通过涡旋波流发生器的流体为水，流体从进水管路经流量计流入，并从末端固定模块端部的法兰盘的通水口中流出。

实施例提供的涡旋波流发生器的整体结构示意图如图1所示，所述环形叶片单元的无窗圆环叶片和开窗圆环叶片示意图分别如图2～3所示。

本实施例提供的涡旋波流发生器，当将管道内的水流流速控制在在0.05～0.5m/s的范围内时，通过调整中心控制轴调整模块，使可伸缩式叶片的叶片夹角在60°～100°之间改变，水流速度每增大0.045m/s，可伸缩式叶片的夹角增大4°，可保持管道内流体流形成稳定的涡旋波流。产生的涡旋波流经过PIV(particleimagevelocimetry)验证，在规定的流速区间能保持产生稳定的涡旋波流，管道内的雷诺数Re在350-750之间变化，避免了由于叶片阻碍力度过大，而使涡旋波流变为湍流的可能性，从而保证了液体传热传质的稳定性，降低了能耗。

Claims (3)

1.一种涡旋波流发生器，其特征是所述涡旋波流发生器包括中心控制轴调整模块、流量计、PLC模块及同轴的始端固定模块、管道固定模块、管道、中心控制轴、可伸缩式叶片和末端固定模块，以管道中流体流动方向确定始端与末端，

所述中心控制轴表面具有螺纹，

所述可伸缩式叶片由层叠的环形叶片单元组成，所述环形叶片单元由外圆边缘柔性连接的圆环形状相同的无窗圆环叶片和开窗圆环叶片组成，无窗圆环叶片的圆环面封闭，开窗圆环叶片的圆环表面具有窗孔，所述窗孔面积至少为开窗圆环叶片的圆环总面积的55％，相邻环形叶片单元之间通过无窗环形叶片与开窗环形叶片的内圆边缘柔性连接，所述无窗圆环叶片和开窗圆环叶片统称圆环叶片，圆环叶片的外径与管道内径之比为0.9～1，圆环叶片的内径与管道内径之比为0.25～0.4；

所述管道的始端与末端分别采用管道固定模块固定并通过管道固定模块与始端固定模块和末端固定模块固定连接，所述中心控制轴插入管道中，中心控制轴的两端分别穿过管道固定模块后插入始端固定模块和末端固定模块，所述中心轴控制模块位于始端固定模块端部的外部，中心轴控制轴模块分别与中心控制轴端部和PLC模块连接，PLC模块通过中心控制轴模块控制中心控制轴旋转，流体经过始端固定模块进入管道后再经末端固定模块流出，流量计用于检测通过管道的流体流量；

所述可伸缩叶片嵌套在中心控制轴外表面，中心控制轴垂直穿过所有环形叶片单元的圆心，可伸缩叶片的一端固定在在管道末端的管道固定模块内表面，另一端通过螺纹连接件连接在中心控制轴上，当中心控制轴旋转时，螺纹连接件沿中心控制轴的轴向运动，带动可伸缩叶片沿中心控制轴伸缩，可伸缩叶片的无窗环形叶片朝向管道始端，开窗环形叶片朝向管道末端。

2.如权利要求1所述的一种涡旋波流发生器，其特征是优选窗孔为与开窗圆环叶片同心的扇环窗孔。

3.如权利要求1或2所述的一种涡旋波流发生器，其特征是管道固定模块为具有通水口的法兰盘，管道两端的管道固定模块之间采用整体结构支撑钢板于管道外连接固定，所述始端固定模块为管道腔，管道腔侧面具有进水口，管道腔的一端采用具有通水口的法兰盘与管道固定模块密封连接，另一端采用具有中心孔的法兰盘与中心轴控制模块密封连接，插入始端固定模块的中心控制轴端部通过防水轴承安装在中心孔中，所述中心轴控制模块包括用于驱动中心控制轴旋转的电动机，所述PLC模块通过控制电动机来控制中心控制轴的旋转，所述流量计安装在始端固定模块连接的进水管路上；

所述末端固定模块为管道腔，末端端固定模块的管道腔一端采用具有通水口的法兰盘与管道固定模块连接，另一端采用具有中心孔和通水口的法兰盘，插入末端固定模块的中心控制轴端部通过轴承安装在中心孔中。