CN207342352U - 一种涡式除雾装置 - Google Patents

Abstract

一种涡式除雾装置，其利用一种涡状结构离心去除气流中的细小液滴的装置，本装置由一组层叠放置的流道臂构成，流道臂之间的缝隙为涡状流道，涡状流道的剖面为涡面，涡面边界为两条等长同原点有夹角的等角螺线弧；含细小液滴的气流通过涡状流道时涡旋前进，过流断面渐进缩窄，压强减小，流速增加，气流受流道约束沿涡线做变速圆周运动，涡线上曲率渐次增加，不同粒径的细小液滴按各自对应的气体阻力平衡半径做变速圆周运动，经过涡线上的曲率变化点时被分离，气流继续通过流道，细小液滴被甩至流道内壁富集成液膜，液膜因重力流至底部排出。

Description

一种涡式除雾装置

技术领域

本实用新型涉及一种涡式除雾装置，特别是涉及到利用一种涡状流道离心去除气流中的细小液滴的发明，去除气流中的细小液滴也称除雾。

背景技术

目前除雾的方法很多，较为常用的除雾装置有惯性式、折流板式、旋流板式、旋风式、重力沉降式、电分离式、纤维丝网式除雾装置等。各种除雾装置的操作原理不尽相同，分别适用于不同的粒径范围。

１．惯性式除雾装置，比较常见惯性式除雾装置是依靠改变气流的速度与方向，使被携带的密度较大的液滴由于惯性作用附着在装置壁上集结后，靠重力流回。惯性式除雾装置主要是依靠惯性碰撞和直接拦截机理达到气液分离的。这种除雾装置由于结构简单、处理量大，因此它在除雾装置的发展初期被广泛的采用。但是由于它本身的结构所致，惯性式除雾装置所能分离的液滴直径比较大，不适合一些要求很高的场合。

２．折流板式除雾装置，折流板式除雾装置属于惯性式除雾装置，它是利用液滴与固体表面碰撞而将雾沫凝聚并捕集的，通过许多并联的曲折通道，液滴在曲折通道的垂直壁面以及设在曲折处的陷阱中集结后，顺壁下流，得以分离出来。由于液滴与壁面的碰撞机会多，分离效率较高，而气流的压降较小。

３．旋流板式除雾装置，旋流板式除雾装置是一种典型的基于离心分离原理的气液分离器，旋流板由许多按一定仰角倾斜的叶片放置一圈，当气体穿过叶片间隙时就成为旋转气流，气流中夹带的液滴在惯性的作用下以一定的仰角射出而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，从而达到气液分离的目的。

４．旋风式除雾装置主要利用离心分离的原理进行除雾，含有液滴的气体在一定速度下以切向进入旋风分离装置依靠离心力的作用将液滴甩向筒壁，这时气液发生分离，气流沿顶部中心开口流出，而液滴则受顶部挡水板的作用返回。这种形式的除雾装置用于除雾效率较高，处理量大，因而应用较广。但阻力降往往较大，且需要占用一定的空间，设备费用也较高。

５．重力沉降除雾装置在气体流道上设置膨大部分，气体流速降低后，雾滴在重力作用下沉降去除。重力沉降除雾装置构造简单可靠，但体积巨大，且只能用于去除大尺度雾滴。

６．电分离装置在气体流道两侧设置高压静电电极，形成电场，气体从电场中流过，带有电荷的液滴受电场作用，被电极分离。电分离装置效率较高，可以去除小尺度液滴，但对液滴的介电常数有一定要求。此外，民用场合，高压电具备一定危险。

７．纤维丝网式除雾装置采用纤维在一定厚度的空间内形成多重大孔径滤网构造，单重滤网对液滴捕获效率较低，多重构造理论上可以获得任意高去除率。实际上典型的纤维丝网分离装置厚度一般在100mm以上，对细小液滴的去除率一般大于99.7%，压力损失一般在200—1000Pa范围。对于细小液滴含量较高的气体，纤维丝网分离装置阻力通常有所增加。如果液滴不洁净，长期使用后，纤维丝网也存在堵塞或结垢的风险。

以上除雾技术对于充分去除粒径微米级的细小液滴，例如直径5微米以下细小液滴需缩小流道间距或孔径、增加分离捕获单元、增加流速，这样同时阻力增加、雷诺数减小，雷诺数小于2300时形成层流夹带，反而加大了去除难度。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积紧凑、重量小、压降低、效率高、处理量大、使用范围广、分离质量要求高的场合可以充分去除细小液滴的除雾装置。

本实用新型所采用的技术方案是：本装置由一组层叠放置的流道臂（6）构成，流道臂之间的缝隙为涡状流道(5)，涡状流道的剖面为涡面，流道臂周围用框架(7)或用开口盖（20）和底板（21）固定，使用时竖直或水平固定于气流通道中，装置周边密封，使气流经周围缝隙按气流方向（8）进入，从在流道臂中间空间汇集后经顶层环口（25）或开口盖开口（26）按气流方向（23）流出；流道臂可制成环形、横条形、竖条形，一组环形流道臂层叠形状可成半球状、桶状、锥状、圆台状、半圆状，一组横条形流道臂层叠形状可成板状、梯台状，一组竖条形流道臂层叠形状可成板状、桶状、锥状、半圆状；涡状流道内两侧壁水平剖面（即涡面边界）为同原点（O）的两条等长等角螺线（也称对数螺线）弧，两弧夹角为θ，其中的一条弧(9)沿原点旋转角度θ后可以与另一条弧（10）重合；在极坐标中，等角螺线的方程是：ρ=αe^(φk)，其中：α和k为常数，φ是极角，ρ是极径，e是自然对数的底，此方案中极点即是原点，极径ρ用p代替以区别于密度ρ；等角β为一条等角螺线弧上两相邻极径（p_n与p_n+1）的夹角，等角β=π/ M (M 为等角个数，M≥2)，等角螺线弧两端点极角即两端点极径（p₁与p_n+1）的夹角φ= Mβ（φ≤π），X= e^(βk)则lnX=βk（X>0 且X≠1，当X>1时，等角螺线旋转方向曲率为渐小；当X﹤1时，等角螺线旋转方向曲率为渐大）；等角β对应等角螺线上弧n（n为弧的条数，n≥1）的圆周角等于β，弧n的曲率半径为R_n，当X>1时R_n=[（Xp - pcosβ）^2+（psinβ）^2] ^(1/2)/[2sin(β/2)]，当X﹤1时R_n=[（p-Xpcosβ）^2+（Xpsinβ）^2] ^(1/2)/[2sin(β/2)]，相邻弧为等角弧，相邻弧的曲率半径为XR_n；两条等长等角螺线弧的同原点夹角θ=2π/N(N取斐波那契数列中一项，且N≥3)；等角螺线的特性是相邻两等角弧n和弧n+1连接点共切线、共法线，曲率变化时角速度变化，而线速度不变。等角螺线弧符合涡线定义，流道内两侧壁水平投影均为涡线，流道为涡状，根据涡线保持定理，理想、正压流体若质量力有势，则在某一时刻组成涡线的流体质点在此以前或以后的任何时刻永远组成涡线。经过流道的气流流线均为涡线，流道内涡线保持。根据涡面保持定理，理想、正压流体若外力有势，则在某一时刻组成涡面的流体质点在此以前或以后的任何时刻永远组成涡面。流道内涡线组成涡面，流道内涡面保持。

计算等角螺线弧中的等角β、弧n的曲率半径R_n、弧n的极径p_n和p_n+1，等角螺线的方程为p_n= p_n+1e^(βk)；计算等角螺线弧两端点极角φ和两端点极径p₁与p_n+1，等角螺线的方程为p₁= p _n+1e^(φk)。

例1：设M=2，X=1.618，N=5，则β=π/2，k= lnX/β=0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/5，R₁=1.345p₁，R₂=1.618R₁=2.176 p₁，该流道内两侧壁的等角螺线弧为黄金螺线弧，黄金螺线弧两端极径比p₁：p_n+1=1：2.618，其螺线旋转方向曲率渐小，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为1:1.618，等角度为90°，极角180°，流道内两侧壁夹角为72°，流道内的气流流线均为黄金涡线。

例2：设M=2，X=0.618，N=13，则β=π/2，k= lnX/β=（–）0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/13，R₁=0.831p₁，R₂=0.618 R₁=0.514p₁；R₁=10mm，R₂=6.18 mm，p₁=12.034mm，p₂=7.437 mm，p₃=4.596 mm该流道内两侧壁的等角螺线弧为黄金螺线弧，黄金螺线弧两端极径比p₁：p_n+1 =1:0.382，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为1: 0.618，等角度为90°，极角180°，流道两壁夹角为27.69°，流道内的气流流线均为黄金涡线，例2与例1螺线旋转方向相反。

例3：设M=6，X=2，N=8，则β=π/6，k= lnX/β=1.32381359，φ=6β=π，θ=2π/8，R₁=2.394p₁，R₂=2R₁=4.788p₁，R₃=2R₂=9.576p₁，R₄=2R₃=19.152p₁，R₅=2R₄=38.304p₁，R₆=2R₅=76.608 p₁，该流道内两侧壁的等角螺线弧为6个等角度30°弧n相连，两端极径比p₁：p_n+1=1：64，其螺线旋转方向曲率渐小，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为1: 2，等角度为30°，极角180°，流道两壁夹角为45°，流道内的气流流线均为涡线。

例4：设M=6，X=1/2，N=13，则β=π/6，k= lnX/β=（–）1.32381359，φ=4β=2π/3，θ=2π/13，R₁=1.197 p₁，R₂=（1/2）R₁=0.599 p₁，R₃=（1/2）R₂=0.300 p₁，R₄=（1/2）R₃=0.150 p₁； n=4，R₁=10mm， R₂=（1/2）R₁=5 mm，R₃=（1/2）R₂=2.5 mm，R₄=（1/2）R₃= 1.25mm，p₁=8.354 mm ，p₂=4.177 mm，p₃=2.088 mm，p₄=1.044 mm， p₅=0.522 mm，该流道内两侧壁的等角螺线弧为4个等角度30°弧n相连，两端极径比p₁：p_n+1=1：0.0625，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为2: 1，等角度为30°，极角120°，流道两壁夹角为27.69°，流道内的气流流线均为涡线。

无论如何计算等角螺线旋转方向，本装置内气流从涡状流道宽口处流入，窄口处流出，等角螺线旋转方向统一按曲率渐大计算或按曲率渐小计算后k值按负数再折算回来。

涡状流道竖直放置时，气流为等高流动，根据涡面保持定理和涡线保持定理，涡状流道内的涡面和涡线均可保持；根据文丘里效应，该效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比，涡状流道过流断面沿等角螺线旋转方向渐缩变窄，压强减小，流速增加；伯努利方程：P+(1/2) ρV²+ρgh=C（C为常量），等高流动则P+(1/2) ρV²=C，则压强差C–P=(1/2) ρV²，则气流中细小液滴的压力差为压强差与迎风面积S的乘积再乘以阻力系数，故F=（C﹣P）SC_阻力系数=(1/2)ρV²SC_阻力系数为气流阻力，气流阻力方向与气流速度方向相同；涡状流道水平放置或略有水平夹角放置时，因流道高差引起势能变化ρg（h₂- h₁）小于动能变化(1/2) ρ（V₂ ²- V₁ ²）的10%时或高差小于15毫米，重力影响忽略不计，适用等高流动的伯努利方程。

富含细小液滴的气流经过竖直放置的涡状流道时，形成涡流，各质点沿流道向内涡旋前进，流道变窄，压强减小，流速增加，流道各质点迹线为流道内涡线，流道内涡线为等角螺线弧，质点沿等角螺线弧各弧n做变速圆周运动，运动半径为弧n的曲率半径R_n，空气阻力保持向心运动平衡，涡状流道内的涡面和涡线均保持，等角螺线向内旋转过等角β时，弧n+1曲率半径在法线方向上收缩了1–e^(–β|k|)倍，弧n+1的曲率半径R_n+1是弧n的曲率半径R_n的e^(–β|k|)倍，一定粒径的细小液滴受同向空气阻力作用经过此处时，根据F_向=mV²/R，线速度不变，流道内的向心力半径减小，向心力角速度增加，F_向=mV²/ [R_n×e^(–β|k|)]，此时通过流道所需向心力增加 [1–e^(–β|k|)] / e^(–β|k|)倍，而空气阻力需立刻因流道变窄到弧n+2的位置宽度时，线速度才增加[1–e^(–β|k|)] / e^(–β|k|)倍，那么此时线速度不变，空气阻力远小于所需向心力，一定粒径的细小液滴的迎风面积S固定不变，线速度即刻不增加，空气阻力F_空=(1/2) ρ_空气V²SC_阻力系数不增加，因此细小液滴无力通过下一段流道，而被离心分离，甩到流道旋向外侧而后着壁；此处相对更小尺度的细小液滴，半径更小，迎风面积更小，空气阻力F_空=(1/2)ρ_空气V²SC_阻力系数=（C﹣P）SC_阻力系数，粒径不同的细小液滴受力比等于迎风面积比即等于其半径的平方比，根据F_向=mV²/R，空气阻力F_空=F_向 ，则mV²/R=（C﹣P）SC_阻力系数，则R= mV²/（C﹣P）SC_阻力系数……③，公式③中质量与面积用密度和体积替换，m/S=ρ_液V_球/S，细小液滴视为球体，体积约掉面积得m/S = (4/3)rρ_液，带回公式③则R= (4/3) rρ_液V²/（C﹣P）C_阻力系数可知变速圆周运动半径R与细小液滴半径r成正比，线速度不变且与气流速度相同，其它参数均为定值，那么r越小则运动半径R越小，不同粒径的细小液滴受力比等于其半径的平方比，设粒径不同的细小液滴1和细小液滴2，r₁ > r₂，且细小液滴1刚好通过弧n即被分离，则它们所受空气阻力F_空1：F_空2 =（C﹣P）S₁C_阻力系数：（C﹣P）S₂C_阻力系数= S₁： S₂=r₁ ²：r₂ ²，又因它们同时通过了弧n流道，则F_向1=m₁V²/R_n，F_向2=m₂V²/R_n，故F_向1/ F_向2= m₁/ m₂，质量m用密度和体积替换后得F_向1/ F_向2= r ₁ ³/ r ₂ ³，因细小液滴1刚好通过弧n即被分离，则F_向1= F_空1，因F_向1=F_向2（r ₁ ³/ r ₂ ³），F_空1=F_空2（r₁ ²/ r₂ ²），则F_向2（r ₁ ³/ r ₂ ³）=F_空2（r₁ ²/ r₂ ²）简化为F_空2/ F_向2= r ₁/ r ₂，显然F_空2 > F_向2，而等角螺线向内旋转过等角β时，细小液滴1刚好通过弧n即被分离，则F_空1＜F_向n+1= F_向n / e^(–β|k|），因细小液滴2的F_空2 > F_向2且F_空2/ F_向2= r ₁/ r ₂，则需F_空2 > F_向2+1即F_空2 > F_向2/ e^(–β|k|），细小液滴2才可通过弧n与弧n+1的共法线位置而继续做变速圆周运动，将F_空2/ F_向2= r ₁/ r ₂代入F_空2 > F_向2/ e^(–β|k|）可得：r ₂＜e^(–β|k|）r ₁ 也就是说细小液滴的半径小于e^(–β|k|）r ₁ 时，可以连续通过弧n与弧n+1，而半径大于等于e^(–β|k|）r ₁的细小液滴皆被分离着壁。气流继续前进，随着涡状流道曲率渐次增大，渐次有相对更小尺度的细小液滴被分离着壁。

涡状流道水平放置或略有水平夹角放置时，重力影响忽略不计时，参照竖直放置方法。

本实用新型是利用涡状流道的涡旋结构曲率变化时，流体线速度和角速度变化不同步，进而导致流体夹带物的受力瞬时变化而将其与流体分离。

富含细小液滴的气流通过涡状流道时，涡旋前进；涡状流道过流断面由外向内渐进缩窄，流速增加，压强减小；涡状流道内两侧壁均为等长的等角螺线，等角螺线有自我相似的特性，另外，等角螺线相邻两等角弧连接点共切线、共法线，曲率变化时角速度变化，而线速度不变。设气流为理想流体，等高流动，水平面上沿等角螺线围绕通过原点的垂线做变速运动，线速度增加，运动方向围绕通过原点的垂线不断改变，则气流质点的水平流线也均为等角螺线，质点的水平迹线与水平流线重合，过流断面沿水平流向渐缩；将质点的水平受力情况拆分，每转过等角的等角螺线弧均为圆周弧，圆心固定，在这段等角螺线弧上运动的质点受法向分力作用绕圆心做变速圆周运动，法向分力即向心力，方向指向圆心，法向分力是指向原点水平垂线运动力的分力，该向心力只改变线速度的方向，不改变线速度的大小，而指向原点水平垂线运动力的另一个切向分力，与线速度同向，该切向分力不改变线速度方向，只改变线速度的大小，则质点各方向的阻力平衡，气体沿涡状流道做变速圆周运动可顺利通过流道；假设空气为理想气体，细小液滴以细小水珠为主（以下简称水珠，因水珠体积小表面曲率大，表面张力大，可视为球体），水珠在水平面上与等角螺线弧（涡线）上的空气阻力平衡，水珠均可沿等角螺线弧随空气分子同步运动并顺畅通过该段涡状流道，水珠法向受到空气阻力产生的向心力指向等角螺线弧的曲率中心（圆心），水珠受向心力作用做变速圆周运动，

则向心力F_向=mV²/R, 空气阻力F_空=(1/2)Cρ_空气SV² ,

F_向=F_空，mV²/R=(1/2)Cρ_空气SV² ,

m为水珠质量 ，R为水珠变速圆周运动半径， C为空气阻力系数，球体的空气阻力系数为0.5，S为迎风面积即水珠大圆面积，V为线速度，水珠与气流同向运动，线速度相同，

则m/R=(1/2)Cρ_空气S，

R= m/((1/2)Cρ_空气S)； …… ①

因m =ρ_水V_球 ,

则m/S=ρ_水V_球/S=(4/3)πr³ρ_水/(πr²) =(4/3)rρ_水； …… ②

②代入①中

R=m/((1/2)Cρ_空气S)，

R=m/S×1/((1/2)Cρ_空气) =(4/3)rρ_水/((1/2)Cρ_空气 )，

因C=0.5，

则R=(16/3) r ρ_水/ ρ_空气

所以：涡状流道中，水珠受法向向心力做变速圆周运动半径R与切向线速度大小无关，与水珠半径r成正比，与水的密度成正比，与空气密度成反比；相同尺度水珠做变速圆周运动半径相同，固定尺度水珠运动半径为定值。依公式R=(16/3) r ρ_水/ ρ_空气可知变速圆周运动半径R为平衡半径，对应半径r的细小水珠在半径大于R的圆周流道中运动所受空气阻力大于向心力做向心运动；在半径小于R的圆周流道中运动所受空气阻力小于向心力做离心运动；在半径等于R的圆周流道中运动所受空气阻力等于向心力做圆周运动。

因伯努利方程：P+(1/2)ρV²+ρgh=C（C为常量），水平等高流动时P+(1/2) ρV² =C（C为常量），则理想空气中，气流携带迎风面积为S的水珠在涡状流道的弧n中通过，水珠在涡线上某点受到压力差（即空气阻力）(1/2)C_阻力系数ρ_空气SV²=（C﹣P）SC_阻力系数，而F_向=mV²/R_n；流动中涡面渐窄，过流断面渐小，流速增加，根据文丘里效应，其流速与过流断面成反比，过流断面减小，压强减小，线速度V增大，因等角螺线的自我相似性和等高流动，过流断面减小等比于涡状流道宽度减小，涡状流道的宽度减小就是涡状流道两侧内壁等角螺线弧的逐渐靠近，因两等角螺线弧是共原点旋转，两等角螺线弧的同端各连线，其连线长度比等于等角螺线弧的极径比，两等角弧n同端连线长度比等于弧n极径比，故过流断面在弧n两端的面积比值等于弧n两端极径比，也就是气流从弧n的一端流到另一端，其线速度比V₂：V₁反比于弧n两端极径比即V₂：V₁=1： e^(–β|k|)，线速度V在弧n上渐进增大；当气流经过涡状流道曲率半径缩小的法线（弧n和弧n+1的共法线）时R_n+1= R_n×e^(–β|k|)，线速度V即刻不增加，迎风面积为S的水珠所受压力差（即空气阻力）为(1/2)C_阻力系数ρ_空气SV²不变，而该点所需向心力F_向=mV²/R_n+1=mV²/ [R_n×e^(–β|k|)]，同时角速度ω= V/ R_n+1= V/ [Rn×e^(–β|k|)]，向心力和角速度都增加了[1–e^(–β|k|)] / e^(–β|k|)倍，即水珠在此处继续通过而做更大曲率的圆周运动需增大空气阻力，此时线速度不随角速度变化即与线速度无关，迎风面积为S的水珠无法通过涡状流道的弧n+1段，而被分离着壁，若水珠在弧n流道运行所受空气阻力原本就大于曲率半径缩小后所需的向心力则仍可通过涡状流道的弧n+1段。

尺度更小的水珠，迎风面积更小，设水珠A的半径r_A和水珠B的半径r_B，r_A> r_B，因公式R=(16/3) rρ_水/ρ_空气，则R_A=(16/3) r_Aρ_水/ρ_空气，R_B=(16/3) r_Bρ_水/ρ_空气

则R_A>R_B ，涡状流道弧n半径为R_A，空气阻力F_空A=（C﹣P）SC_阻力系数= πr_A ²（C﹣P）C_阻力系数，向心力F_向A=m_AV²/R_A，水珠A刚好通过弧n而被分离，则mV²/R_A=πr_A ²（C﹣P）C_阻力系数，对于更小尺度的水珠B在通过弧n时，空气阻力F_空B=（C﹣P）SC_阻力系数= π r_B ²（C﹣P）C_阻力系数，向心力F_向B=m_BV²/R_A，因R_A>R_B则m_BV²/R_B> m_BV²/R_A，F_空B=m_BV²/R_B> m_BV²/R_A即空气阻力大于向心力，当气流经过涡状流道曲率半径缩小的法线（弧n和弧n+1的共法线）时R_A+1= R_A×e^(–β|k|)，需空气阻力大于向心力F_空B=m_BV²/R_B> m_BV²/[R_A×e^(–β|k|)]简化为R_B＜R_A×e^(–β|k|)，因R=(16/3) rρ_水/ρ_空气代入R_B＜R_A×e^(–β|k|)得r_B＜r_A×e^(–β|k|)，即水珠B的半径小于水珠A半径的e^(–β|k|)倍可继续顺利通过弧n+1。下一段弧n+1的涡状流道分离原理同上。

空气中细小液滴的形状、受力情况接近于水珠，同理可得：R_液 =(16/3)r_液ρ_液/ρ_气，

涡状流道中，细小液滴受法向向心力做变速圆周运动半径R_液与切向线速度大小无关，与细小液滴半径r_液成正比，与细小液滴的密度成正比，与气体密度成反比；相同尺度细小液滴做变速圆周运动半径相同，固定尺度细小液滴运动半径为定值。依公式R_液 =(16/3)r_液ρ_液/ρ_气可知变速圆周运动半径R_液为平衡半径，对应半径r_液的细小液滴在半径大于R_液的圆周流道中运动所受气体阻力大于向心力做向心运动；在半径小于R_液的圆周流道中运动所受气体阻力小于向心力做离心运动；在半径等于R_液的圆周流道中运动所受气体阻力等于向心力做圆周运动。

常见的细小液滴粒径是微米级，从上式：R_液 =(16/3)r_液ρ_液/ρ_气可知直径1微米细小液滴半径r=0.5μm，其在涡状流道内的变速圆周运动半径R =(16/3) rρ_水/ρ_气=(16/3)×0.5μm×1000㎏/m³÷1.293㎏/m³=2.062mm，那么采用弧n曲率半径小于2.062mm的涡状流道可以去除直径1微米细小液滴；直径5微米细小液滴半径r=2.5μm，其在涡状流道内的变速圆周运动半径R =10.31 mm，所以1—5微米的细小液滴可以采用弧半径10.31 mm至2.062e^(–β|k|)mm的涡状流道连续去除。

本装置的排水方向与气流方向垂直或同向，涡状流道富集液膜，液体靠重力下流，汇集在底板或框架底部，汇集后从底部孔隙或沿气流反方向从气流入口底部流出。

实践中气流情况要复杂一些，涡状流道内存在气液传质、温度变化、不同尺度的液滴存在蒸发、冷凝、碰撞、形状变化，通常气流含有较高的湿度甚至超饱和湿度，根据查理定律：P = P₀(1+t/273) 、伯努利方程：P+(1/2)ρV² =C（C为常量）和文丘里效应：过流断面与流体速度成反比，则涡状流道渐缩过程中气流压强减小、速度增加、温度降低，水蒸气冷凝放热，热量被降温后的气流吸收并带走，完成热交换功能，使涡状流道整体温度降低，增加水蒸气的冷凝液滴，增大细小液滴尺度，进而增强离心分离效果。因此，本装置具有一定的除湿功能，加装储液桶、超声造雾器或压力造雾装置或液体喷雾装置、循环泵、循环装置可加强除湿效果，使被本装置收集的水或液体雾化后作为工作雾再进入装置内的涡状流道，涡状流道内的雾量增加、湿度进一步饱和，水蒸气冷凝成雾，工作雾、冷凝新增雾和气流中的细小液滴混合并共同被离心分离，冷凝分离后热量被气流带走，装置内部有水或液体流经的部分结构温度会降低，连续循环工作一段时间，水或液体的温度及装置内部温度可以连续降低，导致冷凝除湿效果进一步增强；因查理定律P = P₀(1+t/273) 、伯努利方程P+(1/2)ρV² =C（C为常量），则P₀(1+t/273) =C-(1/2)ρV²，P₀=101325Pa为标准大气压，ρ=1.293kg/m³，当P₀ =C时，t =﹣(273/2)ρV²/ P₀；增加等角弧条数、减小等角弧的曲率半径均可以明显增加降温效果，提高除湿效率，在一定空间内长时间运行产生的累加除湿效果更好，更适合湿量有限的民用场所。

雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比，属于切向量，本实用新型涉及的技术方案是通过改变水平流场的结构来改变目标流体的运动方向，从而实现气液分离，属于改变法向量，法向量和切向量垂直，对于本装置气流中的细小液滴，气流阻力无法维持半径小于平衡半径的变速圆周运动，法向受力方向改变，改变法向力方向时法向速度为零，与线速度无关，不受惯性力和粘性力影响，所以不考虑雷诺数。

本装置运行一段时间，涡状流道内壁两侧都会富集水膜或液膜，水膜或液膜靠重力流至底板，汇集一定液面高度后反向流出气流入口，液面高度因液体不同而异，考虑这个液面高度会影响气流进入量，可以按此液面高度增加涡状流道内壁高度，同时保持实际气流入口、进口出气流量均衡。

本装置制作时，先按公式R_液 =(16/3)r_液ρ_液/ρ_气对应主要组分的细小液滴半径、密度和气体密度计算出平衡半径，实体制作半径可叫作离心半径，离心半径小于平衡半径，以增强除雾除湿效果；增加等角螺线弧弧n数，可以增强除雾效果；缩小等角螺线弧极径比，可以增强除雾效果；减小旋转角度360°/N，即增加N (N取斐波那契数列中一项，且N≥3)也是减小过流断面宽度，可以增强除雾效果。流道臂的层叠形状取决于在气流通道中方便放置的形式，涡状流道的进风口截面积之和不小于气流通道截面积。设计时注意避免进风口和出风口互相遮挡。

本实用新型的有益效果是，提高去除效率，兼有除湿功能，结构小巧，使用简单，制造与运行成本低廉的产品。

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是本实用新型具体实施方式一的结构三视图、剖面图。

图1中1. 剖面图A’-A’，2. 正视图，3.俯视图 ，4.侧视图，5. 涡状流道，6.流道臂，7.框架，8.气流流入方向，23.气流流出方向，25.顶层环口。

图2是本实用新型具体实施方式一的结构剖面图放大图。

图2中5. 涡状流道，6.流道臂， 8.气流流入方向，23.气流流出方向，25.顶层环口。

图3是本实用新型具体实施方式一的结构剖面图局部放大图。

图3中5. 涡状流道，6.流道臂， 8.气流流入方向，9.侧壁等角螺线弧，10. 侧壁等角螺线弧，23.气流流出方向，24. 涡状流道出口气流方向，O1. 侧壁 等角螺线弧（9）弧1圆心，O2. 侧壁等角螺线弧（9）弧2圆心，O3. 侧壁等角螺线弧（9）弧3圆心，O4. 侧壁等角螺线弧（9）弧4圆心，O1´. 侧壁等角螺线弧（10）弧1圆心，O2´. 侧壁等角螺线弧（10）弧2圆心，O3´. 侧壁等角螺线弧（10）弧3圆心，O4´. 侧壁等角螺线弧（10）弧4圆心。

图4是本实用新型具体实施方式一的涡状流道截面流场示意图。

图4中9. 侧壁等角螺线弧，10. 侧壁等角螺线弧，11.流线，12. 流线，13.流线，14. 流线，O.原点，O1. 侧壁 等角螺线弧（9）弧1圆心，O2. 侧壁等角螺线弧（9）弧2圆心，O3. 侧壁等角螺线弧（9）弧3圆心，O4. 侧壁等角螺线弧（9）弧4圆心，β.等角，θ. 等角螺线弧原点旋转角，p₁.极径，p₂.极径，p₃.极径，p₄.极径，p₅.极径，R₁. 弧1半径，R₂. 弧2半径，R₃.弧3半径，R₄. 弧4半径，H1. 等角β弧1，H2. 等角β弧2，H3. 等角β弧3，H4. 等角β弧4。

图5是本实用新型具体实施方式二的结构三视图、剖面图、透视图。

图5中5. 涡状流道，6.流道臂，8.气流流入方向，15. 剖面图B’-B’，16. 正视图，17.俯视图 ，18.侧视图，19.透视图，20.开口盖，21.底板，23.气流流出方向，26.开口盖开口。

图6是本实用新型具体实施方式二的结构剖面图放大图。

图6中5. 涡状流道，6.流道臂， 8.气流流入方向，24. 涡状流道出口气流方向。

图7是本实用新型具体实施方式二的结构剖面图局部放大图。

图7中5. 涡状流道，6.流道臂， 8.气流流入方向，9.侧壁等角螺线弧，10. 侧壁等角螺线弧， 24. 涡状流道出口气流方向，O1. 侧壁等角螺线弧（9）弧1圆心，O2. 侧壁等角螺线弧（9）弧2圆心， O1´. 侧壁等角螺线弧（10）弧1圆心，O2´. 侧壁等角螺线弧（10）弧2圆心。

图8是本实用新型具体实施方式二的涡状流道截面流场示意图。

图8中9. 侧壁等角螺线弧，10. 侧壁等角螺线弧，11.流线，12. 流线，13.流线，14. 流线，22. 流线，O.原点，O1. 侧壁等角螺线弧（10）弧1圆心，O2. 侧壁等角螺线弧（10）弧2圆心，O1´´. 侧壁等角螺线弧（9）弧1圆心，O2´´. 侧壁等角螺线弧（9）弧2圆心，O1´. 流线（22）弧1圆心，O2´. 流线（22）弧2圆心，β.等角，θ. 等角螺线弧原点旋转角，p₁.极径，p₂.极径，p₃.极径，R₁. 弧1半径，R₂. 弧2半径， H1. 等角弧1，H2. 等角弧2，A. 侧壁等角螺线弧（10）端点，A´. 流线（22）端点，A´´. 侧壁等角螺线弧（9）端点，B. 侧壁等角螺线弧（10）相邻两等角弧连接点曲率变化点，B´. 流线（22）相邻两等角弧连接点曲率变化点， B´´.侧壁等角螺线弧（9）相邻两等角弧连接点曲率变化点，C. 侧壁等角螺线弧（10）端点， C´. 流线（22）端点， C´´. 侧壁等角螺线弧（9）曲率变化点。

具体实施方式

具体实施方式一

去除空气气流中的雾，主要组分直径5微米的细小水珠，则R=(16/3)rρ_水/ρ_空气，R=10.31mm，本装置制作半径取R_制=10mm，R_制＜R为离心半径。设M=6，X=1/2，N=13，则β=π/6，k=lnX/β=（–）1.32381359，φ=4β=2π/3，θ=2π/13，R₁=1.197 p₁，R₂=（1/2）R₁=0.599 p₁，R₃=（1/2）R₂=0.300 p₁，R₄=（1/2）R₃=0.150 p₁； n=4， R₁=10mm， R₂=（1/2）R₁=5 mm，R₃=（1/2）R₂=2.5mm，R₄=（1/2）R₃= 1.25mm，p₁=8.354 mm ，p₂=4.177 mm，p₃=2.088 mm，p₄=1.044 mm， p₅=0.522 mm，该流道内两侧壁的等角螺线弧为4个等角度30°弧n相连，两端极径比p₁：p_n+1=1：0.0625，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为2: 1，等角度为30°，极角120°，流道两壁夹角为27.69°，流道内的气流流线均为涡线。

如图1.所示，本装置流道臂（6）为水平环状，层叠放置成半球状，有框架（7）连接固定，在气流通道中固定后，气流从底部进入从顶部流出，装置内富集液体经底部缝隙靠重力流出。

图2为图1中剖面图A’-A’ （1）的放大图。

如图3.所示，本装置涡状流道（5）内两侧壁剖面图，各弧圆心位置和半径R₁=10mm，R₂=（1/2）R₁=5 mm，R₃=（1/2）R₂=2.5 mm，R₄=（1/2）R₃= 1.25mm。

如图4.所示本装置涡状流道（5）内两侧壁等角螺线弧的几何关系，流道内的流线。

具体实施方式二

去除空气气流中的雾，主要组分直径5微米的细小水珠，则R=(16/3)rρ_水/ρ_空气，R=10.31mm，本装置制作半径取R_制=10mm，R_制＜R为离心半径。设M=2，X=0.618，N=13，则β=π/2，k=lnX/β=（–）0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/13，R₁=0.831p₁，R₂=0.618 R₁=0.514p₁；R₁=10mm，R₂=6.18 mm，p₁=12.034mm，p₂=7.437 mm，p₃=4.596 mm，该流道内两侧壁的等角螺线弧为黄金螺线弧，黄金螺线弧两端极径比p₁：p_n+1 =1:0.382，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为1: 0.618，等角度为90°，极角180°，流道两壁夹角为27.69°，流道内的气流流线均为黄金涡线。

如图5.所示，本装置流道臂（6）为竖条形，层叠放置成桶状，开口盖（20）和底板（21）连接固定，在气流通道中固定后，气流从四周进入从顶部开口盖开口流出。

图6为图5中剖面图B’-B’（15）的放大图。

如图7.所示，本装置涡状流道（5）内两侧壁剖面图，各弧圆心位置和半径R₁=10mm，R₂=5 mm。

如图8.所示本装置涡状流道（5）内两侧壁等角螺线弧的几何关系，流道内的流线，流线（22）B’点的切线方向。

Claims (8)

1.一种涡式除雾装置，其利用一种涡状结构离心去除气流中的细小液滴的装置，其包括：本装置由一组层叠放置的流道臂（6）构成，流道臂之间的缝隙为涡状流道(5)，涡状流道的剖面为涡面，涡面边界为两条等长同原点有夹角的等角螺线弧，流道臂周围用框架(7)或用开口盖（20）和底板（21）固定；含细小液滴的气流通过涡状流道时涡旋前进，过流断面渐进缩窄，压强减小，流速增加，气流受流道约束沿涡线做变速圆周运动，涡线上曲率渐次增加，不同粒径的细小液滴按各自对应的气体阻力平衡半径做变速圆周运动，经过涡线上的曲率变化点时被离心分离，气流继续通过流道，细小液滴被甩至流道内壁富集成液膜，液膜因重力流至底部排出。

2.根据权利要求1所述的一种涡式除雾装置，其特征在于：所述的涡状流道，其剖面边界为两条等长同原点有夹角的等角螺线弧，其中的一条弧沿原点旋转角度后可以与另一条弧重合。

3.根据权利要求1所述的一种涡式除雾装置，其特征在于：所述的涡状流道，其剖面边界的两条等角螺线弧夹角为2π/N，N取斐波那契数列中一项，且N≥3。

4.根据权利要求1所述的一种涡式除雾装置，其特征在于：所述的等角螺线弧，其两端点极角即两端点极径的夹角小于等于π。

5.根据权利要求1所述的一种涡式除雾装置，其特征在于：所述的等角螺线弧，等角螺线弧的等角为两相邻极径的夹角，等角度等于π/ M ，M 为等角个数，M≥2。

6.根据权利要求1所述的一种涡式除雾装置，其特征在于：所述的等角螺线弧，其等角对应弧的曲率半径小于等于细小液滴在流道内做变速圆周运动的平衡半径。

7.根据权利要求1所述的一种涡式除雾装置，其特征在于：所述的流道臂，其形状包括环形、横条形、竖条形。

8.根据权利要求1所述的一种涡式除雾装置，其特征在于：所述的流道臂层叠放置包括环形流道臂层叠放置、横条形流道臂层叠放置、竖条形流道臂层叠放置；环形流道臂层叠形状包括半球状、桶状、锥状、圆台状、半圆状；横条形流道臂层叠形状包括板状、梯台状；竖条形流道臂层叠形状包括板状、桶状、锥状、半圆状。