喷嘴和混合流体流的方法技术

一种喷嘴组件，包括内管和外壳。内管终止于出口端并且限定第一流动通道。第一流动通道在主流动方向将第一流体流引导至出口端。外壳包括管状侧壁和端壁。管状侧壁限定中心轴。端壁限定出口孔和内部引导结构。出口端与出口孔轴向对齐。在内管和外壳之间建立第二流动通道。内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导至出口端，以产生混合的流体流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】喷嘴和混合流体流的方法
技术介绍
喷嘴，如雾化器喷嘴，有时会用于雾化液体流。雾化的液体流(Atomizedliquidflows)(例如，有时也称为雾化液体流(aerosolizedliquidflows)，例如喷雾剂)包括散布在气体(例如空气)中的液体的液滴。例如，通过将气体流引导入液体流来产生液滴从而将液体流雾化。在某些示例中，液态燃料可以被雾化以用于燃气轮机燃烧器、锅炉等。在其他示例中，液体，例如油漆或其他涂料，可以被雾化用于喷涂应用，例如油漆涂装。液体农药、除草剂等等可以被雾化，例如用于喷洒。作为另一示例，内燃机在燃烧之前依靠液态燃料的快速雾化。一般而言，液体喷雾的雾化取决于其流体性质、密度、粘度和表面张力以及由输送装置产生的惯力。常见的与燃气涡轮发动机等一起使用的空气辅助雾化器喷嘴结构(例如，当空气沿着液体流离开喷嘴喷射时)非常适合于石油燃料的快速雾化。然而，空气辅助雾化器喷嘴结构不太能够充分雾化一些替代燃料源，例如生物质基纯净油(生物原油)等等，很大程度上归因于生物原油成分的粘度显著较高(与柴油和其他石油燃料的粘度相比)。例如，豆油在密度和表面张力方面与柴油类似，豆油的粘度是柴油的25倍。由于这种高粘度和低可燃性，直植物油在压缩发动机中引起操作和耐久性问题已显现出来。采用常规空气辅助雾化器喷嘴结构，这种增加的粘度的动态效应会有效减少喷射流离开喷嘴时的雷诺数，从而抑制液体射流破裂并导致雾化水平不足。美国专利No.8,201,351(GananCalvo)描述了一种替代的雾化喷嘴构造，并且其称为分散流(Flow-blurring)雾化。通过在喷嘴的出口区域之内和之外使雾化气流分叉来形成分散流。据信高粘度燃料的分散流雾化是可能的。然而，分散流机制的开始可能取决于喷嘴部件的特定几何关系，并且可能无法提供选择性改变雾化液体性质的能力。鉴于以上所述，需要能够雾化高粘度液体的喷嘴，例如生物原油以及其他流体混合应用(例如液体-气体混合或系统，气体-气体系统或液体-液体系统)。
技术实现思路
本专利技术的一些方面描述了一种喷嘴组件。该组件包括内管和外壳。内管终止于出口端并且限定第一流动通道。第一流动通道通向出口端，用于沿主流动方向将第一流体流引导至出口端。外壳包括管状侧壁和端壁。管状侧壁限定中心轴；在一些实施例中，管状侧壁和内管同轴布置并且共同限定中心轴。端壁限定出口孔和内部第二流体流动引导结构；在一些实施例中，端壁设置了限定出口孔的中央定位开口。内管组装到外壳，使得出口端轴向对齐出口孔(例如，内管的一部分安装在外壳内)。此外，内管的一部分，包括出口端，径向位于管状侧壁内，从而在内管和外壳之间建立第二流动通道。内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导至出口端，以产生流体混合流，例如雾化液体流。在一些实施例中，喷嘴组件配置为使得出口端和端壁之间的轴向距离是可调节的。在其他实施例中，内部引导结构包括引导表面和引导柱。引导柱沿内管的方向从引导表面突出，并且限定流体通向出口孔的内腔；根据内腔相对于内管的第一流动通道的空间关系，沿着引导柱将第二流体流朝向内管的出口端引导。本公开的其他方面描述了一种产生混合流体流的方法，例如雾化液体流。该方法包括沿着内管的第一流动通道沿主流动方向将第一流体流朝向内管的出口端传输。内管包括喷嘴组件，喷嘴组件还包括具有限定出口孔的端壁的外壳。当第一流体流传输通过第一流动通道时，第二流体流传输通过在外壳和内管之间限定的第二流动通道。第一流体和第二流体可以是液体或气体(例如，第一流体流是液体且第二流体流是气体，第一流体流是气体且第二流体流是液体，第一流体流和第二流体流都是气体，或者第一流体流和第二流体流都是液体)。沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导朝向第二出口端以生成流体混合物，例如某些非限制性实施例中的雾化液体流(也称为雾化的液体和气体两相流)。流体混合物(例如雾化的液体和气体两相流)通过出口孔分配。在一些实施例中，引导至少一部分第二流体流的步骤包括在第一流体流的外环上建立低密度流动流。在其他实施例中，流体混合物是脉冲雾化的液体流，并且该方法可选地还包括调节脉冲雾化的液体流的频率。本公开的喷嘴组件和方法适用于雾化不同的液体，并且可用于多种喷涂应用以及很多其他流体混合物场景(例如气体-气体混合物和液体-液体混合物)。特别地，不同于常规雾化器喷嘴结构，本公开的喷嘴组件和方法可以快速雾化高粘度液体，能够有效雾化重质生物燃料并因此允许这些燃料更高效和更清洁的燃烧。附图说明图1A是根据本公开的原理的喷嘴组件的简化的、爆炸的、剖视图；图1B示出了最终组装和雾化液体流时图1A的喷嘴组件；图2A是与图1A中喷嘴组件一起使用的外壳的侧视图；图2B是沿着线2B-2B截取的图2A的外壳的剖视图；图2C是沿着线2C-2C截取的图2A的外壳的剖视图；图2D是沿着线2D截取的图2B的外壳的一部分的放大的剖视图；图3A是根据本公开的原理并且包括图2A的外壳的喷嘴组件的简化的、爆炸的、剖视图；图3B是沿着线3B-3B截取的图3A的喷嘴组件的剖视图；图4是图3A的喷嘴组件的一部分的放大的剖视图并且示出了在使用时由喷嘴组件生成的流体流的一个示例；图5A和5B是替代的构造中图3A的喷嘴组件的一部分的放大的剖视图，并且示出了在使用时由喷嘴组件生成的流体流的另一示例；图6是根据本公开的原理并且包括替代的引导柱的另一喷嘴组件的一部分的放大的简化侧视图；图7是根据本公开的原理的另一喷嘴组件的部分的放大的、简化剖视图；图8是根据本公开的原理的另一喷嘴组件的部分的放大的、简化剖视图；以及图9是由示例部分的示例性喷嘴组件提供的雾化喷雾的液滴尺寸分布的直方图。具体实施方式本公开的各方面涉及喷嘴或喷嘴组件以及相关的使用方法，其中在与第二流动方向相反的方向将第一流体流引导至第二流体流，对两个流体流进行混合从而产生混合流体流。在一些非限制实施例中，本公开的喷嘴组件和相关的使用方法需要产生包括散布在气体内的液体的液滴的雾化液体-气体两相流。可选地，本公开的喷嘴组件提供了产生具有选定脉冲频率的脉冲流体流(例如脉冲雾化流)。图1A示出了根据本公开的原理的喷嘴组件100的一个实施例。喷嘴组件(或“逆流喷嘴”)包括内管102和外壳104。下文描述了各种部件的细节。然而，一般而言，内管102限定出口端106。外壳104限定腔室108和出口孔110。内管102配置为用于安装至外壳104，使得出口端106位于腔室108内并且轴向对齐出口孔110并与出口孔110径向对称。作为参考点，本专利技术的喷嘴组件的各种特征可以参照由外壳104限定的或者由内管102和外壳104的可选同轴布置限定的中心(或纵向)轴C来描述(例如，如本文所使用的，诸如“轴向”和“径向”的方向术语是相对于中心轴C)。使用时，并且如图1B所示，第一流体流F1(液体或气体)通过内管102(液体或气体)和第二流体流F2输送到腔室108。腔室108内的第二流体流F2至少部分地被引导向出口端106，生成邻近或在内管102内或进入内管102的混合流体流A(例如在一些非限制实施例中，气体流(F1或F2)雾化成液体流(F1或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种喷嘴组件，包括：内管，其终止于出口端并限定通向出口端的第一流动通道，用于沿主流动方向将第一流体流引导至出口端；以及外壳，其包括管状侧壁和端壁，其中管状侧壁限定中心轴，并且进一步地，其中端壁限定出口孔和内部引导结构；其中内管被组装到外壳，使得出口端与出口孔轴向对齐，并使得包括出口端的内管的一部分径向地位于管状侧壁内以在内管和外壳之间建立第二流动通道；并且进一步地，其中内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导向出口端以混合第一流体流和第二流体流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.28 US 62/211,4401.一种喷嘴组件，包括：内管，其终止于出口端并限定通向出口端的第一流动通道，用于沿主流动方向将第一流体流引导至出口端；以及外壳，其包括管状侧壁和端壁，其中管状侧壁限定中心轴，并且进一步地，其中端壁限定出口孔和内部引导结构；其中内管被组装到外壳，使得出口端与出口孔轴向对齐，并使得包括出口端的内管的一部分径向地位于管状侧壁内以在内管和外壳之间建立第二流动通道；并且进一步地，其中内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导向出口端以混合第一流体流和第二流体流。2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述喷嘴组件配置为使得出口端和端壁之间的轴向距离是可调节的。3.根据权利要求1或2所述的喷嘴组件，其中所述外壳限定相对的第一和第二侧，端壁位于第一侧，并且进一步地，其中：端壁包括引导表面和引导柱；引导表面从管状侧壁径向向内延伸；并且引导柱与管状侧壁径向隔开并沿第二端的方向从引导表面突出。4.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其中所述引导柱形成内腔，所述内腔流体通向出口孔以将流体流从出口端引导至出口孔。5.根据权利要求3或4所述的喷嘴组件，其中所述引导柱终止于与引导表面相对的柱端，并且进一步地，其中出口端和引导表面之间的轴向距离大于出口端和柱端之间的轴向距离。6.根据权利要求5的所述的喷嘴组件，其中所述喷嘴组件配置为能够在第一状态和第二状态之间转换，所述第一状态包括位于轴向越过出口端的柱端，且所述第二状态包括位于第一流动通道内的柱端。7.根据权利要求3-6任一项所述的喷嘴组件，其中在出口端和引导表面之间限定一间隙，并且进一步地，其中所述间隙在出口端处流体通向第一流动通道和第二流动通道，从而允许流体流从第二流动通道流至第一流动通道。8.根据权利要求7所述的喷嘴组件，其中所述引导柱是圆锥环形主体，其具有比内管的内径小的外径。9.根据权利要求6-8任一项所述的喷嘴组件，其中内管和外壳都能够选择性地相对于彼此移动以改变间隙的轴向长度。10.根据权利要求3-9任一项所述的喷嘴组件，其中沿着引导柱的外表面形成螺旋台阶，用于将涡流施加到沿着外表面流动的流体流中。11.一种喷嘴组件，包括：内管，其终止于出口端并限定通向出口端的第一流动通道；以及外壳，其限定相对的第一端和第二端，所述外壳包...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·霍克西，P·J·斯特里科夫斯基，V·斯里尼瓦桑，
申请(专利权)人：明尼苏达州大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US