專利名稱：用于改變多相射流的特性的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于改變多相射流的特性而不中斷所述射流的設(shè)備和方法，以及 其應(yīng)用。本發(fā)明更具體地涉及用于改變多相射流的方向和/或展幅的設(shè)備和方法，所述設(shè) 備在多相射流含有液體顆粒的分散體的情況下允許改變所述液體顆粒的顆粒尺寸。
背景技術(shù)：
許多工業(yè)應(yīng)用或方法采用噴射液體或粉末化或粉末狀固體，其形式為含有所述液 體和/或固體的分散體的氣態(tài)射流，下文稱為多相射流。例如，使用細(xì)微分散液體或固體燃料的燃燒方法或技術(shù)，或可替代地，采用液氮的 噴射射流來冷卻食品的凍結(jié)方法，就是這種情況。在兩種情形中，多相射流的特性決定該方 法的性能(包括在一種情形中火焰和熱傳遞的長度，而在另一種情形中冷卻的速度和均 勻度)。如果能夠改變方向和/或展幅，并且特別是其中該方法發(fā)生的封閉空間中的多相 射流的方向和展幅，而無需中斷該方法，則通常將是有益的。例如，如果能夠使從液體燃料 如重柴油的霧化或從粉煤的噴射得到的射流傾斜以便能夠在操作期間暫時(shí)使火焰朝裝料 定向(當(dāng)需要增加火焰向裝料的熱傳遞時(shí))，或能夠改變所得到的射流的定向以避免熱點(diǎn)， 則將是有益的。現(xiàn)有技術(shù)已提出若干用于改變多相射流的定向(取向)的方案。常規(guī)上，使用其定向發(fā)生變化的噴射裝置，或可替代地，使用具有至少一個(gè)其定向 發(fā)生變化的噴嘴的噴射裝置，形成可變定向兩相射流。然而，用于改變兩相射流的定向的機(jī) 械系統(tǒng)具有可靠性和耐久性的問題，特別是在不利環(huán)境如燃燒爐和低溫裝置中。現(xiàn)有技術(shù)也提出了用于改變兩相射流的方向的所謂的非機(jī)械系統(tǒng)。EP-A-0545357記載了這樣一種霧化裝置，其能夠確定使用霧化氣體的環(huán)形射流從 液體或粉末狀可霧化材料得到的兩相射流的方向。根據(jù)EP-A-0545357，將流控氣體噴射 到霧化區(qū)上游的環(huán)形射流中，以便迫使霧化氣體經(jīng)過傳送截面與流控氣體的噴射相對的部 分，并因此產(chǎn)生不對稱的兩相射流，其軸線相對于環(huán)形射流的軸線傾斜。此技術(shù)允許兩相射 流關(guān)于噴射器的軸線的傾斜度從0°改變?yōu)?0°。然而，此技術(shù)的主要缺點(diǎn)是所得到的偏 向射流中可霧化材料的不均勻噴射，射流在流控氣體噴射點(diǎn)的相同一側(cè)上有明顯缺陷。W0-A-9744618也公開了一種包括燃燒器爐體的燃燒器，所述燃燒器爐體設(shè)有由多 個(gè)主氧化劑管道包圍的中央燃料管道，主氧化劑管道本身被多個(gè)副氧化劑管道包圍，燃料 可為在一些氧化劑中霧化的液體燃料，或可替代地，由一些氧化劑攜帶的粉碎的固態(tài)燃料。 通過從副氧化劑帶走更大或更小量的主氧化劑，能夠改變火焰的位置和形狀。從中間至極 限位置的最大火焰偏向(偏離)被限制在約15° (即總計(jì)最多30° )。另外，這種燃燒器 的設(shè)計(jì)比較麻煩，因?yàn)槿剂瞎艿?、多個(gè)主氧化劑管道和多個(gè)副氧化劑管道是在燃燒器爐體 中形成的，該燃燒器爐體在熔爐的燃燒室上方打開。燃燒器爐體一般由比較難以制造的高 熔點(diǎn)材料制成，特別是在小尺寸系統(tǒng)的情況下。
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本發(fā)明的目的本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種堅(jiān)固和優(yōu)化的設(shè)備，其允許多相射流的方向和/或 展幅的大幅變化而無需中斷射流。

發(fā)明內(nèi)容
在本文中，“多相射流”的含義是液體在氣體中的分散體、固體在氣體中的分散體， 或液體和固體在氣體中的分散體，其在空間中的主導(dǎo)方向上前進(jìn)?！皟上嗌淞鳌钡暮x是液 體在氣體中的分散體或固體在氣體中的分散體，其在空間中的主導(dǎo)方向上前進(jìn)。射流的“展幅”表示，對于從管道出來的射流，從離開管道處的射流或火焰的對稱 軸線至射流表面的母線(g6n6ratrice)所測定的角度。在實(shí)踐中，該角度通常對應(yīng)于管道 的對稱縱向軸線與在射流表面的母線之間的角度。射流的定向或方向被限定為垂直于用于流體的通道截面并且定向在流動(dòng)方向上 (也就是說，從上游至下游的方向)的矢量。本發(fā)明更具體地涉及一種用于噴射可變方向和/或可變展幅的多相射流的設(shè)備。 根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備包括噴射裝置，也稱為霧化裝置，其具有用于以受控制或受調(diào)節(jié)的動(dòng)量 (impulsion)噴射多相射流的主開口。主開口具有截面積Sp并且位于主平面中。從主開口 射出的多相射流的方向稱為主方向。該設(shè)備還包括噴嘴，也稱為吹口(mouth-piece)，噴射裝置的主開口向該噴嘴的內(nèi) 部打開。此噴嘴具有用于多相射流的出口開口，該出口開口位于出口平面中并且在與主開 口相對的一側(cè)(在主方向上)上，從而從主開口射出的多相射流(也稱為“主射流”)在經(jīng) 由出口開口離開噴嘴之前經(jīng)過噴嘴。該設(shè)備還包括至少一個(gè)通道，其具有用于將具有受控制或受調(diào)節(jié)的動(dòng)量的氣態(tài)致 動(dòng)射流噴射到噴嘴中的副開口。該至少一個(gè)通道如此定位，即使得從副開口射出的相應(yīng)的 致動(dòng)射流沖擊在噴嘴內(nèi)部的多相射流上。離開副開口的致動(dòng)射流的方向稱為副方向。該副方向與垂直于主方向的平面 形成角度Θ，該角度θ小于90°并且大于或等于0°，優(yōu)選0° ^ θ <80°，更優(yōu)選 0° < θ <30°，當(dāng)θ大致等于0°時(shí)，也就是說，當(dāng)致動(dòng)射流的副方向處于垂直于離開噴 射裝置的主開口的多相射流的主方向的平面中時(shí)，致動(dòng)射流的作用最明顯。當(dāng)θ不等于 0°時(shí)，對應(yīng)的致動(dòng)射流的方向在主方向上具有在從主開口朝出口開口的方向上延伸的分 量。如下文將更詳細(xì)地說明，該設(shè)備可借助于相互作用改變離開出口開口的多相射流 的方向和/或展幅，并且更具體地，借助于一股或多股致動(dòng)射流對從噴射裝置發(fā)射的多相 射流的沖擊，而無需中斷多相射流并且無需求助于比方說樞軸的機(jī)械致動(dòng)器。"Proceedings of FEDSM' 02 Joint US ASME-European Fluid Engineering Division Summer Meeting of July 14—18，2002” 以及由 V. Faivre 禾口 Th. Poinsot 在 ((Journal of Turbulence)) 2004 年三月第 5 卷第 1 期第 24 頁發(fā)表的文章 “Experimental and numerical investigations of jet active control for combustion applications，， 公開了在氣態(tài)單向射流周圍使用四股副射流的特別構(gòu)造，以通過副射流與主射流之間的相 互作用使火焰穩(wěn)定。觀察到了更寬的噴出展角。
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副開口具有它們的中心點(diǎn)或慣性中心，其與噴嘴的主開口位于其中的主平面相距 距離Li，并且與噴嘴的出口開口位于其中的出口平面相距距離L2。Ll和L2優(yōu)選小于或等 于副開口的截面積Ss的平方根的十倍。副開口的中心點(diǎn)或慣性中心對應(yīng)于副開口與從所 述副開口發(fā)射的致動(dòng)射流(對應(yīng)的致動(dòng)射流)的軸線之間的交點(diǎn)，或可替代地，該出口開口 與該副開口的對應(yīng)通道(也就是說，具有該副開口的通道)的軸線之間的交點(diǎn)。當(dāng)副開口 的形狀為圓形時(shí)，其中心點(diǎn)為圓的中心。距離Ll和L2是平行于主方向測量的。噴嘴優(yōu)選由金屬制成。噴嘴可被制造/加工為與噴射裝置一體的部分。生產(chǎn)噴嘴的更實(shí)用的方式是單獨(dú) 制造/加工它，并且然后如上文所述將其安裝在噴射裝置上。噴嘴更具體地具有安裝在具 有噴嘴主開口的噴嘴端部上的塊體或端部部件的形式。通常，在副開口的高度處噴嘴的內(nèi)部截面垂直于主方向并且該內(nèi)部截面的截面積 大于或等于噴射裝置的主開口的截面積Sp。該噴射裝置可為氣體輔助型噴射裝置。在這種情況下，噴射裝置通常包括用于供 應(yīng)要噴射的液體或粉末的中央管道以及用于供應(yīng)霧化氣體的包圍中央管道的環(huán)形管道。在 噴射裝置的出口開口處，多相射流通過從環(huán)形管道發(fā)射的霧化氣體的射流夾帶從中央管道 發(fā)射的液體或粉末而形成。該噴射裝置可為機(jī)械噴射裝置。如果它是機(jī)械噴射裝置，則噴射裝置通常包括用 于供應(yīng)液體的中央管道，流體的壓力在該管道中轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。離開噴射部分的高速液體射 流將夾帶一些周圍的氣體，該氣體的量足以產(chǎn)生兩相射流。機(jī)械噴射裝置的主截面的尺寸 通常比用于相同流量的待霧化流體的輔助噴射裝置的主截面的尺寸小一個(gè)數(shù)量級。該噴射裝置可為乳液噴射裝置。如果它是乳液噴射裝置，則該噴射裝置通常包括 主平面中的中央管道開口，該中央管道開口用于噴射液體在氣體中的分散體或氣體中的粉 末化固體。通過使液體流和氣態(tài)流互相適當(dāng)接觸，在噴射裝置內(nèi)部產(chǎn)生多相射流。乳液噴 射裝置的主截面的尺寸的數(shù)量級通常與用于相同流量的待霧化液體的輔助噴射裝置的主 截面的尺寸的數(shù)量級相同。該噴射裝置可為混合式，結(jié)合了輔助噴射裝置和乳液噴射裝置的概念。有利地，主開口的截面積的平方根與副開口的截面積的平方根之間的比值大于或 等于0. 25并且小于或等于10. ο (0.25 ^^ 10.0 )，優(yōu)選大于或等于ι并且小 于或等于10。當(dāng)噴射裝置是氣體輔助型、乳液型或混合型噴射裝置時(shí)，主開口的截面積的平方 根與副開口的截面積的平方根之間的比值大于或等于1并且小于或等于10，優(yōu)選大于或等 于3并且小于或等于7。當(dāng)噴射裝置為機(jī)械噴射裝置時(shí)，該同一比值優(yōu)選大于或等于0. 25 并且小于或等于4。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例，其特別允許噴射可變定向多相射流，該設(shè)備包 括至少一個(gè)通道以使得從副開口發(fā)射的致動(dòng)射流的相應(yīng)副方向與從主開口發(fā)射的主射流 的主方向相交(正割，s6Cante)或接近相交。在這種情況下，該致動(dòng)射流與從主開口發(fā)射 的主射流之間的沖擊將在(噴嘴的)出口開口產(chǎn)生多相射流，其在(噴射裝置的)主開口 的出口相對于多相射流的主方向偏離，從出口開口發(fā)射的多相射流更具體地在離開致動(dòng)射 流的副開口的方向上偏離。從出口開口向主方向的左側(cè)發(fā)射的致動(dòng)射流因此將在出口開口的出口產(chǎn)生多相射流，其相對主方向向右偏離。因此，僅一股其副方向與主方向相交或接近相交的致動(dòng)射流能夠在一個(gè)方向上改 變多相射流的方向(單方向效應(yīng))。使用幾股致動(dòng)射流，其副方向與主方向相交或接近相交，能夠獲得多方向效應(yīng) (其中多相射流的方向在幾個(gè)方向上變化)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該設(shè)備包括至少兩個(gè)通道，以使得從副開口發(fā)射的致動(dòng)射流的 對應(yīng)副方向與從主開口發(fā)射的主射流的主方向相交或接近相交，所述副開口優(yōu)選位于與主 方向垂直的同一個(gè)平面中，或換句話說，與噴射裝置的主開口位于其中的主平面相距相同 的距離Li。當(dāng)這兩個(gè)對應(yīng)的副開口一側(cè)一個(gè)地各自位于主射流的軸線的任一側(cè)時(shí)，可使多相 射流在出口開口的出口處相對于主方向沿兩個(gè)相反的方向偏離，例如使用從位于主方向右 側(cè)的副開口發(fā)射的致動(dòng)射流則偏向左側(cè)，而使用從位于主方向的左側(cè)的副開口發(fā)射的致動(dòng) 射流則偏向右側(cè)。另一方面，當(dāng)由兩個(gè)副開口中的一個(gè)的方向和主方向限定的平面與由兩個(gè)副開口 中的另一個(gè)的方向和主方向限定的平面不重合時(shí)，可在這兩個(gè)平面中使多相射流偏離，或 如果兩股致動(dòng)射流同時(shí)噴射則甚至在兩個(gè)平面之間某處的平面中使多相射流偏離。優(yōu)選 地，由兩個(gè)副開口中的一個(gè)和主方向限定的平面垂直于由兩個(gè)副開口中的另一個(gè)和主方向 限定的平面。使用在主方向周圍的四個(gè)副開口，能夠?qū)崿F(xiàn)離開出口開口的多相射流的方向相對 于主方向的很寬泛的變化。在這種情況下，該設(shè)備可特別地包括四個(gè)通道，其定位的方式是 從對應(yīng)的副開口發(fā)射的致動(dòng)射流的副方向與主方向相交或接近相交，這些對應(yīng)的副開口中 的兩個(gè)與主方向限定出第一平面并且一側(cè)一個(gè)地各自位于該主方向的任一側(cè)上，其它兩個(gè) 對應(yīng)的副開口與主方向限定出第二平面并且也一側(cè)一個(gè)地各自位于該主方向的任一側(cè)上， 第一平面優(yōu)選垂直于第二平面并且四個(gè)對應(yīng)的副開口優(yōu)選位于垂直于主方向的同一個(gè)平 面中(與噴射裝置的主開口位于其中的主平面相距相同距離Li)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例，其允許噴射可變展幅的多相射流，該設(shè)備包括 至少一個(gè)通道以使得從對應(yīng)的副開口發(fā)射的致動(dòng)射流的副方向與從主開口發(fā)射的主射流 的主方向基本上不共面。在這種情況下，致動(dòng)射流與多相射流之間在噴嘴內(nèi)部的相互作用 或沖擊形成從出口開口發(fā)射的多相射流，該多相射流的展幅大于在缺少致動(dòng)射流的情況下 獲得的多相射流的展幅。當(dāng)使用幾股致動(dòng)射流時(shí)，最終多相射流的展幅加寬的效應(yīng)增強(qiáng)，這些致動(dòng)射流的 副方向與主方向不共面且定向在圍繞主方向的同一旋轉(zhuǎn)方向上。因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可包括至少兩個(gè)通道，其定向的方式是從對應(yīng)的副開口 發(fā)射的致動(dòng)射流的副方向與從主開口發(fā)射的主射流的主方向基本上不共面，并且從對應(yīng)的 副開口發(fā)射的副射流定向在關(guān)于主方向的同一旋轉(zhuǎn)方向上。這些對應(yīng)的副開口有利地位于 垂直于主方向的同一個(gè)平面中(與噴射裝置的主開口位于其中的主平面相距相同的距離 Li)。它們可一側(cè)一個(gè)地各自位于主方向的任一側(cè)上。它們可等距地定位，使得主方向和兩 個(gè)對應(yīng)的副開口之一限定出的平面垂直于主方向和兩個(gè)對應(yīng)的副開口的另一個(gè)限定出的 平面。
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當(dāng)該設(shè)備包括在主方向周圍的三個(gè)或四個(gè)副開口時(shí)，獲得特別有效地改變多相射 流的展幅的設(shè)備。此類設(shè)備可特別地包括三個(gè)或四個(gè)通道，其定位的方式是三個(gè)或四個(gè)對 應(yīng)的副開口位于垂直于主方向的同一個(gè)平面中，并且從對應(yīng)的副開口發(fā)射的致動(dòng)射流的副 方向與主方向基本上不共面，從對應(yīng)的副開口發(fā)射的三股或四股致動(dòng)射流圍繞主方向定向 在相同的定向方向上。本發(fā)明還涉及根據(jù)本發(fā)明用以改變多相射流的定向和/或展幅的設(shè)備的用途。因此，本發(fā)明更具體地涉及一種用于借助于根據(jù)上文所述的實(shí)施例之一的設(shè)備改 變多相射流的定向和/或展幅的方法，并且其中·多相射流通過噴射裝置的主開口噴射到噴嘴中，所述多相射流在主方向上噴射 并且具有受調(diào)節(jié)的動(dòng)量，·至少一股致動(dòng)射流通過通道的副開口噴射到噴嘴中，每股致動(dòng)射流以受調(diào)節(jié)的 動(dòng)量并且在副方向上噴射，以使得副射流在噴嘴內(nèi)部沖擊在多相射流上。每股致動(dòng)射流的副方向與垂直于主方向的平面形成角度Θ，該角度θ小于90° 并且大于或等于0°，優(yōu)選0° < θ <80°并且更優(yōu)選0° < θ <30°，當(dāng)角度θ基本等 于0° (致動(dòng)射流基本上垂直于主方向)時(shí)致動(dòng)射流對多相射流的影響最明顯。根據(jù)本發(fā)明的方法，通過改變至少一股致動(dòng)射流的受調(diào)節(jié)的動(dòng)量來改變離開噴嘴 的出口開口的多相射流的定向和/或展幅。如上文所述，根據(jù)本發(fā)明的方法允許通過將至少一股致動(dòng)射流沿副方向噴射到噴 嘴中來改變多相射流的定向，所述副方向與從主開口發(fā)射的多相射流的主方向相交或接近 相交。通過改變其副方向與主方向相交或接近相交的至少一股致動(dòng)射流的受調(diào)節(jié)的動(dòng)量， 來改變離開噴嘴的出口開口的多相射流的展幅。多相射流在副方向上相對于主方向的偏離隨著致動(dòng)射流的動(dòng)量(相對于從主開 口發(fā)射的多相射流的動(dòng)量)而增加。在缺乏致動(dòng)射流(致動(dòng)射流動(dòng)量=0)的情況下，從噴 嘴的出口開口發(fā)射的多相射流將與主方向(從噴射裝置的主開口發(fā)射的多相射流的方向) 基本上相同。上文已關(guān)于對應(yīng)的設(shè)備描述根據(jù)本發(fā)明用于改變多相射流的定向的方法的各種 實(shí)施例(致動(dòng)射流的數(shù)量、對應(yīng)的副開口的位置等)。一般而言，支配多相射流的偏向的物理參數(shù)將是致動(dòng)射流的動(dòng)量與霧化裝置產(chǎn)生 的兩相射流的動(dòng)量的比值。在實(shí)踐中，通過調(diào)節(jié)霧化氣體和致動(dòng)射流的動(dòng)量且更具體為流 量的適當(dāng)控制，上述參數(shù)可用來來控制或調(diào)節(jié)從出口開口發(fā)射的多相射流的定向。如上文所述，根據(jù)本發(fā)明的方法，可通過將至少一股致動(dòng)射流噴射到噴嘴中而改 變多相射流的展幅，其中致動(dòng)射流的副方向與從主開口發(fā)射的主射流的主方向基本上不共 面。在這種情況下，通過改變其副方向與主方向基本上不共面的至少一股致動(dòng)射流的受調(diào) 節(jié)的動(dòng)量來改變離開噴嘴的出口開口的多相射流的展幅。從出口開口發(fā)射的多相射流的展幅隨著致動(dòng)射流的動(dòng)量而增加。如上文已提及，當(dāng)這些致動(dòng)射流關(guān)于主方向定向在同一旋轉(zhuǎn)方向上時(shí)，通過將幾 股致動(dòng)射流噴射到噴嘴中，并且致動(dòng)射流的副方向與從主開口發(fā)射的主射流的主方向基本 上不共面，則能夠更明顯地增大所獲得最終多相射流的展幅。上文已關(guān)于對應(yīng)的設(shè)備描述根據(jù)本發(fā)明用于改變多相射流的展幅的方法的各種
8實(shí)施例(致動(dòng)射流的數(shù)量、對應(yīng)的副開口的位置等)。控制多相射流的偏離的物理參數(shù)一般將是致動(dòng)射流的動(dòng)量與霧化裝置產(chǎn)生的兩 相射流的動(dòng)量的比值。在實(shí)踐中，通過使用調(diào)節(jié)霧化氣體和致動(dòng)射流的動(dòng)量且一般而言為 流量的控制裝置，該參數(shù)用來控制或調(diào)節(jié)從出口開口發(fā)射的多相射流的定向。在實(shí)踐中，致動(dòng)射流的動(dòng)量更通常地通過調(diào)節(jié)所述致動(dòng)射流的流量來改變。當(dāng)希望從出口開口發(fā)射的多相射流化學(xué)成分并且特別是氣體含量在其定向和/ 或展幅改變的情況下保持不變時(shí)，可提供具有受調(diào)節(jié)的總氣源和氣體分接裝置的裝置，以 便將總氣源的一部分分接至一個(gè)或多個(gè)通道來噴射一股或多股致動(dòng)射流。在這種情況下， 通過改變總氣源的轉(zhuǎn)向至對應(yīng)通道的那部分來改變致動(dòng)射流的動(dòng)量。當(dāng)多股射流含有燃料 和氧化劑的混合物時(shí)，該設(shè)備和方法的這種實(shí)施方式可證實(shí)是特別有利的。多相射流可為雙相射流，并且更具體地為液體/氣體雙相射流或固體/氣體雙相 射流。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)有利的應(yīng)用，多相射流含有液氮的分散體。根據(jù)本發(fā)明另一有利的應(yīng)用，該多相射流包括液體燃料和/或固體燃料的分散 體。在這種情況下，當(dāng)多相射流是氣態(tài)氧化劑中的分散體時(shí)通常是有利的。當(dāng)多相射流含 有氣態(tài)氧化劑時(shí)，該氧化劑可為空氣。然而，當(dāng)多相射流的氣相是氧化劑時(shí)，該氧化劑在一定情況下還可具有體積百分 比為至少40%、優(yōu)選至少50%并且更優(yōu)選至少90%的氧含量。根據(jù)本發(fā)明的方法使得可改變分散體占據(jù)的體積以及顆粒的速度。在液體分散體 的情況下，本發(fā)明還使得可改變液體顆粒的顆粒尺寸分布。本發(fā)明特別地使得可使用控制參數(shù)線性改變多相射流的定向，所述控制參數(shù)為 噴射到噴嘴中的多相射流的動(dòng)量與噴射的致動(dòng)射流的動(dòng)量的比值。在噴射設(shè)備或所述設(shè)備的噴嘴不做任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)的情況下改變多相射流的定向 或展幅的選擇是特別有利的，因?yàn)樵诠I(yè)環(huán)境中，由于通常不利的條件如很低或很高的溫 度和/或灰塵或腐蝕性物質(zhì)的水平高，此類機(jī)構(gòu)的整體性隨著時(shí)間推移而難以保持。


結(jié)合圖1至圖7，在以下借助于非限制性示例給出的示例性實(shí)施例的幫助下，將更 好地理解本發(fā)明。-圖la、圖Ib和圖Ic示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的兩個(gè)實(shí)施例，圖Ia示出 穿過設(shè)備的縱向截面，圖Ib示出穿過用于改變多相射流的定向的噴嘴的截面，以及圖Ic示 出穿過用于改變多相射流的展幅的噴嘴的截面。-圖2示出已借助于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備發(fā)生偏向的雙相射流的圖，-圖3和圖4顯示了致動(dòng)射流的流量與霧化氣體射流的流量之間的比值對離開設(shè) 備的多相射流的偏離的影響，-圖5和圖6顯示了致動(dòng)射流的流量與霧化氣體射流的流量之間的比值對離開設(shè) 備的多相射流的加寬程度的影響，-圖7顯示了致動(dòng)射流的流量與霧化氣體射流的流量的比值對多相射流中的液體 顆粒的平均顆粒尺寸的影響。
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具體實(shí)施例方式本發(fā)明使用稱為致動(dòng)射流的氣態(tài)射流來控制由噴射裝置產(chǎn)生的多相射流的方向 (定向)和/或展幅，該噴射裝置在液體/氣體多相射流的情況下通常被稱為霧化裝置。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的包括氣體輔助型霧化裝置11和噴嘴15的設(shè)備。霧化裝置11包括用于供應(yīng)待噴射的液體的中央管道12和包圍該中央管道12并 用于供應(yīng)霧化氣體的環(huán)形管道13。中央管道12和環(huán)形管道13通向霧化裝置11的主開口 14。因此，液體射流在主開口的中心噴射并且在該主開口中被環(huán)形氣態(tài)霧化射流包圍。高 速環(huán)形射流的動(dòng)能使液體射流霧化，以便在主開口 14下游獲得在主方向X-X上的液體/氣 體雙相射流，液體/氣體分散體正好出現(xiàn)在霧化裝置的出口處。兩相射流中的液滴的典型尺寸以數(shù)十微米計(jì)。根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備包括用于噴射氣態(tài)致動(dòng)射流的通道16。對應(yīng)于所述通道16的 副開口 17位于在霧化裝置11的主開口 13下游的噴嘴15中。這些副開口 17位于垂直于 兩相射流的主軸線X-X的平面(分別地，圖Ib和圖Ic的平面)中。為四股致動(dòng)射流構(gòu)造示出了兩種不同的通道和對應(yīng)的副開口的設(shè)置。圖Ib顯示了致動(dòng)射流的徑向布局，也就是說，在此圖中，通道16和副開口 17定位 的方式是，從副開口 17發(fā)射的致動(dòng)射流具有副方向(通過箭頭表示)，其與兩相射流的主方 向X-X相交。本發(fā)明的該實(shí)施例使得能夠改變離開噴嘴15的出口開口 18的多相射流的方 向。圖Ic顯示了從副開口 17發(fā)射的致動(dòng)射流的切向布局。在此圖中，通道16和副開 口 17定位的方式是，從副開口 17發(fā)射的致動(dòng)射流的副方向(通過直箭頭表示)不與主方 向X-X共面，但全部定向在關(guān)于主方向的一個(gè)并且相同的旋轉(zhuǎn)方向(通過兩個(gè)彎曲箭頭表 示)上。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)射流沖擊在噴嘴內(nèi)部的多相射流上時(shí)，這引起從出口開口 18發(fā) 射的兩相射流的展幅的加寬。以下尺寸在圖1上標(biāo)出_同軸霧化裝置的尺寸D1 用于供應(yīng)液體的中央管道的直徑Dgi 環(huán)形霧化氣體管道的內(nèi)徑Dge 環(huán)形霧化氣體管道的外徑-控制系統(tǒng)的尺寸D。設(shè)備的出口開口的直徑H:與主方向X-X成直角的方向上測定的出口開口與主開口之間的距離Cl1 通道的第一特征尺寸d2 通道的第二特征尺寸d = yfd^+djL1 副開口的中心點(diǎn)與主平面之間的距離。L2 副開口的軸線的中心點(diǎn)與出口平面之間的距離。通常，距離Ll和L2介于副開口 17的截面積的平方根的一倍與十倍之間，其中，距 離Ll和L2是平行于主方向X-X測定的副開口 17的中心點(diǎn)分別與主開口 13的平面與出口
10開口 18的平面之間的距離。副開口 17的截面積的平方根對應(yīng)于在該副開口的致動(dòng)射流的 截面積。下文將副開口 17的截面積的平方根/在該副開口 17的出口處的致動(dòng)射流的截面 的平方根，稱為致動(dòng)射流的特征尺寸d。致動(dòng)射流的特征尺寸，對于對應(yīng)的通道16中的給定流體流量，決定致動(dòng)射流的動(dòng)量。為了實(shí)現(xiàn)多相射流的定向的明顯偏離(參見圖lb)，希望最大化噴射到噴嘴15中 的致動(dòng)射流的動(dòng)量與離開主開口 13的多相射流的動(dòng)量的比值，但應(yīng)注意以下事實(shí)在實(shí)踐 中，通道的特征尺寸一般受到制造限制。作用在多相射流上的副射流的數(shù)量將通常局限于四股，因?yàn)楦髷?shù)量的副射流不 會(huì)明顯提高設(shè)備和方法的性能，但會(huì)引起構(gòu)造困難和更高的制造成本。此外，由于致動(dòng)器定 位在接近主開口 13和出口開口 18的區(qū)域，所以由于空間方面的原因，這限制了它們的數(shù)量。下文的示例涉及根據(jù)本發(fā)明用于改變多相射流的定向或展幅的設(shè)備和方法的應(yīng)用。用于改變多相射流(示例1至3)的定向的設(shè)備實(shí)質(zhì)上如圖Ia和圖Ib所示，僅一 股致動(dòng)射流具有與噴射到噴嘴中的主方向相交的副方向。用于改變多相射流的展幅的設(shè)備(示例4至6)實(shí)質(zhì)上如圖Ia和圖Ic所示，噴射 四股致動(dòng)射流。在圖3至6中，ζ是在設(shè)備的出口開口下游的距離(沿主方向測定)，在ζ處分別 測量偏角(α)和加寬(L-Ltl)/!^在ζ = 0處的測量因此是直接在出口開口的出口處的測 量，Ltl是多相射流在ζ = 0時(shí)的寬度，也就是說，在出口開口處的寬度。控制參數(shù)在示例中(用于恒定的致動(dòng)射流特征寬度)，用于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法的操 作參數(shù)是一個(gè)或多個(gè)通道中的作為致動(dòng)射流的氣體流量和環(huán)形霧化射流中的氣體流量的 比值。對于本文獻(xiàn)中測定的所有結(jié)果而言，通過致動(dòng)器和霧化射流的氣體的總流量已保 持恒定。多相射流的偏離示例1至3 多相射流的偏離示例 1多相射流的偏向定義為離開噴嘴的出口開口 18的多相射流的方向與離開霧化裝 置的主開口的多相射流的主方向X-X之間的角度。該角度能夠使用背照射逆光照相法(ombroscopie)在控制室的出口從多相射流 的包絡(luò)線來測量(參見圖2)。圖2顯示了空氣輔助型霧化裝置產(chǎn)生的水的兩相射流或“噴射”的裝置和處理圖 像，該霧化裝置借助于該設(shè)備受到致動(dòng)射流的作用以改變多相射流的定向。用于本例的噴 射條件是水流量的大小為6g/s，環(huán)形霧化射流中的氣體流量的大小為1. 3g/s，并且致動(dòng) 器中的氣體流量為0.7g/s。所觀察到的兩相射流經(jīng)其偏向的角度為約30°。示例 2
圖3顯示了控制參數(shù)在用于改變多相射流的方向的設(shè)備(圖Ia和圖lb)中對兩 相射流的偏向的影響，其中D。= 7. 5mm并且(I1 = 3. 0mm。在此圖中首先應(yīng)該注意的是，液體射流的偏向角度隨著離開噴射器的距離增加而 減小。此結(jié)果可通過承受重力作用的液滴的彈道學(xué)來解釋(這里噴射器定位在向下豎直位置)。應(yīng)該特別注意的是，兩相射流的偏向角度大致隨著控制參數(shù)線性增加。此現(xiàn)象說 明，利用調(diào)節(jié)各氣態(tài)射流的動(dòng)量或流量的控制裝置，高動(dòng)態(tài)范圍(控制水平和射流能夠經(jīng) 其偏離的角度的較大幅度)和控制參數(shù)因此提供了對多相射流的方向的良好控制。另外，該第一構(gòu)造獲得的最大值大于通過公知非機(jī)械系統(tǒng)(例如，EP-A-0545357 的系統(tǒng))獲得的最大值。示例 3圖4顯示了控制參數(shù)在用于改變多相射流(圖Ia和圖lb)的方向的設(shè)備中對兩 相射流的偏向的影響，這里除D。= 5. 5mm以外，尺寸和操作條件與圖3中相同。因此，這種 情況下致動(dòng)器射流的副開口距離主開口不是很遠(yuǎn)(較小的H值)。該圖顯示了射流的偏向角度隨著控制水平而大幅增加之后的閾值效應(yīng)。此外，偏 離的最大幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前一情形中。因此，可通過適當(dāng)選擇距離H調(diào)節(jié)射流的偏向幅度和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍(控制 參數(shù)與獲得的射流的偏向之間的比值)。為了獲得很大的幅度，例如有50°或60°那么大，將使用范圍介于致動(dòng)射流的特 征尺寸d的0.5倍與1.50倍之間的距離H。相比之下，如果僅希望不具有閾值效應(yīng)(控制 參數(shù)與獲得的射流的偏離之間的大致線性關(guān)系)的基本偏離(30° )，則將選擇介于0與 0. 2Xd之間的距離。示例4和5 兩相射流的展幅從出口開口發(fā)射的多相射流的展幅基于兩相射流的包絡(luò)線限定，該包絡(luò)線如上所 述確定。在實(shí)踐中，確定射流的加寬水平為兩相射流在噴射器下游的給定距離的寬度的相 對變化。示例4 圖5顯示了“噴射”的加寬水平的變化，其作為用于切向布局的四股致動(dòng)射流的控 制參數(shù)的函數(shù)，其中H = 80mm并且dl = 3mm。能夠看到連續(xù)和線性演變直至控制參數(shù)= 5，同樣呈現(xiàn)很高的動(dòng)態(tài)范圍。示例 5 如圖6所示，對于切向定位的致動(dòng)器而言，通道的直徑Cl1,以及因此對于相同直徑 d2，還有通道的尺寸d，不會(huì)明顯改變控制的效果。在此圖中，SW2、SW3和SW5的不同之處在 于，在SW2中屯=2mm，在SW3中屯=3mm，并且在SW5中屯=5mm。示例6 兩相射流中的顆粒尺寸分布雖然致動(dòng)射流允許兩相射流的方向或其展幅如已經(jīng)看到的那樣改變，但它們也允 許改變顆粒尺寸分布，也就是說，它們可以改變液滴的尺寸分布。在此示例8中，使用馬爾 文(Malvern)光技術(shù)(通過顆粒分散光線)來測量平均尺寸(平均跳躍(Sauter)直徑)。圖7顯示了對于切向排列的四股致動(dòng)射流的平均跳躍直徑(D32)的變化。能夠看
12到，平均跳躍直徑在直徑Cl1較大(并且因此，在d2恒定、尺寸d較大)的情況下連續(xù)增加。 相比之下，在Cl1較小(并且因此，對于d2恒定，d較小)的情況下，顆粒的尺寸增加被快速 限制。通道以及因此副開口的尺寸選擇，以及由此帶來的致動(dòng)射流在對應(yīng)的副開口的出口 的截面積的尺寸選擇，例如將允許在對顆粒尺寸進(jìn)行或不進(jìn)行任何明顯改變的情況下將射 流打開得更寬。
權(quán)利要求
一種用于噴射可變方向和/或可變展幅多相射流的設(shè)備，所述設(shè)備包括噴射裝置，所述噴射裝置具有主開口，所述主開口用于在主方向上噴射具有受調(diào)節(jié)動(dòng)量的多相射流，所述主開口位于主平面中并且具有截面積Sp，以及噴嘴，所述噴射裝置的所述主開口通向所述噴嘴，所述噴嘴具有用于所述多相射流的出口開口，所述出口開口位于出口平面中并位于與所述噴射開口相對的一側(cè)上，以及具有副開口的至少一個(gè)通道，所述副開口用于將具有受調(diào)節(jié)動(dòng)量的氣體的致動(dòng)射流沿副方向噴射到所述噴嘴中，使得所述致動(dòng)射流在所述噴嘴內(nèi)部沖擊在所述多相射流上，所述副開口具有截面積Ss，所述副方向與垂直于所述主方向的平面形成角度θ，該角度θ小于90°并且大于或等于0°，優(yōu)選0°≤θ≤80°，更優(yōu)選0°≤θ≤30°。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個(gè)通道的所述副開口具有中心 點(diǎn)，所述中心點(diǎn)位于與所述主平面相距距離Ll并與所述出口平面相距距離L2處，其中Li、L2≤10x√Ss。
3.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述噴嘴由金屬制成。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，10.0。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于噴射可變方向多相射流的設(shè)備，其特征在于， 該設(shè)備包括至少一個(gè)通道，使得從副開口射出的所述致動(dòng)射流的相應(yīng)副方向與從所述主開 口射出的所述多相射流的所述主方向相交或接近相交。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括至少兩個(gè)以這樣的方式定向的 通道，使得從副開口發(fā)射的所述致動(dòng)射流的相應(yīng)副方向與從所述主開口發(fā)射的所述多相射 流的所述主方向相交或接近相交。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于噴射可變展幅多相射流的設(shè)備，其特征在于， 該設(shè)備包括至少一個(gè)通道，使得從副開口射出的所述致動(dòng)射流的相應(yīng)副方向與從所述主開 口射出的主射流的所述主方向基本上不共面。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括至少兩個(gè)以這樣的方式定向的 通道，使得從副開口射出的所述致動(dòng)射流的相應(yīng)副方向與從所述主開口射出的所述多相射 流的所述主方向基本上不共面，并且使得從副開口射出的相應(yīng)副射流沿著圍繞所述主方向 的同一旋轉(zhuǎn)方向定向。
9.一種借助如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備來改變多相射流的定向和/或展幅 的方法，在所述方法中由所述噴射裝置通過所述噴射裝置的所述主開口將多相射流噴射到所述噴嘴中，所述 多相射流沿著主方向被噴射并且具有受調(diào)節(jié)的動(dòng)量，通過通道的所述副開口將至少一股致動(dòng)射流噴射到所述噴嘴中，各致動(dòng)射流以受調(diào)節(jié) 的動(dòng)量沿著副方向被噴射，使得所述副射流在所述噴嘴內(nèi)部沖擊在所述多相射流上，所述 副方向與垂直于所述主方向的平面成角度θ，所述角度θ小于90°并且大于或等于0°， 優(yōu)選0°≤θ≤80°，更優(yōu)選0°≤θ≤30°，在所述方法中，通過改變至少一股致動(dòng)射流的受調(diào)節(jié)的動(dòng)量來改變離開所述噴嘴的出 口開口的多相射流的定向和/或展幅。
10.如權(quán)利要求9所述的用于改變多相射流的定向的方法，其特征在于，在所述方法中，噴射到所述噴嘴中的至少一股致動(dòng)射流的副方向與從所述主開口射出的所述多相射流 的主方向相交或接近相交，并且通過改變其副方向與所述主方向相交或接近相交的所述至 少一股致動(dòng)射流的受調(diào)節(jié)的動(dòng)量，來改變離開所述噴嘴的所述出口開口的所述多相射流的 所述展幅。
11.如權(quán)利要求9和10中任一項(xiàng)所述的用于改變多相射流的展幅的方法，其特征在于， 在所述方法中，噴射到所述噴嘴中的至少一股致動(dòng)射流的副方向與從所述主開口射出的所 述多相射流的所述主方向基本上不共面，并且，通過改變其副方向與所述主方向基本上不 共面的所述至少一股致動(dòng)射流的受調(diào)節(jié)的動(dòng)量，來改變離開所述噴嘴的所述出口開口的所 述多相射流的所述展幅。
12.如權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多相射流是液體/氣體 兩相射流或固體/氣體兩相射流。
13.如權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多相射流含有液氮的分 散體。
14.如權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多相射流包括液體燃料 和/或固體燃料的分散體。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多相射流是氣態(tài)氧化劑中的分散體。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)氧化劑具有體積百分比為至少 40%、優(yōu)選至少50%并且更優(yōu)選至少90%的氧含量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設(shè)備和一種方法，其用于通過多相射流與一股或多股致動(dòng)射流之間的流體相互作用來噴射具有可變方向和/或開度的多相射流。
文檔編號B05B7/08GK101909761SQ200980101941
公開日2010年12月8日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月10日
發(fā)明者B·拉貝戈?duì)? N·蓋澤內(nèi)克, T·普安索 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司;圖魯茲國立理工學(xué)院;科學(xué)研究國家中心