本發(fā)明涉及一種渦式除霧裝置，特別是涉及到利用一種渦狀流道離心去除氣流中的細(xì)小液滴的發(fā)明，去除氣流中的細(xì)小液滴也稱除霧。

背景技術(shù)：

目前除霧的方法很多，較為常用的除霧裝置有慣性式、折流板式、旋流板式、旋風(fēng)式、重力沉降式、電分離式、纖維絲網(wǎng)式除霧裝置等。各種除霧裝置的操作原理不盡相同，分別適用于不同的粒徑范圍。

１．慣性式除霧裝置，比較常見(jiàn)慣性式除霧裝置是依靠改變氣流的速度與方向，使被攜帶的密度較大的液滴由于慣性作用附著在裝置壁上集結(jié)后，靠重力流回。慣性式除霧裝置主要是依靠慣性碰撞和直接攔截機(jī)理達(dá)到氣液分離的。這種除霧裝置由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理量大，因此它在除霧裝置的發(fā)展初期被廣泛的采用。但是由于它本身的結(jié)構(gòu)所致，慣性式除霧裝置所能分離的液滴直徑比較大，不適合一些要求很高的場(chǎng)合。

２．折流板式除霧裝置，折流板式除霧裝置屬于慣性式除霧裝置，它是利用液滴與固體表面碰撞而將霧沫凝聚并捕集的，通過(guò)許多并聯(lián)的曲折通道，液滴在曲折通道的垂直壁面以及設(shè)在曲折處的陷阱中集結(jié)后，順壁下流，得以分離出來(lái)。由于液滴與壁面的碰撞機(jī)會(huì)多，分離效率較高，而氣流的壓降較小。

３．旋流板式除霧裝置，旋流板式除霧裝置是一種典型的基于離心分離原理的氣液分離器，旋流板由許多按一定仰角傾斜的葉片放置一圈，當(dāng)氣體穿過(guò)葉片間隙時(shí)就成為旋轉(zhuǎn)氣流，氣流中夾帶的液滴在慣性的作用下以一定的仰角射出而被甩向外側(cè)，匯集流到溢流槽內(nèi)，從而達(dá)到氣液分離的目的。

４．旋風(fēng)式除霧裝置主要利用離心分離的原理進(jìn)行除霧，含有液滴的氣體在一定速度下以切向進(jìn)入旋風(fēng)分離裝置依靠離心力的作用將液滴甩向筒壁，這時(shí)氣液發(fā)生分離，氣流沿頂部中心開(kāi)口流出，而液滴則受頂部擋水板的作用返回。這種形式的除霧裝置用于除霧效率較高，處理量大，因而應(yīng)用較廣。但阻力降往往較大，且需要占用一定的空間，設(shè)備費(fèi)用也較高。

５．重力沉降除霧裝置在氣體流道上設(shè)置膨大部分，氣體流速降低后，霧滴在重力作用下沉降去除。重力沉降除霧裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單可靠，但體積巨大，且只能用于去除大尺度霧滴。

６．電分離裝置在氣體流道兩側(cè)設(shè)置高壓靜電電極，形成電場(chǎng)，氣體從電場(chǎng)中流過(guò)，帶有電荷的液滴受電場(chǎng)作用，被電極分離。電分離裝置效率較高，可以去除小尺度液滴，但對(duì)液滴的介電常數(shù)有一定要求。此外，民用場(chǎng)合，高壓電具備一定危險(xiǎn)。

７．纖維絲網(wǎng)式除霧裝置采用纖維在一定厚度的空間內(nèi)形成多重大孔徑濾網(wǎng)構(gòu)造，單重濾網(wǎng)對(duì)液滴捕獲效率較低，多重構(gòu)造理論上可以獲得任意高去除率。實(shí)際上典型的纖維絲網(wǎng)分離裝置厚度一般在100mm以上，對(duì)細(xì)小液滴的去除率一般大于99.7%，壓力損失一般在200—1000pa范圍。對(duì)于細(xì)小液滴含量較高的氣體，纖維絲網(wǎng)分離裝置阻力通常有所增加。如果液滴不潔凈，長(zhǎng)期使用后，纖維絲網(wǎng)也存在堵塞或結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。

以上除霧技術(shù)對(duì)于充分去除粒徑微米級(jí)的細(xì)小液滴，例如直徑5微米以下細(xì)小液滴需縮小流道間距或孔徑、增加分離捕獲單元、增加流速，這樣同時(shí)阻力增加、雷諾數(shù)減小，雷諾數(shù)小于2300時(shí)形成層流夾帶，反而加大了去除難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積緊湊、重量小、壓降低、效率高、處理量大、使用范圍廣、分離質(zhì)量要求高的場(chǎng)合可以充分去除細(xì)小液滴的除霧裝置。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：本裝置由一組層疊放置的流道臂（6）構(gòu)成，流道臂之間的縫隙為渦狀流道(5)，渦狀流道的剖面為渦面，流道臂周圍用框架(7)或用開(kāi)口蓋（20）和底板（21）固定，使用時(shí)豎直或水平固定于氣流通道中，裝置周邊密封，使氣流經(jīng)周圍縫隙按氣流方向（8）進(jìn)入，從在流道臂中間空間匯集后經(jīng)頂層環(huán)口（25）或開(kāi)口蓋開(kāi)口（26）按氣流方向（23）流出；流道臂可制成環(huán)形、橫條形、豎條形，一組環(huán)形流道臂層疊形狀可成半球狀、桶狀、錐狀、圓臺(tái)狀、半圓狀，一組橫條形流道臂層疊形狀可成板狀、梯臺(tái)狀，一組豎條形流道臂層疊形狀可成板狀、桶狀、錐狀、半圓狀；渦狀流道內(nèi)兩側(cè)壁水平剖面（即渦面邊界）為同原點(diǎn)（o）的兩條等長(zhǎng)等角螺線（也稱對(duì)數(shù)螺線）弧，兩弧夾角為θ，其中的一條弧(9)沿原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度θ后可以與另一條?。?0）重合；在極坐標(biāo)中，等角螺線的方程是：ρ=αe^(φk)，其中：α和k為常數(shù)，φ是極角，ρ是極徑，e是自然對(duì)數(shù)的底，此方案中極點(diǎn)即是原點(diǎn)，極徑ρ用p代替以區(qū)別于密度ρ；等角β為一條等角螺線弧上兩相鄰極徑（pn與pn+1）的夾角，等角β=π/m(m為等角個(gè)數(shù)，m≥2)，等角螺線弧兩端點(diǎn)極角即兩端點(diǎn)極徑（p1與pn+1）的夾角φ=mβ（φ≤π），x=e^(βk)則lnx=βk（x>0且x≠1，當(dāng)x>1時(shí)，等角螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率為漸??；當(dāng)x﹤1時(shí)，等角螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率為漸大）；等角β對(duì)應(yīng)等角螺線上弧n（n為弧的條數(shù)，n≥1）的圓周角等于β，弧n的曲率半徑為rn，當(dāng)x>1時(shí)rn=[（xp-pcosβ）^2+（psinβ）^2]^(1/2)/[2sin(β/2)]，當(dāng)x﹤1時(shí)rn=[（p-xpcosβ）^2+（xpsinβ）^2]^(1/2)/[2sin(β/2)]，相鄰弧為等角弧，相鄰弧的曲率半徑為xrn；兩條等長(zhǎng)等角螺線弧的同原點(diǎn)夾角θ=2π/n(n取斐波那契數(shù)列中一項(xiàng)，且n≥3)；等角螺線的特性是相鄰兩等角弧n和弧n+1連接點(diǎn)共切線、共法線，曲率變化時(shí)角速度變化，而線速度不變。等角螺線弧符合渦線定義，流道內(nèi)兩側(cè)壁水平投影均為渦線，流道為渦狀，根據(jù)渦線保持定理，理想、正壓流體若質(zhì)量力有勢(shì)，則在某一時(shí)刻組成渦線的流體質(zhì)點(diǎn)在此以前或以后的任何時(shí)刻永遠(yuǎn)組成渦線。經(jīng)過(guò)流道的氣流流線均為渦線，流道內(nèi)渦線保持。根據(jù)渦面保持定理，理想、正壓流體若外力有勢(shì)，則在某一時(shí)刻組成渦面的流體質(zhì)點(diǎn)在此以前或以后的任何時(shí)刻永遠(yuǎn)組成渦面。流道內(nèi)渦線組成渦面，流道內(nèi)渦面保持。

計(jì)算等角螺線弧中的等角β、弧n的曲率半徑rn、弧n的極徑pn和pn+1，等角螺線的方程為pn=pn+1e^(βk)；計(jì)算等角螺線弧兩端點(diǎn)極角φ和兩端點(diǎn)極徑p1與pn+1，等角螺線的方程為p1=pn+1e^(φk)。

例1：設(shè)m=2，x=1.618，n=5，則β=π/2，k=lnx/β=0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/5，r1=1.345p1，r2=1.618r1=2.176p1，該流道內(nèi)兩側(cè)壁的等角螺線弧為黃金螺線弧，黃金螺線弧兩端極徑比p1：pn+1=1：2.618，其螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率漸小，旋轉(zhuǎn)方向上相鄰弧n與弧n+1的曲率半徑比為1:1.618，等角度為90°，極角180°，流道內(nèi)兩側(cè)壁夾角為72°，流道內(nèi)的氣流流線均為黃金渦線。

例2：設(shè)m=2，x=0.618，n=13，則β=π/2，k=lnx/β=（–）0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/13，r1=0.831p1，r2=0.618r1=0.514p1；r1=10mm，r2=6.18mm，p1=12.034mm，p2=7.437mm，p3=4.596mm該流道內(nèi)兩側(cè)壁的等角螺線弧為黃金螺線弧，黃金螺線弧兩端極徑比p1：pn+1=1:0.382，其螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率漸大，旋轉(zhuǎn)方向上相鄰弧n與弧n+1的曲率半徑比為1:0.618，等角度為90°，極角180°，流道兩壁夾角為27.69°，流道內(nèi)的氣流流線均為黃金渦線，例2與例1螺線旋轉(zhuǎn)方向相反。

例3：設(shè)m=6，x=2，n=8，則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=76.608p1，該流道內(nèi)兩側(cè)壁的等角螺線弧為6個(gè)等角度30°弧n相連，兩端極徑比p1：pn+1=1：64，其螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率漸小，旋轉(zhuǎn)方向上相鄰弧n與弧n+1的曲率半徑比為1:2，等角度為30°，極角180°，流道兩壁夾角為45°，流道內(nèi)的氣流流線均為渦線。

例4：設(shè)m=6，x=1/2，n=13，則β=π/6，k=lnx/β=（–）1.32381359，φ=4β=2π/3，θ=2π/13，r1=1.197p1，r2=（1/2）r1=0.599p1，r3=（1/2）r2=0.300p1，r4=（1/2）r3=0.150p1；n=4，r1=10mm，r2=（1/2）r1=5mm，r3=（1/2）r2=2.5mm，r4=（1/2）r3=1.25mm，p1=8.354mm，p2=4.177mm，p3=2.088mm，p4=1.044mm，p5=0.522mm，該流道內(nèi)兩側(cè)壁的等角螺線弧為4個(gè)等角度30°弧n相連，兩端極徑比p1：pn+1=1：0.0625，其螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率漸大，旋轉(zhuǎn)方向上相鄰弧n與弧n+1的曲率半徑比為2:1，等角度為30°，極角120°，流道兩壁夾角為27.69°，流道內(nèi)的氣流流線均為渦線。

無(wú)論如何計(jì)算等角螺線旋轉(zhuǎn)方向，本裝置內(nèi)氣流從渦狀流道寬口處流入，窄口處流出，等角螺線旋轉(zhuǎn)方向統(tǒng)一按曲率漸大計(jì)算或按曲率漸小計(jì)算后k值按負(fù)數(shù)再折算回來(lái)。

渦狀流道豎直放置時(shí)，氣流為等高流動(dòng)，根據(jù)渦面保持定理和渦線保持定理，渦狀流道內(nèi)的渦面和渦線均可保持；根據(jù)文丘里效應(yīng)，該效應(yīng)表現(xiàn)在受限流動(dòng)在通過(guò)縮小的過(guò)流斷面時(shí)，流體出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，其流速與過(guò)流斷面成反比，渦狀流道過(guò)流斷面沿等角螺線旋轉(zhuǎn)方向漸縮變窄，壓強(qiáng)減小，流速增加；伯努利方程：p+(1/2)ρv²+ρgh=c（c為常量），等高流動(dòng)則p+(1/2)ρv²=c，則壓強(qiáng)差c–p=(1/2)ρv²，則氣流中細(xì)小液滴的壓力差為壓強(qiáng)差與迎風(fēng)面積s的乘積再乘以阻力系數(shù)，故f=（c﹣p）sc阻力系數(shù)=(1/2)ρv²sc阻力系數(shù)為氣流阻力，氣流阻力方向與氣流速度方向相同；渦狀流道水平放置或略有水平夾角放置時(shí)，因流道高差引起勢(shì)能變化ρg（h2-h1）小于動(dòng)能變化(1/2)ρ（v2²-v1²）的10%時(shí)或高差小于15毫米，重力影響忽略不計(jì)，適用等高流動(dòng)的伯努利方程。

富含細(xì)小液滴的氣流經(jīng)過(guò)豎直放置的渦狀流道時(shí)，形成渦流，各質(zhì)點(diǎn)沿流道向內(nèi)渦旋前進(jìn)，流道變窄，壓強(qiáng)減小，流速增加，流道各質(zhì)點(diǎn)跡線為流道內(nèi)渦線，流道內(nèi)渦線為等角螺線弧，質(zhì)點(diǎn)沿等角螺線弧各弧n做變速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)半徑為弧n的曲率半徑rn，空氣阻力保持向心運(yùn)動(dòng)平衡，渦狀流道內(nèi)的渦面和渦線均保持，等角螺線向內(nèi)旋轉(zhuǎn)過(guò)等角β時(shí)，弧n+1曲率半徑在法線方向上收縮了1–e^(–β|k|)倍，弧n+1的曲率半徑rn+1是弧n的曲率半徑rn的e^(–β|k|)倍，一定粒徑的細(xì)小液滴受同向空氣阻力作用經(jīng)過(guò)此處時(shí)，根據(jù)f向=mv²/r，線速度不變，流道內(nèi)的向心力半徑減小，向心力角速度增加，f向=mv²/[rn×e^(–β|k|)]，此時(shí)通過(guò)流道所需向心力增加[1–e^(–β|k|)]/e^(–β|k|)倍，而空氣阻力需立刻因流道變窄到弧n+2的位置寬度時(shí)，線速度才增加[1–e^(–β|k|)]/e^(–β|k|)倍，那么此時(shí)線速度不變，空氣阻力遠(yuǎn)小于所需向心力，一定粒徑的細(xì)小液滴的迎風(fēng)面積s固定不變，線速度即刻不增加，空氣阻力f空=(1/2)ρ空氣v²sc阻力系數(shù)不增加，因此細(xì)小液滴無(wú)力通過(guò)下一段流道，而被離心分離，甩到流道旋向外側(cè)而后著壁；此處相對(duì)更小尺度的細(xì)小液滴，半徑更小，迎風(fēng)面積更小，空氣阻力f空=(1/2)ρ空氣v²sc阻力系數(shù)=（c﹣p）sc阻力系數(shù)，粒徑不同的細(xì)小液滴受力比等于迎風(fēng)面積比即等于其半徑的平方比，根據(jù)f向=mv²/r，空氣阻力f空=f向，則mv²/r=（c﹣p）sc阻力系數(shù)，則r=mv²/（c﹣p）sc阻力系數(shù)……③，公式③中質(zhì)量與面積用密度和體積替換，m/s=ρ液v球/s，細(xì)小液滴視為球體，體積約掉面積得m/s=(4/3)rρ液，帶回公式③則r=(4/3)rρ液v²/（c﹣p）c阻力系數(shù)可知變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑r與細(xì)小液滴半徑r成正比，線速度不變且與氣流速度相同，其它參數(shù)均為定值，那么r越小則運(yùn)動(dòng)半徑r越小，不同粒徑的細(xì)小液滴受力比等于其半徑的平方比，設(shè)粒徑不同的細(xì)小液滴1和細(xì)小液滴2，r1>r2，且細(xì)小液滴1剛好通過(guò)弧n即被分離，則它們所受空氣阻力f空1：f空2=（c﹣p）s1c阻力系數(shù)：（c﹣p）s2c阻力系數(shù)=s1：s2=r1²：r2²，又因它們同時(shí)通過(guò)了弧n流道，則f向1=m1v²/rn，f向2=m2v²/rn，故f向1/f向2=m1/m2，質(zhì)量m用密度和體積替換后得f向1/f向2=r1³/r2³，因細(xì)小液滴1剛好通過(guò)弧n即被分離，則f向1=f空1，因f向1=f向2（r1³/r2³），f空1=f空2（r1²/r2²），則f向2（r1³/r2³）=f空2（r1²/r2²）簡(jiǎn)化為f空2/f向2=r1/r2，顯然f空2>f向2，而等角螺線向內(nèi)旋轉(zhuǎn)過(guò)等角β時(shí)，細(xì)小液滴1剛好通過(guò)弧n即被分離，則f空1＜f向n+1=f向n/e^(–β|k|），因細(xì)小液滴2的f空2>f向2且f空2/f向2=r1/r2，則需f空2>f向2+1即f空2>f向2/e^(–β|k|），細(xì)小液滴2才可通過(guò)弧n與弧n+1的共法線位置而繼續(xù)做變速圓周運(yùn)動(dòng)，將f空2/f向2=r1/r2代入f空2>f向2/e^(–β|k|）可得：r2＜e^(–β|k|）r1也就是說(shuō)細(xì)小液滴的半徑小于e^(–β|k|）r1時(shí)，可以連續(xù)通過(guò)弧n與弧n+1，而半徑大于等于e^(–β|k|）r1的細(xì)小液滴皆被分離著壁。氣流繼續(xù)前進(jìn)，隨著渦狀流道曲率漸次增大，漸次有相對(duì)更小尺度的細(xì)小液滴被分離著壁。

渦狀流道水平放置或略有水平夾角放置時(shí)，重力影響忽略不計(jì)時(shí)，參照豎直放置方法。

本發(fā)明是利用渦狀流道的渦旋結(jié)構(gòu)曲率變化時(shí)，流體線速度和角速度變化不同步，進(jìn)而導(dǎo)致流體夾帶物的受力瞬時(shí)變化而將其與流體分離。

富含細(xì)小液滴的氣流通過(guò)渦狀流道時(shí)，渦旋前進(jìn)；渦狀流道過(guò)流斷面由外向內(nèi)漸進(jìn)縮窄，流速增加，壓強(qiáng)減??；渦狀流道內(nèi)兩側(cè)壁均為等長(zhǎng)的等角螺線，等角螺線有自我相似的特性，另外，等角螺線相鄰兩等角弧連接點(diǎn)共切線、共法線，曲率變化時(shí)角速度變化，而線速度不變。設(shè)氣流為理想流體，等高流動(dòng)，水平面上沿等角螺線圍繞通過(guò)原點(diǎn)的垂線做變速運(yùn)動(dòng)，線速度增加，運(yùn)動(dòng)方向圍繞通過(guò)原點(diǎn)的垂線不斷改變，則氣流質(zhì)點(diǎn)的水平流線也均為等角螺線，質(zhì)點(diǎn)的水平跡線與水平流線重合，過(guò)流斷面沿水平流向漸縮；將質(zhì)點(diǎn)的水平受力情況拆分，每轉(zhuǎn)過(guò)等角的等角螺線弧均為圓周弧，圓心固定，在這段等角螺線弧上運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)受法向分力作用繞圓心做變速圓周運(yùn)動(dòng)，法向分力即向心力，方向指向圓心，法向分力是指向原點(diǎn)水平垂線運(yùn)動(dòng)力的分力，該向心力只改變線速度的方向，不改變線速度的大小，而指向原點(diǎn)水平垂線運(yùn)動(dòng)力的另一個(gè)切向分力，與線速度同向，該切向分力不改變線速度方向，只改變線速度的大小，則質(zhì)點(diǎn)各方向的阻力平衡，氣體沿渦狀流道做變速圓周運(yùn)動(dòng)可順利通過(guò)流道；假設(shè)空氣為理想氣體，細(xì)小液滴以細(xì)小水珠為主（以下簡(jiǎn)稱水珠，因水珠體積小表面曲率大，表面張力大，可視為球體），水珠在水平面上與等角螺線?。u線）上的空氣阻力平衡，水珠均可沿等角螺線弧隨空氣分子同步運(yùn)動(dòng)并順暢通過(guò)該段渦狀流道，水珠法向受到空氣阻力產(chǎn)生的向心力指向等角螺線弧的曲率中心（圓心），水珠受向心力作用做變速圓周運(yùn)動(dòng)，

則向心力f向=mv²/r,空氣阻力f空=(1/2)cρ空氣sv²,

f向=f空，mv²/r=(1/2)cρ空氣sv²,

m為水珠質(zhì)量，r為水珠變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑，c為空氣阻力系數(shù)，球體的空氣阻力系數(shù)為0.5，s為迎風(fēng)面積即水珠大圓面積，v為線速度，水珠與氣流同向運(yùn)動(dòng)，線速度相同，

則m/r=(1/2)cρ空氣s，

r=m/((1/2)cρ空氣s)；……①

因m=ρ水v球,

則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空氣s)，

r=m/s×1/((1/2)cρ空氣)=(4/3)rρ水/((1/2)cρ空氣)，

因c=0.5，

則r=(16/3)rρ水/ρ空氣

所以：渦狀流道中，水珠受法向向心力做變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑r與切向線速度大小無(wú)關(guān)，與水珠半徑r成正比，與水的密度成正比，與空氣密度成反比；相同尺度水珠做變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑相同，固定尺度水珠運(yùn)動(dòng)半徑為定值。依公式r=(16/3)rρ水/ρ空氣可知變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑r為平衡半徑，對(duì)應(yīng)半徑r的細(xì)小水珠在半徑大于r的圓周流道中運(yùn)動(dòng)所受空氣阻力大于向心力做向心運(yùn)動(dòng)；在半徑小于r的圓周流道中運(yùn)動(dòng)所受空氣阻力小于向心力做離心運(yùn)動(dòng)；在半徑等于r的圓周流道中運(yùn)動(dòng)所受空氣阻力等于向心力做圓周運(yùn)動(dòng)。

因伯努利方程：p+(1/2)ρv²+ρgh=c（c為常量），水平等高流動(dòng)時(shí)p+(1/2)ρv²=c（c為常量），則理想空氣中，氣流攜帶迎風(fēng)面積為s的水珠在渦狀流道的弧n中通過(guò)，水珠在渦線上某點(diǎn)受到壓力差（即空氣阻力）(1/2)c阻力系數(shù)ρ空氣sv²=（c﹣p）sc阻力系數(shù)，而f向=mv²/rn；流動(dòng)中渦面漸窄，過(guò)流斷面漸小，流速增加，根據(jù)文丘里效應(yīng)，其流速與過(guò)流斷面成反比，過(guò)流斷面減小，壓強(qiáng)減小，線速度v增大，因等角螺線的自我相似性和等高流動(dòng)，過(guò)流斷面減小等比于渦狀流道寬度減小，渦狀流道的寬度減小就是渦狀流道兩側(cè)內(nèi)壁等角螺線弧的逐漸靠近，因兩等角螺線弧是共原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，兩等角螺線弧的同端各連線，其連線長(zhǎng)度比等于等角螺線弧的極徑比，兩等角弧n同端連線長(zhǎng)度比等于弧n極徑比，故過(guò)流斷面在弧n兩端的面積比值等于弧n兩端極徑比，也就是氣流從弧n的一端流到另一端，其線速度比v2：v1反比于弧n兩端極徑比即v2：v1=1：e^(–β|k|)，線速度v在弧n上漸進(jìn)增大；當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)渦狀流道曲率半徑縮小的法線（弧n和弧n+1的共法線）時(shí)rn+1=rn×e^(–β|k|)，線速度v即刻不增加，迎風(fēng)面積為s的水珠所受壓力差（即空氣阻力）為(1/2)c阻力系數(shù)ρ空氣sv²不變，而該點(diǎn)所需向心力f向=mv²/rn+1=mv²/[rn×e^(–β|k|)]，同時(shí)角速度ω=v/rn+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，即水珠在此處繼續(xù)通過(guò)而做更大曲率的圓周運(yùn)動(dòng)需增大空氣阻力，此時(shí)線速度不隨角速度變化即與線速度無(wú)關(guān)，迎風(fēng)面積為s的水珠無(wú)法通過(guò)渦狀流道的弧n+1段，而被分離著壁，若水珠在弧n流道運(yùn)行所受空氣阻力原本就大于曲率半徑縮小后所需的向心力則仍可通過(guò)渦狀流道的弧n+1段。

尺度更小的水珠，迎風(fēng)面積更小，設(shè)水珠a的半徑ra和水珠b的半徑rb，ra>rb，因公式r=(16/3)rρ水/ρ空氣，則ra=(16/3)raρ水/ρ空氣，rb=(16/3)rbρ水/ρ空氣

則ra>rb，渦狀流道弧n半徑為ra，空氣阻力f空a=（c﹣p）sc阻力系數(shù)=πra²（c﹣p）c阻力系數(shù)，向心力f向a=mav²/ra，水珠a剛好通過(guò)弧n而被分離，則mv²/ra=πra²（c﹣p）c阻力系數(shù)，對(duì)于更小尺度的水珠b在通過(guò)弧n時(shí)，空氣阻力f空b=（c﹣p）sc阻力系數(shù)=πrb²（c﹣p）c阻力系數(shù)，向心力f向b=mbv²/ra，因ra>rb則mbv²/rb>mbv²/ra，f空b=mbv²/rb>mbv²/ra即空氣阻力大于向心力，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)渦狀流道曲率半徑縮小的法線（弧n和弧n+1的共法線）時(shí)ra+1=ra×e^(–β|k|)，需空氣阻力大于向心力f空b=mbv²/rb>mbv²/[ra×e^(–β|k|)]簡(jiǎn)化為rb＜ra×e^(–β|k|)，因r=(16/3)rρ水/ρ空氣代入rb＜ra×e^(–β|k|)得rb＜ra×e^(–β|k|)，即水珠b的半徑小于水珠a半徑的e^(–β|k|)倍可繼續(xù)順利通過(guò)弧n+1。下一段弧n+1的渦狀流道分離原理同上。

空氣中細(xì)小液滴的形狀、受力情況接近于水珠，同理可得：r液=(16/3)r液ρ液/ρ氣，

渦狀流道中，細(xì)小液滴受法向向心力做變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑r液與切向線速度大小無(wú)關(guān)，與細(xì)小液滴半徑r液成正比，與細(xì)小液滴的密度成正比，與氣體密度成反比；相同尺度細(xì)小液滴做變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑相同，固定尺度細(xì)小液滴運(yùn)動(dòng)半徑為定值。依公式r液=(16/3)r液ρ液/ρ氣可知變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑r液為平衡半徑，對(duì)應(yīng)半徑r液的細(xì)小液滴在半徑大于r液的圓周流道中運(yùn)動(dòng)所受氣體阻力大于向心力做向心運(yùn)動(dòng)；在半徑小于r液的圓周流道中運(yùn)動(dòng)所受氣體阻力小于向心力做離心運(yùn)動(dòng)；在半徑等于r液的圓周流道中運(yùn)動(dòng)所受氣體阻力等于向心力做圓周運(yùn)動(dòng)。

常見(jiàn)的細(xì)小液滴粒徑是微米級(jí)，從上式：r液=(16/3)r液ρ液/ρ氣可知直徑1微米細(xì)小液滴半徑r=0.5μm，其在渦狀流道內(nèi)的變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑r=(16/3)rρ水/ρ氣=(16/3)×0.5μm×1000㎏/m³÷1.293㎏/m³=2.062mm，那么采用弧n曲率半徑小于2.062mm的渦狀流道可以去除直徑1微米細(xì)小液滴；直徑5微米細(xì)小液滴半徑r=2.5μm，其在渦狀流道內(nèi)的變速圓周運(yùn)動(dòng)半徑r=10.31mm，所以1—5微米的細(xì)小液滴可以采用弧半徑10.31mm至2.062e^(–β|k|)mm的渦狀流道連續(xù)去除。

本裝置的排水方向與氣流方向垂直或同向，渦狀流道富集液膜，液體靠重力下流，匯集在底板或框架底部，匯集后從底部孔隙或沿氣流反方向從氣流入口底部流出。

實(shí)踐中氣流情況要復(fù)雜一些，渦狀流道內(nèi)存在氣液傳質(zhì)、溫度變化、不同尺度的液滴存在蒸發(fā)、冷凝、碰撞、形狀變化，通常氣流含有較高的濕度甚至超飽和濕度，根據(jù)查理定律：p=p0(1+t/273)、伯努利方程：p+(1/2)ρv²=c（c為常量）和文丘里效應(yīng)：過(guò)流斷面與流體速度成反比，則渦狀流道漸縮過(guò)程中氣流壓強(qiáng)減小、速度增加、溫度降低，水蒸氣冷凝放熱，熱量被降溫后的氣流吸收并帶走，完成熱交換功能，使渦狀流道整體溫度降低，增加水蒸氣的冷凝液滴，增大細(xì)小液滴尺度，進(jìn)而增強(qiáng)離心分離效果。因此，本裝置具有一定的除濕功能，加裝儲(chǔ)液桶、超聲造霧器或壓力造霧裝置或液體噴霧裝置、循環(huán)泵、循環(huán)裝置可加強(qiáng)除濕效果，使被本裝置收集的水或液體霧化后作為工作霧再進(jìn)入裝置內(nèi)的渦狀流道，渦狀流道內(nèi)的霧量增加、濕度進(jìn)一步飽和，水蒸氣冷凝成霧，工作霧、冷凝新增霧和氣流中的細(xì)小液滴混合并共同被離心分離，冷凝分離后熱量被氣流帶走，裝置內(nèi)部有水或液體流經(jīng)的部分結(jié)構(gòu)溫度會(huì)降低，連續(xù)循環(huán)工作一段時(shí)間，水或液體的溫度及裝置內(nèi)部溫度可以連續(xù)降低，導(dǎo)致冷凝除濕效果進(jìn)一步增強(qiáng)；因查理定律p=p0(1+t/273)、伯努利方程p+(1/2)ρv²=c（c為常量），則p0(1+t/273)=c-(1/2)ρv²，p0=101325pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，ρ=1.293kg/m3，當(dāng)p0=c時(shí)，t=﹣(273/2)ρv²/p0；增加等角弧條數(shù)、減小等角弧的曲率半徑均可以明顯增加降溫效果，提高除濕效率，在一定空間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的累加除濕效果更好，更適合濕量有限的民用場(chǎng)所。

雷諾數(shù)物理上表示慣性力和粘性力量級(jí)的比，屬于切向量，本發(fā)明涉及的技術(shù)方案是通過(guò)改變水平流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)來(lái)改變目標(biāo)流體的運(yùn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離，屬于改變法向量，法向量和切向量垂直，對(duì)于本裝置氣流中的細(xì)小液滴，氣流阻力無(wú)法維持半徑小于平衡半徑的變速圓周運(yùn)動(dòng)，法向受力方向改變，改變法向力方向時(shí)法向速度為零，與線速度無(wú)關(guān)，不受慣性力和粘性力影響，所以不考慮雷諾數(shù)。

本裝置運(yùn)行一段時(shí)間，渦狀流道內(nèi)壁兩側(cè)都會(huì)富集水膜或液膜，水膜或液膜靠重力流至底板，匯集一定液面高度后反向流出氣流入口，液面高度因液體不同而異，考慮這個(gè)液面高度會(huì)影響氣流進(jìn)入量，可以按此液面高度增加渦狀流道內(nèi)壁高度，同時(shí)保持實(shí)際氣流入口、進(jìn)口出氣流量均衡。

本裝置制作時(shí)，先按公式r液=(16/3)r液ρ液/ρ氣對(duì)應(yīng)主要組分的細(xì)小液滴半徑、密度和氣體密度計(jì)算出平衡半徑，實(shí)體制作半徑可叫作離心半徑，離心半徑小于平衡半徑，以增強(qiáng)除霧除濕效果；增加等角螺線弧弧n數(shù)，可以增強(qiáng)除霧效果；縮小等角螺線弧極徑比，可以增強(qiáng)除霧效果；減小旋轉(zhuǎn)角度360°/n，即增加n(n取斐波那契數(shù)列中一項(xiàng)，且n≥3)也是減小過(guò)流斷面寬度，可以增強(qiáng)除霧效果。流道臂的層疊形狀取決于在氣流通道中方便放置的形式，渦狀流道的進(jìn)風(fēng)口截面積之和不小于氣流通道截面積。設(shè)計(jì)時(shí)注意避免進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口互相遮擋。

本發(fā)明的有益效果是，提高去除效率，兼有除濕功能，結(jié)構(gòu)小巧，使用簡(jiǎn)單，制造與運(yùn)行成本低廉的產(chǎn)品。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式一的結(jié)構(gòu)三視圖、剖面圖。

圖1中1.剖面圖a’-a’，2.正視圖，3.俯視圖，4.側(cè)視圖，5.渦狀流道，6.流道臂，7.框架，8.氣流流入方向，23.氣流流出方向，25.頂層環(huán)口。

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式一的結(jié)構(gòu)剖面圖放大圖。

圖2中5.渦狀流道，6.流道臂，8.氣流流入方向，23.氣流流出方向，25.頂層環(huán)口。

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式一的結(jié)構(gòu)剖面圖局部放大圖。

圖3中5.渦狀流道，6.流道臂，8.氣流流入方向，9.側(cè)壁等角螺線弧，10.側(cè)壁等角螺線弧，23.氣流流出方向，24.渦狀流道出口氣流方向，o1.側(cè)壁等角螺線?。?）弧1圓心，o2.側(cè)壁等角螺線?。?）弧2圓心，o3.側(cè)壁等角螺線弧（9）弧3圓心，o4.側(cè)壁等角螺線?。?）弧4圓心，o1′.側(cè)壁等角螺線弧（10）弧1圓心，o2′.側(cè)壁等角螺線?。?0）弧2圓心，o3′.側(cè)壁等角螺線弧（10）弧3圓心，o4′.側(cè)壁等角螺線?。?0）弧4圓心。

圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式一的渦狀流道截面流場(chǎng)示意圖。

圖4中9.側(cè)壁等角螺線弧，10.側(cè)壁等角螺線弧，11.流線，12.流線，13.流線，14.流線，o.原點(diǎn)，o1.側(cè)壁等角螺線?。?）弧1圓心，o2.側(cè)壁等角螺線?。?）弧2圓心，o3.側(cè)壁等角螺線?。?）弧3圓心，o4.側(cè)壁等角螺線?。?）弧4圓心，β.等角，θ.等角螺線弧原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角，p1.極徑，p2.極徑，p3.極徑，p4.極徑，p5.極徑，r1.弧1半徑，r2.弧2半徑，r3.弧3半徑，r4.弧4半徑，h1.等角β弧1，h2.等角β弧2，h3.等角β弧3，h4.等角β弧4。

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式二的結(jié)構(gòu)三視圖、剖面圖、透視圖。

圖5中5.渦狀流道，6.流道臂，8.氣流流入方向，15.剖面圖b’-b’，16.正視圖，17.俯視圖，18.側(cè)視圖，19.透視圖，20.開(kāi)口蓋，21.底板，23.氣流流出方向，26.開(kāi)口蓋開(kāi)口。

圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方式二的結(jié)構(gòu)剖面圖放大圖。

圖6中5.渦狀流道，6.流道臂，8.氣流流入方向，24.渦狀流道出口氣流方向。

圖7是本發(fā)明具體實(shí)施方式二的結(jié)構(gòu)剖面圖局部放大圖。

圖7中5.渦狀流道，6.流道臂，8.氣流流入方向，9.側(cè)壁等角螺線弧，10.側(cè)壁等角螺線弧，24.渦狀流道出口氣流方向，o1.側(cè)壁等角螺線?。?）弧1圓心，o2.側(cè)壁等角螺線?。?）弧2圓心，o1′.側(cè)壁等角螺線?。?0）弧1圓心，o2′.側(cè)壁等角螺線?。?0）弧2圓心。

圖8是本發(fā)明具體實(shí)施方式二的渦狀流道截面流場(chǎng)示意圖。

圖8中9.側(cè)壁等角螺線弧，10.側(cè)壁等角螺線弧，11.流線，12.流線，13.流線，14.流線，22.流線，o.原點(diǎn)，o1.側(cè)壁等角螺線?。?0）弧1圓心，o2.側(cè)壁等角螺線?。?0）弧2圓心，o1′′.側(cè)壁等角螺線?。?）弧1圓心，o2′′.側(cè)壁等角螺線?。?）弧2圓心，o1′.流線（22）弧1圓心，o2′.流線（22）弧2圓心，β.等角，θ.等角螺線弧原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角，p1.極徑，p2.極徑，p3.極徑，r1.弧1半徑，r2.弧2半徑，h1.等角弧1，h2.等角弧2，a.側(cè)壁等角螺線?。?0）端點(diǎn)，a′.流線（22）端點(diǎn)，a′′.側(cè)壁等角螺線?。?）端點(diǎn)，b.側(cè)壁等角螺線?。?0）相鄰兩等角弧連接點(diǎn)曲率變化點(diǎn)，b′.流線（22）相鄰兩等角弧連接點(diǎn)曲率變化點(diǎn)，b′′.側(cè)壁等角螺線弧（9）相鄰兩等角弧連接點(diǎn)曲率變化點(diǎn)，c.側(cè)壁等角螺線弧（10）端點(diǎn)，c′.流線（22）端點(diǎn)，c′′.側(cè)壁等角螺線弧（9）曲率變化點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一

去除空氣氣流中的霧，主要組分直徑5微米的細(xì)小水珠，則r=(16/3)rρ水/ρ空氣，r=10.31mm，本裝置制作半徑取r制=10mm，r制＜r為離心半徑。設(shè)m=6，x=1/2，n=13，則β=π/6，k=lnx/β=（–）1.32381359，φ=4β=2π/3，θ=2π/13，r1=1.197p1，r2=（1/2）r1=0.599p1，r3=（1/2）r2=0.300p1，r4=（1/2）r3=0.150p1；n=4，r1=10mm，r2=（1/2）r1=5mm，r3=（1/2）r2=2.5mm，r4=（1/2）r3=1.25mm，p1=8.354mm，p2=4.177mm，p3=2.088mm，p4=1.044mm，p5=0.522mm，該流道內(nèi)兩側(cè)壁的等角螺線弧為4個(gè)等角度30°弧n相連，兩端極徑比p1：pn+1=1：0.0625，其螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率漸大，旋轉(zhuǎn)方向上相鄰弧n與弧n+1的曲率半徑比為2:1，等角度為30°，極角120°，流道兩壁夾角為27.69°，流道內(nèi)的氣流流線均為渦線。

如圖1.所示，本裝置流道臂（6）為水平環(huán)狀，層疊放置成半球狀，有框架（7）連接固定，在氣流通道中固定后，氣流從底部進(jìn)入從頂部流出，裝置內(nèi)富集液體經(jīng)底部縫隙靠重力流出。

圖2為圖1中剖面圖a’-a’（1）的放大圖。

如圖3.所示，本裝置渦狀流道（5）內(nèi)兩側(cè)壁剖面圖，各弧圓心位置和半徑r1=10mm，r2=（1/2）r1=5mm，r3=（1/2）r2=2.5mm，r4=（1/2）r3=1.25mm。

如圖4.所示本裝置渦狀流道（5）內(nèi)兩側(cè)壁等角螺線弧的幾何關(guān)系，流道內(nèi)的流線。

具體實(shí)施方式二

去除空氣氣流中的霧，主要組分直徑5微米的細(xì)小水珠，則r=(16/3)rρ水/ρ空氣，r=10.31mm，本裝置制作半徑取r制=10mm，r制＜r為離心半徑。設(shè)m=2，x=0.618，n=13，則β=π/2，k=lnx/β=（–）0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/13，r1=0.831p1，r2=0.618r1=0.514p1；r1=10mm，r2=6.18mm，p1=12.034mm，p2=7.437mm，p3=4.596mm，該流道內(nèi)兩側(cè)壁的等角螺線弧為黃金螺線弧，黃金螺線弧兩端極徑比p1：pn+1=1:0.382，其螺線旋轉(zhuǎn)方向曲率漸大，旋轉(zhuǎn)方向上相鄰弧n與弧n+1的曲率半徑比為1:0.618，等角度為90°，極角180°，流道兩壁夾角為27.69°，流道內(nèi)的氣流流線均為黃金渦線。

如圖5.所示，本裝置流道臂（6）為豎條形，層疊放置成桶狀，開(kāi)口蓋（20）和底板（21）連接固定，在氣流通道中固定后，氣流從四周進(jìn)入從頂部開(kāi)口蓋開(kāi)口流出。

圖6為圖5中剖面圖b’-b’（15）的放大圖。

如圖7.所示，本裝置渦狀流道（5）內(nèi)兩側(cè)壁剖面圖，各弧圓心位置和半徑r1=10mm，r2=5mm。

如圖8.所示本裝置渦狀流道（5）內(nèi)兩側(cè)壁等角螺線弧的幾何關(guān)系，流道內(nèi)的流線，流線（22）b’點(diǎn)的切線方向。