旋流发生装置及气体旋流发生器的制作方法

本实用新型属于流体螺旋流发生装置技术领域，尤其涉及一种旋流发生装置及气体旋流发生器。

背景技术：

螺旋流在自然界及工业领域中较为常见，如龙卷风、旋风分离、旋流器、涡管及管道系统中等等都存在螺旋流。螺旋流是一种具有旋转流场的流动形式，其含有较大的蜗量和动能，在流动中起着重要作用，在工业方面的应用范围也及其广泛，例如在燃烧技术、水力输送、旋风分离、射流技术、气力输送、机械加工等方面都有应用。我国在20世纪70年代末就开始了螺旋流在排沙方面的应用，螺旋流输送砂的原理就是利用螺旋流较小的平轴旋流流动，将易沉积在管道底部的砂粒拖拽“旋浮”于主流中，因而能提高输送浓度，降低能耗。螺旋流在分离技术中应用最为广泛，水力螺旋流发生器不仅能进行固－液分离，还能进行液－液、气－液分离及萃取等分离工作。此外，螺旋流在一些特殊工作中，如离子喷镀、光纤安装、管道去污及防磨损等方面也有着广泛的应用。

一般来说，螺旋流常规产生方法主要有：切向进流、安装导流片、径向进流(旋转管道)及弯头起旋器等。上述四种方式均能形成稳定的螺旋流，然而除了切向进流以外的三种方式最终形成的螺旋流特点是管道中心的轴向速度高，输送物料性能优良，但是，靠近管道壁处周向速度小，且带动砂粒对管壁的切削摩擦力小。尤其是安装导流片的方式，还具有安装难度大，螺旋流的强度整体较低，能耗较高，衰减较快，对外界依赖性较强的缺点。因此，后三种方式较适合应用于物料输送装置中，并不适宜应用在机械加工、管道系统的内部除锈、除垢以及内部防腐等方面。此外，现有的螺旋流的操作方式难以实现小口径和大小口径管道系统防腐的要求，尤其是对已安装使用多年的管道系统进行原位(或非开挖)防腐再生施工来说，更是非常困难。

鉴于此，特提出本实用新型。

技术实现要素：

本实用新型的第一目的在于提供一种旋流发生装置，通过切向进流的方式，使得流体沿工件或管道内壁集束螺旋前行，能量集中，携带力强，输送浓度高，能有效的实现能量的传递，可广泛应用于各类管道内部的清管、除锈、除垢以及防腐等作业。

本实用新型的第二目的在于提供一种气体旋流发生器，气体通过切向进流的方式，沿工件或管道内壁集束螺旋前行，具有能量集中，携带力强，输送浓度高、施工进度快、效率高等优点，可广泛应用于各类管道内部的清管、除锈、除垢以及防腐等作业。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种旋流发生装置，包括切向进口管和筒体；

所述筒体的一端为入口，另一端为出口，所述筒体从入口到出口依次设置有初始分离段、收缩段以及直管段；

所述初始分离段的外周具有切向进气口，所述切向进口管与所述切向进气口连通，使得流体通过所述切向进口管切向进入所述初始分离段内。

作为进一步优选技术方案，所述初始分离段为圆柱形筒体，所述收缩段为圆台形筒体，所述直管段为圆柱形筒体，所述初始分离段的直径是所述直管段的直径的1.2～2.5倍。

作为进一步优选技术方案，所述初始分离段的长度为所述初始分离段直径的1.1～1.5倍，所述收缩段的长度为所述初始分离段直径的1.5～2.5倍，所述直管段的长度为所述初始分离段直径的3～4倍。

作为进一步优选技术方案，所述初始分离段的长度为所述初始分离段直径的1.125倍，所述收缩段的长度为所述初始分离段直径的1.75倍，所述直管段的长度为所述初始分离段直径的3.125倍。

作为进一步优选技术方案，所述入口端为封闭结构，或者在所述入口处设置入口法兰盖；在所述出口处设置有出口法兰。

作为进一步优选技术方案，所述切向进气口为至少两个，沿所述初始分离段的外周均匀分布。

作为进一步优选技术方案，所述筒体的内腔流道曲线为阿基米德螺旋线或渐开线。

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型还提供一种气体旋流发生器，包括以上所述的旋流发生装置，还包括气体源设备和连接管，所述连接管的进气端与所述气体源设备的出气端连接，所述连接管的出气端与所述切向进口管的进气端连接。

作为进一步优选技术方案，所述连接管为拉法尔喷管。

作为进一步优选技术方案，所述连接管与所述切向进口管通过法兰连接；

在所述气体源设备与所述连接管之间、在所述连接管上和/或在所述切向进口管上，设置有阀门、流量计、压力表或加热器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型提供的旋流发生装置，通过切向进流的方式，使得流体沿工件或管道内壁集束螺旋前行；即，流体先切向进入初始分离段初步增强旋风的旋转能力，经收缩段对旋流拉长加强后，进入直管段使得旋流流态平稳运行。具有能量集中，携带力强，输送浓度高，能有效的实现能量的传递的优点，能够满足流体带动沙粒、磨粒等对管道进行除锈、除垢、防腐等作业的需求，结构简单、易于实现，维护成本低，施工成本低，效率高。

2、本实用新型提供的气体旋流发生器，包括上述旋流发生装置，还包括气体源设备和连接管，将气体压缩进入气体源设备中，通过连接管可增加流量，经压缩增压后的气体再进入至切向进口管中，随后通过切向进流的方式依次进入初始分离段、收缩段和直管段，集束螺旋前行。其中，通过该连接管可增加气体流量，使得周向速度明显大于轴向速度，靠近管道内壁处仍有相当高的速度，且速度衰减较慢，进而有效实现在旋风气流的作用下带动沙粒、磨粒等对管道内壁进行除锈、清洗、除垢、防腐等作业的需求，起到保护管道内壁的作用。同时，该气体旋流发生器结构简单，使用方便，使用寿命长，维护成本低，施工进度快、效率高，经济效益高和社会效益好。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的旋流发生装置结构示意图；

图2为图1的A－A向结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的连接管结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的气体旋流发生器结构示意图；

图5为图4的A－A向结构示意图。

图标：100－筒体；101－入口；102－出口；103－出口法兰；201－初始分离段；202－收缩段；203－直管段；300－切向进口管；400－连接管；500－法兰。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

第一方面，本实施方式提供一种旋流发生装置，包括切向进口管和筒体；所述筒体的一端为入口，另一端为出口，所述筒体从入口到出口依次设置有初始分离段、收缩段以及直管段；所述初始分离段的外周具有切向进气口，所述切向进口管与所述切向进气口连通，使得流体通过所述切向进口管切向进入所述初始分离段内。

为了实现管道系统采用螺旋流进行清污、除锈及防腐的需要，而现有的旋流发生装置及产生技术，难以实现小口径和大小口径管道系统防腐等的需求，尤其是对于已安装使用多年的管道系统进行原位防腐再生施工来说更是困难。此外，现有的旋流发生装置及产生技术还存在衰减较快，靠近管道内壁周向速度较小，管道去污、防腐效果差等缺陷。有鉴于此，本实用新型提供一种旋流发生装置，将筒体分成三段，在初始分离段的外周设置切向进气口，切向进口管与切向进气口连通，进而使得流体通过切向进口管切向进入初始分离段内，采用切向进流的方式，沿管道内壁集束螺旋前行，能量更集中，携带力更强，更能满足带动沙粒、磨粒等的需求。通过初始分离段的初步增强旋风的旋转能力后，再经收缩段对旋流拉长加强，而后进入直管段进行旋流流态的平稳运行，并从出口向后续管道输送螺旋流体。

本实施方式提供的旋流发生装置，结构简单，容易实现，易于维护，成本低，方便使用，效果好，易于推广应用。

在一种可选的实施方式中，所述切向进口管与所述初始分离段相结合处采用曲面过渡连接。

在一种可选的实施方式中，所述切向进气口的横截面为矩形，并沿着气流的前进方向渐缩。

在一种可选的实施方式中，所述切向进口管的截面可以是圆形、椭圆形、三角形、四边形、多边形及其组合形态。实际应用中，可根据应用场景进行调整。

在一种可选的实施方式中，所述收缩段或直管段上设置有检测元件；可选地，所述检测元件为温度传感器和/或压力传感器。

在一种可选的实施方式中，所述切向进口管和筒体的材质可以为金属，也可以为非金属，还可以为金属与非金属的复合或组合形式。常用的金属包括钢、铁、铜、锌、铝、镍及其合金等，非金属包括陶瓷、铸石和橡胶等。

第二方面，本实施方式提供一种气体旋流发生器，包括以上所述的旋流发生装置，还包括气体源设备和连接管，所述连接管的进气端与所述气体源设备的出气端连接，所述连接管的出气端与所述切向进口管的进气端连接。

本实施方式提供的气体旋流发生器包括以上所述的旋流发生装置，还包括气体源设备和连接管，气体源设备可用于存贮气体，连接管可增加流量。将气体压缩入气体源设备中，经压缩增压后的气体再进入至切向进口管中，随后通过切向进流的方式依次进入初始分离段、收缩段和直管段，集束螺旋前行。通过该连接管增加气体的流量可，使得周向速度明显大于轴向速度，靠近管道内壁处仍有相当高的速度，且速度衰减较慢，进而有效实现在旋风气流的作用下带动沙粒、磨粒等对管道内壁进行除锈、清洗、除垢、防腐等作业的需求。

通过对气体旋流发生器形式、原理以及气体流速衰减的原料进行伸入的研究，并对不同口径管道内壁除锈、防腐施工时气体压力、流量以及流速的关系进行研究，实现了长距离输送管道如500～2000m管道内壁除锈、防腐等作业，并且可应用于城市给排水、供暖、燃气、石油、化工等领域各类管道系统的维护，缓解了现有的管道工程施工中遇到的难题。

下面结合具体实施例和附图，对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种旋流发生装置，包括切向进口管300和筒体100；筒体100的一端为入口101，另一端为出口102，筒体100从入口101到出口102依次设置有初始分离段201、收缩段202以及直管段203；初始分离段201的外周具有切向进气口，切向进口管300与切向进气口连通，使得流体通过切向进口管300切向进入初始分离段201内。

流体通过切向进口管300切向进入初始分离段201内可得到初步的收缩加速，增强旋风的旋转能力，再经收缩段202对旋流拉长加强，而后进入直管段203进行旋流流态的平稳运行，并从出口102向后续管道输送螺旋流体。三段式的筒体结构与切向进口管300的配合，使得切向进流的效果更好，能够更加有效的实现能量的传递。

同时，筒体100的内腔流道曲线为阿基米德螺旋线、渐开线或其他具有相似特征的曲线，使得流体的螺旋效果好，流态衰减慢，螺旋流型保持较好。

在上述实施例基础之上，进一步地，初始分离段201为圆柱形筒体，收缩段202为圆台形筒体，直管段203为圆柱形筒体，初始分离段201的直径是直管段203的直径的1.2～2.5倍。

初始分离段201的直径大于直管段203的直径，收缩段202的一端直径与初始分离段201的直径相等，另一端直径与直管段203相等，即，收缩段202沿初始分离段201至直管段203直径逐渐缩小。收缩段202可以为圆台形，也可以为圆锥形；优选地，初始分离段201的直径是直管段203的直径的1.5～2倍。切向进口管300的直径不宜过大，优选地，初始分离段201的直径是切向进口管300的直径的3～5倍。

在上述实施例基础之上，进一步地，初始分离段201的长度为初始分离段201直径的1.1～1.5倍，收缩段202的长度为初始分离段201直径的1.5～2.5倍，直管段203的长度为初始分离段201直径的3～4倍。

作为一种可选的实施方式，初始分离段201的长度为初始分离段201直径的1.125倍，收缩段202的长度为初始分离段201直径的1.75倍，直管段203的长度为初始分离段201直径的3.125倍。

通过对切向进口管300、筒体各阶段直径及长度的限制，能够使得流体的螺旋效果更好，减少流体的压降损失，并且方便调整工况介质在旋流发生装置内的流动形态。本实施例中，初始分离段201的直径为300mm，长度为340mm；收缩段202的长度为525mm；直管段203的直径为200mm，长度为935mm；切向进口管300的直径为80mm。

在上述实施例基础之上，进一步地，入口端为封闭结构，或者在入口处设置入口法兰盖；在出口处设置有出口法兰103。

将筒体100的入口端设置为不可拆卸的封闭式结构，流体通过切向进气口进入筒体100内部；或者在筒体100的入口端设置可拆卸的盲板或法兰盖，以方便对装置的安装、维护和检修，同时也方便与其他管道或部件进行连接。在筒体100的出口端设置出口法兰103，通过该出口法兰103实现与外部管道或后续管道的连接，便于安装与拆卸，提高工作效率。

在上述实施例基础之上，进一步地，切向进气口为至少两个，沿初始分离段201的外周均匀分布。

切向进气口为至少两个，即与切向进气口相连接的切向进口管300也至少设置两个，通过切向接口管数量的增加，可使流场的旋窝效应得到加强，贴近管道内壁的速度更大，更有助于管道的除锈、防腐等作业。可选地，切向进气口的数量为两个、三个、四个、五个或六个。本实施例中，切向进气口的数量为两个。

在上述实施例基础之上，进一步地，切向进口管300与初始分离段201相结合处采用曲面过渡连接。所述切向进气口的横截面为矩形，并沿着气流的前进方向渐缩。

在上述实施例基础之上，进一步地，在筒体100的直管段203上设置有检测元件，该检测元件为温度传感器和压力传感器。以方便对流体的流量和温度进行调整，进而适应不同的工况。

在上述实施例基础之上，进一步地，切向进口管300和筒体100的材质可以为金属，也可以为非金属，还可以为金属与非金属的复合或组合形式。常用的金属包括钢、铁、铜、锌、铝、镍及其合金等，非金属包括陶瓷、铸石和橡胶等。

实施例2

如图3至图5所示，本实施例提供一种气体旋流发生器，包括实施例1所述的旋流发生装置，还包括气体源设备(图中未示出)和连接管400，连接管400的进气端与气体源设备的出气端连接，连接管400的出气端与切向进口管300的进气端连接。

在上述实施例基础之上，进一步地，连接管400为拉法尔喷管。连接管400应由减缩型的前段和渐扩型的后段组成，形成一个缩放型喷管，可以为拉法尔喷管，也可以为文丘里管，或者其他具有相似结构的管体。

一般情况下，在高速旋流场的情况下，重力场作用很小，在径向方向上同时忽略气体浮力、气流阻力对物料拽力影响，只有惯性离心力和压力梯度力。要完成旋流集中吸送物料不可或缺的前提就是高速旋流场的速度值，它直接关系到旋流场弱化物料重力的作用，以及旋流场压力梯度力的大小。也就是说，高速旋转的气流，更利于消除物料的重力作用。气体流量越大带动的磨粒等越多，对同一气源，能量与流量成正比，气流的总能量越高，磨粒等的速度就越高。

该连接管400依据工程热力学中喷管的理论设计的，可将气体的焓转换为气体的流动动能。当连接管入口处速度小于声速，而要获得高于声速的气流时，连接管应由减缩型的前段和渐扩型的后段组成，形成一个缩放型喷管，可使喷管出口处的速度达到400m/s。

切向进流方式的气体旋流发生器更能满足带动磨粒的要求，其沿工件或管道内壁集束螺旋前行，能量更集中，携带力强，输送浓度高，能有效的实现能量的传递；同时增加一个缩放型喷管可增加流量，使得周向速度明显大于轴向速度，近壁处仍有相当高的速度，且速度衰减较慢。

在上述实施例基础之上，进一步地，连接管400与切向进口管300通过法兰500连接；在气体源设备与连接管400之间、在连接管400上和/或在切向进口管300上，设置有阀门、流量计、压力表或加热器。

在进气管道上，例如在气体源设备与连接管400之间设置管道，在该管道上设置阀门、流量计、压力表或加热器等附件，其中加热器优选为电磁管道加热器，上述附件的设置可以方便对气流进行计量和控制，以提高处理效果，适应性更强。上述附件可以设置在连接管400上，或者设置在在切向进口管300。

本实施例提供的气体旋流发生器的工作过程为，在气体源设备中经过干燥除油处理的压力大于1.0MPa的压缩空气，通过阀门或流量计等附件，分别进入各拉法尔喷管中，并通过各切向进口管300进入筒体100的初始分离段201内，经过收缩段202对旋流拉长加强后，进入直管段203进行旋流流态稳定后，再通过出口法兰103向后续管道输出高速螺旋流气体。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。