一种流体输送装置
本实用新型涉及管路运输技术领域，特别是一种流体输送装置。
背景技术：
管路运输是将固体破碎成粉粒状，适量液体(或气体)配制成浆液(或气体粉末混合物)，通过管道运输的一种方法。管道运输具有运输量大，占地少、能耗小、安全可靠、无污染、不受气候影响、运输距离短(相对于货车运输)、成本低等特点。
按照所用的载体，可分为液送管道、风送管道。液送管道的载体一般用水。风送管道用压缩空气作为载体。目前，长距离、大输量的固体料浆管道都采用浆液输送工艺。管路运输的效率受到浆液管道流态的影响。在相同流速下，由于颗粒大小、密度、浓度等不同，可形成三种基本流态：均质流态，即在管道断面上颗粒均匀悬浮，各点的固体浓度相同；半均质流态，即细颗粒物均匀分布在管道全断面上部，但大颗粒则在下部运动，因此下部浓度大，上部浓度小，但不会出现颗粒沉淀；非均质流态，即全断面上浓度分布很不均匀，出现固体颗粒沉淀，并在管道底部出现沉淀层。一般来说纯均质浆液很少。当流速变化时，浆液会在均质流与半均质流，或半均质流与非均质流之间转化。当浆液出现沉淀是的流速成为临界流速。为了避免出现沉淀造成管道堵塞，固体管段应在临界速度以上输送浆液。临界流速大，能耗也大。
造成管道堵塞的另一个因素时管道坡度。固体料浆管道常用间歇输送来调节输量，停运后固体颗粒会沉淀。如果管道坡度大于沉淀物的自然安息角，沉淀将向下移动，形成堵塞。如果堆积长度过长，将会给再启动造成困难。
针对以上管道运输中存在的问题，提出一种改变固体浆液流态，使浆液在较低的临界流速下提高固体浓度均匀性的方法。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本实用新型背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种流体输送装置，其生成涡旋流提高管道运输效率，较少能耗，避免管路堵塞。本实用新型的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种流体输送装置包括，
至少一个涡旋流管，其生成涡旋流，所述涡旋流管包括结构本体以及设在结构本体的内管壁，结构本体一端输入含有悬浮固体颗粒的流体，另一端输出形成含有悬浮固体颗粒的涡旋流流体，所述内管壁包括，
第一渐变区段，其位于内管壁靠近输入流体的第一端，其在涡旋流管的纵向上具有第一长度和第一横截面，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上扭转第一预定角度的同时由半径为r的圆形光滑渐变为叶片形状，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第一预定角度，所述叶片形状包括边长2r的正方形以及在正方形各边上延伸的半径为r的半圆，
涡旋流区段，其连接所述第一渐变区段，所述涡旋流区段在涡旋流管的纵向上具有第二长度和第二横截面，所述第二横截面随着所述涡旋流区段在纵向上扭转第二预定角度，所述第二横截面为所述叶片形状，
第二渐变区段，其连接所述涡旋流区段且位于内管壁靠近流体输送管的第二端，所述第二渐变区段在涡旋流管的纵向上具有第三长度和第三横截面，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上扭转第三预定角度的同时由所述叶片形状光滑渐变为半径为r的圆形，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第三预定角度，
多个流体输送管，多个所述流体输送管之间至少设有一个涡旋流管，其一端连接所述第二渐变区段以接收含有悬浮固体颗粒的涡旋流流体，所述流体输送管具有第四横截面。
所述的流体输送装置中，第一横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，
所述的流体输送装置中，所述第三横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，
所述的流体输送装置中，第一横截面扭转角度和/或第三横截面扭转角度基于维托辛斯基曲线或者余弦函数渐变。
所述的流体输送装置中，结构本体为直管，半径r为0.01m到100m，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径r之比为8∶1。
所述的流体输送装置中，所述第一预定长度为结构本体长度的四分之一，所述第二预定长度为结构本体长度的二分之一，所述第三预定长度为结构本体长度的四分之一。
所述的流体输送装置中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为180度，第三预定角度为90度。
所述的流体输送装置中，所述第一长度或第三长度与第二长度的比等于所述第一预定角度或第三预定角度与第二预定角度的比。
所述的流体输送装置中，所述流体输送管法兰连接所述涡旋流管，所述流体为悬浮固体颗粒的气体或悬浮固体颗粒的液体。
所述的流体输送装置中，所述流体输送管为直管、扩张管、收缩管或者弯头。
所述的流体输送装置中，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径r之比为16∶1至4∶1。
所述的流体输送装置中，涡旋流管包括第一渐变区段、n个涡旋流区段和第二渐变区段，n为大于1的自然数。
所述的流体输送装置中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为n个180度，第三预定角度为90度。
所述的流体输送装置中，所述第一预定角度、第二预定角度和第三预定角度总和为n+1个180度。
技术效果
本实用新型可以产生涡旋流，无需外部能源供给。无向管道内部伸出出的部件，不会对管路造成堵塞。本实用新型对于管路中易造成颗粒沉降，堵塞管路的部位进行局部干预，在不提升整体输送速度的情况下，提高输送效率，减少能耗，本实用新型提高以水为介质的浆料运输效率，也可提高以气体为介质的粉末运输效率。涡旋流管，可以在弯管，以及坡度较大的部分，提高颗粒在管道截面的均匀度，避免大量颗粒集中撞击特定部位，造成管件的局部磨损。本实用新型具有局部增加颗粒动能的效果，可以更加有效地推动停机后沉降的颗粒，可以启动压力不变的情况下恢复流动，本实用新型显著提高了流体中悬浮的固体颗粒的均匀性。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够使得本实用新型的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本实用新型的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本实用新型各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本实用新型的一个实施例的流体输送装置结构示意图；
图2是本实用新型的一个实施例的流体输送装置结构示意图；
图3是本实用新型的一个实施例的流体输送装置结构示意图；
图4是流体输送装置的涡旋流管的渐变区段中某一过渡阶段位置内壁截面示意图；
图5是流体输送装置的涡旋流管的渐变区段中渐变完成后完整的叶片形状截面示意图；
图6是本实用新型一个实施例的流体输送装置的不同的渐变方式的对比示意图；
图7是本实用新型一个实施例的在涡流流管与对比直管下游的颗粒体积分数对比示意图；
图8是本实用新型一个实施例的在涡流流管与对比直管下游的颗粒速度对比示意图；
图9是本实用新型的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的切向速度对比示意图；
图10是本实用新型的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的壁面剪切力对比示意图；
图11是本实用新型的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的压力损失对比示意图；
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图11更详细地描述本实用新型的具体实施例。虽然附图中显示了本实用新型的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及附图中的术语，即使记载有“第一”、“第二”等，其仅仅是用于区别一些对象而已，而并非用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在/位于……之上/下”、“在/位于……上端/下端”、“在/位于……上表面”、“……上面的”等，用来描述一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在本实用新型所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在/位于……下端”可以包括“在……下端”和“在……上端”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、纵向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的、或者常规放置情况下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化此种描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；类似的，方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本实用新型实施例的限定。
为了更好地理解，如图1至图3所示，一种流体输送装置包括，
至少一个涡旋流管1，其生成涡旋流，所述涡旋流管1包括结构本体以及设在结构本体的内管壁，结构本体一端输入含有悬浮固体颗粒的流体，另一端输出形成含有悬浮固体颗粒的涡旋流流体，所述内管壁包括，
第一渐变区段3，其位于内管壁靠近输入流体的第一端，其在涡旋流管的纵向上具有第一长度和第一横截面，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上扭转第一预定角度的同时由半径为r的圆形光滑渐变为叶片形状，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第一预定角度，所述叶片形状包括边长2r的正方形以及在正方形各边上延伸的半径为r的半圆，进一步地，所述第一横截面的横截面面积保持不变，
涡旋流区段4，其连接所述第一渐变区段3，所述涡旋流区段4在涡旋流管的纵向上具有第二长度和第二横截面，所述第二横截面随着所述涡旋流区段在纵向上扭转第二预定角度，所述第二横截面为所述叶片形状，
第二渐变区段5，其连接所述涡旋流区段且位于内管壁靠近流体输送管的第二端，所述第二渐变区段5在涡旋流管的纵向上具有第三长度和第三横截面，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上扭转第三预定角度的同时由所述叶片形状光滑渐变为半径为r的圆形，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第三预定角度，进一步地，所述第三横截面的横截面面积保持不变，所述第一横截面、第二横截面和第三横截面的横截面面积相同；
多个流体输送管2，多个所述流体输送管2之间至少设有一个涡旋流管1，其一端连接所述第二渐变区段5以接收含有悬浮固体颗粒的涡旋流流体，所述流体输送管2具有第四横截面。
所述的流体输送装置的优选实施例中，第一横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，
所述的流体输送装置的优选实施例中，所述第三横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，
所述的流体输送装置的优选实施例中，第一横截面扭转角度和/或第三横截面扭转角度基于维托辛斯基曲线或者余弦函数渐变。
所述的流体输送装置的优选实施例中，结构本体为直管，半径r为0.01m到100m，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径r之比为8∶1。
所述的流体输送装置的优选实施例中，所述第一预定长度为结构本体长度的四分之一，所述第二预定长度为结构本体长度的二分之一，所述第三预定长度为结构本体长度的四分之一。
所述的流体输送装置的优选实施例中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为180度，第三预定角度为90度。
所述的流体输送装置的优选实施例中，所述第一长度或第三长度与第二长度的比等于所述第一预定角度或第三预定角度与第二预定角度的比。
所述的流体输送装置的优选实施例中，所述流体输送管2法兰连接所述涡旋流管，所述流体为悬浮固体颗粒的气体或悬浮固体颗粒的液体。
所述的流体输送装置的优选实施例中，所述流体输送管2为直管、扩张管、收缩管或者弯头。
所述的流体输送装置的优选实施例中，第四横截面小于第二横截面。
所述的流体输送装置的优选实施例中，第四横截面等于第二横截面。
所述的流体输送装置的优选实施例中，具有管道坡度的流体输送管2的一端连接涡旋流管1。
在一个实施例中，如图4至图5所示，在第一渐变区段3和第二渐变区段5的管内壁截面形状从圆形渐变到叶片形状截面的过程中，截面沿轴向顺时针或逆时针转过一定的预设角度。在渐变区中某一过渡阶段的管内壁截面如图4所示，渐变完成后完整的叶片形状截面如图5所示，其中rcs为渐变完成后的内部正方形外切圆的直径。r为渐变过程中内部正方形外切圆的直径。rf为渐变完成后叶片状扇形的半径，r为渐变过程中叶片状扇形的半径。a为叶片状扇形的圆心，o为渐变完成后内部正方形外切圆的圆心，bdef为渐变完成后内部正方形的四个顶点，c用来表示圆弧bcd。y为a到方形外切圆中心o的距离。γ为叶片状扇形半径与正方形竖直边(fb)所成的角度。当截面为圆形时γ为45°，当截面为完整的叶片形状时，γ为90°。当γ角度从45°逐渐增加至90°时，可形成一系列的过渡截面。这些截面在沿轴向渐变的过程中，顺时针(或逆时针)转过预定的角度，图例中顺时针扭转90°。若各截面在沿轴向顺时针旋转的过程中，截面间的间距变化是均匀的，则这种过渡方式成为线性过渡。
如图6所示，其中，x为距离过渡管中圆形截面的截面位置坐标，l为过渡管的长度，γ为叶片状扇形半径与正方形竖直边fb所成的角度。当x位于圆形截面处时，x＝0，故x/l＝0，此时γ为45°；当x位于完整的叶片形状时，x＝l，故x/l＝1，此时γ为90°，当截面为圆形时γ为45°，当截面为完整的叶片形状时，γ为90°。当γ角度从45°逐渐增加至90°时，可形成一系列的过渡截面。这些截面在沿轴向渐变的过程中，顺时针或逆时针转过预定的角度，例如图例中顺时针扭转90°。本实用新型为了产生更大的涡流强度并减小沿程压力损失，可在渐变区段的起始段和结束段设计过渡更加平滑流畅的过渡方式，即单位距离内转过的角度更小。如基于余弦函数的α过渡曲线，或使用维托辛斯基曲线(vitosinskicurve)。其中，
所述的涡旋流管1中，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径r之比为8∶1，这是建立在涡旋流管1产生的涡流强度与自身造成压力损失的比值的基础上的。即用最小的压力损失产生最大的涡旋流强度。
在一个实施例，将涡旋流管1取代一段管路输送系统中的一段直管段，用卡箍或法兰连接在需要提高固体颗粒物悬浮效果的元件的前方。这些元件可以是直管，坡度较大的管道，或者弯头等。当接到直管段时，使用涡旋流管1取代一部分直管，可以在其后方诱导产生涡旋流，增强其后方的颗粒的悬浮效果，从而显示降低输送流速，减少能耗。同时，颗粒物悬浮，可以减少颗粒物对管壁的摩擦侵蚀，保护管道，提高管路使用寿命。当接到具有坡度的管道前时，产生的涡旋流可以对沉淀在倾斜管段颗粒物施加切向和径向速度，提高管道截面的浓度均匀性，壁面堵塞。同时，颗粒物悬浮，可以减少颗粒物对管壁的摩擦侵蚀，保护管道，提高管路使用寿命。当接到弯管前时，使用涡旋流管取代一部分直管，可以在其后方诱导产生涡旋流，增强其后方弯管中颗粒悬浮作用，壁面颗粒物因为重力原因沉积在弯头处，造成管路堵塞。同时，颗粒物悬浮，可以减少颗粒物对正对弯管处的集中摩擦侵蚀，保护弯管，提高零件使用寿命。
为了进一步理解本实用新型，在一个实施例，如图7所示，以涡旋流管在直管中通过空气运输粉末，增加颗粒的悬浮效果为例。cfd仿真结果表明，当气体速度为10m/s，在涡旋流管和对比直管后方，粉末的浓度分布出现明显的差异，涡旋流可以使其后方的粉末分布更加均匀，浓度差异较小，属于半均质流态。而对比直管后方则在管道下部集中出现沉积现象。如图8所示，从涡旋流管和对比直管下游的固体体积分数对比来看，在涡旋流管后方，由于颗粒在管道截面上混合较均匀，沉淀少，因此体积分数低。对于此口径为50mm的涡旋流管，其下游的有效作为范围为3m左右，即60d的范围内可以起到提高传输效率，减小颗粒堆积的作用。此外，涡旋流管下游较远的地方，颗粒速度有更大的轴向速度，说明涡旋流给予颗粒更大的动量，对运输介质空气的跟随性更好，可以提高运输效率。涡旋流管对于弯管处可避免颗粒沉降，减少颗粒物桩基对弯管的磨损，提高管路使用寿命的作用。
采用非线性的过渡方式，相较于线性过渡，可以提供更平滑的过渡，避免由于管道截面形状发生较大变化而产生的局部涡流和边界层分离，造成更大的局部压力损失，并且影响由圆形截面过渡到叶片式截面时由于边界层脱落造成的壁面剪切力的削弱。为了说明本实用新型的非线性渐变提升的涡流强度，仿真不同流速如图9所示，图中给出了如基于余弦函数的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的对比示意图，过渡管使用三种过渡方式时，在涡旋流管道出口处的起始切向速度值。切速度越大，涡流强度就越大。从图中可以看出，随着管道流速增加，涡流强度随之增加。在每个流速下，诱导产生的涡旋强度。横截面随着所述渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转、预定角度，维托辛斯基过渡优于α过渡方式，而α过渡方式优于线性过渡方式。所以在使用非线性渐变扭转预设角度时，涡旋流效果有显著的增加。与维托辛斯基过渡相比，线性过渡方式产生的切速度值低了19.1-33.1％。与维托辛斯基过渡相比，α过渡方式产生的切速度值低了6.5-18.6％。较之线性过渡，提供的α过渡方式和维托辛斯基曲线过渡方式等非线性渐变过渡都产生了更大的初始切速度，这也意味着更强的涡旋效应。使涡旋流管的性能显著提升。
图10是本实用新型的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的壁面剪切力对比示意图，通过对3m/s的进口流速的cfd模拟证实，在使用非线性过渡时，其后方的壁面剪切力有显著增加。较之线性过渡，使用α过渡方式时，壁面剪切力增加了2％～8％；使用维托辛斯基曲线过渡方式时，壁面剪切力增加了2％～13％。图11是本实用新型的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的压力损失对比示意图。与此同时，较之线性过渡方式，使用α过渡方式时，压力损失减小了16％～28％；使用维托辛斯基曲线过渡方式时，压力损失减少了22％～38％。由此可见，使用非线性过渡时，由于提供了平滑的流体通道，壁面了局部湍流，壁面边界层分离等不利影响，可以最大限度的减小压力损失，减少能耗。同时，由于更多的能量用于诱导产生涡旋流，因此产生的涡旋流强度更大，提高壁面剪切力效果更明显。使用非线性过渡技术可以使涡旋流管在流体输送上发挥更加显著的作用，减少能耗，延长过程设备的使用寿命。由于非线性过渡技术带来的效果提升，可以为企业显著降低成本并提高总体生产效率。
以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：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公开的各实施例技术方案的范围。
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