流体激波反应器 技术领域 本发明涉及一种利用射流产生激波的能量转换器， 特别涉及一种对流体物料进行 超微细化处理、 或对流体物料的化学反应过程进行催化处理的激波反应器。
背景技术 现代工业生产领域， 针对流体物质进行超微细破碎的机械设备已经广泛应用， 例 如高压射流对撞式破碎机、 高压靶式撞击破碎机、 高压均质机等。目前， 这种类型技术的 机械设备为了达到对流体物料的超微细破碎效果， 在运行时所需要的工作压力已经达到 100-200MPa， 甚至更高。 这种类型的机械设备对超高压力的依赖， 导致在工业生产应用时能 耗高、 对设备的结构材料及性能的要求苛刻度高、 对流体物料入料粒度要求高、 工业化生产 过程中安全性差。以上这些类型的装置的问题是其核心结构的不完善造成的， 在处理过程 中部分能量被无效释放， 因而降低了破碎效率， 因此在生产运行过程中， 如果不采用超高压 动力， 难以达到对流体物料的超微细破碎效果。
发明内容 本发明是在借鉴了国内外各种类型高压流体破碎技术的基础上， 针对提高能量转 换效率的问题， 通过对核心结构的创新设计， 研制出的一种节能高效的能量转换器——流 体激波反应器。
这种流体激波反应器是将激光谐振理论引入流体物理学领域， 通过激波谐振聚能 装置增强了射流对撞过程中产生的激波的强度， 强化了激波场中的超高压和空穴作用， 增 强了对所处理物料的理化作用。通过大量试验和生产实践证明， 与现有的对超高压依赖的 各种类型的流体破碎装置相比， 这种流体激波反应器在较低能耗下可以实现对流体物料进 行超微细化破碎处理。在一定工艺条件下， 该流体激波反应器还可以有效催化流体物料的 化学反应过程。
本发明在能源、 化工、 建材、 食品、 医药等生产制造领域具有广泛的应用前景。
本发明的具体技术方案是 ： 流体激波反应器包括激波谐振聚能装置和至少一套射 流对撞装置。所述的射流对撞装置由同轴相对设置的两组喷射口构件组成， 每组喷射口构 件各有一个相同的喷射口。 所述的激波谐振聚能装置是指主要由一个硬质球状凹面或其他 可以使从其汇聚焦点发出的激波重新汇聚到该点并可形成震荡波的硬质汇聚曲面组合形 成的空腔， 该空腔上设置有容纳喷射口构件的射流口和让被加工流体流出空腔的泄流口。 连接两喷射口的连线中点即射流对撞的发生点位于球状凹面的球心处或汇聚曲面组合的 汇聚焦点处。泄流口的截面积总和远大于所有喷射口的截面积总和， 比如泄流口的截面积 总和与所有喷射口的截面积总和之比为 10 ∶ 1、 100 ∶ 1 或 1000 ； 1， 以使得高压流体喷出 喷射口时具有足够的压降， 从而使射流获得足够大的速度， 但泄流口的截面积和开口位置 应能够保持流体激波反应器工作时被加工流体物料始终充满空腔。 所述的会聚曲面组合包 括至少一个会聚凹面， 还可以包括反射平面或反射凸面。 所述的会聚凹面可以是抛物面， 也
可以是球状凹面。所述的 “主要由一个硬质球状凹面或可以使从其汇聚焦点发出的激波重 新汇聚到该点并形成震荡波的硬质汇聚曲面组合形成的空腔” ， 是指空腔壁的组成中除 “一 个硬质球状凹面或可以使从其汇聚焦点发出的激波重新汇聚到该点并形成震荡波的硬质 汇聚曲面组合” 以外， 可能还包括虽不参与激波的汇聚反射， 但作为空腔壁的组成， 使其 “保 持流体激波反应器工作时被加工流体物料始终充满空腔” 的作用的其他次要部分。
参见附图 1-2， 以球状凹面作为反射曲面的激波谐振聚能装置为例， 流体激波反应 器的工作原理是 ： 经高压泵施加了高压的流体以数百到成千米 / 秒的射速分别从两个喷射 口 (1) 相向喷出并在其连线中点相撞， 产生自激振动并形成激波， 流体改变运动方向， 形成 一个中点位于对撞点的盘状散射流， 并最终经泄流口流出腔外。产生的激波在充满空腔的 流体介质中向外扩散， 到达硬质球状凹面 (2) 形成的腔壁时发生反射， 然后重新在汇聚焦 点处汇聚并加强并与该处产生的原发激波相叠加， 这个过程循环往复形成震荡波。在射流 压力相对稳定的情况下， 震荡的激波不断加强， 从而形成非常强烈的谐振激波。 强烈的震荡 激波具有交替的瞬间高压和空穴效应， 对处于其中的流体物料具有强烈的理化作用， 这就 是流体激波反应器用于处理流体物料时其理化作用效果较单纯射流对撞装置明显改善的 原因。 高压泵对物料所施加的高压根据装置的不同应用实例， 其范围一般在 5-100Mp， 常 用范围在 10-30Mp。
参见附图 3， 当流体激波反应器设置多套射流对撞装置时， 其喷射口可以在一个平 面内分布， 也可以在空间分布， 但喷口位置应避开其他对撞射流产生的盘状散射流的位置， 即喷射口轴线互不垂直， 否则射流与散射流相互干扰降低反应效果。
参考激光谐振腔的原理， 能够使从一个点产生的波重新汇聚到一点的从而形成震 荡波的汇聚凹面或汇聚曲面组合包括球状凹面， 共焦同轴的两个相对的抛物面， 和一些至 少包括一个汇聚凹面的有平面和凸面参与其汇聚的曲面组合。对于球状反射凹面， 从球心 发出的波经一次反射重新汇聚到球心。对于共焦同轴的两个相对的抛物面， 从共同焦点发 出的波经两次反射后重新汇聚到共同焦点。有平面和凸面参与的其汇聚曲面组合， 由于受 流体物质流的限制， 及其结构的复杂性， 在本发明中属于次选或不宜选用的方案， 这里不再 赘述。由于空腔内的流体在流体激波反应器工作时处于流动状态， 波的传播方向在一定程 度上受介质流动的影响， 所以激波反射后的最佳汇聚点可能与汇聚凹面的几何焦点有一定 偏差， 因此需要将反应器的激波谐振聚能装置设置为形状能够进行一定程度的调整， 其形 状稍偏离标准的球状凹面或抛物面， 但仍称其为球状凹面或抛物面。
上文所述的流体、 流体物料或被加工流体可以是连续相为液体的流体物质也可以 是连续相为气体的流体物质， 只是由于激波在气体介质中的能量传递效率和理化作用与其 在液体介质中相比要有所不同， 因此， 在下文中如不特别说明， 流体、 流体物料或被加工流 体均指以液体为连续相的流体物质。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图 1. 流体激波反应器工作原理示意图， 图中实心箭头表示流体流动路径， 空心箭 头表示激波传播途径。图 2. 由一套射流对撞装置和一个球状硬质汇聚曲面组合成的流体激波反应器的 主要结构示立体意图。
图 3. 由三套射流对撞装置和两个球状硬质汇聚曲面组合成的流体激波反应器的 主要结构立体示意图。
图 4. 单组撞击流激波反应器立体示意图， 外观。
图 5. 单组撞击流激波反应器立体示意图， 移去上盖。
图 6. 单组撞击流激波反应器立体示意图， 剖开外壳并移去上面部分。
图 7. 单组撞击流激波反应器立体示意图， 剖开外壳、 喷嘴及喷嘴盖， 移去上面部 分； 箭头示物料流动路径。
图 8. 单组撞击流激波反应器示意图， 上盖及固定螺栓。
图 9. 多组撞击流激波反应器立体示意图， 外观。
图 10. 多组撞击流激波反应器立体装配示意图， 剖开并移去部分结构， 箭头示物 料流动路径。
图 11 多组撞击流激波反应器谐振聚能装置及喷射口组件立体示意图， 剖开并移 去部分结构。
图 12. 多组撞击流激波反应器立体装配示意图， 沿正中垂直对称平面剖开并移去 前部结构。
图 13. 多组撞击流激波反应器立体装配示意图， 沿通过共焦偶合式谐振腔中心的 水平平面剖开并移去上部结构。
具体实施
实施例 1， 单组撞击流激波反应器
如图 4-8 所示， 主要由一套射流对撞装置和一个球状谐振腔组成的流体激波反应 器。包括 ：
1. 进料通道 (11) ；
2. 球状谐振腔 (12)， 是由一个硬质球状凹面形成的空腔， 本实施例的球状谐振腔 由分成上下两半的中空球体反射聚能罩 (121) 围成， 根据需要球状谐振腔也可以制成一体 结构 ；
3. 泄流口 (13)， 反射聚能罩两侧开口为射流口和泄流口， 射流口和泄流口位于同 一位置， 这里称其为泄流口 ；
4. 喷嘴 (14)， 两喷嘴分别与分成两路的进料通道连通， 位于两泄流口的中间， 同 轴相对设置， 其喷射口 (141) 的连线中点与球状谐振腔的球心重合， 两泄流口分别与两侧 出料通道 (15) 连通， 并汇聚成一路， 前文所述的喷射口构件在本实施例中为喷嘴 (14) ；
5. 出料通道 (15) ；
6. 外壳 (16)， 以上结构均位于一个可抗高压的外壳内， 进料通道和出料通道的管 壁与外壳制成一体， 外壳分为壳体 (161) 和上盖 (16) 两者之间以数个螺栓密闭连接， 打开 上盖可以装配或更换反射聚能罩。
7. 嘴装配孔 (17)， 在壳体两侧设置喷嘴装配孔 (17)， 喷嘴 14 以罗纹连接置于喷嘴 装配孔内， 喷嘴装配孔外设置喷嘴盖 (171)， 以罗纹与喷嘴装配孔密闭连接。通过更换不同 孔径的喷嘴可以实现对流体激波反应器针对不同具体应用所需的不同工作压力和不同的工作流量等工艺条件的转换。
其中的外壳以金属材料或高强度高分子合成材料制成， 喷嘴和反射聚能罩由高硬 度金属材料、 高强度陶瓷材料或金属 - 陶瓷复合材料制成。
该装置的工作原理， 由流体动力设备提供的具有一定压力的流体物料通过进料通 道分别从两个喷射口相向喷出并在其连线中点相撞， 产生激波并改变方向， 形成一个中点 位于喷射口连线中点的盘状散射流， 撞击反射聚能罩后沿其内面流向泄流口， 最终经泄流 口流出， 通过出料通道汇成一路排出该装置， 完成处理过程。
本实施例的特点和有益效果 ：
该实施例是结构相对简单的流体激波反应器， 制造成本低， 易于装配， 用于对流体 内颗粒进行破碎或其他理化处理， 在单位时间工作流量要求不大时特别适用。
实施例 2， 多组撞击流激波反应器
如图 9-13 所示。包括 ：
1. 进料通道及外壳 (21)， 参见附图 9， 由壳体 (211)、 入料管件 (212)、 法兰盘 (213) 和固定支架 (214) 组成， 进料通道沿切线方向与涡流式匀化送料腔连通， 其截面积远 大于喷射口截面积总和 ； 2. 涡流式匀化送料腔 (22)， 参见附图 10、 12、 13， 位于壳体内侧， 呈环状 ；
3. 狭缝式自伺服导流腔 (23)， 参见附图 10、 12、 13， 位于涡流式匀化送料腔 (22) 的内侧， 其腔体内壁由对称的曲线回转形成， 狭缝间距尺寸小于加速 (242) 通道及喷射口 (243) 的最小直径尺寸 ；
4. 高压密封喷射口组件 (24)， 参见附图 10、 11、 12、 13， 包括封喷射口组件主体 (241)、 加速通道 (242) 和喷射口 (243)， 位于激波反应器中心、 狭缝式自伺服导流腔 (23) 的 内侧 ； 本实施例的设置为均匀排列在同一平面的三对喷口， 即每对喷口之间的夹角为 60° 角， 前文所述的喷射口构件在本实施例中为加速通道 (242) 和喷射口 (243) ；
5. 对称共焦偶合式谐振腔 (25)， 参见附图 10、 11、 12、 13， 位于高压密封喷射口组 件 (24) 的内侧， 两曲面反射腔 (261) 之间 ； 所述的对称共焦偶合式谐振腔， 是指主要由以焦 点重合、 同轴相对的两个相互对称的抛物面作为反射面的谐振腔 ； 在这里高压密封喷射口 组件也构成谐振腔壁的一部分 ；
6. 对称变矩频率调谐组件 (26)， 参见附图 10、 11、 13， 包括曲面反射腔 (261) 调节 螺杆 (262)、 调节杆固定螺母 (263)， 曲面反射腔垂直于反应器轴心相向设置， 调节螺杆设 置于密封端盖 (28) 的中心位置， (281) 为密封圈， 调节调节螺杆可以使反射腔内做外运动， 用与调节谐振腔使其具有最佳的谐振效果， 调节杆固定螺母用于紧固调节螺杆和压紧密封 圈， 曲面反射腔的曲面为抛物面 ；
7. 对称偶合减速通道 (27)， 参见附图 10、 13， 由导流槽 (271) 和泄压腔 (272) 组 成， 对称位于共焦偶合式谐振腔 (25) 的外两侧， 分别与共焦偶合式谐振腔和位于密封端盖 (28) 两侧的出料导流口 (282) 相通 ；
8. 密封端盖 (28)， 参见附图 10、 13， 对称位于泄压腔 (272) 外侧， 由螺栓固定于固 定支架外壳 (21) 壳体的密封平台上， 中央与曲面反射腔调节螺杆 (262) 罗纹连接， 并设置 密封圈 (281)， 外周设置出料导流口 (282) ；
9. 出料通道 (29)， 参见附图 10、 13， 分两路在密封端盖 (28) 两侧与密封端盖的出
料导流口 (282) 相连通， 出料通道内径尺寸不小于进料口内径尺寸。
外壳 (21) 是可以承受 30MPa 及以上内压的、 外观为圆形或方形或多边型金属容 器， 进料通道和出料通道处可以设置数据采集模块。所述的数据采集模块包括样本采集通 道、 压力传感器、 粒度测试仪、 流量记录仪等装置。
所述的对称共焦偶合式谐振腔也可以采用球状凹面的谐振腔。
流体激波反应器装置的外壳通常为金属材料制成， 也可以由高强度大分子合成材 料制成， 其内部的各部件可以由金属、 陶瓷、 大分子合成材料制成， 也可以是金属、 陶瓷、 大 分子合成材料组合制成。高压密封喷射口组件和曲面反射腔优选以高强度耐磨陶瓷制成。
多组撞击流激波反应器的工作原理 ：
由流体动力设备提供的具有一定压力的流体物料， 通过进料管进入涡流式匀化给 料腔， 通过涡流式匀化给料腔进入狭缝式自伺服导流腔， 连续均匀分送给加速通道， 由喷射 口形成高速束射流， 射入流体激波反应器内腔 ； 多股高速束射流在反应器内对撞形成剧烈 湍流， 造成剧烈自激振动并产生激波 ； 谐振腔反射壁的几何结构导致能量聚焦， 并与腔体结 构组成谐振振动体系 ； 其间， 流体既是产生振动的振动体、 又是传动振动波的载体， 流体介 质在此过程中受激发生成激波。当束射流的相对速度、 流体激波反应器谐振腔反射壁的曲 率半径和谐振腔长度与激波的频率相协调时， 激波会在谐振腔曲面反射壁间反复的震荡， 此时激波的振幅不断增大。当此激波达到一定能量强度、 且频率接近反应器内的流体物质 的谐振频率时， 流体物质发生谐振。其结果是进入流体激波反应器的流体物质中固态颗粒 除受到撞击剪切能量的破碎作用之外， 其晶核结构被激波能震断。激波能甚至可以裂化流 体物质分子团分子间的链接。 这种多重能量聚集放大过程， 实现对流体物质的超微细破碎。 在这个过程中伴随着迅速升温、 高频谐振、 高速撞击和剪切等催化条件产生， 在一定工艺条 件下可以使流体物料的物理、 化学变化在同一过程瞬间完成。
多组撞击流激波反应器的特点和产生的有意效果是 ：
1. 采用对称共焦偶合式流体谐振腔， 利用对称变矩频率调谐器组件进行调谐和形 成所要求的激波辐射场。
2. 因为射流对撞在相同的流体压力下要获得更高的流体对撞速度， 需要喷口距离 和喷口孔径保持一定距离。 对于单组对撞流流激波反应器， 为了改善工作效率， 增加工作流 量， 需要增大喷口的孔径， 因而需要增加喷口之间的距离。 谐振腔空间容积与喷口距离的三 次方成正比。喷口之间的距离的增加必然导致谐振腔的大幅度扩大， 使得激波的作用空间 大幅增大， 能量严重分散， 从而导致作用降低。 设置为多组对撞射流可以减小每对射流喷口 的孔径尺寸， 从而在有限的空间内增加了装置的工作流量， 提高了单机的工作效率。
3. 针对不同的加工物料， 不同的加工工艺， 不同的工作流量， 可以采用不同喷射口 数量、 喷射口孔径的高压密封喷射口组件， 和不同焦距的曲面反射腔。
4. 本实施例采用涡流式匀化给料腔， 对流体入料沿反应器壳体内壁周向实施导 流， 克服流体物料在给料腔内的无序紊流， 解决了流体物料因流速慢而形成的在管线中和 通道内堆积产生入料不匀或堵塞的问题。
5. 本实施例采用狭缝式自伺服导流腔， 限制流体物料中粒径大于给定喷射口通道 孔径的颗粒进入导流腔内， 克服流体通道的阻塞问题， 其对称曲线型表面的稳流腔体内壁， 可以匀化疏导流体物料， 使之均匀有序地进入加速通道。6. 本实施例采用对称偶合减速通道， 引导已经通过反应器谐振腔激波破碎的流体 物料， 受连续不断进入谐振腔的物料振动推进， 按照对称耦合减速导流通道结构有序进入 泄压腔泄压， 有效降低这部分流体物料对谐振腔内入射束流和反射腔反射流的扰动影响， 保证反应器内激波谐振腔稳定的工作状态。
流体激波反应器的有益效果 ：
本发明流体激波反应器， 针对流体的流动特性， 参照光学谐振腔原理设计了流体 激波谐振腔聚能结构。 这种谐振腔聚能结构将射流束相向撞击形成的剧烈湍流所产生的激 波能量， 通过不同曲率半径和间距的共焦反射腔或同心球状凹面反射腔的反射、 聚集， 在湍 流区周围的谐振腔结构迫使激波辐射场内的能量密度大幅度提高， 被处理物料在通过谐振 腔的过程中产生受激谐振而实现超微细化破碎。在输入相同功率情况下， 与普通射流对撞 装置想比， 这种谐振腔聚能结构可以有效提高换能效率， 明显改善处理效果。 这种流体激波 反应器在对流体物料进行超微细破碎的同时还可以对流体物料的化学反应过程起到催化 作用。
流体激波反应器的应用实例 ：
1. 提高尼莫迪平的酒精溶解度试验 采用功率为 ： 15Kw/h、 流量为 ： 2.5m3/h 的医用流体激波反应器设备， 在压力为 20MPa 工况下， 对尼莫迪平酒精混合液进行处理， 结果与对比样相比， 使尼莫迪平的在酒精 内的溶解度提高了 195 倍以上。溶解相同药量的酒精用量极大减少， 可以有效改变此类降 压药物使用时对人体的生理刺激作用。
2. 二氧化锆浆料超微细处理试验
采用功率为 ： 22Kw/h、 流量为 2.5m/h 的专用流体激波反应器设备， 在压力为 20MPa 工况下， 将粒度为 -5μm 的二氧化锆桨料处理为粒度 -800nm 的超微细二氧化锆浆料。
3. 新型水煤浆超微细处理试验
采用设备功率为 110Kw/h、 流量为 10m3/h 的水煤浆专用流体激波反应器设备， 在压力为 18-20MPa 工况下， 对水煤浆进行三级超微细化处理， 使入料水煤浆中煤颗粒 由 -700μm， 平 均 粒 度 64μm， 处 理 为 -25μm， 平 均 粒 度 3.8μm 的 超 微 细 水 煤 浆 ； 该设 备对水煤浆进行一级超微细处理， 使水煤浆中煤颗粒由 -700μm， 平均粒度 64μm， 处理 为 -200μm， 平均粒度 26μm 的精细水煤浆。与常规水煤浆生产技术相比， 采用水煤浆专用 流体激波反应器， 在比较低能耗下可以生产超微细化水煤浆， 如果生产普通水煤浆可以节 约能耗 30％以上， 水煤浆的流变特性和稳定性等技术指标明显提高。
4. 促进白酒类产品醇化工艺过程试验
采用功率为 ： 15Kw/h、 流量为 ： 2.5m3/h 的医用流体激波反应器设备， 在压力为 20MPa 工况下， 对普通白酒进行处理， 结果与对比样相比， 采用流体激波反应器装置处理过 的白酒其分子团变小 ( 核磁共振氧 17 检测指标 ： 原样 90Hz， 处理后为 59Hz)， 可以有效改善 白酒的水分子和乙醇分子的活性、 有效提高水分子与乙醇分子的缔和度。处理过程中的催 化条件， 具有促进酒中的丙烯醛、 硫化氢等物质的挥发作用， 白酒自然老熟工艺中需要几个 月甚至几年时间才能完成的微观化学反应， 在这个处理过程中瞬间完成。处理过的白酒酒 精度不变、 酒色晶莹剔透、 酒香纯正浓郁、 口味绵软圆润。
5. 二硫化钼超微细处理实验
采用功率为 ： 15Kw/h、 流量为 ： 2.5m3/h 的化工级流体激波反应器设备， 在压力为 20MPa 工况下， 对二硫化钼料浆进行超微细处理实验， 将粒度为 -3μm 的二硫化钼桨料处理 为粒度 -600nm 的超微细二硫化钼浆料。