CN1041057C - 液体积分仪 - Google Patents

Abstract

一种插入液体流动线路中的液体积分仪，用于将领先的和滞后的增量液体流动容积混合在一起，该装置包括一个可连接主流动管线上的壳体，一插入壳体中的圆柱形插入件，围绕该插入件的外表面具有螺旋槽。螺旋槽比其宽度明显深，并且具有小于约0.04的水力半径，螺旋槽足够长，从而含有的液体容积大约为希望混合的增量液体容积的两倍。

Description

液体积分仪

本发明涉及将两种或多种流体成份均匀混合成一种均匀混合物的装置。更具体地说，本发明涉及液体涂敷材料的混合和掺合，其中该材料由两个或多个最初是分离的成份构成，并且在施用点或施用点附近混合成具有一种均匀的稠度。通常涂敷材料的施用装置典型的是喷枪或其它相似的装置，用以将涂敷材料提供给施用装置的供给装置典型的是可往复的泵系统。

在工业应用中发现有许多液体是有用的，并且在施用之前，它们由几种不同成份的液体按比例配制并混合而成。在这些液体中包括有多种油漆、密封剂及粘合剂。每种这样的液体都典型地存放于各该成份的容器中，并且在施用过程期间将该几种成份按比例配制并混合起来。液体泵装置可连接至装单个成份的容器上，并且该液体泵装置可控制，从而将预定比例的各种成份从各自的容器中抽吸出来以供给单个液体供给管线。将静态混合的集合管典型地配置于液体供给管线的流径中，从而在各自液体的流动中产生湍流，因此将供给施用装置的数种成份有效地混合成均匀的液体。工业性工厂常常使用多个往复的泵从各自成份的容器中抽吸，其中各该泵共同地连接起来并由单个往复马达驱动，从而按均匀的比例从各自容器中抽吸液体成份。该适合的比例可由适当地选择泵的供给容量、由控制泵的各自的往复冲程或由其它液体配量装置来选定。尽管一个或多个混合装置典型地插在该供给管线中以保证成比例的液体的适当混合，但其后该液体成份沿一单个供给管线输送至施用装置。

本发明不涉及前述的混合装置，其包括静态混合的集合管及其它类似装置，这些装置主要是用于在液体流程中产生湍流，从而保证液体成份完全混合。这些常规形式的混合器将液体成份均匀地混合，但不具有再分配不适当混合比例流过供给管线的液体分量的能力，即一静态混合器将产生湍流，从而沿供给管线的空间中的一点处之混合液体混合物，不管按什么混合比，在该混合点都将形成液体混合物。

利用泵尤其是往复冲程泵产生特殊的问题，这些问题在从启动、停止及冲程反向的过渡过程中是明显的。在泵启动或停止时而供给的液体容积能改变供给的数种成份的最佳混合比。相似地，当往复泵改变其冲程方向时，它将典型地引起一突然的压降及压力脉动，这就造成了不稳定的液体供给状态。这些液体不稳定引起供给系统变化偏离其均匀容积供给特性，并且当两个或多个往复泵连接在若干成份供给系统中时，则各自的液体不稳定可能在时间上在不同的瞬间发生。这就导致液体容积具有在液体供给管线中均匀一致的成份比，但被液体容积所散布开，该液体容积可能因上述不稳的供给状态所致而配成不适当比例。当在液体供给管线进行观察时，就可看出这种活动导致具有合适比例的混合液体成份的均匀流动，会由间隔的一股一股不适当比例的混合成份的“液团”所散布开。在液体供给管线中用静止混合器将使流过供给管线的成份完全混合，但将不能改正超出理想参数之外的成份比。总体来说，若干成份的液体总是趋向于按均匀混合容积流过供给管线，但不能改正不适当比例的容积部分。随着液体流过供给管线，其比例问题需要不同形式的液体容积混合来解决。

本发明通过一液体供给管线沿纵向穿行路径均匀地分配液体，从而沿纵向穿行路径能够更完全地混合液体。因此，如果特定的液体容积深度处有不适当的比例，该装置将沿长度方向通过液体供给管线将该比例误差扩散，从而与较大的液体容积混合在一起。该装置包括：供给管线部分，该管线形成一种具有预定截面的螺旋路径，这里，螺旋路径的内半径和外半径比路径的截面宽度尺寸明显要大。螺旋流动路径的截面积定义了一“水力半径”，其可计算出来，并且在最佳实施例中该水力半径为小于0.04。这就使沿路径之外部运动的液体比沿路径内部运动的液体运动之距离远得多，因此沿长度方向扩展了通过该装置的液体比的效果。液体流过该装置的速度基本上保持恒定，这具有在流过该装置的更大容积的液体范围对该液体比进行积分的效果。

本发明之主要目的是提供一种在增加的液体流动容积的范围内对若干成份的液体进行积分的装置。

本发明之另一目的是当成比例的液体流过液体供给管线时将液体的容积流率混合，从而减小液体比的差异。

本发明之另一目的是提供一种若干成份的液体均匀地并按均匀的比例的混合液以供给到一个共同的目的地。

本发明的前述及其它目的和优点将参照附图从以下说明书及权利要求中更明显地得知。

图1示出了本发明局部剖视的侧视图；

图1A示出了本发明的一部分的端剖轴侧图；

图2示出了本发明流动路径的放大图；

图3A示出了流动路径的简化剖面图；

图3B示出了大的圈螺旋线的流动路径3的简化示意图。

首先参照图1，该液体积分仪10以局部剖视的侧视图示出。该积分仪10具有一管状外壳12，带有一紧贴地嵌装于其中的圆柱杆15。杆15具有连续的螺旋槽20，该槽沿杆15的整个纵向长度方向延伸。积分仪10的各端具有连接件13、14，从而使其用螺纹接合至液体供给管线上。连接件14以剖视图示出，显示贯穿其中的中心孔16；连接件13也具有相同的贯穿其中的中心孔，在任何情况下该中心孔与螺旋槽20的各自端部都是按液体流动接触而对齐的。图1A示出杆15的端部的轴侧图，其示出孔16a与中心孔16是按液体流动接触而对齐的。杆15的端面15a是为了与连接件14的内接面接触的平面。流进中心孔16中的液体经中心孔16a导入螺旋槽20中。

螺旋槽20环绕该杆15的轴线11切制而成，具有外半径(R_OD)和内半径(R_ID)，每个半径都以轴线11开始测量而得。螺旋槽20具有一截面宽度(W)，该宽度尺寸最好在整个槽中是均匀一致的，或者在某些实施例中成轻微地朝外锥形。但该朝外锥度最好不超过约2°至3°。

图2示出了从图1中截取的放大截面2-2。图3A示出了槽20的截面区域的简化图；图3B示出了槽20的简化图，该槽的一圈螺旋线已被展开并以平面形式示出。图3B中的箭头示出液体流过槽20的方向。参照图3A和3B，通过液体积分仪10的螺旋路径的截面积A₁是由下列公式决定：

A₁＝W·H这里的W等于螺旋槽20的宽度，H等于螺旋槽20的高度。但H是由下列公式决定的：

H＝R_OD-R_ID因此，槽20的截面积是由下列公式决定：

A₁＝W(R_OD-R_ID)占据一圈螺旋槽20的液体容积由将图3B所示的面积与槽20的宽度W相乘而决定。图3B所示的面积由下列公式决定：

A₂＝π(R_OD ²-R_ID ²)因此，占据一圈螺旋槽20的液体容积由下列公式决定：

V₁＝W·A₂

V₁＝Wπ(R_OD ²-R_ID ²)在液体积分仪中液体之总容积由将一圈螺旋槽20的容积与圈数N相乘而决定，即

V_TOT＝N·V₁

由于液体积分仪的重要功能是将流过供给管线的各液体容积混合在一起，尤其是将由于前述列出的不稳定状态的结果而变得比例不适当的液体容积“液团”混合在一起，因此，液体积分仪10的总容积比在一个不稳定阶段期间由泵系统供给的总容积要大是重要的。最好积分仪10的总容积选择为至少是泵系统转向的间隔期间供给的容积的两倍。

如果以恒定流动速度流过液体积分仪10，则很明显在邻近螺旋槽的外直径的液体流动路径大大超过邻近螺旋槽内直径的路径长度。因此，如果流速恒定，则流过积分仪10最靠近外直径的液体将滞后流过积分仪10最靠近内直径的液体，因此，同时进入液体积分仪的任何增量液体容积将都在时间和空间上分别离开液体积分仪10。实际上，沿外直径进入的液体将与沿内直径运动的后来的液体混合，此时，沿内直径进入的液体将与早先到达的沿外直径运动的液体混合，所有这些都可沿长度方向将流过供给管线的液体容积混合。因此，任何液体增量容积比的变化都成为在长度方向沿供给管线对液体的混合或散布，从而在相当大的液体容积范围内对比例变量进行积分。槽20的内外直径差值越大，则滞后时间越大，因此混合能力越大；即，螺旋槽20的圈数越大，则滞后时间越大。

前述的分析假定液体流过液体积分仪10为恒速，因此，重要的是控制构成液体积分仪10设计参数以获得恒定之流速，或精确地成接近的近似值。槽20的宽度保持窄到能防止因形成“沟槽作用”而使流体只流动通过槽的中部。在另一方向，槽20的宽度也应足够大以允许在没有过份的总压降下有一合理的液体流率。

Osborne Reynolds(雷偌)的工作已证明确定液体流过管道是否是层流还是湍流取决于管径、流动流体的密度、粘度和流速。将这四个变量结合在一起的一个无量纲数值称为“雷偌数”，其是质量流的流体动力与由粘度产生的剪应力之比。雷偌数计算对确定流过具圆形截面的通道的流动特性是有用的。在计算非圆截面流体通道中，发明了称之为“水力半径”的术语，该水力半径(R_H)定义如下：在计算非圆截面通道的雷偌数时，用当量直径代替圆的直径，当量直径定义为水力半径R_H的四倍。该当量直径不能用于流体通道宽度相对其长度非常小的流体通道中，但发现水力半径R_H是一个与本发明相关的有用参数。据信这确实是真实的，因为水力半径是通过流体通道的流动流体与流体通道边界表面接触的程度的指数。在本发明中，流体流道的宽度保持尽可能窄，以避免通过槽的中部产生成沟槽作用，但槽也应有足够宽以使总压降最小。

为了确定本发明的长度方向混合不同的液体成份的有效性，设计了三个实验，其中在每种情况下都将两种彩色成份注入流动通道。在每种情况下通道的宽度和深度都变化，每种情况都计算水力半径，并且长度方向的流动混合由经验值确定：

实验1

通道宽＝W＝0.06

通道高＝H＝0.5

通道面积＝A₁＝0.03

水力半径＝R_H＝0.027

实验2

W＝0.09

H＝0.7

A₁＝0.063

R_H＝0.040

实验3

W＝0.125

H＝0.5

A₁＝0.062

R_H＝0.05

在实验1的情况下，该装置产生良好的长度方向的液体流动混合，但加大了通过整个流动通道的压降。在实验2中，长度方向的流动混合优异，并且总压降认为是不过份的。在实验3中，尽管压降最小，但长度方向的流动混合极差。从前所述的内容可以确定，当水力半径小于或等于0.04时本发明表现出满意的效果，但当水力半径大于0.04时，本发明表现出不满意的长度方向流动混合的效果。

当进一步实验时，实验2的流动通道制造成一完整的积分仪，产生下列实验结果：

例子：

一典型的积分仪设计成用以喷涂具有粘度大约50厘泊(cps)的油漆的液体供给系统中，油漆是稍微触变性的，并且具有每分种378.5至1893立方厘米[每分钟0.1至0.5加伦(gpm)]的流动范围。液体积分仪设计具有下列物理参数：R_OD＝1.00，R_ID＝0.30，W＝0.09，N＝10前述积分仪的容量是42.289立方厘米(1.43流体盎司)。该设计产生一滞后时间系数为3.33；即沿外直径流动的液体将需要比沿内直径流动的液体长达3.33倍的时间到达出口。因此，按该设计建立的积分仪将足够处理20立方厘米(0.7流体盎司)的传递流动容积。前述计算假定槽20的宽度均匀一致，但实际应用中，槽20是制成其外半径处比其内半径处稍微大一点，从而符合非牛顿流体流动特性。

本发明在不脱离精神实质或基本贡献的情况下由其它的特定形式实施，因此，希望本发明之实施例无论如何只能认为是为了说明用而不能限制本发明，所附之权力要求不是前述的说明而表明了本发明的范围。

Claims (3)

1.一种用于将领先和滞后的增量流动容积于液体供给管线中混合起来的液体积分仪，其特征在于，其包括：带矩形横截面的被封住的螺旋路径；用于将所述螺旋流动路径的各端部按顺次的液体流动布置与所述液体供给管线相连；所述横截面的宽度尺寸足够小，从而在流过所述螺旋路径的液体中在所述宽度尺寸范围内产生明显均匀的压降。

2.如权利要求1所述的液体积分仪，其特征在于，所述螺旋路径之水力半径小于0.04。

3.如权利要求2所述的液体积分仪，其特征在于，所述螺旋路径具有足够大的高度尺寸，从而在流过所述螺旋路径中的液体中产生一基体上恒定的液体流动速度。

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