[实用新型]一种超声速喷管

说明书

技术领域

本专利涉及流体力学和固相化学反应领域，具体涉及超声速气流加速低热固相反应用超声速喷管。

背景技术

固相化学反应是一种重要的化学合成方法，是人们研制新型固相材料的手段之一，它具有高选择性、高产率、工艺工程简单的特点。其制备工艺主要有高温煅烧和机械研磨方法，这些方法都是提高反应物的能量来确保固相反应的发生。超声速气流加速低热固相反应法是一种将超声速流体技术与低热固相化学合成技术有机结合的新技术，其能够大大提高能量的馈入密度，是一种重要的绿色合成技术，具有潜在的巨大应用价值。

超声速气流加速低热固相反应法基本原理是将反应物添加到气流中，通过气流带动反应物料运动，最后碰撞到固定靶头上，在高速碰撞过程中实现固相反应。实现超声速气流加速低热固相反应的两个条件是：一要将反应物料馈入加速气流加速至超声速，二要使气流中的物料流具有稳定的流体性质，保证其在靶头发生高速碰撞完成瞬态化学反应。可见，设计合理的反应器结构是实现超声速气流加速低热固相反应的关键。关于反应器结构设计，传统的高速气流粉碎机多将高压气体从喷管中喷出得到一股高速气流，并在喷管下游的侧壁上开设进料口，物料颗粒通过进料口进入气流，跟随高速气流一起流动，并在下游撞靶(已公开专利CN105107595A)。另外，也有专利(US2014/0058176A1)公开了超声速气流碰撞合成小分子化合物(比如乙炔等)的方法，其中采用的原料均为气体(比如水蒸汽、氢气、CO等)，从公开的技术方案来看，反应器的结构如附图1所示，原料气体仍然采取侧壁开口加入的方式，这种方式对于气体反应原料来讲没有明显的影响，但对于本实用新型所说的低热固相反应来说，存在很多问题：一是由于进料口开在侧壁上，破坏了流场的均匀性，气流紊乱，使得下游的流场难以达到或是维持为超声速状态，导致物料难以获得足够的动能；二是物料通过侧壁加入，物料随紊乱的气流随机分布在整个管道中，没有汇聚到气流中心，使得撞靶概率降低。可见，需要重新设计反应物引入加速气流的方式，并设计全新的反应器整体结构。

实用新型内容

本实用新型专利的主要目的是设计一种用于超声速气流加速低热固相反应的喷管反应器，解决传统气流粉碎机中遇到的加料困难、物料颗粒动能低和碰撞反应效率低的问题。

一种超声速喷管，沿气流流动方向环状收缩扩张喷管与加速管第一段、加速管第二段顺序连接，并形成贯通的内腔，在环形收缩扩张喷管内部同轴方向贯穿设置一根被引射加料管，被引射加料管的入口端用于引入固体颗粒或粉末和常压载气流，出口端延伸至加速管第一段，收缩扩张喷管内部空间被分成被引射加料管内部流道和环状收缩扩张流道；在加速管第二段末端设置靶头。

所述环状收缩扩张喷管为一体成型，包括收缩段和扩张段，两段过渡连接处为喉道，喉道为收缩段和扩张段的最小截面处，高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，在喉道处达到声速，然后以超声速状态进入扩张段，气流进一步加速，压力进一步降低，出口马赫数M 由计算得出，其中，A_ex为环形收缩矿渣喷管扩张段出口面积，A_*为喉道4截面面积，γ为工作气体的比热比常数，对于空气γ＝1.4，A_ex/A_*由环状收缩扩张喷管扩张段出口截面与喉道截面的直径比值D3/D2计算得到。高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，以超声速状态进入扩张段，气流进一步加速，压力进一步降低，最后在环形喷管出口处静压p_ex由计算得出，p₀为来流总压，根据计算得到的压差确定固体物料颗粒流的加入量。

被引射加料管的直径D1、喷管喉道截面直径D2、加速管第一段入口截面直径D3、加速管第二段入口截面直径D4优选的关系为：D1＜D2＜D3＜D4。环状收缩扩张喷管的环状收缩段长度L1、环状收缩扩张喷管的扩张段长度L2、加速管第一段长度L3、加速管第二段长度 L4优选关系为：L1＜L4＜L2＜L3。

所述加速管第一段和加速管第二段为两段不同锥度的喇叭状管，两段管为一体成型或密封连接，所述加速管第一段的圆锥扩开角α为0.1～0.3°，加速管第二段的圆锥扩张角β为 5～15°，两段管的开口方向一致，均沿气流流动方向开口。

优选的，所述加速管第一段的圆锥扩开角α为0.2°，加速管第二段的圆锥扩张角β为 10°。

环状收缩扩张喷管的主要作用是将环形喷管出口流入的高压气流在收缩扩张过程中加速为超声速气流，保证喷管出口得到一个低于大气压的静压。