仿生仙人掌椎体、仙人掌仿生定向排液机构及油雾过滤器

技术领域

本发明属于油雾过滤技术领域，具体涉及一种仿生仙人掌椎体、仙人掌仿生定向排液机构及油雾过滤器。

背景技术

目前，解决空气中的油雾最直接有效的方法为过滤分离，而油雾过滤器是过滤分离油雾的主要设备。纤维过滤器通常由随机排列的纤维组成，这些纤维可能由玻璃纤维、不锈钢或各种聚合物组成，并且通常具有非常低的填充密度。油雾过滤与固体颗粒过滤过程不同的是，它们能够与其他收集的液滴结合，并且在亲油系统的情况下沿纤维扩散或聚集。在过滤过程中，随着液体的不断收集，油雾过滤器逐渐饱和。导致压降显著增加。此外，过滤器的压降越大，作用在过滤器上的压差越大，导致过滤纤维更容易弯曲，纤维介质更容易损坏、具体会导致使用寿命缩短、运行能耗上升等问题。然而产生这个问题的主要原因就是由于油雾过滤器排液不及时而导致的油雾堆积问题。

因此，为了降低油雾过滤器的运行压降，提高油雾过滤器使用寿命，降低运行能耗，对油雾过滤器运行过程排液问题进行深入研究与优化，具有重要的价值和意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种仿生仙人掌椎体、仙人掌仿生定向排液机构及油雾过滤器，通过对部件结构的合理设置，在不影响过滤效率的同时，实现对过滤器上油雾的定向输运，避免油液在的排出方式只能依靠重力等自然作用排出过滤器、排出速率有限，以降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：

一种仿生仙人掌椎体，包括圆锥结构，圆锥结构周面周向均匀布设至少两个脊柱，脊柱是与圆锥结构等高的棱锥结构，脊柱横截面远离圆锥结构的顶点与圆锥结构两交点等距；圆锥结构底面的曲率半径r如式(1)所示；

其中，α为圆锥结构的顶角，α取值为1°～10°；r为圆锥结构底面的曲率半径，h为圆锥结构的高，h1为脊柱底面的顶角到脊柱底面与圆锥结构两交点连线的垂直距离，h1的取值为0.050h～0.100h，L为脊柱底面的顶角到圆锥结构顶角侧棱的长度，L的取值为1.011h～1.012h。

优选的，脊柱底面与圆锥结构两交点间的距离u与h1的比为0.800～1.280。

优选的，圆锥结构周面周向均匀布设三个脊柱。

优选的，h1的取值为0.050h。

优选的，L的取值为1.012h。

优选的，u与h1的比为1.28。

一种仙人掌仿生定向排液机构，包括支撑圆环，支撑圆环内平行且等间距设有多个支撑杆，各支撑杆上沿其轴向及周向均匀布设多个仿生仙人掌椎体，仿生仙人掌椎体为本申请公开的仿生仙人掌椎体；各仿生仙人掌椎体的轴线与各支撑杆的轴线共面。

优选的，相邻支撑杆间的各仿生仙人掌椎体交错排布。

优选的，支撑圆环的半径R的取值为18h～20h，同一个支撑杆上相邻两个仿生仙人掌椎体间的距离l的取值为1.6h～1.8h。

一种油雾过滤器，包括水平管道，管道内腔沿管道长度方向同轴设有两个排液机构，排液机构为本申请公开的仙人掌仿生定向排液机构，管道内腔径向截面与支撑圆环结构相匹配；还包括设在管道内腔两个排液机构间的过滤介质。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明的仿生仙人掌椎体，通过对仿生仙人掌椎体特殊结构以及其参数的设计，将其应用到油雾过滤器上时，在不影响过滤效率的同时，实现对过滤器上油雾的定向输运，避免油液在的排出方式只能依靠重力等自然作用排出过滤器、排出速率有限，以降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

(2)本发明的仙人掌仿生定向排液机构，均匀布设的多个支撑杆以及沿其轴向及周向均匀布设多个仿生仙人掌椎体的设置，使得定向排液机构在运用到过滤器上油雾过滤器上时，定向排液更加均匀，同时各仿生仙人掌椎体的轴线与各支撑杆的轴线共面的设计，实现对过滤器上油雾的定向输运效果更优，更好的降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

(3)本发明的油雾过滤器，通过对部件结构的合理设置，在不影响过滤效率的同时，实现对过滤器上油雾的定向输运，避免油液在的排出方式只能依靠重力等自然作用排出过滤器、排出速率有限，以降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的仿生仙人掌椎体的立体图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的仰视图；

图4为本发明的排液机构的立体图；

图5为本发明的油雾过滤器的结构示意图。

图中各标号表示为：

1圆锥结构，2脊柱；

a支撑圆环，b支撑杆，c仿生仙人掌椎体；

A排液机构，B管道，C过滤介质。

具体实施方式

发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

需要说明的是，本文中所提及到的方向性术语，如“内腔”、“径向”等均与说明书附图中纸面上的具体方向或附图中所示空间的相应方向一致；本发明中的所有部件和设备，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件和设备。

本方案的设计机理：对于液体在固体表面定向输运，当液体滴加在固体表面时，由于液体四周受到相同的作用力，所以呈现扩散或者钉扎状态。为了使其运动，需借助外力给予固体表面一个刺激来打破液体原有的平衡。科学家们通过观察沙漠中仙人掌刺对于干旱环境中雾水的收集发现，其通过特有的锥形结构和表面特性，利用拉普拉斯压力作用来实现雾水的收集，完成液体在其表面的定向运动。因此本方案利用仙人掌刺特有的结构对现有问题进行处理，分析油雾在纤维表面堆积特征，制备仿生仙人掌刺的排液结构，运用仙人掌刺的集雾和输运机理，对现有过滤器排水结构进行调整，实现对过滤器上油雾的定向输运，以降低油雾过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗。

实施例1

如图1-3所示，本实施例公开了一种仿生仙人掌椎体，包括圆锥结构1，圆锥结构1周面周向均匀布设至少两个脊柱2，脊柱2是与圆锥结构1等高的棱锥结构，脊柱2横截面远离圆锥结构1的顶点与圆锥结构1两交点等距；

圆锥结构1底面的曲率半径r如式1所示；

其中，α为圆锥结构1的顶角，α取值为1°～10°，本实施例优选为6°；r为圆锥结构1底面的曲率半径，h为圆锥结构1的高，h1为脊柱2底面的顶角到脊柱2底面与圆锥结构1两交点连线的垂直距离，h1的取值为0.050h～0.100h，L为脊柱2底面顶角到圆锥结构1顶角侧棱的长度，L的取值为1.011h～1.012h；

其作用为：通过对仿生仙人掌椎体特殊结构以及其参数的设计，将其应用到油雾过滤器上时，在不影响过滤效率的同时，实现对过滤器上油雾的定向输运，避免油液在的排出方式只能依靠重力等自然作用排出过滤器、排出速率有限，以降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

具体的，本实施例公开的圆锥结构1周面周向均匀布设三个脊柱2；其中，脊柱2底面与圆锥结构1两交点间的距离u与h1的比为0.800～1.280，本实施例优选为1.28；h1的取值为0.050h，L的取值为1.012h。

实施例2

如图4所示，本实施例公开了一种仙人掌仿生定向排液机构，包括支撑圆环a，支撑圆环a内平行且等间距设有多个支撑杆b，各支撑杆b上沿其轴向及周向均匀布设多个仿生仙人掌椎体c，仿生仙人掌椎体c为实施例1公开的仿生仙人掌椎体；各仿生仙人掌椎体c的轴线与各支撑杆b的轴线共面；

其作用为：支撑圆环a用于承载整个仙人掌仿生定向排液机构，支撑杆b用于承载仿生仙人掌椎体c，均匀布设的多个支撑杆b以及沿其轴向及周向均匀布设多个仿生仙人掌椎体c的设置，使得本实施例的定向排液机构在运用到过滤器上油雾过滤器上时，定向排液更加均匀，同时各仿生仙人掌椎体c的轴线与各支撑杆b的轴线共面的设计，实现对过滤器上油雾的定向输运效果更优，更好的降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

具体的，相邻支撑杆b间的各仿生仙人掌椎体c交错排布；

其作用为：相邻支撑杆b间的各仿生仙人掌椎体c交错排布设计，使得在支撑圆环a内能设置更多的仿生仙人掌椎体c，进而更好的降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

本实施例公开的支撑圆环a的半径R的取值为20h，同一个支撑杆b上相邻两个仿生仙人掌椎体c间的距离l的取值为1.8h，同一个支撑杆b上相邻两个仿生仙人掌椎体c间的距离l为仿生仙人掌椎体c底面圆心间的距离。

实施例3

如图5所示，一种油雾过滤器，包括水平管道B，管道B内腔沿管道长度方向同轴设有两个排液机构A，排液机构A为实施例2公开的仙人掌仿生定向排液机构，管道B内腔径向截面与支撑圆环a结构相匹配；还包括设在管道B内腔两个排液机构A间的过滤介质C；

其作用为：在不影响过滤效率的同时，实现对过滤器上油雾的定向输运，避免油液在的排出方式只能依靠重力等自然作用排出过滤器、排出速率有限，以降低过滤器在过滤过程中的运行压降，降低运行能耗，提高过滤器的排液速率，延长过滤器的使用寿命。

其中，本实施例的过滤介质C优选为ASHRAE-F9滤材。

本实施例为明确仿生仙人掌刺排液结构对油雾颗粒过滤过程中效率和压降影响，首先计算仿生仙人掌刺排液结构上油雾的排除速率，进而计算过滤层油雾饱和度的降低速率，确定过滤层前后压降情况。通过对比未加设仿生仙人掌刺排液结构过滤层油雾饱和度与过滤器前后压降，分析确定仙人掌仿生排液结构对油雾颗粒过滤过程中效率和压降影响。

为测试仿生仙人掌刺结构上油雾的运输速率，我们使用横向排布的仿生仙人掌刺排液结构，采用中仪环科(北京)科技有限公司的GABR-EMCSO-P013气溶胶发生器，设置油雾浓度为1000mg/m3，过滤风速为1.2m/s，对仙人掌刺仿生排液结构进行喷吹，排油速率约为333mg/s。

基于单独对仿生仙人掌刺排液结构油雾排除速率的测试，我们对实际过滤过程中过滤层油雾排除速率进行计算分析。

在实际油雾过滤过程中，我们设置的油雾浓度为500mg/m

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本方案公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。