CN102056654A - 用于将气体混入流动液体的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将气体混入液体的装置，包括：中空截头锥形壳体，该壳体具有从限定流体出口开口的小直径流体出口端延伸至大直径端的中心轴线；邻近于大直径端定位的液体进口端口形成在所述壳体上，该液体进口端口允许加压流体输入所述中空壳体；以及螺旋地切割的圆锥形构件定位并固定在所述壳体的中空中央，其轴线与所述中空截头锥形壳体的轴线对准，使得被输送进入壳体的流体在从进口端口流向出口开口时绕圆锥形构件的外侧作涡流运动。壳体有气体进口，该气体进口用于在流体从进口向流体流出开口运动时将气体在邻近流体出口开口的位置输入截头锥形壳体内的流体。

Description

用于将气体混入流动液体的装置
技术领域
本发明涉及一种用于将气体混入流动液体的管线内装置。在这种装置的各种应用中，其提供一种能够有效地使氧溶解于水中以及产生水悬浮液中的空气泡的装置。
背景技术
随着公众越来越广泛地认识到富氧水的好处，对把富氧空气完全地混入水中的总需求正在不断扩大。由于这种混合物包括许许多多在水中的只有用显微镜才能观察到的气泡，所以其典型的好处之一是它能够把真正富氧的气体输送到通常浸没在水下的地方。
下列专利文件中描述了各种用于把气体混入液体的传统方法：
·1973年的US-3775314“用于把气体混入水的方法和装置(Method and apparatus for mixing gas with water)”
·1981年的US-4271099“用于把气体完全混入液体的装置(Apparatus For Thorough Mixture of a Liquid with a Gas)”
·1989年的US-4838434“空气喷射的水力旋流装置和用于从微粒悬浮液分离出微粒的方法(Air Sparged Hydrocyclone Apparatus and Methods for Separating Particles From a Particulate Suspension)”
·US-5049320“气体溶解系统和方法(Gas Dissolving System and Method)”
·US-6103128“用于把气体混合于液体的方法和装置(Method and Apparatus for Mixing Gas with Liquid)”
现在需要有比上述已有技术的装置有所改进的用于将气体混入流动液体的方法和装置。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于将气体完全地混入液体的管线内装置。这种装置包括两个部件。第一个部件是中空截头锥形壳体，该壳体具有从限定流体出口开口的小直径流体出口端延伸至大直径端的中心轴线；定位成邻近大直径端的液体进口端口形成在所述壳体上，该液体进口允许加压液体输入所述中空壳体；以及螺旋地切割的圆锥形构件定位并固定在所述壳体的中空中央，其轴线与中空截头锥形壳体的轴线对准，使得被输送进入壳体的流体在从进口端口流向流出开口时绕圆锥形构件的外侧作涡流运动，所述壳体具有气体进口，该气体进口用于在液体从进口向流体流出开口运动过程中将气体在邻近流体流出开口的位置输入中空截头锥形壳体内的流体。注入了气体的流体流过截头锥形壳体并通过在小直径端的所述流体出口而进入第二部件的内部空间，第二部件是容纳外壳。在一个示例性实施例中，这个容纳外壳完全包容着第一部件，而在另一示例性实施例中，容纳外壳仅收集从第一部件的出口开口流出的流体。从中空截头锥体出口流进容纳外壳的流体聚积在容纳外壳里并通过形成在容纳外壳上的排出端口流出。这种装置在以下意义上是管线内装置：在进入的加压流体的驱动下，加压流体从液体进口进入并在流过中空截头锥体，在该处被注入气体，而后穿过其出口流出而进入容纳腔室，然后再从容纳腔室出口流出。
按照本发明的另一方面，第一部件是扩散型的截头锥，其具有形成截头锥形腔室的壳体，腔室的大端被密封，而在另一端渐缩成排出口。邻近于密封端设有相切于腔室的流体进口。在该腔室的中央设有螺旋地切割的中空锥形构件(“独角兽角锥”)，其锥底固定于密封端，而“锥形独角兽角锥”的锥尖对准排出口孔，这有助于使所包含的流体作连续的涡流运动，并用作气体进口端口以开始形成气体涡流。这个第一部件的流体进口接纳来自泵送源的加压流体而使流体在腔室内旋转。由于泵连续不断地输送来流，流体被逐渐推向第一部件的排出开口，并且由于腔室的横断面的逐渐减小，流体越接近排出口越被加速。液体和气体之间的密度差使密度较大的涡流液体被推向外圆周，而密度较小的气体形成处在顶峰的小气旋。气液两相之间的速度差引起液体和气体之间的剪切。最终的结果是，在第一部件的排出口处形成完全混合的悬浮液，其中充满大量小气泡。
本发明的装置优于其它气体溶解装置的诸多优点之一是能够产生极端细微的气泡，这可使液体充气和其它类型的气体溶解的许多优点最大化。
本发明的装置提供一种可将诸如氧的气体有效地溶解于诸如水的液体之中并在水悬浮液中形成空气泡的措施。
本发明的装置特别适用于水中栽培产业，因为将氧输送到植物的根部对植物的茁壮生长和生长速率是至关重要的。对于鱼类和需要氧来生存和繁衍的植物之类的水栖生物，富氧水也是很重要的。用这种装置向养鱼池或水族箱供给注入了氧的水可提高一定容积的水族箱里耗氧生命体的养殖密度。这种装置的另一种应用是用于洗衣房和纺织品清洗，清洗可获益于富氧水和细小的空气泡。氧有助于肥皂更好地清洗，而气泡可使肥皂产生更多的泡沫而更深地渗进织物纤维，甚至可漂洗得更干净，这允许洗衣机降低肥皂和水需要量。
附图说明
下面参照附图举例说明本发明的各示例实施例，各附图中：
图1是示出装置的一个示例性实施例的垂向剖视图，该实施例有一个容纳外壳，其包容着中空截头圆锥形部件；
图2是图1的示例性实施例的流动通道的水平剖视图；
图3是本发明的装置的一个替换实施例的立体图，该实施例具有收集室；以及
图4是图3的实施例的垂向剖视图，图示出这种装置的这一实施例的基本形状和流动通道。
具体实施方式
在所示的本发明的各实施例中，这种装置(8)是用塑料制成，其形状像圆筒体，它有限定的流体进口(10)、中空截头圆锥体的排出开口(12)、容纳外壳排出开口、气体进口(14)、限定内部截头圆锥形腔室的截头锥体(20)、以及在截头锥形腔室内的独角兽角锥(16)，该独角兽角锥有助于使压力和速度梯度达到最大而能确保气体注入效率为最高。也可用其它适当的材料来制造。
这种装置的各实施例制造成，在正常的使用中，连接在管线上，通过进口(10)供入加压液体并通过排出口(11)将流体排出至通向管路、管线或柔性软管的固定连接处。
这种装置的第一部件是截头锥体(20)，它的最小端(22)具有排出开口(12)，该排出开口(12)定位成通向容纳外壳(24)。旋转轴线由穿过截头锥体两个平行端中心的线(线A-A)所定义。图示的这一实施例表示出对于理想的气体注入为优选的截头锥体大端直径、小端直径、进口和出口尺寸之比。
截头锥体的排出口在尺寸上可以与进口管子(10)相等或者可以是其它的尺寸。在一个示例性实施例中，截头锥体的排出口(12)的直径比进口管子(10)的直径小25％。
进口管子(10)可以是任何尺寸的，但在一个示例性实施例中，是截头锥体的大端直径(26)的35％。本发明的装置在不同的进口和出口尺寸之比下仍能发挥功能，但如果进出口尺寸之比变动太大，装置的效率将有所变化甚至可能受损。
容纳外壳上限定的排出口和排出管(11)可以是任何尺寸的，但在示例性实施例中，为了便于安装，典型地，让其与进口管子(10)尺寸相等。
在本发明的一个实施例中，进口管子(10)以相切于或近乎相切于截头锥体的内部曲率进入中空截头圆锥体(20)的内部腔室。进口管子(10)定位成在或邻近于截头锥体的大直径端(26)处。如果进口管子不是相切于截头锥体的内部曲率或不是邻近其大直径端，这种装置仍能发挥功能，但其效率将会降低。
在所示的各实施例中，进口管子(10)可使流体进入截头锥体的腔室，但进口管子不得伸进截头锥体，而是它应该在截头锥体进口(21)处终止于截头锥体的壁，因为截头锥形腔室里除独角兽角锥结构之外的任何物体都将破坏所希望的均匀流动而降低这种装置的性能。
这种装置的示例性截头锥体(20)所起的作用是使从液体源通过进口管子在截头锥体进口处接收加压液体(通常是水)并形成流体绕旋转轴线旋转的转动体，并且补给流量恒等于排出流量。
本发明的截头锥体(20)的大直径端具有表面(23)，该表面一边绕大直径端的圆周延伸一边升高。它的相对于与截头锥体的液体进口平齐的大直径端具有零升程。这一斜坡遵循并填充截头锥形腔室的内表面与独角兽角锥结构的外表面之间的空间。该斜坡连续地围绕该单元的整个圆周，直至终止于它起始的那一点(延伸腔室的一圈)。该斜坡的总升程通常约为截头锥体的高度的10％。根据结构配置，可以采用其它的斜坡陡度来减小或增大其效果。这种斜坡的作用是增大加速度和增强流体的涡流运动，从而提高效率。
这种装置的截头锥体(20)的锥度可将旋转的流体连续不断地推向排出端(12)，同时让新的液体输入该装置。从进口位置向排出位置截头锥的横断面的连续减小可使流体的旋转速度增高并保持连续流动。
在所示的各示例性实施例中，在截头锥体的主腔室内部，有与旋转轴线(线A-A)同轴的有螺旋形凹槽的圆锥体(22)(本文中也称其为“独角兽角锥”)，它的锥底直接固定于中空截头锥体的大直径端。作为有螺旋形沟槽的锥体的独角兽角锥的形状和形式可通过降低过度的紊流和边界壁和流体之间的摩擦而有助于加速液体的旋转，从而提高效率。
独角兽角锥具有气体进口小孔(14)，该小孔从截头锥体的大直径端轴向地延伸穿过独角兽角锥而在截头锥体的顶部附近通向截头锥形腔室，用于将气体直接注入截头圆锥形腔室内邻近于该截头锥形出口的最低压力区域。
气体可通过这个从截头锥体的大直径端延伸穿过独角兽角锥的气体进口进入截头锥形腔室，而截头锥体的大直径端是以密封的方式连接于独角兽角锥的大直径端。气体可从独角兽角锥的顶端或称小直径端流出独角兽角锥。
供给到独角兽角锥的气体可以是来自加压的气源或处于大气压力下的气源。如果气体连接到加压气源，则可能需要对供气进行调节以确保这种装置的最佳工作。如果是以大气压力供气，则这种装置必须有足够的流体供给，以使这种装置的轴向中心的涡流处形成所需要的真空度，从而克服单元的排出处的压力。典型地，在以20磅每平方英寸的压力供给流体时，这种装置将产生5磅每平方英寸的相对真空度。
下面描述本发明的容纳外壳的两个实施例。
图1表示出第一实施例。容纳外壳(24)完全地包容着截头锥体。通向截头锥形腔室的流体进口(10)穿过外壳(24)的壁并且不允许任何进口液体不首先穿过混合截头锥体而直接进入外壳。气体/液体混合物从出口端流出截头锥之后进入容纳外壳的腔室。外壳只有一个出口(11)，所有混合了的流体从这个出口排出。这个排出口可设置在外壳上的任何地方，但根据这种装置的安装，其应该设置得尽可能高，以防止上升的气泡聚集成气窝。
图3和4表示出第二实施例。容纳外壳(24A)是球形的(或其它类似形状的)，坐落在截头锥体上，并可有效地收集从截头锥流出的所有混合了的流体。它应该是曲面形状的，诸如图中所示，并应有可使紊流为最小的足够大直径，以降低摩擦和提高效率。随着它远离截头锥体，其横截面面积朝向排出区域(44)逐渐减小，在这一示例性实施例中，排出区域与进口尺寸相同，并且外侧有标准的螺纹(或凸缘)，以便能连接到标准系统管道或管路。即使排出口直径不同于进口直径，本发明的装置仍能进行气体和液体的混合，但可能不会同样地有效，并且可能需要对整个混合系统做更多的修改。
应能理解，对熟悉本技术领域的人来说，在阅读本说明书和附图之后，本发明显然可以有各种改变、变型、变化和其它用途和应用。所以，不偏离本发明的精神和范围的任何和所有这类改变、变型、变化和其它用途和应用都将被认为是由本发明所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于将气体混入液体的装置，包括：中空截头锥形壳体，所述壳体具有从限定流体出口开口的小直径流体出口端延伸至大直径端的中心轴线；邻近所述大直径端定位的液体入口端口形成在所述壳体上，所述液体入口端口允许加压液体输送进入所述中空壳体；以及螺旋地切割的圆锥形构件定位并固定在所述壳体的中空中央内，所述圆锥形构件的轴线与所述中空截头锥形壳体的轴线对准，使得输送进入所述壳体的流体在从进口端口流向出口开口时绕所述圆锥形构件的外侧作涡流运动，所述壳体具有气体进口，所述气体进口用于在流体从进口向流体出口开口运动时将气体在邻近所述流体出口开口的的位置输入所述截头锥形壳体内的所述流体。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，注入了气体的流体通过所述小直径端处的所述流体出口流过所述截头锥形壳体并进入第二部件的内部空间，所述第二部件是容纳壳体，所述容纳外壳完全地包容着所述截头锥形壳体。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，注入了气体的流体通过所述小直径端处的所述流体出口流过所述截头锥形壳体并进入第二部件的内部空间，所述第二部件是容纳壳体，所述容纳外壳仅收集从所述截头锥形壳体出口开口流出的流体并使流体通过形成在所述容纳外壳上的排出口流出。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置在以下意义上是管线内装置：在进来的加压流体的驱动下，加压流体进入所述流体进口并流过所述中空截头锥形壳体，在所述中空截头锥形壳体处所述加压流体被注入气体，而后穿过所述中空截头锥形壳体的出口，进入所述容纳腔室，然后再从所述容纳腔室出口流出。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述截头锥形壳体形成圆锥形腔室，所述腔室在一大端密封，而在另一端渐缩成排出口，并且所述壳体上邻近于所述密封端限定有相切于所述圆锥形腔室的流体进口，以及所述圆锥形腔室的中央内设置有中空、锥形螺旋切割的锥形，所述锥形固定于所述密封端，所述锥形的锥尖与所述排出开口轴向对齐，以促使所包含的流体作连续的涡流运动，并用作气体进口端口以开始形成气体涡流。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述截头锥形壳体的所述流体进口接纳来自泵送源的加压流体而使液体在所述腔室内旋转。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的装置，其特征在于，所述中空截头锥形壳体排出开口的直径尺寸在等于所述进口端口直径到比所述进口端口直径小25％范围内。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的装置，其特征在于，所述进口端口的直径约为所述截头锥形壳体的大端直径的35％。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的装置，其特征在于，所述进口端口相切于或近乎相切于所述截头锥形壳体的内部曲率进入所述截头锥形壳体的内部腔室，并且所述进口端口在所述大直径端处或邻近于所述大直径端定位。
10.如权利要求1至9中的任一项所述的装置，其特征在于，所述进口端口允许流体进入所述截头锥体的腔室，进口管在截头锥体的进口处终止于所述截头锥体的壁。
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