CN103232108A - 新型文丘里管式水力空化水处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种新型文丘里管式水力空化水处理装置,在壳体内的左端设置有左支架、右端设置有右支架,左支架和右支架上设置有中心线与壳体的中心线相重合的整流棒,整流棒的形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为余弦旋转曲面的棒状体或在至少2个圆柱体的两端分别设置有通过中间圆柱体连为一体的圆台体,两端圆柱体外侧圆台体的端部设置有端部圆柱体。这种文丘里管与现有的文丘里管相比,具有结构简单、易于加工、安装方便、耐压高、污水处理效果好等优点,可用于污水净化处理。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域,具体涉及一种新型文丘里管式水力空化水处理装置。
背景技术
超声空化引起的湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应所形成的极端物理条件,为强化加快化学反应提供了一种非常有效的途径。近年来环境问题的日益突出,功率超声在水处理方面的应用,获得了广泛和深入的研究。但超声空化只在声源附近较小范围内产生能量集中、空化效应强烈,对待处理的对象有良好的效果.同时,超声换能器的总能耗中只有5%~10%用于空化,其余90%~95%的能量是以热能的形式使系统升温,即超声空化存在有效作用区域小、能效低的技术问题,这使得超声空化的应用受到极大的限制,在工业化中遇到很大困难。
水力空化是不同于超声空化的另一种水空化方法,近年来受到相关领域技术人员广泛关注和研究,是一种较超声空化更为简单有效的水力空化处理技术。已有的研究表明,水力空化对化学反应过程具有明显的强化作用,从能效和规模化方面水力空化与超声空化相比,具有简便易行、能耗低、效率高、污水处理量大等优点。因此水力空化应用于废水净化处理被寄予厚望并已取得了显著成效。
依据意大利物理学家文丘里(Giovanni Battista Venturi)发现并命名的文丘里效应设计的文丘里管,是目前的水力空化水处理装置中广泛采用的核心构件之一。传统的文丘里管,结构上由两段等直径的直管之间通过变径收缩管—较小直径的直管—变径扩散管依次连接构成。在工业应用中构成文丘里管的各段管道之间一般通过焊接或法兰连接,这种文丘里管结构复杂、加工难度大,特别是文丘里管的使用工况一般处在高压状态,焊接缝或法兰连接均使文丘里管的耐压能力受到影响。针对这一问题,近年来出现了一种整体机加工式文丘里管,其特征是在厚壁管内依次车制收缩管、喉管和扩散管构成文丘里管。这种结构的文丘里管虽然解决了各段管道之间的连接问题,但其材料要求特殊,加工难度大,普通设备无法实现较大长度文丘里管的加工,制约了其推广与应用。另外,传统的文丘里管用于水体处理,由于结构上的原因,多采用单级结构,但存在反应区域小,效率低的问题。制约了其在水力空化技术中的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的缺点,提供一种结构简单、加工安装方便、耐压高、处理污水效果好、可连续处理大流量污水的新型文丘里管式水力空化水处理装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是:在壳体内的左端设置有左支架、右端设置有右支架,左支架和右支架上设置有中心线与壳体的中心线相重合的整流棒。本发明的整流棒的形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为余弦旋转曲面的棒状体或在至少2个圆柱体的两端分别设置有通过中间圆柱体连为一体的圆台体,两端圆柱体外侧圆台体的端部设置有端部圆柱体。
本发明的整流棒侧面的余弦旋转曲面为:
以直角坐标系中的曲线
为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面,整流棒的中心线为x轴,0≤x≤kL,k为整流棒直径变化周期的个数,k至少为2,y为整流棒的中心线上x对应的整流棒的半径,D为壳体的内径,L为整流棒的1个直径变化周期的长度,2D≤L≤3D。
本发明的每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α为60°~90°,另一端圆台体的锥角β为30°~90°,β≤α,每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α相等、轴向长度相等,每个圆柱体相同方向另一端圆台体的锥角β相等、轴向长度相等,每个圆柱体两端的两个圆台体的最大直径与最小直径比为3~5,圆柱体与两端连为一体的圆台体的长度之和为壳体内径D的1.5~2倍。
本发明的每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α最佳为75°,另一端圆台体的锥角β最佳为45°,每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α相等、轴向长度相等,每个圆柱体相同方向另一端圆台体的锥角β相等、轴向长度相等,每个圆柱体两端的两个圆台体的最大直径与最小直径的最佳比为4,圆柱体与两端连为一体的圆台体的长度之和最佳为壳体1内径D的1.8倍。
本发明的左支架为:在轮毂的径向至少均布设置有3根辐板。本发明的右支架的结构与左支架相同,整流棒的左端设置在左支架轮毂的中心孔内、右端设置在右支架轮毂的中心孔内。
本发明采用在直管壳体内设置整流棒,整流棒与壳体内壁之间构成环绕整流棒的多级文丘里管道,通过改变整流棒的外形结构,构成不同结构的文丘里管,这种文丘里管与现有的文丘里管相比,具有结构简单、易于加工、安装方便、耐压高、污水处理效果好等优点,可用于污水净化处理。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1中左支架2的结构示意图。
图3是图1中整流棒3的结构示意图。
图4是本发明实施例2整流棒3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明,但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2、3中,本实施例的新型文丘里管式水力空化水处理装置由壳体1、左支架2、整流棒3、右支架4联接构成。
本实施例的壳体1为圆筒形,壳体1的两端有连为一体的法兰盘,用于与水管道联接,在与水管道相联通时,水管道的内径应与壳体1的内径相同,在壳体1内的左侧用螺纹紧固连接件固定联接有左支架2,壳体1内的右侧用螺纹紧固连接件固定联接有右支架4,整流棒3的左端通过螺纹固定联接在左支架2上,整流棒3的右端通过螺纹联接在右支架4上,整流棒3的中心线与壳体1的中心线相重合,整流棒3与壳体1内壁之间的间隙为水流通道,整流棒3的直径最大处与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。
图2给出了本实施例左支架2的结构示意图。在图2中,本实施例的左支架2由轮毂2-1、辐板2-2联接构成。轮毂2-1的中心位置加工有中心孔,中心孔用于安装整流棒3,在轮毂2-1的圆周外表面径向均布焊接联接有12块辐板2-2。右支架4的结构与左支架2的结构完全相同。
图3是图1中整流棒3的结构示意图。在图3中,本实施例中整流棒3的两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为余弦旋转曲面,侧面的几何形状是:以直角坐标系中的曲线
为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面。整流棒3的直径沿轴向按余弦函数周期性变化,整流棒3的中心线为x轴,式中0≤x≤2L,y的几何意义为整流棒3的中心线上x对应的整流棒3的半径,D为壳体1的内径,L为整流棒3的1个直径变化周期的长度,本实施例的L为2D,也可以选择L为2.5D,还可以选择L为3D。整流棒3的长度等于直径变化周期长度的整数倍,本实施例中整流棒3的长度等于2个直径变化周期的长度,也可根据污水处理的具体要求,采用长度大于2个直径变化周期长度的整流棒3。
对于不同内径的壳体1,每给定1个壳体1的内径值D,根据内径D值确定整流棒3一个直径变化周期的长度值L;再根据水处理的具体要求,确定整流棒3长度所应包含的直径变化周期的个数,即整流棒3的长度值,并确定出与整流棒3长度相适应的壳体1长度。由方程(1)所确定的整流棒3,数控车床很容易加工,只要给出壳体1的内径D便可加工出整流棒3。将整流棒3安装在壳体1内,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管,也可根据污水处理具体要求采用直径变化周期个数大于2的整流棒3,构成多级串联的文丘里管。这种结构的文丘里管没有联接焊缝,耐压力高,更适合在高压状态用于污水处理。
实施例2
图4给出了本实施例整流棒3的结构示意图。在图4中,本实施例整流棒3的几何形状为:在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3。左圆柱体3-2的两端的两个圆台体3-3的结构完全相同,左侧的圆台体3-3的锥角α为75°,右侧的圆台体3-3的锥角β为75°,两个圆台体3-3的轴向长度相等,两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/16,D为壳体1的内径,两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为4,左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1内径D的1.8倍,左侧的圆台体3-3的左端有连为一体的端部圆柱体3-1。
右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同,右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3,右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同,右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4,中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同,中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期,也可根据污水处理的具体要求,采用直径变化周期个数大于2的整流棒3。
在设计过程中,每给出一个确定的壳体1内径D值,本领域的技术人员均可根据上述整流棒3的结构特征,设计出一种具体结构的整流棒3,并确定出与整流棒3长度相适应的壳体1的长度。这种结构的整流棒3,数控车床很容易加工。将整流棒3安装在壳体1内,整流棒3与壳体1内壁之间的间隙为水流通道,整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。也可根据污水处理的具体要求采用直径变化周期个数大于2的整流棒3,两端的结构与上述整流棒3相同,其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3与右圆柱体3-5右端的圆台体3-3之间、以及其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3相互之间用中间圆柱体3-4连为一体,将这种整流棒3装入壳体1内,构成多级串联的文丘里管。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例整流棒3的几何形状为:在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3。左圆柱体3-2的两端的两个圆台体3-3的结构完全相同,左侧的圆台体3-3的锥角α为60°,右侧的圆台体3-3的锥角β为60°,两个圆台体3-3的轴向长度相等,圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为1D/4,D为壳体1的内径,两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为3,左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的1.5倍,左侧的圆台体3-3的左端有连为一体端部圆柱体3-1。
右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同,右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3,右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同,右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4,中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同,中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。
其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
将整流棒3安装在壳体1内,整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道,整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。
实施例4
本实施例整流棒3的几何形状为:在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3。左圆柱体3-2两端的两个圆台体3-3的结构完全相同,左侧的圆台体3-3的锥角α为90°,右侧的圆台体3-3的锥角β为90°,两个圆台体3-3的轴向长度相等,圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/20,D为壳体1的内径,两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为5,左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的2倍,左侧的圆台体3-3的左端有连为一体的端部圆柱体3-1。
右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同,右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3,右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同,右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4,中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同,中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。
其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
将整流棒3安装在壳体1内,整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道,整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。
实施例5
本实施例整流棒3的几何形状为:在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3,左圆柱体3-2左端圆台体3-3的锥角α为75°、右端圆台体3-3的锥角β为45°,两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/16,D为壳体1的内径,两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为4,左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1内径D的1.8倍,左侧的圆台体3-3左端有连为一体的端部圆柱体3-1。
右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同,右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3,右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同,右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4,中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同,中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。
其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
将整流棒3安装在壳体1内,整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道,整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管,也可根据污水处理的具体要求,采用直径变化周期个数大于2的整流棒3,两端的结构与上述整流棒3相同,其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3与右圆柱体3-5右端的圆台体3-3之间、以及其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3相互之间用中间圆柱体3-4连为一体,将这种整流棒3装入壳体1内,构成多级串联的文丘里管。
实施例6
本实施例整流棒3的几何形状为:在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3,左圆柱体3-2左端圆台体3-3的锥角α为60°、右端圆台体3-3的锥角β为30°,两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为1D/4,D为壳体1的内径,两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为3,左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的1.5倍,左侧的圆台体3-3的左端连有为一体端部圆柱体3-1。
右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同,右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3,右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同,右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4,中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同,中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。
其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
将整流棒3安装在壳体1内,整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道,整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。
实施例7
本实施例整流棒3的几何形状为:在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3,左圆柱体3-2左端圆台体3-3的锥角α为90°、右端圆台体3-3的锥角β为55°,两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/20,D为壳体1的内径,两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为5,左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的2倍,左侧的圆台体3-3的左端有连为一体的端部圆柱体3-1。
右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同,右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3,右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同,右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4,中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同,中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。
其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
将整流棒3安装在壳体1内,整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道,整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部,整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。
实施例8
在以上的实施例1~7中,左支架2由轮毂2-1、辐板2-2联接构成。轮毂2-1的中心位置加工有中心孔,中心孔用于安装整流棒3,在轮毂2-1的圆周外表面径向均布焊接联接有3块辐板2-2。右支架4的结构与左支架2的结构完全相同。
其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
本发明的工作原理如下:
高速流动的污水进入整流棒3与壳体1内壁之间构成的第一级环绕整流棒3的文丘里管的收敛形段,流速逐渐增大、压力逐渐减小,污水进入文丘里管的喉部时,流速达到最大、压力最小,溶解于水中的空气所形成的气核迅速膨胀成为空化泡,进入文丘里管扩散段的水流减速压力恢复,当压强恢复时气泡瞬时溃灭产生高温(1000~5000K)和瞬时高压(1~5×107Pa),即形成所谓的“热点”。空化泡溃灭瞬间的能量集中释放,足以打开水分子结合键,形成·OH与·H自由基,空化泡溃灭产生的冲击波和射流,在水中产生局部高浓度具有高化学活性的氧化剂·OH,与水中的有机污染物发生氧化反应,将水中大多数有机污染氧化降解为无害物质,。经过第一级文丘里管处理的污水,连续通过串联的第二、三…级文丘里管,实现对污水的进一步处理。
Claims (5)
1.一种新型文丘里管式水力空化水处理装置,在壳体(1)内的左端设置有左支架(2)、右端设置有右支架(4),左支架(2)和右支架(4)上设置有中心线与壳体(1)的中心线相重合的整流棒(3),其特征在于:所述的整流棒(3)的形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为余弦旋转曲面的棒状体或在至少2个圆柱体的两端分别设置有通过中间圆柱体(3-4)连为一体的圆台体(3-3),两端圆柱体外侧圆台体(3-3)的端部设置有端部圆柱体(3-1)。
2.根据权利要求1所述的新型文丘里管式水力空化水处理装置,其特征在于所述的整流棒(3)侧面的余弦旋转曲面为:
以直角坐标系中的曲线
为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面,整流棒(3)的中心线为x轴,0≤x≤kL,k为整流棒(3)直径变化周期的个数,k至少为2,y为整流棒(3)的中心线上x对应的整流棒(3)的半径,(D)为壳体(1)的内径,L为整流棒(3)的1个直径变化周期的长度,2D≤L≤3D。
3.根据权利要求1所述的新型文丘里管式水力空化水处理装置,其特征在于:所述的每个圆柱体相同方向一端圆台体(3-3)的锥角(α)为60°~90°,另一端圆台体(3-3)的锥角(β)为30°~90°,β≤α,每个圆柱体相同方向一端圆台体(3-3)的锥角(α)相等、轴向长度相等,每个圆柱体相同方向另一端圆台体(3-3)的锥角(β)相等、轴向长度相等,每个圆柱体两端的两个圆台体(3-3)的最大直径与最小直径比为3~5,圆柱体与两端连为一体的圆台体(3-3)的长度之和为壳体(1)内径(D)的1.5~2倍。
4.根据权利要求1所述的新型文丘里管式水力空化水处理装置,其特征在于:所述的每个圆柱体相同方向一端圆台体(3-3)的锥角(α)为75°,另一端圆台体(3-3)的锥角(β)为45°,每个圆柱体相同方向一端圆台体(3-3)的锥角(α)相等、轴向长度相等,每个圆柱体相同方向另一端圆台体(3-3)的锥角(β)相等、轴向长度相等,每个圆柱体两端的两个圆台体(3-3)的最大直径与最小直径比为4,圆柱体与两端连为一体的圆台体(3-3)的长度之和为壳体(1)内径D的1.8倍。
5.根据权利要求1所述的新型文丘里管式水力空化水处理装置,其特征在于所述的左支架(2)为:在轮毂(2-1)的径向至少均布设置有3根辐板(2-2);所述的右支架(4)的结构与左支架2相同,整流棒(3)的左端设置在左支架(2)的轮毂(2-1)的中心孔内、右端设置在右支架(4)的轮毂(2-1)的中心孔内。
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