CN104591313B - 一种强化空化泡崩溃的水力空化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强化空化泡崩溃的水力空化装置，其在水力空化腔的进水端口上设置有喷嘴、内腔沿着中心轴上依次设置有前阻流体、后阻流体以及调节板；前阻流体是沿着长轴方向截取的半椭球体结构，后阻流体是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接而成的闭合曲线绕着喷嘴的中心轴旋转一周所形成的旋转体；调节板是在球面板的内壁上沿水力空化腔的中心轴方向水平设置上挡板和下挡板；本发明是利用负压区域生成的空化气泡在壁效应的作用下游移到高压区，在高压区遇障碍发生崩溃，生成大量自由基，从而有效提高水力空化降解有机污染物的能力，以达到提高和强化空化处理废水效果的目的。

Description

一种强化空化泡崩溃的水力空化装置

技术领域

本发明属于液态流体空化发生装置研究技术领域，尤其涉及一种利用水力空化降解处理有机污染物废水的强化空化泡崩溃的水力空化装置。

技术背景

据环境保护总局发布的《中国环境状况公报》称，对全国近14万公里河流进行的水质评价，结果表明近40％的河水受到了严重污染；全国七大江河水系中劣V类水质占41％。而环保总局发布的另一项重要调查显示，在被统计的我国131条流经城市的河流中，严重污染的有36条，重度污染的有21条，中度污染的有38条。

由于水体的污染，造成许多水资源无法再利用，从而加重了水资源的匮乏程度,影响了环境的可持续利用和经济的可持续发展。因此，寻求新的方法和技术对流量大、污染物多且又成分复杂的工业、农业污染废水进行有效地、深度处理，将为水资源的再利用创造条件。

物理方法进行水处理，由于不产生二次污染，被称为“绿色水处理”，受到了广泛的关注。其中的空化法，因可以廉价简易地集高温、高压、机械剪切和破碎为一体，为物理方法进行有机污染物降解和水体净化处理创造了特殊的形式。

文丘里管是早期水力空化发生器的代表之一，它的出现为空化净化水处理带来了新的方法。但传统的文丘里管在污水处理方面的应用受到很大限制，最重要的表现是：自由基生成数量过少，尤其是羟基自由基的生成数目过少，导致处理有机污染物的效果不理想，因此这种处理污水的方法一直没有在实际工程中广泛使用。

发明内容

为了能够有效克服传统水力空化所存在的技术缺陷，本发明提供了一种能够使流体生成大量自由基，有效提高水力空化降解有机污染物的能力，并且操作方便、易于管理，成本低、技术结构简单的强化空化泡崩溃的水力空化装置。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：其包括水力空化腔，水力空化腔的侧部开有进水端口，在进水端口上设置有喷嘴，与进水端口相对的另一端底部加工有出水口，在水力空化腔内中心轴上依次设置有前阻流体、后阻流体以及调节板；前阻流体、后阻流体和调节板均是通过间隔分布的固定杆与水力空化腔内壁固定；

上述前阻流体是沿着长轴方向截取的半椭球体结构，其端面与水力空化腔的进水端口对齐，该前阻流体的曲线方程为式(1)，以水力空化腔的进水端面与其中心轴的交点为坐标原点，水力空化腔的中心轴为x轴，水力空化腔的进水端面上与x轴垂直相交的竖向中心线为y轴，单位为mm；

式(1)为：

$\frac{x^2}{m^2}+\frac{y^2}{n^2}=1$

式(1)中m为长半轴，取值为60～70；n为短半轴，取值为5～7；x为椭圆曲线的长轴变量，x≥0；y为椭圆曲线的短轴变量；

上述后阻流体是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接而成的闭合曲线绕着喷嘴的中心轴旋转一周所形成的旋转体；

曲线1的线性方程为：

(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

曲线2的线性方程是：

(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

曲线3的线性方程是：

(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

其中a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为11～17；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为8～12；

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为43～51；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为20～23；

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为59～73；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为29～34；

曲线1的圆心角为165～190°，曲线2的圆心角为66～105°，曲线3的圆心角为54～86°；

上述调节板是在球面板的内壁上沿水力空化腔的中心轴方向水平设置上挡板和下挡板，球面板的球心在水力空化腔的中心轴上，上挡板与下挡板关于中心轴对称。

上述上挡板与下挡板之间的高度优选28～41mm，球面板的圆心角是104～113°，球面半径为36.5～44mm，所形成的球冠高度是3～5mm。

上述上挡板和下挡板距离后阻流体的间隙优选3～6mm，球面板的边沿距离水力空化腔内壁的间隙优选5～10mm。

上述水力空化腔的入口端内壁可以加工为圆弧面结构，其纵向截面圆弧半径为25～67mm，圆心角是42～75°，能够有效避免形成流动死角。

本发明的强化空化泡崩溃的水力空化装置是通过在水力空化腔进水端口处设置半椭球体结构的前阻流体、水力空化腔内部中段设置后阻流体，使喷嘴的高压水流先后经前阻流体和后阻流体受阻后形成高压射流，由于喷嘴出口小，水力空化腔内腔空间大，高压射流进入水力空化腔后形成负压区，高压射流在负压区域生成空化气泡，再利用流体沿壁流动的效应，使负压区域生成的空化气泡在壁效应的作用下游移到高压区，并在高压区遇到内壁和调节板障碍发生崩溃，生成大量自由基，从而有效提高水力空化降解有机污染物的能力，以达到提高和强化空化处理废水效果的目的，本发明的结构简单、效率高、操作方便、易于管理，成本低，适于工业化应用。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为图1中的后阻流体4的左视图。

图3为调节板5的结构示意图。

具体实施方式

现结合实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

实施例1

参见图1和图2，本实施例的强化空化泡崩溃的水力空化装置是由喷嘴1、前阻流体2、水力空化腔3、后阻流体4、调节板5、固定杆6连接构成。

本实施例的水力空化腔3是水平放置的直径D为76mm的圆筒状结构，水力空化腔3的腔室左端侧部加工有进水端口、右端底部加工有出水口，在进水口上安装有喷嘴1，该喷嘴1的中心轴与水力空化腔3的中心轴在同一条直线上，且喷嘴1的直径d为20mm，即水力空化腔3的直径D是3.8d。为了避免流体进入水力空化腔3后在死角中停留，将水力空化腔3的进水端内壁加工为圆弧面结构，其纵向截面圆弧半径为25mm，圆心角是75°。为了避免进入水力空化腔3内的大量微小气泡群相互之间合并变成大气泡而破裂，在水力空化腔3内沿着进水方向依次安装有前阻流体2和后阻流体4，其中，前阻流体2和后阻流体4分别用固定杆6与水力空化腔3的内壁用螺纹紧固件连接固定，为了不影响水流空化气泡的流动，该固定杆6间隔均布在前阻流体2和后阻流体4的外围，并且其直径相对较小，以不影响水流为准。

本实施例的前阻流体2是个沿着长轴方向截取的半椭球体结构，以水力空化腔3的进水端面与中心轴之间的交点为坐标原点，水力空化腔3的中心轴为x轴，水力空化腔3的进水端面上与x轴垂直相交的竖向中心线为y轴，前阻流体2的曲线方程是式(1)：

$\frac{x^2}{m^2}+\frac{y^2}{n^2}=1$

式(1)中m为长半轴，65mm；n为短半轴，取值为6mm；x为椭圆曲线的长轴变量，x≥0，单位mm；y为椭圆曲线的短轴变量，单位mm。

本实施例的后阻流体4是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接成的闭合曲线绕着喷嘴11的中心轴旋转一周所形成的旋转体；其中：

曲线1的线性方程为：(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为11，单位mm；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为8，单位mm；

曲线1的圆心角为180°。

曲线2的线性方程是：(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为47，单位mm；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为20，单位mm；

曲线2的圆心角为93°。

曲线3的线性方程是：(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为63，单位mm；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为32，单位mm；

曲线3的圆心角为75°。

在水力空化腔3内后阻流体4的右侧靠近出水口处通过间隔分布的2个固定杆6和螺纹紧固连接件固定安装有调节板5，参见图3，本实施例的调节板5是球面板5-1和上挡板5-2、下挡板5-3连接构成，上挡板5-2和下挡板5-3焊接连接在球面板5-1的内壁上，并且关于空化腔室3的中心轴对称分布，本实施例的球面板5-1用固定杆6与空化腔室3的侧壁连接固定，其圆心角为113°，球面半径为37mm，所形成的球冠高度是4mm，球面板5-1的球心在水力空化腔3的中心轴上，其圆周边沿与空化腔室3的内壁之间形成8mm的间隙，保证水流通过后经出水口排出。本实施例上挡板5-2与下挡板5-3之间的高度是32mm，上挡板5-2和下挡板5-3距离阻流体4的间隙均为5mm，空化气泡在高压区内与球面板5-1碰撞，一部分经球面板5-1与水力空化腔3内壁之间的狭缝流出，一部分经球面板5-1截留后再次与上、下挡板5-3发生碰撞，彻底崩溃，之后形成高温高压冲击波并且产生大量的自由基，进一步提高水力空化降解有机污染物的能力。为了进一步保证空化气泡彻底崩溃，将球面板5-1在上挡板5-2、下挡板5-3之间的部分加工为平面结构。

在使用时，高压水流经喷嘴1进入水力空化腔3内，在水力空化腔3的进水端口处遇到前阻流体2受阻后形成射流从喷嘴1出口端射出，水力空化腔3内部的空间扩大，形成低压区，使微小气泡群开始形成，当微小气泡群遇到后阻流体4的阻挡后根据沿壁效应，微气泡群沿着水力空化腔3的内壁以及后阻流体4的外壁分散成两股，一部分沿L1区域，另一部分沿L2区域，在流体的作用下两股为气泡分别向L3高压区移动，与水力空化腔3内壁以及调节板5发生碰撞而崩溃，从而在高温高压和冲击波双重作用下产生大量的自由基，进而有效地提高水力空化降解有机污染物的能力。

实施例2

本实施例在水力空化腔3内沿着进水方向依次安装有前阻流体2和后阻流体4，其中，前阻流体2和后阻流体4分别用固定杆6与水力空化腔3的内壁用螺纹紧固件连接固定，为了不影响水流空化气泡的流动，该固定杆6间隔均布在前阻流体2和后阻流体4的外围，并且其直径相对较小，以不影响水流为准。

本实施例的前阻流体2是个沿着长轴方向截取的半椭球体结构，以水力空化腔3的进水端面与中心轴之间的交点为坐标原点，水力空化腔3的中心轴为x轴，水力空化腔3的进水端面上与x轴垂直相交的竖向中心线为y轴，前阻流体2的曲线方程是式(1)：

$\frac{x^2}{m^2}+\frac{y^2}{n^2}=1$

式(1)中m为长半轴，60mm；n为短半轴，取值为5mm；x为椭圆曲线的长轴变量，x≥0，单位mm；y为椭圆曲线的短轴变量，单位mm。

本实施例的后阻流体4是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接成的闭合曲线绕着喷嘴1的中心轴旋转一周所形成的旋转体；其中：

曲线1的线性方程为：(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为12，单位mm；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为9，单位mm；

曲线1的圆心角为190°。

曲线2的线性方程是：(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为43，单位mm；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为23，单位mm；

曲线2的圆心角为66°。

曲线3的线性方程是：(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为66，单位mm；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为29，单位mm；

曲线3的圆心角为54°。

本实施例的调节板5是球面板5-1和上挡板5-2、下挡板5-3连接构成，球面板5-1在上挡板5-2、下挡板5-3之间的部分加工为平面结构，上挡板5-2和下挡板5-3水平焊接连接在球面板5-1的内壁上，并且关于水力空化腔3的中心轴对称分布，本实施例的球面板5-1的圆心角为104°，球面半径为44mm，所形成的球冠高度是5mm，球面板5-1的球心在水力空化腔3的中心轴上，其圆周边沿与空化腔室3的内壁之间形成5mm的间隙，保证水流通过后经出水口排出。本实施例上挡板5-2与下挡板5-3之间的高度是41mm，上挡板5-2和下挡板5-3距离阻流体4的间隙均为3mm。

其他的部件及其连接关系、工作原理与实施例1相同。

实施例3

本实施例的水力空化腔3的进水端内壁加工为圆弧面结构，其纵向截面圆弧半径为25mm，圆心角是75°。

在水力空化腔3内沿着进水方向依次安装有前阻流体2和后阻流体4，前阻流体2是个沿着长轴方向截取的半椭球体结构，以水力空化腔3的进水端面与中心轴之间的交点为坐标原点，水力空化腔3的中心轴为x轴，水力空化腔3的进水端面上与x轴垂直相交的竖向中心线为y轴，前阻流体2的曲线方程是式(1)：

$\frac{x^2}{m^2}+\frac{y^2}{n^2}=1$

式(1)中m为长半轴，70mm；n为短半轴，取值为7mm；x为椭圆曲线的长轴变量，x≥0，单位mm；y为椭圆曲线的短轴变量，单位mm。

本实施例的后阻流体4是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接成的闭合曲线绕着喷嘴1的中心轴旋转一周所形成的旋转体；其中：

曲线1的线性方程为：(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为12，单位mm；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为12，单位mm；

曲线1的圆心角为170°。

曲线2的线性方程是：(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为43，单位mm；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为21，单位mm；

曲线2的圆心角为74°。

曲线3的线性方程是：(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为62，单位mm；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为29，单位mm；

曲线3的圆心角为66°。

本实施例的调节板5是球面板5-1和上挡板5-2、下挡板5-3连接构成，球面板5-1在上挡板5-2、下挡板5-3之间的部分加工为平面结构，上挡板5-2和下挡板5-3水平焊接连接在球面板5-1的内壁上，并且关于水力空化腔3的中心轴对称分布，本实施例的球面板5-1的圆心角为105°，球面半径为36.5mm，所形成的球冠高度是3mm，球面板5-1的球心在水力空化腔3的中心轴上，其圆周边沿与空化腔室3的内壁之间形成10mm的间隙，保证水流通过后经出水口排出。本实施例上挡板5-2与下挡板5-3之间的高度是28mm，上挡板5-2和下挡板5-3距离阻流体4的间隙均为6mm。

其他的部件及其连接关系、工作原理与实施例1相同。

实施例4

本实施例的水力空化腔3的进水端内壁加工为圆弧面结构，其纵向截面圆弧半径为67mm，圆心角是42°。

本实施例的后阻流体4是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接成的闭合曲线绕着喷嘴1的中心轴旋转一周所形成的旋转体；其中：

曲线1的线性方程为：(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为11，单位mm；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为9，单位mm；

曲线1的圆心角为165°。

曲线2的线性方程是：(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为46，单位mm；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为20，单位mm；

曲线2的圆心角为105°。

曲线3的线性方程是：(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为59，单位mm；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为34，单位mm；

曲线3的圆心角为86°。

其他的部件及其连接关系、工作原理与实施例1～3任意一个相同。

实施例5

本实施例的后阻流体4是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接成的闭合曲线绕着喷嘴1的中心轴旋转一周所形成的旋转体；其中：

曲线1的线性方程为：(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为19，单位mm；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为9，单位mm；

曲线1的圆心角为190°。

曲线2的线性方程是：(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为50，单位mm；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为23，单位mm；

曲线2的圆心角为66°。

曲线3的线性方程是：(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为73，单位mm；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为29，单位mm；

曲线3的圆心角为54°。

其他的部件及其连接关系、工作原理与实施例1～3任意一个相同。

实施例6

本实施例的后阻流体4是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接成的闭合曲线绕着喷嘴1的中心轴旋转一周所形成的旋转体；其中，

曲线1的线性方程为：(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为15，单位mm；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为8，单位mm；

曲线1的圆心角为179°。

曲线2的线性方程是：(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为51，单位mm；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为20，单位mm；

曲线2的圆心角为93°。

曲线3的线性方程是：(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为67，单位mm；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为32，单位mm；

曲线3的圆心角为75°。

其他的部件及其连接关系、工作原理与实施例1～3任意一个相同。

实施例7

本实施例的后阻流体4是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接成的闭合曲线绕着喷嘴1的中心轴旋转一周所形成的旋转体；其中：

曲线1的线性方程为：(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

a₁是曲线1的圆心的水平坐标值，取值为17，单位mm；

b₁是曲线1的圆心的纵向坐标值，取值为12，单位mm；

曲线1的圆心角为170°。

曲线2的线性方程是：(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

a₂是曲线2的圆心水平坐标值，取值为48，单位mm；

b₂是曲线2的圆心的纵向坐标值，取值为21，单位mm；

曲线2的圆心角为74°。

曲线3的线性方程是：(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

a₃是曲线3的圆心的水平坐标值，取值为67，单位mm；

b₃是曲线3的圆心的纵向坐标值，取值为29，单位mm；

曲线3的圆心角为66°。

其他的部件及其连接关系、工作原理与实施例1～3任意一个相同。

本发明的前阻流体2、后阻流体4的具体设计参数还可以根据实际情况进行调整，不仅限于上述的实施情形。

Claims (4)

1.一种强化空化泡崩溃的水力空化装置，包括水力空化腔(3)，水力空化腔(3)的侧部开有进水端口，在进水端口上设置有喷嘴(1)，与进水端口相对的另一端底部加工有出水口，其特征在于：在水力空化腔(3)内中心轴上依次设置有前阻流体(2)、后阻流体(4)以及调节板(5)；前阻流体(2)、后阻流体(4)和调节板(5)均是通过间隔分布的固定杆与水力空化腔(3)内壁固定；

上述前阻流体(2)是沿着长轴方向截取的半椭球体结构，前阻流体(2)的端面与水力空化腔(3)的进水端口对齐，该前阻流体(2)的曲线方程为式(1)，以水力空化腔(3)的进水端面与其中心轴的交点为坐标原点，水力空化腔(3)的中心轴为x轴，水力空化腔(3)的进水端面上与x轴垂直相交的竖向中心线为y轴，单位为mm；

式(1)为：

$\frac{x^2}{m^2}+\frac{y^2}{n^2}=1$

式(1)中m为长半轴，取值为60～70；n为短半轴，取值为5～7；x为椭圆曲线的长轴变量，x≥0；y为椭圆曲线的短轴变量；

上述后阻流体(4)是由曲线1和曲线2、曲线3按照顺时针方向首尾相接而成的闭合曲线绕着喷嘴(1)的中心轴旋转一周所形成的旋转体；

曲线1的线性方程为：

(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝9²

曲线2的线性方程是：

(x₂-a₂)²+(y₂+b₂)²＝55²

曲线3的线性方程是：

(x₃-a₃)²+(y₃+b₃)²＝56²

其中a₁取值为11～17；b₁取值为8～12；a₂取值为43～51；b₂取值为20～23；a₃取值为59～73；b₃取值为29～34；

曲线1的圆心角为165～190°，曲线2的圆心角为66～105°，曲线3的圆心角为54～86°；

上述调节板(5)是在球面板(5-1)的内壁上沿水力空化腔(3)的中心轴方向水平设置上挡板(5-2)和下挡板(5-3)，球面板(5-1)的球心在水力空化腔(3)的中心轴上，上挡板(5-2)与下挡板(5-3)关于中心轴对称。

2.根据权利要求1所述的强化空化泡崩溃的水力空化装置，其特征在于：所述上挡板(5-2)与下挡板(5-3)之间的高度是28～41mm，球面板(5-1)的圆心角是104～113°，球面半径为36.5～44mm，所形成的球冠高度是3～5mm。

3.根据权利要求1所述的强化空化泡崩溃的水力空化装置，其特征在于：所述上挡板(5-2)和下挡板(5-3)距离后阻流体(4)的间隙是3～6mm，球面板(5-1)的边沿距离水力空化腔(3)内壁的间隙是5～10mm。

4.根据权利要求1所述的强化空化泡崩溃的水力空化装置，其特征在于：所述水力空化腔(3)的进水端内壁为圆弧面结构并且圆弧半径为25～67mm，圆心角是42～75°。