CN104828884A - 一种可形成大范围空化的多层嵌套式空化器 - Google Patents

Abstract

一种可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，主要包括：一入口段，作为流量分配腔，流体经入口段分别进入嵌套式空化器的各层空间；一嵌套的由两个或多个同轴文丘里空化器构成的管段，为产生液体空化创造必要的压力条件；一出口段，来自各层空化器的液体在此汇集，并流出空化器。本发明可以有效扩大空化的作用范围。数值模拟结果表明，与单个文丘里空化器相比，在相同流量和压差条件下，平均气含率提高5％以上，空化区域内气体总体积提高16％以上。

Description

一种可形成大范围空化的多层嵌套式空化器

技术领域

本发明属于液体空化技术领域，具体地涉及一种可形成大范围空化的多层嵌套式空化器。

背景技术

水力空化通常是由于液体流过一定结构的限流装置，流速增大、压力降低，当压力降至对应温度的饱和蒸汽压甚至负压时，溶解在液体中的气体会释放出来，同时液体汽化而产生大量空化泡，随着液体周围压力恢复，空化泡随之破灭。空化泡溃灭时，将产生瞬时的局部高温(约5000℃)、高压(50MPa以上)，并能形成强烈的冲击波和速度大于100m/s的微射流，这种极端高温、高压、高射流以每秒数万次连续作用产生，从而引起了湍流效应、微扰效应、界面效应、聚能效应，可为一般条件下难以实现或者不可能实现的物理、化学变化提供特殊的环境，从而有效促进物理、化学反应的进行。目前空化技术已经应用于水处理领域，利用空化效应进行饮用水杀菌、消毒和污水的有机物降解等。

文丘里管作为一种水力空化发生装置，具有体积小、耗能低、结构简单、不易堵塞等优点。然而，单个文丘里管内部形成低压区的区域占其总体积的比例较小，因此产生空化的区域体积较小，导致空化的瞬时作用范围有限，总体能量利用率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，以提高文丘里管的空化强度，扩大空化的瞬时作用区域范围。

为实现上述目的，本发明提供的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，包括：

一入口段，该入口段作为流量分配腔，流体经入口段分别进入多层嵌套式空化器的内层和外层空间；

一嵌套的由两个或多个同轴文丘里空化器构成的管段，为产生液体空化创造必要的压力条件；

一出口段，来自各层空化器的液体在此汇集，并流出空化器。

所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其入口段末端和出口段前端沿径向方向分别均匀布置四根支撑圆柱，圆柱两端分别与外层空化器管壁和内层空化器管壁焊接，对内层空化器起支撑和固定作用；入口段和出口段当量直径D与外接管道直径相同，

所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其嵌套管段最外层文丘里空化器喉部当量直径d₁为(1/3～1/4)D，喉部长度L为(0.1～0.5)D，相邻内层文丘里空化器喉部当量直径d₂为(1/2～1/3)d₁，以此类推，第i层文丘里空化器喉部当量直径d_i为(1/2～1/3)d_i-1，各层文丘里空化器喉部长度均相同，等于最外层文丘里空化器喉部长度。

所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其嵌套管段内、外各层文丘里空化器入口锥角在15～45°范围内，出口锥角在8～30°范围内，且入口锥角大于出口锥角；

所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其嵌套管段外层文丘里空化器入口和出口锥角均大于相邻的内层文丘里空化器的入口和出口锥角，形成多层渐缩-渐扩结构；

所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其嵌套管段渐缩部分长度L₁为(0.5～3)D，渐扩部分长度L₂大于2D；

所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其嵌套管段横截面形状可以是圆形、方形、三角形或其他形状。

所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，入口段的末端和出口段的末端均沿径向设有支撑结构，该支撑结构为均匀分布的四个支撑圆柱，由四个支撑圆柱支撑内层文丘里空化器。

对于本发明提供的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，通过确定其喉部直径、喉部长度、入口锥角以及出口锥角等几何参数的最佳范围，可以在增强空化效应的同时，降低液体的流动阻力损失，减少为了诱发空化而额外增加的泵功输入，取得较高的空化产出比。利用本发明提供的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，可以在输入相同泵功的条件下，产生更加可观的空化效果，从而提高污染物的降解率和杀菌效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的双层嵌套式空化器的轴向剖面图。

图2是图1所示双层嵌套式空化器的左视图。

图3是图1所示双层嵌套式空化器与相同尺寸单个文丘里空化器空化结果对比。

图4是图1所示双层嵌套式空化器与相同尺寸单个文丘里空化器在不同进出口压差条件下的气含率对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明所述可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，包括：入口段1、内层文丘里空化器2、外层文丘里空化器3、出口段4以及支撑结构5。

入口段1末端沿径向设有支撑结构5(如图2所示)，该支撑结构为均匀分布的四个支撑圆柱，由四个支撑圆柱支撑内层文丘里空化器2，流体由入口段1进入，按流量分配同时进入内层文丘里空化器2及其与外层文丘里空化器3构成的间隙中。内层文丘里空化器2与外层文丘里空化器3构成同轴的嵌套式空化器，外层文丘里空化器3喉部的当量直径d₁为(1/3～1/4)D(D为流体入口处的管径)，喉部长度L为(0.1～0.5)D，内层文丘里空化器2喉部当量直径d₂为(1/2～1/3)d₁，喉部长度与外层文丘里空化器3的喉部长度相同。内、层文丘里空化器的入口锥角在15～45°范围内，出口锥角在8～30°范围，且入口锥角大于出口锥角。另外，外层文丘里空化器3的入口和出口锥角均大于内层文丘里空化器2的入口和出口锥角。这种结构可以扩大空化现象发生区域的范围，空化泡在渐扩段溃灭后随流体汇聚于出口段4流出。出口段4也设有支撑内层文丘里空化器2的支撑结构5。

液体进入嵌套空化器后，由于流通截面积逐渐缩小，液体速度增加导致内部静压降低，当液体到达喉部时，液体流速达到最大值，液体静压降到最低值，从而诱发空化现象的产生。随着液体继续向下游流动，其流通截面积逐渐扩大，液体速度逐渐减小，液体静压上升，由于液体压力的恢复，将迫使之前产生的空化气泡发生溃灭现象，形成高温、高压、高射流，引起各种空化效应，为难以实现或者不可能实现的物理、化学变化提供特殊的环境，从而有效强化物理、化学反应过程。如图3和图4所示，采用双层嵌套式空化器可以显著扩大空化的作用范围，与单个文丘里空化器相比，在相同流量和压差条件下，双层嵌套式空化器的平均气含率提高了5％以上，而空化区域内气体的总体积增加了16％以上。

本发明提供的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其各层空化器的喉部直径、喉部长度、入口锥角和出口锥角都是非常重要的参数，这些参数只有处于最佳匹配状态，才能取得最好的空化处理效果。

以上内容是结合具体实例对本发明所作的进一步阐述，并不代表本发明的实施方式仅限与此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替换方式，都视为本发明的权利要求确定的保护范围。

Claims (7)

1.一种可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，主要包括：

一入口段，作为流量分配腔，流体经入口段分别进入嵌套式空化器的各层空间；

一嵌套的由两个或多个同轴文丘里空化器构成的管段，为产生液体空化创造必要的压力条件；

一出口段，来自各层空化器的液体在此汇集，并流出空化器。

2.如权利要求1所述可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其中，嵌套的管段最外层文丘里空化器喉部当量直径d₁为(1/3～1/4)D，其中的D为管道和入口段当量直径；喉部长度L为(0.1～0.5)D，相邻内层文丘里空化器喉部当量直径d₂为(1/2～1/3)d₁，以此类推，第i层文丘里空化器喉部当量直径d_i为(1/2～1/3)d_i-1，各层文丘里空化器喉部长度均相同，等于最外层文丘里空化器喉部长度。

3.如权利要求1或2所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其中，嵌套的管段内、外各层文丘里空化器入口锥角在15～45°范围内，出口锥角在8～30°范围内，且入口锥角大于出口锥角。

4.如权利要求1或2所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其中，嵌套管段外层文丘里空化器入口和出口锥角均大于相邻的内层文丘里空化器的入口和出口锥角。

5.如权利要求1或2所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其中，嵌套的管段渐缩部分长度L₁为(0.5～3)D，渐扩部分长度L₂大于2D。

6.如权利要求1或2所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其中，嵌套的管段横截面形状是圆形、方形、三角形或其他形状。

7.如权利要求1所述的可形成大范围空化的多层嵌套式空化器，其中，入口段的末端和出口段的末端均沿径向设有支撑结构，该支撑结构为均匀分布的四个支撑圆柱，由四个支撑圆柱支撑内层文丘里空化器。