CN105143111B

CN105143111B - 液体处理装置

Info

Publication number: CN105143111B
Application number: CN201480017288.1A
Authority: CN
Inventors: 格雷古瓦·普罗菲; 亚历山大·普罗菲
Original assignee: ISB WATER
Current assignee: ISB WATER
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2019-08-06
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: CA2898687A1; CN105143111A; EP2945910A1; JP6469586B2; WO2014111880A1; RU2685670C2; IL240027A0; TR201908209T4; PT2945910T; ES2729808T3; RU2015132586A; US10081557B2; KR20150130983A; US20150353380A1; JP2016509534A; MX2015009272A; FR3001211A1; FR3001211B1; BR112015017197A2; EP2945910B1

Abstract

本发明涉及一种用于处理含有溶解气体的液体的装置，所述装置包括：能够通过空化在所述液体内形成所述气体的气泡的水动力反应器、和能够从所述液体中抽出所述气泡的气体分离器。

Description

液体处理装置

技术领域

本发明涉及一种用于处理含有溶解气体的液体的装置，尤其是一种用于处理已通过热交换器、冷却塔、水池(特别是公共游泳池或私人游泳池)、冷却回路或空调回路、加热回路、过滤回路、反渗透除盐回路、家用热水回路、或饮用水分配回路的液体的装置。通常，本发明涉及一种用于处理含有来自工业过程回路的溶解气体的水性液体(包含或不包含未经处理的污水，例如生活废水或沥滤液)的装置。

背景技术

在这些应用中，某些(固态的、液态的或气态的)物质或微生物的存在导致不良的淤积和/或结垢和/或腐蚀和/或堵塞现象。因此，液体必须定期通过注入添加剂，例如通过注入消毒剂、絮凝剂、酸或螯合剂来处理，或者甚至被定期排掉和替换。这些处理是昂贵的，并且通常对环境有害。

因此，需要一种新型的可以至少部分地解决这些问题的处理方案。

发明内容

根据本发明，该目的通过用于处理含有溶解气体的液体的装置来实现，所述装置包括：

-通过空化能够在所述液体内形成所述气体的气泡的水动力反应器，

-能够从所述液体中抽出所述气泡的气体分离器。

正如将在余下的说明书中更加详细地看到的，所述装置可以简单且有效地处理液体，且使添加剂的消耗减少，或甚至不使用添加剂，和/或可以限制所述液体的替换率。

不受限于一个理论，发明人以下列方式解释该结果：通过突然的膨胀，水动力反应器可以通过空化蒸发一部分溶解在液体中的气体，同时，在该气体在下游通过压缩被再次溶解在液体中之前，气体分离器捕获由此形成的气泡。因此，离开装置的液体中的气体的压力(即，溶解气体的浓度)小于进入装置的液体中的气体的压力。

装置因此可以降低溶解气体的压力，因而降低其危害性。

空化是熟知现象，因为其大幅改动液体流的结构和性质，所以空化通常可怕的。设想有利地利用该现象的装置归功于发明人。

这种在水动力反应器的下游的脱气尤其可以消除CO₂和/或O₂，从而在所述液体内形成新的物理化学平衡(例如，钙-碳平衡)的条件。

该下游脱气还可以消除不良气体(例如氯胺、尤其是三氯胺)，这些不良气体对于健康是非常有害的，且会出现在游泳池水的处理期间。

根据本发明的装置还可以包括下列可选特征中的一个或多个：

-气体分离器放置在水动力反应器的下游，优选地距离水动力反应器小于2m、优选地小于1米处；

-调整气体分离器，使得在所述气体分离器中，液体保持在一定的压力下，尤其不像在水池中一样暴露于大气中；和/或液体不与外部气体接触(即，与液体接触的唯一气体是通过空化提取出的气泡的气体)(特别地，液体不被置于水槽中使得其自由表面与大气接触)；

-气体分离器是凝聚式过滤器或刷式过滤器；

-水动力反应器包括能够与液体接触的介电材料；

-水动力反应器包括至少部分地或甚至完全地由介电材料限定的第一通道；

-水动力反应器包括优选地在介电材料的下游的用于分离悬浮颗粒的部件，特别是沉淀部件和/或过滤器；

-过滤器选自刷式过滤器、盘式过滤器、颗粒介质过滤器、超滤膜(特别是中空纤维超滤膜)、纳米滤膜(尤其是单独的或在超滤膜下游的纳米滤膜)、或反渗透膜；

-水动力反应器包括第一通道，优选地，该第一通道在内部由介电材料限定，且将下游通向压缩腔室，在液体被注入到压缩腔室中之前，液体在第一通道中的通过导致液体的加速和空化气泡的生成，液体在压缩腔室中的通过导致多数空化气泡的内爆。

-水动力反应器包括第二通道，优选地，该第二通道在内部由导电材料、优选地由锌限定，且将上游通向压缩腔室，液体在第二通道中的通过导致液体的加速和空化气泡的生成；优选地，水动力反应器包括第二压缩腔室，第二通道将下游通向该第二压缩腔室，以便使在第二通道中生成的多数空化气泡内爆；

-水动力反应器包括包含多个所述第一通道的第一块体、压缩腔室、优选地和包含多个所述第二通道的第二块体，第一通道、在适当情况下和第二通道通向所述压缩腔室，使得进入水动力反应器的液体相继地通过第一通道、压缩腔室和第二通道；

-优选地，第一通道由介电材料制成的内壁所限定，介电材料优选为塑料，优选地由聚四氟乙烯(PTFE)制成的塑料；

-优选地，第二通道由导电材料制成的内壁所限定，该导电材料能够充当牺牲阳极，以便保护待被处理的液体循环所在的回路；

-优选地，第一块体和第二块体被插入到具有入口和出口的外壳中，所有的进入外壳的液体必须在离开外壳之前通过第一通道、压缩腔室和第二通道；

-优选地，外壳与所述导电材料电接触；

-按数量计，水动力反应器中产生的多于50％的气泡的直径在0.2μm和5mm之间，优选地在0.2μm和2mm之间；

-水动力反应器为专利EP-B2-680 457中描述的水动力反应器；

-液体在水动力反应器中循环，该液体优选含有至少一种包含选自氯、铝、溴、铬或锶、尤其是放射性金属的元素的化合物。

本发明还涉及一种系统，该系统包括或甚至由回路构成，目标和用于处理离开所述目标的液体的装置被嵌入在该回路中，该处理装置是根据本发明的装置，气体分离器嵌入在所述水动力反应器的下游的距离水动力反应器的小于1米处。

该目标可尤其选自热交换器、冷却塔、水池、特别是露天水池、尤其是公共游泳池或私人游泳池、冷却回路或空调回路、加热回路、过滤回路、反渗透除盐回路、家用热水回路、或饮用水分配回路。

在一个实施方式中，液体在系统中的闭合环路中循环。

优选地，液体被保持在一定的压力下和/或不与大气接触，可选地，除了在目标中。优选地，在回路的任一点处的压力大于大气压力，可选地，除了在目标中。

本发明最后涉及用于处理含有溶解气体的液体的方法，所述方法包括在合适的热力学条件下，将所述液体通过根据本发明的装置，使得热力学反应器生成气泡。

定义

在液体的处理期间，根据该液体的流向，确定位置“上游”和“下游”。

除非另有说明，否则表述“包括一”应当被理解意为“包括至少一”。

表述“特别地”或“尤其”为同义词，且不受限制。

具有面积A的截面的“当量直径”指的是相同面积A的圆形截面的直径。对于圆形截面，当量直径因此等于直径。

“横向平面”指的是垂直于液体的主流向的平面。

附图说明

通过阅读接下来的详细描述，以及通过查阅出于说明的和非限制的目的而给出的附图，本发明的其他特征和优点将变得更加显而易见。在这个附图中：

-图1示意性地示出根据本发明的系统；

-图2以纵向截面示出可用在根据本发明的装置中的水动力反应器的例子；

-图3示出聚结气体分离器的例子；

-图4示出空化现象和空化气泡内爆现象。

在不同的附图中，相同或相似的构件标有同一标记。

具体实施方式

图1示出根据本发明的系统10，其包括闭合回路12，液体L在该闭合回路12中循环。目标(在该实例中为散热器16)和根据本发明的处理装置20插入在回路12中，处理装置20位于目标的上游。

处理装置20包括导管22，在导管22中从上游到下游(根据液体在导管22中的流向来确定上游和下游)插入水动力反应器25、气体分离器30和过滤器31。系统10还包括插入在处理装置20的上游或下游的可以使液体L循环的泵32。

回路12可以是开放的、半开的或闭合的，正如所示，具有或不具有补充液体，使液体与大气接触或不接触。

系统10不受限制，尤其可以是用于普通冷水、家用热水、加热水、空调水、冷却水、饮用水、工业用水、浇水或/和灌溉用水、消防用水、游泳池水、或沐浴和治疗池用水的系统。该系统可以在住宅建筑或第三产业建筑(例如医院或学校)中。

水动力反应器

任何能够在液体中引起压力的急剧下降以便通过空化产生气泡(尤其是微气泡)的装置，可被用作水动力反应器25。

水动力反应器包括这样的部分：在该部分中，流动面积小于水动力反应器所插入在其中的导管的流动面积。优选地，水动力反应器包括至少两个这样的部分。

然而，如果流动保持层流，则通过其流动面积的减小带来的液体的简单的膨胀不足以形成空化。因此，膨胀必须是快速的，以便形成高湍流和局部非常高的压力梯度。

优选地，水动力反应器是无源的，即，不包括耗能器(特别是马达)。更优选地，水动力反应器不包括移动零件。

特别地，水动力反应器可包括由一个或多个将上游通向上游腔室的第一通道构成的加速区域，液体在上游腔室和第一通道之间加速。

优选地，S”/∑”比值可以大于2、大于5、大于10、大于20、大于50、大于100、或大于200和/或小于1000、小于500、小于400、或小于300，

-S”表示在第一通道通向上游腔室的区域的紧接上游的横向平面中所测量的上游腔室的截面积；

-∑”表示在所述第一通道通向上游腔室的区域的紧接下游的横向平面中所测量的所述第一通道的横向截面积的总和。

第一通道可以具有汇聚的纵向截面，例如具有喷嘴形状的纵向截面，以便逐步使流动加速。

优选地，第一通道彼此平行。第一通道可以是直线的或可以不是直线的。特别地，第一通道可以沿着液体的流向延伸。优选地，第一通道的数量大于3、大于5、大于10、大于20、大于30和/或小于200、小于150、小于100、小于80、小于60。通道的横向截面可以具有任何形状，例如是圆形的。在一个实施方式中，第一通道在其整个长度上具有大体上恒定的横向截面。

第一通道的当量内径优选大于2mm、大于10mm、或大于15mm或大于20mm和/或小于50mm、小于40mm、小于35mm。大约30mm的当量内径是非常合适的。

第一通道的长度优选大于20mm、大于30mm和/或小于50mm、小于40mm。

当然，水动力反应器可以被改装，以便引起生成各种溶解气体的气泡的空化。

优选地，水动力反应器被配置成以便仅生成微气泡。

在一个实施方式中，处理装置包括加热器，该加热器被插入在第一通道的上游，能够增加进入第一通道的液体的温度，以便提高第一通道的效力。

然而，加热液体通常是昂贵的。

在一个优选的实施方式中，离开第一通道的液体进入压缩腔室。正如将在剩下的描述中更详细地看到，压缩腔室有助于空化气泡的内爆和有利反应的建立。

优选地，沿着流向且在具有约化坐标的欧拉系统中测量的压缩腔室的长度大于0.5×L₁和/或小于2×0.5×L₁，L₁为所述第一通道相对于正在讨论的压缩腔室的长度。

优选地，压缩腔室的体积大于0.0001dm³、大于0.001dm³、大于0.01dm³、大于0.1dm³和/或小于20dm³、小于10dm³、小于1dm³。

S/∑比值可以大于2、大于5、大于10、大于20、大于50、大于100、或大于200和/或小于1000、小于500、小于400、或小于300，

-S表示在第一通道通向压缩腔室的区域的紧接下游的横向平面中所测量的压缩腔室的截面积；

-∑表示在所述第一通道通向压缩腔室的区域的紧接上游的横向平面中所测

量的所述第一通道的横向截面积的总和。

高的S/∑比值能够有利地在第一通道口处形成微射流，这对于产生空化是非常有效的。

为了计算S/∑比值，讨论中的所有第一通道都被考虑到。

如果装置包括多个出现空化的加速区域，则装置优选地在这些加速区域的每一个的下游处包括各自的压缩腔室。所有压缩腔室可具有大体上相同的S/∑比值。

优选地，水动力反应器优选在液体以高速循环的区域中包括被设置与液体接触的介电材料。优选地，所述第一通道由该介电材料制成的内壁所限定。第一通道可制造在由所述介电材料制成的块体中。

介电材料优选为塑料，例如聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)、或这些材料的混合物。也可以使用其他的介电材料(例如陶瓷)，只要这些介电材料可以由于液体的循环，通过摩擦生电而产生静电荷。

PTFE为优选的介电材料。特别地，该介电材料防止液体的固体物质粘附于介电材料的表面。

水动力反应器优选包括沿液体路径设置的由导电材料制成的部分，以便通过原电池效应产生氧化还原现象。

更优选地，导电材料为锌。

水动力反应器可尤其包括多个由所述导电材料制成的内壁所限定的第二通道。第二通道可制造在所述导电材料制成的块体中。在一个实施方式中，压缩腔室沿着液体的路径，被设置在第一通道和第二通道之间，或者相反，在第二通道和第一通道之间。

像第一通道一样，第二通道可以是空化气泡的来源。第二通道可以彼此平行。第二通道可以是直线的或可以不是直线的。特别地，第二通道可以沿着水动力反应器的纵向轴线延伸。优选地，第二通道的数量大于2、大于3、大于5、大于10、大于20、大于30和/或小于100、小于80、小于60。第二通道的横向截面可以具有任何形状，例如是圆形的。在一个实施方式中，第二通道在其整个长度上具有大体上恒定的横向截面。

第二通道的当量内径优选大于2mm、大于4mm、或大于5mm和/或小于15mm、小于13mm、小于10mm、小于8mm、或小于7mm。

在一个实施方式中，第二通道的当量内径比第一通道的当量内径大，或者大于第一通道的当量内径的1.1倍、1.5倍、2倍或3倍。

第二通道的长度优选大于20mm，大于30mm和/或小于50mm，小于40mm。

压缩腔室优选为多个第一通道和/或第二通道所共有，或为所有的第一通道和/或第二通道所共有。

优选地，第一通道不在第二通道的对面敞开，这防止了离开第一通道且已经通过压缩腔室的液体沿行直线路径而进入第二通道。

第一通道、可选地第二通道、和压缩腔室在水动力反应器内被组合在一起。

水动力反应器可以包括外壳，该外壳包括针对液体的入口和出口。

外壳可以包括主体(优选圆柱形主体)和一个或多个例如旋拧在主体上的端帽。端帽尤其可以限定水动力反应器的入口和出口。端帽的长度不受限制。

优选地，水动力反应器包括能够将入口和/或出口连接至管道的联接器，例如，具有能够与所述管道的相应凸缘协同的螺栓孔的凸缘，或待被分别地旋拧在所述管道的母零件或公零件上的公零件或母零件。联接器可以稳固地附接在可选的端帽上。

外壳，特别地和一个或多个端帽，可以由导电材料制成，尤其由钢制成。

在其纵向端部，第一块体由上游面和下游面所限定，所述上游面和下游面中的至少一个优选是凹面。

特别地，第一块体可以由所述介电材料构成。

外壳可以含有限定多个第一通道的第一块体，所述第一通道在侧面，至少部分地，由介电材料制成的壁所限定，并且在出口侧通向压缩腔室，设置所述第一通道，使得液体通过穿过至少一个第一通道和压缩腔室而从入口穿过水动力反应器到出口。

外壳还可以含有限定多个第二通道的第二块体，所述第二通道在侧面，至少部分地由导电材料制成的壁所限定。特别地，第二块体可以由所述导电材料构成。

在其纵向端部，第二块体由上游面和下游面所限定，所述上游面和下游面中的至少一个优选是凹面。

只要压缩腔室布置在所述外壳内部，则第二块体可以置于第一块体的上游或下游。特别地，压缩腔室可以放置在第一块体和第二块体之间，或放置在外壳中的最下游块体的下游。在优选的实施方式中，设置第一块体和第二块体，使得液体相继通过第一通道、所有第一通道和第二通道所通向的压缩腔室、然后第二通道。

第一通道和/或第二通道所开通的开口，尤其是通向压缩腔室的开口，优选是锐化的，以便促进湍流。

第一块体和第二块体的第一通道和第二通道可以具有上文以一般方式描述的第一通道和第二通道的可选特征中的一个或多个。介电材料和导电材料也可选自上文引用的材料。

优选地，水动力反应器包括用于将第一块体和第二块体设置在外壳中的部件。这些部件可包括纵向的和/或有角度的(关于纵向轴线)限位器，优选防错部件。有利地，关于通向同一压缩空间的第二通道的上游开口，第一通道的下游开口可因此被精确且快速地定位。

作为变型，或者此外，水动力反应器可包括用于增加第二通道的所述导电材料和水动力反应器的外壳的金属构件之间的电接触和接触压力的精确度的机械部件。优选地，通过夹紧提供限定金属第二通道的导电材料和水动力反应器的外壳的金属构件之间的电接触。优选地，第二块体抵靠被旋拧在外壳的圆柱形主体上的端帽。优选地，该旋拧可以调节第二块体和端帽之间的接触压力。更优选地，第二块体具有超长，使得在旋拧端帽期间，所述第二块体的边缘切入到端帽中。

优选地，所述电接触是干燥的，也就是说，电接触区域不与在水动力反应器中循环的液体接触。为此，可设置密封件，以便隔离该接触区域。例如，第一O型环和第二O型环可被设置在外壳和第二块体之间，例如，设置在第二块体的上游面和下游面的附近。

第二块体可以弹性地抵靠端帽。

在一个实施方式中，第二块体设置在外壳的主体和端帽之间的接合点处，以便搭接所述接合点。

第一块体和/或第二块体的数量优选大于1、大于2、或大于3和/或小于10、小于7、或小于5。

在一个实施方式中，水动力反应器从上游到下游相继包括第一块体、压缩腔室、第二块体、压缩腔室、第一块体、压缩腔室、第二块体、压缩腔室、第一块体、和压缩腔室。

在一个实施方式中，水动力反应器在外壳的每一个端部包括第二块体，优选地，每个第二块体与各自的端帽接触。

在一个实施方式中，水动力反应器包括一个第一块体和两个第二块体，第一块体设置在两个第二块体之间。

例如，水动力反应器可以是在专利EP-B2-680 457或在WO 2011 033476中所描述的水动力反应器中的一个，尤其是ISB WATER公司以名称IONSCALE(ISB)出售的水动力反应器。

图2示意性地示出这种水动力反应器110。

具有纵向轴线X的水动力反应器110包括具有入口112和出口114的外壳111。

从上游到下游，外壳111相继含有由介电材料制成的第一块体116和由导电材料制成的第二块体118。优选地，外壳111由导电材料制成，且与牺牲阳极电连接，该牺牲阳极由构成第二块体118的导电材料制成。

第一块体和第二块体被第一通道和第二通道(分别标为120和122)纵向穿孔。

第一通道向上游朝着入口112通过“上游”开口120₁通向上游腔室123，向下游通过“下游”开口120₂通向第一圆柱形压缩腔室124。

第二通道122向上游通过“上游”开口122₁通开朝向第一压缩腔室124，向下游朝着出口114通过“下游”开口122₂通向第二压缩腔室125。

上游腔室123和第一压缩腔室124的直径可以是270mm。所有的第一通道(数量为9个)的内径可以是6.3mm。

因此，S/∑比值大约为200，

-S表示在第一通道的“下游”开口120₂的紧接下游的横向平面P_S中所测量的第一压缩腔室124的截面积；

-∑表示在这些“下游”开口的紧接上游的横向平面P_∑中所测量的所述第一通道的横向截面积的总和。

第二压缩腔室125和第二通道的下游开口122₂可以具有与压缩腔室124和第一通道的下游开口120₂相似或甚至相同的结构。

此外，所有的第二通道(数量为3个)的内径可以是9mm。

S’/∑’比值可以大于2、大于5、大于10、大于20、大于50、大于100、或大于200和/或小于1000、小于500、小于400、或小于300，

-S’表示在第二通道的“上游”开口122₁的紧接上游的横向平面P_S’中所测量的第一压缩腔室124的截面积；

-∑’表示在这些“上游”开口的紧接下游的横向平面P_∑’中所测量的所述第二通道的横向截面积的总和。

高的S’/∑’比值能够有利地在第二通道口处生成显著的背压，这对于消除由第一通道在压缩腔室的入口处产生的空化气泡是非常有效的。

由于第一压缩腔室124是圆柱形的，故S'＝S。

为了计算S’/∑’比值，讨论中的所有第二通道都被考虑到。

如果水动力反应器包括多个压缩腔室，则水动力反应器的所有压缩腔室可具有大体上相同的S’/∑’比值。

上游腔室123和第一通道的上游开口120₁可以具有与压缩腔室124和第二通道的上游开口122₁相似或甚至相同的结构。

所有的第一通道和第二通道大体上沿着轴线X延伸。

气体分离器

在水动力反应器中形成的气泡，可选地，当穿过压缩腔室时被分开的气泡，然后被收集在气体分离器30中。

在液体已经进入压缩腔室之后，形成空化的条件快速消失，因此，气泡再溶解在液体中。因此，将气体分离器放置在水动力反应器的下游的优选相隔小于2米、小于1米、小于0.5米、小于0.2米处，或者甚至与水动力反应器接触。

任何可以从液体中抽出气泡的装置可被使用：

-大气气体分离器：大气气体分离器能够使液体与空气接触，这点尤其导致溶解的CO₂的消除，甚至更好的是，当液体被精细地分开且空气被快速替换时；

-热气体分离器：在接近105℃的温度下，将液体喷到逆流流动的蒸汽中，能够几乎完全消除在液体中含有的溶解气体；

-通过降低压力或吸真空来脱气：在低于大气沸点的温度下采用真空脱气。液体被分解为微小液滴，这有利于溶解气体的脱气。

在气体分离器中，液体优选被保持加压。优选地，在气体分离器中，液体保持移动。优选地，在气体分离器中，液体不具有与气体的水平接触面(例如在池子中的接触面)。

特别地，气体分离器可以是聚结分离器。

聚结分离器可以以简单且非常紧凑的方式构建。它们特别适合于使处于运行中的闭合回路脱气。

这些分离器结合各种操作原则：

-流速的减慢，

-用于优化向上的力(浮力)和离心分离的作用的装置的安装，

-适合于促进聚结的外来物的存在。

在聚结分离器内，根据众所周知的聚结现象，累积的气泡融合在一起，因此形成具有更大尺寸的气泡，在浮力下，该气泡上升到液体的界面，在该界面处，该气泡可从所述液体中排出。

在图3中所示的一个实施方式中，聚结分离器130包括具有液体入口134、液体出口136和气体出口138的储槽132，优选地，该储槽132是立式的，例如是圆柱体的。

优选地，液体入口大体上切向通向储槽。优选地，分离器包括被设置成用以改善进入的液体的离心分离的吸入导向片140。

用来排泄被提取出的气体的气体出口优选设置在储槽的上部。

液体出口优选设置在储槽的下部，且在储槽内部通过内部圆筒142而延伸，该内部圆筒142延伸到一个高度，从储槽的底部测量，该高度对应储槽高度的大约2/3。

储槽还可具有清洗注流孔144，该清洗注流孔144具有隔离阀146，被置于在储槽的下部，用来使储槽的排水和清除操作便利。

储槽部分地填充有用来利于气泡聚结现象的填充物148。填充物可以放置在由储槽的外壳、内部圆筒和优选地穿孔的上支撑板150和下支撑板152限定的体积中。优选地，分别从储槽的顶部和底部开始，上支撑板和下支撑板位于储槽的大约1/4高度处。

特别地，填充物可包括拉西环，例如Pall公司出售的拉西环(Pall-环)。

优选地，储槽具有足够大的充分降低被处理液体的流率的内径，优选地，以致确保流率小于3m/s、小于2m/s、或小于1m/s。

填充物元件的尺寸适合于分离器的内径，且适合于目标决定的使用条件。

优选地借助于自动排泄阀154，由此被捕获的气体可释放到回路的外面。

用于分离悬浮颗粒的部件

为了分离悬浮颗粒，可特别使用沉降部件或过滤器。

放置于水动力反应器的下游的过滤器31可以提取悬浮颗粒。过滤的原理是向颗粒流竖立起物理屏障，该颗粒具有大于过滤阈值的尺寸。过滤提高了液体的质量，从而保护了设备，削减了剥落、淤塞和腐蚀、以及微生物(例如藻类和细菌)的生物增殖的风险。

过滤器31可尤其被放置在水动力反应器和气体分离器之间，或在气体分离器的下游，优选在气体分离器的下游，优选串联的，以便处理所有流(“串联的(in-line)”)。然而，流的一部分可被转向并行(“在线的(on-line)”)处理回路。

过滤器可尤其选自刷式过滤器、盘式过滤器、颗粒介质过滤器、超滤膜、纳米滤膜(尤其是单独的或在超滤膜的下游)、和反渗透膜。

刷式过滤器可以通过将液体通过安装在外壳中的刷子的纤维来机械地消除颗粒。特别地，刷式过滤器适合于过滤尺寸大于100μm的颗粒。优选地，刷式过滤器用于住宅系统和第三产业系统、GCW(普通冷水)系统、DHW(家用热水)系统、加热系统和空调系统，或者用于小的冷却回路。

盘式过滤器可以通过将液体通过成堆的带槽的圆盘来机械地消除颗粒，该圆盘例如由聚丙烯制成。特别地，盘式过滤器适合于过滤尺寸在20μm和200μm之间的颗粒。优选地，盘式过滤器用于以下系统：该系统用于饮用水、浇水或/和灌溉用水、消防用水、工业用水或冷却水，或者盘式过滤器用于大的住宅设施和第三产业设施，例如，用于医院或学校。

颗粒介质过滤器可以通过将液体通过位于加压外壳中的聚集体来机械地消除颗粒。根据过滤介质，污染物通过保留和/或吸附来消除。特别地，颗粒介质过滤器适合于过滤游泳池水和浴池或治疗池用水、冷却塔和冷却回路用水、或存在由胶体颗粒引起的明显污染物的水。

超滤膜可以消除悬浮颗粒、细菌和病毒、以及大量的有机分子。特别地，超滤膜适合于过滤尺寸大约为0.01微米的颗粒。优选地，使用PES-七孔-内置/外置模块。特别地，超滤膜可以消除以早期形式存在的、被强制地沉淀在水动力反应器中、然后被稳定在气体分离器中的CaCO₃。这有利地导致液体中TH的减少。超滤膜尤其适合于过滤饮用水、住宅设施和第三产业设施用水、GCW、DHW、加热水和/或空调水、或小的冷却回路、浇水或/和灌溉用水、消防用水、工业用水或冷却水、核设施的主要回路用水、或受放射性污染物污染的其他水性液体、或大的住宅设施和第三产业设施(例如医院或学校)用水。

操作

装置的操作如下：

通过回路12中的泵14输送液体L。

源自于目标16的液体L进入水动力反应器110，其中，液体流被改变，以便形成能够局部产生空化的湍流。

更具体地，待被处理的液体通过入口112(图2所表示的箭头F)和上游腔室123进入水动力反应器110。

然后，液体通过形成于由介电材料制成的第一块体116中的第一通道120。

进入到第一通道中伴随着导致空化出现的液体的突然加速和压力的下降。确定操作条件(流率、压力)，使得膨胀引起空化。通过IONSCALE水动力反应器，液体在水动力反应器的入口(进入到上游腔室123中)的速度为优选大于2m/s和/或小于15m/s、小于12m/s、小于10m/s、小于8m/s、或小于6m/s、或小于4m/s，在水动力反应器的入口的压力为优选大于1bar和/或小于20bar、小于10bar、或小于5bar。

由Oxford University Press，1995出版的Christopher Earls Brennen所著的书“CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS”描述了可以获得水动力空化的条件。

空化是一种起因于由于液体流的几何改变而该液体的局部压力下降的熟知的现象。该现象尤其用于获得游离的或乳化的分散系统。

在液体流内和/或在水动力反应器的存在流的壁的边界层上，空化导致充满气体的空化气泡的形成，如图4所示。

如果压力降到一个值(在该值以下，液体达到沸点)，则生成大量空化气泡。

亨利定律可以量化包含在液体中的气体的释放的物理现象，并且证明温度升高的越多和/或压力下降的越多，液体便可以越多地释放溶解气体。该溶解气体的释放以气泡的形式出现，该气泡的尺寸可以从几十微米变化至几毫米。

水动力反应器通过空化产生气泡的能力取决于许多因素，主要的因素是：

-溶解在液体中的一种或多种气体的压力；

-存在于液体中的一种或多种气体的本质特征和理化特征；

-液体的温度；

-液体的压力；

-水动力反应器的几何结构；

-液体的流率或流速。

挡板的存在可以有利地使流产生非常突然的局部收缩，这点有利于空化。特别地，当液体流经过由挡板产生的收缩点时，液体流进入减压区域，这有利于水动力空化的现象。

空化的强度与依据空化数Cv的操作条件相关联。

空化数Cv可以以下列方式表示：式中：

-P₂为水动力反应器下游的压力，

-Pv为操作温度下液体L的蒸汽压，

-Vo为液体L在水动力反应器中的平均速度，

-ρ_L为液体的密度。

空化现象开始出现的空化数为Cv＝1。

当Cv值低时，空化现象的作用将甚至更大。

水动力反应器中的空化现象的最佳化是基于描述了喷嘴和文丘里管系统中的液体的流动的理论模型的常规应用。

最适合的理论模型是涉及二相流的模型。利用与气泡的动力方程相结合的质量守恒方程和所存在的两相的移动量方程，可以使通过文丘里管的泡状流模型化。该系统的数值解可以研究文丘里管颈部的半径变化的影响，以及初始空隙分数对气泡的半径、气液混合物的压力和流速的轴向演化的影响。

优选地，水动力反应器被配置成用以生成这样的气泡：按数量计，多于50％的气泡具有0.2μm至2mm之间的直径。

事实上，空化由“核”或“种子”引起。通过在液体内的气态吸留(即，游离微气泡，附着于悬浮固体杂质或陷入在固体壁的裂缝中的气态颗粒等)，构成这些空化起始点。根据流的热力学条件和所述第一通道的几何结构，这些核可或多或少爆发地生长。特别地，在溶解气体的接近所述气体的饱和值的压力的存在下，该气体将易于以空化气泡的形式释放。

有利地，由空化产生的非常剧烈的局部热力学条件和力学条件还引起某些可以存在于液体内的致病性微生物或非致病性微生物的毁灭。

在第一通道中，液体摩擦介电材料。液体对介电材料的摩擦引起在所述介电材料表面的静电荷的积累，从而形成能够促进下列反应的局部静电场：

-某些离子(例如某些金属氧化物、碳酸盐、硫酸盐或磷酸盐)的物理化学沉淀；

-某些胶体颗粒的凝聚。

胶体颗粒通常太小而不能被大多数过滤系统保留住，并且如果安装能够分离胶体颗粒的过滤器(例如超滤系统)，则例如胶体颗粒具有快速堵塞超滤膜、导致过高的压力下降或流率降低的风险。

由于由介电材料产生的静电效应的存在以及由于起因于该静电效应的胶体颗粒的凝聚，胶体颗粒簇的尺寸可以达到足够大的尺寸，使得它们被有效地且经济地保留在过滤器中。

更具体地，胶体颗粒通常具有它们的内部电荷的不对称：ζ电位。在介电材料附近，防止胶体颗粒的团聚的该静电能垒的消除被验证。此外，由于由空化引起的液体的湍流流态，胶体颗粒之间的碰撞频率大大地增加。

不受限于该理论，发明人认为产生于介电材料表面上的静电荷电势来源于液体流的动能的一部分，该动能被转换成热能和电能。

静电荷电势是液体的摩擦强度和液体在其上循环的介电材料的面积的函数。

静电荷的积累引起介电材料的表面和循环液体之间的电势的不平衡，以及介电材料的表面和液体流动所在的回路的支管的金属表面之间的电势的不平衡。

由此存在于液体中的正离子或负离子将通过各种机理(例如静电力、化学吸附、和极性基团的解离)或通过液体和介电材料之间的反应在液固界面处结合在一起。

当离子来源于溶解盐的解离时(由此等量地生成正电荷和负电荷)，仅出现带电现象，这是因为一种离子将更加强烈地与介电材料结合。从而建立紧密层，该紧密层被称为“亥姆霍兹层”，其得名于在1879年研究该紧密层的物理学家。另一名物理学家Gouy在1910年表明，具有另外极性的离子使其自身系统化进入扩散层。

扩散层或“古伊层”的厚度取决于液体的电阻率：对于高导电液体，扩散层的厚度是非常小的，然而随着液体的电阻率而增加。

当液体流动时，该双电层将被分离，亥姆霍兹层保持与固液界面结合，而古伊层被液体带走。通过离子朝向界面的扩散以及通过液体的电阻率ρ，控制液体中电荷的积累。

然后，二相流体进入第一压缩腔室124。进入到第一压缩腔室124的入口导致速度的降低、压力的突然增加、和空化气泡内的凝结，这引起多数空化气泡的内爆，产生压力脉冲，该压力脉冲的振幅可以是非常高的(见图4)。

这些非常突然的内爆具有形成冲击波的结果，反过来，该冲击波产生物理化学现象或热力学现象和力学现象，例如任何靠近内爆气泡的材料的崩解。

因此，在空化气泡的破裂期间，获得了非常高的压力和非常高的局部温度：气泡内的温度可因此达到大约5000℃的值，压力可达到大约500kg/cm²的值(K.S.Suslick，Science，第247卷，1990年3月23日，第1439页至第1445页)。

在气泡内部或在邻近所述气泡的液体中，这些温度条件和压力条件激活物理化学反应和热力学反应，尤其是碳酸盐的沉淀和CO₂的释放。

如上所述，通过削弱ζ势垒，介电材料的存在有利于碳酸钙(CaCO₃)沉淀现象的幅度和其他胶体化合物的团聚。有利地，该沉淀可以降低添加物的浓度，进而限制替换工作液体的频率。该沉淀还通过形成被称为蒂尔曼膜的保护膜来限制腐蚀现象的幅度，从而确保系统的一定的电偶保护。

此外，由于由空化气泡的内爆产生的动能，可以获得乳化、均化和分散的过程。

第一通道120的通向第一压缩腔室124的“下游”开口的形状可被调整，以便例如通过在其上设置障碍物或扩散段来使湍流变动和压力变动最大化。在第一压缩腔室124中的水动力条件还有助于通过确保液体的强烈混合而凝聚。因此，特别有利的是第一压缩腔室在介电材料的下游，这点引发凝聚。

第一压缩腔室124将第一通道的“下游”开口与第二通道的“上游”开口分开。

离开第一压缩腔室124的液体从而进入第二块体118的第二通道122。优选地，然而第二通道不与第一通道轴向地对齐，以便促进湍流和随后的沉淀。

液体进入第二通道122导致液体速度的突然加速。因此，压缩腔室124和第二通道122之间的过渡区域构成了流的加速和出现空化的区域。

液体还与限定优选由锌制成的第二通道的导电材料接触。

由Zn-Fe电偶对产生的“丹聂耳电池”效应引起能够提供抗腐蚀保护(阴极保护)的电子的转移。事实上，锌(与铁相比，或者与铜相比，锌是更强的金属还原剂)替代系统的较弱的还原金属而被氧化。

由于自发地建立在锌阳极和系统的较弱的还原金属(例如，水动力反应器的外壳，当外壳含有铁时)之间的电解反应，故“电池”效应还能够将Zn⁺离子释放在液体内。因此释放到液体中的这些离子可以充当用于多相一次成核反应的出现和发展的核种。

特别地，这些锌离子的存在能够使包含在锌离子周围的水中的钙离子和镁离子团聚。由此形成的核种能够改变碳酸钙和碳酸镁的局部结晶条件，这引起非常大的且非常快速的二次成核现象。在待被结晶的物质的晶体(被描述为引发剂)的存在下，且基本上在搅拌介质中，观察到该现象。这些二次核的生成速率取决于介质的搅拌速率、引发剂的用量、以及液体的过度饱和。

因此，水动力反应器的几何结构(特别地，由于在液体内发生的强烈混合)和压缩腔室(通过空化气泡的内爆)与介电材料和导电材料协同，以便促进和加速物理化学沉淀和凝聚。

该计算尤其对于从金属(例如铝、溴、铬或锶)，特别是从放射性金属中提取液体是有用的。

在第二块体118的出口，液体进入第二压缩腔室125，该第二压缩腔室125可以再次使多数空化气泡内爆。

剩余气泡的存留时间取决于流态和水动力反应器的几何结构。在位于水动力反应器的下游的管道部分中，存留时间通常小于20秒、小于5秒、或小于2秒。

载有微气泡的液体L因此必须快速地进入气体分离器，使得气泡可以被捕获且释放到系统回路的外面。因此，气体分离器优选放置在水动力反应器附近。

由此消除溶解气体，尤其是溶解的氧气(O₂)和来源于碳酸钙(CaCO₃)的早期沉淀的二氧化碳(CO₂)的事实，可以获得更加良好的系统操作条件：

-噪音问题的减少，

-腐蚀问题的减少，

-可能的局部过热区域的消除，

-可能的机械(泵、阀、闸等)退化的消除。

因此，离开气体分离器的液体中的气体压力小于进入水动力反应器的液体中的气体压力(可能地除了CO₂，该CO₂可能通过水动力反应器中的碳酸盐的沉淀而生成)。因此，溶解气体的危害性被降低，而没有必要加入添加剂。

在已离开气体分离器之后，液体通过过滤器31，该过滤器31可以至少部分地保留在水动力反应器中生成的颗粒，以及优选地其他可能对系统造成损害的特定污染物。然后，液体继续其行程到目标或泵14。

根据本发明的处理装置可被用在所有的液体中的溶解气体的存在是可能有害的应用中。特别地，其可被用在冷却塔或游泳池中。与闭合加热回路不同，例如通过与大气通风，液体(冷却液、游泳池水)蒸发，这需要补充液。最初存在于补充液中的某些化合物和某些处理添加剂不蒸发。因此，它们的浓度具有在液体中增加的趋势。当添加剂的浓度达到临界水平时，液体必须被部分替换(稀释净化)或全部替换(排水操作)。照惯例，在冷却塔中，当添加剂的浓度已经成两倍或三倍时，必须替换水。

处理装置可以限制通常对于健康和环境有害的添加剂的添加，以及可以降低替换液体的频率。例如测试已表明，由于根据本发明的装置，对于600kW的冷却塔，替换的频率可除以4。此外，处理装置可以使冷却塔的回路免受剥落和腐蚀。

在游泳池中，注入含氯产品是必须的，以便充分地对浴水消毒。结合由沐浴者引入的含氮的污染物，该氯的注入导致氯胺的生成，氯胺对健康是有害的。处理装置可以限制或甚至消除氯化产品的添加。在800m³的游泳池中，测试已表明，根据本发明的装置可以非常经济地将氯胺的生成量降低到低于推荐标准的值。

目标还可以是过滤仪器，例如反渗透过滤仪器，特别是在用于通过反渗透将水除盐或饮用化的设备中的反渗透过滤仪器。该装置通常包括被待被除盐的水通过的膜。在该膜的上游，沉淀现象具有阻塞该膜的趋势，因此照惯例，必须添加阻垢剂化学品或螯合剂化学品。

使用根据本发明的装置有利地可以通过限制或甚至除去这些通常对健康和环境有害的螯合剂的添加来保护仪器。

如上所述，发明人已观察到，存在于待被处理的液体中的某些离子的盐的晶体的均相成核和早期沉淀发生在水动力反应器中，所述盐例如非附着晶型的碳酸盐、硫酸盐或其他类似的化合物(例如，就碳酸钙而言，ACC或MCC)。

水动力反应器还能够通过在水动力反应器内占优势的强烈的机械效应将胶体颗粒(例如，碳酸钙的一次成核的无定型)团聚或聚集。

由此形成的颗粒可以有利地具有足够大的尺寸来保留在膜的外表面，进而留在浓缩流中。然后，例如通过过滤，可以将该颗粒从液体中提取出来。

因此，置于反渗透膜上游的水动力反应器可以保护该膜。

根据本发明的处理装置还可被用来处理核电站的初级回路的水，或被放射性金属离子污染的更加一般的水性液体。根据本发明的水动力反应器确实可以沉淀和凝聚该污染物，然后将其从液体中提取出来。

正如目前显而易见的，本发明提供了可以通过限制例如利用注入酸或螯合剂而对添加剂的依赖，和/或通过限制对系统中的该添加剂的替换，来处理液体的解决方案。

当然，无论如何，本发明不受限于所描述和示出的实施方式。

特别地，对于上文所述的水动力反应器，第一通道的数量或形状可以不同于第二通道的数量或形状，第一块体的数量可以与第二块体的数量相同或不同，第一块体不一定沿着水动力反应器的轴线与第二块体交替放置，并且压缩腔室的数量和形状可以是不同的。

在处理回路中的水动力反应器的数量不受限制。

过滤器还可以实现气泡分离功能，分离器和过滤器可能甚至组合在同一个仪器中。

第一通道不一定由介电材料制成，第二通道不一定由导电材料制成。

第一通道可以在第二通道的上游或下游。

Claims

1.一种用于处理含有溶解气体的液体的装置，所述装置包括：

-水动力反应器(25)，所述水动力反应器(25)包括第一通道，所述第一通道将下游通向压缩腔室并且通过介电材料内部地限定，所述液体在所述第一通道中的通过导致所述液体的加速和第一空化气泡的生成，

所述压缩腔室被配置成以便当所述液体进入所述压缩腔室时，增加所述液体的压力，以使所述第一空化气泡中的大多数第一空化气泡内爆，

所述水动力反应器还包括第二通道，所述第二通道将上游通向所述压缩腔室并且通过导电材料内部地限定，所述液体在所述第二通道中的通过导致所述液体的加速和第二空化气泡的生成，

-气体分离器(30)，所述气体分离器(30)能够从所述液体中抽出所述第一空化气泡和所述第二空化气泡并且放置在所述水动力反应器的下游的距离所述水动力反应器小于2m处，所述第一空化气泡任选地当穿过所述压缩腔室时被分开。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述介电材料为聚四氟乙烯和/或所述导电材料为锌。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一通道的当量直径大于2mm，并且所述第一通道的长度大于20mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述气体分离器被调整成使得在所述气体分离器中，所述液体保持在一定的压力下。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述气体分离器放置在所述水动力反应器的下游的距离所述水动力反应器小于1米处。

6.一种系统，所述系统包括回路，目标和用于处理离开所述目标的液体的装置被嵌入在所述回路中，所述处理装置是根据权利要求1至5中任一项所述的装置。

7.根据权利要求6所述的系统，所述系统包括在所述处理装置的下游的用于分离悬浮颗粒的部件。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述用于分离悬浮颗粒的部件为过滤器。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述过滤器选自刷式过滤器、盘式过滤器、颗粒介质过滤器、超滤膜、纳米滤膜和反渗透膜。

10.根据权利要求6所述的系统，所述目标选自热交换器、冷却塔、水池、冷却回路或空调回路、加热回路、过滤回路、反渗透除盐回路、家用热水回路、或饮用水分配回路。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述水池是露天水池。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述露天水池是公共游泳池或私人游泳池。

13.根据权利要求6所述的系统，所述气体分离器是凝聚式过滤器或刷式过滤器。

14.根据权利要求6所述的系统，其中，液体在所述回路中循环，该液体含有至少一种包含选自氯、铝、溴、铬和锶构成的组的元素的化合物。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述元素是放射性金属。

16.一种用于处理含有溶解气体的液体的方法，所述方法包括在合适的热力学条件下，将所述液体通过如权利要求1所述的装置，使得所述水动力反应器通过空化生成气泡，所述气体分离器放置在所述水动力反应器的下游，以便捕获所述气泡。

17.根据权利要求16所述的方法，所述气泡在被捕获之前，通过内爆被分开。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述液体在闭合环路中循环。