CN105582834A - 用于气液混合的切割器及大气液比气液混合输送装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气液混合的切割器及大气液比气液混合输送装置，包括切割器，切割器的进口端连接加气头，在加气头中安装加气装置，加气装置连接气管。所述切割器包括切割管，切割管中设置芯轴，芯轴的进水端设置导水锥，在芯轴上依次叠加设置切割片，切割片上具有叶片，切割片沿芯轴长度方向依次叠加形成螺旋形，相邻两个切割片的叶片错开一定距离形成阶梯状切割刃口；所述螺旋形采用变螺距。所述加气装置包括安装在加气头上的管座，管座中设置导气管，导气管的外端连接气管，导气管的内端安装节流座，节流座上设置出气口，出气口与加气头、切割管的轴线同轴。本发明实现大体积气液比气体和水的微纳米量级的切割细化和混合输送，消耗能量少。

Description

用于气液混合的切割器及大气液比气液混合输送装置

技术领域

本发明涉及一种用于气液混合的切割器及大气液比气液混合输送装置，尤其是一种基于气液体微纳米切割细化技术的切割器和大体积气液比（5:1－10:1）的气液混合输送装置。

背景技术

在石油、化工、环保行业，在液体中均匀加入气体混合输送是一种及其常见的物理手段和工艺，如污水处理中采用气液混合泵加气增氧，在气液混合泵吸入口可以利用负压作用吸入气体，高速旋转的泵叶轮将液体与气体混合搅拌，在泵内的加压混合，气体与液体充分溶解，溶解效率可达80~100%。所以无需大型加压溶气罐或昂贵的反应塔即可制取高度溶解液。气液比约为1:9(吸气量为8-10%)。气液混合泵只能实现小气液比(吸气量为8-10%)加气混合输送。

食品工业中常用文丘里管加杀菌。文丘里管加气法采用负压加气法，通过一定压力、流速水流流过水管文丘里缩口段产生负压，将臭氧吸入水中。这种加气法测定臭氧溶解率为15－20mg/L。采用空气做被动流体，水为主动流体时，气液能够均匀混合输送时气液比最高可达为0.6:1－1:1。

另一种常用的气液混合装置为静态混合器，静态混合器是一种先进的单元设备，和搅拌器不同的是，它的内部没有运动部件，主要运用流体流动和内部单元实现各种流全的混合以及结构特殊的设计合理性。静态混合器的工作原理，就是让流体在管线中流动冲击各种类型板元件,增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流,层流时是“分割-位置移动-重新汇合”，湍流时，流体除上述三种情况外，还会在断面方向产生剧烈的涡流，有很强的剪切力作用于流体，使流体进一步分割混合，最终混合形成所需要的混合液。试验证明，气液静态混合器的均匀加气的气液比小于文丘里管加气法。

水经过微纳米化细化成后小分子团水，热传导系数高于未经微纳米细化的自然水，而且活化性很强，具有强渗透力、强溶解力和强扩散力。微纳米氧气泡具有与一般气泡不同的理化特性，如：高内压、高表面能、高界面活性等。纳米氧气泡的表面积能有效增大，如1mm的大气泡分散成100nm微气泡，表面积增大10000倍，气泡的表面能也从0.1卡增大到5-10卡。根据杨-拉普拉斯法则，气泡表面张力与气泡直径大小成反比，与气泡内压成正比。表面张力增大，气泡不断收缩，同时内压也随之增大，即所谓出现自我加压现象。一旦收缩的气泡内压与表面张力失去平衡，纳米气泡最后大约在4000个大气压的压力下破裂，气泡破裂后活性气体分子的自由热运动增强，可以随时加入到水分子共价键中形成溶解气，气体即完全溶解于水液中，这样就实现了大气液比超饱和溶气。

目前市场上已经有了一些气、液态材料微纳米化的相关设备，但基本都采用能量消耗巨大的动力旋转切割机械实现。目前国内外实现气液微纳米化的技术主要有电解、微孔膜和超高压磁化等技术。电解法制造成本高，能耗大，只适用于小规模生产。超高压磁化法的原理是水经过磁场处理后，改变水分子的径向分布函数和分子内能从而破坏氢键。最终改变水分子的团簇结构。高压磁化技术通磁处理能使水的吸光度、渗透压明显升高，水分子团簇断裂成了较小的分子团簇甚至是单个水分子。小分子水渗透性和溶解性都显著增大，然后将氧气经高压压水中，增加水中溶氧浓度。这种方法工艺成本高，水中的氧气微细气泡不稳定，不适合大规模工业生产。微孔膜法是采用聚四氟乙烯等微孔膜毛细管吸收式增氧，通过弥散的原理将氧气均匀溶入水中。纯净水在膜内通过，在膜外施加氧气。微孔膜法具有无气泡，无挥发，氧的利用率高、溶解氧具有良好的稳定性的优势。但该技术工艺复杂，设备昂贵，制造成本高。微孔膜维护困难，容易堵塞，使用寿命短。同样不适合大规模工业生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于气液混合的切割器，实现气体和水的微纳米量级的切割细化和混合，消耗能量极少，设备成本低，可以获得低成本、大产量的微纳米量级的小分子水和气泡。

本发明还提供一种大气液比气液混合输送装置，保证气体顺利散逸到水中，加气效率高，切割细化均匀，可以实现大体积气液比（5:1－10:1）的气液混合输送。

按照本发明提供的技术方案，一种用于气液微纳米化切割细化和混合的切割器，特征是：包括切割管，切割管中心设置芯轴，芯轴的进水端设置导水锥，在芯轴上设置若干片依次叠加的切割片，切割片上具有一个或多个叶片，切割片沿芯轴长度方向依次叠加形成由芯片长度方向布置的一条或多条螺旋形，并且相邻两个切割片的叶片错开一定距离，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口；所述螺旋形采用变螺距，进水端的螺距大于出水端的螺距，螺距由进水端向出水端逐渐减小。

进一步的，所述切割片的中心孔与芯轴间隙配合。

进一步的，所述切割片由压块和锁紧螺母固定在芯轴上。

进一步的，所述切割片上具有四个叶片。

进一步的，所述切割片的厚度为0.08mm～5mm。

所述大气液比气液混合输送装置，其特征是：包括1个或多个切割器，切割器的进口端通过法兰连接加气头，加气头连接水输入管道，切割器的出口端通过法兰连接水输出管道或者连接下一个切割器进口端的加气头；在所述加气头中安装加气装置，加气装置连接气管的一端，气管的另一端连接分气头，分气头与气体降温器的出气端连接，气体降温器的进气端连接罗茨风机。

进一步的，所述加气装置包括安装在加气头上的管座，管座中设置导气管，导气管与管座之间设置密封圈和密封块；所述导气管的外端通过气体连接管连接气管，导气管的内端安装节流座，节流座中设置节流阀芯，节流座上设置出气口，出气口与加气头、切割管的轴线同轴。

进一步的，所述出气口与加气头、切割管的同轴度小于0.1mm。

进一步的，在所述与水输入管道连接的加气头上安装压力表和液体流量计。

进一步的，在所述气体降温器和分气头之间设置气体流量计。

进一步的，所述气体降温器可以满足气体降温要求：80℃降到20℃的各种热交换器，如采用管式热交换器等。

本发明具有以下优点：

（1）本发明所述切割器可实现气液体微纳米化切割细化，气液体在切割腔XYZ三个方向均受到剪切力；流场边界为切割叶片螺旋形成的阶梯状切割刃，在一定的流动场和离心力的作用下，气水受到阶梯状切割刃的切割力，理论上可实现无限小尺度的切割。

（2）由于变螺距螺旋机构的作用以及气液密度的不同，水携带气体在一定的压力和流速下流过切割腔，实现气体和水的微纳米量级的切割细化和混合（40-50个分子团的物质切割为4-5个分子团物质），消耗能量极少，水分子团和空气气泡可切割成微纳米量级。

（3）本发明所述加气装置采用特殊设计的加气头、出气口，根据层流流体绕流圆柱体的流体力学理论分析可知，加气孔附近区域水的流速接近于0，氧气可以顺利散逸到水中，实现螺旋切割器四个切割腔均匀加气，这种加气法效率高，切割细化均匀。

附图说明

图1为本发明所述大气液比气液混合输送装置的结构示意图。

图2为本发明所述切割器的结构示意图。

图3为所述切割片的示意图。

图中标号：法兰1、导水锥2、节流阀芯3、导气管4、节流座5、密封圈6、管座7、螺钉8、密封块9、螺母10、压力表11、加气头12、液体流量计13、切割器14、气体连接管15、罗茨风机16、气体降温器17、气体流量计18、分气头19、外丝20、气管21、切割管22、芯轴23、切割片24、压块25、锁紧螺母26、叶片27、出气口28。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：本发明所述大气液比气液混合输送装置包括1个或多个切割器14（图1中为2个切割器14），切割器14的进口端通过法兰1连接加气头12，加气头12连接水输入管道，切割器14的出口端通过法兰1连接水输出管道或者连接下一个切割器14进口端的加气头12，在所述与水输入管道连接的加气头12上安装压力表11和液体流量计13；在所述加气头12中安装加气装置，加气装置连接气管21的一端，气管22的另一端通过外丝20连接分气头19，分气头19与气体降温器17的出气端连接，气体降温器17的进气端连接罗茨风机16；在所述气体降温器17和分气头19之间设置气体流量计18。

如图2所示，所述切割器14包括切割管22，切割管22中心设置芯轴23，芯轴23的进水端设置导水锥2，导水锥2的作用是为了使气液混合流均，经扩散之后可以较缓慢、均匀地通过切割管22；在所述芯轴23上设置若干片依次叠加的切割片24，切割片24的中心孔与芯轴23间隙配合，切割片24由压块25和锁紧螺母26固定在芯轴23上；如图3所示，所述切割片24上具有一个或多个叶片27（图3中为4个叶片27），切割片24沿芯轴23长度方向依次叠加形成由芯片23长度方向布置的一条或多条螺旋形，并且相邻两个切割片24的叶片27错开一定距离，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口。所述螺旋形采用变螺距，进水端的螺距大于出水端的螺距，螺距由进水端向出水端逐渐减小。

所述切割片24的厚度为0.08mm～5mm。

如图2所示，所述加气装置包括安装在加气头12上的管座7，管座7中设置导气管4，导气管4与管座7之间设置密封圈6和密封块9，密封块9通过螺母10和螺钉8紧固；所述导气管4的外端通过气体连接管15连接气管21，导气管4的内端安装节流座5，节流座5中设置节流阀芯3，节流座5上设置出气口28，出气口28与加气头12、切割管22的轴线同轴，同轴度小于0.1mm，可保证气体顺利散逸到水中。

本发明的工作原理：本发明所述切割器14由几千片切割片按照变螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。利用水的自身的压力（P≥0.1MPa）和流速（V≥0.5m/s），水和空气流过切割腔，由于切割腔内特殊的变螺距螺旋结构，形成流体内部x、y、z三维速度梯度的存在，因此流体内部在x、y、z三个方向上均受到剪切力；而且流体在边界面上与离散化的、厚度仅为0.08mm的切割片累叠而成的阶梯状螺旋切割刃口表面接触，假设流体不动，相当于无限多刀片的刀刃在切割流体，两个作用的合力将气液体割成微纳米量级的小分子团物质，微纳米量级的气液小分子团物质在切割器14内实现快速切割细化混合和动量、热量、质量传递，可实现大体积比（5：1－10：1）气液混合输送。

本发明所述加气装置的出气口与加气头、切割器的轴心线同轴度小于0.1mm，根据层流流体绕流圆柱体的流体力学理论分析可知，出气口附近区域水的流速接近于0，氧气可以顺利散逸到水中，实现切割器切割腔均匀加气，这种加气法效率高，切割细化均匀。加气孔附近区域由于流体的作用，会形成负压效应，气压略小于水压条件下，也可以顺利实现加气，降低了设备能耗。试验测定气液混合输送加气比为10：1（气液体积比），满足大气液混合输送工业应用要求。

Claims (10)

1.一种用于气液混合的切割器，其特征是：所述切割器（14）包括切割管（22），切割管（22）中心设置芯轴（23），芯轴（23）的进水端设置导水锥（2），在芯轴（23）上设置若干片依次叠加的切割片（24），切割片（24）上具有一个或多个叶片（27），切割片（24）沿芯轴（23）长度方向依次叠加形成由芯片（23）长度方向布置的一条或多条螺旋形，并且相邻两个切割片（24）的叶片（27）错开一定距离，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口；所述螺旋形采用变螺距，进水端的螺距大于出水端的螺距，螺距由进水端向出水端逐渐减小。

2.如权利要求1所述的用于气液混合的切割器，其特征是：所述切割片（24）的中心孔与芯轴（23）间隙配合。

3.如权利要求1所述的用于气液混合的切割器，其特征是：所述切割片（24）由压块（25）和锁紧螺母（26）固定在芯轴（23）上。

4.如权利要求1所述的用于气液混合的切割器，其特征是：所述切割片（24）上具有四个叶片（27）。

5.如权利要求1所述的用于气液混合的切割器，其特征是：所述切割片（24）的厚度为0.08～5mm。

6.一种大气液比气液混合输送装置，其特征是：包括1个或多个切割器（14），切割器（14）的进口端通过法兰（1）连接加气头（12），加气头（12）连接水输入管道，切割器（14）的出口端通过法兰（1）连接水输出管道或者连接下一个切割器（14）进口端的加气头（12）；在所述加气头（12）中安装加气装置，加气装置连接气管（21）的一端，气管（22）的另一端连接分气头（19），分气头（19）与气体降温器（17）的出气端连接，气体降温器（17）的进气端连接罗茨风机（16）。

7.如权利要求6所述的大气液比气液混合输送装置，其特征是：所述加气装置包括安装在加气头（12）上的管座（7），管座（7）中设置导气管（4），导气管（4）与管座（7）之间设置密封圈（6）和密封块（9）；所述导气管（4）的外端通过气体连接管（15）连接气管（21），导气管（4）的内端安装节流座（5），节流座（5）中设置节流阀芯（3），节流座（5）上设置出气口（28），出气口（28）与加气头（12）、切割管（22）的轴线同轴。

8.如权利要求7所述的大气液比气液混合输送装置，其特征是：所述出气口（28）与加气头（12）、切割管（22）的同轴度小于0.1mm。

9.如权利要求6所述的大气液比气液混合输送装置，其特征是：在所述与水输入管道连接的加气头（12）上安装压力表（11）和液体流量计（13）。

10.如权利要求6所述的大气液比气液混合输送装置，其特征是：在所述气体降温器（17）和分气头（19）之间设置气体流量计（18）。