CN107188268A - 一种基于文丘里管的水力空化发生装置及水力空化发生方法 - Google Patents

一种基于文丘里管的水力空化发生装置及水力空化发生方法 Download PDF

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魏世超
梅越民
张凯
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations

Abstract

本发明公开了一种基于文丘里管的水力空化发生装置和方法，其包括一球形腔体，内部具有一球形的空腔；多个流体进口管，均匀的设置在球形腔体的下半部，并与球形腔体相连通，其轴线均穿过球形腔体中心，并且均与水平方向的夹角相同，流体进口管内均设有孔板，流体经由孔板，开始产生气泡，喷射进入到球形腔体下半部时，流体汇聚、混合、碰撞，进一步促进了空化泡溃灭重生的过程，从而增强了空化强度；一文丘里管结构，作为流体出口与球形腔体相连通，设置在球形腔体的正上方，其轴线穿过所述球形腔体的中心，在文丘里管结构内，重新生成空化气泡，空化泡随之又一次发生溃灭，形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温和瞬间高压。本发明的有益效果：通量大、空化效率高。

Description

一种基于文丘里管的水力空化发生装置及水力空化发生方法
技术领域
本发明涉及化工流体技术领域，特别是涉及一种基于文丘里管的水力空化发生装置及水力空化发生方法。
背景技术
空化是指液体内局部压力下降时，液体内部或液固交界面上气体空穴的形成、发展和溃灭的过程。当液体压力降至液体饱和蒸气压甚至以下时，由于液体的剧烈汽化而产生大量空化泡。空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温(1000～5000K)和瞬间高压(1～5×107Pa)。空化可导致水力机械设备性能下降，引起振动、噪声和空蚀破坏等，但空化现象释放的能量也可以加以利用，以实现对化学、物理等过程的强化，达到增效、节能、降耗等效果。
根据空化产生的因素，通常分为声空化、光空化、粒子空化和水力空化四种类型。由于空化产生的效率和工程应用的难易程度，四种模式中，声空化和水力空化是学术界和工业界关注的热点。目前，声空化仅在实验室取得较好效果，但将其应用于中试或工业化时，会出现空化场不均匀，空化效率下降，通量较小，放大难度较大等问题。
相对于超声空化而言，水力空化设备简单、成本低廉，能产生大规模的空化场，工业化应用的潜力很大，目前已在灭菌、有机污水废水处理、射流清洗以及化工分离等领域得到应用。
中国专利200410021098.5公开了一种通过多孔孔板产生空化的灭菌装置，利用空化发生时产生的瞬间高温高压来对液体原料进行灭菌消毒，该装置具有产量大、效率高、操作方便、瞬间灭菌、局部高温、整体常温等特点，从而避免了液体原料中有效成分的破坏和过热分解。中国专利200410066214.5公开了一种用于化工分离技术领域涡流空化器可以在较低的温度和不加或者少加化学破乳剂的条件下对含水乳化油或者乳化含油废水进行低成本和高效率的破乳处理。中国专利201120568210.2公开了一种用于污废水处理的水力空化装置，该装置具备多个空化腔道，空化效率高。并可将臭氧引入空化腔，臭氧在水力空化效应所产生的高温高压条件下，可以分解成具有更强氧化性的羟基自由基，进一步提高了空化效率。该装置内还可设置催化剂TiO2和γ-Al2O3，产生更多的羟基自由基，进一步强化污废水中有机物的去除效果。
尽管对水力空化的研究逐渐深入，所提出的空化器结构形式增多，但是水力空化的空化强度较小，效率较低，往往不足以起到某些物理化学反应的触发或强化作用。此外，空化反应器处理量较小，大规模处理时需要多台装置并联或串联使用，导致处理系统管路结构庞大、复杂，仍难以工业化推广应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供：
一种基于文丘里管的水力空化发生装置,液体流通量大，结构简单，成本低廉，工作可靠，适于工业化大规模推广应用；
一种所述水力空化发生装置的空化发生方法，空化强度大，空化效率高。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
基于文丘里管的水力空化发生装置，包括：
一球形腔体，内部具有一球形的空腔；
一空化增强模块，同轴心设置在球形腔体内；
多个流体进口管，均匀的设置在球形腔体的下半部，并与球形腔体相连通，所述流体进口管的轴线均穿过球形腔体中心，并且均与水平方向的夹角相同，流体进口管内均设有孔板，流体经由孔板，开始产生气泡，喷射进入到球形腔体下半部时，流体汇聚、混合、碰撞，进一步促进了空化泡溃灭重生的过程，从而增强了空化强度；
一文丘里管结构，作为流体出口与球形腔体相连通，设置在球形腔体的正上方，其轴线穿过所述球形腔体的中心，在文丘里管结构内，重新生成空化气泡，空化泡随之又一次发生溃灭，形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温和瞬间高压。
优选的，所述流体进口管设有两个或三个。
优选的，所述孔板的开孔率为20％-75％。
优选的，所述文丘里管结构包括由下到上依次连接的喉颈段、扩展段和液体出口段，所述喉颈段、扩展段和液体出口段同轴心设置。
优选的，所述扩展段呈喇叭形结构，扩展段的底端直径与喉颈段的直径相同，扩展段的顶端直径与液体出口段的直径相同。
优选的，所述空化增强模块为光滑曲面状，截面积由下向上逐渐增加，所述空化增强模块的最底端位于球形腔体的中心位置。
优选的，所述空化增强模块的直径为喉颈段直径的0.5-1.2倍。
优选的，所述空化增强模块形状为椭球形或翼形。
优选的，孔板无缝隙的粘接或焊接在流体进口管的内壁上。
优选的，所述空化增强模块的最低点位于流体进口管的上方。
本发明的另一方面，还包括所述水力空化发生装置的空化发生方法，包括以下步骤：
S1：流体进入流体进口管内，经过孔板，由于孔板的节流作用，流速增大，流体静压降低，当压力达到甚至低于流体在该温度下的饱和蒸汽压时，流体开始气化产生气泡，溶解于流体中的气体也以气泡形式析出。气泡产生后逐渐膨胀、生长，形成气液两相流体；
S2：气液两相流体从孔板喷射进入球形腔体内，在球形腔体下半部分，流体汇聚、混合、碰撞。流体在由球形腔体下半部分，进入到上半部分时，与空化增强模块作用，在其表面发生边界层脱离，形成剧烈的湍动性。
S3：流体进入球形腔体上半部分后，得到暂时缓冲稳定。沿着球面流动逐渐收缩进入喉颈段5，因流道收缩流速随之增大，静压降低，重新生成空化气泡；
S4：两相流体喷射进入扩展段，随着流道扩展，压力逐渐恢复，空化泡随之又一次发生溃灭，形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温和瞬间高压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明设备结构简单，处理通量大，设备制造成本低廉，空化效率高，适用于工业化大规模应用。
2、由于具有较大的处理通量，应用本装置的水处理系统可以减少并联管路的安装，减少管路系统的规模和复杂度，减少占地面积，降低投入成本。
3、即可水平方向安装使用，也可水平方向安装使用。
附图说明
图1所示为本发明实施例的剖面示意图。
图2是为本发明实施例的装置俯视示意图。
图中：1为流体进口管，2为孔板，3为球形腔体，4为空化增强模块，5喉颈段，6为扩展段，7为液体出口段。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，一种基于文丘里管的水力空化发生装置，包括流体进口管1，孔板2，球形腔体3、空化增强模块4、喉颈段5、扩展段6和液体出口段7，多个流体进口管1与球形腔体3下半部分相连，每个流体进口管1进口管轴线均穿过球形腔体3中心，并且均与水平方向呈角度a(a为0度～80度)，流体进口管1至少有两个，均匀分布球形腔体3底端(图1 中流体进口管1设有两个，图2中流体进口管1设有三个)。每个流体进口管1内均安装一块开有小孔的孔板2，液体经过孔板2后可产生空化泡。喉颈段5、扩展段6和液体出口段7依次同轴连接，形成文丘里管结构，其轴线穿过球形腔体3中心，在正上方与球形腔体3连接。空化增强模块4固定于球形腔体3中心。
流体进入流体进口管1内，经过孔板2，由于孔板的节流作用，流速增大，流体静压降低，当压力达到甚至低于流体在该温度下的饱和蒸汽压时，流体开始气化产生气泡，溶解于流体中的气体也以气泡形式析出。气泡产生后逐渐膨胀、生长，形成气液两相流体。气液两相流体从孔板2喷射进入球形腔体3内。在球形腔体3下半部分，流体汇聚、混合、碰撞，同时与空化增强模块4作用，在其表面发生边界层脱离，形成剧烈的湍动性。这种情况下大量空化气泡不断地重复溃灭、产生、生长、溃灭的过程，流体间发生强烈的碰撞、挤压和剪切作用。这种现象引起的压力波动和震荡有进一步促进了空化泡溃灭重生的过程，从而增强了空化强度，提高了空化效率。
流体进入球形腔体3上半部分后，得到暂时缓冲稳定。沿着球面流动逐渐收缩进入喉颈段5，因流道收缩流速随之增大，静压降低，重新生成空化气泡。两相流体喷射进入扩展段6，随着流道扩展，压力逐渐恢复，空化泡随之又一次发生溃灭，形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温和瞬间高压。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：包括：
一球形腔体(3)，内部具有一球形的空腔；
一空化增强模块(4)，同轴心设置在球形腔体(3)内；
多个流体进口管(1)，均匀的设置在球形腔体(3)的底端，并与球形腔体(3)相连通，其轴线均穿过球形腔体(3)中心，并与水平方向的夹角均相同，流体进口管(1)内均设有孔板(2)；
一文丘里管结构，作为流体出口与球形腔体(3)相连通，设置在球形腔体(3)的正上方，其轴线穿过所述球形腔体(3)的中心。
2.根据权利要求1所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述文丘里管结构包括由下到上依次连接的喉颈段(5)、扩展段(6)和液体出口段(7)，所述喉颈段(5)、扩展段(6)和液体出口段(7)同轴心设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述扩展段(6)呈喇叭形结构，扩展段(6)的底端直径与喉颈段(5)的直径相同，扩展段(6)的顶端直径与液体出口段(7)的直径相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述空化增强模块(4)与文丘里管结构同轴，所述空化增强模块(4)为光滑曲面状，截面积由下向上逐渐增加。
5.根据权利要求1所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述孔板(2)的开孔率为20％-75％。
6.根据权利要求1所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述空化增强模块(4)形状为椭球形或翼形。
7.根据权利要求1所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述孔板(2)无缝隙的粘接或焊接在流体进口管(1)的内壁上。
8.根据权利要求2所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述空化增强模块(4)的直径为喉颈段(5)直径的0.5-1.2倍。
9.根据权利要求1所述的一种基于文丘里管的水力空化发生装置，其特征在于：所述流体进口管(1)设有两个或三个。
10.如权利要求1所述的基于文丘里管的水力空化发生装置的水力空化发生方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：流体进入流体进口管(1)内，经过孔板(2)，由于孔板的节流作用，流速增大，流体静压降低，当压力达到甚至低于流体在该温度下的饱和蒸汽压时，流体开始气化产生气泡，溶解于流体中的气体也以气泡形式析出，气泡产生后逐渐膨胀、生长，形成气液两相流体；
S2：气液两相流体从孔板(2)喷射进入球形腔体(3)内，在球形腔体(3)下半部分，流体汇聚、混合、碰撞，在由球形腔体(3)下半部分，进入到上半部分时，与空化增强模块(4)作用，在其表面发生边界层脱离，形成剧烈的湍动性；
S3：流体进入球形腔体(3)上半部分后，得到暂时缓冲稳定，沿着球面流动逐渐收缩进入喉颈段(5)，因流道收缩流速随之增大，静压降低，重新生成空化气泡；
S4：两相流体喷射进入扩展段(6)，随着流道扩展，压力逐渐恢复，空化泡随之又一次发生溃灭，形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温和瞬间高压。
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