CN107369481B - 气泡反应器测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气泡反应器测试装置，包括微气泡发生装置、流体振荡器、反应釜、变频循环泵以及循环开式水箱；其中：变频循环泵通过回路管道与循环开式水箱相连接；变频循环泵的出口与微气泡发生装置相连接；微气泡发生装置竖直向上布置，微气泡发生装置的上方通过方管过滤连接至流体振荡器；流体振荡器的上方通过法兰与反应釜的下侧进口连接；反应釜通过管道与循环开式水箱相连接。本发明能够实现反应釜内的高速混配功能，广泛应用于各行业，本发明结合了流体振荡器，微气泡发生装置(文丘里鼓泡器)，以及相关控制系统和可视化测量设备，是一种高效的气泡反应器测试装置，并提供了有效的测量和控制手段。

Description

气泡反应器测试装置

技术领域

本发明涉及测试实验台技术领域，具体地，涉及一种气泡反应器测试装置。

背景技术

聚变能是最终解决人类能源危机的有效途径之一。随着聚变能技术研究从物理可行性到工程可行性的跨越，包层技术已成为聚变堆工程、聚变-裂变混合堆工程成败的核心技术之一。

液态金属包层的氚燃料循环是实现聚变堆，聚变、裂变混合堆正常运行的核心技术之一。氚燃料循环系统由氚净化、氚提取、氚储存、氚测量、氦/水冷却、氚回收等子系统构成，而液态金属鼓泡器位于包层主回路与氚提取系统之间，具有氚在线监测与氚去除的重要功能，是不可缺少的关键部件。由于氢同位素在液态锂铅中的极低溶解度和液态合金的高温、活泼、物理等特性，鼓泡器的研制十分困难。为完成液态锂铅合金鼓泡器LLLB的设计与建造，采用流体力学方法建立了描述气泡直径与粒度分布、含气率特征等动力学行为的代数模型。数值模拟结果表明，床层含气率和稳定气泡粒度分布均不受喷嘴孔径的影响；低气速下气泡破碎远快于气泡的聚并，绝大部分初始气泡直径大于最大稳定直径，其破碎后的直径取决于最大稳定气泡直径的大小；气泡比表面积和传质表面积增大的主要因素是气泡直径分布的变化。LLLB选用提气式鼓泡器，通过旋转喷头不断向锂铅熔体中喷入氦-氢混合小气泡，锂铅熔体中的氚通过扩散进入气泡并随气泡上升离开熔体表面，由于旋转喷头为电动机构，具有一定的不可靠性，因而对无电动机构的气泡反应器测试装置的研究具有重要意义。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种气泡反应器测试装置，该测试装置是微气泡发生器和流体振荡器组合系统的测试实验台，能够测试反应釜内能否均匀散布气泡，是一种多功能适用于多种工况的实验台。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种气泡反应器测试装置，包括微气泡发生装置、流体振荡器、反应釜、变频循环泵以及循环开式水箱；其中：

所述变频循环泵通过回路管道与循环开式水箱相连接；

所述变频循环泵的出口与微气泡发生装置相连接；

所述微气泡发生装置竖直向上布置，微气泡发生装置的上方通过方管过度连接至流体振荡器；

所述流体振荡器的上方通过法兰与反应釜的下侧进口连接；

所述反应釜通过管道与循环开式水箱相连接。

优选地，所述变频循环泵的出口通过三通管道与微气泡发生装置相连接，所述三通管道上连接有球阀，所述球阀与微气泡发生装置之间的管道上设置有电磁流量计。

优选地，所述微气泡发生装置包括文丘里鼓泡器、蠕动泵、压力表和电磁流量计，所述文丘里鼓泡器的进气口通过软管与蠕动泵连接，所述压力表和电磁流量计分别连接于文丘里鼓泡器上。

优选地，所述文丘里鼓泡器包括从上至下依次设置的收缩段、喉部和扩散段，还包括导气管，所述导气管与喉部相连，用于从喉部导入气体。

优选地，收缩段的收缩角A＝37°，喉部直径为d3＝23mm，扩散段的扩散角为B＝7.5°，文丘里鼓泡器的进出口直径分别为d1＝d2＝53mm，所述导气管的进气口半径为R1＝0.5mm，所述文丘里鼓泡器的喉部和出口处分别设有压力表测量孔。

优选地，所述微气泡发生装置还包括气针，所述气针密封设置于软管与文丘里鼓泡器进气口的连接处。

优选地，所述流体振荡器包括振荡器本体，所述振荡器本体的正前侧设有可视化窗口。

优选地，所述流体振荡器的内部具有相互连通的收缩流道和扩散流道，所述收缩流道与扩散流道的连接处为一个角度为α的收缩结构，所述扩散流道内具有两个对称设置的导流突台，使扩散流道形成对称的两部分，其中每一部分进口处的渐扩角度为β，每一部分出口处的渐扩角度为γ，每一部分内壁面采用直壁面与曲壁面相互连接的结构，包括依次连接的直壁面L1、曲壁面R1、直壁面L4、曲壁面R3、曲壁面R5、曲壁面R6和曲壁面R8；每一个导流突台的外壁面采用直壁面与曲壁面相互连接的结构，包括依次连接的直壁面L2、曲壁面R2、直壁面L3、曲壁面R4、曲壁面R6、直壁面L5和曲壁面R9。

优选地，所述流体振荡器还包括高速摄像机，所述高速摄像机布置于振荡器本体的正前侧可视化窗口处。

优选地，所述法兰的中心处设有矩形中孔，所述矩形中孔沿着流道的方向存在扩散角，所述扩散角角度与流体振荡器的出口角相适配。

优选地，所述反应釜为透明圆管，所述透明圆管的顶端侧边开孔，并通过管道和重力作用将反应釜内的水排回循环开式水箱。

本发明提供的气泡反应器测试装置，所述变频循环泵通过回路管道从循环开式水箱抽水进入流动回路，变频循环泵出口设有三通管道和球阀，随后通过一段管道与微气泡发生装置连接，反应釜使用粗圆管替代，粗圆管使用透明管道，所述反应釜的下端出口与流体振荡器的出口之间通过法兰连接，流体振荡器出口和反应釜进口的法兰中孔为矩形孔，孔沿着流道的方向存在扩散角，扩散角度与流体振荡器的出口角相等，透明圆管顶端侧面开孔，通过管道和重力作用将反应釜内的水排回开式循环水箱；形成循环回路。

所述微气泡发生装置竖直向上布置，微气泡发生装置的上方通过方管过渡连接至无电动机构的流体振荡器，组成均匀散布的装置，流体振荡器的上方连接反应釜的下侧进口，其中，微气泡发生装置上依次布置两台压力表和一台电磁流量计，流体振荡器的振荡器本体正前侧开可视化有机玻璃窗口，使用高速摄像机布置在流体振荡器正前侧进行观察测量散布效果；

微气泡发生装置的文丘里鼓泡器的进气口使用软管与蠕动泵连接，进气口可以使用气针与软管密封的方式插入进气口，或者直接使用软管与鼓泡器侧面进气口相连接；

文丘里鼓泡器包括收缩段、喉部、扩散段以及导气孔，，伴随的微气泡发生装置还包括压力表、流量计以及进气设备(包括软管，还可以包括气针)，其中，

所述喉部直径为23mm，喉部的扩散角为7.5°，文丘里鼓泡器进出口直径为53mm，垂直于喉部为1mm导气孔，喉部和出口处分别置有压力表测量孔。

微气泡发生装置与流体振荡器之间使用方管过渡，微气泡发生器出口为圆管，而流体振荡器进口为方管，为了使液相中包含的弥散物均匀进入流体振荡器，使用方管进行过渡，确保微气泡在进入流体振荡器的入口时，气泡均匀分布；

蠕动泵对微气泡发生装置的鼓泡过程，蠕动泵与微气泡发生器喉部使用软管连接，实验过程中，通过调节蠕动泵的转速(鼓入速度)来控制进气流量，或者更换软管与微气泡发生器之间的气针，来控制进气速度。

微气泡发生装置的控制设备，在回路中使用球阀来控制液相流量，使用两个压力表，分别置于文丘里管喉部和扩散段出口处，根据文丘里鼓泡器的气泡破碎机制来控制液相流量、喉部压力和出口压力，使气泡在微气泡发生器的扩散段得到最高效率的破碎，以及生成所需尺寸的气泡群。

流体振荡器使用正面开窗进行可视化测量的方法，在流体振荡器的正前方布置高速摄像机进行监控以达到实时监控的目的，观察弥散的气泡能否均匀地从振荡器出口进入反应釜。

流体振荡器的结构参数：进口为收缩段，进口边长等同于方管边长，流体振荡器内部无电动机构，仅安装两组导流机构，出口为扩散结构，出口处法兰内流道与流体振荡器的出口扩散口采用相同的扩散角结构，确保流体能够顺畅的流入反应釜。

粗圆管使用透明有机玻璃制成，底部采用法兰连接，法兰孔使用与流体振荡器相同的扩散角。

与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明是均匀散布式反应釜实验台，配合所实验的内容，国内外尚无此种实验台，填补了现有技术中的空白。

(2)本发明中，微气泡发生器的鼓气流量可以用蠕动泵的转速进行调节，进入喉部的孔径可以用针管内径来更换，同时可以调整进气速度，进气速度通过转速或更换不同孔径的气针来实现。

(3)本发明中，微气泡发生器的内流场可以通过变频器和球阀来控制回路的流量，以及喉部的压力，使微气泡发生器高效地产生所需尺寸分布的气泡群，最有效的生成所需尺寸分布的气泡群。

(4)本发明中，流体振荡器的内部结构中不包含电动机构，只通过导流结构来控制流体的振荡，促使弥散在液相中的气泡均匀地散布至反应釜中。

(5)本发明中，对流体振荡器和作为反应釜的透明粗圆管均采用可视化的测量方式，其中流体振荡器的正前面进行的可视窗通常采用透明有机玻璃制作，布置高速摄像机进行观察，验证气泡是否均匀弥散入粗圆管中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为气泡反应器测试装置结构示意图；图中，1为流体振荡器，2为方管过渡段，3为鼓泡器光学补偿方管，4为鼓泡器喉部进气口，5为鼓泡器收缩段，6为鼓泡器出口压力检测点，7为鼓泡器喉部压力检测点；

图2为测试装置结构原理图；

图3为气泡反应器测试装置结构工作流程示意图；

图4为流体振荡器内流道剖面图；

图5为微气泡发生器内流道剖面图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种气泡反应器测试装置，包括微气泡发生装置、流体振荡器、反应釜、变频循环泵以及循环开式水箱；其中：

所述变频循环泵通过回路管道与循环开式水箱相连接；

所述变频循环泵的出口与微气泡发生装置相连接；

所述微气泡发生装置竖直向上布置，微气泡发生装置的上方通过方管过滤连接至流体振荡器；

所述流体振荡器的上方通过法兰与反应釜的下侧进口连接；

所述反应釜通过管道与循环开式水箱相连接。

进一步地，所述变频循环泵的出口通过三通管道与微气泡发生装置相连接，所述三通管道上连接有球阀，所述球阀与微气泡发生装置之间的管道上设置有电磁流量计。

进一步地，所述微气泡发生装置包括文丘里鼓泡器、蠕动泵、压力表和电磁流量计，所述文丘里鼓泡器的进气口通过软管与蠕动泵连接，所述压力表和电磁流量计分别连接于文丘里鼓泡器上。

进一步地，所述文丘里鼓泡器包括从上至下依次设置的收缩段、喉部和扩散段，还包括导气管，所述导气管与喉部连接，用于从鼓泡器喉部导入气体。

进一步地，收缩段收缩角A＝37°，喉部直径为d3＝23mm，扩散段的扩散角为B＝7.5°，文丘里鼓泡器的进口和出口直径分别为d1＝d2＝53mm，导气管的进气口半径为R1＝0.5mm，所述文丘里鼓泡器的喉部和出口处分别设有压力表测量孔。

进一步地，所述微气泡发生装置还包括气针，所述气针密封设置于软管与文丘里鼓泡器进气口的连接处。

进一步地，所述流体振荡器包括振荡器本体，所述振荡器本体的正前侧设有可视化窗口。

进一步地，所述振荡器本体的内部结构为：所述流体振荡器的内部具有相互连通的收缩流道和扩散流道，所述收缩流道与扩散流道的连接处为一个角度为α的收缩结构，所述扩散流道内具有两个对称设置的导流突台，使扩散流道形成对称的两部分，其中每一部分进口处的渐扩角度为β，每一部分出口处的渐扩角度为γ，每一部分内壁面采用直壁面与曲壁面相互连接的结构，包括依次连接的直壁面L1、曲壁面R1、直壁面L4、曲壁面R3、曲壁面R5、曲壁面R6和曲壁面R8；每一个导流突台的外壁面采用直壁面与曲壁面相互连接的结构，包括依次连接的直壁面L2、曲壁面R2、直壁面L3、曲壁面R4、曲壁面R6、直壁面L5和曲壁面R9。具体为，流体振荡器的整体是一个对称的流道，进口处为一个角度为α收缩结构，然后经过两个导流突台，形成一个两部分对称的渐扩流道，每一部分的进口处渐扩角度是β，渐扩流道的壁面采用直壁面与光滑的曲线连接依次为L2、R2、L3、R4、R6、L5、R9(其中L表示直线，R表示圆弧)，距离出口前俯视图为曲线，每一部分最终的出口处是一个渐扩角度为γ的渐扩段，导流突台的一侧形成如上流道，另一侧则形成一个反向流道，流道的俯视图外壁面与突台外侧壁面呈平行，由L1、L2、R1、R2、L3、L4、R3、R4、R5、R6围成。

进一步地，所述流体振荡器还包括高速摄像机，所述高速摄像机布置于振荡器本体的正前侧可视化窗口处。

进一步地，所述法兰的中心处设有矩形中孔，所述矩形中孔沿着流道的方向存在扩散角，所述扩散角角度与流体振荡器的出口角相适配。

进一步地，所述反应釜为透明圆管，所述透明圆管的顶端侧边开孔，并通过管道和重力作用将反应釜内的水排回循环开式水箱。

下面结合具体实例对本实施例进行详细说明，

本实施例的技术方案如下：

变频循环泵使用变频器控制，通过循环开式水箱抽水进入回路，循环开式水箱内可以使用自来水或者其他物性的溶剂，变频循环泵出口设置一组三通管道和球阀控制流量，球阀后通过一段管道连接微气泡发生装置的文丘里鼓泡器，微气泡发生装置竖直向上布置，上方连接一段方管，随后使用方管过渡，最后连接无电动机构的流体振荡器，组成均匀散布的装置，流体振荡器上方连接反应釜的下侧进口，其中，微气泡发生装置上依次布置两台压力表和一台电磁流量计，流体振荡器的正前侧开可视化有机玻璃窗口，使用高速摄像机布置在流体振荡器正前侧进行观察测量散布效果；反应釜使用粗圆管替代，粗圆管使用透明管道，流体振荡器出口使用特制法兰与之连接，两侧的法兰中孔为矩形孔，孔沿着流道的方向存在扩散角，扩散角度与流体振荡器的出口角相等，透明圆管顶端侧面开孔，通过管道和重力作用将液相排回循环水箱。

整体回路的测量仪表和控制设备包括变频循环泵进口处的电磁流量计、循环开式水箱进出口电磁流量计、微气泡发生装置的压力表，变频循环泵出口球阀用来控制回路整体流量，蠕动泵用来控制回路进气量，整体实验测试装置固定于地面并且与相关管路连接。

较佳的，回路启动时采用变频器控制回路流量，通过球阀微调回路流量，通过背压阀门和泵出口球阀协同控制回路，来调节微气泡发生器内的压力分布。

较佳的，蠕动泵微调微气泡发生装置的喉部进气量，从而调整回路中的含气率，确保在液体振荡器内气泡较少的聚并，得到最佳的含气率。

较佳的，液体振荡器的正前侧使用有机玻璃开窗，并用高速摄像机观察内部流场。

本测试装置可进行的测试内容包括：

(1)不同流量，喉部压力变化的过程中微气泡发生装置的产生气泡群的效率对反应釜内弥散气泡的分布的影响

(2)通过改变蠕动泵的鼓气速度调节气泡的进气量，来测试不同含气率下，微气泡在流体振荡器中的流动状况，能否随液相均匀地流动至反应釜中。

(3)测试不同溶剂下，气泡的微气泡发生装置和液体振荡器中的流动模式，验证该装置的实用性。

下面结合附图进一步描述。

如图1，本实施例提供的均匀散布式反应釜实验测试装置中，各项组件为：

1为流体振荡器，2为方管过渡段，3为鼓泡器光学补偿方管，4为鼓泡器喉部进气口，5为鼓泡器收缩段，6为鼓泡器出口压力检测点，7为鼓泡器喉部压力检测点；

如图2，所述均匀散布式反应釜实验测试装置的实验台原理图如下：

循环泵使用变频器a控制，通过开式水箱b抽水进入回路，泵出口设置一组三通管道c和球阀d控制流量，球阀后通过一段管道通过一个电磁流量计连接文丘里微气泡发生器，文丘里微气泡发生装置e竖直向上布置，上方连接一段方管，随后使用方管f过度，最后连接无电动机构的流体振荡器g，组成均匀散布的装置，流体振荡器上方连接反应釜h的下侧进口，其中，文丘里微气泡发生装置上依次布置两台压力表和一台电磁流量计组成测试监控设备i，流体振荡器的正前侧开可视化有机玻璃窗口j，使用高速摄像机k布置在流体振荡器正前侧进行观察测量散布效果；反应釜使用粗圆管替代，粗圆管使用透明管道，流体振荡器出口使用特制法兰与之连接，两侧的法兰中孔为矩形孔，孔沿着流道的方向存在扩散角，扩散角度与流体振荡器的出口角相等，透明圆管顶端侧面开孔，通过管道和重力作用将液相排回循环水箱。

在进行实验过程中，通过变频器对循环泵进行初步控制，利用泵出口阀来调节回路总流量，利用微气泡发生器处的压力表和电磁流量计来测试，产生合适的尺寸分布的气泡下最佳的流量和背压，通过控制蠕动泵的鼓气流量和喉部气针的口径，以及在流体振荡器的窗口进行高速摄像，以减小气泡在流体振荡器内流道的聚并，确保产生的微气泡能够充分地均匀地散布到最后的反应釜当中，通过高速摄像观察流体振荡器内流道和反应釜内气泡分布，来调节该装置的最佳流量和含气率。

本实施例提供的均匀散布式反应釜测试装置，微气泡发生装置竖直向上布置，上方连接一段方管，随后，连接无电动机构的流体振荡器，组成均匀散布的装置，流体振荡器上方连接反应釜的下侧进口。其中，微气泡发生装置上依次布置两台压力表和一台电磁流量计，微气泡发生装置的进气口连接蠕动泵鼓气装置，流体振荡器的正前侧开可视化有机玻璃窗口，使用高速摄像机进行观察测量散布效果。本实施例能够实现反应釜内的高速混配功能，广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等，材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基(哈氏、蒙乃尔、因康镍)合金及其它复合材料，本实施例结合了流体振荡器，微气泡发生装置(文丘里鼓泡器)，以及相关控制系统和可视化测量设备，是一种高效的均匀散布式反应釜系统，并提供了有效的测量和控制手段。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种气泡反应器测试装置，其特征在于，包括微气泡发生装置、流体振荡器、反应釜、变频循环泵以及循环开式水箱；其中：

所述变频循环泵通过回路管道与循环开式水箱相连接；

所述变频循环泵的出口与微气泡发生装置相连接；

所述微气泡发生装置竖直向上布置，微气泡发生装置的上方通过方管过滤连接至流体振荡器；

所述流体振荡器的上方通过法兰与反应釜的下侧进口连接；

所述反应釜通过管道与循环开式水箱相连接；

所述微气泡发生装置包括文丘里鼓泡器、蠕动泵、压力表和电磁流量计，所述文丘里鼓泡器的进气口通过软管与蠕动泵连接，所述压力表和电磁流量计分别连接于文丘里鼓泡器上；所述文丘里鼓泡器包括从上至下依次设置的收缩段、喉部和扩散段，还包括导气管，所述导气管与喉部相连，用于从喉部导入气体；收缩段的收缩角Α＝37°，喉部直径d3＝23mm，扩散段的扩散角为Β＝7.5°，文丘里鼓泡器的进口和出口直径分别为d1＝d2＝53mm，所述导气管的进气口半径为R1＝0.5mm，所述文丘里鼓泡器的喉部和出口处分别设有压力表测量孔；所述微气泡发生装置还包括气针，所述气针密封设置于软管与文丘里鼓泡器进气口的连接处；

所述流体振荡器包括振荡器本体，所述振荡器本体的正前侧设有可视化窗口；所述流体振荡器的内部具有相互连通的收缩流道和扩散流道，所述收缩流道与扩散流道的连接处为一个角度为α的收缩结构，所述扩散流道内具有两个对称设置的导流突台，使扩散流道形成对称的两部分，其中每一部分进口处的渐扩角度为β，每一部分出口处的渐扩角度为γ，每一部分内壁面采用直壁面与曲壁面相互连接的结构，包括依次连接的直壁面L1、曲壁面R1、直壁面L4、曲壁面R3、曲壁面R5、曲壁面R6和曲壁面R8；每一个导流突台的外壁面采用直壁面与曲壁面相互连接的结构，包括依次连接的直壁面L2、曲壁面R2、直壁面L3、曲壁面R4、曲壁面R6、直壁面L5和曲壁面R9；所述流体振荡器还包括高速摄像机，所述高速摄像机布置于振荡器本体的正前侧可视化窗口处。

2.根据权利要求1所述的气泡反应器测试装置，其特征在于，所述变频循环泵的出口通过三通管道与微气泡发生装置相连接，所述三通管道上连接有球阀，所述球阀与微气泡发生装置之间的管道上设置有电磁流量计。

3.根据权利要求1所述的气泡反应器测试装置，其特征在于，所述法兰的中心处设有矩形中孔，所述矩形中孔沿着流道的方向存在扩散角，所述扩散角角度与流体振荡器的出口角相适配。

4.根据权利要求1所述的气泡反应器测试装置，其特征在于，所述反应釜为透明圆管，所述透明圆管的顶端侧边开孔，并通过管道和重力作用将反应釜内的水排回循环开式水箱。