CN107744732A - 一种管式微细气泡发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管式微细气泡发生器，安装于净水管路中，包括依次连接同轴安装的进水组件(1)、环形注气机构(2)和气泡破碎机构(3)；所述环形注气机构(2)包括注气管(21)、外环(22)、内环(23)与连接管(24)，所述的内环(23)与外环(22)同心安装，所述的外环(22)为空腔结构，所述的内环(23)为侧开口的环腔(233)，所述的内环(23)的侧开口处安装微孔板(232)；所述的外环(22)的空腔外壁与注气管(21)连通，所述的外环(22)的空腔内壁通过连接管(24)与所述的内环(22)的环腔(233)连通。结构紧凑、操作简单、维护成本低并且能够产生不同粒径微气泡的新型管式微气泡发生器。

Description

一种管式微细气泡发生器
技术领域
本发明涉及机械技术与水质净化处理领域，尤其涉及一种管式微细气泡发生器。
背景技术
根据标准化组织(ISO)的定义，微细气泡通常指粒径小于100微米的气泡，具有比表面积大、气含率高、不易破碎、粘附效率高、传质效率高等特点，广泛应用于矿物浮选、水质净化处理、水产养殖和生物制药等领域。尤其在污水处理领域，微细气泡不仅用于提高污水中的溶解氧含量，促进好氧微生物对污水中有机杂质的吞噬分解，而且还可用于粘附水中的固体或液体悬浮颗粒形成密度小于水的粘附体，并在浮力作用下上浮至水面形成浮渣，最后通过去除浮渣实现水质净化。随着处理流量、处理难度及应用范围的增加，不仅对微细气泡的粒径大小及粒径均匀程度提出了更高要求，而且对微细气泡发生系统的结构紧凑性、能耗、运行维护等问题也日益关注。
一般而言，可以将微细气泡的产生方式分为溶气释放式、引气分散式、微孔散气式、剪切接触式和电解析出式等五大类，不过综合来看，现有各种微细气泡发生器及其相应的微细气泡产生方法普遍存在能耗高、结构复杂、产生气泡质量差等缺点，生成的微细气泡难以满足水质净化处理需求，因此研制一款具有结构紧凑、操作简单、维护成本低并且能够产生不同粒径气泡的新型管式微细气泡发生器具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种管式微细气泡发生器，结构紧凑、操作简单、维护成本低并且能够产生不同粒径微气泡的新型管式微气泡发生器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种管式微细气泡发生器，安装于净水管路中，包括依次连接同轴安装的进水组件1、环形注气机构2和气泡破碎机构3；
所述环形注气机构2包括注气管21、外环22、内环23与连接管24，所述的内环23与外环22同心安装，所述的外环22为空腔结构，所述的内环23为侧开口的环腔233，所述的内环23的侧开口处安装微孔板232；所述的外环22的空腔外壁与注气管21连通，所述的外环22的空腔内壁通过连接管24与所述的内环23的环腔233连通。
所述的气泡破碎机构3包括依次连接同轴安装的静止起旋元件32和文丘里管31，所述的文丘里管31包括依次连接同轴安装的混合段311、收缩段312、喉管313、扩张段314、出口315；所述的静止起旋元件32安装于混合段311内。
所述的静止起旋元件32包括两个半球形端头321、中心圆柱体322与导流叶片323，两个半球形端头321分别设于中心圆柱体322前后端，导流叶片323周向均布在中心圆柱体322。
所述的导流叶片323为正交混合型叶片，叶片准线由圆弧段和直线段组成，叶片出口角为15°～30°，叶片高度为混合段311内径的1/4，叶片长度等于中心圆柱体322长度，叶片数目为4～8片。
所述的收缩段312锥角为20°～40°，所述的扩张段314锥角为10°～30°，所述的喉管313内径为混合段311内径的1/3～1/2，所述的喉管313长度为10～18mm。
所述的内环23进水端设有端头231。
所述的连接管24有3根，周向均布。
所述的微孔板232的材质为纳微米孔金属粉末烧结板，孔隙率为35％～45％，孔径为0.45～50μm，厚度为1～3mm。
所述的进水组件1包括进水法兰11和进水管12，进水管12一端连接进水法兰11另一端连接环形注气机构2。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种管式微细气泡发生器，综合运用微孔成泡、文丘里成泡和旋流成泡等微气泡发生技术，并创新性设计了一种环形微孔注气机构。环形注气机构的设计提高了气相在水流中的分布均匀程度；内环微孔板的设计避免了水流与微孔表面的直接冲刷接触，从根本上解决了常规微孔发泡技术气孔易堵塞的问题；气泡破碎机构的设计提高了水流对气泡的剪切破碎程度。具有结构紧凑、安装操作方便、运行维护成本低、生成微气泡粒径小且均匀等优点，并可通过两端的管口法兰直接安装于流动管路中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的管式微细气泡发生器的三维结构示意图；
图2为本发明实施例提供的管式微细气泡发生器的环形注气机构的主视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的管式微细气泡发生器的环形注气机构的左剖视结构示意图。
图4为本发明实施例提供的管式微细气泡发生器的静止起旋元件的三维结构示意图；
图5～7为基于本发明的设计理念和结构方案，所设计研制特定处理水量下管式微细气泡发生器运行效果的计算流体动力学(CFD)模拟相关展示。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
实施例一
如图1所示，一种管式微细气泡发生器，安装于净水管路中，包括依次连接同轴安装的进水组件1、环形注气机构2和气泡破碎机构3；所述的进水组件1包括进水法兰11和进水管12，进水法兰11连接净水管路的来水端，进水管12一端连接进水法兰11另一端连接环形注气机构2。
如图2与图3所示，所述环形注气机构2包括注气管21、外环22、内环23与连接管24，所述的内环23与外环22同心安装，所述的外环22为空腔结构，所述的内环23为侧开口的环腔233，所述的内环23的侧开口处安装微孔板232；所述的微孔板232的材质为纳微米孔金属粉末烧结板，孔隙率为35％～45％，孔径为0.45～50μm，厚度为1～3mm。所述的微孔板232形状为圆环形，厚度为2mm。所述的外环22的空腔外壁与注气管21连通，所述的外环22的空腔内壁通过连接管24与所述的内环23的环腔233连通。连接管24为空心直管，所述的连接管24有3根，周向均布。所述的内环23进水端设有端头231。端头231横截面为半圆形。
所述的气泡破碎机构3包括依次连接同轴安装的静止起旋元件32和文丘里管31，所述的文丘里管31包括依次连接同轴安装的混合段311、收缩段312、喉管313、扩张段314、出口315。所述的收缩段312锥角为20°～40°，扩张段314锥角为10°～30°，喉管313内径为混合段311内径的1/3～1/2，喉管313长度为10～18mm。出口315外端连接出水法兰34，出水法兰34连接净水管路的去水端。
如图4所示，所述的静止起旋元件32安装于混合段311内。所述的静止起旋元件32包括两个半球形端头321、中心圆柱体322与导流叶片323，两个半球形端头321分别设于中心圆柱体322前后端，导流叶片323周向均布在中心圆柱体322。所述的导流叶片323为正交混合型叶片，叶片准线由圆弧段和直线段组成，叶片出口角为15°～30°，叶片高度为混合段311内径的1/4，叶片长度等于中心圆柱体322长度，叶片数目为4～8片。
工作过程中，带压空气率先由注气管21注入外环22腔室，经径向分布的三根连接管24进入内环23腔室环腔233，随后带压空气经内环23尾端的微孔板232喷出，通过调整气源阀门开度，使得注气流量和注气压力达到设定值。此后泵送水流由进水管12进入，在内环23处流道横截面积减小，水流速度升高，并在端头231处发生分流，一部分水流由内环23中心流出，另一分部水流由内环23和外环22间的间隙流出，两股水流携带环形微孔板232生成的初始气泡并使其与水流均匀混合，随后均匀混合的气液两相流进入气泡破碎段3，在静止起旋元件32处流道横截面积减小，水流流速增加，并在导流叶片323的导流作用下产生轴向旋流，随后旋转涡流由收缩段312进入喉管313，水流速度不断增加、湍流强度和剪切应力不断增强，进入扩张段314后，流道横截面积逐渐增大，致使水流速度减小、压力升高，气泡在旋流速度差和压差作用下被进一步破碎生成微米级气泡。
所述管式微细气泡发生器综合运用微孔发泡、文丘里发泡和旋流发泡等微气泡发生技术，并创新性采用了一种环形微孔注气机构，不仅提高了气相分布的均匀程度，而且从根本上解决了微孔发泡技术中微孔管易堵塞的问题，具有结构紧凑、安装操作方便、运行维护成本低、生成微气泡粒径小且分布均匀的优点，并可通过两端管口法兰直接安装于流动管路中。
不仅可以用于排水工程领域或工业污水的净化处理，而且可以用于给水工程领域自来水净化、低浊度/高含藻地表水处理领域，代替当前工程常用加压溶气气浮(DAF)系统的“空压机+填料溶气罐+溶气水释放器”等复杂组合。
本发明在设计理念上，本发明不仅综合运用微孔散气式、文丘里式和旋流式三种微气泡发生技术，而且通过创新性的结构设计解决了微孔散气式微孔易堵塞的问题，文丘里式气泡破碎不完全的问题，旋流式产生初始气泡粒径大及气相分布不均的问题。其中，创新设计的环形注气机构能够有效降低初始气泡粒径的大小，提高气液混合程度并从根本上解决微孔管(板)易堵塞的问题；气泡破碎机构综合利用轴向起旋元件及文丘里流道，使得气泡在旋流剪切、湍流碰撞以及压差作用下破碎生成微米级气泡。
本发明实施例提供的一种水质净化处理用管式微细气泡发生器，与常规微细气泡发生器相比具有如下特点：
(1)环形注气机构的设计，相比于壁面开孔等常规注气方式，不仅增强了水流的湍动程度，而且提高了气相在水流中的分布均匀程度及气含率。外环空腔、连接管、内环腔的结构设计，又起到了稳定注气压力的作用，并使得环向出气更加均匀。
(2)环形注气机构中内环尾端微孔板的设计，不仅有效避免了水流与微孔表面的直接冲刷接触，从根本上解决了常规微孔发泡技术气孔易堵塞的问题，而且可通过选用不同孔径的微孔板产生不同粒径范围的微气泡。
(3)与文丘里式微细气泡发生器相比，利用静止起旋元件产生的旋流作用，增强了水流的湍流强度和径向速度梯度，提高了水流对气泡的剪切破碎程度。
(4)管式可拆的结构设计不仅便于操作维护，而且可通过管口法兰直接连接到流动管路中，增加了微细气泡发生器的应用范围。
具体实施例：
图5～7为依据上述设计理念和结构方案，所设计研制特定处理水量下管式微细气泡发生器运行效果的计算流体动力学(CFD)模拟相关展示。具体而言，设计入口水流流量为3m3/h，入口管径为DN25，入口水流压力为0.2MPa，注气比为5％，注气压力<0.5MPa。图中分别展示了管式微细气泡发生器气泡破碎段的静压云图、速度云图和湍动能云图。
(1)压力模拟结果分析
图5为截取y＝0平面及各横截面的静压分布云图，从图中可以看出在文丘里流道内，流场中压力呈现先降低后缓慢上升的变化趋势，并且在轴向静止起旋元件处，流场压力急剧降低并且提高了流场径向方向的压力梯度，说明气泡破碎段中“文丘里+静止起旋元件”的结构设计提高了流场的压力梯度，离散相气泡将受到更大的挤压应力，从而提高了气泡的破碎概率。
(2)速度模拟结果分析
图6为截取y＝0平面及各横截面的速度云图，从图中可以看出水流速度在气泡破碎流道中总体呈现先增加后降低的趋势，并且由于静止起旋元件产生的旋流作用，使得水流在收缩段、喉管及扩张段产生较大的速度梯度变化，气泡受到剧烈的剪切应力，促进气泡的剪切破碎作用。
(3)湍动能模拟结果分析
图7为截取y＝0平面及各横截面的湍动能云图，从图中可以看出，在扩张段内流场的湍动能明显高于混合段、收缩段和喉管段，这是由于混合流进入扩张段后流道横截面积增大，流速急剧降低、压力升高，造成剧烈的高频脉动，同时由于边界处速度梯度形成的漩涡，使得该处湍动能急剧升高并达到最大，气泡气液界面的不稳定性增加，促使气泡更易发生破碎。
通过对本发明具体实施例进行数值模拟计算并对流场静压云图、速度云图和湍动能云图进行模拟结果分析，充分表明本发明具体实施例具有较高的气泡破碎概率，体现出本水质净化处理用管式微细气泡发生器的有效性和先进性。
在工程应用领域上，本发明的管式微细气泡发生器不仅可以用于排水工程领域或工业污水的净化处理，而且可以用于给水工程领域自来水净化、低浊度/高含藻地表水处理等领域，代替当前工程常用加压溶气气浮(DAF)系统的“空压机+填料溶气罐+溶气水释放器”等复杂组合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种管式微细气泡发生器，安装于净水管路中，其特征在于，包括依次连接同轴安装的进水组件(1)、环形注气机构(2)和气泡破碎机构(3)；
所述环形注气机构(2)包括注气管(21)、外环(22)、内环(23)与连接管(24)，所述的内环(23)与外环(22)同心安装，所述的外环(22)为空腔结构，所述的内环(23)为侧开口的环腔(233)，所述的内环(23)的侧开口处安装微孔板(232)；所述的外环(22)的空腔外壁与注气管(21)连通，所述的外环(22)的空腔内壁通过连接管(24)与所述的内环(23)的环腔(233)连通。
2.根据权利要求1所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的气泡破碎机构(3)包括依次连接同轴安装的静止起旋元件(32)和文丘里管(31)，所述的文丘里管(31)包括依次连接同轴安装的混合段(311)、收缩段(312)、喉管(313)、扩张段(314)、出口(315)；所述的静止起旋元件(32)安装于混合段(311)内。
3.根据权利要求2所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的静止起旋元件(32)包括两个半球形端头(321)、中心圆柱体(322)与导流叶片(323)，两个半球形端头(321)分别设于中心圆柱体(322)前后端，导流叶片(323)周向均布在中心圆柱体(322)。
4.根据权利要求3所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的导流叶片(323)为正交混合型叶片，叶片准线由圆弧段和直线段组成，叶片出口角为15°～30°，叶片高度为混合段(311)内径的1/4，叶片长度等于中心圆柱体(322)长度，叶片数目为4～8片。
5.根据权利要求2所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的收缩段(312)锥角为20°～40°，所述的扩张段(314)锥角为10°～30°，所述的喉管(313)内径为混合段(311)内径的1/3～1/2，所述的喉管(313)长度为10～18mm。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的内环(23)进水端设有端头(231)。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的连接管(24)有3根，周向均布。
8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的微孔板(232)的材质为纳微米孔金属粉末烧结板，孔隙率为35％～45％，孔径为0.45～50μm，厚度为1～3mm。
9.根据权利要求1、2、3、4或5所述的管式微细气泡发生器，其特征在于，所述的进水组件(1)包括进水法兰(11)和进水管(12)，进水管(12)一端连接进水法兰(11)另一端连接环形注气机构(2)。
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