CN107930423A - 微小气泡制造机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微小气泡制造机构，其特征在于：包括两个子气泡制造机构，每个子气泡制造机构包括加速旋流预混机构，所述加速旋流预混机构包括预混腔室，用于对流入的气液混合流体进行加速混合和湍流剪切；转向旋流混合机构，用于对由所述预混腔室而来的流体进行向心径流向轴流的变向旋转混合和湍流剪切；扩压旋流混合机构，用于对由所述转向腔室而来的流体进行轴流式的旋转扩压冲击混合与湍流剪切；气泡喷出机构；两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构的出口分别朝向互相背离的方向从而构成背靠背布置；或者两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构的出口分别朝向相同的方向从而构成肩并肩布置。
Description
技术领域
本发明涉及气泡发生装置技术领域，尤其涉及一种适用于稳定高效地大量制造微米气泡、纳米气泡等微小气泡的制造机构。
背景技术
近年来，鉴于微小气泡(气泡直径在10nm～50μm的微米、微纳米与纳米气泡)所具有的独特的物理化学特性，包含微小气泡的气液混合流体在许多领域包括工业与生活污水处理、江河湖水体修复、饮用水净化、水产养殖、农业植物栽培与土壤修复、健康医疗器械等方面的应用得到了越来越多的关注与重视。
目前有多种使气体(例如，空气、氧气、臭氧、二氧化碳、氢气等)溶解于液体(例如，水、污水、海水、乙醇、饮料等)中的制造与供给气泡的技术，主要包括以下几种：1、加压减压式溶气释气法，如申请号为201510493652.8的中国专利公开的一种微气泡装置，包括溶气罐，溶气罐上设置有一通过主轴能相对于溶气罐上下旋转的水龙头，在该水龙头的出水口处安装有起泡器；也可参见申请号为201510493679.7的中国专利公开的一种旋转式微气泡机；2、文丘里空蚀法，如申请号为201180003953.8的中国专利公开的一种气泡发生器，其被安装于压力液体供给构件与将从该压力流体供给构件供给的液体排出的排出构件之间，而在从该排出构件排出的所述液体中产生极小气泡，由上流侧主体、分流阀、下流侧主体构成，上流侧主体设置朝向下流侧而变窄的第一流路，分流阀被收纳于第一流路内而设置多个通液孔，下流侧主体安装于上流侧主体上，设置朝向下流侧而变宽的第二流路，并且使第一流路的下流侧端部与第二流路的上流侧端部相对向；3、回旋式混合剪切，如申请号为01810497.5的中国专利公开的一种微小气泡发生器，该微小气泡发生器包括容器、气液导入孔和气液喷射孔，该容器具有按照基本保持旋转对称的方式形成的中空部，该气液导入孔沿切线方向开口于容器的周壁部，该气液喷射孔按照沿中空部的旋转对称轴的方向开口的方式设置；也可参见申请号为201180033648.3的中国专利公开的一种微气泡产生装置；4、喷射式混合剪切，如申请号为200510028381.5的中国专利公开的一种微气泡发生装置，凸轮与一移动骨架相连，移动骨架内设有布气室，布气室的顶部和移动骨架的顶部分别设有一多孔板，布气室与移动骨架通过顶升弹簧相连，使用时空气通过进气口进入布气室，在布气室和骨架上分别设有一多孔板，并使这两块多孔板叠合，当其中一块多孔板以频繁微位移的方式，不断遮、启微孔，对气流进行高速剪切，从而造成气泡趋小，并迅速脱离多孔板表面；也可参见申请号为200710028073.1的中国专利公开的一种在液体中形成微细气泡的方法和设备。或者，也可以将上述几类基本技术进行各种组合。
在制造与供给气泡技术中，为了尽可能多地在液体中溶解大量的气体，需要使气体处于气泡状态，且使气泡的直径越小越好，以最大限度地增加气体与液体的接触面积和接触时间。但基于现有技术的微小气泡产生装置难以大量高效地制造所需的纳米级微小气泡，很难同时满足很多场合对气泡数量(高含气率)和气泡尺度(纳米级)的双重要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种保持力平衡的微小气泡制造机构。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微小气泡制造机构，其特征在于：包括两个子气泡制造机构，每个子气泡制造机构包括
加速旋流预混机构，所述加速旋流预混机构包括预混腔室，用于对流入的气液混合流体进行加速混合和湍流剪切，所述预混腔室呈螺旋形蜗壳式空腔；
转向旋流混合机构，包括与所述预混腔室连通的、单出口的转向腔室，用于对由所述预混腔室而来的流体进行向心径流向轴流的变向旋转混合和湍流剪切；
扩压旋流混合机构，包括与所述转向腔室连通的扩压腔室，用于对由所述转向腔室而来的流体进行轴流式的旋转扩压冲击混合与湍流剪切；
气泡喷出机构，与所述扩压腔室连通；
两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构同轴布置，使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构的出口分别朝向互相背离的方向从而构成背靠背布置；或者两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构并排布置、并且两个加速旋流预混机构的预混腔室朝向互相远离的方向延伸而形成，使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构的出口分别朝向相同的方向从而构成肩并肩布置。
根据本发明的一个方面，两个子气泡制造机构背靠背布置时，每个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构、扩压旋流混合机构和气泡喷出机构分别设置在两个加速旋流预混机构相远离的一侧，从而使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构的出口分别朝向互相背离的方向。
根据本发明的另一个方面，两个子气泡制造机构肩并肩布置时，两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构的预混腔室的轴向互相平行，每个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构、扩压旋流混合机构和气泡喷出机构分别设置在两个加速旋流预混机构的同侧，从而使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构的出口分别朝向相同的方向。
优选的，为使得气体和液体充分接触混合，所述预混腔室的轴向横截面外沿为渐开式螺旋线型或近似渐开式螺旋线型，所述预混腔室的流向横断面为沿流向渐进收缩的梯形、圆形、梨形或矩形。
优选的，所述预混腔室具有来流进口和径向出口，所述来流进口的外沿与所述轴向横截面外沿切线连接，所述径向出口与转向旋流混合机构连通。
优选的，所述转向腔室具有径向进口和第一轴向出口，所述径向进口与加速旋流预混机构连通，所述第一轴向出口与扩压旋流混合机构连通。
优选的，所述转向腔室包括两个空间曲面：构成所述第一轴向出口的具有从径向向轴向光滑过渡的喇叭形的第一曲面，以及中间带球面凸起的、外沿为圆的光滑盘状的第二曲面。
为进一步加强对来流的气液两相流体的加速旋转强湍流剪切，所述转向腔室的第二曲面上设置有至少两个用于向心式径流轴流转向的导流叶片。
为具有较好的扩压效果，所述扩压腔室具有轴向进口和第二轴向出口，所述扩压腔室的任一轴向横截面为圆形，所述扩压腔室的轴向横截面在轴向进口附近沿第二轴向出口方向具有连续的或非连续的渐进式扩张，所述扩压腔室的轴向横截面在第二轴向出口附近沿轴向直至第二轴向出口具有连续的或非连续的渐进式收缩；所述轴向进口的横截面为圆形，与所述转向旋流混合机构的第一轴向出口相连接，所述轴向进口的横截面积大于等于第一轴向出口的横截面积，所述第二轴向出口与气泡喷出机构连通。
优选的，所述气泡喷出机构为节流式喷嘴，所述气泡喷出机构具有喷嘴出口，所述喷嘴出口的横截面上开设有一个或多于一个的出口节流孔。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置两个独立的子气泡制造机构，将两个子气泡制造机构采用背靠背或肩并肩的布置方式，可使得两个子气泡制造机构的轴向力或径向力得到平衡，从而达到自平衡特性，能有效平衡由于气泡喷射产生的反作用力与振动；每个子气泡制造机构依次设置螺旋形旋转加速的加速旋流预混机构、向心式径流轴流转向的转向旋流混合机构、轴流式膨胀扩压的扩压旋流混合机构，可将流入的气液混合流体依次进行螺旋形旋转加速混合、向心式径流轴流变向旋转加速混合、轴流式膨胀扩压旋转冲击混合以及节流射流混合等多级多尺度的强旋流湍流剪切与混合，使得所述流入气液混合流体的气体部分受到多级多尺度的气液两相相间的强湍流剪切，进而产生多级多尺度的气泡破裂，生成大量所需的微纳米气泡；每个子气泡制造机构可同时兼顾对所述气液混合流体的高含气率和微小气泡尺度的双重需求，且具有结构紧凑与高效节能的特点。
附图说明
图1为本发明的微小气泡制造机构的第一个实施例的径向剖视图(仅能剖到其中一个子气泡制造机构)；
图2为本发明的微小气泡制造机构的第一个实施例的轴向剖视图；
图3为图1的微小气泡制造机构的一个加速旋流预混机构的示意图；
图4为图1的微小气泡制造机构的一个加速旋流预混机构的来流进口的横截面示意图；
图5为图3的加速旋流预混机构的流向横断面示意图；
图6为本发明的微小气泡制造机构的第二个实施例的径向剖视图；
图7为本发明的微小气泡制造机构的第三个实施例的径向剖视图；
图8为本发明的微小气泡制造机构的第三个实施例的轴向剖视图(仅能剖到其中一个子气泡制造机构)。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
参见图1和图2，一种微小气泡制造机构，具有多级多尺度的气液两相相间的强湍流剪切功能，可使气液混合流体中的气体部分产生多级多尺度的气泡破裂，适用于高效率地产生大量所需的微纳米气泡。流体介质为气液两相混合流体，其中常用的被溶解气体有但不限于空气、氧气、臭氧、二氧化碳、氢气等，常用的溶解液体有但不限于水、污水、海水、乙醇、饮料等。
本实施例的微小气泡制造机构两个独立的子气泡制造机构，每个子气泡制造机构包括加速旋流预混机构1、转向旋流混合机构2、扩压旋流混合机构3和气泡喷出机构4。在下文中，没有特别指出，“轴向”为预混腔室的轴向或平行的方向，“径向”为预混腔室的径向或平行的方向。
参见图3～图5，其中，加速旋流预混机构1用于对流入的气液混合流体进行螺旋形旋转加速混合，包括预混腔室11，呈螺旋形蜗壳式空腔，预混腔室11具有来流进口111、径向出口112以及蜗舌部113。来流进口111用于连接到外部的供给系统，以从供给系统接收由气体和液体构成的混合流体。来流进口111的横截面呈圆形、梯形或矩形。预混腔室11用于将通过来流进口111流入的气液混合流体进行螺旋形旋转加速混合与湍流剪切，预混腔室11的轴向横截面外沿114为渐开式螺旋线型或近似渐开式螺旋线型，预混腔室11的流向横断面115(各断面标示为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ)为沿流向渐进收缩的梯形、圆形、梨形或矩形。来流进口111的外沿1111与轴向横截面外沿114切线连接。径向出口112为径向出口，呈环形带状开口，用于与转向旋流混合机构2连通。
可替代的，从供给系统而来的流体也可以是单相液体。不论来流为单相或两相混合流体，在预混腔室11的来流进口111附近设置有用于供给气体的进气机构12，用于一次加气或二次补气。
转向旋流混合机构2用于对流体进行向心式径流轴流转向，具有两个，分别与其中一个加速旋流预混机构1连接。每个转向旋流混合机构2为单出口机构，包括转向腔室21，用来对相应的加速旋流预混机构1流入的高速旋转气液混合流体进行进一步的变向旋转混合与湍流剪切，同时实现高速旋转气液混合流体流向由向心径流到轴流的旋转转向。转向腔室21具有径向进口211和第一轴向出口212，转向腔室21包括两个空间曲面：构成第一轴向出口212的具有从径向向轴向光滑过渡的喇叭形的第一曲面213和中间带球面凸起的、外沿为圆的光滑盘状的第二曲面214。径向进口211也呈环形带状开口，与加速旋流预混机构1的径向出口112相连接，接收由加速旋流预混机构1而来的混合流体。第一轴向出口212的横截面为圆形，用于与扩压旋流混合机构3连通。加速旋流预混机构1的来流进口111的中心线通过转向腔室21的轴心215、轴心215的左边、或者轴心215的右边。
扩压旋流混合机构3用于对流体进行轴流式膨胀扩压，具有两个，分别与其中一个转向旋流混合机构2连接。每个扩压旋流混合机构3包括扩压腔室31，呈圆筒形，扩压腔室31具有轴向进口311和第二轴向出口312。扩压腔室31的任一轴向横截面为圆形，扩压腔室31的轴向横截面在轴向进口311附近沿第二轴向出口312方向具有连续的或非连续的渐进式扩张，扩压腔室31的轴向横截面在第二轴向出口312附近沿轴向直至第二轴向出口312具有连续的或非连续的渐进式收缩。
上述这种结构的扩压腔室31，能够对由转向腔室21而来的高速旋转流体进行轴流式的旋转扩压减速冲击混合与湍流剪切，通过制造气液两相相间的强湍流剪切，达到生成气泡的目的。由于流道横截面积的变化，轴向旋转的来流进入扩压腔室31后，速度将突然降低，而压力则显著升高；同时，由于扩压腔室31的相对较大空间和相对较小的出口截面积，导致第二轴向出口312截面上的流速很高，但在接近第二轴向出口312的扩压腔室31的后半部分，出口小、阻力大，对前面来流产生迟滞和堆积作用，来自转向腔室21的高速旋转来流将会对相对低速的堆积在扩压腔室31后半部的流体产生旋转冲击，其速度将显著降低并将产生强烈的旋转冲击混合作用及气液两相相间的强湍流剪切，进而导致大量气泡破裂，而压力的突然升高则将加速和加强这个气泡破裂过程。
轴向进口311的横截面为圆形，与转向旋流混合机构2的第一轴向出口212相连接，轴向进口311的横截面积大于等于第一轴向出口212的横截面积。第二轴向出口312的横截面为圆形，用于与气泡喷出机构4连通。
气泡喷出机构4在本实施例中采用节流式喷嘴，优选的，为拉法尔式、文丘里式或直管式喷嘴。气泡喷出机构4具有两个，分别与其中一个扩压旋流混合机构2连接，每个气泡喷出机构4具有喷嘴出口4(构成整个子气泡制造机构的出口)，喷嘴出口41的横截面上开设有一个或多于一个的出口节流孔。
为了更进一步地加强对气液两相流体气体部分的强湍流剪切，可以在转向旋流混合机构2与气泡喷出机构4之间，设置多于一个的扩压旋流混合机构3，前一个扩压旋流混合机构3的第二轴向出口312与后一个相邻的扩压旋流混合机构3的轴向进口311相连接。
在本实施例中，两个子气泡制造机构呈背靠背设置，即两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构1同轴布置，而每个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构2、扩压旋流混合机构3和气泡喷出机构4则分别设置在两个加速旋流预混机构1相远离的一侧，由此使得两个子气泡制造机构的气泡喷出机构4的喷嘴出口41分别朝向互相背离的方向。
通过上述背靠背的设置方式，可实现微小气泡制造机构轴向力平衡。
上述的每个子气泡制造机构将流入的气液混合流体依次进行螺旋形旋转加速混合、向心式径流轴流变向旋转加速混合、轴流式膨胀扩压旋转冲击混合以及节流射流混合等多级多尺度的强旋流湍流剪切与混合。在上述整个流程里，利用气液两相间的巨大物性差距：密度差及粘性差，对两相流体采用了突然加速、螺旋旋转、转向旋转、旋转冲击，突然减速(突然减速与突然加速一样，都是为了制造气液两相相间的强湍流剪切，达到生成气泡的目的)、突然加压及出口的节流加速减压等物理过程，目的都是为了在气液两相相间制造速度差和强湍流剪切，进而导致气泡的多级多尺度的破裂，制造生产大量所需的微纳米气泡。
实施例二
参见图6，在本实施例中，与上述实施例一不同之处在于，至少一个转向旋流混合机构2的转向腔室21的第二曲面214上还设置有至少两个向心式径流轴流转向的导流叶片22，由此可进一步加强对来流的气液两相流体的加速旋转强湍流剪切。
优选的，各导流叶片22在周向上间隔均匀地布置。
实施例三
参见图7和图8，在本实施例中，与上述实施例一的不同之处在于，两个子气泡制造机构呈肩并肩设置，即两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构1并排布置，并且两个加速旋流预混机构1的预混腔室11朝向互相远离的方向延伸而形成，由此使得两个预混腔室11的轴向互相平行，而每个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构2、扩压旋流混合机构3和气泡喷出机构4则分别设置在两个加速旋流预混机构1的同侧(从图7上看垂直纸面向内的方向)，优选的其中一个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构2、扩压旋流混合机构3和气泡喷出机构4与另一个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构2、扩压旋流混合机构3和气泡喷出机构4设置成互相平行，由此使得两个子气泡制造机构的气泡喷出机构4的喷嘴出口41分别朝向相同的方向。
通过上述肩并肩的设置方式，可实现微小气泡制造机构径向力平衡。
Claims (10)
1.一种微小气泡制造机构，其特征在于：包括两个子气泡制造机构，每个子气泡制造机构包括
加速旋流预混机构(1)，所述加速旋流预混机构(1)包括预混腔室(11)，用于对流入的气液混合流体进行加速混合和湍流剪切，所述预混腔室(11)呈螺旋形蜗壳式空腔；
转向旋流混合机构(2)，包括与所述预混腔室(11)连通的、单出口的转向腔室(21)，用于对由所述预混腔室(11)而来的流体进行向心径流向轴流的变向旋转混合和湍流剪切；
扩压旋流混合机构(3)，包括与所述转向腔室(21)连通的扩压腔室(31)，用于对由所述转向腔室(21)而来的流体进行轴流式的旋转扩压冲击混合与湍流剪切；
气泡喷出机构(4)，与所述扩压腔室(31)连通；
两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构(1)同轴布置，使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构(4)的出口分别朝向互相背离的方向从而构成背靠背布置；或者两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构(1)并排布置、并且两个加速旋流预混机构(1)的预混腔室(11)朝向互相远离的方向延伸而形成，使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构(4)的出口分别朝向相同的方向从而构成肩并肩布置。
2.根据权利要求1所述的微小气泡制造机构，其特征在于：两个子气泡制造机构背靠背布置时，每个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构(2)、扩压旋流混合机构(3)和气泡喷出机构(4)分别设置在两个加速旋流预混机构(1)相远离的一侧，从而使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构(4)的出口分别朝向互相背离的方向。
3.根据权利要求1所述的微小气泡制造机构，其特征在于：两个子气泡制造机构肩并肩布置时，两个子气泡制造机构的加速旋流预混机构(1)的预混腔室(11)的轴向互相平行，每个子气泡制造机构各自的转向旋流混合机构(2)、扩压旋流混合机构(3)和气泡喷出机构(4)分别设置在两个加速旋流预混机构(1)的同侧，从而使得两个子气泡制造机构位于气泡喷出机构(4)的出口分别朝向相同的方向。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的微小气泡制造机构，其特征在于：所述预混腔室(11)的轴向横截面外沿(114)为渐开式螺旋线型或近似渐开式螺旋线型，所述预混腔室(11)的流向横断面(115)为沿流向渐进收缩的梯形、圆形、梨形或矩形。
5.根据权利要求4所述的微小气泡制造机构，其特征在于：所述预混腔室(11)具有来流进口(111)和径向出口(112)，所述来流进口(111)的外沿(1111)与所述轴向横截面外沿(114)切线连接，所述径向出口(112)与转向旋流混合机构(2)连通。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的微小气泡制造机构，其特征在于：所述转向腔室(21)具有径向进口(211)和第一轴向出口(212)，所述径向进口(211)与加速旋流预混机构(1)连通，所述第一轴向出口(212)与扩压旋流混合机构(3)连通。
7.根据权利要求6所述的微小气泡制造机构，其特征在于：所述转向腔室(21)包括两个空间曲面：构成所述第一轴向出口(212)的具有从径向向轴向光滑过渡的喇叭形的第一曲面(213)，以及中间带球面凸起的、外沿为圆的光滑盘状的第二曲面(214)。
8.根据权利要求7所述的微小气泡制造机构，其特征在于：所述转向腔室(21)的第二曲面(214)上设置有至少两个用于向心式径流轴流转向的导流叶片(22)。
9.根据权利要求8所述的微小气泡制造机构，其特征在于：所述扩压腔室(31)具有轴向进口(311)和第二轴向出口(312)，所述扩压腔室(31)的任一轴向横截面为圆形，所述扩压腔室(31)的轴向横截面在轴向进口(311)附近沿第二轴向出口(312)方向具有连续的或非连续的渐进式扩张，所述扩压腔室(31)的轴向横截面在第二轴向出口(312)附近沿轴向直至第二轴向出口(312)具有连续的或非连续的渐进式收缩；所述轴向进口(311)的横截面为圆形，与所述转向旋流混合机构(2)的第一轴向出口(212)相连接，所述轴向进口(311)的横截面积大于等于第一轴向出口(212)的横截面积，所述第二轴向出口(312)与气泡喷出机构(4)连通。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的微小气泡制造机构，其特征在于：所述气泡喷出机构(4)为节流式喷嘴，所述气泡喷出机构(4)具有喷嘴出口(41)，所述喷嘴出口(41)的横截面上开设有一个或多于一个的出口节流孔。
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