CN109433035B - 一种多文丘里结构的文丘里式气泡发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多文丘里结构单元并联的文丘里式气泡发生装置。该气泡发生装置由进气通道、壳体、肋板和内置芯体等部分组成。其中，内文丘里通道由壳体与同轴安装的内置芯体组成，16块分割肋板沿径向安装于通道内，周向均匀布置，将单一的文丘里通道分割成16个单独的文丘里结构单元。液体从壳体入口进入，气体经环气腔、肋板内的径向通道和设置在靠近芯体位置的气体出口进入各文丘里结构单元的喉部，并沿着芯体表面随高速水流进入渐扩段，最后在渐扩段回流区强湍流作用下碎化为微小气泡。肋板将整个流动空间分隔成16个独立的文丘里式气泡发生器，实现多个文丘里气泡生器并联、高效运行；贴近芯体表面注入的气体从喉部流出后，不会被带入主流区，而是迅速进入渐扩段近壁面强湍流区域碎化；另外，本发明多文丘里结构单元并联设计，具有结构紧凑、安装简易、耐压、便于清污等优点，可保证装置的安全、高效工作。

Description

一种多文丘里结构的文丘里式气泡发生装置
技术领域
本发明涉及一种适用于制备大量微小气泡的气泡发生装置。
技术背景
微气泡具有比表面积大、上升速度慢（液体中较长的滞留时间）、较强的表面吸附性和渗透性强等特点，可以大大强化传热传质过程，因而在诸多工程、农业、医学等领域和生活实践中有着广泛应用，如污水处理、矿物浮选、药物输送、水产养殖、无土栽培、熔盐堆除气系统、船舶减阻和微气泡洗浴等。
文丘里通道具有结构接单、安全可靠、低能耗等优点，因此，常利用其产生的文丘里效应来设计流量计、洗涤器、喷管和气泡发生器等装置。
在实际应用中，气泡尺寸是气泡发生装置重要的评价参数，如何制备大量小尺寸气泡，是工程实际应用中核心技术问题，而传统单一通道的文丘里式气泡发生器制备气泡能力有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多个文丘里结构单元并联的文丘里式气泡发生装置，该装置结构简单，便于拆卸和维护，多个文丘里结构单元能够单独地产生大量微小气泡，同时，通过肋板进行注气的方式可降低对喉部区域流场的干扰。
本发明是采用以下的技术方案实现的：周向均匀分布的分割肋板（3）将流道分割为16个相同的文丘里结构单元；气体通过进气通道入口（1.1）注入，经分流通道（1.2）和进气环腔（1.3）分流到各肋板径向通道（3.1），从肋板气体出口（3.2）进入文丘里结构单元的喉部；液体由壳体入口（2.1）进入内文丘里通道，气液两相在喉部汇流后进入文丘里渐扩段，气泡在强烈的湍流中发生破碎形成大量微小气泡，最后从壳体出口（2.3）流出。
本发明还包括：
所述装置的进气通道（1）、壳体（2）、肋板（3）、内置芯体（4）和安装法兰（5）均焊接连接，保证通道联通以及装置的稳定性。
所述装置的进气通道（1）、壳体进气孔（2.2）、肋板径向通道（3.1）、肋板气体出口（3.2）构成完整的气体入流通道，对文丘里结构单元内的流场没有干扰。
所述装置的壳体（2）和内置芯体（4）构成内文丘里通道，其中，内置芯体的渐扩段（4.1）、直管段（4.2）和渐缩段（4.3）与等径的壳体（2）形成了内文丘里通道的收缩段、喉部和渐扩段，这种内文丘里通道具有结构简单、耐压性强、易清理等优点。
本发明的效果：
通过肋板分割的多文丘里结构单元，可以实现产生大量微气泡的要求，且制备气泡最小平均尺寸可达100~400 μm（液体流量4.5 m3/h ≤ QL ≤ 11 m3/h），图5为不同流量下获得的气泡尺寸分布情况。
通过加入肋板（3）对传统圆管文丘里通道分割成多个近矩形截面的文丘里结构单元，相较于传统的圆管型文丘里式气泡发生器的进气流量不均匀、文丘里强湍流区域利用不充分等缺陷（Zhao L., Mo Z., Sun L., et al. A visualized study of the motionof individual bubbles in a Venturi-type bubble generator. Progress NuclearEnergy, 2017, 97: 74–89），本发明通过肋板分割流场空间，实现多个文丘里结构单元的并联运行，在相同工况和空间内达到减小能耗、高效制备微气泡的目的。
进气通道入口（1）采用了分流通道（1.2）设计，使得气体分流的流量均匀分配，利用数值计算方法，图6对比了一般进气环腔和本发明的分流进气环腔的各进气孔的流量分配情况，可见本设计的气体流量分配均匀性得到明显改善。由于随着含气率增大，制备的气泡平均尺寸增大（Sun L., Mo Z., Zhao L., et al. Characteristics and mechanismof bubble breakup in a bubble generator developed for a small TMSR. AnnualNuclear Energy, 2017, 97: 69–81），因此，本设计可以在一定程度上避免进气通道气流量分配不均而引起气泡尺寸分布不均的问题，使得制备的微小气泡尺寸更均匀。
肋板的注气通道设计，可使气体通过肋板进入文丘里结构单元的喉部，避免气体通道对文丘里结构单元内流场的干扰；气体从靠近芯体表面进入喉部的设计，可保证绝大部分气泡进入渐扩段近壁面强湍流区域，与气体从通道中心注入的方式相比，本发明的注气方式更有利于气泡碎化过程（颜攀, 黄正梁, 王靖岱,等. 文丘里气泡发生器的气泡尺寸及分布. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(10): 2070–2076）。
该套装置采用文丘里结构单元并联设计，具有结构紧凑、安装简易、耐压性强、便于清污等优点，拓展了气泡发生器的应用范围（李连科, 王汉卿, 庞世强. 内文丘里管流量计. 仪器仪表学报, 2001(06): 556–559），可以满足制备大量微气泡的应用。
附图说明
图1为本发明的文丘里单元结构并联的气泡发生装置的三维视图。
图2为文丘里结构单元内气泡制备原理图。
图3为发生器壳体主视图和侧视断面图。
图4为肋板主视图和侧视段面图。
图5为本发明矩形气泡发生装置制备获得的气泡的尺寸分布结果。
图6为本发明进气环腔分流通道结构的分流效果。
附图中各标记号如下：
进气通道、2-壳体、3-肋板、4-内置芯体、5-安装法兰、1.1-气腔气体入口、1.2-分流通道、1.3-进气环腔、2.1-壳体入口、2.2-注气孔、2-3-壳体出口、3.1-肋板径向通道、3.2-肋板气体出口、4.1-内置芯体渐扩段、4.2-直管段和4.3-渐缩段。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不限于以下实施例。
本发明公开了一种多文丘里结构单元的文丘里式气泡发生装置，包括进气通道（1）、壳体（2）、肋板（3）、内置芯体（4）和安装法兰（5）；其中，进气通道由气体入口（1.1）、分流通道（1.2）和进气环腔（1.3）组成；液体从壳体入口（2.1）注入，气液混合流体从壳体出口（2.3）流出；肋板（3）共有16块，圆周均匀排列，与壳体（2）和内置芯体（4）构成16个并联的文丘里结构单元；气体经壳体的进气孔（2.2）进入肋板径向通道（3.1），从肋板气体出口（3.2）注入文丘里结构单元中；内置芯体（4）由渐扩段（4.1）、直管段（4.2）和渐缩段（4.3）组成，与壳体（2）和肋板（3）形成各文丘里结构单元的收缩段、喉部和渐扩段。
在本实施例中，由壳体（2）、16块均匀分布的肋板（3）和内置芯体（4）构成独立的文丘里结构单元，其喉部的长度、高度分别为54 mm、12.5 mm，渐缩段前与渐扩段后的通道长度为15 mm；收缩段（内置芯体的渐扩段）的角度为22.5°，渐扩段（内置芯体的收缩段）的角度为12.5°。
在本实施例中，液体从壳体入口（2.1）流入，从壳体出口（2.4）流出，壳体（2）内径为50 mm。
在本实施例中，气体从进气通道入口（1.1）注入，经分流通道（1.2）和进气环腔（1.3）流入肋板径向通道（3.1），由肋板气体出口（3.2）进入文丘里结构单元；分流通道（1.2）内径10 mm，进气环腔（1.3）横截面为半圆形，半径为10 mm；肋板（3）厚度为1.2 mm，肋板径向通道（3.1）直径0.6 mm，肋板气体出口（3.2）直径为0.5 mm。
以上实施例并非是对本发明的实施方式限定，除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或者等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多文丘里结构单元并联的文丘里式气泡发生装置，主要包括进气通道(1)、壳体(2)、肋板(3)、内置芯体(4)和安装法兰(5)；其中，进气通道由气体入口(1.1)、分流通道(1.2)和进气环腔(1.3)组成；液体从壳体入口(2.1)进入，气液混合流体从壳体出口(2.3)流出；肋板(3)包括16块相同的沿周向均匀排列的分隔肋板，与内置芯体(4)和壳体(2)构成16个单独、并联的文丘里结构单元；气体经进气环腔(1.3)分流后，从壳体进气孔(2.2)进入肋板径向通道(3.1)，然后从肋板气体出口(3.2)进入各文丘里结构单元的喉部；内置芯体由渐扩段(4.1)、直管段(4.2)和渐缩段(4.3)组成，与壳体(2)和肋板(3)形成各文丘里结构单元的收缩段、喉部和渐扩段；
借助肋板内的肋板径向通道(3.1)和气体出口(3.2)注入气体，气体入流通道不会对文丘里结构单元内的流场产生干扰，从而减少流动阻力，降低能耗，提高装置的经济性；
所述进气通道(1)的入口分流通道(1.2)与进气环腔(1.3)用于保证气体流量均匀地分配到各文丘里结构单元。
2.根据权利要求1所述的多文丘里结构单元并联的文丘里式气泡发生装置，其特征在于，由前述壳体(2)、肋板(3)和内置芯体(4)构成的多个单独的近矩形截面文丘里结构单元，可将气体以最佳路径注入文丘里结构单元的喉部，最大限度提高气泡碎化效率，可满足制备大量微小气泡的需求。
3.根据权利要求1所述的多文丘里结构单元并联的文丘里式气泡发生装置，其特征在于，通过肋板(3)的气体出口(3.2)在贴近内置芯体表面的近壁处注入气体，可以保证气体流出喉部后，不会被带入到主流区，而是经历减速过程后，直接进入渐扩段近壁面回流区域，延长气泡在渐扩段驻留时间的同时，使其在渐扩段强湍流区域最大限度获得湍动能，发生强烈破碎，进而获得更小尺寸、更多数量的微小气泡。
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