CN109956520A - 一种复合结构的两级空化发生器 - Google Patents

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石园园
程林
闫利坤
何芳
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唐杰
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Abstract

本发明公开了一种复合结构的两级空化发生器，包括文丘里管和孔板，所述文丘里管外表呈管状，依次由进口端、渐缩段、喉部段、渐扩段和出口端组成，所述孔板开设有若干孔道，安置在所述喉部段中。本发明是由孔板和文丘里管嵌套的一体式两级空化发生器，孔道位于文丘里管的喉部段。经模拟验证，在边界条件一定时，可以完成两次空化过程，且空化效率不仅比传统的单级空化发生器高，还比单一的把孔板和文丘里管直接连接组合的空化发生器空化效果好，空化的区域也更大，从而释放更多的能量。本发明结合传统的单级空化发生器的优点，对组合空化器的结构进行优化，提出了最佳的结构数值关系式，具有工程开发价值和应用前景。

Description

一种复合结构的两级空化发生器
技术领域
本发明涉及一种空化发生器，尤其涉及一种可以实现两级空化效果的复合结构的空化发生器，空化发生器的应用领域广泛，可以用于污水处理，海水淡化，污垢清洗，其中它也可以用作热源，与换热装置组成利用空化机理进行强化液体对流换热的系统装置。
背景技术
空化机理：空化是指液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程。已有研究表明，空化泡急速溃灭瞬间在其周围极小范围内会产生局部高温、高压，形成所谓的“热点”，并伴有强烈冲击波和高速射流。空化泡溃灭可引发多种空化效应，如湍流效应、微扰效应、界面效应、聚能效应、化学效应及热效应等。
经文献检索发现，专利公开号为“CN107930548A”的中国发明专利公开了“一种可实现两级空化的空化发生器”，它是将孔板和文丘里管组合为一体管，但是该空化发生器的孔板和文丘里管发生空化的过程是独立和分开的，由于孔板空化发生器能否可以发生空化和很多因素有关，例如开孔率、孔直径，孔的排布方式等，且存在一些最佳的参数值，但是该发明仅仅给出了简单的模型图，并没有给出具体的参数范围和最佳空化效果时参数值之间的关系式，所以该空化发生器的一级空化过程并不能确保可以顺利完成，也不能确保可以达到最佳的空化效果；另一方面由于孔板的的作用是节流降压，当水流在孔板完成空化过程后，不能及时的恢复初始压力值，进入文丘里管时的水流压力低于初始压力值，由资料可知，空化的发生和压力密切相关，空化发生器入口的压力值越高空化发生器的空化效果越好。由于孔板的节流降压，所以此时水流在流入文丘里管的压力值低于初始压力，相应的空化过程也会被影响。如说明书附图中的图3可以很好的证明这一点，通过说明书附图可知，图4为公开号为“CN107930548A”的专利空化发生器的气含率云图，最高气含率是70％，图3是本发明空化发生器的气含率云图(L2＝5mm)，最高气含率为97％。通过两个数值模拟的云图对比明显可知，本发明空化发生器相对于公开号为“CN107930548A”的专利空化发生器的空化区域更大，空化效果更好，气含率可以提高38.57％左右。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，而提供一种新型的复合结构的两级空化发生器。该空化发生器经验证可以完成两次空化过程，其中第一次空化过程在孔板的孔道里完成，空化泡随着水流继续流动，接着在渐扩段与的喉部连接处及其下游完成第二次空化过程。空化的过程受很多因素影响，其中孔道的直径是影响因素之一，在开孔率一定时，孔板的孔径或文丘里喉管的直径越小，整体的空化气含率越高，即空化发生器的空化效果越好。所以本发明在文丘里管喉部处嵌套孔板，相当于在管内流量一定时，通过用多个小管径的孔道代替大直径的单文丘里管管道，当总的过流面积一定时，以此可以提高空化发生器的整体的空化效果。本发明复合式两级空化发生器结合了两种一级空化发生器的优点，连续两次的空化过程，水流的湍动能变化范围更大，空化的区域也更大，空化效果更强烈，整体的平均汽含率更高，即空化释放的能量更多。且把孔板与文丘里管的的喉部位置相结合的设计，使得本发明装置更加节省材料和方便运输。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种复合结构的两级空化发生器，包括文丘里管和孔板，所述文丘里管外表呈管状，依次由进口端、渐缩段、喉部段、渐扩段和出口端组成，其特征在于，所述孔板开设有若干孔道，安置在喉部段中。
进一步地，所述渐缩段为圆台形内孔，其中心角α1为30°～50°；所述渐扩段为圆台形内孔，其中心角α2为18°～30°。
进一步地，所述进口端为与渐缩段相接的等内径圆管，所述出口端和渐扩段相重合。
进一步地，所述孔板的直径等于喉部段的截面直径，所述孔道的数量和的直径的关系式为：n＝(0.08～0.11)D2 2/d2，其中D2为孔板的直径，d为孔道的直径，取值为1mm～4mm，n为孔道的数量。
进一步地，所述孔道的排列为环形阵列的方式均匀排布。
进一步地，所述进口端直径D1和出口端直径D3长度相等，即D1＝D3。
进一步地，所述渐缩段的水平长度L1＝(D1-d)/0.728；所述渐扩段的水平长度L3＝(D3-d)/0.176。
进一步地，所述孔道的长度L4和喉部长度L2的比例关系为L4＝(0.5～0.8)L2。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计了一种新型的复合结构的两级空化发生器，和单一的一级空化发生器或文丘里管和孔板单一连接的两级空化发生器相比，由说明书附图的图3可知，经数值模拟验证，本发明可以发生两次空化过程，水流的湍动能变化范围更大，空化的区域更大，空化效果更强烈，整体的平均汽含率更高，即空化释放的能量更多。
2.本发明的两级空化发生器结合了两种传统的一级空化发生器的优点，将孔板和文丘里管设计成一体式的组合结构，尤其是将孔板嵌套在文丘里喉部位置，制造成本低，结构紧凑，更易运输和节省材料。
附图说明
图1，为本发明空化发生器的结构示意图。
图2，为图1A-A剖面图。
图3，为本发明空化发生器L4＝L2*(0.5)时的数值模拟气含率云图。
图4，为专利“CN107930548A”的数值模拟气含率云图。
图中附图标记说明：1为进口端；2为孔板；3为喉部段；4为出口端；5为渐缩段；6为孔道；7为渐扩段；L1为入口端水平长度；L2为喉部段长度；L3为出口端水平长度；L4为孔道长度；D1为进口端的直径；D2为孔板的直径；D3为出口端的直径；d为孔道的直径；α1为渐缩段5中心角；α2为渐扩段7中心角；A-A为孔板剖面。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和方向术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
实施例
如图1-图2所示，为本发明的一种复合结构的两级空化发生器，包括文丘里管和孔板2，其中所述文丘里管外表呈管状，依次由进口端1、渐缩段5、喉部段3、渐扩段7、出口端4组成，所述孔板2开设有若干孔道6，安置在所述喉部段3中。
所述渐缩段5为圆台形内孔，其中心角α1为30°～50°；所述渐扩段7为圆台形内孔，其中心角α2为18°～30°。
所述进口端1为与所述渐缩段5相接的等内径圆管，所述出口端4和所述渐扩段7相重合。
所述孔板2的直径等于所述喉部段3的截面直径，所述孔道6的数量和所述孔板2的直径的关系式为：n＝(0.08～0.11)D2 2/d2，其中D2为孔板的直径，d为孔道的直径，取值为1mm～4mm，n为孔道的数量。
所述孔道6的排列为环形阵列的方式均匀排布。
所述进口端1直径D1和所述出口端4直径D3长度相等，即D1＝D3。
所述渐缩段5的水平长度L1＝(D1-d)/0.728；所述渐扩段7的水平长度L3＝(D3-d)/0.176。
所述孔道6的长度L4和所述喉部长度L2比例关系为L4＝(0.5～0.8)L2。
本发明的作用原理：
结合说明书附图的图1和图3可知，本发明的复合结构的空化发生器可以完成两次空化过程，流体从进口端1的水平管道流入空化发生器内，入口端水平圆管的作用是，避免由于压力梯度的急剧变化导致的回流现象。由于文丘里管渐缩段5过流截面逐渐缩小，流体的压力和速度都会发生变化，在渐缩段5中加速降压，流体先进入文丘里管喉部管段3，初次加速降压，然后流体进入孔板2的孔道6里，由于孔板2急剧的局部收缩，流体在孔道6里压力再次降低，速度再次增加，当压力低于当前液体的饱和蒸气压时，一些原本溶解于液流中的气体开始析出，即有空化气泡产生，此时在孔道6里发生第一次空化过程，实现了一级空化；在孔道6里生成的空化气泡随着液流继续流动，文丘里管空化发生器的空化过程发生在喉部段3，同样的，接着从孔道6流出的液流进入渐扩段7，在喉部段3与渐扩段7的交界段发生第二次空化，随着渐扩段7管径的逐渐增加，液流的流速逐渐减小，压力逐渐增加，湍动能发生变化，之前产生的气泡会逐渐溃灭，即在文丘里管的渐扩段7发生二级空化。从而整个复合结构空化发生器实现了两级空化过程。
本发明由于孔板的节流降压，所以此时水流在流入文丘里管的压力值低于初始压力，相应的空化过程也会被影响。如附图3可以很好的证明这一点，通过说明书附图可知，图4为公开号为“CN107930548A”的专利空化发生器的气含率云图，最高气含率是70％，图3是本发明空化发生器的气含率云图(L2＝5mm)，最高气含率为97％。通过两个数值模拟的云图对比明显可知，本发明空化发生器相对于公开号为“CN107930548A”的专利空化发生器的空化区域更大，空化效果更好，气含率可以提高38.57％左右。
以上为本发明的具体说明，仅为本发明的最佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神及原则之内的修改、等同替换和改进等，应均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合结构的两级空化发生器，包括文丘里管和孔板(2)，所述文丘里管外表呈管状，依次由进口端(1)、渐缩段(5)、喉部段(3)、渐扩段(7)、出口端(4)组成，其特征在于，所述孔板(2)开设有若干孔道(6)，安置在所述喉部段(3)中。
2.如权利要求1所述的一种复合结构的两级空化发生器，其特征在于：所述渐缩段(5)为圆台形内孔，其中心角α1为30°～50°；所述渐扩段(7)为圆台形内孔，其中心角α2为18°～30°。
3.如权利要求1所述的一种复合结构的两级空化发生器，其特征在于：所述进口端(1)为与所述渐缩段(5)相接的等内径圆管，所述出口端(4)和所述渐扩段(7)相重合。
4.如权利要求1所述的一种复合结构的两级空化发生器，其特征在于：所述孔板(2)的直径等于所述喉部段(3)的截面直径，所述孔道(6)的数量和所述孔板(2)的直径的关系式为：n＝(0.08～0.11)D2 2/d2，其中D2为孔板的直径，d为孔道的直径，取值为1mm～4mm，n为孔道的数量。
5.如权利要求1或4所述的一种复合结构的两级空化发生器，其特征在于：所述孔道(6)的排列为环形阵列的方式均匀排布。
6.如权利要求1所述的一种复合结构的两级空化发生器，其特征在于：所述进口端(1)直径D1和所述出口端(4)直径D3长度相等，即D1＝D3。
7.如权利要求1-3任一项所述的一种复合结构的两级空化发生器，其特征在于：所述渐缩段(5)的水平长度L1＝(D1-d)/0.728；所述渐扩段(7)的水平长度L3＝(D3-d)/0.176。
8.如权利要求1所述的一种复合结构的两级空化发生器，其特征在于：所述孔道(6)的长度L4和所述喉部长度L2的比例关系为L4＝(0.5～0.8)L2。
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