CN111450719A - 一种复合文丘里式微气泡发生装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种复合文丘里式微气泡发生装置，包括一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在所述一级文丘里通道的旋流区完成破碎以后，再利用所述二级文丘里通道的旋流区实现进一步破碎。以本申请的复合文丘里式微气泡发生装置，无需外加辅助动力设施，利用文丘里通道内的液体本身的动能，通过二级文丘里通道的二级旋流区即可在低能耗下制备出大量直径为一百微米左右的微气泡，运行成本较低。另外，由于本申请的复合文丘里式微气泡发生装置的文丘里通道内不含任何运动部件，因此，本申请的复合文丘里式微气泡发生装置在使用过程中的运行维护方便安全，不易出故障，并且其制造工艺简单，制造成本低廉，具有极高的安全性、可靠性并且经济实用。

Description

一种复合文丘里式微气泡发生装置
技术领域
本申请涉及微气泡技术领域，特别是涉及一种复合文丘里式微气泡发生装置。
背景技术
微气泡一般指尺度在百微米级以下的气泡，它具有表面积大、水中滞留时间长、传质效率高等特点，在化工、环境、生物医学、核能等诸多领域有着巨大的应用前景。
文丘里管是工业生产中常用的一种结构，在流量测量、除尘等许多方面都有广泛的应用，文丘里流量计和清洗器都是工业上比较成熟的技术。但是当文丘里管应用于气泡发生装置时，如何高效制备大量小尺寸气泡，是工程应用中的核心技术问题。在实际应用中，气泡尺寸及分布是气泡发生装置重要的评价参数。
现有技术中，文丘里式微气泡发生器主要包括传统文丘里式气泡发生器和加压溶气式气泡发生器。
其中，传统文丘里式气泡发生器所制造的气泡一般为毫米级，形成的气泡较大，无法达到微米级，应用中存在效率不高的问题。而加压式文丘里气泡发生器可以制造几十微米直径的气泡，但是加压溶气式气泡发生器必须额外使用压缩机，能耗很高。因此，亟需一种简单经济高效地制备微气泡的微气泡发生器。
发明内容
鉴于上述问题，本申请实施例提供一种复合文丘里式微气泡发生装置，能够在无需外加辅助动力设施的前提下，利用流体自身的能量以较低的能耗制造出微米级的微小气泡。
本申请实施例提供了一种复合文丘里式微气泡发生装置，所述装置包括：一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在所述一级文丘里通道的旋流区完成破碎以后，再利用所述二级文丘里通道的旋流区实现进一步破碎。
可选地，所述装置包括：盖板和复合文丘里通道，所述盖板位于所述复合文丘里通道顶部，所述复合文丘里通道包括所述一级文丘里通道和所述二级文丘里通道。
可选地，所述复合文丘里通道还包括：
引气通道入口、引气通道出口、液体入口、中心引流孔、射流孔、下游通道和出口；
所述一级文丘里通道包括：一级文丘里通道收缩段、一级文丘里通道喉部、一级文丘里通道扩张段；
所述二级文丘里通道包括：二级文丘里通道收缩段、二级文丘里通道扩张段；
所述二级文丘里通道收缩段和所述一级文丘里通道扩张段的下游部分重合；
所述中心引流孔用于对从所述液体入口进入的主流进行分流，将主流的部分液体，直接输送至所述二级文丘里通道扩张段，同时，部分流量以射流形式斜向从射流孔冲出并流向所述二级文丘里通道扩张段。
可选地，所述中心引流孔位于所述一级文丘里通道喉部出口前方的存在流动滞止的区域。
可选地，所述引气通道入口与一级文丘里通道喉部呈锐角，使得进气通道出口方向与液流方向所成角度为锐角。
可选地，所述下游通道为渐扩通道，用于使液体从破碎区域平缓流入下游宽阔的流道，降低流动阻力，从而使得液体较为缓和地从通道出口流出。
可选地，所述中心引流孔用于将部分液体直接输送至所述二级文丘里通道扩张段，以射流形式斜向从射流孔冲出并流向所述二级文丘里通道扩张段。
可选地，所述部分液体的流速高于所述二级文丘里通道扩张段内的液体的流速。
可选地，所述二级文丘里通道还包括二级文丘里通道喉部。
可选地，所述复合文丘里通道的横截面为矩形、圆形、或者椭圆形。
本申请提出的复合文丘里式微气泡发生装置，包括一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在所述一级文丘里通道的旋流区完成破碎以后，再利用所述二级文丘里通道的旋流区实现进一步破碎。
以本申请的复合文丘里式微气泡发生装置，无需外加辅助动力设施，利用文丘里通道内的液体本身的动能，通过二级文丘里通道的二级旋流区即可在低能耗下制备出大量直径为一百微米左右的微气泡，运行成本较低。另外，由于本申请的复合文丘里式微气泡发生装置的文丘里通道内不含任何运动部件，因此，本申请的复合文丘里式微气泡发生装置在使用过程中的运行维护方便安全，不易出故障，并且其制造工艺简单，制造成本低廉，具有极高的安全性、可靠性并且经济实用。
附图说明
图1是本申请实施例复合文丘里式微气泡发生装置结构示意图；
图2是本申请实施例复合文丘里通道的内部结构示意图及液体流动过程示意图；
图3是本申请实施例复合文丘里式微气泡发生装置工作原理图。
附图标记：1、复合文丘里通道；2、盖板；3、一级文丘里通道；4、二级文丘里通道；101、引气通道入口；102、引气通道出口；103、液体入口； 104、一级文丘里通道收缩段；105、一级文丘里通道喉部；106、一级文丘里通道扩张段；107、二级文丘里通道收缩段；108、二级文丘里通道扩张段； 109、中心引流孔；110、射流孔；111、下游通道；112、出口。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
微气泡一般指几微米到十几微米大小的微小气泡。一方面，微气泡广泛存在与一些自然过程和人工系统中，如沸腾、空化、气蚀等过程；另一方面，由于微气泡自身具有一些特殊性质，它在许多领域得到了广泛应用。由于液体中的微气泡具有气液接触面积大、驻留时间长等特点，能够极大强化气液之间的传热和传质过程，因此，在矿物浮选、水质处理、医药、化工和航天等方面都有着极其广泛的应用。化工中的鼓泡塔、生物反应器、气体吸收剂、发酵罐等设备中，气体以微小气泡形态存在会大大提高这些设备传质过程的效率；在医药、医学方面，微气泡既可以作为输送药物和基因的工具，也可以利用表面覆盖油脂层的微气泡作为介质，用以观察治疗过程中血液流动的变化，微气泡还可能用于人体器官检查、超声溶栓、肺部输氧等方面；水质处理方面，可以利用微气泡提高水质净化、除臭及除菌效率等。
近二十年来，利用微气泡强化传热和传质过程的技术在生物、化学和环境领域取得了长足发展，甚至还将微气泡应用到了船舶航行减阻方面。微气泡的制备方法也取得了很大进步，典型的微气泡发生器主要包括：(1)液体旋转式；(2)文丘里式；(3)喷射器式；(4)闪蒸式。其中，文丘里式气泡发生器结构最简单、加工制作容易、安全性及经济性最高，应用也最为广泛。
传统文丘里式气泡发生器截面多为圆形，在喉部等距布置有多个进气口。装置利用喉部的负压从进气口吸入气体，而后利用文丘里扩张段的湍流撕裂气体产生微小气泡。但是这种传统文丘里式气泡发生器所制造的气泡直径一般为毫米级，无法广泛应用。
加压溶气式气泡发生器可以制造几十微米直径的气泡，但加压溶气式气泡发生器相较文丘里式气泡发生器必须额外使用压缩机，能耗较高。不能满足经济实用的实际应用需求。
现有技术中，也有在传统文丘里通道的扩张段内添加旋流装置的技术方案，可运动的旋流装置在文丘里通道扩张段内不断旋转搅拌，以加强文丘里通道扩张段内的旋流作用。但是这种改进后的文丘里式气泡发生器的制造工艺复杂，制造成本较高，在使用时，由于文丘里通道内存在运动部件，容易出现故障，且在运行维护过程中存在安全隐患。
鉴于上述问题，本申请提出一种复合文丘里式微气泡发生装置，可以较低的能耗安全可靠地制备出大量直径为一百微米左右的微气泡。
参考图1，图1是本申请实施例复合文丘里式微气泡发生装置结构示意图
本申请实施例提供了一种复合文丘里式微气泡发生装置，包括盖板2和复合文丘里通道1，所述盖板2位于所述复合文丘里通道1顶部，所述复合文丘里通道1包括一级文丘里通道3和二级文丘里通道4。
在实际应用时，所述复合文丘里式微气泡发生装置还包括：紧固螺栓(图中未示出)和螺母(图中未示出)。根据所选材料的不同，采用焊接或者粘结或者其他本领域技术人员所熟知的连接方式使盖板2和复合文丘里通道1 形成整体，并利用紧固螺栓和螺母进行紧固。
参考如图2，图2是本申请实施例的复合文丘里通道的内部结构示意图。
本申请实施例提供了一种复合文丘里通道，包括：引气通道入口101、引气通道出口102、液体入口103、一级文丘里通道收缩段104、一级文丘里通道喉部105、一级文丘里通道扩张段106、二级文丘里通道收缩段107、二级文丘里通道扩张段108、中心引流孔109、射流孔110、下游通道111和出口112。
所述二级文丘里通道收缩段107和所述一级文丘里通道扩张段106的下游部分重合；
在实际应用时，由于所述二级文丘里通道收缩段107和所述一级文丘里通道扩张段106的下游部分重合，使得气泡的破碎过程更加连续，降低了大气泡未经即随主流液体流出从旋流区逃逸，导致破碎不完全的概率。提高了气泡破碎的效率。
所述中心引流孔109用于对从所述液体入口103进入的主流进行分流，将主流的部分液体，直接输送至所述二级文丘里通道扩张段108，以射流形式斜向从射流孔冲出并流向所述二级文丘里通道扩张段108。
所述中心引流孔109和射流孔110相连形成引流通道，完成引流和射流作用。
在实际应用时，引流通道内流出的射流液体的射流过程可以进一步强化二级文丘里通道扩张段108内的旋流作用，因此，该射流液体可以在二级文丘里通道扩张段108制造更强的湍流过程。实现气泡的二次破碎，进而制造出更小的气泡。同时，该引用通道流出的射流液体也避免了一些大气泡没有进入二级旋流区就被主流带走逃逸导致气泡破碎不完全。
液体入口103和出口112分别与外部供液管道和微气泡使用系统相连，引气通道入口101，连接供气管路。
引气通道出口102与一级文丘里通道喉部105相连。
在实际应用时，从液体入口103引入主流液体，从引气通道入口101引入气体，引入的主流液体在经过一级文丘里通道喉部105时，其压力降低，将气体引入一级文丘里通道喉部105。
以下结合图2详细说明本申请实施例复合文丘里微气泡发生装置内部液体的流动过程。
图2中黑色大箭头代表主流液体从液体入口103流入，到达一级文丘里通道扩张段106进行分流，分别进入两个二级文丘里通道内，其中灰色小箭头代表分流后分别进入二级文丘里通道的两股液体的流动过程。同时，一小部分液体经过引流孔109的分流进入引流通道流入二级文丘里通道扩张段 108。图中的黑色小箭头代表这一小部分被引流孔分流的液体的流动过程。最后分流出的两股液体从复合文丘里通道的下游通道111流出，在出口112汇聚后流出，图中灰色大箭头代表汇聚后流出的液体。
本申请提出的复合文丘里式微气泡发生装置，包括一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在所述一级文丘里通道的旋流区完成破碎以后，再利用所述二级文丘里通道的旋流区实现进一步破碎。以本申请的复合文丘里式微气泡发生装置，无需外加辅助动力设施，利用文丘里通道内的液体本身的动能，通过二级文丘里通道的二级旋流区即可在低能耗下制备出大量直径为一百微米左右的微气泡，运行成本较低。另外，由于本申请的复合文丘里式微气泡发生装置的文丘里通道内不含任何运动部件，因此，本申请的复合文丘里式微气泡发生装置在使用过程中的运行维护方便安全，不易出故障，并且其制造工艺简单，制造成本低廉，具有极高的安全性、可靠性并且经济实用。
以下结合图3详细说明本申请实施例复合文丘里式微气泡发生装置制备微气泡的过程。参考图3，图3是本申请实施例复合文丘里式微气泡发生装置工作原理图。
图3中上图是一个整体的复合文丘里式微气泡发生装置工作原理图，图 3中下图是上图虚线框内部分放大后的局部图。下图中，深灰色大箭头表示主流液体，黑色箭头表示气体从一级文丘里通道喉部进入一级文丘里通道。此时气体在液体中产生的气泡为大气泡，并在一级文丘里通道扩张段的以及旋流区完成第一次破碎，形成较小气泡。下图中深灰色小箭头表示从一级文丘里通道分流后进入二级文丘里通道的液体，浅灰色大箭头代表经引流孔从主流液体中分流出的部分液体的流动过程，浅灰色小箭头代表经射流孔以射流形式流出的小部分液体，射流过程加强了二级文丘里通道扩张段内的二级旋流区的旋流作用。经过第一次破碎后的较小气泡随着液体流入二级文丘里通道扩张段，在此处的二级旋流区的旋流作用下完成进一步破碎，形成微气泡。从复合文丘里通道的下游通道流出。
本申请实施例提供了一种复合文丘里式微气泡发生装置，包括：一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在所述一级文丘里通道的旋流区完成破碎以后，再利用所述二级文丘里通道的旋流区实现进一步破碎。
液体经入口到达一级文丘里通道喉部位置时，其压力会降低，有利于将气体引入一级文丘里通道喉部，同时，由于引气通道出口与一级文丘里通道喉部呈锐角，使得进气通道出口方向与液流方向所成角度为锐角；使引入的气体会沿着一级文丘里通道喉部壁面直接进入一级文丘里通道扩张段的旋流区域(即一级旋流区)，并在这一位置发生第一次破碎过程。
并且，由于进气通道出口方向与液流方向所成角度为锐角，可以使得气泡在进入一级文丘里通道喉部以后直接进入一级文丘里通道扩张段，避免还未经过旋流区的湍流作用进行破碎的大气泡被主流液体直接带走，进而逃逸出一级旋流区。
同时，由于二级文丘里通道收缩段和一级文丘里通道扩张段的下游部分重合，因此，破碎后的气泡随即进入二级文丘里通道扩张段的旋流区域(即二级旋流区)，并在更强烈的旋流作用下继续发生碎化。
在一级文丘里通道喉部出口前方的区域设置了中心引流孔，由于这一位置存在较强的流动滞止作用，导致液体静压升高，因此中心引流孔对从所述液体入口进入的主流进行分流，将部分液体以较高的流速后斜向直接从射流孔冲出，直接进入二级文丘里通道扩张段，使该区域的旋流作用进一步加强，引发气泡的进一步碎化，进而可以制造出直径更小的气泡。
同时，射流过程也可阻止从一级文丘里通道流出的部分气泡逃逸出二级文丘里通道扩张段，未经二级旋流区中的湍流作用进行破碎而直接流入下游渐扩通道。
所述部分液体的流速高于所述二级文丘里通道扩张段内的液体的流速。
具体地，由于中心引流孔设置在一级文丘里通道喉部出口前方，此处存在较强的流动滞止作用，导致液体静压升高，因此，在中心引流孔完成分流后，在引流通道中流动的部分液体的流速高于从一级文丘里扩张段流向二级文丘里收缩段，最后流入二级文丘里通道扩张段的液体的流速。
由此，由于从射流孔流出的部分液体的流速高于所述二级文丘里通道扩张段内的液体的流速，因此，该射流液体可以在二级文丘里通道扩张段制造更强的湍流过程。实现气泡的二次破碎，进而制造出更小的气泡。
为了便于理解，以下结合水质处理的例子对本申请实施例所提供的一种复合文丘里式微气泡发生装置的应用方法进行解释。
在水质处理的过程中，采用本申请实施例所提供的一种复合文丘里式微气泡发生装置利用臭氧对污水进行消毒灭菌的方法为：液体入口连接外部脏污水体，液体出口连接出水系统，引气通道入口连接臭氧供气管路。复合文丘里式微气泡发生装置运行时，污水流入一级文丘里通道，在经过一级文丘里通道喉部时，其压力降低，将臭氧引入一级文丘里通道喉部，臭氧气泡在一级文丘里通道扩张段的旋流作用下完成破碎，同时，引流通道将一部分污水水体以射流的形式引入二级文丘里通道扩张段以加强二级文丘里通道扩张段内的二级旋流区的旋流作用。臭氧气泡在一级旋流区经过破碎后，流入二级文丘里通道，到达二级文丘里通道扩张段遇到二级旋流区进行进一步破碎。随后臭氧微气泡流入下游通道，此时臭氧微气泡逐渐扩散至整个主流液体中，最后微气泡随主流液体从出口流出，流入出水系统，完成污水的消毒灭菌。
在本申请另一实施例中，所述中心引流孔还可以用于接外部液体，将从外部引入的液体直接输送至所述二级文丘里通道扩张段，以射流形式斜向从射流孔冲出并流向所述二级文丘里通道扩张段。其中，所述外部液体的流速高于所述二级文丘里通道扩张段内的液体的流速。通过在二级文丘里通道扩张段的附近引入射流过程来强化这一位置的旋流和湍流过程，进而强化气泡碎化过程。
具体的，由于此外部引入的液体的流速大于二级文丘里通道扩张段内的液体的流速，因此，该外部液体，可以在二级文丘里通道扩张段制造更强的湍流过程，实现气泡的二次破碎，进而制造出更小的气泡。
本申请实施例中的复合文丘里通道利用二级文丘里通道增加一个二级旋流区，对进入旋流区的气泡完成进一步的破碎，并且，利用引流通道的射流作用进一步加强二级旋流区域的旋流作用，同时，引用通道流出的射流液体也避免了一些大气泡没有进入二级旋流区就被主流带走逃逸导致气泡破碎不完全。
为了便于理解，以下仍然结合水质处理的例子对本申请实施例所提供的另外一种复合文丘里式微气泡发生装置的应用方法进行解释。
在水质处理的过程中，采用本申请实施例所提供的一种复合文丘里式微气泡发生装置利用臭氧对污水进行消毒灭菌的方法为：液体入口连接外部脏污水体，液体出口连接出水系统，引气通道入口连接臭氧供气管路。复合文丘里式微气泡发生装置运行时，污水流入一级文丘里通道，在经过一级文丘里通道喉部时，其压力降低，将臭氧引入一级文丘里通道喉部，臭氧气泡在一级文丘里通道扩张段的旋流作用下完成破碎，同时，引流通道从装置外部引入一股流速大于二级文丘里通道扩张段内的液体的流速的液体，以射流的形式引入二级文丘里通道扩张段以加强二级文丘里通道扩张段内的二级旋流区的旋流作用。臭氧气泡在一级旋流区经过破碎后，流入二级文丘里通道，到达二级文丘里通道扩张段遇到二级旋流区进行进一步破碎。随后臭氧微气泡流入下游通道，此时臭氧微气泡逐渐扩散至整个主流液体中，最后微气泡随主流液体从出口流出，流入出水系统，完成污水的消毒灭菌。
在本申请实例中，复合文丘里通道的下游通道并非是为了碎化气泡，因为，随着气泡尺寸的减小，已经很难碎化，此处的下游通道可以为渐扩通道，用于使液体从破碎区域平缓流入下游宽阔的流道，降低流动阻力，从而使得液体较为缓和地从通道出口流出。
在实际应用中，本申请实施例的二级文丘里通道还可以包括二级文丘里通道喉部。
在实际应用中，本申请实施例的复合文丘里通道的横截面可以为矩形、圆形、椭圆形中的任意一种。
本申请实施例中的复合文丘里通道内不含任何的运动部件，例如：旋流装置、整流器等，无需利用运动部件以加强旋流区域的旋流作用。转而采用一级文丘里通道和二级文丘里通道组合形成复合文丘里通道，即可利用一级旋流区和二级旋流区完成对气泡的进一步破碎。
由此，本申请不含任何运动部件，在制造时，其制造工艺简单，制造成本低廉。在实际应用时，其运行维护工作简单安全，且不易出现故障。
本申请提出的复合文丘里式微气泡发生装置，包括一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在所述一级文丘里通道的旋流区完成破碎以后，再利用所述二级文丘里通道的旋流区实现进一步破碎。以本申请的复合文丘里式微气泡发生装置，无需外加辅助动力设施，利用文丘里通道内的液体本身的动能，通过二级文丘里通道的二级旋流区即可在低能耗下制备出大量直径为一百微米左右的微气泡，运行成本较低。另外，由于本申请的复合文丘里式微气泡发生装置的文丘里通道内不含任何运动部件，因此，本申请的复合文丘里式微气泡发生装置在使用过程中的运行维护方便安全，不易出故障，并且其制造工艺简单，制造成本低廉，具有极高的安全性、可靠性并且经济实用。
以上对本申请所提供的一种复合文丘里式微气泡发生装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种复合文丘里式微气泡发生装置，其特征在于，所述装置包括：一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在所述一级文丘里通道的旋流区完成破碎以后，再利用所述二级文丘里通道的旋流区实现进一步破碎。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括：盖板和复合文丘里通道，所述盖板位于所述复合文丘里通道顶部，所述复合文丘里通道包括所述一级文丘里通道和所述二级文丘里通道。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述复合文丘里通道还包括：
引气通道入口、引气通道出口、液体入口、中心引流孔、射流孔、下游通道和出口；
所述一级文丘里通道包括：一级文丘里通道收缩段、一级文丘里通道喉部、一级文丘里通道扩张段；
所述二级文丘里通道包括：二级文丘里通道收缩段、二级文丘里通道扩张段；
所述二级文丘里通道收缩段和所述一级文丘里通道扩张段的下游部分重合；
所述中心引流孔用于对从所述液体入口进入的主流进行分流，将主流的部分液体，直接输送至所述二级文丘里通道扩张段，同时，部分流量以射流形式斜向从射流孔冲出并流向所述二级文丘里通道扩张段。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中心引流孔位于所述一级文丘里通道喉部出口前方的存在流动滞止的区域。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述引气通道出口与一级文丘里通道喉部呈锐角，使得进气通道出口方向与液流方向所成角度为锐角。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述下游通道为渐扩通道，用于使液体从破碎区域平缓流入下游宽阔的流道，降低流动阻力，从而使得液体较为缓和地从通道出口流出。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中心引流孔用于将部分液体直接输送至所述二级文丘里通道扩张段，以射流形式斜向从射流孔冲出并流向所述二级文丘里通道扩张段。
8.根据权利要求3或7所述的装置，其特征在于，所述部分液体的流速高于所述二级文丘里通道扩张段内的液体的流速。
9.根据权利要求1至7任一所述的装置，其特征在于，所述二级文丘里通道还包括二级文丘里通道喉部。
10.根据权利要求1至7任一所述的装置，其特征在于，所述复合文丘里通道的横截面为矩形、圆形、或者椭圆形。
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