CN111821871A - 一种具有复合切割功能的微纳米气泡发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复合切割功能的微纳米气泡发生器，主要涉及气泡发生器技术领域，包括流量计、左连接头、文丘里加气头、锥芯、锥芯固定管、右连接头和变螺距螺旋切割器，流量计、左连接头、文丘里加气头、锥芯、锥芯固定管、右连接头和变螺距螺旋切割器从左到右依次设置，变螺距螺旋切割器可拆卸设置在右连接头的右端。本发明集成了小孔道切割和变螺距螺旋切割功能，实现了气泡快速微纳米量级的切割细化，水中的气体超饱和浓度可增加2～3倍。

Description

一种具有复合切割功能的微纳米气泡发生器

技术领域

本发明涉及气泡发生器技术领域，确切地说是一种具有复合切割功能的新型的微纳米气泡发生器。

背景技术

微纳米气泡是指气泡发生时直径在10微米左右到数百纳米之间的气泡，这种气泡是介于微米气泡和纳米气泡之间，具有常规气泡所不具备的物理与化学特性，如：高内压、高表面能、高界面活性等，气泡的微细化是化学工业中促进物质转移、能量交换、增进化学反应速度的关键技术，微纳米气泡发生技术是20世纪90年代后期产生的，21世纪初在日本得到了蓬勃的发展，其制造方法包括旋回剪切、加压溶解、电化学、微孔加压、混合射流等方式，均可在一定条件下产生微纳米级的气泡。

中国实用新型专利，申请号201621239589.1公开了一种超微纳米气泡发生器：利用气液混合泵负压作用吸入气体，高速旋转的泵叶轮将液体与气体混合搅拌并打碎气泡，制取微纳米气泡高浓度液体，该技术可实现大规模工业生产，但气液比约为1:9(吸气量为8-10％)，微纳米气泡浓度不高(接入氧气气溶氧量约为15-20mg/L)，气液混合泵输出压力过高(0.4Mpa左右)，而且也存在气泡均匀性差，气泡大多为微米量级，在水中停留时间只有2个小时左右。

中国发明专利，申请号200710195111.2公开了一种高速旋回式气液混合型微小米泡沫发生装置：由两个半球形容器和一个与进水管相连的圆柱形的容器组合而成，在圆柱形的内面有两个中空C形管，在两个半球形的两端各有一个圆孔用于喷出液体，以形成微纳米泡沫和空气导管，因没有充分考虑内部容积和气液排出孔的比率，所以产出的气泡均匀性差，气泡大多为微米量级，在水中停留时间短，只有2个小时左右，而且配备零件多，在成本方面也不够理想。

中国发明专利，申请号201010596830.7公开了一种制备高氧水的装置及其方法，里面涉及一种旋回切割法制备氧气微细气泡的装置，此装置是利用一个环状填料以轴心高速旋转进行气体切割，氧气与从填料小孔甩出的水相遇，在水流和氧气流两股流体相互对流强制传质交换实现水中加氧。该技术的氧气流量为200-400L/h，水流量为25-35L/h，溶氧率可达20-50mg/L。但该装置要求氧气供应量大，增加了成本，微纳米气泡产能低，不适合大规模工业化生产。

发明专利，申请号201380004380.X公开了一种用于产生纳米气泡的设备，利用流体流穿过圆柱体和沿间隔分布在轴体外周面的与该圆柱体的轴线倾斜70°～80°角翼形凸头，会聚并经历文丘里效应，穿过多个流动通道的重复的会聚和扩散流体流使得产生速度和压力的波动，并加速己知为康达效应的漩涡的形成，这导致产生来自由穿过多个流动通道的流体流所形成的急速回旋的纳米气泡的气穴现象来粉碎大分子团气泡，该设备产生的微纳米气泡细小均匀，但翼形凸头加工复杂，成本高。

中国实用新型专利，申请号201020221689.8公开了一种超微米气泡喷头，该超微米气泡喷头有一通透的筒体，在筒体内部上端是压力气水混合液入口，在筒体内部中上部位有导流锥，导流锥与筒体经槽滚压联接，并用密封圈密封，导流锥的底端为加速口，在加速口下方设置反向导流锥，反向导流锥与导流锥固定联接，导流锥与反向导流锥之间形成环形缝隙，在导流锥的锥体上位于反向导流锥锥口的位置有分配孔，在反向导流锥锥口外部设有剪切孔，剪切孔与环形缝隙相通，该发明的反向导流锥及其气水混合液通道的设置形式，致使气水混合液在通过超微米气泡喷头时，其结构对气水混合液的冲击剪切作用有限，产生的微纳米气泡数量并不是最多，且由于冲击剪切作用力不是最佳，所产生气泡的体积差异也较大，所产生的微纳米气泡液在气泡平均直径和气体超饱和溶解浓度和还有进一步提高的空间。

中国发明专利，申请号201510970713.5公开一种基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，利用静态变螺距螺旋切割器几乎在常温常压下实现气体的微纳米量级的切割细化，消耗能量少，设备成本低，可实现大规模工业化，但DN32的切割器只能实现溶氧≤40mg/L，溶氧能力有限，不能满足有更高溶氧浓度领域的技术需求。

目前还没有一种低成本、高产能，可以满足具有超饱和气体溶解浓度要求比较高的领域的、可大规模工业化生产微纳米气泡水(例如超饱和溶氧80mg/L-100mg/L)的成熟技术，因此研究出一种气体超饱和溶解浓度高、微纳米气泡粒径更小、低成本、易维护、低能耗、可大规模工业化的微纳米气泡切割技术或装置无论对于国民经济发展还是对于社会进步都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种结构简单的具有复合切割功能的微纳米气泡发生器，解决了现有技术中存在的气体超饱和溶解浓度低、微纳米气泡粒径不够小、成本高、不易维护、能耗高和无法大规模工业化的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：包括流量计、左连接头、文丘里加气头、锥芯、锥芯固定管、右连接头和变螺距螺旋切割器，流量计、左连接头、文丘里加气头、锥芯、锥芯固定管、右连接头和变螺距螺旋切割器从左到右依次设置，变螺距螺旋切割器可拆卸设置在右连接头的右端。

优选的，文丘里加气头的右端是喇叭口形状，且喇叭口呈直径逐渐增大的阶梯状，文丘里加气头上设置有文丘里管加气孔，锥芯固定管的左端是喇叭口形状，锥芯是圆锥形结构，锥芯的侧面是阶梯状，锥芯的底面是圆弧面，锥芯外表面、文丘里加气头的右端的喇叭口和锥芯固定管的左端的喇叭口共同形成回旋室，锥芯的圆锥顶对应文丘里加气头的右端的喇叭口，左连接头和右连接头上分别设置有的压力表一和压力表二。

优选的，变螺距螺旋切割器包括导水锥、芯轴、切割管和多片切割片，导水锥、芯轴和多片切割片均设置在切割管内部，多片切割片均设置在芯轴上，导水锥设置在芯轴的左端，切割片上设置有四个翅片，切割片和翅片与切割管共同形成四个封闭的螺旋切割通道。

优选的，芯轴两端均设置有压块，压块通过锁紧螺母一将切割片固定在芯轴上，芯轴在远离导水锥的一端还设置有锁紧螺母二，芯轴通过锁紧螺母二固定在切割管内。

优选的，左连接头左侧设置有连接法兰二，连接法兰二和流量计通过连接法兰一连接，流量计与进水管道连接，切割管右侧设置有内螺纹，切割管与出水管道连接。

优选的，变螺距螺旋切割器采用变螺距设计，由流体入口的大螺距过渡为流体出口的小螺距，螺旋面函数表达式为：

X＝Rcosθ

Y＝Rsinθ

Z＝163(θ)^m

上式中，X、Y、Z为螺旋面任意点的坐标值，R为螺旋切割片半径，θ为螺旋旋转角度，m为变螺距系数，取值范围0～1，变螺距螺旋切割器由多片切割片按照上述函数变化规律的螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。

优选的，多片切割片在芯轴上旋转叠加形成螺旋芯子，螺旋芯子的外圈直径和切割管的内孔为间隙配合。

优选的，连接法兰二和连接法兰一的接触面之间设置有O型密封圈，文丘里加气头和左连接头通过螺纹连接，锥芯固定管和右连接头通过螺纹连接，锥芯固定管和锥芯通过两个定位销定位，文丘里加气头和锥芯固定管通过定位轴肩定位，文丘里加气头与切割管的轴线同心度为0.1mm。

优选的，翅片的厚度为0.1mm～0.5mm，切割片的数量为3800片，切割片的厚度为0.08mm。

优选的，变螺距螺旋切割器的螺旋旋转角度为360°，变螺距螺旋切割器的变螺距系数m为0.2。

本发明采用上述结构，具有以下的优点：集成了小孔道切割和变螺距螺旋切割功能，实现了气泡快速微纳米量级的切割细化，水中的气体超饱和浓度可增加2～3倍；采用文丘里管加气，在一定压力和流速下，水携带气体流过回旋室的锯齿状通道，可使气水混合液形成涡流，同时增大气水混合液的流速，形成更初级的剪切，然后形成的回旋流在进入变螺距螺旋切割器的过程中被释放，微细气泡伴随漩涡的崩裂在扭曲拉伸的作用下被切断，生成了大量的微米级和纳米级的微气泡；设置变螺距切割器，在回旋室生成的大量的微纳米级气泡水进入变螺距切割器，在四个阶梯状的螺旋切割通道内继续被切割，大量的微米级气泡被切割成了纳米级气泡，使得纳米级气泡含量大大增加；由于复合切割产生的机械切割细化效应，使水的大分子团簇向小分子簇团转变，水的密度增大，比重增高，水分子团的体积变小，溶解度高，渗透力强，因此水中的微纳米气泡进一步变小，水中超饱和气体浓度进一步增加，微纳米气泡水对污染物体物理吸附和化学氧化能力进一步增强。

附图说明

图1为本发明的立面剖视结构示意图；

图2为变螺距螺旋切割器的放大剖视结构示意图；

图3为图2的A-A放大剖视结构示意图；

图4为图1的B处局部放大结构示意图；

图5为锥芯的俯视放大结构示意图。

图中：1、流量计；2、连接法兰一；3、连接法兰二；4、压力表一；5、左连接头；6、文丘里加气头；7、文丘里管加气孔；8、锥芯；9、定位销；10、锥芯固定管；11、压力表二；12、右连接头；13、变螺距螺旋切割器；14、回旋室；15、导水锥；16、芯轴；17、切割管；18、压块；19、锁紧螺母二；20、锁紧螺母一；21、切割片；22、翅片；23、螺旋切割通道；24、定位轴肩；25、O型密封圈。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1所示，整体包括流量计1、左连接头5、文丘里加气头6、锥芯8、锥芯固定管10、右连接头12和变螺距螺旋切割器13，流量计1、左连接头5、文丘里加气头6、锥芯8、锥芯固定管10、右连接头12和变螺距螺旋切割器13从左到右依次设置，变螺距螺旋切割器13可拆卸设置在右连接头12的右端，左连接头5和右连接头12上分别设置有的压力表一4和压力表二11，如图4所示，文丘里加气头6的右端是喇叭口形状，且喇叭口呈直径逐渐增大的阶梯状，文丘里加气头6上设置有文丘里管加气孔7，锥芯固定管10的左端是喇叭口形状，如图5所示，锥芯8是圆锥形结构，锥芯8的侧面是阶梯状，锥芯8的底面是圆弧面，锥芯8外表面、文丘里加气头6的右端的喇叭口和锥芯固定管10的左端的喇叭口共同形成回旋室14，锥芯8的圆锥顶对应文丘里加气头6的右端的喇叭口，左连接头5左侧设置有连接法兰二3，连接法兰二3和流量计1通过连接法兰一2连接，流量计1与进水管道连接，切割管17右侧设置有内螺纹，切割管17与出水管道连接，连接法兰二3和连接法兰一2的接触面之间设置有O型密封圈25，文丘里加气头6和左连接头5通过螺纹连接，且通过螺纹密封，锥芯固定管10和右连接头12通过螺纹连接，且通过螺纹密封，锥芯固定管10和锥芯8通过两个定位销9定位，文丘里加气头6和锥芯固定管10通过定位轴肩24定位，文丘里加气头6与切割管17的轴线同心度为0.1mm；

如图2所示，变螺距螺旋切割器13包括导水锥15、芯轴16、切割管17和多片切割片21，导水锥15、芯轴16和多片切割片21均设置在切割管17内部，多片切割片21均设置在芯轴16上，导水锥15设置在芯轴16的左端，如图3所示，切割片21上设置有四个翅片22，翅片22的厚度为0.1mm～0.5mm，翅片的厚度为0.1mm～0.5mm，切割片21的数量为3800片，切割片21的厚度为0.08mm，切割片21和翅片22与切割管17共同形成四个封闭的螺旋切割通道23，芯轴16两端均设置有压块18，压块18通过锁紧螺母一20将切割片21固定在芯轴16上，芯轴16在远离导水锥15的一端还设置有锁紧螺母二19，芯轴16通过锁紧螺母二19固定在切割管17内；

变螺距螺旋切割器13采用变螺距设计，由流体入口的大螺距过渡为流体出口的小螺距，螺旋面函数表达式为：

X＝Rcosθ

Y＝Rsinθ

Z＝163(θ)^m

上式中，X、Y、Z为螺旋面任意点的坐标值，R为螺旋切割片半径，θ为螺旋旋转角度，m为变螺距系数，取值范围0～1，变螺距螺旋切割器13由多片切割片21按照上述函数变化规律的螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面，多片切割片21在芯轴16上旋转叠加形成螺旋芯子，螺旋芯子的外圈直径和切割管17的内孔为间隙配合，变螺距螺旋切割器13的螺旋旋转角度为360°，变螺距螺旋切割器13的变螺距系数m为0.2。

锥芯8侧面的阶梯状对应文丘里加气头6的右端的阶梯状的喇叭口，这样的交错设置的锯齿构造，能够使通过的气水混合液形成更有效的撞击和剪切，导水锥14具有均匀布水的效果，使水流在螺旋切割通道23均匀流动并被切割，由于切割细化气体需要一定的压力和流速的液体流动场，所以需要控制液体流入变螺距螺旋切割器13的压力和流速，压力表一4和压力表二11用于测量液体压力，流量计1用于测量液体流速，具体的，压力表一4测量文丘里加气头6的进水压力，压力表二11测量文丘里加气头6的出口压力，也就是液体流入变螺距螺旋切割器13的压力。

本发明的具体工作过程如下：从文丘里管加气头6的文丘里管加气孔7导入气体，水从进水管道进入流量计1，气和水在回旋室14初步剪切混合，气液混合体在回旋室14内回旋，形成回旋流，回旋室14锯齿形剪切通道内液体流速为130m/s通过锯齿状凸起可使气水混合液通过锯齿构造的通道时形成涡流，增大气水混合液的流速，形成更有效的剪切，然后形成的回旋流在进入变螺距螺旋切割器13的过程中被释放，微细气泡伴随漩涡的崩裂在扭曲拉伸的作用下被切断，生成了大量的微米级和纳米级的微气泡，接着在回旋室14生成的大量的微纳米级气泡水再经过导水锥15均匀分配后，进入变螺距切割器13的四个阶梯状的螺旋切割通道23内继续被切割，大量的微米级气泡被切割成了纳米级气泡，使得纳米级气泡含量大大增加，同时水的大分子团簇向小分子簇团转变，水分子团的体积变小，溶解度高，渗透力强，因此水中的气体微细气泡进一步变小为纳米量级，水中气体浓度进一步增加，最后高浓度微纳米气泡水流出切割管17，进入出水管道排出；

在上述过程中变螺距的作用：顺着液体的流向，由于螺旋的螺距逐渐减小，液体的轴向压力越来越大，由于离心力的作用，经过文丘里加气头6形成的微米氧气泡被液体压在四个阶梯状的螺旋切割通道23内，氧气分子之间通过分子间力结合成分子团簇，当微米氧气泡受到的液体静压力、流动场动压力和切割刃切割力的合力大于氧气分子团簇的分子间力，微米氧气泡的团簇就会打破，形成更加细小的纳米氧气泡，纳米氧气泡由于自身不断加压，最后破裂溶于水中，形成超饱和高氧液体。

其中，上述的流量计1、压力表一4、压力表二11和O型密封圈25均是现有技术。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种具有复合切割功能的微纳米气泡发生器，其特征在于：包括流量计、左连接头、文丘里加气头、锥芯、锥芯固定管、右连接头和变螺距螺旋切割器，所述的流量计、左连接头、文丘里加气头、锥芯、锥芯固定管、右连接头和变螺距螺旋切割器从左到右依次设置，所述的变螺距螺旋切割器可拆卸设置在所述的右连接头的右端。

2.根据权利要求1所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的文丘里加气头的右端是喇叭口形状，且所述的喇叭口呈直径逐渐增大的阶梯状，所述的文丘里加气头上设置有文丘里管加气孔，所述的锥芯固定管的左端是喇叭口形状，所述的锥芯是圆锥形结构，所述的锥芯的侧面是阶梯状，所述的锥芯的底面是圆弧面，所述的锥芯外表面、文丘里加气头的右端的喇叭口和锥芯固定管的左端的喇叭口共同形成回旋室，所述的锥芯的圆锥顶对应所述的文丘里加气头的右端的喇叭口，所述的左连接头和右连接头上分别设置有的压力表一和压力表二。

3.根据权利要求2所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的变螺距螺旋切割器包括导水锥、芯轴、切割管和多片切割片，所述的导水锥、芯轴和多片切割片均设置在所述的切割管内部，所述的多片切割片均设置在所述的芯轴上，所述的导水锥设置在所述的芯轴的左端，所述的切割片上设置有四个翅片，所述的切割片和翅片与所述的切割管共同形成四个封闭的螺旋切割通道。

4.根据权利要求3所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的芯轴两端均设置有压块，所述的压块通过锁紧螺母一将所述的切割片固定在所述的芯轴上，所述的芯轴在远离所述的导水锥的一端还设置有锁紧螺母二，所述的芯轴通过所述的锁紧螺母二固定在所述的切割管内。

5.根据权利要求2所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的左连接头左侧设置有连接法兰二，所述的连接法兰二和所述的流量计通过连接法兰一连接，所述的流量计与进水管道连接，所述的切割管右侧设置有内螺纹，所述的切割管与出水管道连接。

6.根据权利要求4所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的变螺距螺旋切割器采用变螺距设计，由流体入口的大螺距过渡为流体出口的小螺距，螺旋面函数表达式为：

X＝Rcosθ

Y＝Rsinθ

Z＝163(θ)^m

上式中，X、Y、Z为螺旋面任意点的坐标值，R为螺旋切割片半径，θ为螺旋旋转角度，m为变螺距系数，取值范围0～1，所述的变螺距螺旋切割器由所述的多片切割片按照上述函数变化规律的螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。

7.根据权利要求6所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的多片切割片在所述的芯轴上旋转叠加形成螺旋芯子，所述的螺旋芯子的外圈直径和所述的切割管的内孔为间隙配合。

8.根据权利要求5所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述连接法兰二和所述的连接法兰一的接触面之间设置有O型密封圈，所述的文丘里加气头和所述的左连接头通过螺纹连接，所述的锥芯固定管和所述的右连接头通过螺纹连接，所述的锥芯固定管和所述的锥芯通过两个定位销定位，所述的文丘里加气头和所述的锥芯固定管通过定位轴肩定位，所述的文丘里加气头与所述的切割管的轴线同心度为0.1mm。

9.根据权利要求3所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的翅片的厚度为0.1mm～0.5mm，所述的切割片的数量为3800片，所述的切割片的厚度为0.08mm。

10.根据权利要求6所述的具有复合切割功能的纳米气泡发生器，其特征在于：所述的变螺距螺旋切割器的螺旋旋转角度为360°，所述的变螺距螺旋切割器的变螺距系数m为0.2。

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