CN112717789A - 耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置 - Google Patents

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Abstract

一种耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，包括定子、转子、转轴和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声波换能器，定子两侧设置有排液口和进液口，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的相对两侧分布有空化通孔。纳米悬浮液进入定子中，通过水力空化与超声空化协同对悬浮液中纳米材料进行分散处理，处理完的溶液经过冷却，重新回到定子中，经过不断循环处理，得到所需的纳米润滑剂。上述装置通过高效耦合水力空化、超声空化，协同高效处理纳米材料悬浮液，提高悬浮液中的纳米材料分散效率、效果好、处理量大、可连续作业、成本低、不产生二次污染。

Description

耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置
技术领域
本发明涉及一种用于纳米润滑剂分散装置，该装置耦合水力空化与超声空化，属于纳米材料制备领域。
背景技术
近年来，纳米粒子作为润滑剂添加剂的应用引起了摩擦学专家和润滑剂开发者的关注。大量研究表明，在基础油中添加纳米颗粒可以提高其摩擦学性能。纳米润滑剂是一种胶体体系，其中纳米颗粒分散在基液中，如矿物油、液体石蜡和植物油。纳米粒子尺寸超小便于进入界面，及其表现出的优良物理和化学性质，引起了润滑剂开发者的强烈兴趣。
为降低彼此间的表面能，纳米粒子往往通过相互聚集而达到稳定状态。纳米粒子团聚过程不利于化工生产和化学反应，而纳米颗粒分散体系是非平衡体系，不能自发形成。因此通常需要机械装置或化学势的能量输入。将纳米颗粒团聚体分散为小颗粒过程中吸收的大量能量可以增加颗粒表面的自由能。目前通常使用高剪切搅拌的方式分散纳米颗粒团聚体，如高压均质机和超声波发生器等，但这些方法制备得到的纳米颗粒分散液分散效果不好，纳米颗粒仍容易团聚。
空化现象是指当压力降至低于饱和蒸汽压时，溶解在流体中的气体得到释放，同时流体汽化而产生大量气泡。空化泡在随流体进一步流动的过程中，周围压力增大，气泡发生溃灭，并以热和冲击波的形式释放出巨大能量，所产生的能量可以将水分子分解成·H和·OH。空化效应可以是由机械收缩的流体中的压力波动引起，也可以通过超声波在液体介质中产生。
纳米润滑剂在工业中的实际应用需要一种耗时短、成本低的配方方法。纳米润滑剂的性质取决于许多因素，如与基液的相容性、颗粒尺寸、形态、浓度、分散稳定性和摩擦副的表面特性。分散稳定性差可能导致纳米粒子聚集，导致润滑能力降低。纳米粒子分散常用的技术有两种：机械搅拌和超声波搅拌。基于超声波搅拌的分散技术只适合小批量生产，无法满足大批量生产需求。因此需要一种能够大批量生产纳米润滑剂的方法。
涉及水力空化工艺在纳米分散的应用有CN108837777A，名称为“一种纳米颗粒分散液及其制备方法”，提出了一种纳米颗粒分散液的制备方法，包括以下步骤：(1)将水与原料纳米颗粒混合，得到原料纳米颗粒浆料；(2)将所述步骤(1)得到的原料纳米颗粒浆料进行水力空化，得到纳米颗粒分散液；所述水力空化的压强为0.25～0.35MPa。但所述装置采用的空化器为文丘里管或多孔板结构，无法实现良好的水力空化效果与分散效果，且未耦合任何物理化学方法，效果较差。
除此之外，CN207468248U公开的《一种剪切式空化装置》，WO2012077889A1公开的《FLUID HEATER》，CN104613661A公开的《一种动力旋转加热器》虽然提出了旋转式的空化器，但均属于单纯的空化发生装置，不仅未耦合其他方法，也不具备纳米材料分散功能。
发明内容
本发明针对现有纳米材料分散技术的不足，提出一种分散效率高、效果好的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置。
本发明的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置采用以下技术方案：
该装置，包括定子、转子、转轴和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声波换能器，定子两侧设置有排液口和进液口，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的相对两侧分布有空化通孔。
所述定子的内径为200～400mm，定子的宽度为200～300mm，壁厚为10～20mm。
所述定子内部反应温度为45～60℃(升温来自于空化现象)。
所述叶片长为50～100mm，宽度为30～50mm，厚度为10～20mm。
所述超声波换能器等间距地形式沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。
所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～80kHz，单机功率为1500～3000W。
所述进液口和排液口对角设置，所述进液口的流量为0.5～1.5m3/h。
所述转子在转轴上等距分布，共有2～6个。
所述转轴转速为2000～3000r/min。
所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。
所述空化通孔的轴线方向与转子的转动切线方向一致。
所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。
所述空化通孔在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布，叶片内在空腔两侧的通孔相对设置，两两对正。所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。
为保证空化现象的形成并高效地实现纳米润滑剂分散工艺，上述结构与工艺参数均由实际纳米润滑剂生产实验所得。
纳米悬浮液通过水泵作用进行本发明装置中，通过水力空化与超声空化技术协同作用，对悬浮液中纳米材料进行分散处理，处理完的溶液经过冷却器冷却，重新回到水槽中，经过不断循环处理，得到所需的纳米润滑剂。
本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地通过转轴高速旋转带动转子，使转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时，空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)，产生巨大的能量效应，打破原料中纳米颗粒之间的团聚，增加原料中纳米材料的比表面积和表面能，从而使纳米材料稳定地分散在溶剂中，促进固液混合，得到分散性能良好的纳米颗粒分散液。在水力空化效应作用的同时，耦合超声波空化技术，二者可高效协同作用，促进空化泡的产生、塌缩以及溃灭，大大增强空泡溃灭时产生的能量，产生强湍流作用，对纳米材料进一步进行冲击，提高分散效率，可获得远高于二者单独使用时处理效果的总和。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结合水力空化和超声空化技术协同进行纳米材料分散处理，远远比单独使用水力空化或超声空化的方法效率高(可提高2～3倍以上)，具有高效性，且此方法的处理量大，可连续作业；
2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；
3.叶片的空腔为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，提升空化效果；
4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率(较无精加工的空化通孔空化效率提高20％以上)；
5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转子开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；
6.本发明所述装置的超声换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；
7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变一体式装置中的定、转子尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大量的纳米润滑剂分散处理需求；
8.本发明所述装置耦合了水力空化、超声空化技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；
9.本发明所述装置运转过程中，内表面周期性被空化清洗，故具有自清洁功能；
10.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；
11.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际工艺处理实验所得；
12.本发明所述装置处理的物质不局限于纳米润滑剂，对其他类型的纳米颗粒悬浮液也预计拥有良好的处理效果。
附图说明
图1本发明耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置的结构示意图。
图2是本发明中定子和转子截面示意图。
图3是本发明中转子结构示意图。
图4是利用本发明装置生产纳米润滑剂的工艺流程图。
图中：1.排液口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.定子端盖，8.密封圈，9.定子，10.超声波换能器，11.超声波发生器，12.转子，13.空化通孔，14.空腔，15.进液口，16.楔键；17.叶片，18.水泵，19.本发明装置，20.冷却器，21.流量计，22.水槽。
具体实施方式
本发明耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，如图1和图2所示，包括定子9、转子12、转轴4、超声波换能器10和超声波发生器11。定子9为空心密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖7，连接处有密封圈8，使得定子9内部形成密封的空腔。定子端盖7的内部设有角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈8，形成密封结构。
定子9内壁上分布有超声波换能器10，超声波换能器10等间距地形式沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。各个超声波换能器10均与超声波发生器11连接，超声波发生器11数量为1～4个，频率为40～80kHz，单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，提升处理效果。
定子左侧端盖下部设置排液口1，右侧端盖上部设置进液口15。进液口15和排液口1对角设置，以防止产生短流现象。进液口的流量为0.5～1.5m3/h。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为45～60℃。
转轴4两端与定子9连接处设有机械密封6，其设置在定子端盖7外侧，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。转轴4通过角接触球轴承5安装在定子中，一端伸出密封盖2并通过联轴器依次与增速器和动力装置(电机)连接。转子12处于定子9的空腔中，安装在转轴4上，并通过楔键16与转轴4固定。转子12在转轴4上沿轴向等距分布，共有2～6个。转轴4带动转子在定子内转动，转速为2000～3000r/min。
转子12为多叶片叶轮结构，参见图2和图3，转子上等间隔沿周向分布4～10个叶片17。叶片17为带有空腔14的中空梯形体结构，空腔14为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片17长为50～100mm，宽度为30～50mm，厚度为10～20mm。叶片17中在空腔14的相对两侧分布有空化通孔13，空化通孔13的轴线方向与转子13的转动切线方向一致，而不是与转子13的轴向一致。空化通孔13为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔13在叶片17上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。叶片17内在空腔14两侧的通孔13相对设置，两两对正。转子高速旋转时，流体从一侧的空化通孔13的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出。之后流体便会进入另一侧的文丘里形空化通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。所述空化通孔13内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。
上述结构和参数是根据纳米材料特点经过实际工艺处理实验得出，达到了处理的最佳匹配条件。
利用本发明上述装置的纳米润滑剂分散处理的过程，如图4所示，所用设施包括水槽22、水泵18、本发明装置19和冷却器20，具体过程如下所述。
水槽22中的纳米悬浮液通过水泵18作用进行本发明装置19中，从进液口15流入定子9中。转轴4带动转子12高速旋转，使得叶片上的空化通孔12高速剪切流体，使流体局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发生器11把电转换成高频交流电信号，传递到嵌于定子9内壁上的超声换能器10，超声波换能器10将电能转化为声能，产生高频超声波；超声波作用于流体中，诱发超声空化现象，从而大大强化水力空化效应，增加生成的空泡数量及提升其溃灭强度，提高处理效率。水力空化和超声空化同时发生，增强空化效果，空化现象产生的巨大能量效应，打破原料中纳米颗粒之间的团聚，使原料中纳米材料比表面积和表面能增大，从而使纳米材料均匀分散在溶剂中，更好地达到纳米材料分散处理的目的。处理后的悬浮液经排液口1流出，再进入进液口15进行循环处理，直至获得满意的分散结果。
通过水力空化与超声空化技术协同作用，对悬浮液中纳米材料进行分散处理，处理完的溶液经过冷却器20冷却，重新回到水槽22中，流量由21流量计监测，经过不断循环处理，得到所需的纳米润滑剂。
本发明通过对浓度为0.5％的二氧化硅纳米颗粒悬浮液进行实验处理(悬浮液溶剂为植物油)，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个，共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W)，获得如下结论：
单独使用水力空化技术与超声空化技术处理时，纳米材料平均粒度在60分钟内分别降低了41％与10％；在耦合水力空化、超声空化技术情况下，纳米材料平均粒度在60分钟内降低了78％，通过这一过程，形成了具有细小纳米颗粒(139～1240nm)的纳米润滑剂。

Claims (10)

1.一种耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：包括定子、转子、转轴和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声波换能器，定子两侧设置有排液口和进液口，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的相对两侧分布有空化通孔。
2.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述定子的内径为200～400mm，定子的宽度为200～300mm，壁厚为10～20mm；所述定子内部反应温度为45～60℃。所述叶片长为50～100mm，宽度为30～50mm，厚度为10～20mm。
3.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述超声波换能器等间距地形式沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。
4.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～80kHz，单机功率为1500～3000W。
5.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述进液口的流量为0.5～1.5m3/h。
6.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述转子在转轴上等距分布，共有2～6个；所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。
7.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述转轴转速为2000～3000r/min。
8.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述空化通孔的轴线方向与转子的转动切线方向一致。
9.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。
10.根据权利要求1所述的耦合水力空化与超声空化的纳米润滑剂分散装置，其特征是：所述空化通孔在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布；叶片内在空腔两侧的通孔相对设置，两两对正；所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。
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