CN113230916B - 垂直混合式连续谱气泡发生器及连续谱气泡的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直混合式连续谱气泡发生器及连续谱气泡的制作方法，包括鼓泡装置和破碎装置，所述破碎装置位于鼓泡装置的上方，所述破碎装置与鼓泡装置连通，且所述鼓泡装置用于产生泡状流；所述破碎装置包括破碎腔体和破碎件，所述破碎件设置在破碎腔体内，所述破碎件在驱动件的作用下连续转动，且所述破碎件转动的转速能够通过驱动件控制；所述破碎件转动作用于流体产生的剪切流与泡状流基本垂直。通过驱动件控制破碎件做连续的变速转动形成不同强度的剪切流场，且剪切流基本垂直的对泡状流进行剪切作业，从而有助于得到连续谱气泡，操作简单，进而有助于促进泡状流的传热传质、气泡诱发湍流等机理的基础研究。

Description

垂直混合式连续谱气泡发生器及连续谱气泡的制作方法

技术领域

本发明涉及微纳米气泡制作技术领域，具体地，涉及一种垂直混合式连续谱气泡发生器及连续谱气泡的制作方法。

背景技术

气液两相泡状流动是重要的两相流动之一，其在能源、动力、化工和航空航天等领域有着重要的应用。此外，微纳米气泡由于其优良的物理特性在环境工程、核科学等领域有着广泛且重要的作用。

目前，气泡诱发湍流、泡状流传热传质等机理仍不明确，限制了气液两相流在科研、工程上的进一步应用。为研究其机理，需要建立气泡尺寸分布谱与各实验对象的关系，实现主动研究，突破技术壁垒。

现有公开号为CN212819194U的中国专利，其公开了一种微纳米气泡发生装置，包括水泵、气液混合压力容器、微纳米气泡曝气器、气源以及电控单元。其中，水泵进水口与进水管路连接，出水口通过管路与气液混合压力容器连接，气液混合压力容器通过管路与微纳米气泡曝气器连接；气源分别与气液混合压力容器和微纳米气泡曝气器连接；微纳米气泡曝气器与出水管路连接。

发明人认为，目前已有多款毫米、微米、纳米级气泡发生器，但多数装置仅能产生单一尺寸或尺寸分布不集中的气泡。个别装置可获得特定尺度的气泡，也由于选用的气泡发生原理的局限、参数难以调整等问题，难以得到尺寸可在较大范围内连续变化的气泡谱。

由此，一种原理易行、能生成连续谱气泡的气泡发生器亟待研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种垂直混合式连续谱气泡发生器及连续谱气泡的制作方法。

根据本发明提供的一种垂直混合式连续谱气泡发生器,包括鼓泡装置和破碎装置，所述破碎装置位于鼓泡装置的上方，所述破碎装置与鼓泡装置连通，且所述鼓泡装置用于产生泡状流；所述破碎装置包括破碎腔体和破碎件，所述破碎件设置在破碎腔体内，所述破碎件在驱动件的作用下连续转动，且所述破碎件转动的转速能够通过驱动件控制；所述破碎件转动作用于流体产生的剪切流与泡状流基本垂直。

优选地，所述破碎腔体包括弯管段和直管段，所述弯管段与鼓泡装置连通；所述破碎件设置在直管段内，且所述破碎件的轴线与直管段的轴线平行或共线。

优选地，所述弯管段的弯曲角度包括九十度，所述直管段呈水平设置。

优选地，所述破碎件包括中心轴和刀片，所述中心轴转动安装在直管段，且所述中心轴的轴线与直管段的轴线平行或重合；所述刀片在中心轴上设置有一片或多片，任一相邻两片所述刀片之间均留有空隙。

优选地，所述刀片与中心轴的轴线呈垂直设置，且所述刀片与直管段的管壁之间留有间隙。

优选地，所述直管段靠近弯管段的侧壁上设置有固定台，所述中心轴的一端穿过固定台并与其转动配合，且所述中心轴穿出固定台的一端与驱动件传动连接；所述直管段远离弯管段的一侧设置有轴固定端，所述中心轴的另一端探入轴固定端并与其转动配合。

优选地，所述鼓泡装置包括混合腔体、气泡生成管、进气管以及多孔管，所述气泡生成管的一端探入混合腔体内并与其连通，所述进气管的一端探入气泡生成管，所述多孔管设置在进气管探入气泡生成管的端部，且所述多孔管分别与进气管和气泡生成管连通；所述气泡生成管上还连通有辅助给水管，所述辅助给水管位于多孔管的上游，所述混合腔体上连通有主给水管，且所述主给水管位于气泡生成管出口的上游。

优选地，所述主给水管沿混合腔体的周向均匀布置有多个。

优选地，所述鼓泡装置和破碎装置之间连接有发展管道，所述发展管道的下端与鼓泡装置连通，所述发展管道的上端与破碎装置连通。

优选地，采用权利要求1-9任一项所述的垂直混合式连续谱气泡发生器，方法包括如下步骤：S1、通过所述辅助给水管向气泡生成管内给水，并通过所述进气管向多孔管内输送空气，空气通过所述多孔管进入气泡生成管的水相中形成泡状流；S2、多个所述主给水管向混合腔体内给水并形成流场，流场对泡状流进行初步切割，并使气泡分布均匀，经初步切割后的泡状流进入所述发展管道内尽可能地充分发展，之后再进入所述弯管段；S3、泡状流通过所述弯管段进入直管段内，驱动件驱动所述破碎件连续转动并形成与直管端轴线垂直的高速剪切流，泡状流在所述破碎件形成的高速剪切流的作用下在直管段内流动并破碎，经破碎后的泡状流经直管段的流出破碎腔体，得到成品。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过驱动件控制破碎件做连续的变速转动形成不同强度的剪切流场，且剪切流基本垂直的对泡状流进行剪切作业，从而有助于得到连续谱气泡，操作简单，进而有助于促进泡状流的传热传质、气泡诱发湍流等机理的基础研究；

2、本发明通过基本垂直的剪切流和泡状流，采用类静态混合器结构，实现可控的动态混合器，体积小，工作稳定；

3、本发明通过采用多层间隔式的刀片，刀片高速转动产生多级剪切流，实现对泡状流进行多级切割破碎，有助于提高剪切作业的效率，且有助于提高剪切破碎的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明主要体现气泡发生器整体结构的示意图；

图2为本发明主要体现鼓泡装置整体结构的剖面示意图；

图3为本发明主要体现破碎装置整体结构的剖面示意图。

图中所示：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种垂直混合式连续谱气泡发生器，包括鼓泡装置1和破碎装置2，鼓泡装置1和破碎装置2连通，且鼓泡装置1位于破碎装置2的下方。鼓泡装置1用于产生初级气泡并将初级气泡输送至破碎装置2内，破碎装置2用于对泡状流进行破碎，从而得到连续谱气泡。

如图2所示，鼓泡装置1包括混合腔体12、气泡生成管17、进气管14以及多孔管15，混合腔体12的外形呈圆柱形，混合腔体12呈竖直设置，且混合腔体12的顶端敞开并形成有混合腔出口16。气泡生成管17的一端自下向上同轴穿入混合腔体12内，气泡生成管17的顶端呈敞开设置，且气泡生成管17的敞开口位于混合腔出口16的正下方。

进气管14的一端自下向上同轴穿入气泡生成管17内，多孔管15位于气泡生成管17内，多孔管15与进气管14穿入气泡生成管17内的一端固定连接，且多孔管15分别与进气管14和气泡生成管17二者连通。气泡生成管17位于混合腔体12外的侧壁上一体成形有辅助给水管13，辅助给水管13呈水平设置。辅助给水管13向气泡生成管17内给水，与此同时，气体经进气管14流入多孔管15，之后气体再经多孔管15上的多个小孔进入气泡生成管17内，从而产生了初步的气泡。通过控制辅助给水管13和进气管14的流量，从而能够对液相流量和含气率等参数进行调整，进而获得初步毫米级气泡。

混合腔体12的侧壁上一体成型有主给水管11，主给水管11与混合腔体12连通，主给水管11呈水平设置，主给水管11位于气泡生成管17顶端敞开口的下侧，且主给水管11沿混合腔体12的周向均匀间隔布置有三个，任一主给水管11横截面积的大小均与辅助给水管13横截面积的大小相等。三个主给水管11同时向混合腔体12内给水，从而在混合腔体12内形成流场并对从气泡生成管17流出的泡状流进行初步切割，从而使得气泡和水相分布均匀。

如图1和图3所示，破碎装置2包括破碎腔体22和破碎件25，破碎腔体22由直管段222和弯管段221组合而成，直管段222和弯管段221二者均为中空圆管。弯管段221的弯曲角度为九十度，弯管段221的上端与直管段222的一端同轴固定连接为一体，且直管段222呈水平设置。泡状流经弯管段221的下端进入弯管段221并向上流动进入直管段222，泡状流由下向上流动的设计，减弱了泡状流转向而导致的气泡尺寸分布的影响。

直管段222与弯管段221连接处的外侧壁上一体成型有固定台23，固定台23的中部开设有第一圆孔槽231，直管段222内远离弯管段221的一侧中部固定安装有轴固定端24，轴固定端24包括第二圆孔槽241和圆柱棒242。破碎件25包括中心轴251和刀片252，中心轴251的轴线与直管段222的轴线共线，中心轴251的一端探入第二圆孔槽241内并与其转动配合，且圆柱棒242在第二圆孔槽241的周侧均匀阵列排布有三根，中心轴251的端部安装在第二圆孔槽241内，减少了中心轴251旋转时产生的摩擦力。

中心轴251的另一端水平穿入第一圆孔槽231内并穿出，且中心轴251与第一圆孔槽231的侧壁之间连接有轴承，实现了中心轴251与固定台23的转动配合。刀片252通过螺钉安装在中心轴251位于直管段222内的轴段上，刀片252为上下两层式，刀片252在中心轴251上沿中心轴251的轴向间隔安装有两组，任一组刀片252均与中心轴251的轴线呈垂直设置，且任一刀片252与直管段222的管壁之间均留有间隙。

中心轴251穿出固定台23的一端与驱动件传动连接，本申请中的驱动件能够控制破碎件25高速转动，破碎件25作用于流体形成高速剪切流，形成的高速剪切流对气泡进行剪切，且本申请中的驱动件能够连续改变破碎件25的转速，因此本申请优选使用高速伺服电机。借助高速伺服电机转速连续可调的特性，从而使破碎件25的转速能够连续变化，进而使剪切流场的强度可以连接变化，以获得连接变化尺寸的气泡。

高速伺服电机带动中心轴251高度转动，从而带动刀片252高速旋转，刀片252作用于流体形成垂直于直管段222轴线的高速剪切流，泡状流沿直管段222的水平走向流动，从而使高速剪切流与泡状流处于相互垂直的状态，高速剪切流对泡状流进行垂直剪切作业。经高速剪切流剪切后的泡状流继续沿直管段222的轴向流动，直至流出破碎腔体22。

如图1所示，混合腔体12的混合腔出口16与弯管段221之间连接有发展管道3和混合液进口管21，发展管道3的下端通过螺栓和法兰盘配合与混合腔体12顶壁同轴固定连接，且发展管道3与混合腔出口16连通。发展管道3的顶端通过螺栓和法兰盘配合与混合液进口管21的下端固定连接并连通，混合液进口管21的顶端与弯管段221的底部固定连接并连通。混合腔体12内形成的泡状流先通过发展管道3，泡状流尽可能地充分发展后，再进入混合液进口管21，之后再进入弯管段221，从而提高了气泡的均匀性。

根据本发明提供的一种连续谱气泡的制作方法，包括如下步骤：S1、通过辅助给水管13向气泡生成管17内给水，并通过进气管14向多孔管15内输送空气，空气通过多孔管15进入气泡生成管17的水相中形成泡状流；

S2、三个主给水管11向混合腔体12内给水并形成流场，流场对泡状流进行初步切割形成毫米级气泡，并使气泡分布均匀，经初步切割后的泡状流进入发展管道3内尽可能地充分发展，之后再进入所述弯管段221；

S3、泡状流通过弯管段221进入直管段222内，高度伺服电机驱动破碎件25连续转动并形成与直管端轴线垂直的高速剪切流，泡状流在破碎件25形成的高速剪切流的作用下在直管段222内流动并破碎，经破碎后的泡状流经直管段222的流出破碎腔体22，得到成品。通过控制高度伺服电机的转速，从而控制破碎件25的转速和剪切流场的强度，从而得到尺寸连续的气泡。

S4、查询气泡尺寸及分布关于液相流量、含气率、电机转速等变量的数据库，之后再通过设置相应参数，得到所需的特定尺寸气泡。

工作原理

实验时，通过辅助给水管13向气泡生成管17内给水，并通过进气管14向多孔管15内输送空气，空气通过多孔管15进入气泡生成管17的水相中形成泡状流；三个主给水管11向混合腔体12内给水并形成流场，流场对泡状流进行初步切割形成毫米级气泡，并使气泡分布均匀，泡状流随后进入发展管道3，泡状流尽可能地充分发展后，再进入混合液进口管21；泡状流经过混合液进口管21和弯管段221进入直管段222内，高速伺服电机驱动破碎件25连续转动，泡状流在破碎件25作用流体而形成的高速剪切流的作用下在破碎，且泡状流在直管段222内沿其轴向流动直至流出破碎腔体22，得到成品；通过控制高速伺服电机的转速，从而控制破碎件25的转速，进而控制垂直剪切流场的强度，有助于得到尺寸连续的气泡。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种垂直混合式连续谱气泡发生器，其特征在于，包括鼓泡装置（1）和破碎装置（2），所述破碎装置（2）位于鼓泡装置（1）的上方，所述破碎装置（2）与鼓泡装置（1）连通，且所述鼓泡装置（1）用于产生泡状流；

所述破碎装置（2）包括破碎腔体（22）和破碎件（25），所述破碎件（25）设置在破碎腔体（22）内，所述破碎件（25）在驱动件的作用下连续转动，且所述破碎件（25）转动的转速能够通过驱动件控制；

所述破碎件（25）转动作用于流体产生的剪切流与泡状流基本垂直；

所述破碎腔体（22）包括弯管段（221）和直管段（222），所述弯管段（221）与鼓泡装置（1）连通；

所述破碎件（25）设置在直管段（222）内，且所述破碎件（25）的轴线与直管段（222）的轴线平行或共线；

所述破碎件（25）包括中心轴（251）和刀片（252），所述中心轴（251）转动安装在直管段（222），且所述中心轴（251）的轴线与直管段（222）的轴线平行或重合；

所述刀片（252）在中心轴（251）上设置有一片或多片，任一相邻两片所述刀片（252）之间均留有空隙；

所述直管段（222）靠近弯管段（221）的侧壁上设置有固定台（23），所述中心轴（251）的一端穿过固定台（23）并与其转动配合，且所述中心轴（251）穿出固定台（23）的一端与驱动件传动连接；

所述直管段（222）远离弯管段（221）的一侧设置有轴固定端（24），所述中心轴（251）的另一端探入轴固定端（24）并与其转动配合；

所述鼓泡装置（1）包括混合腔体（12）、气泡生成管（17）、进气管（14）以及多孔管（15），所述气泡生成管（17）的一端探入混合腔体（12）内并与其连通，所述进气管（14）的一端探入气泡生成管（17），所述多孔管（15）设置在进气管（14）探入气泡生成管（17）的端部，且所述多孔管（15）分别与进气管（14）和气泡生成管（17）连通；

所述气泡生成管（17）上还连通有辅助给水管（13），所述辅助给水管（13）位于多孔管（15）的上游，所述混合腔体（12）上连通有主给水管（11），且所述主给水管（11）位于气泡生成管（17）出口的上游；

所述鼓泡装置（1）和破碎装置（2）之间连接有发展管道（3），所述发展管道（3）的下端与鼓泡装置（1）连通，所述发展管道（3）的上端与破碎装置（2）连通。

2.如权利要求1所述的一种垂直混合式连续谱气泡发生器，其特征在于，所述弯管段（221）的弯曲角度包括九十度，所述直管段（222）呈水平设置。

3.如权利要求1所述的一种垂直混合式连续谱气泡发生器，其特征在于，所述刀片（252）与中心轴（251）的轴线呈垂直设置，且所述刀片（252）与直管段（222）的管壁之间留有间隙。

4.如权利要求1所述的一种垂直混合式连续谱气泡发生器，其特征在于，所述主给水管（11）沿混合腔体（12）的周向均匀布置有多个。

5.如一种连续谱气泡的制作方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的垂直混合式连续谱气泡发生器，方法包括如下步骤：

S1、通过所述辅助给水管（13）向气泡生成管（17）内给水，并通过所述进气管（14）向多孔管（15）内输送空气，空气通过所述多孔管（15）进入气泡生成管（17）的水相中形成泡状流；

S2、多个所述主给水管（11）向混合腔体（12）内给水并形成流场，流场对泡状流进行初步切割，并使气泡分布均匀，经初步切割后的泡状流进入所述发展管道（3）内尽可能地充分发展，之后再进入所述弯管段（221）；

S3、泡状流通过所述弯管段（221）进入直管段（222）内，驱动件驱动所述破碎件（25）连续转动并形成与直管端轴线垂直的高速剪切流，泡状流在所述破碎件（25）形成的高速剪切流的作用下在直管段（222）内流动并破碎，经破碎后的泡状流经直管段（222）的流出破碎腔体（22），得到成品。

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