CN113244799B - 连续谱气泡发生器及连续谱气泡的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种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，鼓泡装置和破碎装置连通，鼓泡装置用于产生泡状流；破碎装置包括破碎腔体和破碎件，破碎件设置在破碎腔体内，破碎件在驱动件的作用下连续转动，且破碎件转动的转速能够通过驱动件控制；通过辅助给水管向气泡生成管内给水，通过进气管向多孔管内输送空气形成泡状流；多个主给水管给水并形成流场对泡状流进行初步切割，泡状流进入破碎腔体内，破碎件连续转动，泡状流在破碎件作用于流体形成的与之平行的剪切流场的作用下破碎，且泡状流在破碎腔体内沿其周向流动，经破碎后的泡状流经成品出口管流出破碎腔体，得到成品。有助于得到连续谱气泡，且操作简单。

Description

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连续谱气泡发生器,包括鼓泡装置和破碎装置，所述鼓泡装置和破碎装置连通，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。
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，所述破碎腔体呈圆柱状，所述破碎腔体包括破碎腔壳体和凸台盖，所述破碎腔壳体上连通有混合液进口管和成品出口管，所述混合液进口管与鼓泡装置连通。
优选地，所述破碎腔壳体和凸台盖二者呈相对设置的侧壁上均设置有限位凸台，两个所述限位凸台分别位于破碎腔壳体和凸台盖的中部。
优选地，所述混合液进口管包括竖直段和水平段，所述竖直段与水平段平滑过渡连接，所述竖直段与鼓泡装置连通，所述水平段与破碎腔体连通，且所述水平段管道内壁最上方的母线与破碎腔壳体内壁相切。
优选地，所述成品出口管内壁最上方的母线与破碎腔壳体的内壁相切，且所述成品出口管的轴线与混合液进口管水平段的轴线平行。
优选地，所述凸台盖的中部连接有输出轴，所述输出轴垂直穿过凸台盖的中部并与其转动配合，且所述输出轴穿入破碎腔体内的一端与破碎件同轴紧固连接。
优选地，所述破碎件转动产生的剪切流场与破碎腔体内的泡状流的接触角范围为-15°至+15°。
根据本发明提供的一种连续谱气泡的制作方法，采用权利要求1-9任一项所述的连续谱气泡发生器，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，并使气泡和水分布均匀，再进入所述混合液进口管；S3、泡状流通过所述混合液进口管进入破碎腔体内，驱动件驱动所述破碎件连续转动，泡状流在所述破碎件形成的高速剪切流的作用下在破碎腔体内流动并破碎，经破碎后的泡状流经所述成品出口管流出破碎腔体，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，从而对破碎腔体内的泡状流进行剪切作业，有助于得到连续谱气泡，且操作简单，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、本发明通过与气相基本平行的剪切流对气相进行剪切，且气相与剪切流的夹角在±15°之间，有助于提高对泡状流的剪切破碎的效果；
3、本发明通过成品出口管与混合液进口管呈180度的设计，使泡状流在破碎腔体中有向内壁面的惯性，从而使泡状流与剪切流场接触路程更长，进而有助于提高破碎效果；
4、本发明通过设置在破碎腔壳体和凸台盖上的限位凸台，减小了破碎腔体中心的体积，使气泡-水亮相流尽量沿破碎腔体内壁面运动，从而有助于提高破碎效果。
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爆炸示意图。
图中所示：
Figure BDA0003024428470000031
Figure BDA0003024428470000041
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。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，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24和破碎件26，破碎腔体24由破碎腔壳体22和凸台盖23组合而成。破碎腔壳体22为圆柱筒形，破碎腔壳体22水平安装在混合腔体12的上方，且破碎腔壳体22的轴线与混合腔体12的轴线相互垂直，破碎腔壳体22轴向的一端呈敞开设置，凸台盖23紧固安装在破碎腔壳体22的敞开侧并将其完全封闭，从而形成了破碎腔体24。
破碎件26安装在破碎腔体24的中心位置，破碎件26包括中心轴和两片破碎叶片，两片破碎叶片均焊接固定在中心轴上，且两片破碎叶片位于同一平面内。破碎件26由驱动件带动其做连续的转动运动，驱动件的输出轴25垂直穿过凸台盖23的中部并与其转动配合，且输出轴25穿入破碎腔体24内的一端与破碎件26的中心轴同轴固定连接。输出轴25与凸台盖23的连接处填充有密封件28，密封件28将输出轴25与凸台盖23的连接处进行动密封，从而在不影响输出轴25运动的情况下，防止流体从输出轴25与凸台盖23的连接处流出。
本申请中的驱动件能够控制破碎件26高速转动，破碎件26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26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26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。
破碎腔壳体22和凸台盖23二者呈相对设置的侧壁上均一体成型有限位凸台29，两个限位凸台29分别位于破碎腔壳体22和凸台盖23的中部，且两个限位凸台29的直径均小于破碎腔体24的直径。借助位于破碎腔体24中部的两个限位凸台29，减少了破碎腔体24中心的体积，使泡状流尽量沿破碎腔体24的内壁面运动，由于旋转流场边缘位置的剪切力大于中心位置的剪切力，从而提高了破碎效果。
如图3所示，破碎腔壳体22的侧壁上固定安装有混合液进口管21和成品出口管27，混合液进口管21包括竖直段211和水平段212，竖直段211和水平段212平滑过渡连接，从而使混合液进口管21内的流道变化较为平缓，确保了气泡的均匀性，且水平段212靠近破碎腔壳体22并与其连通，混合液进口管21水平段212管道内壁最上方的母线与破碎腔壳体22的内壁相切。成品出口管27位于混合液进口管21的正上方，成品出口管27内壁最上方的母线与破碎腔壳体22的内壁相切，且成品出口管27的轴线与混合液进口管21水平段212的轴线平行，
成品出口管27的轴线与混合液进口管21水平段212的轴线呈平行设置，且成品出口管27与混合液进口管21的水平段呈一百八十度设置，使泡状流在破碎腔体24内有向内壁面的惯性，从而使泡状流与剪切流场的接触路程更长，提高了破碎效果。且破碎件26转动作用于流体而产生的剪切流场与破碎腔体24内的泡状流的接触角范围为-15°至+15°，实际工作中，破碎件26转动作用于流体而产生的剪切流场与破碎腔体内的泡状流基本平行，提高了剪切效果和泡状流的均匀性。
如图1所示，混合腔体12的混合腔出口16与混合液进口管21的竖直段211之间连接有发展管道3，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的竖直段211的下端同轴固定连接，且发展管道3与混合液进口管21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，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，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；
S3、泡状流经过混合液进口管21进入破碎腔体24内，高速伺服电机驱动破碎件26连续转动，泡状流在破碎件26地作用下在破碎腔体24内流动并破碎，经破碎后的泡状流经成品出口管27流出破碎腔体24，得到成品；通过控制高度伺服电机的转速，从而控制破碎件26的转速，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进入破碎腔体24内，高速伺服电机驱动破碎件26连续转动，泡状流在破碎件26作用流体而形成的高速剪切流的作用下在破碎，且泡状流在破碎腔体24内沿其周向流动，经破碎后的泡状流经成品出口管27流出破碎腔体24，得到成品；通过控制高速伺服电机的转速，从而控制破碎件26的转速，进而控制平行剪切流场的强度，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 (7)

1.一种连续谱气泡发生器，其特征在于，包括鼓泡装置(1)和破碎装置(2)，所述鼓泡装置(1)和破碎装置(2)连通，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(24)和破碎件(26)，所述破碎件(26)设置在破碎腔体(24)内，所述破碎件(26)在驱动件的作用下连续转动，且所述破碎件(26)转动的转速能够通过驱动件控制；
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；
所述破碎腔体(24)呈圆柱状，所述破碎腔体(24)包括破碎腔壳体(22)和凸台盖(23)，所述破碎腔壳体(22)上连通有混合液进口管(21)和成品出口管(27)，所述混合液进口管(21)与鼓泡装置(1)连通；
所述混合液进口管(21)包括竖直段(211)和水平段(212)，所述竖直段(211)与水平段(212)平滑过渡连接，所述竖直段(211)与鼓泡装置(1)连通，所述水平段(212)与破碎腔体(24)连通，且所述水平段(212)管道内壁最上方的母线与破碎腔壳体(22)内壁相切。
2.如权利要求1所述的一种连续谱气泡发生器，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。
3.如权利要求1所述的一种连续谱气泡发生器，其特征在于，所述破碎腔壳体(22)和凸台盖(23)二者呈相对设置的侧壁上均设置有限位凸台(29)，两个所述限位凸台(29)分别位于破碎腔壳体(22)和凸台盖(23)的中部。
4.如权利要求1所述的一种连续谱气泡发生器，其特征在于，所述成品出口管(27)内壁最上方的母线与破碎腔壳体(22)的内壁相切，且所述成品出口管(27)的轴线与混合液进口管(21)水平段(212)的轴线平行。
5.如权利要求1所述的一种连续谱气泡发生器，其特征在于，所述凸台盖(23)的中部连接有输出轴(25)，所述输出轴(25)垂直穿过凸台盖(23)的中部并与其转动配合，且所述输出轴(25)穿入破碎腔体(24)内的一端与破碎件(26)同轴紧固连接。
6.如权利要求1所述的一种连续谱气泡发生器，其特征在于，所述破碎件(26)转动产生的剪切流场与破碎腔体(24)内的泡状流的接触角范围为-15°至+15°。
7.一种连续谱气泡的制作方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的连续谱气泡发生器，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，并使气泡和水分布均匀，再进入所述混合液进口管(21)；
S3、泡状流通过所述混合液进口管(21)进入破碎腔体(24)内，驱动件驱动所述破碎件(26)连续转动，泡状流在所述破碎件(26)形成的高速剪切流的作用下在破碎腔体(24)内流动并破碎，经破碎后的泡状流经所述成品出口管(27)流出破碎腔体(24)，得到成品。
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