CN113262656A - 一种变距螺旋叶片以及微纳米泡发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变距螺旋叶片以及微纳米泡发生装置，该微纳米泡发生装置包括顺次连通的射流气泡发生器、变距螺旋剪切器以及回旋加压空化器；射流气泡发生器用于气体和液体混合，并输出大尺寸气泡流；变距螺旋剪切器变距螺旋剪切器轴线处设置有中心圆台以及至少两片变距螺旋叶片，且内壁处含有等距环形凹槽，输出微气泡流；回旋加压空化器包括沿流体流动方向依次连接的收缩段、后喉管及扩张段，输出尺寸更小的微纳米气泡流。本发明提供的微纳米泡发生装置通过高速射流掺气、旋流剪切混合以及回旋加压空化过程，制备了尺寸小、携氧能力强的高活性微纳米泡，且具有制造成本低、操作简单、能耗低等特点。

Description

一种变距螺旋叶片以及微纳米泡发生装置
技术领域
本发明涉及微纳米发泡技术领域，具体涉及一种变距螺旋叶片以及微纳米泡发生装置。
背景技术
微纳米气泡是指气泡发生时直径在数十微米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，例如尺寸小、比表面积大、水中停留时间长、ζ电位高、传质效率高、携氧能力强、可产生羟基自由基等特性。按照微纳米气泡发生机理的差异，微纳米泡的发生方式可分为气液二相流体混合剪切方式、加压减压方式、射流曝气方式、细孔方式、超声波方式和加入界面活性剂的旋转切割法。
气泡的尺寸分布是确定微纳米泡特性的最重要因素。较小的气泡尺寸会增加气液界面面积，从而增加扩散速率，从而使气体滞留。较小的尺寸也会降低气泡上升速度。由于自身增压作用，较小的尺寸也会导致溶解氧增加。但气泡尺寸的降低往往伴随着入口端输入功率的增加，更高的输入功率即更高的能量损失。因此，减小气泡尺寸并减少流经气泡发生器的能量损失是微纳米气泡发生器的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种螺旋变径叶片，可用于气泡导流。
本发明的目的之二是提供一种采用上述螺旋变径叶片的微纳米泡发生装置，可以制造尺寸细小且分散均匀的微纳米泡。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种螺旋变径叶片，所述的变距螺旋叶片横截面由内侧弧线、外侧弧线、内壁线以及外壁线四条线构成，内侧弧线，外侧弧线以及内壁线均为弧线，角度均在80°～100°之间，且内侧弧线与外侧弧线的延长线交于一点；所述变距螺旋叶片函数表达式为
x＝Rsinθ
y＝Rcosθ
Figure BDA0003080747110000021
上式中，x、y、z为螺旋面任意点的坐标值；R螺旋切割片半径；θ为螺旋旋转角度，取值范围0～2π；m为变螺距系数，取值范围0～1。
另一方面，本发明还提供一种微纳米泡发生装置，包括射流气泡发生器以及回旋加压空化器；
所述射流气泡发生器包括前喉管和气液混合室，所述气液混合室呈圆柱圆锥形，所述前喉管的进口端与气液混合室圆锥段连通，所述气液混合室上设有进气管及进液管，气液混合室内设有喷射管，所述喷射管与进气管垂直设置，喷射管与进液管连通，喷射管的喷口为锥角γ在15°～20°之间的锥形喷口，喷口锥形段的长度与所述气液混合室的整体长度相同，
所述回旋加压空化器包括沿着气泡流动方向顺次连通的收缩段、后喉管和扩张段，所述收缩段的内壁上设有逆时针等螺距凹槽，所述收缩段和所述扩张段的纵截面均呈锥形，收缩段的锥角α在11°～14°之间，扩张段的锥角β在50°～60°之间，
该装置还包括变距螺旋剪切器，所述变距螺旋剪切器呈圆柱形，所述气液混合室的圆柱段直径大于所述变距螺旋剪切器的直径，所述变距螺旋剪切器的进口与前喉管的出口端连通，所述变距螺旋剪切器的出口与收缩段的进口端连通，所述变距螺旋剪切器的轴线与喷射管的轴线重合，所述变距螺旋剪切器轴线处设置有沿着气泡流动方向直径逐渐增加的中心圆台，所述中心圆台和变距螺旋剪切器内壁间设置有至少两片沿轴向延伸且与圆台和内壁连接的权利要求1所述的变距螺旋叶片，所述变距螺旋剪切器内壁上还设有等距环形凹槽。
优选的，所述中心圆台的上底面直径为2.5～3.5mm，所述中心圆台锥角为0.6°～1.0°。
优选的，所述等距环形凹槽横截面为直角三角形，直角边为0.5～1.0mm，环形槽的间距为0.5～1.0mm。
优选的，所述等螺距凹槽横截面为半圆形，且直径在1.5～3.5mm。
优选的，所述前喉管、变距螺旋剪切器、收缩段、后喉管及扩张段的纵向长度比为1：8～12：5～6：1：1。
优选的，所述收缩段的大端内径与所述扩张段的大端内径相同。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明将射流曝气技术，变距螺旋剪切技术以及空化技术相结合，制备了微纳米泡发生器。通过高速射流掺气、旋流剪切混合和回旋加压空化过程，形成了尺寸较小、携氧能力强的高活性微纳米泡。本发明公开的微纳米泡发生器具有制造成本低、操作简单、能耗低等特点。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中变距螺旋叶片结构示意图；
图2为本发明的一个实施例中变距螺旋剪切器的结构示意图；
图3为本发明的一个实施例中微纳米泡发生装置的剖切结构示意图；
图中：101-射流气泡发生器；102-变距螺旋剪切器；103-回旋加压空化器；1011-进液管；1012-进气管；1013-喷射管；1014-前喉管；1021-中心圆台；1022-变距螺旋叶片；1023-等距环形凹槽；1024-内侧弧线；1025-外侧弧线；1026-内壁线；1027-外壁线；1031-收缩段；1032-后喉管；1033-扩张段；1034-等螺距凹槽；1035-出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种用于导流的变距螺旋叶片1022，所述变距螺旋叶片1022横截面由内侧弧线1024、外侧弧线1025、外壁线1027以及内壁线1026四条线构成，所述的变距螺旋叶片内侧弧线1024，外侧弧线1025和内壁线1026均为弧线，角度均在80°～100°之间，且内侧弧线1024与外侧弧线1025的延长线交于一点。弧形结构叶片有利于流体在变距螺旋剪切器102中形成旋流，增加流体之间的速度层数量，同时使得流域径向从中心轴线向管壁处逐渐变大，由于离心力的作用，使得轴线附近阻力较大，流体逐渐向管壁处挤压，有利于流体与管壁等距环形凹槽1023之间发生剧烈扰动，造成气泡的碰撞破碎以及剪切破碎。
所述变距螺旋叶片1022函数表达式为
x＝Rsinθ
y＝Rcosθ
Figure BDA0003080747110000041
上式中，x、y、z为螺旋面任意点的坐标值；R螺旋切割片半径；θ为螺旋旋转角度，取值范围0～2π；m为变螺距系数，取值范围0～1。随着螺距逐渐变小，使气液两相在管道流动过程中螺旋流动，使得气液两相流能够充分与叶片表面接触，可实现气体和水的微纳米量级的切割细化和混合。
实施例2
如图3所示，本发明提供一种微纳米泡发生装置，包括顺次连通的射流气泡发生器101、变距螺旋剪切器102以及回旋加压空化器103。
所述射流气泡发生器101包括前喉管1014和气液混合室，所述气液混合室呈圆柱圆锥形，所述前喉管1014的进口端与气液混合室圆锥段连通，所述气液混合室上设有进气管1012及进液管1011，气液混合室内设有喷射管1013，所述喷射管1013与进气管1012垂直设置，喷射管1013与进液管1011连通，且喷射管1013的轴线与所述变距螺旋剪切器102的轴线重合，喷射管1013的喷口为锥角γ在15°～20°之间的锥形喷口，喷口锥形段的长度与所述气液混合室的整体长度相同，锥形结构用于产生高速射流。所述的射流气泡发生器101用于气体和液体混合，其输出端输出大尺寸气泡流。
如图2、图3所示，所述变距螺旋剪切器102呈圆柱形，所述气液混合室的圆柱段直径大于所述变距螺旋剪切器102的直径，所述变距螺旋剪切器102的进口与前喉管1014的出口端连通，大尺寸气泡流通过所述变距螺旋剪切器102的进口进入所述变距螺旋剪切器102，所述变距螺旋剪切器102轴线处设置有沿着气泡流动方向直径逐渐增加的中心圆台1021，所述中心圆台1021和变距螺旋剪切器102内壁间设置有至少两片沿轴向延伸且与圆台和内壁连接的变距螺旋叶片1022(实施例1)，所述变距螺旋剪切器102内壁上设有等距环形凹槽1023，所述变距螺旋剪切器102输出端为微气泡流。
其中，所述的中心圆台1021上底面直径为2.5～3.5mm，所述中心圆台1021锥角φ为0.6°～1.0°，中心圆台横截面直径逐渐增加，变距螺旋切割器内部流域逐渐减小，流体速度逐渐增加，静压逐渐转化为动压，有利于提高流体的湍流强度。
所述回旋加压空化器包括沿着气泡流动方向顺次连通的收缩段1031、后喉管1032及扩张段1033，所述收缩段1031沿朝向所述后喉管1032的方向逐渐收缩，所述收缩段1031的内壁上设有逆时针等螺距凹槽1034，所述扩张段1033从所述后喉管1032向靠近出口1035的方向逐渐扩张。
在本实施方式中，所述等距环形凹槽1023横截面为直角三角形，直角边为0.5～1.0mm，等距环形凹槽1023的间距为0.5～1.0mm。本发明提供的技术方案并不限于等距环形凹槽横截面为直角三角形，也可以是矩形或者半圆形。等距环形凹槽1023可以对旋流状态的高离心力高流速的流体进行强力剪切，从而导致尺寸较大的气泡破碎呈尺寸较小的气泡。
在本实施方式中，所述收缩段1031形成为锥台形结构，所述收缩段的锥角为α为11°～14°，所述收缩段1031内壁上的逆时针等螺距凹槽1034横截面为直径为1.5～3.5mm的半圆形，流域横截面面积逐渐消小，根据伯努利方程可知，此时流体的静压转变为动压，表现为速度增加，静压降低，同时逆时针等螺距凹槽的导流作用使流体产生沿壁面的旋流，造成流层间较大的时均流速梯度，产生较强的黏性剪切力对气泡进行剪切；进入喉管以后，速度达到最大值，流体的湍流强度达到最大值；同时所述扩张段1033形成为锥台形结构，所述扩张段的锥角为β为50°～60°，进入扩张段1033以后，流道突然变大，速度下降，在扩张段管壁附近形成旋涡，能量沿大涡向小涡传递，再转化为流体的内能，流体发生剧烈扰动，产生较强的湍流附加剪应力，同时静压剧烈回升，气泡由于周围压力差较大而被压缩破裂成尺寸较小的气泡。所述收缩段1031的大端内径与所述扩张段1033大端内径相同。其中，所述收缩段1031和所述扩张段1033的锥角指的是锥台形结构的两条母线之间的夹角。
在本实施方式中，所述前喉管1014、变距螺旋剪切器102、回旋加压空化器103、后喉管1032及扩散段1033的纵向长度比为1：8～12：5～6：1：1。
下面具体描述采用图1所示的微纳米泡发生器工作的具体内容。
用水代表通过进液管1011进入射流气泡发生器101的液体，由于喷射管1013管径逐渐变小，动压逐渐变大，形成高速射流，与由进气管1012进入的空气发生强烈的掺混作用，高速射流水流裹挟着空气进入前喉管1014，由于横截面直径的减小，流体静压降低，动压增大，气液两相流在前喉管1014处产生强烈的湍动能，裹挟着气体形成大尺寸气泡；含大尺寸气泡的气液两相流从前喉管1014进入变距螺旋剪切器102，随着变距螺旋叶片1023的螺距逐渐减小及中心圆台1021直径逐渐增大，流体速度逐渐增大，产生的离心力越来越大，导致流体向变距螺旋剪切器102内壁面挤压，并在阶梯状等距环形凹槽1023处收到强力剪切，同时变距螺旋叶片1022对气液两相流产生强制湍流扰动作用，使气液两相流在管道流动过程中旋转流动，湍流程度增加，气泡被剪切、撕裂、掺混形成大量微米级气泡；含微米级气泡的气液两相流切向进入回旋加压空化器103，气液两相流沿着收缩段1031管壁的逆时针等距螺旋槽1034高速回旋进入后喉管1032，造成流层间较大的时均流速梯度，产生较强的黏性剪切力对气泡进行剪切，随后进入扩张段1032，由于流域的突然增大，静压剧烈回升，速度和方向发生明显改变，形成涡流，高速液层与低速液层间发生横向脉动，液层分界面上产生的湍流附加剪应力使离散气泡进一步收到剪切破碎作用，最终形成尺寸更小的微纳米气泡从出口1035流出。该气泡发生装置综合利用射流管、导流叶片和空化管，使气泡在压力变化、旋流剪切、空化碰撞作用下破碎生成微纳米级气泡，气相和液相得到充分混合。
经过尺寸测定和携氧能力试验，所测试到气泡中最小气泡直径为620nm，在60min内能够使废液中含氧量达到4.36mg·L-1，出口气含率达到25.8％。

Claims (7)

1.一种螺旋变径叶片，其特征在于，所述的变距螺旋叶片横截面由内侧弧线、外侧弧线、内壁线以及外壁线四条线构成，内侧弧线，外侧弧线以及内壁线均为弧线，角度均在80°～100°之间，且内侧弧线与外侧弧线的延长线交于一点；所述变距螺旋叶片函数表达式为
x＝Rsinθ
y＝Rcosθ
Figure FDA0003080747100000011
上式中，x、y、z为螺旋面任意点的坐标值；R螺旋切割片半径；θ为螺旋旋转角度，取值范围0～2π；m为变螺距系数，取值范围0～1。
2.一种微纳米泡发生装置，包括射流气泡发生器、回旋加压空化器，
所述射流气泡发生器包括前喉管和气液混合室，所述气液混合室呈圆柱圆锥形，所述前喉管的进口端与气液混合室圆锥段连通，所述气液混合室上设有进气管及进液管，气液混合室内设有喷射管，所述喷射管与进气管垂直设置，喷射管与进液管连通，喷射管的喷口为锥角γ在15°～20°之间的锥形喷口，喷口锥形段的长度与所述气液混合室的整体长度相同，
所述回旋加压空化器包括沿着气泡流动方向顺次连通的收缩段、后喉管和扩张段，所述收缩段的内壁上设有逆时针等螺距凹槽，所述收缩段和所述扩张段的纵截面均呈锥形，收缩段的锥角α在11°～14°之间，扩张段的锥角β在50°～60°之间；
其特征在于，该装置还包括变距螺旋剪切器，所述变距螺旋剪切器呈圆柱形，所述气液混合室的圆柱段直径大于所述变距螺旋剪切器的直径，所述变距螺旋剪切器的进口与前喉管的出口端连通，所述变距螺旋剪切器的出口与收缩段的进口端连通，所述变距螺旋剪切器的轴线与喷射管的轴线重合，所述变距螺旋剪切器轴线处设置有沿着气泡流动方向直径逐渐增加的中心圆台，所述中心圆台和变距螺旋剪切器内壁间设置有至少两片沿轴向延伸且与圆台和内壁连接的权利要求1所述的变距螺旋叶片，所述变距螺旋剪切器内壁上还设有等距环形凹槽。
3.根据权利要求2所述的一种微纳米泡发生装置，其特征在于，所述中心圆台的上底面直径为2.5～3.5mm，所述中心圆台锥角为0.6°～1.0°。
4.根据权利要求2所述的一种微纳米泡发生装置，其特征在于，所述等距环形凹槽横截面为直角三角形，直角边为0.5～1.0mm，环形凹槽的间距为0.5～1.0mm。
5.根据权利要求2所述的一种微纳米泡发生装置，其特征在于，所述等螺距凹槽横截面为半圆形，且直径在1.5～3.5mm。
6.根据权利要求2所述的一种微纳米泡发生装置，其特征在于，所述前喉管、变距螺旋剪切器、收缩段、后喉管及扩张段的纵向长度比为1：8～12：5～6：1：1。
7.根据权利要求2所述的一种微纳米泡发生装置，其特征在于，所述收缩段的大端内径与所述扩张段的大端内径相同。
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