CN113351040A - 双回旋高能超微细气泡生成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高能超微细气泡生成技术领域，且公开了双回旋高能超微细气泡生成器，包括双回旋回转型腔体结构，所述双回旋回转型腔体结构的顶端中部开设有进水口。该双回旋高能超微细气泡生成器，气液混合液体从回转体的进水口进入，在导流管作用下沿回旋腔体壁做圆周旋转向两边分流，经加速并加压后，以高速涡旋状态旋转到涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二的顶点后，从顶点的喷射口以高速涡旋喷出，喷出的高压高速涡旋气液混合液体喷射到外部液体的环境中，对外部液体产生电离、溶解等作用，在涡旋过程中，液体中混合的气泡被加速，并且随着加速过程的推进，液体内部压力逐渐增高，气泡被极限压缩，直到喷射后，形成高能微小气泡。

Description

双回旋高能超微细气泡生成器

技术领域

本发明涉及高能超微细气泡生成技术领域，具体为双回旋高能超微细气泡生成器。

背景技术

目前多数使用气液混合技术领域都面临一个技术难题，就是如何提高气体在液体中的溶解度，或者是气体以假溶解方式在液体中长时间停留，以满足气液混合技术使用中的基本要求。

近几年，为了解决这个问题，国际上许多企业陆续推出许多解决提高氧在水中溶解度的手段，包括化学手段和物理手段。单就物理手段而言，目前最好的解决办法是使用气液混合泵，这种气液混合泵可以使水中氧溶解浓度(DO)提高24ppm，动力效率为3.1kg/kw.h，转移效率为30％。

气液混合泵已经解决了部分水中溶解氧的问题，但是由于其输入的气液混合液体中可溶于水的氧气和假溶解于水中的微小气泡(直径50微米以下)的比例不超过30％，因此大量的有用气体仍然没有溶解于水，形成的DO值无法完全满足工艺要求，仍然靠延长污水处理时间解决氧供应问题。另外，气液混合泵的假溶解气体在水中停留时间比较短，单机功率不大(最大功率7.5kw)，无法满足大污水量的要求。

通过气液混合泵的应用，使我们看到了一个前景，就是只要能够把输入水中的气体中绝大部分气泡直径压缩在50微米以下甚至更小，那么通过纯物理手段就能够提高氧溶解浓度，可见，亟需双回旋高能超微细气泡生成器，用于解决上述提到的技术问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了双回旋高能超微细气泡生成器，具备可提高气体在液体中溶解度等优点，解决了现有的溶解度一般的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：双回旋高能超微细气泡生成器，包括双回旋回转型腔体结构，所述双回旋回转型腔体结构的顶端中部开设有进水口，所述进水口贯穿双回旋回转型腔体结构的内顶壁并固定连通有导流管，所述导流管的两侧分别设置有涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二，所述涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二相远离的一端均固定连通有喷射口。

优选的，所述喷射口开设于双回旋回转型腔体结构的两侧，且所述喷射口对称分布于双回旋回转型腔体结构的两侧。

优选的，所述涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二对称分布于双回旋回转型腔体结构的内部两侧，且涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二均与导流管相连通。

双回旋高能超微细气泡生成器的使用方法，包括以下步骤，

步骤a、气液混合液体从回转体的进水口进入，在导流管的作用下沿回旋腔体壁做圆周旋转，并向两边分流；

步骤b、经过涡旋加速回旋体一和涡旋加速回旋体二的加速并加压后，以高速涡旋状态旋转到涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二的顶点后，从顶点的喷射口以高速涡旋喷出；

步骤c、喷出的高压高速涡旋气液混合液体喷射到外部液体的环境中，对外部液体产生电离、溶解等作用；

步骤d、在涡旋过程中，液体中混合的气泡被加速，并且随着加速过程的推进，液体内部压力逐渐增高，气泡被极限压缩，直到喷射后，形成高能微小气泡。

与现有技术相比，本发明提供了双回旋高能超微细气泡生成器，具备以下有益效果：

1、该双回旋高能超微细气泡生成器，气液混合液体从回转体的进水口进入，在导流管的作用下沿回旋腔体壁做圆周旋转，并向两边分流，经过涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二的加速并加压后，以高速涡旋状态旋转到涡旋加速回旋体一与涡旋加速回旋体二的顶点后，从顶点的喷射口以高速涡旋喷出，喷出的高压高速涡旋气液混合液体喷射到外部液体的环境中，对外部液体产生电离、溶解等作用，在涡旋过程中，液体中混合的气泡被加速，并且随着加速过程的推进，液体内部压力逐渐增高，气泡被极限压缩，直到喷射后，形成高能微小气泡。

2、该双回旋高能超微细气泡生成器，利用流体物理原理和微观物理手段，将气液混合泵产生的气液混合液体中的气泡极限压缩，使输入气泡中的绝大部分(超过85％)气泡直径小于50微米，最小直径可以达到300纳米左右，并在气泡上附加了高能量密度的宏观能量，从而使输入液体中的气体绝大部分以溶解态和假溶解态进入液体中，加溶解态气体在水中停留时间很长，能正常发挥溶解气体的作用。

附图说明

图1为本发明双回旋高能微细气泡生成器原理示意图；

图2为本发明双回旋高能微细气泡生成器剖面图；

图3为本发明微纳米气泡与几种典型的物体运动速度对比表格。

其中：1、气液混合液体；2、进水口；3、喷射口；4、导流管；5、涡旋加速回旋体一；6、涡旋加速回旋体二；7、外部液体；8、高压高速涡旋气液混合液体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一

以下是双回旋高能超微细气泡生成器的具体实施方式

请参阅图1-2，本实施方式下的双回旋高能超微细气泡生成器，包括双回旋回转型腔体结构，双回旋回转型腔体结构的顶端中部开设有进水口2，进水口2贯穿双回旋回转型腔体结构的内顶壁并固定连通有导流管4，导流管4的两侧分别设置有涡旋加速回旋体一5与涡旋加速回旋体二6，涡旋加速回旋体一5与涡旋加速回旋体二6相远离的一端均固定连通有喷射口3。

在上述技术方案中，该双回旋回转型腔体结构适合7.5kw以下气液混合泵输出的气液混合液体加速压缩，制造高能微小气泡。

生产这种双回旋回转型腔体结构的微小气泡发生器可以使用机械加工完成，也可以使用模具压铸制造，使用的材料包括工程塑料如PVC和聚四氟乙烯、不锈钢、工程陶瓷如氧化铝等。

本发明实现了高效率生产高能量微小气泡的目的，解决了难溶解气体在液体中高浓度溶解问题，使目标气体在液体中的溶解率超过80％，包括假性溶解在内的溶解率达到80％以上。

同时，由于高速动能、电离能、分子间能、气泡爆炸能等多种能量在微小气泡体上共存，这些结合后使微小气泡拥有超高的粒子能量，能量的级别相当于气体在6000——8000℃条件下的气体分子热运动能量，达到几十万甚至百万电子伏特以上，从而成功地实现了把宏观能量加载在微小气泡这种微观粒子上，制造出来具有高能量密度的微小气泡。

具体的，喷射口3开设于双回旋回转型腔体结构的两侧，且喷射口3对称分布于双回旋回转型腔体结构的两侧。

具体的，涡旋加速回旋体一5与涡旋加速回旋体二6对称分布于双回旋回转型腔体结构的内部两侧，且涡旋加速回旋体一5与涡旋加速回旋体二6均与导流管4相连通。

本实施方式下双回旋回转型腔体结构的基本原理：气液混合泵输出的气液混合液体以固定的压力和流量输入到一个双回旋回转型腔体结构中，在导流管4的导流作用下液体沿回转腔体壁做涡旋运动，最后从回转腔体的回转体终点输出，在保持恒定压力和流量的条件下，因回转腔体直径逐步缩小，液体涡旋转速逐步增加，液体内部压力随着转速增加而逐步加大，液体运动的线速度也随之增加，到回转体终点输出口时，液体的转速、压力和线速度达到最大，在回转腔体输出口形成了液体的高压快速喷射。

由于气液混合液体中的气泡是气液混合泵经过高速旋转的液体对气体产生高速机械切割作用产生的，因此形成的气泡带有部分机械切割电离产生的离子，使气泡形成了离子气团。这些离子气团以比较高的线速度喷射到液体中后，对液体产生了强烈的机械切割电离作用和离子放电电离效应，使液体中产生了大量的正负离子并包围了气泡，在这些离子的作用下，气泡表面张力逐步增高，使气泡的直径越来越小，并随着离子的溶解而逐步溶解在水中，并且这种离子作用力和表面张力全部或部分抵制了液体对气泡产生的浮力作用，使气泡在液体中不再是直线上升，而是长时间停留或者彻底溶解于液体中。

在水体中，由于微纳米气泡受到水的物理(水的流动过程产生的压缩和膨胀，旋涡流等)作用后，会因瞬间绝热压缩而产生超高压超高温的极限反应场，这个极限反应场能与周围的水作用生成高效的OH等的自由基，而自由基分子是非常不稳定的活性物质，为了从其他的分子夺取电子以求自身的电平衡，会发挥出极强的氧化能力，可以分解难分解的有害化学物质。氧气泡进入水中后，因高能和气泡内部压力比较高导致气泡壁具有比较高的张力，发生碰撞或其他条件导致气泡破裂或溶解时，气泡壁的张力作用将释放巨大的爆炸能量——超声波能量，这种超声波具有很强的杀菌作用，可以产生大量的负离子，同时可以促使氧分子溶解于水，破坏污染物与水的共价键连接，也可以破坏污染物内部的化学键连接，活性氧同时发挥作用，完成氧化降解污染物和水质净化。纳米微泡沫的杀菌过程包括吸引与杀灭两个过程，这种带电的气泡可以吸附水体中的细菌与病毒，随着气泡的破裂，激发大量的自由基及破裂所产生的超高温高压，把吸附的细菌病毒杀死。这过程在环境保全型的农业生产中具有更实用的意义。吸附---压坏破裂---释放能量而杀灭病毒病菌微气泡自身具有较强的表面张力，在水中不断收缩，而形成气液临界表面积更大的超细微气泡，最后收缩到一定程度则消失溶解于水体中，这是它具有强大溶氧性的原因所在。而且在收缩的过程中，随着气泡的缩小，气泡内的气压呈反比例地迅速提高，让泡内气体处于超高压状态，这种超高压状态与超高温效应结合，是微气泡产生超声波性状的重要原因所在。

具体实施方式二

以下是双回旋高能超微细气泡生成器的使用方法的实施方式。

请参阅图1，本实施方式下的双回旋高能超微细气泡生成器的使用方法，包括以下步骤，

步骤a、气液混合液体1从回转体的进水口2进入，在导流管4的作用下沿回旋腔体壁做圆周旋转，并向两边分流。

步骤b、经过涡旋加速回旋体一5和涡旋加速回旋体二6的加速并加压后，以高速涡旋状态旋转到涡旋加速回旋体一5与涡旋加速回旋体二6的顶点后，从顶点的喷射口3以高速涡旋喷出。

步骤c、喷出的高压高速涡旋气液混合液体8喷射到外部液体7的环境中，对外部液体7产生电离、溶解等作用。

步骤d、在涡旋过程中，液体中混合的气泡被加速，并且随着加速过程的推进，液体内部压力逐渐增高，气泡被极限压缩，直到喷射后，形成高能微小气泡。

具体实施方式三

以下是压力作用下的具体实施方式。

在同等流量条件下，液体内部的瞬时压力与液体流体的管道截面积成反比。设定进水口恒定压力为P1，出水口瞬时压力为P2，

P1S1＝P22S2

P2＝P1S1/2S2＝P1d12/2d22＝8P1

由于液体内部瞬时压力达到进水口原压力的8倍，使气泡被更紧密压缩，达到原来气泡直径的1/8，即原来的20微米气泡被压缩后，气泡的直径缩减为2.5微米，而原来的0.4mm直径的气泡被压缩到直径50微米。

气液混合泵输出的气液混合液体中，气泡直径正态分布为：0.4mm以下直径的气泡比例为85％以上，其中最小的气泡直径为0.3微米，0.5mm—1mm直径的气泡比例为5—10％。经过高速涡旋加压后，0.4mm以下的气泡转变为50微米以下气泡，最小的气泡直径达到12.5纳米，0.5—1mm气泡转为125微米以下气泡。

在气体溶解理论中，5微米以下直径的气泡可以视为已经溶解的气体(肉眼看不见)，5微米—50微米气泡在水中表现为一种假性溶解状态，即这部分气泡在水中停留时间很长，5—50微米气泡在水中横向、斜向以及向下运动，直到彻底溶解消失；50微米—100微米气泡在水中以极缓慢的速度上升，平均每上升1m需要3.5—4小时，即上升速度为4—8mm/min，并且在上升过程中，随着气体的溶解作用，气泡直径小于50微米后立即停止上升，这种在水中长时间停留过程，我们称之为假性溶解，假性溶解的气体在水中可以发挥正常的溶解气体作用，参与氧化等化学反应。

具体实施方式四

以下是作用于污水处理的具体实施方式。

在污水处理中，由于气泡的运动是由气泡自身能量引发的，高能氧微小气泡在高速运动中使液体被加热到可以随时发生化学反应的临界状态，其中化学反应将以我们不能想象的、也不能从物理的角度推测的速度发生，同时气泡的能量还可以直接打破各种污染物的化学键连接，直接分解各种污染物大分子或者引导氧分子直接进入化学键连接中氧化污染物，使能量对污染物的作用发生在氧化作用之前，从而达到快速氧化降解污染物的目的。

具体实施方式五

以下是动能作用的具体实施方式。

我们设定回转腔体为对称的两个输出端，相关数据为：

V1为进水口水溶液流速，S1为进水口截面积

V2为出水口水溶液流速，S2为出水口截面积

d1为进水口直径，d2为出水口直径，d1＝4d2

回转腔体进水口和出水口流量相等：

V1S1＝2V2S2，S1＝πd12/4，S2＝πd22/4

则出水口水溶液流速L2计算如下：

V2＝V1d12/2d22＝V116d22/2d22＝8V1

由于输入的是气液混合液体，液体的运动速度代表了气泡的运动速度，所以进口气泡动能E1＝1/2mL12，出口气泡动能E2＝1/2L22，当出口速度L2达到进口速度L1的8倍时，粒子出口动能将达到进口动能的64倍，能级产生了跃迁。

一般进水口流速L1的选定范围为20—40米/秒，则出水口流速L2的范围为160—320米/秒。

当氧气泡线速度达到100米/秒以上后，氧气泡就具有了非常高的动能，这种动能足以在有效传输距离(发生断裂化学键和共价键的传输距离)中打破任何污染物与水分子之间的共价键连接和污染物内部的化学键连接，实现水质净化还原和对污染物的氧化降解，此时氧气泡的有效传输距离为0.5—0.8米；

当气泡线速度达到320米/秒时，气泡拥有的动能将倍增，在水中的有效传输距离将提高到3米以上，进一步提高了气泡对污染物的氧化降解作用率和对污水净化的作用。

微纳米气泡与几种典型的物体运动速度对比请参阅图3。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.双回旋高能超微细气泡生成器，包括双回旋回转型腔体结构，其特征在于：所述双回旋回转型腔体结构的顶端中部开设有进水口(2)，所述进水口(2)贯穿双回旋回转型腔体结构的内顶壁并固定连通有导流管(4)，所述导流管(4)的两侧分别设置有涡旋加速回旋体一(5)与涡旋加速回旋体二(6)，所述涡旋加速回旋体一(5)与涡旋加速回旋体二(6)相远离的一端均固定连通有喷射口(3)。

2.根据权利要求1所述的双回旋高能超微细气泡生成器，其特征在于：所述喷射口(3)开设于双回旋回转型腔体结构的两侧，且所述喷射口(3)对称分布于双回旋回转型腔体结构的两侧。

3.根据权利要求1所述的双回旋高能超微细气泡生成器，其特征在于：所述涡旋加速回旋体一(5)与涡旋加速回旋体二(6)对称分布于双回旋回转型腔体结构的内部两侧，且涡旋加速回旋体一(5)与涡旋加速回旋体二(6)均与导流管(4)相连通。

4.双回旋高能超微细气泡生成器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤a、气液混合液体(1)从回转体的进水口(2)进入，在导流管(4)的作用下沿回旋腔体壁做圆周旋转，并向两边分流；

步骤b、经过涡旋加速回旋体一(5)和涡旋加速回旋体二(6)的加速并加压后，以高速涡旋状态旋转到涡旋加速回旋体一(5)与涡旋加速回旋体二(6)的顶点后，从顶点的喷射口(3)以高速涡旋喷出；

步骤c、喷出的高压高速涡旋气液混合液体(8)喷射到外部液体(7)的环境中，对外部液体(7)产生电离、溶解等作用；

步骤d、在涡旋过程中，液体中混合的气泡被加速，并且随着加速过程的推进，液体内部压力逐渐增高，气泡被极限压缩，直到喷射后，形成高能微小气泡。

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