CN113443694A - 自动加压混合溶氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自动加压混合溶氢装置，包括承压电解槽、三通阀、水泵、氢气溶解器、溶氢罐、压力传感器和自动泄压阀；溶氢罐的下部设置有含氢水出口；三通阀与氢气出口、氢气溶解器和水泵经循环管路相连通；氢气溶解器的另一端与溶氢罐的上部相连通，水泵背离的另一端与溶氢罐的下部相连通，压力传感器和自动泄压阀均与溶氢罐的顶部相连通；氢气溶解器包括若干个混合器及收缩管，且收缩管位于与溶氢罐相邻的一端，收缩管与溶氢罐相邻一端的尺寸小于与混合器相邻一端的尺寸。本发明通过水泵驱动，气水在循环管路内不断循环，随着循环次数增加，可以显著提高水中氢的浓度和氢气的溶解均匀性，且溶解的氢气在水中更稳定，不容易再度析出。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种含氢水制备装置，特别是涉及一种自动加压混合溶氢装置。
背景技术
近年来，各国学者研究发现氢气对常见的近百种疾病有明显疗效，比较流行的观点认为氢分子具有选择性抗氧化作用，能主动选择与有害自由基结合生成水，从而消除有害自由基。人体利用氢气的方式之一就是将氢气溶入水中，氢气将水作为载体进入身体消化系统，被吸收后进入血液系统并到达身体的各个器官，从而实现对人体内有害自由基的还原，为氧化损伤产生的疾病提供了一种新的治疗方法，更重要的是对人体预防疾病的发生和衰老提供了一种预防措施。这其中，氢气在水中的浓度，也就是剂量，是决定氢水抗氧化能力最重要的指标。氢气是所有元素中质量最轻的元素，常温常压下以气体形式存在，在标准大气压情况下，氢气在水中的溶解度约为1.6ppm，难以满足治疗要求。为此，将氢气快速、充分地溶解于水中就成为制取氢水的核心技术，这对于即时饮用氢水机，还是高浓度美容仪等需求，都有重要实用价值。但现有的溶氢水制备装置结构和操作普遍比较复杂，制备的氢水中的氢气含量仍然偏低，氢气分布不均且不稳定，且制备过程中耗水量很大，造成水资源的浪费。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自动加压混合溶氢装置，用于解决现有技术中的溶氢水制备装置结构和操作普遍比较复杂，制备的氢水中的氢气含量仍然偏低，氢气分布不均且不稳定，且制备过程中耗水量很大，造成水资源的浪费等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自动加压混合溶氢装置，所述自动加压混合溶氢装置包括承压电解槽、三通阀、水泵、氢气溶解器、溶氢罐、压力传感器和自动泄压阀；所述承压电解槽上设置有进水口、含氧水出口和氢气出口，所述溶氢罐的下部设置有含氢水出口；所述三通阀与所述氢气出口、氢气溶解器和水泵经循环管路相连通；所述氢气溶解器背离所述三通阀的另一端与所述溶氢罐的上部相连通，所述水泵背离所述三通阀的另一端与所述溶氢罐的下部相连通，所述压力传感器和自动泄压阀均与所述溶氢罐的顶部相连通；所述氢气溶解器包括若干个混合器及与混合器相连通的收缩管，且收缩管位于与溶氢罐相邻的一端，所述收缩管与溶氢罐相邻一端的尺寸小于与混合器相邻一端的尺寸。
可选地，所述氢气溶解器两个及以上，两个及以上所述氢气溶解器的连接方式包括串联和/或并联。
可选地，所述氢气溶解器的结构包括正反螺旋结构和交叉插板结构中的一种或两种的结合。
可选地，所述氢气溶解器和循环管路的管径大于等于0.5cm且小于1cm，所述收缩管与所述溶氢罐相邻一端的出口直径大于0.1cm且小于等于0.5cm。
可选地，所述氢气溶解器的总长度大于等于5cm，所述混合器的长度大于等于4cm，所述收缩管的长度小于等于1cm。
可选地，所述水泵与所述溶氢罐的底部相连通，所述溶氢罐的上部还设置有进水阀。
可选地，所述自动加压混合溶氢装置还包括泄压罐，所述泄压罐与所述含氢水出口经出水阀相连通。
可选地，所述三通阀与所述氢气溶解器之间及所述氢气溶解器与所述溶氢罐之间的循环管路上均设置有阀门。
可选地，所述承压电解槽的出口压力不低于0.1MPa，出气量不小于50mL/min。
作为示例，所述溶氢罐内压力小于等于0.5MPa。
作为示例，所述溶氢罐体积不大于1L，所述溶氢罐的内部结构包括中空和填充多孔填充物中的一种或多种的组合。
可选地，所述自动加压混合溶氢装置还包括大气连通阀，所述大气连通阀与所述溶氢罐的顶部相连通。
如上所述，本发明的自动加压混合溶氢装置，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，通过水泵驱动，气水在循环管路内不断循环，随着循环次数增加，可以显著提高水中氢的浓度和氢气的溶解均匀性，且溶解的氢气在水中更稳定，不容易再度析出。同时,本发明可以实现对水的循环利用，减少水资源的消耗。整个装置结构简洁，操作非常方便。
附图说明
图1显示为本发明提供的自动加压混合溶氢装置的结构示意图。
图2-5显示为图1中的氢气溶解器于不同示例中的结构示意图。
元件标号说明
1 承压电解槽
2 水泵
3 溶氢罐
4 出水阀
5 泄压罐
6 阀门
7 氢气溶解器
8 三通阀
9 进水阀
10 大气连通阀
11 自动泄压阀
12 压力传感器
13 循环管路
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
如图1所示，本发明提供一种自动加压混合溶氢装置，所述自动加压混合溶氢装置包括承压电解槽1、三通阀8、水泵2、氢气溶解器7、溶氢罐3、压力传感器12和自动泄压阀11；所述承压电解槽1顾名思义为可以承受一定压力，电解产生氢气和氧气的电解槽，比如可以承受一个大气压以上的压力，以确保自所述承压电解槽1输出的氢气含量具有一定的流量和压力；所述承压电解槽1上设置有进水口、含氧水出口和氢气出口，所述溶氢罐3的下部(优选底部)设置有含氢水出口；所述三通阀8与所述氢气出口、氢气溶解器7和水泵2经循环管路13相连通；所述氢气溶解器7背离所述三通阀8的另一端与所述溶氢罐3的上部相连通，所述水泵2背离所述三通阀8的另一端与所述溶氢罐3的下部(优选底部，有助于降低水泵的功耗)相连通，所述压力传感器12和自动泄压阀11均与所述溶氢罐3的顶部相连通(或者说均设置于溶氢罐3的顶部)，且压力传感器12可以进一步与自动泄压阀11相连接，因而在压力传感器12检测到所述溶氢罐3内的压力超过阈值时，所述自动泄压阀11开启，以释放所述溶氢罐3内压力，确保在制备氢水的过程中，所述溶氢罐3内的压力能维持在合理范围；所述氢气溶解器7包括若干个(即单个或多个)混合器71及与混合器71相连通的收缩管72，且收缩管72位于与溶氢罐3相邻的一端，所述收缩管72与溶氢罐3相邻一端的尺寸小于与混合器71相邻一端的尺寸。三通阀8与承压电解槽1连接，为整个自动加压混合溶氢装置提供有压力的氢气，溶氢罐3中的水在水泵2提供的动力作用下，与氢气形成气液两相流进入氢气溶解器7中，水、气在此管路中充分掺混，实现氢气在水中快速溶解，经收缩管72喷射至溶氢罐3中。根据亨利定律：Pg＝HX，其中，X是所溶解的气体在溶液中的摩尔分数，Pg是平衡时液面上该气体的压力，H是一个常数，即压力与溶解度成正比，压力的提高将显著提高氢气在水中的溶解度，通过提升溶解度和溶解速度两个重要指标，可以快速制取较高浓度的氢水。本发明经改善的结构设计，通过水泵2驱动，气水在循环管路13内不断循环，随着循环次数增加，可以显著提高水中氢的浓度和氢气的溶解均匀性，且溶解的氢气在水中更稳定，不容易再度析出，可以连续稳定地制备出高品质的含氢水。同时，本发明可以实现对水的循环利用，减少水资源的消耗。整个装置结构简洁，操作非常方便。以产氢量为150mL/min电解槽为例，在溶氢罐3容积300mL，0.2MPa保压状态下，不经过水泵2循环直接通过氢气溶解器7输出氢水，氢浓度仅为0.6ppm左右；水泵2循环1分钟后输出氢水，氢浓度不低于1.0ppm；水泵2循环2分钟后输出氢水，氢浓度不低于2.0ppm。同时，压力传感器12对溶氢罐3内的压力进行实时检测，在检测到溶氢罐3内的压力超过阈值时，自动泄压阀11自动开启进行泄压释放以确保泄压罐5内的压力稳定在一个合理的范围，保证整个装置自动、安全而高效地运行。
作为示例，所述溶氢罐3内压力通常小于等于0.5MPa(即溶氢罐3内的阈值压力为0.5MPa)，以免出现泄漏或爆炸风险。
作为示例，所述承压电解槽1的出口压力不低于0.1MPa，出气量不小于50mL/min。在承压电解槽1的氢气出口上使用三通阀8实现水泵2、氢气出口及氢气溶解器7三者的连接，并且将该连接的氢气溶解器7的出口与溶氢罐3上的进口相连，在水泵2的作用下，实现溶氢罐3和循环管道内的氢气和水混合体的循环，在压力和氢气溶解器7的反复作用下实现氢气与水的加压掺混，进而实现氢气较高的溶解度。
作为示例，所述自动加压混合溶氢装置还包括泄压罐5，所述泄压罐5与所述含氢水出口经出水阀4相连通，用于将带压氢水释放进泄压罐5，所述泄压罐5下方带有氢水的出口。
为保证管道内压力，增加氢气溶解器7对气液流动的摩擦剪切效果，作为示例，所述氢气溶解器7和循环管路13的管径D大于等于0.5cm且小于1cm，所述收缩管72与所述溶氢罐3相邻一端的出口直径d大于0.1cm且小于等于0.5cm，以使水产生喷射，以更好地与氢气接触。
作为示例，氢气溶解器7总长度L不小于(即大于等于)5cm，其中混合器71长度不小于(即大于等于)4cm，收缩管72长度不大于(即小于等于)1cm，由此确保氢气与水的充分接触和掺混，使收缩管72出口产生液体喷射，从而使水和管道中弥漫的氢气掺混更加均匀和充分。
本发明在溶氢罐3上设置了出水阀4和进水阀9，可进行补水或放氢水操作，所述溶氢罐3上还可以进一步设置水位传感器(未示出)，以检测内部水位，并在到达预设水位时关闭进水阀9。另外，在另一示例中，所述自动加压混合溶氢装置还包括大气连通阀10，所述大气连通阀10与所述溶氢罐3相连通，所述大气连通阀10的设置高度不低于溶氢罐3的进水阀9的水平高度，优选位于溶氢罐3顶部。大气连通阀10在打开时可以起到平衡溶氢罐3与大气压的作用，可以加快补水和放氢水的速度。
所述氢气溶解器7可以采用静态或动态混合器，当采用静态混合器时，氢气溶解器的结构可以为图2所示的正反螺旋结构，或者为图3所示的交叉插板结构，或者为以上两种结构的结合，或者还可以采用其他结构，只要能促进氢气和水的充分均匀混合即可，此处不做严格限制。
所述氢气溶解器7可以为单个或多个，优选为两个及以上，两个及以上所述氢气溶解器7的连接方式包括串联和/或并联，即所有氢气溶解器7全部并联，具体如图4所示；或者全部氢气溶解器7均串联，具体如图5所示；或者部分氢气溶解器7并联后再与其他的氢气溶解器7串联，本实施例中不做严格限制。所述水泵2与所述溶氢罐3的底部相连通，所述溶氢罐3的上部还设置有进水阀9。当然，在其他示例中，也可以是多个混合器71串联和/或并联后再与同一收缩管72相连接，本实施例中不做严格限制。
作为示例，所述三通阀8与所述氢气溶解器7之间及所述氢气溶解器7与所述溶氢罐3之间的循环管路13上均设置有阀门6，以根据需要开启或关闭相应段管路，提高整个装置的控制灵活性。
作为示例，所述溶氢罐3体积不大于1L，内部结构包括但不限中空、填充多孔填充物中的一种或多种组合，所述溶氢罐3内还可以进一步设置过滤器。
所述自动加压混合溶氢装置还可以包括但不限于PLC控制器等控制器，PLC控制器可与前述的压力传感器12、水位传感器、自动泄压阀11、进水阀9、水泵2等电动控制结构连接，以进一步提高整个装置的自动化水平。
本发明提供的自动加压混合溶氢装置的具体安装过程如下：
如图1所示，先将溶氢罐3下方通过循环管道与水泵2连接，水泵2出口连接至三通阀8，三通阀8连接承压电解槽1上的氢气出口，使其形成气液两相流流入到由混合器71与收缩管72组合成的氢气溶解器7中，氢气溶解器7直接接入到溶氢罐3上形成循环回路；溶氢罐3上方装配自动泄压阀11，确保溶氢罐3内在源源不断进入氢气时压力保持在一个合理的范围；在溶氢罐3下方的出水阀4与泄压罐5相连，以达到泄压缓冲及释放氢水作用。
采用本发明的本发明提供的自动加压混合溶氢装置进行加压混合溶氢的例示性操作流程如下：
1、关闭出水阀4，打开进水阀9及大气连通阀10，通过水泵等方式对溶氢罐3进行加水，直到水位传感器检测到水满为止，然后关闭进水阀9及大气连通阀10；启动承压电解槽1，氢气进入管道和溶氢罐3内使溶氢罐3内部压力逐渐增加，当自动泄压阀11开始泄压后启动水泵2，使溶氢罐3内部水与氢气形成气液两相流并进入到氢气溶解器7中进行充分掺混及收缩管72喷射，并且在溶氢罐3及循环管道内反复溶解循环，使得水中溶解的氢气浓度快速增加；达到设计浓度要求后，关闭承压电解槽1及水泵2，开启出水阀4，将溶氢罐3内压力释放到泄压罐5中，再打开大气连通阀10使溶氢罐3与大气连通，从而放出制备的氢水。当然，在其他示例中，也不一定要等到自动泄压11阀泄压才开始启动水泵，水泵也可以随电解槽同时启动，同样时间也可以满足溶解效果。
2、当水中溶解的氢气快速达到设计浓度后，氢水可存放在溶氢罐3内,通过压力传感器12检测到气体压力降低后或计时一定时间后，启动步骤1，使溶氢罐3内氢水的浓度一直维持在一个合理范围。
为使本发明的技术方案和优点更加突出，下面通过对比例和实施例对本发明的自动加压混合溶氢装置进行进一步的实验验证。其中，对比例和实施例中均使用溶存氢浓度测定试剂来检验水中的氢气溶解度。
对比例1-2
对比例1中不进行气体保压，不进行水循环，直接快速制取氢水，使用产氢气量为150mL/min的承压电解槽，其产生的氢气进入循环管道后，不经过循环，通过氢气溶解器后直接通过阀门放出氢水；对比例2采用与对比例1同样的方式，但使用产氢气量为300mL/min的承压电解槽，其产生的氢气进入循环管道后，不经过循环，通过氢气溶解器后直接通过阀门放出氢水，得到的结果如表所示。
表1对比例1和2的氢气溶解度
实施例1-4
实施例1在对比例1的基础上，使用产氢气量为150mL/min的承压电解槽及1个氢气溶解器，在0.2MPa氢气压下，经过水循环60秒；实施例2中进一步增加循环时间到120秒。实施例3和4则将实施例1和2中的产氢气量为150mL/min的承压电解槽更换成300mL/min的承压电解槽，分别经过水循环60秒和120秒。得到的结果如下表所示。
表2实施例1-4的氢气溶解度
对比例3-4
前述实施例均采用一个氢气溶解器，而本组对比例中，氢气与水泵形成的气液二相混合后增加一组串联的氢气溶解器，经过溶解器后直接导出氢水测量，且对比例3中使用产氢气量为150mL/min的承压电解槽，直接混合导出氢水；而对比例4中将对比例3中的产氢气量为150mL/min的承压电解槽更换为300mL/min的承压电解槽，直接混合导出氢水。对比例3和4的结果如下表所示。
表3对比例3和4的氢气溶解度
实施例5-8
本组的实施例在对比例3和4的基础上，不同产气量的承压电解槽持续产生的氢气进入溶氢罐内，使溶氢罐中氢气压力不断提高，在氢气压力及氢气溶解器以及循环系统等多重作用下将氢水溶解循环时间提高到60s及120s。具体地，实施例5将对比例3的循环时间增加到60s，实施例6进一步增加循环时间到120s；实施例7将对比例4的循环时间进一步的增加到60s，实施例8进一步将循环时间增加到120s，结果如下表所示。
表4实施例5-8的氢气溶解度
实施例9-12
实施例9-12在对应实施例5-8的基础上，将氢气与水泵混合的气液二相混合后2串联氢气溶解器更换成2个并联的氢气溶解器，进一步试验，试验结果如下表所示。
表5实施例9-12的氢气溶解度
实施例13-14
实施例13和14在实施例9和10的基础上，将氢气压力由0.2MPa增加到0.25MPa，使用产气量为150mL/min的承压电解槽进一步试验，其中，实施例13在0.25MPa的氢气压力及溶解器以及循环系统等多重作用下经过60s循环，实施例14将循环时间进一步增加到120s，得到的结果如表6所示。
表6实施例13-14的氢气溶解度
实施例15-16
实施例15和16在实施例13和14的基础上将氢气压力由0.25MPa增加到0.3MPa。具体地，实施例15使用产气量为150mL/min的承压电解槽，2个并联的氢气溶解器，在0.3MPa氢气压力作用下，经过30s循环；实施例16进一步将循环时间增加到60s，得到的结果如表7所示。
表7实施例13-14的氢气溶解度
从上述对比例及实施例可以看到，采用本发明提供的自动加压混合溶氢装置，在同等条件下，可以有效提高水中的氢含量，且可以通过调整氢气压力、承压电解槽的产气量、氢气溶解器的数量和/或连接方式、循环时间等参数中的一个或多个而达到灵活调整氢气在水中的溶解度的目的，可以满足不同的需求。
综上所述，本发明提供一种自动加压混合溶氢装置。所述自动加压混合溶氢装置包括承压电解槽、三通阀、水泵、氢气溶解器、溶氢罐、压力传感器和自动泄压阀；所述承压电解槽上设置有进水口、含氧水出口和氢气出口，所述溶氢罐的下部设置有含氢水出口；所述三通阀与所述氢气出口、氢气溶解器和水泵经循环管路相连通；所述氢气溶解器背离所述三通阀的另一端与所述溶氢罐的上部相连通，所述水泵背离所述三通阀的另一端与所述溶氢罐的下部相连通，所述压力传感器和自动泄压阀均与所述溶氢罐的顶部相连通；所述氢气溶解器包括若干个混合器及与混合器相连通的收缩管，且收缩管位于与溶氢罐相邻的一端，所述收缩管与溶氢罐相邻一端的尺寸小于与混合器相邻一端的尺寸。本发明经改善的结构设计，通过水泵驱动，气水在循环管路内不断循环，随着循环次数增加，可以显著提高水中氢的浓度和氢气的溶解均匀性，且溶解的氢气在水中更稳定，不容易再度析出，可以连续稳定地制备出含氢量高的氢水。同时，本发明可以实现对水的循环利用，减少水资源的消耗。整个装置结构简洁，操作非常方便。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述自动加压混合溶氢装置包括承压电解槽、三通阀、水泵、氢气溶解器、溶氢罐、压力传感器和自动泄压阀；所述承压电解槽上设置有进水口、含氧水出口和氢气出口，所述溶氢罐的下部设置有含氢水出口；所述三通阀与所述氢气出口、氢气溶解器和水泵经循环管路相连通；所述氢气溶解器背离所述三通阀的另一端与所述溶氢罐的上部相连通，所述水泵背离所述三通阀的另一端与所述溶氢罐的下部相连通，所述压力传感器和自动泄压阀均与所述溶氢罐的顶部相连通；所述氢气溶解器包括若干个混合器及与混合器相连通的收缩管，且收缩管位于与溶氢罐相邻的一端，所述收缩管与溶氢罐相邻一端的尺寸小于与混合器相邻一端的尺寸。
2.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述氢气溶解器为两个及以上，两个及以上所述氢气溶解器的连接方式包括串联和/或并联。
3.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述氢气溶解器结构包括正反螺旋结构和交叉插板结构中的一种或两种的结合。
4.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述氢气溶解器和循环管路的管径大于等于0.5cm且小于1cm，所述收缩管与所述溶氢罐相邻一端的出口直径大于0.1cm且小于等于0.5cm。
5.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述氢气溶解器的总长度大于等于5cm，所述混合器的长度大于等于4cm，所述收缩管的长度小于等于1cm。
6.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述水泵与所述溶氢罐的底部相连通，所述溶氢罐的上部还设置有进水阀。
7.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述自动加压混合溶氢装置还包括泄压罐，所述泄压罐与所述含氢水出口经出水阀相连通。
8.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述三通阀与所述氢气溶解器之间及所述氢气溶解器与所述溶氢罐之间的循环管路上均设置有阀门。
9.根据权利要求1所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述承压电解槽的出口压力不低于0.1MPa，出气量不小于50mL/min；所述溶氢罐内压力小于等于0.5MPa，所述溶氢罐体积不大于1L，所述溶氢罐的内部结构包括中空和填充多孔填充物中的一种或多种的组合。
10.根据权利要求1-9任一项所述的自动加压混合溶氢装置，其特征在于，所述自动加压混合溶氢装置还包括大气连通阀，所述大气连通阀与所述溶氢罐的顶部相连通。
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