CN113562807B

CN113562807B - 一种基于对撞冲击的旋转振荡空化装置

Info

Publication number: CN113562807B
Application number: CN202111125578.6A
Authority: CN
Inventors: 别海燕; 任万龙; 郝宗睿
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2041-09-26
Also published as: CN113562807A

Abstract

本发明涉及一种水处理设备，尤其是用于船舶压载水处理的空化装置。一种基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，包括设置在蜗壳内的第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮的上端面设有若干第一齿形结构，相邻的第一齿形结构之间设有第一振荡腔；所述第二叶轮的上端面设有若干第二齿形结构，第二齿形结构之间形成空腔；所述第一叶轮的上端面与所述第二叶轮的上端面相对，两者之间的间隙不超过1mm。本发明的装置，通过两个叶轮中心区域形成撞击流，有效的强化内部流动的掺混效果，形成强烈的剪切空化；叶轮内部的振荡腔使进入叶轮的水形成自激振荡空化射流，与叶轮表面的振荡腔流动相耦合，产生二次耦合空化效应，有利于水处理效果的强化。

Description

一种基于对撞冲击的旋转振荡空化装置

技术领域

本发明涉及一种水处理设备，尤其是一种用于船舶压载水处理的空化装置。

背景技术

众所周知，国际贸易中大部分以海洋航运为主。据统计，国际贸易中80%的运输量都是通过海上运输来进行。船舶空载和满载过程中，水线位置会发生变化，为确保空载航行时的安全性和经济性，需要将船舶部分压载舱注满水，维持空载航行时的水线。

对于空载或处于载荷少的状态下的船舶而言，由于需要确保螺旋桨入水深度以及确保空载时的安全航行等，因而在出港前将港口的水（海水、湖水或河水）取用至压载舱以作为压载水。

船舶压载水中含有大量生物，包括浮游生物、微生物、细菌以及各种物种的卵、幼体或孢子，这些生物在跟随船舶航行的过程中有的因为无法适应温度、盐度等因素的变化而死亡，但有的能够生存下来，并最终随着船舶压载水排入新的环境中。由此导致一个水域的生物或种类繁多的生物组随着压载水传送到另一个地理性隔离水域，如果这些生物因为缺乏天敌或其他原因能够在自然或半自然的生态系统或生境中生长繁殖、建立种群，就可能威胁到这些海湾、河口或内陆水域的生态系统结构及其物种多样性，成为外来入侵种，而且压载水还会传播有害的寄生虫和病原体，甚至可能导致当地物种的灭绝。

随着国际海事组织针对生态入侵引发的环境问题提出新要求，严格控制有危险微生物和病原体的压载水及残留物的转移，有必要对船舶压载水进行处理。现阶段对压载水处理的方式有物理法和化学法，其中物理法包括过滤法、离心分离法、加热法、紫外线处理法，化学法包括电解法及氯化法。考虑船舶压载水的处理量比较大，现阶段的方法处理效率较低，易产生二次危害介质，且能耗较大，严重制约着船舶经济性指标。

空化是由于流体内局部压力低于饱和蒸气压而形成的气泡，气泡经历初生、发展，并溃灭，特别是在溃灭过程，形成高温高压射流，同时伴随着热效应、化学效应和机械效应。在水处理领域可利用空化的各类效应进行压载水处理，其中空化过程中形成的高温高压射流形成强大的力量，破坏微生物的外壁，使微生物失去活性，同时，空化过程中产生大量具有强氧化性的羟基自由基，对受到破壁损坏的微生物进行二次破坏，并对压载水环境中的有害物质进行氧化处理，使其形成不会产生污染的物质，特别是在空化热效应的促进下，其处理效果更佳。

发明内容

本发明的目的是针对现有的船舶压载水处理技术存在的问题，提供一种基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，利用撞击流、自激振荡和空化原理，实现对船舶压载水的处理，达到消毒杀菌的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，包括设置在蜗壳内的第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮的上端面设有若干第一齿形结构，相邻的第一齿形结构之间设有第一振荡腔；所述第二叶轮的上端面设有若干第二齿形结构，第二齿形结构之间形成空腔；所述第一叶轮的上端面与所述第二叶轮的上端面相对，两者之间的间隙不超过1mm。

进一步地，所述第一齿形结构与第二齿形结构的数量相差一个。

进一步地，所述第一振荡腔的下方连接第二振荡腔，第二振荡腔的下端与第一叶轮内部的出通道连通。

进一步地，所述空腔的下方设有第三振荡腔；第三振荡腔的上端开口于所述空腔内，下端与第二叶轮内部的出液通道连通。

进一步地，所述第二齿形结构沿旋转方向与水平方向呈5-15度的倾斜角度。

进一步地，所述蜗壳的内壁设有向内突出的W型结构；所述W型结构中间的峰正对两个叶轮的间隙，两侧的峰分别与两个叶轮构成周向文丘里管结构；与所述蜗壳相连的上、下端盖设有出液通道。

进一步地，所述的第一叶轮和第二叶轮分别通过中空轴连接驱动装置。

进一步地，所述中空轴内设有通液管，所述通液管的一端连接分流喷头，所述通液管的另一端连接旋流文丘里管。

进一步地，所述分流喷头包括轴向空腔和若干径向分支；所述轴向空腔的出口与叶轮的中心孔连通；所述径向分支的出口与叶轮内的出液通道一一相对。

进一步地，所述的驱动装置包括电机、两个锥齿轮和一个换向齿轮，所述两个锥齿轮分别固定在电机轴及中空轴上，所述换向齿轮分别与两个锥齿轮啮合。

本发明的基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，通过两个叶轮中心区域形成撞击流，有效的强化内部流动的掺混效果，形成强烈的剪切空化，为后续叶轮旋转剪切空化提供预空化来流；叶轮内部的振荡腔使进入叶轮的水形成自激振荡空化射流，与叶轮表面的振荡腔流动相耦合，产生复杂空化效应，有利于水处理效果的强化。

附图说明

图1为本发明实施例的基于对撞冲击的旋转振荡空化装置结构示意图；

图2为蜗壳的结构示意图；

图3为第一叶轮的结构示意图；

图4为第二叶轮的结构示意图；

图5为第一叶轮与第一中空轴及第一分流喷头的装配图；

图6为第一中空轴的结构示意图；

图7为第一分流喷头结构示意图；

图8为本发明实施例中基于对撞冲击的旋转振荡空化装置的工作原理图；

图9为图8中第Ⅱ部分的局部放大图；

图中：1. 第一电机；2.第一锥齿轮；3.第一换向齿轮；4第二锥齿轮；5.第一中空轴；5-1.安装基座；5-2. 轴肩；6. 下端盖；

7. 第一分流喷头；7-1.轴向空腔；7-2.径向分支；7-3.径向分支的入口；7-4.轴向空腔的出口；7-5.径向分支的出口；

8. 蜗壳；9. 第二外油封；10.第二外轴承；11.上端盖；12.第三锥齿轮；13. 第二换向齿轮；14. 第四锥齿轮；15. 第二电机；16.第二涡流二极管；17. 第二旋流文丘里管；18.第二中空轴；19.第二通流管；20. 第二分流喷头；

21. 第二叶轮；21-1.空腔；21-2.第二齿形结构；21-3.第二出液通道；21-4第三振荡腔；21-5.第二中心孔；

22. 第一叶轮；22-1.第一齿形结构；22-2.凹槽；22-3.第一振荡腔a；22-4.第一振荡腔b；

22-5.第一出液通道；22-6.第一中心孔；22-7.第二振荡腔；22-8.入口；22-9.出口；

23. 第一外油封；24. 第一外轴承；25.第一通流管；26.第一旋流文丘里管；27.第一涡流二极管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

本发明提供的其中一个实施例是：基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，其整体结构如图1所示，主要包括蜗壳8、设置在蜗壳8内部的第一叶轮22和第二叶轮21，第一叶轮22通过第一中空轴5连接第一电机1；第二叶轮21通过第二中空轴18连接第二电机15。

蜗壳8的壳体呈圆柱形，上、下端分别设有上端盖11和下端盖6，上端盖11和下端盖6分别通过螺栓与蜗壳8连接固定。其中，蜗壳8的结构如图2所示，该蜗壳8内部向内部突出形成W型结构，其中W型结构中间的峰正对着两个叶轮的间隙，两侧的峰与第一叶轮22、第二叶轮21的侧壁构成周向文丘里管，能够使水流在蜗壳侧壁形成空化流动。W型结构两侧的峰与第一叶轮22、第二叶轮21侧壁的间距不超过1.5mm，确保侧壁空化流的形成。

如图3所示，第一叶轮22的中部设有第一中心孔22-6，第一叶轮22的上端面设有若干等间距布置的第一齿形结构22-1，相邻的第一齿形结构22-1之间设有两个串联的第一振荡腔，第一振荡腔a22-3的入口与第一叶轮22内的第一中心孔相通，第一振荡腔a22-3的出口与第一振荡腔b22-4的入口相连，第一振荡腔b22-4的出口通过一段槽型空腔延伸至叶轮的外缘。

在两个第一振荡腔的下方，设有两个径向并联的第二振荡腔22-7；两个第二振荡腔22-7的出口分别与两个第一振荡腔连通，每一个第二振荡腔22-7的出口22-9分成两个腔出口，每个腔形成一个扩散管路，将第二振荡腔22-7内形成的高频流动，扩散至第一振荡腔的进、出口，形成流动耦合振荡。

在第一叶轮22的内部设有若干第一出液通道22-5，第一出液通道22-5的数量与齿形结构的数量相同，位于第二振荡腔22-7的下方，第一出液通道22-5的内端与第一叶轮22的内部空腔连通，第一出液通道22-5的顶部与第二振荡腔22-7的入口22-8相通。

在第一齿形结构22-1的外端设有凹槽22-2，该凹槽采用亥姆霍兹喷嘴结构，通过叶轮的旋转，共振边界流，加速边界层能量，提高叶轮边缘部分的空化强度，增加系统的空化效应。

如图4所示，第二叶轮21的中部设有第二中心孔21-5，第二叶轮21的上端面设有若干等间距布置的第二齿形结构21-2，第二齿形结构21-2沿旋转方向倾斜一定角度，如图中β角，β角在5-15°之间。第二齿形结构的数量与第一齿形结构的数量不同，可以多一个齿或者少一个齿，避免两个叶轮对转过程中产生共振。

相邻的第二齿形结构21-2之间形成长槽形的空腔21-1，空腔21-1的下方设有两个径向并联的第三振荡腔21-4，第三振荡腔21-4的结构与第一叶轮22内的第二振荡腔结构相同，第三振荡腔21-4的出口分成两个腔出口连通于空腔21-1内，每个腔形成一个扩散管路，将第三振荡腔21-4内形成的高频流动，扩散至空腔21-1内，形成流动耦合振荡。

在第二叶轮21的内部设有若干第二出液通道21-3，第二出液通道21-3的数量与齿形结构的数量相同，位于第三振荡腔21-4的下方，第二出液通道21-3的内端与第二叶轮21的内部空腔连通，第二出液通道21-3的顶部与第三振荡腔21-4的入口相通。

第一叶轮22和第二叶轮21的上端面，也就是齿形结构面相对，二者之间的间隙不超过1mm。两个叶轮中心孔同心，中心通液，保证对撞效果。

如图1、5、6所示，第一叶轮22的下方连接第一中空轴5，第一叶轮22的下端面与第一中空轴5上部的安装基座5-1通过螺栓固定连接。第一中空轴5通过第一外轴承24和第一外油封23与下端盖6固定。

如图6所示，第一中空轴5的内壁设置上下两个轴肩5-2，在第一中空轴5内布置有第一通流管25，第一通流管25分别通过上、下两组内轴承和内油封固定在第一中空轴5的轴肩5-2处。

第一通流管25的上端连接第一分流喷头7，第一分流喷头7嵌入第一叶轮22的内部空腔。第一分流喷头7的结构如图7所示，由轴向空腔7-1和若干径向分支7-2组成，径向分支的入口7-3与轴向空腔7-1相通。轴向空腔的出口7-4与第一叶轮22内的第一中心孔22-6连接，径向分支的出口7-5与第一叶轮22内的第一出液通道22-5一一对应。

第一中空轴5的下端固定有第二锥齿轮4，第一电机1的电机轴上固定有第一锥齿轮2，第一锥齿轮2和第二锥齿轮4分别与第一换向齿轮3啮合。在第一电机1和第一中空轴5之间的间隙内设有第一旋流文丘里管26，第一旋流文丘里管26上端与第一通流管25的下端连接，第一旋流文丘里管26的下端切向连接第一涡流二极管27。

第二叶轮21的上方连接第二中空轴18，第二叶轮21的下端面与第二中空轴18上部的安装基座通过螺栓固定连接。第二中空轴18通过第二外轴承10和第二外油封9与上端盖11固定。

第二中空轴18的结构与第一中空轴5相同，内壁设置两个轴肩，在第二中空轴18内布置有第二通流管19，第二通流管19分别通过上、下两组内轴承和内油封固定在第二中空轴18的轴肩处。

第二通流管19的下端连接第二分流喷头20，第二分流喷头20嵌入第二叶轮21的内部空腔。第二分流喷头20的结构与第一分流喷头7相同，由轴向空腔和若干径向分支组成，径向分支的入口与轴向空腔相通。轴向空腔的出口与第二叶轮21内的第二中心孔连接，径向分支的出口与第二叶轮21内的第二出液通道21-3一一对应。

第二中空轴18的上端固定有第三锥齿轮12，第二电机15的电机轴上固定有第四锥齿轮14，第三锥齿轮12和第四锥齿轮14分别与第二换向齿轮13啮合。在第二电机15和第二中空轴18之间的间隙内设有第二旋流文丘里管17，第二旋流文丘里管17下端与第二通流管19的上端连接，第二旋流文丘里管17的上端切向连接第二涡流二极管16。

本实施例的基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，在进行船舶压载水处理的过程中，其工作原理和水流走向如图8和图9所示，具体为：

第一电机1通过第一锥齿轮2、第一换向齿轮3、第二锥齿轮4带动第一中空轴5转动，第一中空轴5带动第一叶轮22旋转。第二电机15通过第三锥齿轮12、第二换向齿轮13、第四锥齿轮14带动第二中空轴18转动，第二中空轴18带动第二叶轮21旋转。第二叶轮21沿着斜齿面的倾斜方向旋转，通过沿斜齿方向转动，形成周期性的文丘里管流动，从而加速系统内空化的产生，同时保证第一叶轮22和第二叶轮21的旋转方向相反。

将需要处理的压载水分别从两端泵入第一涡流二极管27、第二涡流二极管16进行气核析出，为后续进行连续空化提供气核，后续分别流经第一旋流文丘里管26进入第一通流管25、流经第二旋流文丘里管17进入第二通流管19，经第一分流喷头7进入第一叶轮22和经第二分流喷头20进入第二叶轮21内。进入第一叶轮22内的水流通过第一分流喷头7分为两部分，一部分从轴向空腔的出口经叶轮的中心孔流出。第一叶轮22及第二叶轮21中心的液体，相向运动，在进口压力的作用下，具有一定动能，形成撞击流，对撞过程中，前期析出的气核与压载水充分混合，为后续进一步空化提供气核必要条件；同时，高速流体运动过程形成剪切空化，形成具有一定能量的气泡群，沿叶轮齿间间隙继续流动；进入两个叶轮的中间间隙，进而流入第一齿形结构之间串联的两个第一振荡腔内，在叶轮高速旋转产生的离心力作用下，产生空化，伴随自激振荡作用产生高强度空化。另一部分水流，经过第一分流喷头7的径向分支喷入第一叶轮22的出液通道，然后再经第二振荡腔的入口进入第二振荡腔，在第二振荡腔内产生自激振荡后，在出口处分成两个腔进入第一振荡腔内，串联的两个第一振荡腔形成振荡流动，当流速增加时，产生振荡空化流动；第二振荡腔的水流通过自激振荡，进入第一振荡腔内影响第一振荡腔内水流的振荡流动，由于振荡流动的耦合效应，形成强烈的流场压力脉动，为后续进一步空化提供条件。两部分水流在第一振荡腔内合流后进入蜗壳内的周向文丘里管结构内进一步空化后，经过下端盖6上的出流口流出。

同理，进入第二叶轮21的水流通过第二分流喷头20分为两部分，一部分从轴向空腔的出口经叶轮的中心孔流出进入两个叶轮的中间间隙，进而流入第二齿形结构之间的空腔内，由于第二齿形结构表面具有5-15°的斜面，在高速旋转过程中，斜齿面形成文丘里管流动，产生空化气泡云。同时在两个叶轮对转的过程中，两个叶轮上的空腔重合，形成周期性的低压区，能够诱发二次空化。

另一部分水流，经过第二分流喷头20的径向分支喷入第二叶轮21的出液通道，然后再经第三振荡腔的入口进入第三振荡腔，在第三振荡腔内产生自激振荡后，在出口处分成两个腔进入第二齿形结构之间的空腔内，与空腔内的水流形成振荡流动的耦合效应，两部分水流在空腔内合流后进入蜗壳内的周向文丘里管结构内进一步空化后，经过上端盖11上的出流口流出。

同时，由于第一叶轮与第二叶轮的高速相向旋转，配合第二叶轮上的斜齿结构，形成叶轮平面上的文丘里管流动；结合第一叶轮及第二叶轮内部的振荡腔的振荡作用，整体加强了叶轮附近的空化强度，强烈的空化效应有利于压载水内含藻类、细菌、化学物质等杂质的处理。

本实施例中，船舶压载水在装置内经过多级空化作用，并与自激振荡作用耦合，能够显著提高水处理的效率及处理效果，使处理后的水达到排放要求。

Claims

1.一种基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，其特征在于：包括设置在蜗壳内的第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮的上端面设有若干第一齿形结构，相邻的第一齿形结构之间设有第一振荡腔；所述第二叶轮的上端面设有若干第二齿形结构，第二齿形结构之间形成空腔；所述第一叶轮的上端面与所述第二叶轮的上端面相对，两者之间的间隙不超过1mm；所述第一振荡腔的下方连接第二振荡腔，第二振荡腔的下端与第一叶轮内部的出通道连通；空腔的下方设有第三振荡腔；第三振荡腔的上端开口于空腔内，下端与第二叶轮内部的出液通道连通；所述的第一叶轮和第二叶轮分别通过中空轴连接驱动装置；所述中空轴内设有通液管，所述通液管的一端设有分流喷头，所述通液管的另一端连接旋流文丘里管；所述分流喷头位于叶轮的内部空腔内；所述分流喷头包括轴向空腔和若干径向分支；所述轴向空腔的出口与叶轮的中心孔连通；所述径向分支的出口与叶轮内的出液通道一一相对。

2.根据权利要求1所述的基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，其特征在于：所述第一齿形结构与第二齿形结构的数量相差一个。

3.根据权利要求1所述的基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，其特征在于：所述第二齿形结构沿旋转方向与水平方向呈5-15度的倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，其特征在于：所述蜗壳的内壁设有向内突出的W型结构；所述W型结构中间的峰正对两个叶轮的间隙，两侧的峰分别与两个叶轮构成周向文丘里管结构；与所述蜗壳相连的上、下端盖设有出流口。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于对撞冲击的旋转振荡空化装置，其特征在于：所述的驱动装置包括电机、两个锥齿轮和一个换向齿轮，所述两个锥齿轮分别固定在电机轴及中空轴上，所述换向齿轮分别与两个锥齿轮啮合。