CN113562808A - 一种对转水力空化系统 - Google Patents

Abstract

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系统。一种对转水力空化系统，包括空化装置及驱动装置；所述的空化装置包括对称设置的两个叶轮，所述两个叶轮的相对面上分别设有若干齿形结构，相邻齿形结构之间形成空腔；所述空腔一端开口于所述叶轮的中心，另一端开口于叶轮的外缘；两个叶轮在所述驱动装置的作用下，沿相反方向旋转。本发明的对转水力空化系统，当两个叶轮在驱动装置的作用下，沿不同方向对转时，两叶轮之间形成交替的文丘里管结构，对水流产生高强度空化；两个叶轮相对面上的空腔重合后形成周期性的低压区，诱发二次空化；利用空化生成的高温高压及强烈的机械作用杀灭水中的生物体例如微生物、藻类等。

Description

一种对转水力空化系统

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，提供一种对转水力空化系统，该系统采用多种流动控制部件，减弱主动控制系统的复杂性，通过被动控制的方法，形成高强空化，利用空化生成的高温高压及强烈的机械作用，杀灭压载水中的生物体。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种对转水力空化系统，包括空化装置及驱动装置；所述的空化装置包括对称设置的两个叶轮，所述两个叶轮的相对面上分别设有若干齿形结构，相邻齿形结构之间形成空腔；所述空腔一端开口于所述叶轮的中心，另一端开口于叶轮的外缘；两个叶轮在所述驱动装置的作用下，沿相反方向旋转。

进一步优选地，其中一个叶轮上的齿形结构与水平方向平行；另一个叶轮上的齿形结构沿旋转方向与水平方向呈5-15度的倾斜角度。

进一步优选地，所述空化装置还包括设置在所述叶轮外部的蜗壳，所述蜗壳的内壁设有向内突出的W型结构；所述W型结构中间的结构正对两个叶轮的间隙，两侧的结构分别与两个叶轮构成周向文丘里管结构；所述蜗壳设有出液通道。

进一步优选地，所述驱动装置包括两个电机；其中一个电机通过传动装置与中空轴连接，所述中空轴与其中一个叶轮连接；另一个电机通过联轴器与另一个叶轮连接。

进一步优选地，所述中空轴内设有通流管；所述通流管的出口端与所述叶轮的内部空腔连通；入口端连接外部进液设备。

进一步优选地，所述通流管的入口端连接文丘里管，所述文丘里管的另一端切向连接外部进液设备。

进一步优选地，所述的传动装置包括两个锥齿轮和一个换向齿轮，其中两个锥齿轮分别固定在电机轴和中空轴上，所述换向齿轮与两个锥齿轮啮合。

进一步优选地，所述叶轮表面空腔的深度与宽度的比值为1-3。

进一步优选地，所述两个叶轮表面的空腔数量相等。

进一步优选地，所述叶轮表面的空腔数量为8-15个。

本发明的对转水力空化系统，当两个叶轮在驱动装置的作用下，沿相反方向对转时，两叶轮之间形成交替的文丘里管结构，对水流产生高强度空化；两个叶轮相对面上的空腔重合后形成周期性的低压区，诱发二次空化；利用空化生成的高温高压及强烈的机械作用杀灭水中的生物体例如微生物、藻类等。

本发明的系统，结构简单紧凑，处理效率较高，不产生二次危险物质，且能耗较低，体积小，便于在船舶上安装，满足船舶经济性指标。

附图说明

图1为本发明实施例1的对转水力空化系统结构示意图；

图2为实施例1中蜗壳的结构示意图；

图3为实施例1中上叶轮的结构示意图；

图4为实施例1中下叶轮的结构示意图；

图5为实施例1中下叶轮示意图；

图6为实施例1中的中空轴的示意图；

图7为实施例1中对转水力空化系统的半剖视图；

图8为图7的局部放大图；

图9为实施例2的对转水力空化系统结构示意图；

图中：实施例1中：1.第一电机；2. 第一锥齿轮；3.换向齿轮；4.第二锥齿轮；5. 中空轴；5-1. 固定基座；5-2. 上轴肩；5-3. 下轴肩；6.下端盖；7. 下外轴承；8.下外油封；9.蜗壳9-1.类文丘里结构；9-2.锥形结构；10.上端盖；11. 上油封；12.上轴承；13. 上轴；14.联轴器；15. 第二电机；16. 上叶轮；16-1.第一空腔的高度；16-2. 第一空腔的宽度；16-3.第一齿形结构；17. 下叶轮；17-1. 第二齿形结构；17-2. 第二空腔的宽度；17-3第二空腔的高度；17-4. 螺栓固定孔；17-5. 内部空腔；17-6. 中心孔；18.上内油封；19.上内轴承；20. 通流管；21.下内轴承；22.下内油封；23.旋流文丘里管；24.涡流二极管；实施例2中，23.直管。

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。

实施例1 本实施例提供的对转水力空化系统，其整体结构如图1所示，主要包括：第一电机1、中空轴5、蜗壳9；上叶轮16、下叶轮17、第二电机15、旋流文丘里管23、通流管20及涡流二极管24。

如图1所示，上叶轮16和下叶轮17对称设置在蜗壳9内部，两个叶轮之间留有一定间隙。 蜗壳9的上、下两端分别设有上端盖10和下端盖6，中间部分为圆柱形；上端盖10和下端盖6通过螺栓与中间的圆柱部分固定连接。如图2所示，蜗壳9的内壁设有向内突出的W型结构，分别是中间的锥形结构9-2和两侧的类文丘里结构9-1，中间的锥形结构9-2正对着两个叶轮的间隙，两侧的类文丘里结构9-1分别与上叶轮16、下叶轮17构成周向文丘里管，在蜗壳的侧壁形成空化流动；上端盖10连接出液管，用于将处理后的水排出。

如图3所示，上叶轮16的下端面表面均匀分布若干第一齿形结构16-3，齿形结构的数量介于8-15，优选12个。其中，第一齿形结构16-3采用斜齿，沿旋转方向与水平方向呈5-15度的夹角，例如8度，第一齿形结构16-3的横截面呈楔形。相邻的齿形结构之间形成第一空腔，第一空腔的高度16-1与第一空腔的宽度16-2的比值介于1-3之间，例如：本实施例中比值取1，保证水流在第一空腔内流动产生强旋流。

如图4所示，下叶轮17的上端面表面均匀分布若干第二齿形结构17-1，齿形结构的数目与上叶轮16相同。其中，第二齿形结构17-1采用平尺，与水平方向的角度为0。相邻的齿形结构之间形成第二空腔，第二空腔的高度17-3与第二空腔的宽度17-2的比值介于1-3之间，例如：本实施例中比值取1，保证水流在第二空腔内流动产生强旋流。

如图5所示，下叶轮17的下端面设有螺栓固定孔17-4，该螺栓固定孔用来与中空轴5的固定基座5-1进行固定，下叶轮17的中心位置设有中心孔17-6，与中心孔17-6相对的位置，设有内部空腔17-5。

本实施例中，在两个叶轮对转的过程中，上叶轮16的第一空腔与下叶轮17的第二空腔重合，形成周期性的低压区，能够诱发二次空化。

第一电机1的输出轴上固定有第一锥齿轮2，第一锥齿轮2与换向齿轮3啮合；换向齿轮3又与第二锥齿轮4啮合，第二锥齿轮4固定在中空轴5的下端。中空轴5的上端与下叶轮17固定连接。第一电机1输出的扭矩通过第一锥齿轮2和换向齿轮3传递给第二锥齿轮4，进而传递给中空轴5，中空轴5带动下叶轮17旋转。

第二电机15通过联轴器14与上轴13连接，上轴13通过上轴承12、上油封11与上叶轮16连接，第二电机15驱动上叶轮16旋转。

中空轴5的结构如图6所示，上端的固定基座5-1用来与下叶轮17固定，其上预留有螺栓固定孔。中空轴5的上端设有下外轴承7、下外油封8，与下端盖6进行连接。

中空轴5的内壁设有上轴肩5-2、下轴肩5-3，上轴肩5-2固定上内油封18和上内轴承19，下轴肩5-3固定下内轴承21和下内油封22。通流管20布置在中空轴5内，穿过上内轴承19、下内轴承21，其上端与下叶轮17的内部空腔17-5相连，下端连接旋流文丘里管23，旋流文丘里管23和涡流二极管24相连接。旋流文丘里管23为切向进口，通过预旋，强化文丘里管内空化效果。

本实施例中，由于中空轴5内需要布置通流管20，因此，采用两个锥齿轮和一个换向齿轮来传递动力，既能实现下叶轮17的旋转，同时中空轴5内通流管20又不受旋转的影响。

本实施例中的对转水力空化系统，如图7和8所示，工作原理和流程如下：将需要处理的船舶压载水泵入涡流二极管24，通过涡流二极管的强旋作用，析出内含气核，为后续进行连续空化提供气核，后流经切向旋流文丘里管23，由于文丘里管的切向进口有一个切向预旋作用，结合前面流动过程中产生的气核，在文丘里管喉部形成一次预空化流动，后经通流管20进入下叶轮17，通流管20与下叶轮17的内部空腔17-5组成的结构空间，构成微型亥姆霍兹喷嘴，形成脉冲射流通过下叶轮的中心孔17-6进入两个叶轮之间的区域，在旋转离心作用下，沿两个叶轮径向空腔喷出，运动至叶轮边缘位置，强化空腔空化作用。

上叶轮16和下叶轮17分别在两个电机的驱动下，沿相反的方向旋转，其中上叶轮16的旋转方向与其表面的第一齿形结构16-3的倾斜方向一致。两个叶轮相向运动过程中，上叶轮16的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。同时，沿空腔结构喷出的水流到达蜗壳9壁面，通过蜗壳的锥形结构9-2，将流动的液体劈开，形成局部涡旋流动，进入叶轮与蜗壳之间构成的微型文丘里管结构，形成三次空化流动，进一步提高空化效果。并且，叶轮在旋转过程中产生的机械作用，也能够对水中的藻类等生物体起到破碎作用，提高处理效果。处理完的水经上端盖10上的出液管排出。

实施例2本实施例提供的对转水力空化装置，其整体结构如图9所示，基本结构与实施例1相同，所不同的是：本实施例中，通液管的下端通过直管23与外部进液设备连接。

在本实施例中，上、下叶轮上的齿形结构可以对换，例如：下叶轮上的齿形结构采用斜齿，沿旋转方向与水平方向呈5-15的角度，上叶轮的齿形结构采用平尺，与水平方向的夹角为0，此种形式能够实现与实施例1相同的技术效果。

Claims (10)

1.一种对转水力空化系统，包括空化装置及驱动装置；其特征在于：所述的空化装置包括对称设置的两个叶轮，所述两个叶轮的相对面上分别设有若干齿形结构，相邻齿形结构之间形成空腔；所述空腔一端开口于所述叶轮的中心，另一端开口于叶轮的外缘；两个叶轮在所述驱动装置的作用下，沿相反方向旋转。

2.根据权利要求1所述的对转水力空化系统，其特征在于：其中一个叶轮上的齿形结构与水平方向平行；另一个叶轮上的齿形结构沿旋转方向与水平方向呈5-15度的倾斜角度。

3.根据权利要求1所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述空化装置还包括设置在所述叶轮外部的蜗壳，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；所述蜗壳相连的上端盖设有出液通道。

4.根据权利要1所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述驱动装置包括两个电机；其中一个电机通过传动装置与中空轴连接，所述中空轴与其中一个叶轮连接；另一个电机通过联轴器与另一个叶轮连接。

5.根据权利要求4所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述中空轴内设有通流管；所述通流管的出口端与所述叶轮的内部空腔连通；入口端连接外部进液设备。

6.根据权利要求5所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述通流管的入口端连接文丘里管，所述文丘里管的另一端切向连接外部进液设备。

7.根据权利要求4所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述的传动装置包括两个锥齿轮和一个换向齿轮，两个锥齿轮分别固定在电机轴和中空轴上，所述换向齿轮与两个锥齿轮啮合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述叶轮表面空腔的深度与宽度的比值为1-3。

9.根据权利要求1-7任一项所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述两个叶轮表面的空腔数量相等。

10.根据权利要求9所述的对转水力空化系统，其特征在于：所述叶轮表面的空腔数量为8-15个。

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