CN114432966A - 一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种利用液体流动中的动能产生流体动力空化的方法和装置，该空化效应反过来以足够的效率和容量同时驱动流体声波空化，将流动的全部能量作为热量和另一空化效应传递给液体，从而在分子和原子水平上产生物理和化学反应。

Description

一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置

技术领域

本发明公开了一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，具体而言涉及流体动力和水声空化现象中气泡的形成和溃灭，以便在这些气泡中实现高压和升温的效果，溃灭可用于加热和触发以及增强液体介质中的物理化学转化。

背景技术

液体介质中发生的空化现象是由于周围压力降低到工作温度下液体的蒸汽压力以下而导致气体和蒸汽气泡的形成、增长和溃灭。最广泛使用的技术是：使用压电换能器在液体中产生声波或压力波，称为水声空化；通过加速液体流经文丘里管或孔板来降低周围压力，称为水声空化。

流体声学方法通过在液体介质中产生声波或压力波来产生空化，从而在这些波的低压阶段产生和生长汽泡，并在这些波的高压循环中坍塌；这些波可以通过机械方式驱动，或者主要通过电子电路产生的电脉冲驱动，电子电路的能量通过电磁或压电换能器传输到储液罐中的静态液体，该换能器可以提供接近所用声能85%的能量传输；在小体积储液罐中以共振模式运行时，效率会进一步提高，并以超声波频率运行，从而使波被储液罐壁反射，并能到达整个体积的液体；每次微气泡内爆都会发出新的冲击波，在静态液体中形成空化链，从而形成球形微气泡，从而增加内爆的强度。这些配置广泛用于化学和食品工业以及制药和实验室实践中的物品清洁。

流体动力空化是液体在文丘里管、锐边或窄孔中快速加速而产生的液体流动中产生的物理现象，根据伯努利原理，会发生剧烈的压力下降，使其降低到液体介质的蒸汽压力以下，产生蒸汽微气泡，之后当文丘里管输出中的速度降低，压力升高时，微气泡就会内爆。由于快速流动的流体会随机分散微气泡内爆产生的压力波的反射，因此水动力空化率略低于在水声空化中获得的空化率。因此在流体动力空化提供最实际有效结果的动态流动中，流体动力空化的优势消失了。与其他方法相比该方法的有效性和效率更高。

发明内容

本发明公开了一种方法和装置，该方法和装置可以直接或通过热交换器加热水或其他液体，甚至可以加热环境，其热力学效率COP（性能系数）大于2，或者相对于提供给输入设备的功率大于200%；此外，可以以相同的效率执行分配给液体空化现象的其他操作，可不受环境温度和空气相对湿度的影响。在封闭加压回路中工作时能够达到150°C以上的温度，以防止工作流体中的汽相发生变化。

目前的空化发生器并不违反能量守恒定律：它仅将液体流动的动能作为摩擦热进行检索，并将空化过程中产生的已知能量加总，即当微气泡在液体中内爆时，蒸汽分子离解和电离产生的能量；此外它还将化学微反应释放的能量作为微气泡内爆时发生的微燃烧，微气泡内爆由1000bar以上的压力和5.000°K以上的温度触发。该发生器可由任何液体流提供动力，维持与工作液体压力成比例的产热。

本发明还可用于防止在管道、水箱、锅炉和其他液压设施中形成矿物沉积物和结垢；还可以有效地用于液体食品加工、酶失活和蛋白质收集。根据原型测试，本发明获得了上述结果，因为它能够在层流缓慢移动的共振室内产生水声空化；仅由流体动力空化的湍流驱动，从而触发大振幅波的产生，引起在层流中产生压力波动，其效率约为压电换能器产生的压力波动的4倍。这种流体动力空化发生器产生高密度的微气泡云，因为能够将液体流分馏，使其以极薄的速度径向分散，其厚度可以根据液体的压力和流动特性、密度和粘度进行外部调节。

所述圆盘的振动运动定义了液体流经间隙的速度和压力波动，从而也产生所述圆盘上游和下游的压力波动，即压力波；同时在狭缝通道中产生水动力空化，在较高流速下产生较小数量的较大直径微气泡，以及以较低的速度产生较大数量的直径较小的微气泡。圆盘运动的振幅可以从几千分之一毫米到超过1毫米不等；其频率取决于工作液体的密度、粘度和压力、施加给弹性元件和圆盘质量的压力，并且可以从可听到的范围调整到数百kHz。所述圆盘的振动运动允许使用非常窄的槽，而不会造成堵塞，也不需要通过负载损失导致能量浪费的细过滤器，因此可以产生更大的空化微气泡云，此外，由于振动和噪声而消散的能量通过在圆柱形腔室（所述共振腔室）内的共振压力波场中转换振动而被利用为有用能量，其中液体的层流缓慢移动；这些波产生高压波动，因此，所述谐振腔为超声系统，其中在低压阶段产生准球形微气泡云，并在每个波的高压峰值处溃灭；振动频率和液体流对压力波的暴露时间都是外部可调的。

附图说明

图1显示了该空化发生器的横截面组装示意图，以及通过箭头显示的装置内的液体路径。

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。

请参阅图1，本发明提供的一种实施例，图1为空化发生器的横截面图，所述高压腔室（1）的一个腔室罐，其形状最好为圆柱形，该高压腔室配备有适于将腔室（1）连接至管道的所述进料管（2）；所述高压室（1）的底部设有一个支架（3），该支架（3）的中心孔上设有内螺纹（4），内螺纹（4）均与高压室（1）的轴线重合，高压室（1）的开口端或边缘设有法兰（5）或其他紧固装置，用于将高压室（1）牢固地连接和密封，在仪器主体的整个剩余部分；位于所述高压室（1）内的圆柱形管，所述涡流管（6）具有侧开口（7），其轴线与所述管（6）圆周相切。

一件式环形分隔器（8），优选盘状和成形法兰边缘（9），适用于与所述高压室（1）的法兰（5）紧密密封连接；所述环形分隔器（7）的一侧具有中心圆柱状突起，在收敛的内轮廓（10）中具有圆形开口，适于以流体密封的方式连接到所述涡流管（6），并且在相对面上具有另一个半圆形横截面凸起（11），位于圆形开口（10）的周围，构成径向和环形文丘里管的一半，文丘里管的外缘横截面形成圆形同心凹槽（12）。

所述半环形圆盘（13）是一个整体，具有一般的圆形形状和法兰边缘（14），适用于密封紧密连接到所述环形分隔器（8）的法兰（9），并具有同心环形凹陷（15），以便在连接到所述环形分隔器（8）时形成横截面环形空腔，面向中心的圆形开口（16）；在其对面有一个矩形截面的圆形突出物（17）。

Claims (8)

1.一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，其特征在于：能够将液体流动的动能或势能转化为热能，方法是将该热能以与液体机械能相同的比例和数量传递给液体，通过流速与压力的乘积，再加上由空化效应引起的物理化学转化释放的热能来表示，由此产生的热能总量超过了液体流动提供的机械能。

2.根据权利要求1所述的一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，其中流体动力空化是通过迫使液体径向流动产生的，液体从中心向外通过径向文丘里管形槽，其中一半是薄圆盘；所述隔膜，当液体压力因其加速度而下降时，隔膜被拉入，此时关闭槽的一部分，从而导致上游压力立即增加，从而驱动隔膜向外建立起振动，并在下游液体体积中产生压力波。

3.根据权利要求1所述的一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，其特征在于，其中所述隔膜可以成形，但不限于作为一个具有弯曲边缘的薄圆盘，形成半环形横截面。

4.根据权利要求1所述的一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，其特征在于：所述隔膜可以成形为（但不限于）具有半球形横截面轮廓的薄圆盘。

5.根据权利要求1所述的一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，其特征在于：所述隔膜可以成形，但不限于具有多个小孔的薄圆盘。

6.根据权利要求1所述的一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，其中所述压力调节器的杆位于同心位置，垂直于所述环形半环形圆盘构件的平面，该圆盘构件一端支撑所述弹簧或支撑所述隔膜的弹性元件，能够纵向移动，从而使所述槽的间隙和所述隔膜在所述环形分隔器的凸起上的压力增大或减小。

7.根据权利要求1所述的一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，所述谐振腔安装有聚焦于所述膜片的开口端，所述膜片的底部用作反射该膜片产生的压力波的装置，所述开口端在所述谐振腔和所述矩形截面凸起的构件之间形成圆形槽，所述矩形截面凸起是另一个所述半环形凸起的一部分环绕所述膜片的环形空腔盘。

8.根据权利要求1所述的一种利用液体流动的动能产生流体动力空化的方法和装置，其中一个圆柱形构件，即所述收集室，配备有排放工作流体的装置，该装置围绕所述谐振室，用于吸收从所述共振室壁发出的声波。

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