CN114849503A - 一种溶气设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种溶气设备，涉及气液强化传质和微气泡发生技术领域，该溶气设备包括顺次连接并连通的射流喷嘴、罐体组件和出水管，射流喷嘴的内径从远离罐体组件向靠近罐体组件的方向减小，射流喷嘴上设有进气管，罐体组件包括外罐体和设于外罐体内的中空内筒，中空内筒沿着外罐体的轴向设置，出水管安装在外罐体的末端。本发明借助射流喷嘴、外罐体和中空内筒等核心部件，采用射流破碎、液面撞击、射流卷吸、内筒环流等强化气液接触的方式来强化溶气，本发明的溶气设备具有结构紧凑、占地面积小、溶气效率高、不易堵塞、运行维护成本低等优势，可独立作为溶气水制备装置，也可通过连接溶气释放式用于产生高质量微气泡。

Description

一种溶气设备

技术领域

本发明涉及气液强化传质和微气泡发生技术领域，尤其是涉及一种溶气设备。

背景技术

溶气设备作为一类典型的气液接触设备在工程实际中应用广泛，尤其是作为溶气释放式微气泡发生技术的重要前端设备，其溶气性能的优劣或溶气量的多寡直接决定着后端的成泡数量和质量。溶气设备的性能越好，相同水量下能够溶解更多的气体，在经过溶气释放器减压释气时会产生更高数密度的微气泡。目前常用的溶气水制备方法包括溶气泵、溶气罐、溶气管等，其中溶气罐具有结构简单、运行稳定、耐冲击能力强等特点，因此在工程实际中最为常见，但同时也存在溶气效率低、占地面积大、运行能耗高等缺点。

在溶气罐的结构设计创新发展方面，按内构件的结构特点可分为填料式、射流式、内筒溢流式、旋流式和涡流式等；用以提高溶气设备溶气性能的内构件，也逐渐从易堵塞的规整填料发展为专用的流体力学组件，包括射流器、内筒、螺旋导叶片、微孔板、涡流板等。但客观而言，单一结构的流体力学组件存在技术局限性，难以实现溶气效率的进一步大幅提升。因此，基于多效协同溶气的理念，开展溶气罐内部流体力学组件的复合化设计是实现低能耗、高效率溶气的有效途径。

由此，相关从业者提出多种类型的溶气罐新结构，例如，专利CN113045075A介绍了一种溶气系统、溶气方法及污水处理系统，其中溶气方法是指水流经过分散后与高压气体相遇形成溶气水，再通过罐内曝气器再次溶气。采用上述多级溶气方式提高气体利用效率，但同时存在结构复杂、填料层易堵塞、运行能耗高等缺点。专利CN106006811A提出了一种高效气浮溶气装置，主体结构包括溶气罐体、进水射流器和空气回流气管，通过设置空气回流气管，将射流器与溶气罐体连通。工作过程中，高压水流通过射流装置时形成负压，罐内空气通过空气回流气管被吸入射流装置并进行充分气水混合后进入溶气罐。遗憾的是，所述溶气罐体为立式空罐结构，溶气效率具有较大的提升空间。专利CN108579485A则介绍了一种溶气设备及溶气方法，其根源于奥地利Krofta Waters International (KWI)公司在溶气管（ADT）的基础上设计研发的第三代高效溶气反应器（ADR）（专利号FR2941384A1）。该溶气设备的特点是水从罐体上部切向进入，利用罐内上部圆柱面和中心竖直排气管相应高度外圆柱面上固定连接的辐射状多列排布的实心圆柱小棒，将液体分散为小水滴，有效增加了气液接触面积。客观而言，该发明的溶气设备内部构件较为复杂，加工成本相对较高。专利US 2002/0066970 A1同样介绍了一种溶气装置及方法，主体结构由气泡碰撞腔、螺旋叶片、气泡回流气管等组成，其中气泡碰撞腔由扩张腔和圆柱腔组成。其特点是首先利用扩张腔降低水流流速至气泡浮升速度，以提高气泡在罐体内的水力停留时间，进而提升溶气效率；其次利用圆柱腔内的螺旋叶片将气泡竖直运移方向变为水平方向以提高气泡的浮升速率，同时利用离心力将未溶解的气泡汇集至叶片中心并由回流气管重新进入扩张腔，以提高气体利用率。但客观而言，该发明中回流气管开设的微小孔口结构存在易堵塞的风险。

基于此，如何提供一种占地面积小、操作简单、运行维护成本低以及溶气效率高的溶气设备成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种溶气设备，以解决现有技术中采用的溶气设备存在占地面积大、操作复杂、运行维护成本高以及溶气效率低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种溶气设备，包括顺次连接并连通的射流喷嘴、罐体组件和出水管，所述射流喷嘴的内径从远离所述罐体组件向靠近所述罐体组件的方向减小，所述射流喷嘴上设有进气管，所述罐体组件包括外罐体和设于所述外罐体内的中空内筒，所述中空内筒沿着所述外罐体的轴向设置，且在所述外罐体内盛放的液体的作用下能上下浮动，所述出水管安装在所述外罐体的末端。

优选地，所述射流喷嘴包括顺次设置的直管段、收缩段和喉管段，所述直管段、所述收缩段和所述喉管段一体成型，所述进气管与所述喉管段连通。

优选地，所述收缩段的收缩角为20°-25°，所述进气管的内径与所述直管段的内径之比为0.2-0.4，所述喉管段的内径与所述直管段的内径之比为0.5-0.6。

优选地，还包括回流气管，所述回流气管一端与所述外罐体连通，另一端与所述喉管段的横向段连通。

优选地，所述回流气管的首尾端同时与所述喉管段和所述外罐体垂直。

优选地，所述外罐体的上方设有同轴螺栓连接的下端面法兰和上端面法兰，所述外罐体通过所述下端面法兰和所述上端面法兰与所述喉管段连接并连通。

优选地，所述中空内筒的下方同轴设有稳流板。

优选地，所述稳流板与所述中空内筒下边缘间距与所述中空内筒内径之比为0.5-0.8，所述稳流板的外径与所述中空内筒的外径之比为1.5-2.5。

优选地，所述外罐体包括直筒段、锥形筒体和下封头，所述直筒段、所述锥形筒体和所述下封头一体成型，所述出水管安装在所述下封头上。

优选地，所述中空内筒的长径比为2-4，所述中空内筒的内径与所述直筒段的内径之比为0.6-0.8，所述锥形筒体的张角为8°-10°，所述下封头设为椭圆封头。

本发明提供的溶气设备，具有以下技术效果：

该种溶气设备，包括顺次连接并连通的射流喷嘴、罐体组件和出水管，罐体组件包括外罐体和中心内筒，本发明基于罐内多级溶气的理念，借助射流喷嘴、外罐体和中空内筒等核心部件，采用射流破碎、液面撞击、射流卷吸、内筒环流等强化气液接触的方式来强化溶气，本发明的溶气设备具有结构紧凑、占地面积小、溶气效率高、不易堵塞、运行维护成本低等优势，可独立作为溶气水制备装置，也可通过连接溶气释放器用于产生高质量微气泡。

同时，为提高注气的利用率，改变常规顶端设置排气阀的方式，本发明采用回流气管将未能充分溶解的气体回流至射流喷嘴的喉管段进行二次利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例溶气设备的立体结构示意图；

图2是图1中溶气设备的射流喷嘴的结构示意图；

图3是图1中溶气设备的气相体积分布云图；

图4是图1中溶气设备的速度分布云图；

图5是图1中溶气设备的湍能耗散率分布云图。

其中，图1-图5：

1、射流喷嘴；11、直管段；12、收缩段；13、喉管段；131、横向段；

2、外罐体；21、直筒段；22、锥形筒体；23、下封头；

3、出水管；4、下端面法兰；5、上端面法兰；6、中空内筒；7、稳流板；8、回流气管；9、进气管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。

如图1所示，为本发明溶气设备的立体结构示意图，包括顺次连接并连通的射流喷嘴1、罐体组件和出水管3。

如图1和图2所示，射流喷嘴1包括顺次设置的直管段11、收缩段12和喉管段13，直管段11、收缩段12和喉管段13一体成型，进气管9安装在喉管段13的横向段131上，收缩段12的收缩角为20-25°，进气管9内径与直管段11内径之比介于0.2-0.4，喉管段13内径与直管段11内径之比为0.5-0.6。

需要说明的是，射流喷嘴1不局限于直管段11、收缩段12和喉管段13的三段式结构，只要射流喷嘴1的内径从远离罐体组件向靠近罐体组件的方向减小，均在本发明的保护范围之内，本发明对于射流喷嘴1的具体结构不作限定。

如图1所示，罐体组件包括外罐体2和中空内筒6，中空内筒6设于外罐体2内，中空内筒6沿着外罐体2的轴向设置，当外罐体2内盛放液体时，中空内筒6在液体浮力的作用下，能够上下浮动，出水管3安装在外罐体2的末端，外罐体2的上方设有同轴螺栓连接的下端面法兰4和上端面法兰5，外罐体2通过下端面法兰4和上端面法兰5与喉管段13连接并连通。

需要说明的是，本发明的中空内筒6优选为圆柱型，但是不局限于圆柱形，只要能够达到通过液体和气体的目的，均在本发明的保护范围之内。

而外罐体2又包括直筒段21、锥形筒体22和下封头23，中空内筒6长径比为2-4，中空内筒6内径与直筒段21内径之比为0.6-0.8，锥形筒体22张角为8-10°，下封头23为标准椭圆封头，下端面法兰4与上端面法兰5同轴连接，中空内筒6同轴安装在锥形筒体22内，出水管3安装在下封头23上。

如图1所示，稳流板7同轴安放在中空内筒6下方，稳流板7与中空内筒6下边缘间距与中空内筒6内径之比为0.5-0.8，稳流板7外径与中空内筒6外径之比为1.5-2.5，稳流板7能够避免射流冲击产生的大气泡直接进入外罐体2的底部并随底流口排出，从而影响溶气水的稳定性。

稳流板7优选为圆形，但是不局限于圆形，只要能够达到避免射流冲击产生的大气泡直接进入外罐体2的底部并随底流口排出，均在本发明的保护范围之内。

如图1所示，还包括回流气管8，回流气管8一端与外罐体2连通，另一端与喉管段13的横向段131连通，回流气管8的首尾端同时与喉管段13和外罐体2垂直。

工作过程为：

（1）水流首先通过射流喷嘴1的直管段11进入，并经收缩段12缩颈后水流流速增大、静压力降低，外界空气由进气口自吸进入，并在喉管段13内水流剪切作用下分散生成毫米级气泡，完成一次强化溶气；

（2）随后，气泡流射流撞击外罐体2内液面，强化气泡的扩散溶解，同时在射流卷吸效应下将上部气腔内的气体引入外罐体2内强化溶解，进行二次强化溶气；

（3）最后，通过设置中空内筒6的方式，在锥形筒体22内形成环流，提高气液两相之间的碰撞接触时间，从而完成三次强化溶气。

此外，为提高注气利用率，本发明的外罐体2采用上细下粗的正锥形结构，有助于未溶解的气泡能够迅速上浮至液面。通过在气腔区域设置的回流气管8进入射流喷嘴1的喉管段13，进而实现注气的有效利用。

本发明提供的溶气设备，与常规溶气设备相比具有如下特点：

（1）基于“射流喷嘴1+中空内筒6”的组合构件，利用射流卷吸、射流扩散和气升环流等效应实现立式溶气设备的三次强化溶气。

（2）上细下粗的外罐体2结构设计，使得轴向水流速度逐渐减小而未溶解气泡的浮升速率增加，显著增升气泡与液相间的传质时间，同时随着静压力的不断增大，溶气推动力增加，溶气效率随之提升。

（3）回流气管8的设计，将喉管段13与外罐体2的内气腔连通，有效提高的注气的循环利用率。

为了进一步证明本发明溶气设备的溶气效率，如图3-5所示，为溶气设备运行效果的计算流体动力学(CFD)数值模拟相关展示。

具体而言，设置进水边界为速度入口（Velocity Inlet），注气口边界为压力入口（Pressure Inlet），出水口边界为压力出口（Pressure Outlet），图3-5分别展示了本面的溶气设备的气相分布云图、速度云图和湍能耗散率云图。

（1）气相体积分布模拟结果分析

图3为截取x=0平面的气相体积分布云图。从图中可以看出，外罐体2上方为空气聚集区，下方为液相区。外接空气由进气口在负压吸气作用下混合进入高速水流，随后气液两相冲击外罐体2内液面，并在惯性作用下将周围的空气卷吸进液面以下，生成大量微小气泡，随后射流柱携带气泡进入中空内筒6进行剧烈的气液混合碰撞，使得空气充分溶解在水中；沿中空内筒6轴向方向，随着射流深度的增大，气相体积分数逐渐减小，未溶解的大气泡从中空内筒6末端流出并在稳流板7的阻击下加速浮升至液面。稳流板7有效避免了大气泡进入罐体底部随底流口排出。

（2）速度模拟结果分析

图4为截取y=0平面的速度云图和局部位置的矢量放大图。从图中可以看出，水流经过射流喷嘴1的喉管段13时，由于流道横截面积的减小导致速度急剧增大，在射流撞击液面进入内筒后，水流速度沿轴向方向逐渐减小，沿径向方向的速度梯度变化增大。由局部矢量放大图可知，中空内筒6起到了环流效应，水流在射流带动下由中空内筒6顶部进入并由底部排出，并在外罐体2边壁区域形成多个漩涡，强化气液传质。

（3）湍流耗散率模拟结果分析

图5为截取y=0平面的湍流耗散率云图。从图中可以看出，液相撞击液面产生剧烈的高频脉动致使该处的湍能耗散率最高。在中空内筒6中，由于受到射流卷吸和内环流的耦合作用，湍能耗散率处于高位值，这将导致气液间碰撞剧烈，气液界面的不稳定性增加，促使气泡更易发生破碎。

通过对本发明具体实施例进行数值模拟计算并对流场气相分布云图、速度云图和湍流耗散率云图进行模拟结果分析，充分表明本发明具体实施例具有较高的溶气效率，体现出本发明溶气设备有效性和可行性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种溶气设备，其特征在于，包括顺次连接并连通的射流喷嘴、罐体组件和出水管，所述射流喷嘴的内径从远离所述罐体组件向靠近所述罐体组件的方向减小，所述射流喷嘴上设有进气管，所述罐体组件包括外罐体和设于所述外罐体内的中空内筒，所述中空内筒沿着所述外罐体的轴向设置，且在所述外罐体内盛放的液体的作用下能上下浮动，所述出水管安装在所述外罐体的末端。

2.根据权利要求1所述的溶气设备，其特征在于，所述射流喷嘴包括顺次设置的直管段、收缩段和喉管段，所述直管段、所述收缩段和所述喉管段一体成型，所述进气管与所述喉管段连通。

3.根据权利要求2所述的溶气设备，其特征在于，所述收缩段的收缩角为20°-25°，所述进气管的内径与所述直管段的内径之比为0.2-0.4，所述喉管段的内径与所述直管段的内径之比为0.5-0.6。

4.根据权利要求2所述的溶气设备，其特征在于，还包括回流气管，所述回流气管一端与所述外罐体连通，另一端与所述喉管段的横向段连通。

5.根据权利要求4所述的溶气设备，其特征在于，所述回流气管的首尾端同时与所述喉管段和所述外罐体垂直。

6.根据权利要求2所述的溶气设备，其特征在于，所述外罐体的上方设有同轴螺栓连接的下端面法兰和上端面法兰，所述外罐体通过所述下端面法兰和所述上端面法兰与所述喉管段连接并连通。

7.根据权利要求1所述的溶气设备，其特征在于，所述中空内筒的下方同轴设有稳流板。

8.根据权利要求7所述的溶气设备，其特征在于，所述稳流板与所述中空内筒下边缘间距与所述中空内筒内径之比为0.5-0.8，所述稳流板的外径与所述中空内筒的外径之比为1.5-2.5。

9.根据权利要求1所述的溶气设备，其特征在于，所述外罐体包括直筒段、锥形筒体和下封头，所述直筒段、所述锥形筒体和所述下封头一体成型，所述出水管安装在所述下封头上。

10.根据权利要求9所述的溶气设备，其特征在于，所述中空内筒的长径比为2-4，所述中空内筒的内径与所述直筒段的内径之比为0.6-0.8，所述锥形筒体的张角为8°-10°，所述下封头设为椭圆封头。

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