CN114849508A - 一种文丘里管式微气泡发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种文丘里管式微气泡发生器，涉及污水净化处理、过程强化技术领域，该种文丘里管式微气泡发生器，是在传统文丘里流道上游同轴安装中空旋流组件，使得部分水流通过中空旋流组件的中心空腔时卷吸，混合由注气管注入的气相，从而降低初始成泡粒径，另一部分水流则在起旋叶片作用下形成旋流，助力气泡在文丘里流道内的碎化；在文丘里流道下游同轴安装的导流叶片式破涡板，一方面起到破坏旋转尾流的作用，降低微气泡间的碰撞聚结概率，另一方面会进一步对成泡进行均质和细化，提高成泡质量，本发明的文丘里管式微气泡发生器具有结构紧凑、安装操作方便、运行维护成本低、生成微气泡粒径小且均匀等优点。

Description

一种文丘里管式微气泡发生器
技术领域
本发明涉及污水净化处理、过程强化技术领域，尤其是涉及一种文丘里管式微气泡发生器。
背景技术
微气泡相比于常规气泡具有比表面积大、气含率高、不易破碎、黏附效率高、传质效率高等特点，广泛应用于矿物浮选、水质净化处理、水产养殖和生物制药等领域，而产生微气泡的设备常被简称为微气泡发生器。
常用的微气泡发生方式包括溶气释放式、文丘里管式、叶轮旋转剪切混合式、静态剪切混合式等，其中文丘里管式微气泡发生器凭借成泡效率高、结构紧凑、运行维护成本低等优势受到工程技术人员的广泛关注，但同时也存在成泡粒径大、粒径分布不均匀等缺点。
为提升文丘里管式微气泡发生器的成泡质量，拓展应用领域，相关学者及从业人员进行了大量的结构改进设计。李浙昆等人在专利CN201565361U中展示了一种微泡发生器，其特征是借助微孔材料对文丘里流道喉管段进行改进，使得气相经微孔进入喉管内以降低成泡粒径，但微孔材质同时存在易堵塞的风险。章成武等人在专利CN106277150B中提出了一种石油水处理用气浮选微气泡加气装置及其使用方法，通过耦合旋流剪切、微孔扩散等单元成泡技术，调节工业浮选所需的气泡粒径、气泡群密度以及均匀度，该装置同样也存在微孔易堵塞的问题。李华等人在专利CN104772055A中提出了一种微气泡生成装置及其应用，相比于常规结构，其在喉管段管壁上设有一组沿文丘里管的轴心呈对称分布的通气孔，将气体均匀地通入液体内。此改进能够提高初始气泡在流道内分散均匀度，但对于降低成泡平均粒径无明显作用。黄正粱等人在专利CN109550418B中提出了一种旋流型微气泡发生器及气液反应器，其主体基于文丘里流道，但在进水位置采用多个切向管产生旋流的方式强化气泡破碎，以期降低成泡平均粒径，然而整体装置的结构紧凑性有待进一步提高。
由此可知，针对常规文丘里式微气泡发生器的缺点和不足，需要进行大胆的结构革新以提高成泡质量，但同时也要兼顾实用性、结构紧凑性和运行维护成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种文丘里管式微气泡发生器，以解决现有技术中的文丘里微气泡发生器结构不紧凑、成泡粒径不均匀以及运行维护成本高的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种文丘里管式微气泡发生器，包括水流导管，所述水流导管一端为进水口，相对的另一端为出水口，所述水流导管的内腔中顺着水流方向依次设有中空旋流组件、文丘里流道和导流叶片式破涡板；
所述中空旋流组件包括中空圆柱、注气管和起旋叶片，所述中空圆柱设为空腔结构，所述注气管设于所述中空圆柱上且与所述空腔结构导通，所述起旋叶片周向设于所述中空圆柱的外壁面且紧贴所述水流导管的内壁面；
所述文丘里流道位于所述中空旋流组件的下游，且包括收缩段、喉管和扩张段；
所述导流叶片式破涡板位于所述文丘里流道的下游，包括直板段和弯折段。
优选地，所述空腔结构包括顺次设置的导流腔、收缩腔和喉管腔。
优选地，所述注气管与所述喉管腔连通。
优选地，所述收缩腔的收缩角为20°-30°，所述喉管腔的内径为所述中空圆柱外径的1/4-1/3，所述的喉管腔长度为所述中空圆柱总长的2/3-3/4。
优选地，所述直板段的外廓为圆弧形并与所述水流导管的内壁切合连接，所述弯折段倾斜设置并与所述直板段间的夹角为15°-20°。
优选地，所述注气管与所述中空圆柱垂直。
优选地，所述起旋叶片设为圆弧形叶片。
优选地，所述起旋叶片的出口角为15°-30°，高度为所述中空圆柱外径的1/4-1/3，长度等于所述中空圆柱长度，叶片数目为4-8片。
优选地，所述中空圆柱的尾端距所述水流导管的进水口的间距为所述水流导管总长的4/5-5/6。
优选地，所述水流导管的进水口设有进水法兰，所述进水法兰套设于所述进水口上，所述水流导管的出水口设有出水法兰，所述出水法兰套设于所述出水口上。
本发明提供的文丘里管式微气泡发生器，具有以下技术效果：
该种文丘里管式微气泡发生器，是在传统文丘里流道上游同轴安装中空旋流组件，使得部分水流通过中空旋流组件的中心空腔时卷吸，混合由注气管注入的气相，从而降低初始成泡粒径，另一部分水流则在起旋叶片作用下形成旋流，助力气泡在文丘里流道内的碎化；在文丘里流道下游同轴安装的导流叶片式破涡板，一方面起到破坏旋转尾流的作用，降低微气泡间的碰撞聚结概率，另一方面会进一步对成泡进行均质和细化，提高成泡质量，本发明的管式微气泡发生器具有结构紧凑、安装操作方便、运行维护成本低、生成微气泡粒径小且均匀等优点。
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是本发明一实施例文丘里管式微气泡发生器的立体结构示意图；
图2是图1中的中空旋流组件的立体结构示意图；
图3是图2中的中空旋流组件的剖视图；
图4是图1中的导流叶片式破涡板的立体结构示意图；
图5是图1中文丘里管式微气泡发生器的静压云图；
图6是图1中文丘里管式微气泡发生器的速度云图；
图7是图1中文丘里管式微气泡发生器的湍能耗散率云图；
图8是图1中文丘里管式微气泡发生器的气泡粒径分布云图。
其中，图1-图8：
1、水流导管；11、进水口；12、出水口；
2、中空旋流组件；21、中空圆柱；22、空腔结构；221、导流腔；222、收缩腔；223、喉管腔；23、注气管；24、起旋叶片；
3、文丘里流道；31、收缩段；32、喉管；33、扩张段；
4、导流叶片式破涡板；41、直板段；42、弯折段；5、进水法兰；6、出水法兰。
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说明。
如图1所示，为本发明的文丘里管式微气泡发生器的立体结构示意图，主体结构包括水流导管1，水流导管1内设有依次连接且同轴安装的中空旋流组件2、文丘里流道3和导流叶片式破涡板4，水流导管1的一端为进水口11，另一端为出水口12。
如图1、图2和图3所示，中空旋流组件2包括中空圆柱21、注气管23和起旋叶片24，中空圆柱21设为空腔结构22，注气管23设于中空圆柱21上且与空腔结构22导通，起旋叶片24周向设于中空圆柱21的外壁面且紧贴水流导管1的内壁面。
如图3所示，中空圆柱21的空腔结构22是由导流腔221、收缩腔222和喉管腔223组成，起旋叶片24为圆弧型叶片，叶片出口角为15°-30°，叶片高度为中空圆柱21外径的1/4-1/3，叶片长度等于中空圆柱21长度，叶片数目为4-8片。
需要说明的是，本发明的中空圆柱21不局限于导流腔221、收缩腔222和喉管腔223构成三段式结构，只要中空圆柱21的进水口向出水口的方向内径减小，均在本发明的保护范围之内，本发明对于中空圆柱21的空腔结构22的具体结构不作限定。
具体的，收缩腔222的收缩角为20°-30°，喉管腔223的内径为中空圆柱21外径的1/4-1/3。喉管腔223的长度为中空圆柱21总长的2/3-3/4，注气管23为喉管腔223内径的1/2-2/3，注气管23在中心圆弧的中心孔与喉管腔223前沿的间距为2-3mm，中空旋流组件2尾端距进水直管入口的间距为进水直管总长的4/5-5/6。
进一步的，注气管23与中空圆柱21垂直，也就是注气管23与喉管腔223垂直，并且与喉管腔223导通。
如图1所示，文丘里流道3位于中空旋流组件2的下游，包括收缩段31、喉管32和扩张段33。
导流叶片式破涡板4位于文丘里流道3下游，同轴安装于水流导管1的出水口12的前端，如图4所示，由直板段41和弯折段42组成，数量为3。
直板段41的外廓为圆弧形并与水流导管1的内壁切合连接，弯折段42倾斜设置并与直板段41间的夹角为15°-20°。
更进一步的，本发明的水流导管1的进水口11设有进水法兰5，进水法兰5套设于进水口11上，水流导管1的出水口12设有出水法兰6，出水法兰6套设于出水口12上，本发明通过进水法兰5和出水法兰6可在线安装在工艺管路中。
本发明的文丘里管式微气泡发生器创新性设计了一种中空旋流组件2，中空旋流组件2将“射流成泡”和“旋流剪切”进行高度集成，进而强化传统文丘里流道3对气泡的碎化程度，同轴安装的导流叶片式破涡板4则实现低压损条件下的高效破旋，提高成泡粒径的均匀度。即本发明的文丘里管式微气泡发生器具有结构紧凑、运行维护成本低、生成微气泡粒径小且分布均匀等优点，并可通过两端的进水法兰5和出水法兰6直接安装于工艺管路中。
在设计理念上，本发明基于单元技术复合化的思路，协同运用中空圆柱21、静态起旋叶片24和导流叶片式破涡板4三种单元结构，将射流卷吸和轴向旋流进行高度集成，助力气泡在常规文丘里流道3内的破碎程度，同时对碎化后的气泡进行稳流均质，降低气泡间的碰撞聚并概率，最终提高成泡粒径的均匀度。
在工作过程中：
（1）水流由水流导管1的进水口11并在中空旋流组件2作用下分散成两股水流，其中一股水流由导流腔221进入中空圆柱21，在流经喉管腔223时，由于流道横截面积减小致使水流速度增大、压降降低，气相则在压差作用下经注气管23进入并在剪切应力作用下生成微小气泡；另一股水流则在起旋叶片24作用下形成轴向旋流；
（2）两股水流在文丘里流道3的收缩段31内均匀混合，并在旋流作用下强化气泡在扩张段33区域内的破碎，离散相气泡在旋流剪切、压差、湍流涡等协同作用下碎化成粒径均匀的微气泡；
（3）随后，气液两相流在导流叶片式破涡板4作用下进行消旋、稳流，从而在降低气泡聚并概率的同时，提高气泡流的混合均匀度。
本发明实施例提供的文丘里管式微气泡发生器，与传统微气泡发生器相比具有如下特点：
（1）采用轴向起旋部件相比于常规切向进水管产生旋流的方式，具有结构紧凑、工况适应性强的优点。
（2）中空旋流组件2的独特设计，在实现结构轻量化设计的同时综合利用“射流卷吸”和“旋流剪切”的协同作用，强化气泡在常规文丘里流道3内的破碎程度。
（3）同轴安装在文丘里流道3下游的导流叶片式破涡板4，实现低压损耗下的有效破旋，提高了成泡粒径的均匀度。
具体实施例：
图5-8为依据上述设计理念和结构方案，所设计研制特定处理水量下的文丘里管式微气泡发生器运行效果的计算流体动力学(CFD)模拟相关展示。模拟采用群体平衡模型（PBM）探究额定粒径的初始气泡在文丘里管式微气泡发生器流道内的破碎、聚并特征，设置注气管23的注气口处初始气泡的平均粒径为2.5 mm，进水流速为1.5 m/s。图5-8分别展示了文丘里管式微细气泡发生器的静压云图、速度云图、湍能耗散率云图和气泡粒径分布云图。
（1）压力模拟结果分析
图5为截取y=0平面的静压分布云图，整体而言，沿着文丘里流道3轴向方向，静压呈现先降低后缓慢上升的变化趋势，并且在中空旋流组件2处，旋流作用提高了流场径向方向的压力梯度，离散相气泡将受到更大的挤压应力，从而提高了气泡的破碎概率。
（2）速度模拟结果分析
图6为截取y=0平面的速度云图，从图中可以看出水流速度在文丘里流道3内总体呈现先增加后降低的趋势，并且由于中空旋流组件2产生的射流和旋流耦合作用，使得水流在收缩段31、喉管32及扩张段33产生较大的速度梯度变化，气泡受到剧烈的剪切应力，促进气泡的剪切碎化。
（3）湍能耗散率模拟结果分析
图7为截取y=0平面的湍能耗散率云图，从图中可以看出，在中空旋流组件2末端、文丘里流道3的扩张段33边壁和导流叶片式破涡板4下游区域的湍能耗散率较高，其原因主要是由于径向方向的速度差形成湍流涡旋，致使湍能耗散率显著提高，气液界面的不稳定性也随之增大，气泡更易发生破碎。
（4）气泡粒径分布模拟结果分析
图8为截取y=0平面的气泡粒径分布云图，从图中可以看出，初始气泡粒径在水流冲击、剪切作用下明显降低。随后，在轴向旋流作用的助力下强化了气泡在文丘里流道3扩张段33区域内的破碎，碎化后的气泡粒径显著降低，沿径向方向的气泡粒径分布呈现中间大、边壁区域小的变化趋势。在文丘里流道3下游导流叶片式破涡板4的整流作用下，气泡粒径在径向方向分布趋于均匀，破涡板的稳流、均质效果明显。
通过对本发明具体实施例进行数值模拟计算并对流场静压云图、速度云图、湍能耗散率云图和气泡粒径分布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气泡破碎效率，体现出本发明文丘里管式微气泡发生器的有效性和先进性。
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)

1.一种文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，包括水流导管，所述水流导管一端为进水口，相对的另一端为出水口，所述水流导管的内腔中顺着水流方向依次设有中空旋流组件、文丘里流道和导流叶片式破涡板；
所述中空旋流组件包括中空圆柱、注气管和起旋叶片，所述中空圆柱设为空腔结构，所述注气管设于所述中空圆柱上且与所述空腔结构导通，所述起旋叶片周向设于所述中空圆柱的外壁面且紧贴所述水流导管的内壁面；
所述文丘里流道位于所述中空旋流组件的下游，且包括收缩段、喉管和扩张段；
所述导流叶片式破涡板位于所述文丘里流道的下游，包括直板段和弯折段。
2.根据权利要求1所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述空腔结构包括顺次设置的导流腔、收缩腔和喉管腔。
3.根据权利要求2所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述注气管与所述喉管腔连通。
4.根据权利要求2所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述收缩腔的收缩角为20°-30°，所述喉管腔的内径为所述中空圆柱外径的1/4-1/3，所述的喉管腔长度为所述中空圆柱总长的2/3-3/4。
5.根据权利要求1所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述直板段的外廓为圆弧形并与所述水流导管的内壁切合连接，所述弯折段倾斜设置并与所述直板段间的夹角为15°-20°。
6.根据权利要求1所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述注气管与所述中空圆柱垂直。
7.根据权利要求1所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述起旋叶片设为圆弧形叶片。
8.根据权利要求7所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述起旋叶片的出口角为15°-30°，高度为所述中空圆柱外径的1/4-1/3，长度等于所述中空圆柱长度，叶片数目为4-8片。
9.根据权利要求1所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述中空圆柱的尾端距所述水流导管的进水口的间距为所述水流导管总长的4/5-5/6。
10.根据权利要求1-9任一所述的文丘里管式微气泡发生器，其特征在于，所述水流导管的进水口设有进水法兰，所述进水法兰套设于所述进水口上，所述水流导管的出水口设有出水法兰，所述出水法兰套设于所述出水口上。
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