CN116573713B - 水力空化发生装置及空化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了水力空化发生装置及空化方法，所述水力空化发生装置包括容器和进液管，自上而下地，所述容器的内径变小，所述进液管设置在所述容器的上部，从进液管输入的液体沿着所述容器的内壁呈螺旋状地下降；出液管插入所述容器内，自下而上地，所述出液管具有内径变大段和内径不变段；承载件设置在所述出液管内，驱动单元用于驱动所述承载件旋转；第一组旋转盘固定在所述承载件上，且处于所述内径变大段内，自下而上地，第一组旋转盘的半径变大，第二组旋转盘固定在所述承载件上，且处于所述内径不变段内；液体依次通过所述进液管、容器、内径变大段和内径不变段。本发明具有空化效果好、可靠性好等优点。

Description

水力空化发生装置及空化方法

技术领域

本发明涉及空化装置领域，特别涉及水力空化发生装置和方法。

背景技术

水力空化是指液体经过的管道某处人为制造低压强、高流速的状态，当液体压强小于饱和蒸汽压时，液体中的气泡就会不断膨胀，体积变大。而随着流体运动，气泡到达高压强、低流速区域之后，气泡就会塌缩、爆裂，在急剧崩溃时在周围的极小空间内可释放出巨大的能量，瞬间产生局部高温高压（5000K、1800atm），并产生速度100m/s以上、有强大冲击力的微射流，碰撞密度高达1.5kg/cm2。气泡在急剧崩溃的过程中，产生了极其复杂的多种物理和化学效应，具有极大的利用潜力，因此，水力空化效应已广泛应用于各个领域，如空化清洗、污水处理、消毒灭菌、食品制药、化工催化等领域。

例如：微生物细胞中平均70%的是水，水力空化可以有效破坏其细胞结构，杀死大多数微生物；水力空化可以有效破坏污水中污泥颗粒表面吸附水、孔隙水以及内部水，瓦解污泥颗粒结构，促使污泥颗粒与水分离，可大幅降低污泥含水率，提高污水处理效率；对于工业含油废水等有机废水，纳米微气泡具有溶解度高、比表面积大、上升速度慢、吸附性强等特点，水力空化也是一种产生大量纳米级微小气泡的优良方法，等等。

目前人们常用的水力空化装置主要有文丘里管和单多孔板，空化效能不够理想，功能比较单一。如何改造水力空化装置，开发新的水力空化发生方法，提高空化效率和功能多元化将是水力空化技术领域的发展方向。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种水力空化发生装置。

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种水力空化发生装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

水力空化发生装置，所述水力空化发生装置包括容器和进液管，自上而下地，所述容器的内径变小，所述进液管设置在所述容器的上部，从进液管输入的液体沿着所述容器的内壁呈螺旋状地下降；所述水力空化发生装置还包括：

出液管，所述出液管插入所述容器内，自下而上地，所述出液管具有内径变大段和内径不变段；

承载件和驱动单元，所述承载件设置在所述出液管内，所述驱动单元用于驱动所述承载件旋转；

第一组旋转盘和第二组旋转盘，所述第一组旋转盘设置在所述承载件上，且处于所述内径变大段内，自下而上地，第一组旋转盘的半径变大，所述第二组旋转盘设置在所述承载件上，且处于所述内径不变段内；液体依次通过所述进液管、容器、内径变大段和内径不变段。

作为优选，所述第一组旋转盘和内径变大段内壁间缝隙的水平截面积相等。

作为优选，所述第二组旋转盘和内径不变段内壁间的距离不小于所述第一组旋转盘和内径变大段内壁间的距离，且不大于内径变大段的最小直径。

作为优选，在竖直方向上，所述内径变大段底端与所述容器底部的距离，不大于第一旋转盘中最小盘的直径，不小于承载件直径。

作为优选，在竖直方向上，所述内径变大段的长度与处于所述容器内出液管长度之比不大于三分之二，且不小于五分之一。

作为优选，所述水力空化发生装置还包括：

弹簧，所述弹簧设置在相邻第一组旋转盘之间，第一组旋转盘活动地套在所述承载件上。

作为优选，所述第一组旋转盘和第二组旋转盘与所述出液管内壁间分别具有缝隙，所述水力空化发生装置还包括：

阻挡件，所述阻挡件固定在所述承载件，且处于所述第一组旋转盘的下侧；自下而上地，所述阻挡件的外径变大；所述阻挡件上部的外缘与所述内径变大段内壁接触，当液体自下而上冲击所述阻挡件时，所述阻挡件和内径变大段内壁间具有缝隙。

作为优选，所述第一组旋转盘和第二组旋转盘分别与出液管内壁接触，用于连通旋转盘上下侧的通孔分别设置在第一组旋转盘和第二组旋转盘上，相邻旋转盘上的通孔分别处于所述承载件的左侧和右侧。

作为优选，所述通孔的水平截面积与所在的旋转盘的水平截面积之比不小于0.1，且不大于0.3。

作为优选，所述内径变大段的壁具有连通出液管内外的通孔，该通孔处设置单向单元，仅允许内径变大段内的液体进入容器和出液管间的夹层内；

所述内径不变段的壁具有连通出液管内外的通孔，该通孔处设置单向单元，仅允许容器和出液管间的夹层内液体进入内径不变段内。

作为优选，所述承载件的底端位置低于第一组旋转盘的底端位置。

本发明的目的还在于提供了空化发生方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

根据本发明水力空化发生装置的空化发生方法，所述空化发生方法为：

S1、液体穿过进液管进入容器内，沿着所述容器内壁呈螺旋状地下降。

S2、到达容器底端的液体螺旋地进入所述出液管内。

S3、驱动单元驱动第一组旋转盘和第二组旋转盘转动，液体在所述出液管内自下而上地传输，当液体由每一个旋转盘的下侧上升到旋转盘的上侧时，发生水力空化。

作为优选，在S2中，液体高速通过出液管底端开口时，发生第一次空化。

作为优选，在S3中，液体进入出液管，通过第一组旋转盘的各个旋转盘外缘和内径变大段内壁间缝隙，再次发生水力空化，有多个旋转盘，于是形成连续多次的水力空化；

或者，

液体通过各个旋转盘上的通孔时，再次产生水力空化，空化液流撞击到上侧的旋转盘，加速空化泡溃灭；液流从上侧旋转盘的通孔再次流出，重复空化过程。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.空化效果好；

利用设置在旋转盘上的贯穿通孔，或者利用旋转盘和出液管内壁间的缝隙，实现了对液流的连续多次水力空化，倍增水力空化的效率；

通过多个旋转盘的组合，使上一次空化液流撞击在上侧旋转盘上，加速空化泡溃灭，增强空化泡溃灭的物理和化学效应的瞬时强度；

在水力空化作用的基础上，通过上下设置的多个旋转盘，形成连续的压力波动区间，剧烈的压差波动有助于破坏液体中各种物质的复杂结合态；

各种尺寸的设计，如缝隙水平截面积、间距之比、长度之比、（贯穿旋转盘的）通孔水平截面积和旋转盘水平截面积之比等，进一步提高了空化效果。

2.可靠性好；

旋转盘之间设置弹簧、出液管壁上设置通孔以及阻挡件等的设计，适应了不同工况的需要，提高了工作可靠性。

3.结构简单；

承载件、容器、进液管、出液管和旋转盘等是常规部件，加工制造容易，维护清洗方便。

附图说明

图1是根据本发明实施例1的水力空化发生装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施例2的水力空化发生装置的结构示意图。

图3是根据本发明实施例3的水力空化发生装置的结构示意图。

图4是根据本发明实施例4的水力空化发生装置的结构示意图。

图5是根据本发明实施例5的水力空化发生装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

图1-图5和以下说明描述了本发明的可选具体实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些具体实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选具体实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

本发明实施例1的水力空化发生装置，如图1所示，所述水力空化发生装置包括：

容器11和进液管21，自上而下地，所述容器11的内径变小，所述进液管21设置在所述容器11的上部，从进液管21输入的液体沿着所述容器11的切线进入，之后沿着容器11的内壁呈螺旋状地下降；

圆筒状出液管31插入所述容器11内，自下而上地，所述出液管31具有内径变大段32和内径不变段33，内径不变段33的外壁与容器11的盖体件保持密封，使得容器11内成为封闭的腔体；在竖直方向上，所述内径变大段32的长度与处于所述容器内出液管31长度之比不大于三分之二，且不小于五分之一；

承载件91采用转动轴，设置在所述出液管31内，驱动单元用于驱动所述承载件91旋转；承载件91的中心轴线、出液管31的中心轴线和容器11的中心轴线共线；驱动单元包括设置在容器11和出液管外部的的动力（图中未示出），承载件91的转动轴与动力连接。

第一组（圆形）旋转盘41固定在所述承载件91上，且处于所述内径变大段32内，自下而上地，第一组旋转盘41的半径变大，且其表面（上侧面、下侧面及外缘）具有锯齿状纹理，扩大了与液流的接触面积，提高空化泡的碰撞几率；所述第一组旋转盘41的各个旋转盘和内径变大段32内壁间缝隙的水平截面积相等，从而保证液流通过各个缝隙时流速一致；承载件91最底端的位置低于第一组旋转盘41的底端位置。

第二组（圆形）旋转盘42固定在所述承载件91上，且处于所述内径不变段33内；所述第二组旋转盘42和内径不变段33内壁间的距离不小于所述第一组旋转盘41和内径变大段32内壁间的距离，且不大于内径变大段32的最小直径，也即底端开口34直径。

内径变大段32底端（即最小直径处）与容器11底部的距离，不大于第一旋转盘41中最小盘的的直径，不小于承载件91中心杆直径。

本发明实施例的水力空化发生方法，也即本实施例水力空化发生装置的工作过程，所述水力空化发生方法为：

加压及加速后的液体从进液管21喷出，沿着容器11的切线方向进入容器11，并高速螺旋向下到达容器11底部，进入出液管31，液流在高速通过底端开口34时，发生第一次空化；

液流进入出液管31后，在通过第一组旋转盘41外缘和内径变大段32内壁间缝隙时，流速急剧增大，液体静压急剧减小，再次发生水力空化，由于有多个旋转盘41，于是形成连续多次的水力空化，倍增水力空化的效率；

液流通过所述缝隙时发生水力空化，会产生大量微小空化泡，液流携带这些微小空化泡继续上升，由于上方的第一组旋转盘41的直径和面积更大，含空化泡液流将大部分撞击到上方第一组旋转盘41并发生反弹，撞击以及反弹造成的紊流会加速空化泡溃灭，使空化泡溃灭引发的物理和化学效应在短时间内得到集中释放，增强了空化效果。另外，液流在底端开口34高速流入出液管31内时，撞击到第一组旋转盘41的最下侧旋转盘时，同样发生了上述碰撞效果。

液流通过缝隙后，进入相邻旋转盘41之间空间，空间截面变大，液流流速降低，静压迅速增加。随着液流不断上升并通过一个个缝隙，液体的静压不断这样重复变化，形成连续的压力波动。根据流量连续性及伯努利原理，管道内横截面越大的区域，液流静压更大。因此，在内径变大段32内，随着液流的上升，液体静压不断变化，且压差波动越来越大。

空化泡溃灭效应和压差剧烈波动，可以破坏液体中的油、水、颗粒等之间的复杂结合态，使得液体中的各种复杂物质得到解离，极大简化了后续的分离处理过程。

实施例2：

本发明实施例2的水力空化发生装置，如图2所示，与实施例1不同的是：

具有弹性的阻挡件51（如弹簧片或采用橡胶材质）固定在所述承载件91，且处于所述第一组旋转盘41的下侧；自下而上地，所述阻挡件51的外径变大；所述阻挡件51上部的外缘与所述内径变大段32内壁接触，当液体自下而上冲击所述阻挡件51时，所述阻挡件51和内径变大段32内壁间具有缝隙，液流通过该缝隙上移。阻挡件51的下侧面的位置高于承载件91的底端位置。

可见，阻挡件51的设置，允许液流从下往上流入，阻止液体倒流，也防止出液管31上部液体中的杂质颗粒从第一组旋转盘41外缘的缝隙中落回到出液管31的底端开口34而堵塞入口，提高了工作可靠性。

实施例3：

本发明实施例3的水力空化发生装置，如图3所示，与实施例1不同的是：

承载件91上套设有多个弹簧61，最上侧的弹簧61上端固定在承载件91上，下侧连接最上侧第一组旋转盘41，第一组旋转盘41中，除了最下侧的旋转盘41固定外，其它旋转盘41均是活动地套在承载件91上，相邻旋转盘之间设置弹簧61，当承载件91旋转时，活动的旋转盘41沿着承载件91的轴向做滑动。

当液体颗粒物含量过高或液体黏性过大时，液体流动性较差，（第一组旋转盘41和内径变大段32间）缝隙通过率较低，与弹簧61连接的旋转盘会在液流的推力作用下向上移动一定距离，扩大活动旋转盘与内径变大段32内壁的间隙，形成第一组旋转盘41与内径变大段32的空隙参数动态异同性控制，保证液体达到一定通过量，有利于避免设备的泵送或抽吸系统压力过高或空转而损坏，提高了运行稳定性和可靠性。

实施例4：

本发明实施例4的水力空化发生装置，如图4所示，与实施例1不同的是：

1.第一组旋转盘41和第二组旋转盘42与出液管31内壁间接触，无缝隙。

2.用于连通旋转盘上下侧的通孔71分别设置在第一组旋转盘41和第二组旋转盘42上，相邻旋转盘上的通孔分别处于所述承载件91的左侧和右侧，通孔的水平截面积与所在的旋转盘的水平截面积之比不小于0.1，且不大于0.3。

液流通过通孔71时，产生空化，空化液流撞击到上侧的旋转盘，加速空化泡溃灭；液流从上侧旋转盘的通孔71再次流出，重复空化过程。

实施例5：

本发明实施例5的水力空化发生装置，如图5所示，与实施例1不同的是：

内径变大段32的壁具有连通出液管31内外的第一组通孔81，该组通孔81处设置第一组单向单元，如在内径变大段32的外壁设置封闭第一组通孔81的活动挡片，仅允许内径变大段32内的液体进入容器11和出液管31间的夹层内；

在正常工作时，出液管31内压力小于夹层内压力，活动挡片由于压差而紧贴出液管31的外壁，封闭第一组通孔81，当相邻旋转盘间压力过大时，部分液体可以从第一组通孔81排出，推开活动挡片，起到泄压的作用；原理是：当处理的液体含气量很大时，经空化溶气释放后，部分含气空化泡成为稳定气泡，不会溃灭；由于这部分气泡体积的增加，会使相邻旋转盘间的液体压力瞬间增强，设置第一组通孔81和单向单元有助于缓和压力冲击，过高的压力的情况下，部分空化后的液体将从第一组通孔81排出，重新回到容器11底部，也可以起到部分循环空化的作用，增加空化处理时间。另外，如果出液管31底部杂质积累过多发生堵塞时，可以往出液管31泵入液体进行反冲，反冲液体可以从出液管31入口和第一组通孔81排出。

内径不变段33的壁具有连通出液管31内外的第二组通孔82，该组通孔82处设置第二组单向单元，如在内径不变段33的内壁设置封闭第二组通孔82的活动挡片，仅允许容器11和出液管31间的夹层内液体进入内径不变段33内。

当出液管31底部受杂质堆积等情况发生入液受阻时，从第二组通孔82紧急进液，且只有出液管31的内外压差达到一定阈值时，容器11和出液管31间的夹层内液体通过第二组通孔82才能进入出液管31内，此时活动挡片被推开。

实施例6：

本发明实施例6的水力空化发生装置，与实施例1不同的是：

1.第一组旋转盘41和第二旋转盘42采用磁性材料，用于吸附含铁、镍等磁性金属及合金粉末，减少这些金属粉末对空化的干扰，减少对出液管31等各组件的磨损。

2.第一组旋转盘41中，临着底端开口34的至少一个旋转盘内部设置加热装置，用于加速气化与空泡化，也可以用于高温自清洗。

3.承载件91连接一个震动装置，用于通过抖动第一组旋转盘41和第二旋转盘42的方式去污。

旋转盘采用磁性材料、设置加热装置和震动装置等，进一步提高了水力空化装置工作可靠性。

Claims (14)

1.水力空化发生装置，所述水力空化发生装置包括容器和进液管，自上而下地，所述容器的内径变小，所述进液管设置在所述容器的上部，从进液管输入的液体沿着所述容器的内壁呈螺旋状地下降；其特征在于，所述水力空化发生装置还包括：

出液管，所述出液管插入所述容器内，自下而上地，所述出液管具有内径变大段和内径不变段；

承载件和驱动单元，所述承载件设置在所述出液管内，所述驱动单元用于驱动所述承载件旋转；

第一组旋转盘和第二组旋转盘，所述第一组旋转盘设置在所述承载件上，且处于所述内径变大段内，自下而上地，第一组旋转盘的半径变大，所述第二组旋转盘设置在所述承载件上，且处于所述内径不变段内；液体依次通过所述进液管、容器、内径变大段和内径不变段。

2.根据权利要求1所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述第一组旋转盘的各个旋转盘和内径变大段内壁间缝隙的水平截面积相等。

3.根据权利要求1或2所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述第二组旋转盘和内径不变段内壁间的距离不小于所述第一组旋转盘和内径变大段内壁间的距离，且不大于内径变大段的最小直径。

4.根据权利要求1所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述内径变大段底端与所述容器底部的距离，不大于第一旋转盘中最小盘的直径，不小于承载件直径。

5.根据权利要求4所述的水力空化发生装置，其特征在于，在竖直方向上，所述内径变大段的长度与处于所述容器内出液管长度之比不大于三分之二，且不小于五分之一。

6.根据权利要求1所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述水力空化发生装置还包括：

弹簧，所述弹簧设置在相邻第一组旋转盘之间，第一组旋转盘活动地套在所述承载件。

7.根据权利要求1所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述第一组旋转盘和第二组旋转盘与所述出液管内壁间分别具有缝隙，所述水力空化发生装置还包括：

阻挡件，所述阻挡件固定在所述承载件，且处于所述第一组旋转盘的下侧；自下而上地，所述阻挡件的外径变大；所述阻挡件上部的外缘与所述内径变大段内壁接触，当液体自下而上冲击所述阻挡件时，所述阻挡件和内径变大段内壁间具有缝隙。

8.根据权利要求1所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述第一组旋转盘和第二组旋转盘分别与出液管内壁接触，用于连通旋转盘上下侧的通孔分别设置在第一组旋转盘和第二组旋转盘上，相邻旋转盘上的通孔分别处于所述承载件的左侧和右侧。

9.根据权利要求8所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述通孔的水平截面积与所在旋转盘的水平截面积之比不小于0.1，且不大于0.3。

10.根据权利要求1所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述内径变大段的壁具有连通出液管内外的通孔，该通孔处设置单向单元，仅允许内径变大段内的液体进入容器和出液管间的夹层内；

所述内径不变段的壁具有连通出液管内外的通孔，该通孔处设置单向单元，仅允许容器和出液管间的夹层内液体进入内径不变段内。

11.根据权利要求1所述的水力空化发生装置，其特征在于，所述承载件的底端位置低于第一组旋转盘的底端位置。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的水力空化发生装置的空化发生方法，其特征在于，所述空化发生方法为：

S1、液体穿过进液管进入容器内，沿着所述容器内壁呈螺旋状地下降；

S2、到达容器底端的液体螺旋地进入所述出液管内；

S3、驱动单元驱动第一组旋转盘和第二组旋转盘转动，液体在所述出液管内自下而上地传输，当液体由每一个旋转盘的下侧上升到旋转盘的上侧时，发生水力空化。

13.根据权利要求12所述的空化发生方法，其特征在于，在S2中，液体高速通过出液管底端开口时，发生第一次空化。

14.根据权利要求12所述的空化发生方法，其特征在于，在S3中，液体进入出液管，通过第一组旋转盘的各个旋转盘外缘和内径变大段内壁间缝隙，再次发生水力空化，有多个旋转盘，于是形成连续多次的水力空化；

或者，

液体通过各个旋转盘上的通孔时，再次产生水力空化，空化液流撞击到上侧的旋转盘，加速空化泡溃灭；液流从上侧旋转盘的通孔再次流出，重复空化过程。