CN116589028B - 水力空化发生器及空化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了水力空化发生器及空化方法，所述水力空化发生器包括容器和进液管，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，所述出液管具有依次设置的内径变小段、内径变大段和内径不变段；导流件设置在所述容器的底部，且处于所述内径变小段的下侧；自下而上地，所述导流件的外径逐渐变小。本发明具有空化效果好等优点。

Description

水力空化发生器及空化方法

技术领域

本发明涉及空化装置领域，特别涉及特别涉及水力空化发生器和方法。

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，并产生强大冲击力的高速微射流，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机械、物理和化学效应等，已广泛应用于空化清洗、污水处理、消毒灭菌、食品制药、化工催化等领域，具有极大的工业化前景。

水力空化是一种新型有效的水处理技术，典型的可以有效破坏其细胞结构，杀死大多数微生物，也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，大幅降低污泥含水率，提高污水处理效率。同时，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，是一种产生大量纳米级微小气泡的除油优良方法。

目前常用的水力空化发生器主要有孔板型、文丘里管、旋转式发生器、涡流型发生器等类型，各种发生器具有特定的应用优势及局限，如单一文丘里管和孔板式反应器存在易堵塞、压力损失大、能量分散等缺点，而旋转式和涡流式发生器则存在运维费用高、结构复杂、空化效率不易调控等问题。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器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

水力空化发生器，所述水力空化发生器包括容器和进液管，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；所述水力空化发生器还包括：

出液管，所述出液管插入所述容器内，自下而上地，所述出液管具有依次设置的内径变小段、内径变大段和内径不变段；

导流件，所述导流件设置在所述容器的底部，且处于所述内径变小段的下侧；自下而上地，所述导流件的外径先不变后逐渐变小。

作为优选，所述水力空化发生器还包括：

第一驱动单元，所述第一驱动单元用于驱动所述导流件旋转。

作为优选，所述导流件的倾斜表面具有多个凸起或凹槽，多个凸起或凹槽在水平面上的投影的外接圆直径和与所述内径不变段的内径之比不大于1.5。

作为优选，多个凸起或凹槽呈螺旋状分布。

作为优选，所述水力空化发生器还包括：

第二驱动单元，所述第二驱动单元用于驱动所述导流件上下移动。

作为优选，所述导流件的内部具有气体通道，所述气体通道的出口设置在所述导流件的顶端或倾斜表面；所述气体通道连接单向阀。

作为优选，所述气体通道设置多个出口，所有出口在水平面上投影的外接圆直径不大于所述出液管内径最小段的最小直径的2倍。

作为优选，所述进液管为多个，相邻进液管间的夹角为45°～315°。

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器的空化发生方法，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、到达容器底部的液体绕着所述导流件螺旋地向上，之后进入所述内径变小段；

S3、液体由所述内径变小段进入所述内径变大段内时，发生空化。

作为优选，在S2中，通过第一驱动单元驱动所述导流件旋转，所述导流件的旋转速度大于容器底部液体的旋转速度。

作为优选，在S2中，通过所述导流件气体通道通入气体，对液体进行溶气，待液流通过内径变小段时释放更多气泡。

作为优选，在S2中，通过第二驱动单元驱动所述导流件上下移动，调整内径变小段与导流件在竖直方向的相对位置。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.空化效果好：

在容器底部且在出液管内径变小段下侧设置导流件，可以避免液流在容器底部的汇流对冲而损失流速，并能引导液流迅速向出液管入口运动；

通过旋转导流件，对容器底部的液体旋转加速，进一步提升了液流旋转和上升速度，防止液体黏堵；

在容器底部对高压高速液体补充气体，提高液体的溶气量，同时气体的浮力也可以加速液体向出液管运动；

出液管与导流件间相对位置可调，用于控制液体进入到空化结构的流量，已达到良好的空化效果；

通过上述技术改进，一方面提高了液体的溶气量和流速，另一方面强化了空化液体的流量，使得液流通过出液管（内径变小段和内径变大段间）喉部的速度更高，负压更低，更有利于液体中的气体释放，以及释放更多的微小气泡，确保水力空化效果的有效提升。

2.结构简单；

容器、进液管、出液管和导流件等是常规部件，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的水力空化发生器的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的导流件的俯视示意图。

图3是根据本发明实施例的导流件的俯视示意图。

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3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的水力空化发生器，如图1所示，所述水力空化发生器包括：

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的内壁呈螺旋状地下降；

出液管31，所述出液管31插入所述容器11内，自下而上地，所述出液管31具有依次设置的内径变小段32、内径变大段33和内径不变段34；内径不变段34的外壁与容器11的盖体间保持密封，使得出液管31和容器11间的夹层成为与外界空气隔绝的封闭空间（除了通过所述进液管21和出液管31与外界液路连通）；

导流件41，所述导流件41设置在所述容器内11的底部，且处于所述内径变小段32的下侧；自下而上地，所述导流件41的外径先不变后逐渐变小。

为了克服液流对冲造成的流速损失，进一步地，所述水力空化发生器还包括：

第一驱动单元，所述第一驱动单元用于驱动所述导流件旋转。

为了增加液流的搅拌效果，进一步地，如图2所示，所述导流件41的表面具有多个凸起44或凹槽，多个凸起44或凹槽在水平面上的投影的外接圆直径和与所述内径不变段的内径之比小于1.5。

为了提高液流的上升速度和水平速度，进一步地，如图2所示，所述凸起44或凹槽呈螺旋状分布。

为了提高不同体量液体的空化效果和质量，进一步地，所述水力空化发生器还包括：

第二驱动单元，所述第二驱动单元用于驱动所述导流件上下移动。

为了提高气体溶入量，进一步地，所述导流件41的内部具有气体通道42，如图3所示，所述气体通道42的出口43设置在所述导流件41的顶端或倾斜表面，所有出口43在水平面上投影的外接圆直径不大于所述出液管内径最小段的最小直径的2倍，所述气体通道42外设置单向阀。

为了提高容器内液体的旋转速度，进一步地，所述进液管21为多个，相邻进液管21间的夹角为45°～315°。

本发明实施例的空化发生方法，也即本实施例水力空化发生器的工作过程，所述空化发生方法为：

液体穿过进液管21进入容器11内，沿着所述容器11内壁呈螺旋状地下降；

到达容器11底部的液体绕着所述导流件41螺旋地向上，之后进入所述内径变小段32；

液体由所述内径变小段32进入所述内径变大段33内时，发生空化。

为了提高空化效果，进一步地，所述导流件41的旋转速度大于容器11底部液体的旋转速度。

实施例2：

本发明实施例2的水力空化发生器和空化方法的应用例。

在本应用例中，如图1所示，水力空化发生器包括：

自上而下地，容器11的内径变小，内部呈倒置圆台形。多个进液管21沿着容器11的水平切线方向设置在所述容器11的上部，相邻进液管21间的夹角为45°～315°，图例是180°，从进液管21输入的液体水平地进入容器11内，之后沿着所述容器11的内壁呈螺旋状地下降；

出液管31竖直地插入所述容器11内，自下而上地，所述出液管31具有依次设置的内径变小段32、内径变大段33和内径不变段34，内径不变段34的外壁与容器11的盖体间保持密封，使得出液管31和容器11间的夹层成为与外界空气隔绝的封闭空间（除了通过进液管21和出液管31与外界液路连通）。

导流件41设置在所述容器内11的底部，且处于所述内径变小段32的下侧；自下而上地，所述导流件41的外径逐渐变小。如图2所示，导流件41的倾斜表面具有多个呈螺旋状分布的凸起44，多个凸起44在水平面上的投影的外接圆直径和与所述内径不变段的内径之比是1.2。如图3所示，气体通道42设置在所述导流件41的中心，出口43设置在导流件41的顶端，所述出口43在水平面上投影的外接圆直径是所述内径最小段的最小直径的1倍；单向阀设置在所述气体通道42外。导流件41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。

第一驱动单元采用电机或齿轮传动机构，用于驱动所述导流件旋转，第二驱动单元采用现有技术，如丝杆控制、螺旋控制、凸轮控制、步进控制、滑轨控制等方案，用于驱动所述导流件41上下移动。

本发明实施例的空化发生方法，也即本实施例水力空化发生器的工作过程，所述空化发生方法为：

液体经泵加压后，通过两个或多个相邻成锐角夹角的进液管21切向进入容器11内，液流沿容器11内壁呈螺旋状向下形成旋流，多股液流形成相互剪切和摩擦，提高液体微环境的温度；

当液体旋流到达容器11底部时，液流围绕容器11底部的导流件41继续旋转并沿锥面向上攀升，该底部区域的液流的压力和速度达到最大；

通过导流件41内的气体通道42向液体输送气体，进行溶气；同时，导流件41高速旋转，旋转速度大于液流进入到容器11底部时的旋转速度；

液体从容器11底部进入出液管3内，在高速通过（内径变小段32和内径变大段33间）喉部时形成负压，液体中的气体迅速释放，形成微小气泡团，发生水力空化；

通过喉部后进入内径变大段33，随着孔径扩大，液体流速变缓，静压增大，微小气泡团聚集结合成大气泡，随液体在出液管31的内部向上运动。

根据本发明实施例的水力空化器和方法达到的益处在于：

1.导流件41的设置有效降低容器11底部液体的紊流程度，保持液流在水平方向的旋转运动，并引导容器11底部液体向出液管31的入口运动。使得，当液体进入出液管31的入口的内径变小段32内时，液流旋转获得加速，再叠加液流在高压下向上的速度，提高了液体通过（内径变大段33和内径变小段32间）喉部时的总速度。

2.旋转的导流件41，带动容器11底部的液体旋转，克服液流对冲造成的水平方向的流速损失，锥形也有助于液体向上运动。在导流件41倾斜表面设置凸起增强了搅拌效果。

3.通过气体通道42向内径变小段32内通入气体。当在空化效应到达之前，通过气体通道42通入气体，气体的溶解度随着压强的增大而增大。液体旋流到达容器11底部时，压力和速度最大，流速大可以促进气体和液体充分混合，可以提高气体的溶入量，等液流通过内径变小段32时可以更多释放气泡。通入高压气体，还可以进一步提高容器11底部液体的压力，同时液体在气体向上浮力的带动下，可以加速向上运动，提高液体通过内径变小段32的速度。

4、通过第二驱动单元驱动导流件41上下移动，调整内径变小段32与导流件41在竖直方向的相对位置，可依据每小时处理液体量调整合适的空化进入液体的比例空间，以及在空化过程中实时调节，以促进空化质量和空化效果，更好的满足对粘稠性高等液体的空化。

实施例3：

本发明实施例3的水力空化发生器和空化方法的应用例，与实施例2不同的是：

1.如图3所示，气体通道具有多个出口43，这些出口43设置在导流件41的倾斜表面及顶端，所有出口43在水平面上投影的外接圆直径是所述内径最小段的最小直径的2倍。

2.多个凸起44在水平面上的投影的外接圆直径和与所述内径不变段的内径之比是0.8。

3.第二驱动单元驱动出液管上下移动，也即调节了喉部和导流件41间的高度差，也即调节了相对距离。

4.出液管包括内管和外管，内管包括内径变小段、内径变大段和内径不变段，当内管安装在外管内时，内径变小段的中心轴线和外管的中心轴线间具有夹角，该夹角须小于5度。

实施例4：

本发明实施例4的水力空化发生器和空化方法的应用例，与实施例3不同的是：

1.内径变小段和内径变大段一体成型，之后与内径不变段拼接。

2.导流件的倾斜表面设置多个螺旋状凹槽，多个凹槽在水平面上的投影的外接圆直径和与内径不变段的内径之比是1.5。

3.所有出口在水平面上投影的外接圆直径是所述内径最小段的最小直径的1.5倍。

实施例5：

本发明实施例1水力空化发生器和空化方法的应用例，与实施例4不同的是：

1.内径变小段和内径变大段分别单独加工制成，再与内径不变段拼接。

2.多个凹槽在水平面上的投影面积之和与内径不变段的水平截面积之比是0.5。

Claims (8)

1.水力空化发生器，所述水力空化发生器包括容器和进液管，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，所述水力空化发生器还包括：

出液管，所述出液管插入所述容器内，自下而上地，所述出液管具有依次设置的内径变小段、内径变大段和内径不变段；

导流件，所述导流件设置在所述容器的底部，且处于所述内径变小段的下侧；自下而上地，所述导流件的外径先不变后逐渐变小；

第一驱动单元，所述第一驱动单元用于驱动所述导流件旋转；

所述导流件的倾斜表面具有多个凸起或凹槽，多个凸起或凹槽在水平面上的投影的外接圆直径和与所述内径不变段的内径之比不大于1.5；

所述导流件的内部具有气体通道，所述气体通道的出口设置在所述导流件的顶端或倾斜表面；所述气体通道连接单向阀。

2.根据权利要求1所述的水力空化发生器，其特征在于，所述多个凸起或凹槽呈螺旋状分布。

3.根据权利要求1所述的水力空化发生器，其特征在于，所述水力空化发生器还包括：

第二驱动单元，所述第二驱动单元用于驱动所述导流件上下移动。

4.根据权利要求1所述的水力空化发生器，其特征在于，所述气体通道设置多个出口，所有出口在水平面上投影的外接圆直径不大于所述出液管内径变小段的最小直径的2倍。

5.根据权利要求1所述的水力空化发生器，其特征在于，所述进液管为多个，相邻进液管间的夹角为45°～315°。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的水力空化发生器的空化发生方法，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、到达容器底部的液体绕着所述导流件螺旋地向上，之后进入所述内径变小段；通过第一驱动单元驱动所述导流件旋转，所述导流件的旋转速度大于容器底部液体的旋转速度；

S3、液体由所述内径变小段进入所述内径变大段内时，发生空化。

7.根据权利要求6所述的空化发生方法，其特征在于，在S2中，通过所述导流件气体通道通入气体，对液体进行溶气，待液流通过内径变小段时释放更多气泡。

8.根据权利要求6所述的空化发生方法，其特征在于，在S2中，通过第二驱动单元驱动所述导流件上下移动，调整内径变小段与导流件在竖直方向的相对位置。