TWI750923B

TWI750923B - 文氏管

Info

Publication number: TWI750923B
Application number: TW109141832A
Authority: TW
Inventors: 劉輝堂
Original assignee: 劉輝堂
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-12-21
Also published as: TW202220747A

Abstract

本發明係關於一種文氏管，其包括：圓柱管，其中配置有第一錐體和第二錐體。第一錐體及第二錐體被構造成使得它們的基部彼此面對並且被一間隙隔開。該文氏管進一步包括一抽吸管，其具有入口和出口，該入口位於圓柱管的外部，該出口位於第一基部及第二基部之間，即第一基部及第二基部之間的間隙。此結構的文氏管用作氣液混合器時將可獲得更高的氣體溶解度。在處理等流量的液體時，此結構的文氏管的長度比傳統的文氏管短，因此所需製造成本較低。

Description

文氏管

本發明係關於一種文氏管，其內部結構與常見者不同。

文氏管在本技術領域中是眾所周知的。如圖1所示，傳統的文氏管100具有漸縮的入口（入口錐形管）112，狹窄的喉部116及擴張的出口（出口錐形管）114，並根據伯努利定律而作用，該定律之敘述為：對於水平方向的流體，較高流體速度之處的壓力小於較慢流體速度之處的壓力。當流體通過漸縮入口112時，液流的速度增加。因此，根據伯努利定律，隨著速度增加，壓力減小。降低的壓力產生抽吸效果。文氏管因此可以用作液體-氣體混合器。當液體流過文氏管100時，在喉部116產生吸力作用，在此處，較低的壓力將吸入氣體以與流過喉部116的液體混合。

再次參考圖1，中心軸線Z是沿著文氏管100的縱軸線。P _fi和P _fo分別是入口112和出口114處的流體壓力。P _a是喉部116的氣體壓力。當氣體由氣體入口142被吸入喉部116中時，氣泡將在喉部116形成。假設在喉部116形成的氣泡的體積為V _a(其通常取決喉部116的截面積)，該氣泡到達文氏管100的出口114時可膨脹到體積V _c。出口114處的氣體（氣泡）的體積V _c如下式所示：

由於P _fo大於P _a，所以V _c小於V _a。這表示氣泡從喉部116移動到出口114時會收縮。但是，由於文氏管中壓力的梯度，在離開喉部116時，氣泡將被推離Z軸（液流的軸向），並朝向擴張的出口114的內表面。由於氣泡在流動時會偏離Z軸，因此較不容易溶解於液體中。隨著氣泡的流動，氣泡間的碰撞的機會增加，這有利於氣泡的結合以形成更大的氣泡，如圖1所示。

有兩個因素會影響氣體溶解率： 1. 喉部的截面積較大截面積的喉部會產生較大的氣泡體積，並導致液體與氣體之間的接觸面較少，因此降低了氣體溶解度。 2. 文氏管中的壓力梯度由於文氏管100中的壓力梯度，在離開喉管116時，氣泡將被推離中心軸線Z並流向出口114的表面，在此處氣泡較難以溶解於液體中而傾向於與其他氣泡碰撞而形成較大的氣泡。較大的氣泡會導致氣泡與流體之間的接觸減少。結果，氣體溶解度大為降低。

除了氣體溶解度較低外，一個主要的缺點是文氏管的尺寸（長度），這不僅限制了文氏管的應用，而且製造成本很高。

因此，需要一種改良的文氏管，其能夠實現更大的氣體溶解度。亦需要生產尺寸較小和成本較低之文氏管。

本發明提供了一種文氏管，該文氏管亦依照伯努利定律而作用，惟其結構不同於通常使用的文氏管。

本發明的文氏管包括圓柱管、第一錐體及第二錐體。第一錐體及第二錐體安裝在圓柱管中，並且被構造成使得其基部彼此面對且被一間隙隔開。該文氏管另包括具有入口和出口的抽吸管。該入口位於圓柱管的外部；該出口位於第一基部和第二基部之間，即第一基部與第二基部之間的間隙。

在第一圓錐體和第二圓錐體如上述所構成的情況下，在圓柱管與第一圓錐體和第二圓錐體之間形成的流體通路為環狀。環形通道將具有比傳統文氏管的喉部更大的截面積，並因此具有更高的單位時間流量。因此，如果本發明的文氏管用於處理與傳統文氏管相同的單位時間流體流量，則其尺寸可以減小。

另外，隨著將氣體吸入本發明的文氏管中，所產生的氣泡的尺寸將小於傳統文氏管中所產生的氣泡的尺寸。流體與較小氣泡之間的總接觸面積大於流體與較大氣泡之間的總接觸面積。因此，本發明的文氏管用作氣液混合器時將比傳統的文氏管具有更高的氣體溶解度。

圖2顯示本發明的文氏管1。文氏管1包括圓柱管10，該圓柱管10具有流入端12和流出端14，其對應壓力分別為P _fi'和P _fo'。

文氏管1進一步包括第一圓錐體20及第二圓錐體30。第一圓錐體20具有第一基部22及第一錐角θ ₁；第二圓錐體30具有第二基部32及第二錐角θ ₂。第一錐體20同心地定位在圓柱管10中，其第一基部22背向流體流入端12。第一錐角θ ₁大於第二錐角θ ₂。第二圓錐體30同心地定位在圓柱管10中，第二基部32與第一基部22間隔開一距離D _c。在實施例中，距離D _c為1mm至3mm。第二基部32的基部直徑D _b等於第一基部22的直徑，並且小於管直徑D _t。因此，基部22、32與圓柱管10之間的間隙R _g為：

在實施例中，基部直徑D _b比管直徑D _t小0.5mm至2mm而間隙R _g為0.25mm至1mm。

文氏管1進一步包括抽吸管40。抽吸管40具有入口42及出口44。入口42位於圓柱管10的外部；出口44位於第一基部22和第二基部32之間。在一個實施例中，出口44位於第一基部22和第二基部32的中心之間，以便將吸入的氣體更均勻地分配在通過文氏管1的流體中。

在一個實施例中，第二錐體30可為截錐體。如果錐角和基部相同，則截頭圓錐的長度要比無截頭圓錐的長度短。圓柱管10可以配合截錐以具有減小的長度。因此，具有截短的第二錐體30的文氏管1的長度將更短，因此重量更輕並且佔據更少的空間。

參照圖2，可以理解的是，在文氏管1中的圓柱管10與第一錐體20及第二錐體30之間形成的流體通道的截面是環形的。沿著軸線Z，流體通道的截面積從流體流入端12逐漸減小，並在第一基部22或第二基部32所在的位置達到最小值，然後朝流出端14方向逐漸增大。結果，在流入端12及流出端14的流體速度較慢，而在第一基部22及第二基部32的流體速度最快，同時流體通道截面積最小。根據伯努利定律，在流體速度最快之處，即流體通道的截面積最小的位置，壓力最小。

抽吸管40的出口44配置在第一基部22和第二基部32的中心之間，即，流體通道截面積最小的位置。氣體通過抽吸管40從出口44吸入到該位置。

當液體流過文氏管1時，氣體從出口44被吸出並形成氣泡。當氣泡離開出口44時，假設這些氣泡的體積和壓力分別為V _a'及P _a'。氣泡體積V _a'與第一基部22和第二基部32之間的距離D _c相關。隨著氣泡繼續沿文氏管流動，由於壓力從P _a'增大到P _fo'，氣泡體積將縮小為V _c'。當氣泡較小時，氣體溶解度較高。由於第二錐體30的幾何形狀，流經文氏管的液體產生壓力梯度，該壓力梯度將這些小氣泡拉向第二錐體30的表面，即朝向液流的中心軸Z。圍繞液流中心軸Z流動的氣泡將有更多機會接觸流體。結果，氣體溶解度將比傳統的文氏管100(其中氣泡遠離中心軸線Z流動)更高。

在本發明的文氏管中，流體流過的通道是環形的。與傳統的文氏管中的喉部相比，環形通道具有更大的有效截面積，因此具有更高的流量。因此，可以顯著減小文氏管的尺寸。

與傳統的文氏管相比，本發明的文氏管可以更小。另外，本發明的文氏管產生較小的氣泡，因此將具有較高的氣體溶解度

本領域技術人員應該理解，以上實施例旨在說明本發明之技術特徵而不是限制本發明之範圍。因此，在不脫離所描述概念的情況下，可以對本發明做進一步的修改及改良。

1:文氏管 10:圓柱管 12:流入端 14:流出端 20:第一圓錐體 22:第一基部 30:第二錐體 32:第二基部 40:抽吸管 42:入口 44:出口 100:文氏管 112:入口 114:出口 116:喉部 142:氣體入口 D _b:基部直徑 D _c:距離 D _t:管直徑 P _a:壓力 P _a':壓力 P _fi:壓力 P _fi':壓力 P _fo:壓力 P _fo':壓力 P _g:壓力 P _g':壓力 R _g:間隙 V _a:體積 V _a':體積 V _c:體積 V _c':體積 θ ₁:第一錐角 θ ₂:第二錐角

圖1顯示傳統之文氏管。

圖2顯示本發明之文氏管。

1:文氏管

10:圓柱管

12:流入端

14:流出端

20:第一圓錐體

22:第一基部

30:第二錐體

32:第二基部

40:抽吸管

42:入口

44:出口

P_a':壓力

P_fi':壓力

P_fo':壓力

P_g':壓力

R_g:間隙

V_a':(氣泡)體積

V_c':(氣泡)體積

θ₁:第一錐角

θ₂:第二錐角

Claims

一種文氏管，包括：一圓柱管，具有一管直徑、一流入端及一流出端；一第一錐體，具有一第一基部及一第一錐角，該第一錐體同心地定位在該圓柱管中，其第一基部背向該流入端；一第二錐體，具有一第二基部及一第二錐角，該第二錐體同心地定位在該圓柱管中，該第二基部與該第一基部間隔一距離，該第二基部的基部直徑等於該第一基部的直徑，且小於該圓柱管之管直徑；及一抽吸管，具有一入口及一出口的，該入口位於該圓柱管之外部，該出口位於第一基部與該第二基部之間。
如請求項1之文氏管，其中，該第一錐角大於該第二錐角。
如請求項2之文氏管，其中，該第二圓錐體被截短且該圓柱管配合被截短之該第二圓錐體而縮短其長度。
如請求項2之文氏管，其中，該出口位於該第一基部及該第二基部之中心之間。
如請求項3之文氏管，其中，該出口位於該第一基部及該第二基部之中心之間。
如請求項5之文氏管，其中，該第一基部與該第二基部之間之距離為1mm至3mm。
如請求項5之文氏管，其中，該第一基部之直徑比該圓柱管之直徑小0.5mm至2mm。
如請求項6之文氏管，其中，該第一基部之直徑比該圓柱管之直徑小0.5mm至2mm。