申请/专利权人：江苏大学

申请日：2018-10-16

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109260973B

主分类号：B01F23/235

分类号：B01F23/235;B01F33/83

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.02.26#实质审查的生效;2019.01.25#公开

摘要：本发明公开了一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，通过管路将储水系统依次与循环泵、气泡发生装置连接，形成一个回路；气泡发生装置包括前扩散段、整流段、收缩段、气泡发生段和后收缩段依次连接，气泡发生段内固定设有实心球；实心球与气泡发生段的管壁之间形成一圈等距的间隙，实心球竖直方向设有“T”型的细管贯穿实心球与管壁，细管的一端为进气管道，另外一端为进水管道；过实心球的球心水平朝向进水端为气液混合管道；且在一端末端设有气泡破碎器；本发明充分利用液体经过实心球与管壁较近区域时形成的高水流速度剪切与实心球尾流时产生的高强度尾流扰动，气泡产生效率高、数量大、无污染、节约能耗。

主权项：1.一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，包括循环泵1、气泡发生装置和管路，通过管路将储水系统依次与循环泵1、气泡发生装置连接，形成一个回路；所述气泡发生装置包括前扩散段2、整流段3、收缩段4、气泡发生段9和后收缩段10依次连接，所述气泡发生段内9固定设有实心球18；所述实心球18与气泡发生段9的管壁8之间形成一圈等距的间隙；所述实心球18竖直方向设有一根细管一，细管一贯穿实心球18与管壁8，所述细管一的一端为进气管道6，另外一端为进水管道7；过实心球18的球心水平朝向收缩段4设有另外一根细管二，所述细管二的一端与细管一连通，另一端末端设有气泡破碎器21，所述细管二内部为气液混合管道；所述整流段3内设有整流器24；所述气泡破碎器21为横向与纵向的横板阵列分布，在水平方向形成并列的通道，每个通道的横截面积大小相同；所述实心球18与气泡发生段9的管壁8之间的间隙为0.0675D，其中D为管壁8内径。

全文数据：一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置技术领域本发明属于气泡发生技术领域，尤其涉及一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置。背景技术水资源短缺与严重污染是我国当前急需解决的重要问题之一，水质的污染不仅影响人类的身体健康，还会使水中溶氧量过低而导致大批鱼类及水生动物死亡等现象发生。国家和各地政府高度重视水问题，积极采用各种方法和技术对水资源进行保护，提高其再生利用性。由于微气泡尺寸小、比表面积大且表面带负电荷，气泡周围存在比力强的静电场，能阻止气泡发生交融，抵挡浮力效果，可在水中滞留较长时间，其物理和化学特性与常规尺寸气泡不同，与液相充分溶解后可有效的促进气液间的相互作用与质量传递过程，在净水、鱼类养殖及工程应用中发挥重要作用。在被污染的水域中通入大量的微气泡不仅能去除浮游性藻类，改善修复各种水域环境，同时还能携带沉降的难以降解微小污染物质上浮，保证鱼类及水生动物的良好生存环境，具有很好的应用前景。大量、高效的产生微气泡是自然界与各类工程应用中解决问题的关键。在高强度湍流扰动与高速水流剪切环境中，大气泡由于表面张力小，难以维持其基本形状而破碎形成众多微小气泡。与传统的搅拌釜作用形成高强度涡流使大气泡破碎相比，利用球形扰流与壁面剪切形成高速水流和低压环境产生微气泡装置简单，能量利用率高，运行及维护费用低，具有良好的经济效益和广泛的应用领域。微气泡在液相环境中破碎的瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积储的化学能瞬间释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其发生的超强氧化效果可降解水中正常条件下难以消除的污染物，从而实现对水质的净化作用。同时，大量微气泡的溶解可显著提高河流、湖泊、水库及海洋中的溶氧量，促进水中好氧生物的生长，加速对水中沉积垃圾的降解，并且可降低由于溶氧量过低而导致鱼类及水中动物死亡的现象发生。发明内容本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，目的在于能大量、高效的产生微小气泡，提高微气泡的污水净化效果和鱼类养殖质量。一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，包括循环泵、气泡发生装置和管路，通过管路将储水系统依次与循环泵、气泡发生装置连接，形成一个回路；所述气泡发生装置包括前扩散段、整流段、收缩段、气泡发生段和后收缩段依次连接，所述气泡发生段内固定设有实心球；所述实心球与气泡发生段的管壁之间形成一圈等距的间隙；所述实心球竖直方向设有一根细管一，细管一贯穿实心球与管壁，所述细管一的一端为进气管道，另外一端为进水管道；过实心球的球心水平朝向进水端设有另外一根细管二，所述细管二的一端与细管一连通，细管二内部为气液混合管道；所述细管二的另一端末端设有气泡破碎器；所述整流段内设有整流器。进一步，所述气泡破碎器为横向与纵向的横板阵列分布，在水平方向形成并列的通道，每个通道的横截面积大小相同；进一步，所述整流器由许多等截面小管道并列组成，所述小管道之间通过阻尼网固定。所述小管道的截面形状可以为方形、圆形或六角形，通过整流器能够改善气泡发生段的水流速度分布均匀性。进一步，所述实心球与气泡发生段的管壁之间的间隙应保持在0.0675D，其中D为管壁内径；进一步，所述细管一、细管二选用直径相同的铜管；进一步，所述气泡发生装置还可以配有溶氧检测仪，用于对储水系统中气泡参数进行监测；进一步，所述气泡发生装置还可以配套设有搅拌器，用于将产生的微气泡更好的分散在水环境中；进一步，所述管路中还设有流量计，用于实时监测管路中的液体流速；本发明的有益效果：本发明所提出的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，充分利用液体经过实心球与管壁较近区域时形成的高水流速度剪切与实心球尾流时产生的高强度尾流扰动，气泡产生效率高、数量大、无污染、节约能耗；此外，流量计、阀门、循环泵均为成熟的产品，通过控制阀门和循环泵运行频率可调节管路中的液流速度，进而对产生的气泡特性及与储水系统中的液体作用效果进行控制；整个装置结果简单，安装方便，运行及维护费用较低。本发明中气泡产生数量可通过增大通气流量实现，微气泡的尺寸可通过调节主管道水流速度控制。整套装置操作简单，加工易于实现，同时，可在储水系统中监测液体中的溶氧量。附图说明图1是本发明装置的整体结构示意图；图2是本发明气泡发生装置示意图；图3是本发明气泡发生段截面图；图4是本发明气泡发生段工作示意图；图5是本发明气泡破碎器截面图；图6是本发明整流器截面视图；图中，1.循环泵，2.前扩散段，3.整流段，4.收缩段，5.阀门A，6.进气管道，7.进水管道，8.管壁，9.气泡发生段，10.后收缩段，11.流量计，12.阀门B，13.管道，14.阀门C，15.微气泡，16.溶氧量监测仪，17.搅拌器，18.实心球，19.固定器，20.气液混合管道，21.气泡破碎器，22.母气泡，23.壁面，24.整流器，25.阻尼网。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，通过管路将对储水系统与循环泵1、气泡发生装置之间连通，形成一个回路；在管路与储水系统连接的进水口与排出口处分别设有阀门C14，阀门B12，用于控制整个装置运转；如图2所示，气泡发生装置包括前扩散段2、整流段3、收缩段4、气泡发生段9和后收缩段10依次通过法兰连接，前扩散段2是个渐变流道，一端连接管路，另一端连接整流段3，实现管路与整流段3的平滑过渡，由于液体通过前扩散段2进入整流段3时，轴截面上的速度分布不均匀，如图6，在整流段3内设有整流器24，整流器24由许多方形、圆形或六角形等截面的小管道并列组成，且小管道之间通过阻尼网25固定，将原大流道内可能存在的大尺度旋涡分割成小尺度旋涡，小尺度旋涡有更快的衰减速度，这将加快水流中旋涡的衰减，对下游水流的稳定及湍流度的减小非常有利，从而起到了衰减旋涡、降低湍流度的作用；整流段3的另一端连接收缩段4，收缩段4也是一个渐变管，平滑连接收缩段4与气泡发生段9，水流经过收缩段4均匀加速后进入气泡发生段9，收缩段4使水流均匀加速、降低流动噪声以及节约能耗；如图3所示，气泡发生段9为一条均匀的直管，在气泡发生段9靠近进水口，即靠近收缩段4的位置，在气泡发生段9的内部设有一个实心球18，实心球18通过固定器19与气泡发生段9的管壁8之间固定连接，固定器19可以采用螺栓穿过管壁8与实心球18固定，实心球18在与气泡发生段9的管壁8之间形成一圈等距的间隙，实心球与气泡发生段的管壁之间的间隙应保持在0.0675D，其中D为管壁内径。如图4所示，在实心球18竖直方向设有一根细管一，细管一贯穿实心球18球心与气泡发生段9管壁8，细管一的一端为进气管道6，另外一端为进水管道7，在进气管道6与进水管道7上分别设有阀门A5；过实心球18的球心水平朝向进水端设有另外一根细管二，细管二的一端与细管一连通，细管二内部为气液混合管道20；所述细管二的另一端内装有气泡破碎器21；如图5所示，气泡破碎器21为横向与纵向的横板阵列分布，在水平方向形成并列的通道，；气泡发生段9的另一端通过渐变型的后收缩段10实现与管路的平滑连接；在后收缩段10后的管路上还设有流量计11；在对储水系统中还可以配有溶氧检测仪16和搅拌器17。为了更清楚的解释本发明的技术方案，以下结合本发明的工作过程作进一步的解释：在工作过程中，首先打开阀门B12和阀门C14，待液体充满整个循环回路时，开启循环泵1，此时回路中的液体都开始运动，液体通过渐变型的前扩散段2进入整流段3，经过整流段3将原管路内可能存在的大尺度旋涡分割成小尺度旋涡，减小了湍流度，获得稳定的水流进入收缩段4，水流经过收缩段4均匀加速后进入气泡发生段9；同时打开阀门A5，从进气管道6通入气体，从进水管道7通入水流，这种气液混合体从气液混合管道20朝向进水口端排出，通过气液混合管道20末端的气泡破碎器21能够使气泡的初始尺寸较小，实现第一阶段破碎，产生母气泡22；在管路中流入的水流作用下，该气液混合体顺流而下，在经过实心球18与管壁8之间的间隙时，根据流体动力学原理，由于实心球18与管壁8距离较小，液流经过该区域时速度急剧增大，实心球18下游环境压力迅速减小，在不需要很高水流速度条件下，即可形成强烈的剪切流，在实心球与壁面较近区域高速水流剪切作用下，气泡发生第二阶段破碎；并且在实心球18的下游背面尾流区具有高强度的湍流脉动和旋涡剪切，在实心球18尾流高强度湍流扰动作用下实现气泡的第三阶段破碎，气泡进入该区域时迅速破碎成为一系列雾化状态碎泡，此时气泡尺寸达到微米级甚至纳米级，获得微气泡15，当气泡进入储水系统中时，搅拌器17的搅拌作用使气泡更好的分散在水环境中，利用溶氧量监测仪16对水中气泡参数进行监测。通过对储水系统中提取的少量水进行质量检测即可获取气泡的净水效果。上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，包括循环泵1、气泡发生装置和管路，通过管路将储水系统依次与循环泵1、气泡发生装置连接，形成一个回路；所述气泡发生装置包括前扩散段2、整流段3、收缩段4、气泡发生段9和后收缩段10依次连接，所述气泡发生段内9固定设有实心球18；所述实心球18与气泡发生段9的管壁8之间形成一圈等距的间隙；所述实心球18竖直方向设有一根细管一，细管一贯穿实心球18与管壁8，所述细管一的一端为进气管道6，另外一端为进水管道7；过实心球18的球心水平朝向收缩段4设有另外一根细管二，所述细管二的一端与细管一连通，另一端末端设有气泡破碎器21，所述细管二内部为气液混合管道；所述整流段3内设有整流器24。2.根据权利1要求所述的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，所述气泡破碎器21为横向与纵向的横板阵列分布，在水平方向形成并列的通道，每个通道的横截面积大小相同。3.根据权利1要求所述的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，所述整流器24由许多等截面小管道并列组成，所述小管道之间通过阻尼网25固定。所述小管道的截面形状可以为方形、圆形或六角形，通过整流器24能够改善气泡发生段9的水流速度分布均匀性。4.根据权利1要求所述的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，所述实心球18与气泡发生段9的管壁8之间的间隙应保持在0.0675D，其中D为管壁8内径。5.根据权利1要求所述的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，所述细管一、细管二选用直径相同的铜管。6.根据权利1要求所述的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，所述气泡发生装置配有溶氧检测仪16，用于对储水系统中气泡参数进行监测。7.根据权利1要求所述的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，所述气泡发生装置配套设有搅拌器17，用于将产生的微气泡15更好的分散在水环境中。8.根据权利1要求所述的一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置，其特征在于，所述管路中还设有流量计，用于实时监测管路中的液体流速。

百度查询： 江苏大学 一种基于球体剪切效应的微气泡发生装置

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