本發(fā)明涉及化工流體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器以及空化方法。

背景技術(shù)：

空化是指液體內(nèi)局部壓力下降時，液體內(nèi)部或液固交界面上氣體空穴的形成、發(fā)展和潰滅的過程。當(dāng)液體壓力降至液體飽和蒸氣壓甚至以下時，由于液體的劇烈汽化而產(chǎn)生大量空化泡?？栈蓦S液體流動膨脹、生長。當(dāng)液體壓力恢復(fù)時，空化泡瞬間潰滅形成微射流和沖擊波，產(chǎn)生瞬間局部高溫(1000～5000k)和瞬間高壓(1～5×107pa)。空化可導(dǎo)致水力機械設(shè)備性能下降，引起振動、噪聲和空蝕破壞等，但空化現(xiàn)象釋放的能量也可以加以利用，以實現(xiàn)對化學(xué)、物理等過程的強化，達(dá)到增效、節(jié)能、降耗等效果。

根據(jù)空化產(chǎn)生的因素，通常分為聲空化、光空化、粒子空化和水力空化四種類型。由于空化產(chǎn)生的效率和工程應(yīng)用的難易程度，四種模式中，聲空化和水力空化是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點。目前，聲空化僅在實驗室取得較好效果，但將其應(yīng)用于中試或工業(yè)化時，會出現(xiàn)空化場不均勻，空化效率下降，通量較小，放大難度較大等問題。

相對于超聲空化而言，水力空化設(shè)備簡單、成本低廉，能產(chǎn)生大規(guī)模的空化場，工業(yè)化應(yīng)用的潛力很大，目前已在滅菌、有機污水廢水處理、射流清洗以及化工分離等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

中國專利200410021098.5公開了一種通過多孔孔板產(chǎn)生空化的滅菌裝置，利用空化發(fā)生時產(chǎn)生的瞬間高溫高壓來對液體原料進(jìn)行滅菌消毒，該裝置具有產(chǎn)量大、效率高、操作方便、瞬間滅菌、局部高溫、整體常溫等特點，從而避免了液體原料中有效成分的破壞和過熱分解。中國專利200410066214.5公開了一種用于化工分離技術(shù)領(lǐng)域渦流空化器，可以在較低的溫度和不加或者少加化學(xué)破乳劑的條件下對含水乳化油或者乳化含油廢水進(jìn)行低成本和高效率的破乳處理。中國專利201120568210.2公開了一種用于污廢水處理的水力空化裝置，該裝置具備多個空化腔道，空化效率高。并可將臭氧引入空化腔，臭氧在水力空化效應(yīng)所產(chǎn)生的高溫高壓條件下，可以分解成具有更強氧化性的羥基自由基，進(jìn)一步提高了空化效率。該裝置內(nèi)還可設(shè)置催化劑tio2和γal2o3，產(chǎn)生更多的羥基自由基，進(jìn)一步強化污廢水中有機物的去除效果。

盡管對水力空化的研究逐漸深入，所提出的空化器結(jié)構(gòu)形式增多，但是水力空化的空化強度較小，效率較低，往往不足以起到某些物理化學(xué)反應(yīng)的觸發(fā)或強化作用。此外，空化反應(yīng)器處理量較小，大規(guī)模處理時需要多臺裝置并聯(lián)或串聯(lián)使用，導(dǎo)致處理系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，仍難以工業(yè)化推廣應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作可靠，適于工業(yè)化大規(guī)模推廣應(yīng)用。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：

一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，包括：

圓柱形腔體，具有一圓柱形的空腔；

多個流體進(jìn)口管，均勻設(shè)置在圓柱形腔體外緣，均與圓柱形腔體相連通；

環(huán)形孔板，同軸心設(shè)置在圓柱形腔體內(nèi)；

流體出口管，設(shè)置在圓柱形腔體的軸心位置，并且與圓柱形腔體相連通；

文丘里管結(jié)構(gòu)，包括擴展段和液體出口段，擴展段的底端小口徑端連接在流體出口管上，擴展段的頂端大口徑端連接有液體出口段，所述流體出口管、擴展段和液體出口段同軸心設(shè)置。

優(yōu)選的，所述環(huán)形孔板設(shè)有一個或多個，均同軸心設(shè)置在圓柱形腔體內(nèi)。

優(yōu)選的，環(huán)形孔板包括內(nèi)外設(shè)置的ⅰ級環(huán)形孔板、ⅱ級環(huán)形孔板，ⅰ級環(huán)形孔板、ⅱ級環(huán)形孔板的軸線位于圓柱形腔體的軸線上。

優(yōu)選的，所述流體進(jìn)口管設(shè)置在圓柱形腔體外緣的軸線方向或法線方向上。

優(yōu)選的，所述流體出口管位于圓柱形腔體的上端或上下兩端。

優(yōu)選的，所述流體出口管的截面為矩形或圓形，所述流體進(jìn)口管的截面為矩形或圓形。

優(yōu)選的，所述環(huán)形孔板無縫隙的粘接或焊接在圓形腔體上下內(nèi)壁上，所述環(huán)形孔板的開孔率為20％-70％，所述環(huán)形孔板上的開孔形狀為圓形、三角形、橢圓形、方形或菱形。

優(yōu)選的，所述圓柱形腔體的中心位置設(shè)有空化增強模塊，所述空化增強模塊的表面為光滑曲面狀，截面積由邊緣向中心逐漸增加。

優(yōu)選的，所述空化增強模塊的直徑是流體出口管直徑的0.5-1.2倍，所述空化增強模塊(6)的高度是圓柱形腔體高度的0.45-0.85倍。

優(yōu)選的，所述空化增強模塊為橢球狀或為翼形。

本發(fā)明還包括一種水力空化方法，包括以下步驟：

s1、流體沿流體進(jìn)口管進(jìn)入環(huán)形孔板與圓柱形腔體外壁面之間的空間，在該空間內(nèi)流體得以緩沖，降低湍流不均勻性；

s2、流體穿過環(huán)形孔板時，由于孔板的節(jié)流作用，流速增大，流體靜壓降低，當(dāng)壓力達(dá)到甚至低于流體在該溫度下的飽和蒸汽壓時，流體開始?xì)饣a(chǎn)生氣泡，溶解于流體中的氣體也以氣泡形式析出，氣泡產(chǎn)生后逐漸膨脹、生長，到達(dá)流體壓力恢復(fù)區(qū)時潰滅；

s3、流體經(jīng)環(huán)形孔板后，產(chǎn)生大量空化氣泡，在圓柱形腔體中心處，空化流體匯聚碰撞，產(chǎn)生強烈的空化現(xiàn)象，流體在此處重復(fù)發(fā)生劇烈的氣泡發(fā)生、膨脹、潰滅過程，流體在圓柱形腔體中心處與空化增強模塊碰撞，促進(jìn)空化泡的潰滅，此外，流體流過空化增強模塊的截面時，由于截面形式能夠發(fā)生流體邊界層脫離，也可產(chǎn)生尾流空化泡。

s4、處理后的流體經(jīng)流體出口管(2)排出進(jìn)入進(jìn)入擴展段(7)，隨著流道擴展，壓力逐漸恢復(fù)，空化泡隨之又一次發(fā)生潰滅，形成微射流和沖擊波，產(chǎn)生瞬間局部高溫和瞬間高壓。

優(yōu)選的，環(huán)形孔板設(shè)置多級，所述s2中的，流體在多級孔板之間重復(fù)進(jìn)行流體的空化過程，流體不斷地發(fā)生空化泡的產(chǎn)生和潰滅，流體間以及流體與環(huán)形孔板間發(fā)生強烈的碰撞、擠壓和剪切作用，形成劇烈的射流和壓力波。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，處理通量大，設(shè)備制造成本低廉，空化效率高，適用于工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。

2、由于具有較大的處理通量，應(yīng)用本裝置的水處理系統(tǒng)可以減少并聯(lián)管路的安裝，減少管路系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度，減少占地面積，降低投入成本。

3、環(huán)形孔板與圓形腔體外圍壁面之間的空間可以起到對流體的緩沖作用，降低流體湍動不均勻性；

4、切向入口形式，流體在圓形空腔內(nèi)形成旋流，導(dǎo)致腔內(nèi)壓力分布沿半徑向中心逐漸降低，更有利于空化的發(fā)生；

5、多級環(huán)形孔板設(shè)置可以增強對流體的空化處理，提高空化效率，提升能量利用率。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明實施例1的橫向剖面圖(切向入口)。

圖中：1′-流體進(jìn)口管，2′-流體出口管，3′-圓形腔體，4′-ⅰ級環(huán)形孔板，5′-ⅱ級環(huán)形孔板，6′-空化增強模塊。

圖2所示為本發(fā)明實施例2的橫向剖面圖(法向入口)。

圖3是本發(fā)明實施例2的縱向剖面圖(法向入口、一個流體出口管)。

圖4是本發(fā)明實施例2的縱向剖面圖(法向入口、兩個流體出口管)。

圖中：1-流體進(jìn)口管，2-流體出口管，3-圓形腔體，4-ⅰ級環(huán)形孔板，5-ⅱ級環(huán)形孔板，6-空化增強模塊，7-擴展段，8-液體出口段。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1：

如圖1所示，一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，包括流體進(jìn)口管(1′)，流體出口管(2′)，圓柱形腔體(3′)、環(huán)形孔板(包括ⅰ級環(huán)形孔板(4′)、ⅱ級環(huán)形孔板(5′)等)和空化增強模塊(6′)。

ⅰ級環(huán)形孔板(4′)、ⅱ級環(huán)形孔板(5′)同軸心設(shè)置在圓柱形腔體(3′)內(nèi)，所述圓柱形腔體(3′)的中心位置設(shè)有空化增強模塊(6′)，與圓柱形腔體(3′)相連通的兩個流體進(jìn)口管(1′)分別設(shè)置在圓柱形腔體(3′)的左右兩側(cè)，并且兩個流體進(jìn)口管(1′)設(shè)置在圓柱形腔體(3′)外緣的切線方向上，流體出口管(2′)同軸心的設(shè)置在圓柱形腔體(3′)的中心位置頂端或上下兩端。

無圖示，文丘里管結(jié)構(gòu)，包括擴展段(7′)和液體出口段(8′)，擴展段(7′)的底端小口徑端連接在流體出口管(2′)上，擴展段(7′)的頂端大口徑端連接有液體出口段(8′)，所述流體出口管(2′)、擴展段(7′)和液體出口段(8′)同軸心設(shè)置。

實施例2：

如圖2-4，一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，包括流體進(jìn)口管(1)，流體出口管(2)，圓柱形腔體(3)、環(huán)形孔板(包括i級環(huán)形孔板(4)、ⅱ級環(huán)形孔板(5)等)和空化增強模塊(6)。

i級環(huán)形孔板(4)、ⅱ級環(huán)形孔板(5)同軸心設(shè)置在圓柱形腔體(3)內(nèi)，所述圓柱形腔體(3)的中心位置設(shè)有空化增強模塊(6)，三個個流體進(jìn)口管(1)均勻設(shè)置在圓柱形腔體(3)外緣的法線方向上，流體出口管(2)同軸心的設(shè)置在圓柱形腔體(3)的中心位置的上端或上下兩端。

文丘里管結(jié)構(gòu)，包括擴展段(7)和液體出口段(8)，擴展段(7)的底端小口徑端連接在流體出口管(2)上，擴展段(7)的頂端大口徑端連接有液體出口段(8)，所述流體出口管(2)、擴展段(7)和液體出口段(8)同軸心設(shè)置。

流體沿流體進(jìn)口管(1)進(jìn)入i級環(huán)形孔板(4)與圓柱形腔體(3)外壁面之間的空間，在該空間內(nèi)流體得以緩沖，降低湍流不均勻性，利于充分利用環(huán)形孔板產(chǎn)生空化。流體穿過i級環(huán)形孔板(4)時，由于孔板的節(jié)流作用，流速增大，流體靜壓降低，當(dāng)壓力達(dá)到甚至低于流體在該溫度下的飽和蒸汽壓時，流體開始?xì)饣a(chǎn)生氣泡，溶解于流體中的氣體也以氣泡形式析出。氣泡產(chǎn)生后逐漸膨脹、生長，到達(dá)流體壓力恢復(fù)區(qū)時潰滅。

然后進(jìn)入ⅱ級環(huán)形孔板，重復(fù)進(jìn)行流體的空化過程。在多級孔板之間，流體不斷地發(fā)生空化泡的產(chǎn)生和潰滅，流體間以及流體與環(huán)形孔板間發(fā)生強烈的碰撞、擠壓和剪切作用，形成劇烈的射流和壓力波。通過多級環(huán)形孔板作用可以多次發(fā)生空化現(xiàn)象，增加了流體的空化效果，提高了空化強度和空化效率。當(dāng)流體因物理性質(zhì)原因較難在普通裝置中發(fā)生空化時，在此裝置中經(jīng)多級環(huán)形孔板處理，更易達(dá)到氣化壓力，發(fā)生空化。

流體經(jīng)最后一級環(huán)形孔板后，產(chǎn)生大量空化氣泡，在圓柱形腔體(3)中心處，空化流體匯聚碰撞，同時與空化增強模塊(6)碰撞，促進(jìn)空化泡的潰。此外，流體流過空化增強模塊(6)的截面時，由于截面形式能夠發(fā)生流體邊界層脫離，也可產(chǎn)生尾流空化泡。因此，由于多級環(huán)形孔板和空化增強模塊(6)的共同作用，在圓柱形腔體(3)中心處形成了強烈的空化現(xiàn)象，流體在此處重復(fù)發(fā)生劇烈的氣泡發(fā)生、膨脹、潰滅過程，進(jìn)一步增強了空化效果。

處理后的流體經(jīng)流體出口管(2)排出進(jìn)入進(jìn)入擴展段，隨著流道擴展，壓力逐漸恢復(fù)，空化泡隨之又一次發(fā)生潰滅，形成微射流和沖擊波，產(chǎn)生瞬間局部高溫和瞬間高壓。

在切向進(jìn)口形式中，流體在圓柱形腔體(3)內(nèi)形成強烈旋流，壓力由外向內(nèi)降低，更有利于空化的發(fā)生。此外，旋轉(zhuǎn)的流體在與多級環(huán)形孔板作用時，能夠增強空化的剪切作用，提高空化效率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。