一種剪切式水力空化發生裝置及水力空化方法與流程
2023-05-11 01:53:06
本發明涉及化工流體技術技術領域，特別是涉及一種剪切式水力空化發生裝置及水力空化方法。
背景技術：
空化是指液體內局部壓力下降時，液體內部或液固交界面上氣體空穴的形成、發展和潰滅的過程。當液體壓力降至液體飽和蒸氣壓甚至以下時，由於液體的劇烈汽化而產生大量空化泡。空化泡隨液體流動膨脹、生長。當液體壓力恢復時，空化泡瞬間潰滅形成微射流和衝擊波，產生瞬間局部高溫(1000～5000k)和瞬間高壓(1～5×107pa)。空化可導致水力機械設備性能下降，引起振動、噪聲和空蝕破壞等，但空化現象釋放的能量也可以加以利用，以實現對化學、物理等過程的強化，達到增效、節能、降耗等效果。
根據空化產生的因素，通常分為聲空化、光空化、粒子空化和水力空化四種類型。由於空化產生的效率和工程應用的難易程度，四種模式中，聲空化和水力空化是學術界和工業界關注的熱點。目前，聲空化僅在實驗室取得較好效果，但將其應用於中試或工業化時，會出現空化場不均勻，空化效率下降，通量較小，放大難度較大等問題。
相對於超聲空化而言，水力空化設備簡單、成本低廉，能產生大規模的空化場，工業化應用的潛力很大，目前已在滅菌、有機汙水廢水處理、射流清洗以及化工分離等領域得到應用。
中國專利200410021098.5公開了一種通過多孔孔板產生空化的滅菌裝置，利用空化發生時產生的瞬間高溫高壓來對液體原料進行滅菌消毒，該裝置具有產量大、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公開了一種用於化工分離技術領域渦流空化器可以在較低的溫度和不加或者少加化學破乳劑的條件下對含水乳化油或者乳化含油廢水進行低成本和高效率的破乳處理。中國專利201120568210.2公開了一種用於汙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。並可將臭氧引入空化腔，臭氧在水力空化效應所產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，進一步提高了空化效率。該裝置內還可設置催化劑tio2和γal2o3，產生更多的羥基自由基，進一步強化汙廢水中有機物的去除效果。
儘管對水力空化的研究逐漸深入，所提出的空化器結構形式增多，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反應的觸發或強化作用。此外，空化反應器處理量較小，大規模處理時需要多臺裝置並聯或串聯使用，導致處理系統管路結構龐大、複雜，仍難以工業化推廣應用。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術中存在的技術缺陷，而提供一種剪切式水力空化發生裝置及水力空化方法。
為實現本發明的目的所採用的技術方案是：
一種剪切式水力空化發生裝置，包括：
殼體，用於容納液體，其正下方設有液體出口，其向正上方設有液體進口；
剪切空化機構，設置在殼體的中心位置，包括，
斜牙轉子，同軸心設置在殼體內，內側沿圓周方向均勻設置有輻射狀的直角牙，相鄰的兩個直角牙之間形成第一凹槽，所述直角牙凸起邊線均為規則直角形；
直牙轉子，同軸心設置在殼體內，內側沿圓周方向均勻設置有輻射狀的傾斜牙，相鄰的兩個傾斜牙之間形成第二凹槽，所述傾斜牙的凸起端面傾斜一定角度，其中直牙轉子與斜牙轉子同軸相對設置，並且與斜牙轉子之間形成空隙；
驅動結構，用於驅動斜牙轉子和直牙轉子向相反方向轉動。
優選的，所述殼體呈空腔圓柱體結構。
優選的，所述液體進口與液體出口同軸心設置。
優選的，所述斜牙轉子和直牙轉子的中心軸分別通過聯軸器固裝在兩個電機的輸出軸上。
優選的，所述直角牙與傾斜牙的個數不同。
優選的，所述直牙轉子的內側沿圓周方向均勻設置有10-12個直角牙，所述斜牙轉子與直牙轉子相對的一側沿圓周方向均勻設置有11-13個傾斜牙。
優選的，所述斜牙轉子與直牙轉子的直徑大小相同。
優選的，所述斜牙轉子的外側均勻分布有輻射狀的第一外牙，且所述殼體內壁與斜牙轉子相對的位置上固定設有第一固定牙，所述直牙轉子的外側均勻分布有輻射狀的第二外牙，且所述殼體與直牙轉子相對的內壁上固定設有第二固定牙，當第一外牙為傾斜牙時，第一固定牙為直角牙，當第一外牙為直角牙時，第一固定牙為傾斜牙，當第二外牙為傾斜牙時，第二固定牙為直角牙，當第二外牙為直角牙時，第二固定牙為傾斜牙。
優選的，所述斜牙轉子的直徑為殼體直徑的0.65-0.95，所述斜牙轉子的直徑為殼體直徑的0.65-0.95。
本發明的另一發明，所述剪切式水力空化發生裝置的空化方法，包括以下步驟：
(1)斜牙轉子、直牙轉子與殼體的間隙，空化在直角牙與傾斜牙的轉動最前緣產生；
(2)當斜牙轉子的傾斜牙之間的第一凹槽、直牙轉子直角牙之間的第二凹槽共線時，第一凹槽與第二凹槽之間產生空化；
(3)斜牙轉子的傾斜牙與直牙轉子的直角牙之間的文丘裡空隙發生空化，斜牙轉子、直牙轉子高速轉動，導致壓力場快速變化，從而引起裝置內周期性地壓力降低，發生劇烈空化。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、本水力空化發生裝置通過採用直牙轉子和斜牙轉子，對流體形成高壓力差、剪切和文丘裡作用等多種方式，從而誘發多點空化，可產生大量的空泡雲，對空泡的輸運性強，且能耗低，空化效率高，液體流通量大，可大規模推廣使用。
2、本水力空化發生裝置可以通過控制流量和轉子轉速控制空化程度，可根據實際需求獲得不同程度的空化效果，大大提高了該水力空化裝置的可控性。另外，所述水力空化發生裝置結構簡單，成本低廉，無高壓泵或增壓器，工作可靠，適於大規模推廣應用。
附圖說明
圖1所示為本發明的結構示意圖。
圖2所示為直牙轉子結構簡圖。
圖3所示為斜牙轉子結構簡圖。
圖4所示為空化區域示意圖。
其中：1-液體進口，2-液體出口，3-殼體，4-電機，5-斜牙轉子，6-直牙轉子，7-直角牙，8-第二凹槽，9-傾斜牙，10-第一凹槽。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
一種剪切式水力空化發生裝置，包括：
殼體3，用於容納液體，其正下方設有液體出口2，其向正上方設有液體進口1；
剪切空化機構，包括，
斜牙轉子5，同軸心設置在殼體3內，內側沿圓周方向均勻設置有輻射狀的直角牙7，相鄰的兩個直角牙7之間形成第一凹槽10，所述直角牙凸起邊線均為規則直角形；
直牙轉子6，同軸心設置在殼體3內，內側沿圓周方向均勻設置有輻射狀的傾斜牙9，相鄰的兩個傾斜牙之間形成第二凹槽8，所述傾斜牙的凸起端面傾斜一定角度，其中直牙轉子6與斜牙轉子5同軸相對設置，並且與斜牙轉子5之間形成空隙；
驅動結構，用於驅動斜牙轉子和直牙轉子向相反方向轉動，從而形成對流體的剪切作用。
液體從液體進口1進入殼體3內，液體在直牙轉子6與殼體3之間的間隙，斜牙轉子5與殼體3之間的間隙，直牙轉子6與斜牙轉子5之間形成的空隙內流動，發生空化。
最為優選方案，所述殼體3呈空腔圓柱體結構。所述液體進口1與液體出口2同軸心設置，這種設置方式，使得液體流通更通暢，空化效率更高。
作為優選方案，所述驅動結構為電機4，所所述斜牙轉子和直牙轉子的中心軸分別通過聯軸器固裝在兩個電機的輸出軸上。在軸向，殼體3左右面中心開孔，通過軸承支撐電機轉軸，電機4設置於殼體兩側，分別通過轉軸驅動斜牙轉子5和直牙轉子6轉動。
作為優選方案，所述直角牙7與傾斜牙9的個數不同，以免發生共振。所述直牙轉子6的內側沿圓周方向均勻設置有10-12個直角牙7，所述斜牙轉子5與直牙轉子6相對的一側沿圓周方向均勻設置有11-13個傾斜牙9。
作為優選方案，所述斜牙轉子5與直牙轉子6的直徑大小相同，可有效提高空化效率。
作為優選方案，所述斜牙轉子的外側均勻分布有輻射狀的第一外牙，且所述殼體內壁與斜牙轉子相對的位置上固定設有第一固定牙，所述直牙轉子的外側均勻分布有輻射狀的第二外牙，且所述殼體與直牙轉子相對的內壁上固定設有第二固定牙，當第一外牙為傾斜牙時，第一固定牙為直角牙，當第一外牙為直角牙時，第一固定牙為傾斜牙，當第二外牙為傾斜牙時，第二固定牙為直角牙，當第二外牙為直角牙時，第二固定牙為傾斜牙。如此斜牙轉子或直牙轉子外側的第一固定牙、第二固定牙高速轉動，與殼體內壁上固定設置的第一固定牙、第二固定牙相互交錯，不斷形成文丘裡結構，發生劇烈空化。
作為優選方案，所述斜牙轉子的直徑為殼體直徑的0.65-0.95，所述斜牙轉子的直徑為殼體直徑的0.65-0.95，在此範圍內，空化效率最高。
本發明的另一發明，所述剪切式水力空化發生裝置的空化方法，包括以下步驟：
(1)斜牙轉子5、直牙轉子6與殼體3的間隙，空化在直角牙7與傾斜牙9的轉動最前緣產生；
(2)當斜牙轉子5的傾斜牙之間的第一凹槽8、直牙轉子6的第二凹槽10共線時，第一凹槽8與第二凹槽10之間產生空化；
(3)斜牙轉子5的傾斜牙與直牙轉子6的直角牙之間的文丘裡空隙發生空化，斜牙轉子5、直牙轉子6高速轉動，導致壓力場快速變化，從而引起裝置內周期性地壓力降低，發生劇烈空化。
具體的，流體從液體進口1進入殼體3內，在直牙轉子6與斜牙轉子5的帶動下，在直牙轉子6與斜牙轉子5的圓周外表面與殼體3的內表面之間，以及直牙轉子6與斜牙轉子5的相對間隙內運動。因空化裝置的特殊結構，液體可以在三個部分發生空化。
第一，如圖4中a所指區域，在直牙轉子6的直角牙7圓周外表面與殼體3的內表面之間運動的流體，在斜牙轉子5的傾斜牙9圓周外表面與殼體3的內表面之間運動的流體，由於隨轉子高速轉動，產生離心力，在直角牙7、傾斜牙9的圓周外表面與殼體3的內表面之間形成較高的流體靜壓立。但在第一凹槽8、第二凹槽10內，由於轉子的高速轉動，第一凹槽8、第二凹槽10運動表面形成低壓區，這樣在殼體3內表面與第一凹槽8、第二凹槽10之間形成較高的壓力差，當靜壓值低於液體在該溫度下的飽和蒸氣壓時，發生空化現象，在斜牙轉子5、直牙轉子6轉動方向牙的前端部分產生空化泡。
第二，在斜牙轉子5、直牙轉子6相對轉動過程中，直角牙7與傾斜牙9周期性地共線、錯開。液體在直角牙7與傾斜牙9的間隙內受到兩個牙結構的高壓擠壓作用力，靜壓力是系統內最高部分。當共線的兩個牙完全錯開，第一凹槽8、第二凹槽10完全共線時，凹槽區形成較大的低壓區，液體從擠壓高壓區突然進入低壓區，靜壓力降低，空化潛力最大。當靜壓值低於液體在該溫度下的飽和蒸氣壓時，發生空化現象，在斜牙轉子5、直牙轉子6兩個共線的第一凹槽8、第二凹槽10間產生空化泡，如圖4中b所指區域。
第三，在斜牙轉子5、直牙轉子6相對轉動過程中，直角牙7與傾斜牙9周期性地共線、錯開。液體在直角牙7與傾斜牙9的間隙內受到兩個牙結構的高壓擠壓作用力。此外，高速旋轉的兩個轉子因為粘性作用又帶動液體相對轉動，形成對液體的剪切作用。在兩個牙從開始共線到完全錯開的過程中，直角牙7與傾斜牙9的幾何形狀形成文丘裡結構。在剪切力與文丘裡結構的共同作用下，兩個共線的牙之間形成較大的低壓區，當靜壓值低於液體在該溫度下的飽和蒸氣壓時，發生空化現象，在斜牙轉子5、直牙轉子6兩個共線的牙間隙之間產生空化泡，如圖4中c所指區域。
由上述可見，空化主要發生在三個區域。第一，斜牙轉子5、直牙轉子6與殼體3的間隙，空化在直角牙7與傾斜牙9的轉動最前緣產生；第二，當斜牙轉子5的第一凹槽8、直牙轉子6的第二凹槽10共線時，轉子的凹槽間會產生空化；第三，斜牙轉子5、直牙轉子6的牙之間的文丘裡空隙會發生空化。斜牙轉子5、直牙轉子6在電機4的驅動下高速轉動，導致壓力場快速變化，從而引起裝置內周期性地壓力降低，發生劇烈的空化現象。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出的是，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。