CN109157993A - 一种微纳气泡产生器及产生方法 - Google Patents

一种微纳气泡产生器及产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微纳气泡产生器及产生方法，所述微纳气泡产生器包括主体和端盖，所述端盖密封设置于主体顶端，端盖上设置有入气口，所述主体具有倒圆锥形的内腔，侧壁设置有入水口，底部设置有出水口，所述入水口与主体内壁相切。工作时，通过控制压力，使水流从入水口沿主体内壁切线方向射入，在内腔形成旋流，同时由入气口通入气体，气体与水流混合后产生气泡，与水流由出水口排出。本发明通过对微纳气泡产生器结构进行改进，利用偏心和旋流相结合的方式，提高了气泡/水混合的机会和强度，进而大幅提高了气泡/水的体积百分比，气泡/水的体积比能够达到40％左右，具有良好的应用前景。

Description

一种微纳气泡产生器及产生方法
技术领域
本发明涉及气泡发生领域，具体涉及一种微纳气泡产生器及产生方法。
背景技术
在污水、稀状的污泥处理和水产养殖业里，为了有效地进行氧化处理或是让水体富氧，通常是往水体里输送含臭氧或氧的气泡。传统的气泡直径大约在几百微米到1毫米左右，在浮力的作用下，2米左右深度的水体，气泡在其中仅能存留不到10秒钟。因此依靠气泡富氧过程的效率很低，特别是污水处理中的含臭氧气泡，因为臭氧产生过程本身的效率就很低，能耗较大，而大部分气泡中的臭氧还没来得及与水体发生氧化作用就因气泡浮出水面破裂而失效。近年来，有大量的研究表明，如果产生的气泡的直径在几个微米的情况下，往往会发生两个变化方向，其一是各气泡由于碰撞而结合，进而直径变大，而另一方向是由于表面张力的原因使得气泡直径变小。这样就在合适的水体里形成了“微纳气泡”，实验表明，微纳气泡的存留时间大幅度增加，其中直径在100纳米左右的气泡能够在水体中存留数小时甚至更长。
目前关于产生微纳气泡的装置和方法有很多，例如CN205868033U公开了一种纳米气泡产生器，包括喷射口、轴流风机、循环水***、水泵和纳米气泡***，所述喷射口安装在上反应槽的上方，且上反应槽的右侧设置有检测口，所述喷射口的下方设置有液柱，且液柱的左侧设置有振动气泡***器，所述纳米气泡***安装在上反应槽的下方，且上反应槽的下方设置有隔板。CN107583480A公开了一种微气泡产生器及其制作方法，该微气泡产生器包括增压管，包括第一进水口和第一出水口，所述第一出水口的截面积小于所述第一进水口的截面积；与所述第一出水口连通的气泡产生管，包括第二进水口和第二出水口，所述第一出水口置于所述第二进水口内；开设于所述气泡产生管的进气通道，所述进气通道还与外界空气连通；以及装设于所述第二出水口处的切割网。CN2571736A公开了一种改良的气泡产生器，主要是包含有轴杆及套筒，轴杆的圆径略小于套筒的内径，并于轴杆两端设以突伸的固定部，中央则设有环绕的弧状凹槽，轴杆套于套筒，连杆连接于其固定部及套筒的开口缘，轴杆与套筒形成适当的间隙，水流由间隙流过时，因轴杆中央凹槽的下陷，形成瞬间的挤压，以产生微细气泡。
目前市面上流通的微纳气泡产生装置大多是基于“文丘里”效应的原理来设计的。该效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。这种效应是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。当气体和液体在文丘里管里面流动，在管道的最窄处，动态压力(速度头)达到最大值，静态压力(静息压力)达到最小值，气体(液体)的速度因为通流横截面面积减小而上升。整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小。进而产生压力差，这个压力差用于测量或者给流体提供一个外在吸力。
文丘里管型的微纳气泡产生器虽然具有结构简单，自吸等特点，但气泡产生效率较低(衡量气泡产生效率的两个指标是，出口处气泡数及气泡与水的体积百分比)，其气泡/水的混合体积比约为10％-20％。过低的气泡/水的体积比限制了其进一步的应用和推广。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微纳气泡产生器及产生方法，大幅提高了气泡产生效率，气泡/水的体积比能够达到40％左右，具有良好的应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种微纳气泡产生器，所述微纳气泡产生器包括主体和端盖，所述端盖密封设置于主体顶端，端盖上设置有入气口，所述主体具有倒圆锥形内腔，侧壁设置有入水口，底部设置有出水口，所述入水口与主体内壁相切。
优选地，所述微纳气泡产生器设有经过主体中心轴线的第一平面，所述第一平面平行于所述入水口的中心轴线，所述入气口位于所述第一平面靠近入水口的一侧。
优选地，所述端盖上开有凹槽放置O形圈，以对整个圆锥形内腔进行密封。
优选地，所述入水口设置于主体靠近端盖一侧。
优选地，所述入气口偏心设置于端盖上，以提高在出水口处的气泡/水-的体积混合比。所述偏心的距离，即入气口中心轴线与主体中心轴线的距离，与所述内腔最大直径的比值为0.3-0.4，例如可以是0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
优选地，所述内腔的锥度为15-30°，例如可以是15°、18°、20°、23°、25°、28°或30°，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明对于所述装置各部件的尺寸参数限定如下：
定义内腔的高度为L，入气口直径为D1，内腔最大直径为D2，出水口的直径为D3，
优选地，上述参数满足以下关系：
D3/D2＝0.05–0.12，L/D2＝1.5–2.5
优选地，上述参数的尺寸如表1所示(单位：mm)：
表1
D<sub>1</sub> D<sub>2</sub> D<sub>3</sub> L
0.3–1.2 10–50 1.5–4.0 12-120
第二方面，本发明提供一种微纳气泡的产生方法，使用第一方面所述的装置产生微纳气泡，所述方法为：控制压力，使水流从入水口沿主体内壁切线方向射入，在内腔形成旋流，同时由入气口通入气体，气体与水流混合后产生气泡，与水流由出水口排出。
本发明中，水流从入水口沿主体内壁切线方向射入后，在管内形成旋流，旋转的水流因离心作用在锥形内腔中央形成压力相对较小区域，通入的气体将在此区域内与水充分混合并压缩，最终与水一起从下端的出水口排出。
此外，进气口所在的位置不在端盖的中央，而是具有一定的偏心，这样的设计能够大幅度地提高在出水口出的气泡/水体积混合比。
优选地，所述通入水流的压力为0.15-0.25MPa，例如可以是0.15MPa、0.16MPa、0.17MPa、0.18MPa、0.19MPa、0.20MPa、0.21MPa、0.22MPa、0.23MPa、0.24MPa或0.25MPa，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
优选地，所述通入气体的方式为自吸或加压，当采用加压的方式通入气体时，压力低于通入水流的压力0.05-0.075MPa。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过对微纳气泡产生器结构进行改进，利用偏心和旋流相结合的方式，提高了气泡/水混合的机会和强度，进而大幅提高了气泡/水的体积百分比，气泡/水的体积比能够达到40％左右。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的微纳气泡产生器的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例1中提供的微纳气泡产生器的外部结构示意图；
图3是本发明实施例1中提供的微纳气泡产生器的截面示意图；
图中：1-主体，2-端盖，3-进气口，4进水口，5-出水口。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明在具体实施方式部分提供了一种微纳气泡产生器，所述微纳气泡产生器包括主体和端盖，所述端盖密封设置于主体顶端，端盖上设置有入气口，所述主体具有倒圆锥形内腔，侧壁设置有入水口，底部设置有出水口，所述入水口与主体内壁相切。
优选地，所述微纳气泡产生器设有经过主体中心轴线的第一平面，所述第一平面平行于所述入水口的中心轴线，所述入气口位于所述第一平面靠近入水口的一侧。
优选地，所述端盖上开有凹槽放置O形圈。
优选地，所述入水口设置于主体靠近端盖一侧。
优选地，所述入气口偏心设置于端盖上。
优选地，所述入气口中心轴线与主体中心轴线的距离与所述内腔最大直径的比值为0.3-0.4。
优选地，所述内腔的锥度为15-30°。
本发明在具体实施方式部分还提供了一种微纳气泡的产生方法，使用上述微纳气泡产生器产生微纳气泡，所述方法为：控制压力，使水流从入水口沿主体内壁切线方向射入，在内腔形成旋流，同时由入气口通入气体，气体与水流混合后产生气泡，与水流由出水口排出。
优选地，所述通入水流的压力为0.15-0.25MPa。
优选地，所述通入气体的方式为自吸或加压。
优选地，所述加压通入气体时的压力低于通入水流的压力0.05-0.075MPa。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种微纳气泡产生器，所述微纳气泡产生器包括主体1和端盖2，所述端盖2上开有凹槽放置O形圈，密封设置于主体1顶端，端盖2上偏心设置有入气口3，所述主体1具有倒圆锥形的内腔，主体1侧壁设置有入水口4，底部设置有出水口5，所述入水口4与主体1内壁相切；所述微纳气泡产生器设有经过主体1中心轴线的第一平面，所述第一平面平行于所述入水口4的中心轴线，所述入气口3位于所述第一平面靠近入水口的一侧。
进一步的，本实施例中各部件的尺寸为：入气口直径1.2mm，偏心距离13.5mm，入水口直径3mm，出水口直径3.2mm，主体内腔高51mm，内腔最大直径40mm，内腔的锥度为19.8°。
实施例2
本实施例提供了一种微纳气泡产生方法，利用实施例1中提供的微纳气泡产生器制备微纳气泡，所述方法为：控制压力为0.2MPa，使水流从入水口4沿主体1内壁切线方向射入，在内腔形成旋流，同时控制压力为0.15MPa由入气口3通入气体，气体与水流在内腔中充分混合后产生气泡，与水流由出水口5排出。
经过检测，排出的液体中气泡/水的体积混合比约为39％。
实施例3
本实施例提供了一种微纳气泡产生方法，利用实施例1中提供的微纳气泡产生器制备微纳气泡，所述方法为：控制压力为0.25MPa，使水流从入水口4沿主体1内壁切线方向射入，在内腔形成旋流，同时打开入气口3，利用自吸的方式通入气体，气体与水流在内腔中充分混合后产生气泡，与水流由出水口5排出。
经过检测，排出的液体中气泡/水的体积混合比为38％。
对比例1
与实施例1相比，本对比例提供的微纳气泡产生器除了入气口3设置于端盖2的中心外(即偏心距离为0mm)，其他部分与实施例1完全相同。
利用本对比例提供的装置制备微纳气泡，制备方法与实施例2完全相同。
经过检测，排出的液体中气泡/水的体积混合比为29％。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种微纳气泡产生器，其特征在于，所述微纳气泡产生器包括主体和端盖，所述端盖密封设置于主体顶端，端盖上设置有入气口，所述主体具有倒圆锥形的内腔，侧壁设置有入水口，底部设置有出水口，所述入水口与主体内壁相切。
2.如权利要求1所述的微纳气泡产生器，其特征在于，所述微纳气泡产生器设有经过主体中心轴线的第一平面，所述第一平面平行于所述入水口的中心轴线，所述入气口位于所述第一平面靠近入水口的一侧。
3.如权利要求1或2所述的微纳气泡产生器，其特征在于，所述端盖上开有凹槽放置O形圈。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述入水口设置于主体靠近端盖一侧。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述入气口偏心设置于端盖上；
优选地，所述入气口中心轴线与主体中心轴线的距离与所述内腔最大直径的比值为0.3-0.4。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述内腔的锥度为15-30°。
7.一种微纳气泡的产生方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的微纳气泡产生器产生微纳气泡，所述方法为：控制压力，使水流从入水口沿主体内壁切线方向射入，在内腔形成旋流，同时由入气口通入气体，气体与水流混合后产生气泡，与水流由出水口排出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通入水流的压力为0.15-0.25MPa。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通入气体的方式为自吸或加压。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述加压通入气体时的压力低于通入水流的压力0.05-0.075MPa。
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