CN118203967A - 生成含微纳米气泡液体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气液两相混合技术领域，公开了一种生成含微纳米气泡液体的装置及方法。生成含微纳米气泡液体的方法，包括以下步骤：液体定速定量定压的输送至文氏管，在文氏管的喉部产生负压效应，并在文氏管的负压区内形成高雷诺数湍流；利用微孔的气流分割效应制备形成微纳米气泡并连通至文氏管的负压区，微纳米气泡经文氏管负压区的负压作用而被吸入负压区，吸入负压区的微纳米气泡进入高雷诺数湍流中被进一步地破碎并均匀分散到液体中；输出均匀混合微纳米气泡的液体。以相对简单的方法可以大量生产高浓度的微纳米气泡液体，且实现气泡粒径均匀可控。

Description

生成含微纳米气泡液体的装置及方法

技术领域

本发明涉及气液两相混合技术领域，特别地，涉及一种生成含微纳米气泡液体的方法。此外，本发明还涉及一种生成含微纳米气泡液体的装置。

背景技术

液体中可能存在很多的微小气泡，当气泡直径在100μm以下称作微米气泡，直径为100nm以下的气泡称为纳米气泡。微纳米气泡是指气泡发生时直径在数十微米到数百纳米之间的气泡。

无论是微米气泡、纳米气泡，还是上述微纳米气泡，其共同特点是尺寸小，比表面积大，往往具有常规气泡所不具备的物理与化学特性，比如表面带电荷、吸附效率高，在液体中上升速度慢，可以在液体中长时间稳定存在，等等。为了叙述方便起见，下面统称为微纳米气泡。

由于含有微纳米气泡的液体具有许多独特的性质，近年来得到了广泛的应用。

最典型的是微纳米气泡水。

在水中通入微纳米气泡，可有效分离水中固体杂质、快速提高水体氧浓度、杀灭水中有害病菌、降低固液界面摩擦系数，因此在气浮净水、水体增氧、臭氧水消毒和微气泡减阻等领域中得到了广泛的应用。

微纳米气泡发生器是生成含微纳米气泡液体的核心装置，它的性能好坏直接影响生成的气泡尺寸、数量和均匀度。根据产生含微纳米气泡液体的方法不同有许多不同的类型。

目前制造含微纳米气泡液体的方法有很多，如机械切割搅拌法、加压溶气释气法、水温差法、电场法、超声波法等。

加压溶气效率非常低、制造成本高；水温差法、电场法、超声波法则都是设备复杂、操作过程繁琐、能耗较高，在实际应用中推广有限。

机械切割搅拌法是目前最常用，也是效率最高的方法。主要是通过叶轮等机械部件高速旋转，对气、液两相流进行切割、搅拌，从而将气泡打碎并与液体混合均匀。这种方法需要一个高速旋转的叶轮或者类似的机械装置，因而结构复杂。也有的将其与泵结合到一起，形成气液混合泵。

最简单的方法是利用液体流动时的剪切空化现象，将原来溶解在液体中的气体释放出来形成微纳米气泡。但由于常温常压下空气在水中的溶解度不到2％，而且这些空气也不可能全部释放出来形成气泡，所以由此生成的含微纳米气泡液体中，气泡的数量和浓度都非常有限。

现有技术含微纳米气泡液体的制造方案中，主要存在以下问题：

1、结构比较复杂，制造含微纳米气泡液体的过程中，需要外部动力源输入能量；

2、进气量较小，需要通过各种设备组合才能生成大量高浓度的含微纳米气泡液体；精准控制粒径不太方便，一般只能通过曝气装置来控制微纳米气泡的粒径；更适合用来生成微米级气泡，生成纳米级气泡时浓度较低。

3、利用液体流动时的剪切空化现象，将原来溶解在液体中的气体释放出来形成微纳米气泡，不能利用外部气源，因而生成的气泡数量和浓度均有限。

4、需要依靠气液混合泵来生成微纳米气泡，结构比较复杂。

发明内容

本发明提供了一种生成含微纳米气泡液体的装置及方法，以相对简单的方法大量生产高浓度的微纳米气泡液体，且实现气泡粒径均匀可控，以解决现有含微纳米气泡液体的制造方案，结构复杂，需要借助外部动力源，无法选择和利用外部气源，气泡数量、浓度、均匀性均难以控制的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种生成含微纳米气泡液体的方法，包括以下步骤：液体定速定量定压的输送至文氏管，在文氏管的喉部产生负压效应，并在文氏管的负压区内形成高雷诺数湍流；利用微孔的气流分割效应制备形成微纳米气泡并连通至文氏管的负压区，微纳米气泡经文氏管负压区的负压作用而被吸入负压区，吸入负压区的微纳米气泡进入高雷诺数湍流中被进一步地破碎并均匀分散到液体中；输出均匀混合微纳米气泡的液体。

进一步地，文氏管负压区形成的高雷诺数湍流的雷诺数Re≥10000。

根据本发明的另一方面，还提供了一种生成含微纳米气泡液体的装置，包括依次布设的进液筒、进气筒、出液筒以及芯棒组件，进液筒、进气筒、出液筒以及芯棒组件同轴布设，通过芯棒组件将进液筒、进气筒和出液筒连接为整体结构；芯棒组件的进液端作为文氏管的进液端并限位于进液筒内，芯棒组件的出液端作为文氏管的出液端并限位于出液筒内，芯棒组件的中段突出部在径向方向上与进气筒对应布设并构成文氏管的喉部环形通道；进气筒采用微孔结构，进液筒和出液筒包覆于进气筒外并留有用于将进气筒与外界连通的通气通道。

进一步地，文氏管喉部中径d_m按以下公式设计：

其中：

d_m为文氏管喉部中径，单位为m；

Q为体积流量，单位为m³/s；

R_e为雷诺数，雷诺数R_e≥10000；

v为流体运动粘度，单位为㎡/s。

进一步地，进气筒的材料采用微孔陶瓷、泡沫金属或金属烧结微孔过滤材料，且材料的孔隙率小于或等于10％，微孔最大径向尺寸小于或等于2μm。

进一步地，进气筒包括内衬层、中层微孔层以及外骨架层，内衬层为金属网格支承层或陶瓷网格支承层，中层微孔层为微孔滤膜层，外骨架层为金属骨架或陶瓷骨架；微孔滤膜层的微孔最大径向尺寸小于或等于2μm。

进一步地，进气筒的外部还环设有保护套筒，保护套筒与进气筒间隔布设且在保护套筒与进气筒之间形成缓冲进气室，保护套筒上设有开设有至少一个进气孔。

进一步地，进气孔上连有进气嘴、单向进气阀或气体发生器。

进一步地，保护套筒上轴向和/或周向排布有多组进气孔，同一组进气孔彼此平行布设且孔形和孔径相同，不同组进气孔的孔朝向、孔形或孔径中的至少一个不同。

进一步地，保护套筒沿轴向和/或周向可滑动地布设于进液筒与出液筒之间，通过保护套筒与进液筒和/或出液筒之间的孔配合，进而控制连通外界的进气孔的数量和/或进气孔的类型。

本发明具有以下有益效果：

本发明生成含微纳米气泡液体的方法，综合运用了文氏管的负压效应、高雷诺数湍流对流体的剪切混合作用以及微孔材料对气流的分割效应；当液体定速度、定流量、定压力的进行输送并通过文氏管时，在文氏管的喉部区域产生负压效应，形成具有稳定负压的负压区，并在负压区形成稳定的高雷诺数湍流，在此基础上利用微孔的气流分割效应制备产生粒径均匀且稳定的微纳米气泡并连通至文氏管的负压区，经负压区的负压作用将稳定产生的微纳米气泡吸入至负压区并经过高雷诺数湍流的进一步地破碎作用，形成更微小且均匀的微纳米气泡并均匀分散至喉部区域这一狭小区域的液体中，进而稳定输出均匀混合有高浓度微纳米气泡的液体。气源可以由外部引入，并且相应的气源量可以任意控制，并经由微孔的气流分割效应制备产生粒径均匀的微纳米气泡，因此液体中微纳米气泡的浓度和/或气体类别可以任意调节。通过液体的速度、流量、压力的调节，和/或气源的速度、流量、压力的调节，综合高雷诺数湍流与经微孔制备并进入的微纳米气泡，可以轻易的控制微纳米气泡的粒径以及浓度。以相对简单的方法可以大量生产高浓度的微纳米气泡液体，且实现微纳米气泡粒径均匀可控。

本发明生成含微纳米气泡液体的装置，采用依次布设的进液筒、进气筒、出液筒以及芯棒组件围合形成文氏管，利用芯棒组件的中段突出部在径向方向上与进气筒对应布设并构成文氏管的喉部环形通道，利用进液筒和出液筒之间预留的通气通道与进气筒的连通以实现气源供应以及微孔的气流分割；从进液筒稳定的提供定速度、定流量、定压力的液体并经过构建的文氏管，在文氏管的喉部区域产生负压效应，形成具有稳定负压的负压区，并在负压区形成稳定的高雷诺数湍流，在此基础上利用负压区的负压作用从外界吸入气体，气体经进气筒的微孔分割作用而形成稳定且等径的微纳米气泡，稳定产生的微纳米气泡吸入至负压区并经过高雷诺数湍流的进一步地破碎作用，形成更微小且均匀的微纳米气泡并均匀分散至喉部区域这一狭小区域的液体中，进而稳定输出均匀混合有高浓度微纳米气泡的液体。气源可以由外部引入，并且相应的气源量可以任意控制，并经由微孔的气流分割效应制备产生粒径均匀的微纳米气泡，因此液体中微纳米气泡的浓度和/或气体类别可以任意调节。通过液体的速度、流量、压力的调节，和/或气源的速度、流量、压力的调节，综合高雷诺数湍流与经微孔制备并进入的微纳米气泡，可以轻易的控制微纳米气泡的粒径以及浓度。本发明生成含微纳米气泡液体的装置，以相对简单的方式可以大量生产高浓度的微纳米气泡液体，且实现气泡粒径均匀可控。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的生成含微纳米气泡液体的装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的芯棒组件的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的进液筒的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的出液筒的结构示意图；

图5是本发明优选实施例的带保护套筒的生成含微纳米气泡液体的装置的结构示意图；

图6是本发明优选实施例的滑动式带保护套筒的结构示意图；

图7是本发明优选实施例的滑动式带保护套筒滑动调节的结构示意图；

图8是本发明生成含微纳米气泡液体的装置的具体实施方式的示意图。

图例说明：

100、进液筒；101、内部台阶；102、端部台阶；200、进气筒；300、出液筒；400、芯棒组件；401、螺栓套件；402、进液通道；403、中段突出部；404、出液通道；405、中间通孔；500、保护套筒；501、进气孔；600、缓冲进气室；700、喉部环形通道；800、密封件；900、滤网；1000、单向进气阀；21、过滤器；22、泵；23、生成含微纳米气泡液体的装置；24、喷头或曝气装置；25、压力表；26、流量调节阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的生成含微纳米气泡液体的装置的结构示意图；图2是本发明优选实施例的芯棒组件的结构示意图；图3是本发明优选实施例的进液筒的结构示意图；图4是本发明优选实施例的出液筒的结构示意图；图5是本发明优选实施例的带保护套筒的生成含微纳米气泡液体的装置的结构示意图；图6是本发明优选实施例的滑动式带保护套筒的结构示意图；图7是本发明优选实施例的滑动式带保护套筒滑动调节的结构示意图；图8是本发明生成含微纳米气泡液体的装置的具体实施方式的示意图。

本实施例的生成含微纳米气泡液体的方法，包括以下步骤：液体定速定量定压的输送至文氏管，在文氏管的喉部产生负压效应，并在文氏管的负压区内形成高雷诺数湍流；利用微孔的气流分割效应制备形成微纳米气泡并连通至文氏管的负压区，微纳米气泡经文氏管负压区的负压作用而被吸入负压区，吸入负压区的微纳米气泡进入高雷诺数湍流中被进一步地破碎并均匀分散到液体中；输出均匀混合微纳米气泡的液体。本发明生成含微纳米气泡液体的方法，综合运用了文氏管的负压效应、高雷诺数湍流对流体的剪切混合作用以及微孔材料对气流的分割效应；当液体定速度、定流量、定压力的进行输送并通过文氏管时，在文氏管的喉部区域产生负压效应，形成具有稳定负压的负压区，并在负压区形成稳定的高雷诺数湍流，在此基础上利用微孔的气流分割效应制备产生粒径均匀且稳定的微纳米气泡并连通至文氏管的负压区，经负压区的负压作用将稳定产生的微纳米气泡吸入至负压区并经过高雷诺数湍流的进一步地破碎作用，形成更微小且均匀的微纳米气泡并均匀分散至喉部区域这一狭小区域的液体中，进而稳定输出均匀混合有高浓度微纳米气泡的液体。气源可以由外部引入，并且相应的气源量可以任意控制，并经由微孔的气流分割效应制备产生粒径均匀的微纳米气泡，因此液体中微纳米气泡的浓度和/或气体类别可以任意调节。通过液体的速度、流量、压力的调节，和/或气源的速度、流量、压力的调节，综合高雷诺数湍流与经微孔制备并进入的微纳米气泡，可以轻易的控制微纳米气泡的粒径以及浓度。以相对简单的方法可以大量生产高浓度的微纳米气泡液体，且实现微纳米气泡粒径均匀可控。

本实施例中，文氏管负压区形成的高雷诺数湍流的雷诺数Re≥10000；混合作用，高雷诺数湍流有助于不同液体以及气液之间的混合，提高混合效率，在文氏管中，高速湍流可以促使液体和气体更好地混合，提高传质效率；乳化作用，高雷诺数湍流有助于乳化作用，使液体以微小液滴的形式分散并与另一不相溶的气体或液体结合；破碎气泡，高雷诺数湍流有助于破碎气泡，使气泡变得更小，在文氏管中，高速湍流可以促使气泡破碎，产生更微小的微纳米气泡；提高气泡稳定性，高雷诺数湍流有助于提高气泡的稳定性，使气泡不容易合并或破裂，在文氏管中，高速湍流可以促使气泡变得更加稳定，提高气泡的使用寿命；提高传质效率，高雷诺数湍流有助于提高传质效率，使气体更好地溶解到液体中，在文氏管中，高速湍流可以促使气体更好地溶解到液体。当文氏管负压区形成的高雷诺数湍流的雷诺数Re＜10000时，说明文氏管内部湍流程度减弱，气体在液体中的溶解和聚集趋于不完全，导致微纳米气泡的尺寸、分布不均匀。

本实施例中，微孔的气流分割效应制备产生粒径均匀且稳定的微纳米气泡，其中的微孔的孔径为小于或等于2μm。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例的生成含微纳米气泡液体的装置，包括依次布设的进液筒100、进气筒200、出液筒300以及芯棒组件400，进液筒100、进气筒200、出液筒300以及芯棒组件400同轴布设，通过芯棒组件400将进液筒100、进气筒200和出液筒300连接为整体结构；芯棒组件400的进液端作为文氏管的进液端并限位于进液筒100内，芯棒组件400的出液端作为文氏管的出液端并限位于出液筒300内，芯棒组件400的中段突出部403在径向方向上与进气筒200对应布设并构成文氏管的喉部环形通道700；进气筒200采用微孔结构，进液筒100和出液筒300包覆于进气筒200外并留有用于将进气筒200与外界连通的通气通道。本发明生成含微纳米气泡液体的装置，采用依次布设的进液筒100、进气筒200、出液筒300以及芯棒组件400围合形成文氏管，利用芯棒组件400的中段突出部403在径向方向上与进气筒200对应布设并构成文氏管的喉部环形通道700，利用进液筒100和出液筒300之间预留的通气通道与进气筒200的连通以实现气源供应以及微孔的气流分割；从进液筒100稳定的提供定速度、定流量、定压力的液体并经过构建的文氏管，在文氏管的喉部区域产生负压效应，形成具有稳定负压的负压区，并在负压区形成稳定的高雷诺数湍流，在此基础上利用负压区的负压作用从外界吸入气体，气体经进气筒200的微孔分割作用而形成稳定且等径的微纳米气泡，稳定产生的微纳米气泡吸入至负压区并经过高雷诺数湍流的进一步地破碎作用，形成更微小且均匀的微纳米气泡并均匀分散至喉部区域这一狭小区域的液体中，进而稳定输出均匀混合有高浓度微纳米气泡的液体。气源可以由外部引入，并且相应的气源量可以任意控制，并经由微孔的气流分割效应制备产生粒径均匀的微纳米气泡，因此液体中微纳米气泡的浓度和/或气体类别可以任意调节。通过液体的速度、流量、压力的调节，和/或气源的速度、流量、压力的调节，综合高雷诺数湍流与经微孔制备并进入的微纳米气泡，可以轻易的控制微纳米气泡的粒径以及浓度。本发明生成含微纳米气泡液体的装置，以相对简单的方式可以大量生产高浓度的微纳米气泡液体，且实现气泡粒径均匀可控。

本实施例中，文氏管喉部中径d_m按以下公式设计：

其中，Q为体积流量，v为流体运动粘度，R_e为雷诺数，雷诺数R_e≥10000；混合作用，高雷诺数湍流有助于不同液体以及气液之间的混合，提高混合效率，在文氏管中，高速湍流可以促使液体和气体更好地混合，提高传质效率；乳化作用，高雷诺数湍流有助于乳化作用，使液体以微小液滴的形式分散并与另一不相溶的气体或液体结合；破碎气泡，高雷诺数湍流有助于破碎气泡，使气泡变得更小，在文氏管中，高速湍流可以促使微纳米气泡进一步地均匀破碎，产生更微小、更均匀的微纳米气泡；提高微纳米气泡的稳定性，高雷诺数湍流有助于提高气泡的稳定性，使气泡不容易合并或破裂，在文氏管中，高速湍流可以促使微纳米气泡变得更加稳定，提高微纳米气泡的维持寿命；提高传质效率，高雷诺数湍流有助于提高传质效率，使气体更好地溶解到液体中，在文氏管中，高速湍流可以促使微纳米气泡更好地溶解到液体。当文氏管负压区形成的高雷诺数湍流的雷诺数Re＜10000时，说明文氏管内部湍流程度减弱，气体在液体中的溶解和聚集趋于不完全，导致微纳米气泡的尺寸、分布不均匀。

本实施例中，进气筒200的材料采用微孔陶瓷、泡沫金属或金属烧结微孔过滤材料，且材料的孔隙率小于或等于10％，微孔最大径向尺寸小于或等于2μm；结合文氏管喉部中径d_m的设计，并取雷诺数R_e≥10000，进而在文氏管中，利用高雷诺数湍流可以促使微纳米气泡进一步地均匀破碎，产生更微小、更均匀的微纳米气泡，并且利用高雷诺数湍流促使微纳米气泡变得更加稳定，提高微纳米气泡的维持寿命，进而使微纳米气泡更好地溶解到液体中。当进气筒200的微孔最大径向尺寸过大而大于2μm时，所产生的气泡也随之变大，过大的气泡过大进入文氏管后可能会影响气液混合，这是因为气泡过大时，表面张力相对较大，使其更易于保持球形而不容易经由高雷诺数湍流作用而进一步地破碎；此外，过大的气泡可能导致其内部的气体难以与液体充分接触，从而影响气液混合效果；过大的气泡在文氏管中还可能产生其他的影响，如增加压降、引起气流紊乱等，这可能会导致文氏管的效率降低，并且可能需要更大的动力来克服额外的压降；特别是在雷诺数Re≥10000时，上述问题更加明显。

本实施例中，进气筒200包括内衬层、中层微孔层以及外骨架层，内衬层为金属网格支承层或陶瓷网格支承层，中层微孔层为微孔滤膜层，外骨架层为金属骨架或陶瓷骨架；微孔滤膜层的微孔最大径向尺寸小于或等于2μm。相对于进气筒200用整体式结构，改为叠层套设结构，结构成型更加简单，通过膜层结构设计以及层数设计即可实现微孔结构的孔径控制以及微孔路径控制，灵活性更高。

如图5、图6和图7所示，本实施例中，进气筒200的外部还环设有保护套筒500，保护套筒500与进气筒200间隔布设且在保护套筒500与进气筒200之间形成缓冲进气室600，保护套筒500上设有开设有至少一个进气孔501。外界气体通过保护套筒500进入至缓冲进气室600中进行缓冲，并通过进气筒200进行气流分割，逐步形成等径且均匀的微纳米气泡，以利于高雷诺数湍流的剪切混合作用的实现，进而制得含高浓度、等径、均匀的微纳米气泡的液体；并且利于对气源的输入量、速度、压力进行精准的控制，进而对制得的含微纳米气泡液体中的微纳米气泡的粒径、均匀性进行精准控制。

如图5所示，本实施例中，进气孔501上连有进气嘴、单向进气阀1000或气体发生器。根据进气需要，可以在进气孔501上匹配不同的接口或者连接不同的气体发生装置，进而定量、定压、定速的通入一种气体或者同时通入多种气体。特别是，结合保护套筒500与进气筒200之间的缓冲进气室600，可以使多种气体在缓冲进气室600混合，然后在经过微孔的气流分割效应制备形成微纳米气泡，最后通过负压吸入至文氏管的喉部环形通道700。可选地，进气孔501内还铺设有滤网900；由于进入的气体会要通过微孔的气流分割效应制备形成微纳米气泡，而进入的气体难免附带有固体颗粒物，通过在进气孔501布设滤网900，能够有效的过滤气体携带的固体颗粒物，进而避免固体颗粒物堵塞微孔，进而提高进气筒200的使用寿命。可选地，可以在进气孔501的输出端布设气体压力传感器或者气体流量传感器，及时获取气体压力或流量的变化，进而判断滤网900是否堵塞，从而及时更换滤网900，确保装置能够的稳定运行。

如图5、图6和图7所示，本实施例中，保护套筒500上轴向和/或周向排布有多组进气孔501，同一组进气孔501彼此平行布设且孔形和孔径相同，不同组进气孔501的孔朝向、孔形或孔径中的至少一个不同。可以根据实际需要，选择连通并通入的进气孔501，进而实现气体从不同位置和/或以不同角度的输入至进气筒200。特别是当部分进气孔501堵塞时，可以通过调整其他进气孔501的进气压力、进气量、进气速度，进而实现含微纳米气泡液体的稳定输送。可以根据气体的类型、特性、压力、输送量、速度等参数的不同，需要通过进气孔501输送至进气筒200的不同位置以及呈不同角度的输入，确保文氏管喉部负压抽吸、微孔气流分割、高雷诺数湍流进一步破碎分散的综合效果更好；例如，需要朝向喉部环形通道700的进气端方向倾斜、需要朝向喉部环形通道700的出气端方向倾斜、需要沿喉部环形通道700的周向方向倾斜、需要在喉部环形通道700的切线方向进气等等。可选地，每一个进气孔501上均配有单向进气阀1000，可以根据需要连通不同的气体发生器，或者直接吸入外界空气；或者可以根据喉部环形通道700的负压自适应地吸入外界气体。

如图6和图7所示，本实施例中，保护套筒500沿轴向和/或周向可滑动地布设于进液筒100与出液筒300之间，通过保护套筒500与进液筒100和/或出液筒300之间的孔配合，进而控制连通外界的进气孔501的数量和/或进气孔501的类型；通过控制保护套筒500与进液筒100、出液筒300之间贴合关系，进而控制进气孔501的部分开启或者全部开启或全部封闭，进而实现外界气体呈不同的进气量、不同的进气方向、不同的进气位置等进入至缓冲进气室600或者直接经进液筒100的微孔的气流分割效应制备形成微纳米气泡；使得装置的适用范围更广，通用性更好。可选地，保护套筒500沿进行向外伸出有控制手柄。可选地，保护套筒500连有控制电机，用于控制保护套筒500轴向移动和/或周向转动。可选地，进气筒200的微孔孔径在轴向方向上呈递增的排布或者呈递减的排布，进而通过保护套筒500的滑动进而匹配至不同的微孔孔径区域。可选地，进气筒200的微孔孔径在轴向方向上呈分段的布设，不同分段单元的微孔孔径不同，进而通过保护套筒500的滑动进而匹配至不同的微孔孔径区域。

实施时，提供一种生成含微纳米气泡液体的方法，该方法将一般用于过滤的微孔材料应用到气液混合领域，将进入的气体先分割成气流微束之后再进入液体，然后利用高雷诺数湍流的剪切和混合效应将微束气流破碎形成微纳米气泡并均匀混合到整个液体当中。原理上，该方法实际上是综合利用了微孔材料对气流的分割效应、文氏管对流体的负压效应、高雷诺数湍流对流体的剪切混合作用。具体而言，就是让液体流动时通过文氏管形成负压区，并在该负压区形成高雷诺数湍流(Re≥10000)，同时在该负压区通过微孔材料(孔径≤2μm)吸入气体，被吸入的气体进入高雷诺数湍流中破碎并均匀分散到整个液体中。

作为该方法的一个应用，本发明同时提出一种可以实现该方法的装置，其主体为一个内腔两头粗中间细的文氏管，该文氏管喉部中径d_m按以下公式设计：

其中，Q为体积流量，v为流体运动粘度，R_e为雷诺数，雷诺数R_e≥10000。在该文氏管中间最细的喉部有一个由微孔材料(孔径≤2μm)组成的进气通道。

如图1所示，主体由进液筒100、出液筒300、进气筒200、芯棒组件400围合而成的内部空腔组成，其中进液筒100、进气筒200、出液筒300依次同轴设置，在进液筒100与进气筒200之间，以及进气筒200与出液筒300之间均安装有密封圈(密封件800)，芯棒组件400安装在进液筒100和进气筒200内部并与之同轴，在芯棒组件400中段直径变大的中段突出部403外壁和进气筒200内壁之间形成环形间隙，该间隙构成文氏管的喉部环形通道700。整个装置由螺栓套件401(包括螺钉、螺母、垫片)连接成一个整体。

如图2所示，芯棒组件400一端尺寸较大，内部有许多空腔通道(进液通道402)与进液筒100内腔连通，形成截面积较大的文氏管进液区。芯棒组件400中段直径变大形成中段突出部403，挤占进气筒200内部的空间，形成截面积较小的文氏管喉部(喉部环形通道700)。芯棒组件400的中间通孔405是螺栓套件401的安装孔。

位于整个装置中部的进气筒200，除与芯棒组件400中段直径变大的中段突出部403围合成截面积较小的环形空间构成文氏管的喉部(喉部环形通道700)之外，进气筒200本身包含许多微细孔道(孔径≤2μm)，构成文氏管喉部的进气通道。该进气筒200可以有整体式和组合式。整体式进气筒所用材料为微孔陶瓷或微孔不锈钢，利用这些材料内部的微孔构成进气通道。组合式进气筒至少由三层组成，中层材料为微孔滤膜提供进气通道，内衬不锈钢网格作为滤膜的支承，外部不锈钢或陶瓷骨架为承力结构。

如图3所示，进液筒100的内部台阶101用于定位芯棒组件400，进液筒100的端部台阶102用于安装进气筒200和密封圈。

如图4所示，出液筒300内部有支承结构，该支承结构的中间通孔405用于安装螺栓套件401(包括螺钉、螺母、垫片)，周边的许多孔道(出液通道404)与两边空腔连通，构成截面积较大的文氏管出液区。

由于芯棒组件400和出液筒300结构比较复杂，必要时芯棒组件400可以分解为多个易加工的简单零件组合而成。

长期使用过程中，因为空气中存在各种尘埃颗粒，时间长了容易对微孔材料造成阻塞。为避免频繁更换进气筒200，可在进气筒200外部加装一个保护套筒500，如图5所示。保护套筒500上设置进气孔501，在保护套筒500内壁与进气筒200外壁之间形成与进气孔501连通的缓冲进气室600。在进气孔501中有台阶安装滤网900，可对空气(或其他进气气体)进行初步过滤。

根据应用需要，对于需要使用压缩空气，或者如臭氧等其它气源的情况，可在保护套筒500与进液筒100、出液筒300之间设置密封圈(密封件800)，在进气孔501中安装能连接压缩气源管道的单向进气阀1000。

当需要同时通入几种不同气体时，可先将气体按需要的比例混合后再从进气嘴通入，但这样就需要另外的混气装置。为简单起见，也可在套筒上设置多个进气孔501，每个进气孔501上各自安装进气嘴(单向进气阀1000)，这样就可以同时通入不同的气体。

如图8所示。将本发明提出的生成含微纳米气泡液体的装置23接入管路***中，根据需求区域大小要求决定分路的数量，并将各分路压力调整到0.3-0.8MPa之间，即可制得大量的含微纳米气泡的液体。

工作时，无气泡的普通液体通过过滤器21被吸入泵22中，然后通过管路***送入各分路中的生成含微纳米气泡液体的装置23，从而制得微纳米气泡液体，经管道末端的喷头或曝气装置24释放到需要的环境中。其中压力表25用于监控进入生成含微纳米气泡液体的装置23中的液体压力，使其始终工作在正常工作状态。

为了独立调节每个分路的流量，在各分路中接入流量调节阀26。

为了获得不同粒径分布的微纳米气泡，可以通过更换进气筒200来实现。根据其上微孔的最大孔径，进气筒200可以有多种规格以供选择、更换。比如，最大孔径为2微米的进气筒200，可将进入的气体分割成最大直径2微米的气流微束。这些气流微束被负压吸入高雷诺数湍流之后被立即剪切成微纳米气泡，并被均匀混合到整个液体之中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生成含微纳米气泡液体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

液体定速定量定压的输送至文氏管，在文氏管的喉部产生负压效应，并在文氏管的负压区内形成高雷诺数湍流；

利用微孔的气流分割效应制备形成微纳米气泡并连通至文氏管的负压区，微纳米气泡经文氏管负压区的负压作用而被吸入负压区，吸入负压区的微纳米气泡进入高雷诺数湍流中被进一步地破碎并均匀分散到液体中；

输出均匀混合微纳米气泡的液体。

2.根据权利要求1所述的生成含微纳米气泡液体的方法，其特征在于，

文氏管负压区形成的高雷诺数湍流的雷诺数Re≥10000。

3.一种生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

包括依次布设的进液筒(100)、进气筒(200)、出液筒(300)以及芯棒组件(400)，

进液筒(100)、进气筒(200)、出液筒(300)以及芯棒组件(400)同轴布设，通过芯棒组件(400)将进液筒(100)、进气筒(200)和出液筒(300)连接为整体结构；

芯棒组件(400)的进液端作为文氏管的进液端并限位于进液筒(100)内，芯棒组件(400)的出液端作为文氏管的出液端并限位于出液筒(300)内，芯棒组件(400)的中段突出部在径向方向上与进气筒(200)对应布设并构成文氏管的喉部环形通道；

进气筒(200)采用微孔结构，

进液筒(100)和出液筒(300)包覆于进气筒(200)外并留有用于将进气筒(200)与外界连通的通气通道。

4.根据权利要求3所述的生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

文氏管喉部中径d_m按以下公式设计：

其中，Q为体积流量，ν为流体运动粘度，R_e为雷诺数，雷诺数R_e≥10000。

5.根据权利要求4所述的生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

进气筒(200)的材料采用微孔陶瓷、泡沫金属或金属烧结微孔过滤材料，且材料的孔隙率小于或等于10％，微孔最大径向尺寸小于或等于2μm。

6.根据权利要求4所述的生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

进气筒(200)包括内衬层、中层微孔层以及外骨架层，

内衬层为金属网格支承层或陶瓷网格支承层，中层微孔层为微孔滤膜层，外骨架层为金属骨架或陶瓷骨架；

微孔滤膜层的微孔最大径向尺寸小于或等于2μm。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

进气筒(200)的外部还环设有保护套筒(500)，

保护套筒(500)与进气筒(200)间隔布设且在保护套筒(500)与进气筒(200)之间形成缓冲进气室(600)，

保护套筒(500)上设有开设有至少一个进气孔(501)。

8.根据权利要求7所述的生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

进气孔(501)上连有进气嘴、单向进气阀或气体发生器。

9.根据权利要求7所述的生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

保护套筒(500)上轴向和/或周向排布有多组进气孔(501)，

同一组进气孔(501)彼此平行布设且孔形和孔径相同，

不同组进气孔(501)的孔朝向、孔形或孔径中的至少一个不同。

10.根据权利要求9所述的生成含微纳米气泡液体的装置，其特征在于，

保护套筒(500)沿轴向和/或周向可滑动地布设于进液筒(100)与出液筒(300)之间，

通过保护套筒(500)与进液筒(100)和/或出液筒(300)之间的孔配合，进而控制连通外界的进气孔(501)的数量和/或进气孔(501)的类型。