一种大通量水力空化发生器以及水力空化方法与流程

本发明涉及化工流体技术领域，特别是涉及一种大通量水力空化发生器以及空化方法。

背景技术：

空化是指液体内局部压力下降时，液体内部或液固交界面上气体空穴的形成、发展和溃灭的过程。当液体压力降至液体饱和蒸气压甚至以下时，由于液体的剧烈汽化而产生大量空化泡。空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温(1000～5000k)和瞬间高压(1～5×107pa)。空化可导致水力机械设备性能下降，引起振动、噪声和空蚀破坏等，但空化现象释放的能量也可以加以利用，以实现对化学、物理等过程的强化，达到增效、节能、降耗等效果。

根据空化产生的因素，通常分为声空化、光空化、粒子空化和水力空化四种类型。由于空化产生的效率和工程应用的难易程度，四种模式中，声空化和水力空化是学术界和工业界关注的热点。目前，声空化仅在实验室取得较好效果，但将其应用于中试或工业化时，会出现空化场不均匀，空化效率下降，通量较小，放大难度较大等问题。

相对于超声空化而言，水力空化设备简单、成本低廉，能产生大规模的空化场，工业化应用的潜力很大，目前已在灭菌、有机污水废水处理、射流清洗以及化工分离等领域得到应用。

中国专利200410021098.5公开了一种通过多孔孔板产生空化的灭菌装置，利用空化发生时产生的瞬间高温高压来对液体原料进行灭菌消毒，该装置具有产量大、效率高、操作方便、瞬间灭菌、局部高温、整体常温等特点，从而避免了液体原料中有效成分的破坏和过热分解。中国专利200410066214.5公开了一种用于化工分离技术领域涡流空化器，可以在较低的温度和不加或者少加化学破乳剂的条件下对含水乳化油或者乳化含油废水进行低成本和高效率的破乳处理。中国专利201120568210.2公开了一种用于污废水处理的水力空化装置，该装置具备多个空化腔道，空化效率高。并可将臭氧引入空化腔，臭氧在水力空化效应所产生的高温高压条件下，可以分解成具有更强氧化性的羟基自由基，进一步提高了空化效率。该装置内还可设置催化剂tio2和γal2o3，产生更多的羟基自由基，进一步强化污废水中有机物的去除效果。

尽管对水力空化的研究逐渐深入，所提出的空化器结构形式增多，但是水力空化的空化强度较小，效率较低，往往不足以起到某些物理化学反应的触发或强化作用。此外，空化反应器处理量较小，大规模处理时需要多台装置并联或串联使用，导致处理系统管路结构庞大、复杂，仍难以工业化推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种大通量水力空化发生器和水力空化方法，结构简单，成本低廉，工作可靠，适于工业化大规模推广应用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种大通量水力空化发生器，包括：

圆柱形腔体，具有一圆柱形的空腔；

空化增强模块，设置在圆柱形腔体的中心位置；

多个流体进口管，均匀设置在圆柱形腔体外缘，均与圆柱形腔体相连通；

环形孔板，同轴心设置在圆柱形腔体内；

流体出口管，设置在圆柱形腔体的轴心位置，并且与圆柱形腔体相连通。

优选的，所述环形孔板设有一个或多个，均同轴心设置在圆柱形腔体内。

优选的，环形孔板包括内外设置的ⅰ级环形孔板、ⅱ级环形孔板，ⅰ级环形孔板、ⅱ级环形孔板的轴线位于圆柱形腔体的轴线上。

优选的，所述流体进口管设置在圆柱形腔体外缘的轴线方向或法线方向上。

优选的，所述流体出口管位于圆柱形腔体的上端或上下两端。

优选的，所述流体出口管的截面为矩形或圆形，所述流体进口管的截面为矩形或圆形。

优选的，所述环形孔板无缝隙的粘接或焊接在圆形腔体上下内壁上。

优选的，所述环形孔板的开孔率为20％-70％，所述环形孔板上的开孔形状为圆形、三角形、椭圆形、方形或菱形。

优选的，所述圆柱形腔体的中心位置设有空化增强模块，所述空化增强模块的表面为光滑曲面状，截面积由边缘向中心逐渐增加。

优选的，所述空化增强模块的直径是流体出口管直径的0.5-1.2倍，所述空化增强模块(6)的高度是圆柱形腔体高度的0.45-0.85倍。

优选的，所述空化增强模块为椭球状或为翼形。

本发明还包括一种水力空化方法，包括以下步骤：

s1、流体沿流体进口管进入环形孔板与圆柱形腔体外壁面之间的空间，在该空间内流体得以缓冲，降低湍流不均匀性；

s2、流体穿过环形孔板时，由于孔板的节流作用，流速增大，流体静压降低，当压力达到甚至低于流体在该温度下的饱和蒸汽压时，流体开始气化产生气泡，溶解于流体中的气体也以气泡形式析出，气泡产生后逐渐膨胀、生长，到达流体压力恢复区时溃灭；

s3、流体经环形孔板后，产生大量空化气泡，在圆柱形腔体中心处，空化流体汇聚碰撞，产生强烈的空化现象，流体在此处重复发生剧烈的气泡发生、膨胀、溃灭过程，流体在圆柱形腔体中心处与空化增强模块碰撞，促进空化泡的溃灭，此外，流体流过空化增强模块的截面时，由于截面形式能够发生流体边界层脱离，也可产生尾流空化泡。

s4、处理后的流体经流体出口管排出进入后续设备。

优选的，环形孔板设置多级，所述s2中的，流体在多级孔板之间重复进行流体的空化过程，流体不断地发生空化泡的产生和溃灭，流体间以及流体与环形孔板间发生强烈的碰撞、挤压和剪切作用，形成剧烈的射流和压力波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设备结构简单，处理通量大，设备制造成本低廉，空化效率高，适用于工业化大规模应用。

2、由于具有较大的处理通量，应用本装置的水处理系统可以减少并联管路的安装，减少管路系统的规模和复杂度，减少占地面积，降低投入成本。

3、环形孔板与圆形腔体外围壁面之间的空间可以起到对流体的缓冲作用，降低流体湍动不均匀性；

4、切向入口形式，流体在圆形空腔内形成旋流，导致腔内压力分布沿半径向中心逐渐降低，更有利于空化的发生；

5、多级环形孔板设置可以增强对流体的空化处理，提高空化效率，提升能量利用率。

附图说明

图1所示为本发明实施例1的结构示意图(切向入口)。

图中：1′为流体进口管，2′为流体出口管，3′为圆形腔体，4′为ⅰ级环形孔板，5′为ⅱ级环形孔板，6′为空化增强模块。

图2所示为本发明实施例2的结构示意图(法向入口)。

图3是本发明实施例2的剖面图(法向入口、一个流体出口管)。

图4是本发明实施例2的剖面图(法向入口、两个流体出口管)。

图中：1为流体进口管，2为流体出口管，3为圆形腔体，4为ⅰ级环形孔板，5为ⅱ级环形孔板，6为空化增强模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，一种水力空化发生器，包括流体进口管(1′)，流体出口管(2′)，圆柱形腔体(3′)、环形孔板(包括ⅰ级环形孔板(4′)、ⅱ级环形孔板(5′)等)和空化增强模块(6′)。

ⅰ级环形孔板(4′)、ⅱ级环形孔板(5′)同轴心设置在圆柱形腔体(3′)内，所述圆柱形腔体(3′)的中心位置设有空化增强模块(6′)，与圆柱形腔体(3′)相连通的两个流体进口管(1′)分别设置在圆柱形腔体(3′)的左右两侧，并且两个流体进口管(1′)设置在圆柱形腔体(3′)外缘的切线方向上，流体出口管(2′)同轴心的设置在圆柱形腔体(3′)的中心位置顶端或上下两端。

实施例2：

如图2-4，一种水力空化发生器，包括流体进口管(1)，流体出口管(2)，圆柱形腔体(3)、环形孔板(包括i级环形孔板(4)、ⅱ级环形孔板(5)等)和空化增强模块(6)。

i级环形孔板(4)、ⅱ级环形孔板(5)同轴心设置在圆柱形腔体(3)内，所述圆柱形腔体(3)的中心位置设有空化增强模块(6)，三个个流体进口管(1)均匀设置在圆柱形腔体(3)外缘的法线方向上，流体出口管(2)同轴心的设置在圆柱形腔体(3)的中心位置的上端或上下两端。

流体沿流体进口管(1)进入i级环形孔板(4)与圆柱形腔体(3)外壁面之间的空间，在该空间内流体得以缓冲，降低湍流不均匀性，利于充分利用环形孔板产生空化。流体穿过i级环形孔板(4)时，由于孔板的节流作用，流速增大，流体静压降低，当压力达到甚至低于流体在该温度下的饱和蒸汽压时，流体开始气化产生气泡，溶解于流体中的气体也以气泡形式析出。气泡产生后逐渐膨胀、生长，到达流体压力恢复区时溃灭。

然后进入ⅱ级环形孔板，重复进行流体的空化过程。在多级孔板之间，流体不断地发生空化泡的产生和溃灭，流体间以及流体与环形孔板间发生强烈的碰撞、挤压和剪切作用，形成剧烈的射流和压力波。通过多级环形孔板作用可以多次发生空化现象，增加了流体的空化效果，提高了空化强度和空化效率。当流体因物理性质原因较难在普通装置中发生空化时，在此装置中经多级环形孔板处理，更易达到气化压力，发生空化。

流体经最后一级环形孔板后，产生大量空化气泡，在圆柱形腔体(3)中心处，空化流体汇聚碰撞，同时与空化增强模块(6)碰撞，促进空化泡的溃。此外，流体流过空化增强模块(6)的截面时，由于截面形式能够发生流体边界层脱离，也可产生尾流空化泡。因此，由于多级环形孔板和空化增强模块(6)的共同作用，在圆柱形腔体(3)中心处形成了强烈的空化现象，流体在此处重复发生剧烈的气泡发生、膨胀、溃灭过程，进一步增强了空化效果。处理后的流体经流体出口管(2)排出进入后续设备。

在切向进口形式中，流体在圆柱形腔体(3)内形成强烈旋流，压力由外向内降低，更有利于空化的发生。此外，旋转的流体在与多级环形孔板作用时，能够增强空化的剪切作用，提高空化效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。