本发明涉及分离装置领域，尤其涉及一种类laval管式的水气分离装置。
背景技术：
在环境控制与生命保障系统中，在物质循环再生的各系统中装置需要水气分离装置，因此它是必不可少的。
氧气，化学式o2，式量32.00，无色无味气体，氧元素最常见的单质形态。熔点-218.4℃，沸点-183℃。不溶于水，1l水中溶解约30ml氧气。在空气中氧气约占20％。氧在自然界中分布最广，占地壳质量的48.6％，是丰富度最高的元素。在烃类氧化、废水处理、火箭推进剂以及航空、航天和潜水中供动物及人进行呼吸等方面均需要用氧。动物呼吸、燃烧和一切氧化过程(包括有机物)都消耗氧气。但空气中的氧能通过植物的光合作用不断地得到补充。医疗用气极为重要。
目前，常用的水气分离方法是重量条件下的密度差别法；在微重力条件下，第一种表面张力或毛吸力法，第二种惯性或离心力法。降低材料浪费，节约成本，且避免了复杂的后处理过程，更加高效。但是存在分离装置结构复杂，制作成本高，耗能大、效率低等问题。
如今，拉瓦尔喷管主要应用在武器领域，拉瓦尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉。窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过窄喉后由后半部逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至跨音速。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种类laval管式的水气分离装置，其结构简单、使用方便，分离过程为常温环保操作，无相态变化，节省材料，高效。
本发明的具体技术方案是：
一种类laval管式的水气分离装置，包括：循环装置、水气分离器、类laval管、气体收集装置；其中，所述类laval管设置在所述水气分离器内，并将所述水气分离器分隔为第一空间和第二空间，所述第一空间位于所述类laval管的内侧，所述第二空间位于所述类laval管的外侧，所述循环装置与所述第一空间形成循环；所述类laval管的侧壁上设置有多个用于将所述第一空间和所述第二空间连通的喷嘴孔，所述气体收集装置与所述水气分离器的第二空间连通。
优选地，所述类laval管的侧壁包括收缩部和扩张部，所述收缩部的小孔径端与所述扩张部的小孔径端连通。
优选地，所述收缩部和所述扩张部为锥形体。
优选地，所述锥形体的母线呈弧形。
优选地，所述气体收集装置包括气瓶、分别与所述气瓶和所述水气分离器连通的气泵，所述气泵施加的压力小于所述水气分离器中水被抽出的压力。
优选地，所述气体收集装置还包括设置在所述气泵与所述水气分离器之间的气管，所述水气分离器具有位于所述第二空间一侧的上侧壁，所述上侧壁上开设有通孔，所述气管与开设在所述水气分离器的侧壁上的通孔连通。
优选地，所述循环装置与水气分离器之间通过管路连接，所述管路与所述水气分离器之间设置有管口，所述管口的截面积自所述水气分离器向着背离所述水气分离器的方向逐渐变小。
优选地，在所述管路上设置有抽水泵，所述抽水泵的输入端与所述循环装置连通，所述抽水泵的输出端与所述水气分离器的第一空间连通。
优选地，所述水气分离器和所述类laval管沿一轴线方向延伸，所述类laval管具有沿轴线方向相对的第一端和第二端，所述类laval管的第一端与所述管路连通，所述类laval管的第二端与所述循环装置连通。
优选地，所述类laval管由烧结的金属或活性炭或pp棉构成。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果包括：
1.类laval管式的水气分离装置具有常温操作、结构简单、高效等优点；
2.由于水可内部循环，实现了水资源的重复利用；
3.水气分离器实现自动补水放水；
4.类laval管式的水气分离装置不会产生二次污染。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本申请实施例中的类laval管式的水气分离装置的结构示意图；
以上附图的附图标记：1-循环装置，2-水、3-气体、4-抽水泵、5-管路、6-管口、7-类laval管、71、收缩部；72、扩张部；8-水气分离器、9-进气管、10-气泵、11-集气瓶。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
本申请公开了一种类laval管式的水气分离装置，包括循环装置1、水气分离器8、设置在所述水气分离器8内的类laval管7、气体收集装置、补水装置13；其中，所述类laval管7将所述水气分离器8分隔为第一空间和第二空间，所述第一空间位于所述类laval管7的内侧，所述第二空间位于所述类laval管7的外侧，所述循环装置1分别与所述第一空间形成循环。所述类laval管7的侧壁包括收缩部和扩张部，所述收缩部71的小孔径端与所述扩张部72的小孔径端连通；所述类laval管7的侧壁上设置有多个喷嘴孔。
在本实施方式中，所述水气分离器8和所述类laval管7沿一轴线方向(图中纸面的宽度方向)延伸。所述类laval管7位于所述水气分离器8内，并且将所述水气分离器8分隔为第一空间和第二空间。其中，所述第一空间由所述类laval管7的内侧壁围构而成。所述第二空间由所述类laval管7的外侧壁和所述水气分离器8的内侧壁形成。
参照图1所示，在本实施方式，所述收缩部71位于所述扩张部72的左侧。所述收缩部71和所述扩张部72为锥形体。该锥形体的母线呈弧形。当然的，在另一个可选的实施方式中，类laval管7也可以由两个锥形管构成。
在压力作用下，流体先进入喷管的收缩管。在这一阶段，遵循"流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，因此气流不断加速。当流体进入扩张管时，却不再遵循"截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快。类laval管7实际上起到了一个"流速增大器"的作用。
所述类laval管7的左端(即所述收缩部71的大口径端)开口，并通过管路5与所循环装置1的出口端连通，以承接由所述循环装置1输出的水2。在所述管路5上设置有抽水泵4，所述抽水泵4的输入端与所述循环装置1连通，所述抽水泵4的输出端与所述水气分离器8的第一空间连通。所述抽水泵4能将循环装置1内的水2抽出，并送入所述类laval管7内。优选地，所述管路5与所述水气分离器8之间设置有管口6，所述管口6的截面积自所述水气分离器8向着背离所述水气分离器8的方向逐渐变小，这样可以减缓水流，从而减少对所述类laval管7的影响。所述类laval管7的右端(即所述扩张部72的大口径端)开口，并与形成于所述循环装置1侧壁的所述循环装置1入口端连通，以在经过处理后将水循环输送至所述循环装置1。类laval管7的右端不是密封状态，该右端伸入至循环装置，目的是让水2在无阻力的情况下，排放到循环装置1内，从而实现水循环利用。所述类laval管7的左端、右端沿轴线方向相对设置。
所述类laval管7的侧壁上设置有多个用于将所述第一空间和所述第二空间连通的喷嘴孔，所述气体收集装置与所述水气分离器8的第二空间连通。例如，所述类laval管7由烧结的金属或活性炭或pp棉构成，从而形成喷嘴孔。这样能够让气液两相流通过类laval管7时，气体3从喷嘴孔中流出，进入至第二空间，从而更好的收集到所述气体收集装置中。
所述气体收集装置可以包括进气管9、集气瓶11、气泵10。所述水气分离器8具有位于所述第二空间一侧的上侧壁，所述上侧壁上开设有通孔。进气管9的一端与所述通孔连通，所述进气管9的另一端与所述气泵10的输入端连通，所述气泵10的输出端与集气瓶11连通。所述气泵的10施加的压力小于所述水气分离器8中水被抽出的压力，该气泵10施加的压力不能太大，否则可能会将水从水气分离器8内部抽出。
本申请中的类laval管7的形状与鱼鳃类似，也可以被应用到两相流分离领域。鱼在水中要呼吸，进行新陈代谢。它的呼吸器官是鳃。鱼的咽喉两侧各有4个鳃，每个鳃又有鳃片和鳃丝组成。呼吸时，鳃片和鳃丝完全打开，会增大鳃与水的接触面积，增加与水中溶解氧结合的机会。鱼在水中，嘴巴一张一闭的进行呼吸；它张嘴时，把水吸入，鳃盖关闭，闭嘴时，鳃盖打开，让水流出。在水流经腮的过程中，水中的溶解氧就被鳃上的微血管吸收，同时把二氧化碳排入水中。鱼只要一旦离开水，它的鳃片、鳃丝粘合重叠在一起，不能及时得到氧而窒息。
当流体(包括水2和气体3)通过管道经过管口6进入类laval管7时，由于类laval管7的形状是两侧宽中间窄，导致水流刚开始进入水气分离器8的速度比水在分离器中部的速度小。水流速度减小的原因如下：由管道流量公式可知，从类laval管7的左端到中部，类laval管7的半径减小，r减小，ρ保持不变，而q是常数，所以v水减小；水流从类laval管7左侧流到中部时v水就增加，那么p水减小。水压减小的原因如下：由贝努力方程可知，ρ保持不变，为了使等式成立，v水就增加，p水减小；由表1可知，氧气在水中的溶解度随着压力变大而增加，当p水减小，水中氧气的溶解度减小，所以氧气就可以收集到集气瓶11中，通过气泵10收集气体3效率更高、更容易，最终实现水分子、气体分子的分离。收集的气体3经过进一步的提纯制得氧气，可以被应用到健身、航天、医疗供氧和消防救生等领域。
其中，管道流量公式如下：
πr2ρv＝q
其中ρ——流体的密度；
v——流体速度；
r——管道的半径；
q——常数。
贝努力方程如下：
其中p——流体的压强；
v——流体速度；
ρ——流体物质的密度；
b——常数。
表1
值得注意的是，所述的抽水泵4与气泵10的压力都可调，只要保证气泵10不将水从水气分离器8中抽出，其中气泵10的压力可以为0。
特别的，所述抽水泵4的输出压力大于所述气泵10的输出压力。由此，供水装置1的水的循环速度要快，保证水气分离器8内的气体流动足够快。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果包括：
1.类laval管式的水气分离装置具有常温操作、结构简单、高效等优点；
2.由于水可内部循环，实现了水资源的重复利用；
3.水气分离器8实现自动补水放水；
4.类laval管式的水气分离装置不会产生二次污染。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。