一种剪切式水力空化发生装置及水力空化方法与流程

本发明涉及化工流体技术技术领域，特别是涉及一种剪切式水力空化发生装置及水力空化方法。

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，而提供一种剪切式水力空化发生装置及水力空化方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种剪切式水力空化发生装置，包括：

壳体，用于容纳液体，其正下方设有液体出口，其向正上方设有液体进口；

剪切空化机构，设置在壳体的中心位置，包括，

斜牙转子，同轴心设置在壳体内，内侧沿圆周方向均匀设置有辐射状的直角牙，相邻的两个直角牙之间形成第一凹槽，所述直角牙凸起边线均为规则直角形；

直牙转子，同轴心设置在壳体内，内侧沿圆周方向均匀设置有辐射状的倾斜牙，相邻的两个倾斜牙之间形成第二凹槽，所述倾斜牙的凸起端面倾斜一定角度，其中直牙转子与斜牙转子同轴相对设置，并且与斜牙转子之间形成空隙；

驱动结构，用于驱动斜牙转子和直牙转子向相反方向转动。

优选的，所述壳体呈空腔圆柱体结构。

优选的，所述液体进口与液体出口同轴心设置。

优选的，所述斜牙转子和直牙转子的中心轴分别通过联轴器固装在两个电机的输出轴上。

优选的，所述直角牙与倾斜牙的个数不同。

优选的，所述直牙转子的内侧沿圆周方向均匀设置有10-12个直角牙，所述斜牙转子与直牙转子相对的一侧沿圆周方向均匀设置有11-13个倾斜牙。

优选的，所述斜牙转子与直牙转子的直径大小相同。

优选的，所述斜牙转子的外侧均匀分布有辐射状的第一外牙，且所述壳体内壁与斜牙转子相对的位置上固定设有第一固定牙，所述直牙转子的外侧均匀分布有辐射状的第二外牙，且所述壳体与直牙转子相对的内壁上固定设有第二固定牙，当第一外牙为倾斜牙时，第一固定牙为直角牙，当第一外牙为直角牙时，第一固定牙为倾斜牙，当第二外牙为倾斜牙时，第二固定牙为直角牙，当第二外牙为直角牙时，第二固定牙为倾斜牙。

优选的，所述斜牙转子的直径为壳体直径的0.65-0.95，所述斜牙转子的直径为壳体直径的0.65-0.95。

本发明的另一发明，所述剪切式水力空化发生装置的空化方法，包括以下步骤：

(1)斜牙转子、直牙转子与壳体的间隙，空化在直角牙与倾斜牙的转动最前缘产生；

(2)当斜牙转子的倾斜牙之间的第一凹槽、直牙转子直角牙之间的第二凹槽共线时，第一凹槽与第二凹槽之间产生空化；

(3)斜牙转子的倾斜牙与直牙转子的直角牙之间的文丘里空隙发生空化，斜牙转子、直牙转子高速转动，导致压力场快速变化，从而引起装置内周期性地压力降低，发生剧烈空化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本水力空化发生装置通过采用直牙转子和斜牙转子，对流体形成高压力差、剪切和文丘里作用等多种方式，从而诱发多点空化，可产生大量的空泡云，对空泡的输运性强，且能耗低，空化效率高，液体流通量大，可大规模推广使用。

2、本水力空化发生装置可以通过控制流量和转子转速控制空化程度，可根据实际需求获得不同程度的空化效果，大大提高了该水力空化装置的可控性。另外，所述水力空化发生装置结构简单，成本低廉，无高压泵或增压器，工作可靠，适于大规模推广应用。

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图。

图2所示为直牙转子结构简图。

图3所示为斜牙转子结构简图。

图4所示为空化区域示意图。

其中：1-液体进口，2-液体出口，3-壳体，4-电机，5-斜牙转子，6-直牙转子，7-直角牙，8-第二凹槽，9-倾斜牙，10-第一凹槽。

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。

一种剪切式水力空化发生装置，包括：

壳体3，用于容纳液体，其正下方设有液体出口2，其向正上方设有液体进口1；

剪切空化机构，包括，

斜牙转子5，同轴心设置在壳体3内，内侧沿圆周方向均匀设置有辐射状的直角牙7，相邻的两个直角牙7之间形成第一凹槽10，所述直角牙凸起边线均为规则直角形；

直牙转子6，同轴心设置在壳体3内，内侧沿圆周方向均匀设置有辐射状的倾斜牙9，相邻的两个倾斜牙之间形成第二凹槽8，所述倾斜牙的凸起端面倾斜一定角度，其中直牙转子6与斜牙转子5同轴相对设置，并且与斜牙转子5之间形成空隙；

驱动结构，用于驱动斜牙转子和直牙转子向相反方向转动，从而形成对流体的剪切作用。

液体从液体进口1进入壳体3内，液体在直牙转子6与壳体3之间的间隙，斜牙转子5与壳体3之间的间隙，直牙转子6与斜牙转子5之间形成的空隙内流动，发生空化。

最为优选方案，所述壳体3呈空腔圆柱体结构。所述液体进口1与液体出口2同轴心设置，这种设置方式，使得液体流通更通畅，空化效率更高。

作为优选方案，所述驱动结构为电机4，所所述斜牙转子和直牙转子的中心轴分别通过联轴器固装在两个电机的输出轴上。在轴向，壳体3左右面中心开孔，通过轴承支撑电机转轴，电机4设置于壳体两侧，分别通过转轴驱动斜牙转子5和直牙转子6转动。

作为优选方案，所述直角牙7与倾斜牙9的个数不同，以免发生共振。所述直牙转子6的内侧沿圆周方向均匀设置有10-12个直角牙7，所述斜牙转子5与直牙转子6相对的一侧沿圆周方向均匀设置有11-13个倾斜牙9。

作为优选方案，所述斜牙转子5与直牙转子6的直径大小相同，可有效提高空化效率。

作为优选方案，所述斜牙转子的外侧均匀分布有辐射状的第一外牙，且所述壳体内壁与斜牙转子相对的位置上固定设有第一固定牙，所述直牙转子的外侧均匀分布有辐射状的第二外牙，且所述壳体与直牙转子相对的内壁上固定设有第二固定牙，当第一外牙为倾斜牙时，第一固定牙为直角牙，当第一外牙为直角牙时，第一固定牙为倾斜牙，当第二外牙为倾斜牙时，第二固定牙为直角牙，当第二外牙为直角牙时，第二固定牙为倾斜牙。如此斜牙转子或直牙转子外侧的第一固定牙、第二固定牙高速转动，与壳体内壁上固定设置的第一固定牙、第二固定牙相互交错，不断形成文丘里结构，发生剧烈空化。

作为优选方案，所述斜牙转子的直径为壳体直径的0.65-0.95，所述斜牙转子的直径为壳体直径的0.65-0.95，在此范围内，空化效率最高。

本发明的另一发明，所述剪切式水力空化发生装置的空化方法，包括以下步骤：

(1)斜牙转子5、直牙转子6与壳体3的间隙，空化在直角牙7与倾斜牙9的转动最前缘产生；

(2)当斜牙转子5的倾斜牙之间的第一凹槽8、直牙转子6的第二凹槽10共线时，第一凹槽8与第二凹槽10之间产生空化；

(3)斜牙转子5的倾斜牙与直牙转子6的直角牙之间的文丘里空隙发生空化，斜牙转子5、直牙转子6高速转动，导致压力场快速变化，从而引起装置内周期性地压力降低，发生剧烈空化。

具体的，流体从液体进口1进入壳体3内，在直牙转子6与斜牙转子5的带动下，在直牙转子6与斜牙转子5的圆周外表面与壳体3的内表面之间，以及直牙转子6与斜牙转子5的相对间隙内运动。因空化装置的特殊结构，液体可以在三个部分发生空化。

第一，如图4中a所指区域，在直牙转子6的直角牙7圆周外表面与壳体3的内表面之间运动的流体，在斜牙转子5的倾斜牙9圆周外表面与壳体3的内表面之间运动的流体，由于随转子高速转动，产生离心力，在直角牙7、倾斜牙9的圆周外表面与壳体3的内表面之间形成较高的流体静压立。但在第一凹槽8、第二凹槽10内，由于转子的高速转动，第一凹槽8、第二凹槽10运动表面形成低压区，这样在壳体3内表面与第一凹槽8、第二凹槽10之间形成较高的压力差，当静压值低于液体在该温度下的饱和蒸气压时，发生空化现象，在斜牙转子5、直牙转子6转动方向牙的前端部分产生空化泡。

第二，在斜牙转子5、直牙转子6相对转动过程中，直角牙7与倾斜牙9周期性地共线、错开。液体在直角牙7与倾斜牙9的间隙内受到两个牙结构的高压挤压作用力，静压力是系统内最高部分。当共线的两个牙完全错开，第一凹槽8、第二凹槽10完全共线时，凹槽区形成较大的低压区，液体从挤压高压区突然进入低压区，静压力降低，空化潜力最大。当静压值低于液体在该温度下的饱和蒸气压时，发生空化现象，在斜牙转子5、直牙转子6两个共线的第一凹槽8、第二凹槽10间产生空化泡，如图4中b所指区域。

第三，在斜牙转子5、直牙转子6相对转动过程中，直角牙7与倾斜牙9周期性地共线、错开。液体在直角牙7与倾斜牙9的间隙内受到两个牙结构的高压挤压作用力。此外，高速旋转的两个转子因为粘性作用又带动液体相对转动，形成对液体的剪切作用。在两个牙从开始共线到完全错开的过程中，直角牙7与倾斜牙9的几何形状形成文丘里结构。在剪切力与文丘里结构的共同作用下，两个共线的牙之间形成较大的低压区，当静压值低于液体在该温度下的饱和蒸气压时，发生空化现象，在斜牙转子5、直牙转子6两个共线的牙间隙之间产生空化泡，如图4中c所指区域。

由上述可见，空化主要发生在三个区域。第一，斜牙转子5、直牙转子6与壳体3的间隙，空化在直角牙7与倾斜牙9的转动最前缘产生；第二，当斜牙转子5的第一凹槽8、直牙转子6的第二凹槽10共线时，转子的凹槽间会产生空化；第三，斜牙转子5、直牙转子6的牙之间的文丘里空隙会发生空化。斜牙转子5、直牙转子6在电机4的驱动下高速转动，导致压力场快速变化，从而引起装置内周期性地压力降低，发生剧烈的空化现象。

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。