专利名称：用于处理液体的装置和用于处理悬浮液的方法
技术领域：
本发明涉及用于处理液体的装置。更特别地，本发明涉及用于处理悬浮液的装置和方法。
背景技术：
给液体充气对于多种用途是有利的。例如，它允许气体与液体之间或者气体与液体中所含的物质之间发生化学反应。一个可能的用途是处理水，包括饮用水和废水，其中引入适当的反应性气体可以减少微生物的量。W02008/080618A1公开了一种用于处理液体的装置，该装置包括配置在腔室中的机械成穴元件和贯穿成穴元件延伸的供气部件。该装置还包括将声波直接发射进入腔室的声能换能器。成穴元件的移动确保所供给的气体与待处理的液体混合，其中平均气泡尺寸仍然比较大。作为第二个措施，同时由声能换能器将声波直接引入到液体中，结果，在整个液体中平均气泡尺寸进一步减小。当使用已知的装置和已知的方法来获得气体在液体中的声化学溶解(其中大比例气体以分子分散溶解的形式存在于液体中)时，能量换能器需要是供给频率在400kHz至1500kHz范围、优选在600kHz和1200kHz范围的超声波换能器的形式。
发明内容
本发明的目的是更大地提高给液体充气的效率。该目的通过具有权利要求1的特征的装置和具有权利要求7的特征的装置实现。根据本发明的装置的有益的和有利的进一步改进在从属权利要求中示出。根据第一方面，根据本发明的用于处理液体的装置包括腔室和配置在腔室内的特别是流线体形式的可转动的成穴元件。腔室在成穴元件的区域具有如下剖面:该剖面具有不同的圆部(Rundungen )。本发明的该方面基于如下发现:具有不同圆部的剖面一方面阻碍液体围绕成穴元件的转动轴线的不期望的旋转流动，另一方面防止产生仅发生少量液体交换的腔室“死角”。而且，根据本发明的腔室的剖面形状有助于形成高流速的局部漩涡，这极大地增强了空穴效应。优选地，腔室的剖面具有带有圆化的角部的多边形的基本形状。该圆化的角部有效地防止液体积聚在角部。为了避免腔室中的任何“宁静的港湾”，优选多边形的基本形状的边是凸的。通常，腔室有利地设计成使得腔室的剖面的基本形状为规则的多边形。具有三叶形形状的剖面的腔室变得尤其地有利。该形状显著地偏离将促进不期望的旋转流动的圆形，却仍然包括大致与通常的盘形状的成穴元件相切地延伸的壁部。然而，基本上，腔室还有利地具有如下剖面:该剖面的基本形状为不规则多边形的形状。
根据第二方面，根据本发明的用于处理液体的装置包括腔室和配置在腔室内的大致盘状的成穴元件。成穴元件具有优选为椭圆形的如下通道开口:该通道开口具有圆化的内壁。本发明的该方面基于如下发现:当成穴元件快速转动时，该形状的通道开口允许液体在不发生不期望的液体分裂的情况下最佳地加速。在本发明的优选实施方式中，通道开口均从上侧面完全地贯穿成穴元件而延伸到下侧面。这基本上允许液体通过成穴元件的限制通道。通道开口的优选设计提供如下:通道开口的直径在通道开口的整个轴向高度上变化小于50%，优选地小于30%，更优选地小于20%。这确保没有液体积聚在通道开口中。根据通道开口的特别优选的设计，在邻近上侧面的区域和邻近下侧面的区域，内壁被圆化成不同的程度。特别地，圆化部分可以被调节为成穴元件的形状，从而获得有利于预期的压力波动的整体流动行为。通道开口可以在上侧面和下侧面均具有长孔状椭圆形边缘。另一优选实施方式规定为:在俯视图中，通道开口的在上侧面的边缘与通道开口的在下侧面的关联的边缘不一致。特别地，在通道开口的长度方向上，在上侧面的边缘的尺寸与在下侧面的边缘的尺寸不同，和/或在上侧面的边缘相对于在下侧面的边缘错位。与圆化部分相结合，通过通道开口的如下配置可以进一步优化空穴效应，其中，各通道开口的中心相对于如下交点错位:该交点为各通道开口的中央纵向轴线与成穴元件的垂直于该中央纵向轴线的半径的交点。为了处理水、特别是饮用水，将腔室配置在由塑料制成的壳体中的装置是有利的。与金属壳体相比，塑料壳体提供更利于清洁并且不被消毒剂侵蚀的优点。还可以没有任何问题地向液体中添加电解质。特别地，与开设有液体用入口和出口的腔室的三叶形剖面相结合，如下配置是有利的:入口和出口在径向上相对于彼此以小于180度的角度、优选地以大约120度的角度配置。关于气体向液体中的供给,具有轴向地通向成穴元件的上侧面、优选地邻近成穴元件的转动轴线的口部的供气管是优选的。特别地，供气管可以以至少部分地平行于配置有成穴元件的驱动轴的方式延伸。通过使用至少一个如下声能换能器节约了根据本发明的装置的制造成本:该声能换能器配置成将声波直接发射到腔室中，该声波的频率低于超声波频率范围。已经证明，与开头提到的从现有技术中已知的装置相比，较低功率的声能换能器就足以获得期望的气泡尺寸。通常，根据本发明的措施允许非常高比例的气体被引入到液体中。因此，根据本发明的装置非常适合水的净化、特别是饮用水或废水的净化。特别地，当供给能够以分子形式分散溶解在液体中的臭氧时，该装置可以用来对液体杀菌，或者通常地用来破坏细菌、病毒、真菌孢子、毒素或内分泌干扰物质，或者用来使蛋白质变性。另外，该装置通常可以用于给液体(不仅是水或废水)充以任何合适的气体。本发明还涉及一种处理悬浮液的方法，特别是借助于根据本发明的装置来处理悬浮液的方法，该方法的特征在于如下步骤:将待处理的分散液体引入容纳有可转动的成穴元件的腔室中；在不用超声波处理液体的情况下使成穴元件转动直到产生空穴作用；以及通过空穴作用使液体中的颗粒尺寸减小。根据本发明的方法在超声波不作用于悬浮液、而仅仅基于机械作用的成穴元件的情况下进行操作。在成穴元件的表面，在液体中形成内爆的小空穴。由于该内爆过程，液体中存在的固体颗粒的尺寸被进一步减小。这意味着颗粒尺寸的减小不(仅仅)是碰撞成穴元件的颗粒的效果，而且是成穴元件的表面处的众多内爆期间释放的能量的效果。当气体被引入悬浮液中并且还通过以无超声波的方式产生的空穴作用溶解在悬浮液中时，空穴作用同时减小。呈液相的气体的溶解对于悬浮液可能是有利的，并且如果适当的话可以产生期望的化学效应。其中一个示例是废水处理。根据本发明的方法在液体涂料、特别是漆的生产中将提供特殊的益处，因为这里漆用颜料被特别细地分散。此外，该方法进一步有利地应用在纸涂层悬浮液(例如白垩)的处理中和废水的处理中。关于废水处理，应注意，在废水中微生物尤其地持续生存于固体颗粒的阴影中。因此，利用紫外光的处理应当仅被认为是配套措施。然而，如果如本发明所教示的那样，固体颗粒的尺寸仍然被进一步减小，则微生物处理的有效性显著提高。气体在液体中的同步溶解可以用于杀死微生物。
从下侧面的说明和所参照的附图，本发明的其他特征和优点将变得明显。在图中:-图1示出了用于实施根据本发明的方法的、根据本发明的装置的侧视图；-图2示出了图1中的装置的局部剖切俯视图；-图3示出了也能够用于实施根据本发明的方法的、根据本发明的装置的可选实施方式的局部剖切俯视图；-图4示出了根据本发明的装置的机械成穴元件的俯视图；-图5示出了沿图4中的剖面线A-A剖取的剖视图；-图6示出了沿图4中的剖面线B-B剖取的剖视图；-图7示出了沿图4中的剖面线C-C剖取的剖视图；以及-图8示出了沿图4中的剖面线D-D剖取的剖视图。
具体实施例方式图1和图2示出了根据本发明的用于通过给液体充气来处理液体的装置。在下侧面的说明中，使用诸如上、下等表示是为了便于理解。这些表示涉及如图1所示的装置的方位。但是该装置基本上是在放置于一侧时被操作。本领域技术人员特别地从W02008/080618A1已知这种装置的基本结构和基本操作模式，因此，这里将仅主要讨论根据本发明的装置的特殊特征。用于接收液体的腔室12设置在装置的壳体10中；该壳体可以由金属或塑料形成。入口 14和出口 16开口到腔室12，从而液体能够通过腔室12连续地流动。在轴向A上，入口 14和出口 16被配置成相对于彼此错位；在径向r上，入口 14和出口 16被配置成在直径上相反(180度的角度)。图3示出了装置的可选实施方式，其中入口 14和出口 16相对于彼此以120度的
角度配置。配置在腔室12内的中央的是机械成穴元件18，其被安装成可转动并且为大致铁饼状流线体的形式。成穴元件18借助于驱动轴20被连接至连续可控的马达22，该马达22确定成穴元件18的转速。作为连接至气源的供气部件的一部分的供气管24邻近驱动轴20配置并且平行于驱动轴20地开口到腔室12。供气管24的口部轴向地通向成穴元件18的上侧面。弯折90度并且连接有声能换能器30的短连接件26配置于沿径向延伸的入口 14。弯折90度并且连接有声能换能器32的短连接件28配置于沿径向延伸的出口 16。声能换能器30、32均呈在超声波范围或优选在低频范围工作的声波发生器的形式。如图2和图3可见，在两个实施方式中，腔室12均具有特殊形状。腔室12在成穴元件18的区域(相当于腔室12的围绕成穴元件18的部分)具有偏离圆形的非旋转对称剖面(与轴向A垂直的径向剖面)。在所示的实施方式中，腔室12的剖面为三叶形形状，也可以称为“圆化三角形”。与真正的三角形不同，角部被圆化(小圆部34)并且边朝外弯曲(大圆部36)。三叶形形状的特征在于，不管三角形基本形状的取向如何，滚动直径D总是保持相同，因为大圆部34和小圆部36总是彼此相反地指向。除了三角形基本形状之外，还可以设置具有多于三个角部(特别地具有四个或五个角部)的基本形状，其中角部被圆化并且边朝外弯曲(凸)。另外，不规则的、圆部很明显地不同的基本形状也是可以的。然而，在曲率相当的情况下，三角形的基本形状提供与圆形的最大偏离，如将在下侧面进一步讨论的，从空穴效应的角度这是所希望的。在图4中单独地绘出可转动地配置在腔室12中的成穴元件18。成穴元件18具有如下的大致铁饼(两面凸的盘)形状:其中相对的凸面38、40在尖的、圆形的周缘42处相交。两个面38、40的曲率可以彼此不同。成穴元件18具有从上侧面38完全贯穿成穴元件18延伸到下侧面40的多个通道开口 44。通道开口 44在上侧面38和下侧面40分别具有长孔状椭圆形边缘46和48。然而，在俯视图中，上侧面38的边缘46与关联的下侧面的边缘48不一致；特别地，在上侧面的边缘46和在下侧面的边缘48的长度方向上的尺寸不同和/或在长度方向上错位。因此，在上侧面的边缘46的外周可以大于或小于或等于关联的在下侧面的边缘48的尺寸。从图5至图8的剖面图可见，通道开口 44的内壁不是直的，而是圆化的。这意味着，一方面内壁具有弯曲轮廓，另一方面除了边缘46、48之外内壁不具有任何边缘或角部。在一些情况下，至少在剖面中，圆化(Verrundung)在邻近上侧面38的区域比在邻近下侧面的区域更明显；在一些情况下，恰好相反。此外,通道开口 44的特征在于,不考虑圆化部分(Verrundungen),通道开口 44的直径在整个轴向高度上变化小于50%，优选地小于30%。在图示的示例性实施方式中，直径变化显然小于20%。另外，各通道开口 44被配置成使得其中心相对于如下交点错位:该交点为各通道开口的中央纵向轴线(分别为剖面线A-A、B-B、C-C和D-D)与成穴元件18的垂直于该中央纵向轴线的半径R的交点。当使用该装置给液体充气时，液体以腔室优选地完全充满液体的方式流过腔室
12。马达22使得完全浸没在液体中的成穴元件18以在液体中产生空穴的方式快速转动。在这一点上，具有三叶形剖面(或者如上所述的类似剖面)的腔室12的特殊形状和成穴元件18的特殊形状增强了空穴效应。归因于腔室12的具有不同圆部34、36的剖面形状，成穴元件18的转动不会使液体完全地以不期望的、无助于空穴效应的旋转循环流动的方式移动。而且因为角部不是尖锐的、而是圆化的，所以在腔室12的角部中不会形成仅发生少量液体交换的“死点”。腔室12的形状也确保在腔室12中发生尽可能少的驻波。基于成穴元件18中的圆化的通道开口 44，不仅在成穴元件18的周缘区域、而且在通道开口 44的区域发生非常高的流速，结果在这些非常位置处产生非常高的空穴效应。而且通道开口 44还有效地阻碍任何不期望的液体分裂，特别是在成穴元件18高速度的情况下。由于腔室剖面的具有不同圆部34、36的特殊形状以及成穴元件18的通道开口 44的特殊形状，大致避免了不期望的、成穴元件18对液体的泵作用(Pumpenwirkung)。气体通过供气管24沿轴向A输送到成穴元件18的上侧面。气体也可以以液体形式、例如液氧的形式被给送到系统中；当液体形式的气体经过供气管24时，气体优选地已经以气体状态存在。基于高的空穴效应，所引入的气体几乎全部混合在液体中。所引入的气体量可以是，例如对温度为15°C的井水中的氧气而言达到285g/h。同时，由声能换能器30、32的声波填充整个腔室12，从而通过成穴元件18产生的气泡又立即被声能作用并且在该过程中尺寸减小。借助于特殊形状的腔室12内的特殊形状的成穴元件12的空穴作用以及在相对低频率范围的对所产生的气泡进行的附加的声波处理，二者结合以有效的方式产生纳米范围的平均气泡尺寸，并且产生埃范围的高比例气泡。结果，所引入的高比例的气体以分子形式分散溶解在液体中。因此，所混入的全部气体将较长时间地保留在液体中。已经参照优选实施方式说明了本发明。当然，在不脱离本发明的构思的情况下，本领域技术人员可以想到各种变型和补充。上述装置使得悬浮液能够被非常有效地处理，悬浮液中存在的微粒的尺寸能够被进一步减小。该方法提供以下步骤:将待处理的分散液体引入容纳有可转动的成穴元件18的腔室12中；在不用超声波处理液体的情况下使成穴元件18转动直到产生空穴作用；以及通过空穴作用使液体中的颗粒尺寸减小。在该方法中，在腔室12中不进行附加的超声波处理。在将悬浮液引入腔室12中之前或者在将悬浮液从腔室12移除之后，也不用超声波处理悬浮液。该方法在不使悬浮液暴露于超声波而仅仅利用机械作用的成穴元件18的情况下操作。在该成穴元件18的表面形成液体中的内爆的小空穴。由于这些内爆，液体中存在的固体颗粒的尺寸被进一步减小。可选地，气体可以被另加地引入悬浮液中并且还可以通过以非超声波的方式产生的空穴作用溶解在悬浮液中。溶解呈液相的气体对于悬浮液是有利的，并且如果适当的话可以带来期望的化学效应。其中一个示例是废水处理。该方法可以应用在液体涂料、特别是漆的生产中，因为这里漆用颜料被特别细地分散。此外，该方法有利地应用在纸的生产中。在该方法中，使得纸涂层悬浮液(例如白垩)中的固体颗粒尤其好地分散在液体中并且尺寸减小。以这种方式处理过的悬浮液被利用刮刀施加到纸幅并且提供平滑的纸面。在废水处理中，当使用该方法时，固体颗粒尺寸被进一步减小，使得微生物处理变得更有效。气体在液体中的同步溶解可以用于杀死微生物。附图标记说明10 壳体12 腔室14 入口16 出口18成穴元件20驱动轴22 马达24供气管26第一连接件28第二连接件30第一声能换能器32第二声能换能器34大圆部36小圆部38成穴元件的上侧面40成穴元件的下侧面42 周缘44通道开口46在上侧面的边缘48在下侧面的边缘
权利要求
1.一种用于处理液体的装置，所述装置包括: 腔室(12)； 可转动的成穴元件(18)，其配置在所述腔室(12)内， 其特征在于， 所述腔室(12)在所述成穴元件(18)的区域具有如下剖面:该剖面具有不同的圆部(34、36)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔室(12)的所述剖面具有带有圆化的角部的多边形的基本形状。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多边形的基本形状的边是凸的。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述剖面的基本形状为规则的多边形。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述腔室(12)的所述剖面具有三叶形形状。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述剖面的基本形状为不规则多边形的形状。
7.一种用于处理液体的装置，其包括:腔室(12); 大致盘状的成穴元件(18)，其配置在所述腔室(12)内， 其特征在于， 所述成穴元件(18)具有优选地为椭圆形的如下通道开口(44):该通道开口具有圆化的内壁。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述通道开口(44)均从上侧面(38)完全地贯穿所述成穴元件(18 )而延伸到下侧面(40 )。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述通道开口(44)的直径在所述通道开口的整个轴向高度上变化小于50%，优选地小于30%，更优选地小于20%。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，在邻近所述上侧面(38)的区域和邻近所述下侧面(40)的区域，所述内壁被圆化成不同的程度。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述通道开口(44)在所述上侧面(38)和所述下侧面(40)均具有长孔状椭圆形边缘(46、48)。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，在俯视图中，所述通道开口(44)的在所述上侧面(38)的所述边缘(46)与所述通道开口(44)的在所述下侧面(40)的关联的所述边缘(48)不一致。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，在所述通道开口(44)的长度方向上，在所述上侧面(38)的所述边缘(46)的尺寸与在所述下侧面(40)的所述边缘(48)的尺寸不同，和/或在所述上侧面(38)的所述边缘(46)相对于在所述下侧面(40)的所述边缘(48)错位。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的装置，其特征在于，各所述通道开口(44)被配置成使得其中心相对于如下交点错位:该交点为各所述通道开口的中央纵向轴线与所述成穴元件(18)的垂直于该中央纵向轴线的半径R的交点。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述腔室(12)被配置在由塑料制成的壳体(10)中。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在径向r上相对于彼此以小于180度的角度、优选地以大约120度的角度配置的入口( 14)和出口( 16)开口到所述腔室(12)。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，供气管(24)具有轴向地通向所述成穴元件(18)的上侧面、优选地邻近所述成穴元件(18)的转动轴线的口部。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述供气管(24)以至少部分地平行于配置有所述成穴元件(18)的驱动轴(20)的方式延伸。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于至少一个声能换能器(30、32)，其配置成将声波直接发射到所述腔室(12)中，所述声波的频率低于超声波频率范围。
20.一种用于处理悬浮液的方法，特别是借助于根据前述权利要求中任一项所述的装置来处理悬浮液的方法，所述方法的特征在于如下步骤: a)将待处理的分散液体引入容纳有可转动的成穴元件的腔室中； b)在不用超声波处理所述液体的情况下使所述成穴元件转动直到产生空穴作用；以及 c)通过所述空穴作用使所述液体中的颗粒尺寸减小。
21.根据权利 要求20所述的方法，其特征在于，将气体引入所述悬浮液中，并且通过以无超声波方式产生的所述空穴作用使所述气体溶解在所述悬浮液中。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，所述方法是生产液体涂料、特别是漆的方法，是处理纸表面涂层用白垩的方法，或者是处理废水的方法。
全文摘要
用于处理液体的装置具有腔室(12)和配置在腔室(12)内的可转动的成穴元件(18)。根据第一方面，腔室(12)在成穴元件(18)的区域具有如下剖面该剖面具有不同的圆部(34、36)。根据第二方面，大致盘状的成穴元件(18)具有优选为椭圆形的如下通道开口(44)该通道开口具有圆化的内壁。
文档编号B01F5/04GK103189133SQ201180048690
公开日2013年7月3日 申请日期2011年10月7日 优先权日2010年10月8日
发明者J·格劳, C·奥立弗利 申请人:超声波系统有限公司