本發(fā)明涉及化工流體技術領域，特別是涉及一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器以及空化方法。

背景技術：

空化是指液體內(nèi)局部壓力下降時，液體內(nèi)部或液固交界面上氣體空穴的形成、發(fā)展和潰滅的過程。當液體壓力降至液體飽和蒸氣壓甚至以下時，由于液體的劇烈汽化而產(chǎn)生大量空化泡?？栈蓦S液體流動膨脹、生長。當液體壓力恢復時，空化泡瞬間潰滅形成微射流和沖擊波，產(chǎn)生瞬間局部高溫(1000～5000k)和瞬間高壓(1～5×107pa)?？栈蓪е滤C械設備性能下降，引起振動、噪聲和空蝕破壞等，但空化現(xiàn)象釋放的能量也可以加以利用，以實現(xiàn)對化學、物理等過程的強化，達到增效、節(jié)能、降耗等效果。

根據(jù)空化產(chǎn)生的因素，通常分為聲空化、光空化、粒子空化和水力空化四種類型。由于空化產(chǎn)生的效率和工程應用的難易程度，四種模式中，聲空化和水力空化是學術界和工業(yè)界關注的熱點。目前，聲空化僅在實驗室取得較好效果，但將其應用于中試或工業(yè)化時，會出現(xiàn)空化場不均勻，空化效率下降，通量較小，放大難度較大等問題。

相對于超聲空化而言，水力空化設備簡單、成本低廉，能產(chǎn)生大規(guī)模的空化場，工業(yè)化應用的潛力很大，目前已在滅菌、有機污水廢水處理、射流清洗以及化工分離等領域得到應用。

中國專利200410021098.5公開了一種通過多孔孔板產(chǎn)生空化的滅菌裝置，利用空化發(fā)生時產(chǎn)生的瞬間高溫高壓來對液體原料進行滅菌消毒，該裝置具有產(chǎn)量大、效率高、操作方便、瞬間滅菌、局部高溫、整體常溫等特點，從而避免了液體原料中有效成分的破壞和過熱分解。中國專利200410066214.5公開了一種用于化工分離技術領域渦流空化器，可以在較低的溫度和不加或者少加化學破乳劑的條件下對含水乳化油或者乳化含油廢水進行低成本和高效率的破乳處理。中國專利201120568210.2公開了一種用于污廢水處理的水力空化裝置，該裝置具備多個空化腔道，空化效率高。并可將臭氧引入空化腔，臭氧在水力空化效應所產(chǎn)生的高溫高壓條件下，可以分解成具有更強氧化性的羥基自由基，進一步提高了空化效率。該裝置內(nèi)還可設置催化劑tio2和γal2o3，產(chǎn)生更多的羥基自由基，進一步強化污廢水中有機物的去除效果。

盡管對水力空化的研究逐漸深入，所提出的空化器結構形式增多，但是水力空化的空化強度較小，效率較低，往往不足以起到某些物理化學反應的觸發(fā)或強化作用。此外，空化反應器處理量較小，大規(guī)模處理時需要多臺裝置并聯(lián)或串聯(lián)使用，導致處理系統(tǒng)管路結構龐大、復雜，仍難以工業(yè)化推廣應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中存在的技術缺陷，而提供一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，結構簡單，成本低廉，工作可靠，適于工業(yè)化大規(guī)模推廣應用。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術方案是：

一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，包括：

圓柱形腔體，具有一圓柱形的空腔；

多個流體進口管，均勻設置在圓柱形腔體外緣，均與圓柱形腔體相連通；

環(huán)形孔板，同軸心設置在圓柱形腔體內(nèi)；

流體出口管，設置在圓柱形腔體的軸心位置，并且與圓柱形腔體相連通；

文丘里管結構，包括擴展段和液體出口段，擴展段的底端小口徑端連接在流體出口管上，擴展段的頂端大口徑端連接有液體出口段，所述流體出口管、擴展段和液體出口段同軸心設置。

優(yōu)選的，所述環(huán)形孔板設有一個或多個，均同軸心設置在圓柱形腔體內(nèi)。

優(yōu)選的，環(huán)形孔板包括內(nèi)外設置的ⅰ級環(huán)形孔板、ⅱ級環(huán)形孔板，ⅰ級環(huán)形孔板、ⅱ級環(huán)形孔板的軸線位于圓柱形腔體的軸線上。

優(yōu)選的，所述流體進口管設置在圓柱形腔體外緣的軸線方向或法線方向上。

優(yōu)選的，所述流體出口管位于圓柱形腔體的上端或上下兩端。

優(yōu)選的，所述流體出口管的截面為矩形或圓形，所述流體進口管的截面為矩形或圓形。

優(yōu)選的，所述環(huán)形孔板無縫隙的粘接或焊接在圓形腔體上下內(nèi)壁上，所述環(huán)形孔板的開孔率為20％-70％，所述環(huán)形孔板上的開孔形狀為圓形、三角形、橢圓形、方形或菱形。

優(yōu)選的，所述圓柱形腔體的中心位置設有空化增強模塊，所述空化增強模塊的表面為光滑曲面狀，截面積由邊緣向中心逐漸增加。

優(yōu)選的，所述空化增強模塊的直徑是流體出口管直徑的0.5-1.2倍，所述空化增強模塊(6)的高度是圓柱形腔體高度的0.45-0.85倍。

優(yōu)選的，所述空化增強模塊為橢球狀或為翼形。

本發(fā)明還包括一種水力空化方法，包括以下步驟：

s1、流體沿流體進口管進入環(huán)形孔板與圓柱形腔體外壁面之間的空間，在該空間內(nèi)流體得以緩沖，降低湍流不均勻性；

s2、流體穿過環(huán)形孔板時，由于孔板的節(jié)流作用，流速增大，流體靜壓降低，當壓力達到甚至低于流體在該溫度下的飽和蒸汽壓時，流體開始氣化產(chǎn)生氣泡，溶解于流體中的氣體也以氣泡形式析出，氣泡產(chǎn)生后逐漸膨脹、生長，到達流體壓力恢復區(qū)時潰滅；

s3、流體經(jīng)環(huán)形孔板后，產(chǎn)生大量空化氣泡，在圓柱形腔體中心處，空化流體匯聚碰撞，產(chǎn)生強烈的空化現(xiàn)象，流體在此處重復發(fā)生劇烈的氣泡發(fā)生、膨脹、潰滅過程，流體在圓柱形腔體中心處與空化增強模塊碰撞，促進空化泡的潰滅，此外，流體流過空化增強模塊的截面時，由于截面形式能夠發(fā)生流體邊界層脫離，也可產(chǎn)生尾流空化泡。

s4、處理后的流體經(jīng)流體出口管(2)排出進入進入擴展段(7)，隨著流道擴展，壓力逐漸恢復，空化泡隨之又一次發(fā)生潰滅，形成微射流和沖擊波，產(chǎn)生瞬間局部高溫和瞬間高壓。

優(yōu)選的，環(huán)形孔板設置多級，所述s2中的，流體在多級孔板之間重復進行流體的空化過程，流體不斷地發(fā)生空化泡的產(chǎn)生和潰滅，流體間以及流體與環(huán)形孔板間發(fā)生強烈的碰撞、擠壓和剪切作用，形成劇烈的射流和壓力波。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明設備結構簡單，處理通量大，設備制造成本低廉，空化效率高，適用于工業(yè)化大規(guī)模應用。

2、由于具有較大的處理通量，應用本裝置的水處理系統(tǒng)可以減少并聯(lián)管路的安裝，減少管路系統(tǒng)的規(guī)模和復雜度，減少占地面積，降低投入成本。

3、環(huán)形孔板與圓形腔體外圍壁面之間的空間可以起到對流體的緩沖作用，降低流體湍動不均勻性；

4、切向入口形式，流體在圓形空腔內(nèi)形成旋流，導致腔內(nèi)壓力分布沿半徑向中心逐漸降低，更有利于空化的發(fā)生；

5、多級環(huán)形孔板設置可以增強對流體的空化處理，提高空化效率，提升能量利用率。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明實施例1的橫向剖面圖(切向入口)。

圖中：1′-流體進口管，2′-流體出口管，3′-圓形腔體，4′-ⅰ級環(huán)形孔板，5′-ⅱ級環(huán)形孔板，6′-空化增強模塊。

圖2所示為本發(fā)明實施例2的橫向剖面圖(法向入口)。

圖3是本發(fā)明實施例2的縱向剖面圖(法向入口、一個流體出口管)。

圖4是本發(fā)明實施例2的縱向剖面圖(法向入口、兩個流體出口管)。

圖中：1-流體進口管，2-流體出口管，3-圓形腔體，4-ⅰ級環(huán)形孔板，5-ⅱ級環(huán)形孔板，6-空化增強模塊，7-擴展段，8-液體出口段。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1：

如圖1所示，一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，包括流體進口管(1′)，流體出口管(2′)，圓柱形腔體(3′)、環(huán)形孔板(包括ⅰ級環(huán)形孔板(4′)、ⅱ級環(huán)形孔板(5′)等)和空化增強模塊(6′)。

ⅰ級環(huán)形孔板(4′)、ⅱ級環(huán)形孔板(5′)同軸心設置在圓柱形腔體(3′)內(nèi)，所述圓柱形腔體(3′)的中心位置設有空化增強模塊(6′)，與圓柱形腔體(3′)相連通的兩個流體進口管(1′)分別設置在圓柱形腔體(3′)的左右兩側(cè)，并且兩個流體進口管(1′)設置在圓柱形腔體(3′)外緣的切線方向上，流體出口管(2′)同軸心的設置在圓柱形腔體(3′)的中心位置頂端或上下兩端。

無圖示，文丘里管結構，包括擴展段(7′)和液體出口段(8′)，擴展段(7′)的底端小口徑端連接在流體出口管(2′)上，擴展段(7′)的頂端大口徑端連接有液體出口段(8′)，所述流體出口管(2′)、擴展段(7′)和液體出口段(8′)同軸心設置。

實施例2：

如圖2-4，一種基于文丘里管的大通量水力空化發(fā)生器，包括流體進口管(1)，流體出口管(2)，圓柱形腔體(3)、環(huán)形孔板(包括i級環(huán)形孔板(4)、ⅱ級環(huán)形孔板(5)等)和空化增強模塊(6)。

i級環(huán)形孔板(4)、ⅱ級環(huán)形孔板(5)同軸心設置在圓柱形腔體(3)內(nèi)，所述圓柱形腔體(3)的中心位置設有空化增強模塊(6)，三個個流體進口管(1)均勻設置在圓柱形腔體(3)外緣的法線方向上，流體出口管(2)同軸心的設置在圓柱形腔體(3)的中心位置的上端或上下兩端。

文丘里管結構，包括擴展段(7)和液體出口段(8)，擴展段(7)的底端小口徑端連接在流體出口管(2)上，擴展段(7)的頂端大口徑端連接有液體出口段(8)，所述流體出口管(2)、擴展段(7)和液體出口段(8)同軸心設置。

流體沿流體進口管(1)進入i級環(huán)形孔板(4)與圓柱形腔體(3)外壁面之間的空間，在該空間內(nèi)流體得以緩沖，降低湍流不均勻性，利于充分利用環(huán)形孔板產(chǎn)生空化。流體穿過i級環(huán)形孔板(4)時，由于孔板的節(jié)流作用，流速增大，流體靜壓降低，當壓力達到甚至低于流體在該溫度下的飽和蒸汽壓時，流體開始氣化產(chǎn)生氣泡，溶解于流體中的氣體也以氣泡形式析出。氣泡產(chǎn)生后逐漸膨脹、生長，到達流體壓力恢復區(qū)時潰滅。

然后進入ⅱ級環(huán)形孔板，重復進行流體的空化過程。在多級孔板之間，流體不斷地發(fā)生空化泡的產(chǎn)生和潰滅，流體間以及流體與環(huán)形孔板間發(fā)生強烈的碰撞、擠壓和剪切作用，形成劇烈的射流和壓力波。通過多級環(huán)形孔板作用可以多次發(fā)生空化現(xiàn)象，增加了流體的空化效果，提高了空化強度和空化效率。當流體因物理性質(zhì)原因較難在普通裝置中發(fā)生空化時，在此裝置中經(jīng)多級環(huán)形孔板處理，更易達到氣化壓力，發(fā)生空化。

流體經(jīng)最后一級環(huán)形孔板后，產(chǎn)生大量空化氣泡，在圓柱形腔體(3)中心處，空化流體匯聚碰撞，同時與空化增強模塊(6)碰撞，促進空化泡的潰。此外，流體流過空化增強模塊(6)的截面時，由于截面形式能夠發(fā)生流體邊界層脫離，也可產(chǎn)生尾流空化泡。因此，由于多級環(huán)形孔板和空化增強模塊(6)的共同作用，在圓柱形腔體(3)中心處形成了強烈的空化現(xiàn)象，流體在此處重復發(fā)生劇烈的氣泡發(fā)生、膨脹、潰滅過程，進一步增強了空化效果。

處理后的流體經(jīng)流體出口管(2)排出進入進入擴展段，隨著流道擴展，壓力逐漸恢復，空化泡隨之又一次發(fā)生潰滅，形成微射流和沖擊波，產(chǎn)生瞬間局部高溫和瞬間高壓。

在切向進口形式中，流體在圓柱形腔體(3)內(nèi)形成強烈旋流，壓力由外向內(nèi)降低，更有利于空化的發(fā)生。此外，旋轉(zhuǎn)的流體在與多級環(huán)形孔板作用時，能夠增強空化的剪切作用，提高空化效率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出的是，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。