基于射流的微气泡产生方法及射流微气泡曝气器技术

本发明专利技术涉及一种基于射流的微气泡产生方法及射流微气泡曝气器，该曝气器包括进水管、进气管、吸气室、喉管段、扩压管段；其中，进水管连接一喷嘴，喷嘴伸入至吸气室内，进气管也连接至吸气室；吸气室为封闭腔室，其包括一出口，出口连接至喉管段，喉管段连接扩压管段，并最终通向外部曝气装置内；由于曝气器在使用时，喷嘴位置和/或喉管段内的流场剪切速率大于大气泡破碎的临界剪切速率，能够确定射流微气泡曝气器几何外形。该种微气泡曝气器结构简单、成本低、不易堵塞、维修方便；通过该射流微气泡方法可以连续产生大量微小气泡，提高了氧利用率，降低污了水处理的能耗和成本。

Micro bubble generation based on jet and jet microbubble aerator

The invention relates to a micro bubble based on generating method and micro bubble jet aerator, the aerator comprises a water inlet pipe, an air inlet pipe, a suction chamber and the throat and diffuser pipe; the water inlet pipe is connected with a nozzle, the nozzle extends into the suction chamber, the intake pipe is connected to the suction chamber; a suction chamber it includes a closed chamber, export, export is connected to the throat, throat section connecting the diffuser pipe section, and eventually leads to the external aeration device; the aeration device is in use, the position of the nozzle and / or throat within the flow shear rate is greater than the critical shear rate of large bubbles, to determine the micro bubble jet aerator geometry. The microbubble aerator has the advantages of simple structure, low cost, no easy plugging and convenient maintenance. By means of the jet micro bubble method, a large number of micro bubbles can be continuously generated, which improves the oxygen utilization rate and reduces the energy consumption and cost of polluted water treatment.

【技术实现步骤摘要】
基于射流的微气泡产生方法及射流微气泡曝气器
本专利技术涉及在液体(水体)中产生微小气泡方法和技术，应用曝气工艺技术等领域，特别是污水处理领域和化工领域，具体涉及到一种射流微气泡产生方法及射流微气泡曝气器。
技术介绍
气相和液相的相互接触是污水处理过程、浮选以及化学反应过程中的一个十分常见并重要的操作，也是气液两相传质的基本过程。通常情况下，通过将气相以气泡的形式分散到液相中进行。在化学反应过程以及污水处理过程中，气相与液相充分接触程度(接触面积，气泡表面积)往往决定了反应的快慢与优劣。因此如何将将气体(气相)充分地溶解到水(液相)中，以提高溶解或者传质效率就显得尤为重要。以污水处理中曝气过程为例，我们知道，空气(或纯氧)在水中的溶解度很小：在常温下(20℃)，净水中的氧气饱和浓度仅为9.08mg/L。因此，如何向水中充氧并提高氧的利用率，是曝气技术中的关键问题之一。从理论上讲，如果曝气器产生的气泡半径从1毫米降至0.1毫米，单个小气泡的体积减小到原气泡体积的千分之一，也就是一个半径1毫米的气泡会产生1000个半径0.1毫米的小气泡。但1000个半径0.1毫米的小气泡其总表面积比单个1毫米的气泡要增加10倍。总的传质表面积增大为原来的10倍。可以大幅提高氧的传输效率，提高反应效率。另一方面，气泡的体积减小，曲率半径减小，可以增大气液表面张力、减缓气泡上升速度，有利于气泡的悬浮以及防止气泡之间的聚并。由于气泡上升速度减缓，气泡在水体中的停留时间增加，延长了气泡向水体传输氧的时间，进而提高氧的利用率。目前主要采用的曝气方法(鼓风曝气、机械曝气、机械鼓风混合曝气和传统的射流曝气)所产生的气泡较大，而且气泡容易聚并成大气泡，气泡在液体中上升较快，其在液体中的滞留时间较短，不利于氧在水(溶液)中的传质，进而影响整体系统的反应效率。因此，如何能大量产生微气泡是关键问题和技术。在微气泡生成技术方面，目前国内外主要采用加压释放和微孔曝气，具有成本高和能耗大等缺点。对于微孔曝气而言，虽然采用新型材料相对提高了使用寿命，但仍然存在成本高、易堵塞、维修麻烦和使用寿命偏低的缺点。此外，即使是目前使用较多的微孔曝气方法，其气泡半径大都不小于1毫米，而且曝气量有限，仍然无法满足实际工程技术需要。因此，工程上迫切希望一项新技术能快速大量产生微小气泡。本专利技术将射流曝气结构简单、成本低、维修方便、曝气量大的优点和微气泡的优势结合起来，通过射流快速稳定的生成大量微气泡，大幅度提高氧气的传输效率和氧利用率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服传统曝气器气产生的气泡体积较大、混合均匀性差、氧利用率低等不足，提供一种基于射流的微气泡产生方法和利用该方法的射流微气泡曝气器，该基于射流的微气泡曝气器结构简单、成本低、不易堵塞、维修方便；通过该射流微气泡方法可以连续产生大量微小气泡，提高了氧利用率，降低污了水处理的能耗和成本。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：提供一种射流微气泡曝气器，曝气器包括进水管、进气管、吸气室、喉管段、扩压管段；其中，所述进水管连接一喷嘴，所述喷嘴伸入至吸气室内，所述进气管也连接至吸气室；所述吸气室为封闭腔室，其包括一出口，出口连接至喉管段，所述喉管段连接扩压管段，并最终通向外部曝气设备内。所述进水管上连接有水泵。在所述进气管上连接有压力调试器，所述喉管段的内径不大于3倍的喷嘴直径，使所述喷嘴位置和/或喉管段内的流场剪切速率大于大气泡破碎的临界剪切速率。基于上述曝气器，本专利技术还提供一种基于射流的微气泡产生方法，该方法具体包括以下步骤：步骤1、根据曝气器使用环境下液体和气体的粘性系数，确定液体中气泡的临界毛细管数；步骤2、根据曝气器的使用条件，确定液体的体积流量，并根据混合要求，确定气液体积流量比；步骤3、在曝气器使用时，要求喷嘴位置和/或喉管段内的流场剪切速率大于大气泡破碎的临界剪切速率，由此初步确定射流微气泡曝气器几何外形；步骤4、射流微气泡曝气器数值仿真计算与几何构型优化。进一步的，其中，所述步骤1具体为：根据射流微气泡曝气器的使用环境及工况，确定液体和气体的粘性系数，确定气液粘性系统比p；在初步确定流动过程中气泡的雷诺数Reb，根据气液粘性系统比p和气泡的雷诺数Reb确定出气泡的临界毛细管数Cacr。进一步的，所述步骤3具体为：根据步骤1中所确定的临界毛细管数Cacr和设定的微气泡直径db，初步计算出该条件下流场所需要的剪切速率γ；再根据初步计算出射流曝气器的喉管段直径dt，其中，u为流体速度，r为径向距离，为湍流脉动引起的剪切，从而根据射流曝气器的基本性能方程，确定出射流曝气器各部分的几何尺寸。近一步的，所述射流曝气器各部分的几何尺寸具体为：进水管直径其中Ql为液体流量，ul1为液体设计流速；喷嘴直径其中φ为喷嘴流速系数，Pl为液体流量，ρ为流体密度；进水管喷嘴收缩长度Ln＝an(dl-dn)，其中an为喷嘴收缩长度系数；进气管直径其中q为气液流量比，ug2为气体设计流速；吸气室直径ds＝adsdl，其中ads为吸气室直径系数；喉嘴距，即喷嘴与喉管的距离Lnt＝antdn，其中ant为喉嘴距长度系数；喉管直径dt＝atdn，其中at为喉管直径系数；喉管长度Lt＝atdn，其中at为喉管长度系数；扩压段出口直径dd＝adddl，其中add为扩压段出口直径系数；扩压段长度Ld＝ad(dd-dt)，其中ad为扩压段长度系数。作为一种优选，所述步骤4具体为：将所述步骤3中确定的曝气器几何尺寸，建立曝气器数值模型并进行数值模拟；将射流流场中的剪切速率与临界毛细管数进行对比分析对，对射流剪切速率不理想的区域的几何尺寸进行改进，将所述喉管段内径调小，从而达到对射流微气泡曝气器的构型进行优化的目的，给出流场剪切速率更好的射流微气泡曝气器几何尺寸。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术的射流微气泡曝气器，通过几何结构构造了一种较大剪切速率γ的剪切流动，从而使气液混合液中的大气泡通过剪切作用，破碎成大量的微小气泡，最终形成大量分布均匀的微小气泡，使得在相同曝气量的条件下，增大了气液两相的总体接触面积，延长了气泡在液体中的悬浮时间，提高了溶氧速率和反应效率。因此采用本专利技术射流微气泡产生方法可以减小气泡直径，增大气液总接触面积，延长气泡悬浮时间，从而改善整个曝气系统的反应效率、降低能耗和运行费用。附图说明以下将结合附图对本专利技术作进一步说明：图1为专利技术的射流微气泡曝气器结构主视图；图2为专利技术的射流微气泡曝气器结构俯视图；图3为专利技术的射流微气泡曝气器中气泡受力示意图；图4为剪切流场作用下，气泡被拉伸、破碎示意图；图5为粘性比与临界毛细管数关系曲线图；图6为雷诺数与临界毛细管数关系曲线图；图7为专利技术的射流微气泡曝气器产生的微气泡PIV测量结果图；图8为专利技术的射流微气泡曝气器产生的微气泡直径分布图；图中标记名称：1、进水管，2、压力流量适调器，3、进气管，4、吸气室，5、喉管段，6、扩压管段，；Qg、气体体积流量，Ql、液体体积流量；dl、进水管直径，dn、喷嘴直径，dg、进气管直径，ds吸气室直径，dt、喉管段直径，dd、扩压段出口直径；Ln、进水管喷嘴收缩长度，Lnt、喷嘴与喉管的距离(喉嘴距)，Lt、喉管段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种射流微气泡曝气器，其特征在于，该曝气器包括进水管、进气管、吸气室、喉管段、扩压管段；其中，所述进水管连接一喷嘴，所述喷嘴伸入至吸气室内，所述进气管也连接至吸气室；所述吸气室为封闭腔室，其包括一出口，出口连接至喉管段，所述喉管段连接扩压管段，并最终通向外部曝气设备内。

【技术特征摘要】
1.一种射流微气泡曝气器，其特征在于，该曝气器包括进水管、进气管、吸气室、喉管段、扩压管段；其中，所述进水管连接一喷嘴，所述喷嘴伸入至吸气室内，所述进气管也连接至吸气室；所述吸气室为封闭腔室，其包括一出口，出口连接至喉管段，所述喉管段连接扩压管段，并最终通向外部曝气设备内。2.根据权利要求1所述的一种射流微气泡曝气器，其特征在于，所述进水管上连接有水泵。3.根据权利要求1所述的一种射流微气泡曝气器，其特征在于，在所述进气管上连接有压力调试器，所述喉管段的内径不大于3倍的喷嘴直径，使所述喷嘴位置和/或喉管段内的流场剪切速率大于大气泡破碎的临界剪切速率。4.一种基于射流的微气泡产生方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤1、根据曝气器使用环境下液体和气体的粘性系数，确定液体中气泡的临界毛细管数；步骤2、根据曝气器的使用条件，确定液体的体积流量，并根据混合要求，确定气液体积流量比；步骤3、在曝气器使用时，要求喷嘴位置和/或喉管段内的流场剪切速率大于大气泡破碎的临界剪切速率，由此初步确定射流微气泡曝气器几何外形；步骤4、射流微气泡曝气器数值仿真计算与几何构型优化。5.根据权利要求4所述的一种基于射流的微气泡产生方法，其特征在于，其中，所述步骤1具体为：根据射流微气泡曝气器的使用环境及工况，确定液体和气体的粘性系数，确定气液粘性系统比p；在初步确定流动过程中气泡的雷诺数Reb，根据气液粘性系统比p和气泡的雷诺数Reb确定出气泡的临界毛细管数Cacr。6.根据权利要求4所述的一种基于射流的微气泡产生方法，其特征在于，其中，所述步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建红，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32