一种多叶轮回转叶片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领域，特别是涉及一种多叶轮回转叶片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，而提供一种多叶轮回转叶片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：

一种多叶轮回转叶片式水力空化发生装置，包括：

箱体，用于容纳液体，其前侧底端设置液体进口，其后侧顶端设置液体出口，所述的液体进口和液体出口分别设置在箱体对角线的两端；

空化机构，包括，

转轴，安装于箱体内中心位置，通过外置电机驱动；

多个叶轮，均同轴安装于转轴上，均由多个叶片构成，所述叶片上均布有贯穿的通孔。

优选的，所述叶片的个数不少于三个。

优选的，所述通孔在叶片上均匀分布，排列形式为正三角形、转角正三角形、正方形或转角正方形。

优选的，所述通孔的两端设有扩孔结构。

优选的，所述叶片为平板状为曲面状。

优选的，扩孔角度为10°～50°。

优选的，相邻叶轮的旋转方向相反

优选的，所述液体进口与所述液体出口均为圆管，并且轴线平行。

优选的，所述转轴与液体进口和液体出口轴线平行。

优选的，所述箱体为空腔长方体结构，所述叶片高度为箱体高度的0.2-0.4，所述叶片宽度为箱体宽度的0.6-0.9。

优选的，所述箱体为空腔圆柱形，所述叶片宽度为圆柱体宽度的0.6-0.9，所述叶片高度为圆柱体直径的0.2-0.4。

另一方面，所述多叶轮回转叶片式水力空化发生装置的水力空化方法，包括以下步骤：

(1)液体从进口流入箱体；

(2)叶片与液体间相对运动，通孔对液体进行切割；

(3)液体高速通过通孔，流道截面积变小，水流速度增加，水流压力减小，压力降至水的饱和蒸汽压以下，发生空化形成空泡，继而空泡随着水流流出通孔重新回到液体主体，水压升高，空泡溃灭，伴随着空泡溃灭的瞬间形成冲击波和微射流，产生高温高压；

(4)液体从液体出口流出箱体。

优选的，所述步骤(2)中，液体流经通孔时，先经过入口处的扩孔，减少水流与孔板碰撞导致的能量损失，流出通孔时经过出口处的扩孔，空泡溃灭更加充分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设备结构简单，处理通量大，设备制造成本低廉，空化效率高，适用于工业化大规模应用。

2、由于具有较大的处理通量，应用本装置的水处理系统可以减少并联管路的安装，减少管路系统的规模和复杂度，减少占地面积，降低投入成本。

3、采用通孔节流和剪切多种方式诱发空化，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。

4、该水力空化发生装置可以通过控制流量和叶轮转速控制空化程度，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。

附图说明

图1所示为空化装置示意图。

图2所示为空化装置正视示意图。

图3所示为叶轮轮廓图。

图4所示为叶轮正视剖面图。

图5所示为叶轮侧视局部剖面图。

图6所示为通孔排列方式示意图。

其中：1-液体进口，2-箱体，3-叶轮，4-转轴，5-液体出口，6-通孔

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。

一种多叶轮回转叶片式水力空化发生装置，包括：

箱体2，用于容纳液体，其前侧底端设置液体进口1，其后侧顶端设置液体出口5，所述的液体进口1和液体出口5分别设置在箱体对角线的两端；

空化机构，包括，

转轴4，安装于箱体2内中心位置，通过外置电机驱动；

多个叶轮3，均同轴安装于转轴4上，均由多个叶片构成，所述叶片上均布有贯穿的通孔6。

转轴4与箱体2间密封，箱体2内充满待处理液体，叶轮3位于充满液体的箱体2内，，外置电机驱动转轴4和叶轮3共高速转动，转动的同时，液体从液体进口1流入装置，由叶轮3带动并随之一起转动流动。

叶片7与液体间存在相对运动，通过通孔6对液体进行切割。通孔6的两端设置扩孔结构，这样当叶片7与液体间相对高速运动时，液体高速通过通孔6，流道截面积变小，水流速度增加，水流压力减小，当压力降至水的饱和蒸汽压以下，发生空化形成空泡，继而空泡随着水流流出通孔6重新回到液体主体，水压升高，空泡溃灭，伴随着空泡溃灭的瞬间形成冲击波和微射流，产生高温高压。

当液体处理量较大时，可以通过增大箱体2的尺寸，增加叶轮3数量以提高设备的处理能力。箱体2内可以安装多个转轴4与叶轮3配合结构，不同叶轮可以同向转动，也可以反向转动，相邻叶轮的旋转方向应优先选用反向，以提高液体湍动强度，有利于增加空化强度。

最为优选方案，所述叶片的个数不少于三个，所述叶片为平板状为曲面状。在一定范围内，叶片设置越多，空化效果也就越好。液体在叶轮3的多个叶片7的反复切割下，不断通过通孔6，多次发生空化效应。

最为优选方案，若箱体为空腔长方体结构，所述叶片高度为箱体高度的0.2-0.4，所述叶片宽度为箱体宽度的0.6-0.9。若所述箱体为空腔圆柱形，所述叶片宽度为圆柱体宽度的0.6-0.9，所述叶片高度为圆柱体直径的0.2-0.4。在此区间范围内，水力空化效果最好。空腔圆柱形的箱体无死角，空化效果更加优良。

最为优选方案，所述通孔在叶片上均匀分布，排列形式为正三角形、转角正三角形、正方形或转角正方形，这些排布方式都可实现良好的空化。所述通孔的两端设有扩孔结构。扩孔角度为10°～50°。在通孔6的入口处因扩孔，减少了水流与孔板碰撞导致的能量损失；在孔的出口设置扩孔，使空泡溃灭更加充分，具有扩孔结构的空化板的空化效果更好，空化强度更高、空化效率也更高。

最为优选方案，所述液体进口1与所述液体出口5均为圆管，并且轴线平行，所述转轴4与液体进口1和液体出口5轴线平行。平行设置的方式，可使得液体较为通畅的流入或流出箱体2。

另一方面，所述多叶轮3回转叶片式水力空化发生装置的水力空化方法，包括以下步骤：

(1)液体从进口流入箱体2；

(2)叶片与液体间相对运动，通孔对液体进行切割；

(3)液体高速通过通孔，流道截面积变小，水流速度增加，水流压力减小，压力降至水的饱和蒸汽压以下，发生空化形成空泡，继而空泡随着水流流出通孔重新回到液体主体，水压升高，空泡溃灭，伴随着空泡溃灭的瞬间形成冲击波和微射流，产生高温高压；

(4)液体从液体出口5流出箱体2。

最为优选方案，所述步骤(2)中，液体流经通孔时，先经过入口处的扩孔，减少水流与孔板碰撞导致的能量损失，流出通孔时经过出口处的扩孔，空泡溃灭更加充分。

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。