一种气泡切割装置

技术领域

本发明涉及一种气泡切割装置。

背景技术

根据传统气液传质双膜理论，在气液界面处存在着气膜和液膜，该双膜层结构是气体溶解到液体过程中阻力最大的部分，在气泡中，气体与气泡壁的液体之间也存在类似的双膜结构，因此，只要是形态稳定的气泡，无论是在液面上还是液面下，其内部的气体向周围液体溶解的过程必定是缓慢而微弱的。

为了对在液体中上浮的稳定气泡的壁膜的双膜结构进行物理破坏，可以对气泡进行切割，如中国专利CN206901853U《一种分层曝气装置》所公开的，通过设置多层“细纱格网，能将气泡切割的更多更细小”：气泡被切割后，破裂成更多小气泡，即单位体积的气体与液体之间的总接触面积增加了，可以适当提高溶解量；更重要的是：双膜结构一旦被破坏，气液之间的交融会更剧烈，溶解速度大大加快，直到再次形成稳定的、双膜结构完整的气泡为止；因此，为了提高溶解效率，需要对气泡进行不断的切割。

上述专利的技术方案中，虽然提到了对气泡“多层”切割的概念，但实际上它们是一层曝气装置上面加一层细纱格网(参见附图7)，所以不能算是真正意义上的多层切割，尤其是对上层来说，切割的效果可能并不完全和理想。

此外，“细纱格网”适用于实验室或纯度较高的液体中的气体溶解；在工程应用的实际复杂环境中，可能存在一个致命缺陷，就是极易被杂物堵塞，而且堵塞之后还难以清理去除。

发明内容

针对现有技术里，细纱格网层数不足，对气泡的切割不充分，以及实际工程应用中易堵难清的缺陷，我们提供了一种密集多层气泡切割装置，它同时还可以具备防堵及易清理的功能，本发明是这样实现的：

所述的气泡切割装置：包含设置于基板或基架2上的多层气泡切割器1，它们整体设置于任何一种气泡发生装置的气泡出口3的上方；所述的气泡切割器可以是各种材质网格的经纬线，也可以是平行设置的单丝、刃口向下的刀片或其他薄片；每层所述切割器之间的层间距为切割器网格间距或丝间距的1-3倍；它们还可以错层设置，以提高切割效率；气泡发生装置发出的气泡，在上浮过程中，不断被所述的气泡切割器多次劈切，破裂成更多更小的不稳定气泡，提高溶解效率。

本发明还可以这样实现，所述的气泡切割装置，包含至少一块所述的基板2，所述的气泡切割器是平行设置的弹性单丝1，它们一端固定于所述的基板上，另一端悬空，因此，它们需要具备一定的刚度；在它们的外围设置有导流套管22，在它们的下方还设有冲刷气口33；当包含有多块所述基板时，它们可以成对设置，也可以共用一个导流套管；挂附了杂物的单丝，在气液流的冲刷下，会向上弯曲，冲刷气口和导流套管的设置可以增加气液流的流速和流量，进而增加对单丝的冲刷力度，最终将杂物冲刷掉。

本发明还可以这样实现，所述的冲刷气口33可以设置于气泡发生装置的气泡出口3的下方，它们可以共用同一根进气管，正常工作时，压力较低，只有气泡发生装置产生气泡，冲刷气孔被液体封闭；当需要冲刷时，增加进气压力，气体可以克服液位压力差，同时从下方出气孔更大的冲刷气口大量排出；所述的冲刷气口33上还可以设置一层弹性材料膜，膜上切割有气孔，该气孔在平时状态下因材料的弹性而自然封闭，只有在一定压力下，才会被气体冲开。

本发明还可以这样实现，所述的弹性单丝1可以向上倾斜设置，其与水平线的夹角α不超过60度；使杂物的挂附难度增加，即使挂上了，在气泡发生装置正常工作气液流的冲刷下，弹性单丝再向上小幅弯曲，杂物就会被冲刷掉；此时，冲刷气口33也可以取消，使结构和操控都更加简单。

本发明还可以这样实现，所述的气泡切割器的单丝线径或片厚不超过1.5mm，丝间距或网格间距为4-10mm，层数为3层以上，层间距4-30mm。

本发明还可以这样实现，所述的气泡切割器弹性单丝1的直径为0.1-0.3mm。

本发明还可以这样实现，由多个所述的气泡切割装置沿竖直方向叠加设置，每段导流套管之间要留有间隙，以利于液体的补充；所述的导流套管的下端外缘还可以设置导流罩或导流挡板21防止气泡外逸。

本发明还可以这样实现，在所述的导流套管22的上缘出口处，向内设置导流挡板21，可以将管内的液体向对面管外导出，液体可以从该导流挡板上方补入，气泡在越过该导流挡板末端之后会继续上浮，基本不受影响；同时，上面一层的管段下缘也有向外设置导流挡板21，可以完全防止气泡外逸；各管段既可以上下竖直对正排列，也可以按导流挡板的流向错层排列。

本技术方案，不仅实现了对气泡的多层切割，大幅提高了气体的溶解效率，其典型实施例的实测增氧动力效率可达32.379kg/kwh，远高于当前行业先进水平的近5kg/kwh。而且，其独有的防堵塞设计及其清理技术，大大拓展了本装置的适用范围，提升了实用性。

附图说明：

图1气泡切割装置侧视示意图

图2一端固定的弹性单丝实施例俯视示意图

图3气泡切割器错位设置的示意图

图4弹性单丝向上倾斜设置的示意图

图5背对背组合及多层叠加示意图

图6错层叠加及导流挡板设置示意图

图7对比文件《一种分层曝气装置》的附图

图中：

1-气泡切割器； 2-固定基板或基架； 21-导流罩或导流挡板；

22-导流套管； 3-气泡发生装置的气泡出口； 33冲刷气口。

具体实施方式：

下面结合说明书附图，对本发明的具体实施方式做详细说明：

如附图1所示，包含设置于基板或基架2上的多层气泡切割器1，它们整体设置于任何一种气泡发生装置的气泡出口3的上方；所述的气泡切割器可以是各种材质网格的经纬线，也可以是平行设置的单丝、刃口向下的刀片或其他薄片；每层所述切割器之间的层间距为切割器网格间距或丝间距的1-3倍；它们还可以错层设置，以提高切割效率；气泡发生装置发出的气泡，在上浮过程中，不断被所述的气泡切割器多次劈切，破裂成更多更小的不稳定气泡，提高溶解效率。

所述的气泡切割器1，最常见的是各种材质的网格，如附图7所示，对比文件《一种分层曝气装置》就是采用了“细纱格网”，但他们每层的网格相距甚远，中间还设置了曝气头等部件，而本技术方案的网格等是密集设置的，层间距与丝间距(或格间距)大致相当，最多不超过3倍，就切割效果而言更理想。

每层所述的气泡切割器可以错位设置(参见附图2)，即相邻两层的切割器1，可以不是完全对齐的，它们可以偏离一定的距离，典型值可以偏离丝(或网格)间距的一半左右，这样如果有小气泡从下层的网格或丝线的中间穿过，则会正好被本层的网格或丝线从中间切割。

本技术方案所述之气泡切割装置，可以设置在任何形式的气泡发生装置的气泡出口上方，包括但不限于曝气管、曝气头、气提泵、射流增氧机、液气能增氧机等。

切割器是网格的话，可以先绷紧在圆形或方形或矩形或其他任意形状的框上，再架设于支架2上；如果是单丝，其端头可以固定在基板2上。本技术方案中未述及的各个部件之间以及与整套设备之间，都可以通过支架等连接件将各部分固定于液体环境中的相应位置；也可以通过浮箱等浮体使整套设备悬浮于液体表层指定深度的位置，还可以加上能驱动整套装置在液体环境中移动的动力机构等，诸如此类的各种常规固定、连接、浮动、牵引、移动、锚定等等方式，只要是本行业技术人员的惯常设置，未改变本装置主体技术方案的基本原理和设计思路，都应属于本技术方案的保护范围，故不作更多限制，也不再赘述。

虽然从实验效果来看，用网格切割气泡的效率是最高的，然而在实际工程应用中，网格却有着致命的缺陷——极易被杂物堵塞，特别是被头发丝等纤维状的杂物挂附、缠绕而难以去除。

如果它们采用平行设置的单丝，其切割气泡的能力虽然比网格略差，但被杂物挂附的几率会减少一半以上(在丝间距相同的情况下)，使用刀片(刃口向下)或其他薄片的情况与单丝类似；

为了彻底解决堵塞问题，我们将单丝设计成半固定的：所述的气泡切割装置，包含至少一块所述的基板2，所述的气泡切割器是平行设置的弹性单丝1，它们一端固定于所述的基板上，另一端悬空，因此，它们需要具备一定的刚度；在它们的外围设置有导流套管22，在它们的下方还设有冲刷气口33；当包含有多块所述基板时，它们可以成对设置，也可以共用一个导流套管；挂附了杂物的单丝，在气液流的冲刷下，会向上弯曲，冲刷气口和导流套管的设置可以增加气液流的流速和流量，进而增加对单丝的冲刷力度，最终将杂物冲刷掉。

其工作原理是：多层平行单丝层层密集分布，气泡在从下至上穿行上浮的过程中必然被这些单丝层层切割。在工程环境中，液体中夹带的头发丝等纤维状杂物，会挂附在这些单丝上。单丝是一端悬空的，又有弹性，挂附了杂物的单丝在气液流的冲刷下，会向上弯曲并且越到末端弯曲的幅度越大。处于单丝末端的杂物会因难以挂附而被直接冲走；不在末端的，最终也会逐渐被冲向末端；摆脱杂物后的单丝回弹复位。有时候杂物挂附较牢或者逐渐积累较多时，可以开启所述的冲刷气口，释放出大量气体，加上导流套管的约束作用，气液流上冲的流速更快，冲刷力度更强，单丝上翘的幅度也更大，冲刷效果更好。

所述的冲刷气口33可以设置于气泡发生装置的气泡出口3的下方，它们可以共用同一根进气管(参见附图1)，正常工作时，压力较低，只有气泡发生装置产生气泡，冲刷气孔被液体封闭；当需要冲刷时，增加进气压力，气体可以克服液位压力差，同时从下方出气孔更大的冲刷气口大量排出；所述的冲刷气口33上还可以设置一层弹性材料膜，膜上切割有气孔，该气孔在平时状态下因材料的弹性而自然封闭，只有在一定压力下，才会被气体冲开。

所述的弹性单丝，首先要求其具有一定的弹性，另外由于它工作时只能一端固定，所以还必须具备一定的刚度，目前最优选的材料是弹簧钢直条硬钢丝，它最细可以做到0.1mm，还具有良好的弹性和刚度；当然选用其他材料例如各种金属丝、塑料或各种高分子材料、陶瓷材料等等，只要能满足一定的弹性和刚度要求，也能完成本技术方案的主要功能，都应属于本技术方案的保护范围，故不做过多限制。

因为所述单丝有弹性和刚度的双重要求，从现实材料来看，其工作长度会受到一定限制，一般不会太长，因此在实际应用中可以将它们成对设置(参见附图3的上下相对设置、附图4的左右相对设置，以及附图5的背对背设置等)，如果旁边再设置两块竖直挡板(附图3的竖直虚线部分)就构成了一个方形导流套管22；如果将基板2设置的更宽，构成的就会是一个矩形，甚至是一个长条形(长度不限)；同时，两边的竖直挡板也可以作为基板2在上面设置气泡切割器。此外，还可以采用圆形的导流套管22(参见附图3中圆形虚线部分，而竖直虚线部分的左右挡板可以取消)。

进一步的，如附图4所示，所述的弹性单丝1可以向上倾斜设置，其与水平线的夹角α不超过60度；使杂物的挂附难度增加，即使挂上了，在气泡发生装置正常工作气液流的冲刷下，弹性单丝再向上小幅弯曲，杂物就会被冲刷掉；此时，冲刷气口33也可以取消，使结构和操控都更加简单。

上述各实施例中，所述的气泡切割器的单丝线径或片厚不超过1.5mm，丝间距或网格间距为4-10mm，层数为3层以上，层间距4-30mm。

显然，只要能满足工程上对刚度与弹性的要求，单丝或网格线的线径越小切割效果越好。进一步优选，所述的气泡切割器弹性单丝1的直径为0.1-0.3mm。典型实施例使用的线径是0.15mm。

丝间距或网格间距不能太大，不然大部分小气泡受到切割的几率会降低；也不能太小，太小了气泡不容易通过，产生气阻，因上升速度降低，气泡更容易融合成为大气泡，影响切割效率。

典型实施例实验数据实测及计算如下：

钢丝直径0.15毫米，工作长度90毫米，上下左右间距均为5毫米，无错位，单头固定于90*90毫米方管内，管段高度400毫米，数量1根；

实验气体为空气，流量0.209162立方/小时，实验液体为水，容积为12.401立方；进气管输入的带压气体压力15为60.5厘米水柱；

气体流量计读数：V

进气管压力：P

＝ρgh+P

＝5929+101325＝107254kg/ms

气体功率：N＝P

＝107254kg/ms

＝6.231517×ln1.058514kgm

实验水温：T＝28.8℃

水体容积：V＝12.401m

查得实验温度饱和溶氧值：C

查得20℃时饱和溶氧值：C

实测溶氧初始值C

实验用时t

氧转移系数：K

＝ln[(7.716-0.56)/(7.716-0.805)]÷15×60/h

＝0.139344459/h

20℃时氧转移系数：K

＝0.139344459÷1.23208201＝0.11309674/h

增氧能力：Q

＝0.11309674/h×12.401m

＝12.74884g/h

动力效率理想状态：E

风机效率：η＝90％磁悬浮风机，水头及管路损失忽略：k≈0

实际动力效率：E

所述的气泡切割装置还可以多层叠加：由多个所述的气泡切割装置沿竖直方向叠加设置，每段导流套管之间要留有间隙，以利于液体的补充；所述的导流套管的下端外缘还可以设置导流罩或导流挡板21防止气泡外逸。

所述的管段之间的间隙决定了液体的补充量，如果间隙较小，补充的量不足，液体主要是从底部进入的，经过层层溶解之后，液体中的溶气量逐层增加，越到上面越高，气体继续溶解的难度会加大，溶解效率会有所降低，一般应尽量避免，但有个应用特例——在污水处理过程中，局部的高溶氧(DO)水可以引发短程硝化反硝化反应，对去除污水中的氮有着出乎意料的特别效果。

如果在每层管段之间，加大间隙，气液流在上升过程中因气提效应可以从周边吸入更多的新鲜液体，对总体溶解效率的提升都是很有帮助的。

更进一步，在所述的导流套管22的上缘出口处，向内设置导流挡板21，可以将管内的液体向对面管外导出，液体可以从该导流挡板上方补入，气泡在越过该导流挡板末端之后会继续上浮，基本不受影响；同时，上面一层的管段下缘也有向外设置导流挡板21，可以完全防止气泡外逸；各管段既可以上下竖直对正排列，也可以按导流挡板的流向错层排列。

参见附图6，导流挡板可以多块组合设置，其作用，一是导流，让管内溶解了气体的液体向外扩散，并补充新鲜液体进入上层导流套管；二是防止气泡向外散逸。其形式不胜枚举，不再赘述。

本文中所述的上下左右前后内外等方位，只是为了方便参照说明书附图对技术方案实施细节进行描述和说明，而不应作为对本技术方案的限制。

以上所述的是本发明的几种实施方式，篇幅所限，各实施方式之间的合理排列组合就不一一列举，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干组合、变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。