無動(dòng)力微氣泡技術(shù)簡介及要點(diǎn)

夏少華

摘要：無動(dòng)力微氣泡水是巧妙地利用自來水自身的壓力和與噴口相適配的凹槽，使進(jìn)入凹槽內(nèi)的水流獲得較高的紊亂度，使氣、液相界面一側(cè)液膜厚度變小，傳質(zhì)系數(shù)增大，氣、液相界面總面積增大，從而提高溶氣效率。在無壓縮泵的情況下，通過提高溶氣效率和釋氣的充分性，可獲得微氣泡水，為人們提供體積小、成本低、無噪聲的微氣泡水裝置。

關(guān)鍵詞：微氣泡水；生活功能用水；氣浮凈水；無動(dòng)力；微氣泡技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ63 文章編號(hào)：1009-2374（2016）34-0102-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.050

該技術(shù)與加壓溶氣氣浮凈水技術(shù)原理一樣，不同之處在于系統(tǒng)組成、溶氣罐的結(jié)構(gòu)、釋氣器的結(jié)構(gòu)以及設(shè)備用途。該系統(tǒng)較傳統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備有設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)新穎、直接接自來水、無需用電、操作方便等特點(diǎn)。利用自來水自身的壓力和能量來實(shí)現(xiàn)微氣泡水。這種技術(shù)出水量不是很多，主要適合于家庭使用。

1 加壓溶氣氣浮凈水原理及設(shè)備

加壓溶氣氣浮凈水技術(shù)原理：在外加力的加壓條件下，使空氣溶于水，形成空氣過飽和狀態(tài)。然后減至常壓，使空氣盡可能的析出，以微小氣泡釋放于水中，此法形成氣泡小，約為20～100μm，處理效果好，應(yīng)用廣泛。設(shè)備主要由吸水過濾、水泵、氣水混合罐、空壓機(jī)、溶氣釋放器、微氣泡儲(chǔ)存池組成。水泵起抽水加壓作用；氣水混合罐，空氣溶解于水的過程就在該容器中發(fā)生；空壓機(jī)作用是不斷向氣水混合罐中補(bǔ)入空氣；溶氣釋放器經(jīng)過氣水混合罐的溶氣水中的空氣經(jīng)此裝置后會(huì)減壓釋放，空氣會(huì)以微小氣泡的形式在水中釋放出來；微氣泡儲(chǔ)存池，凈水過程就在這個(gè)階段發(fā)生，微小氣泡會(huì)粘合水中微小固體顆粒并使之上浮至水上層，最后通過刮渣設(shè)備將固體顆粒從水中去除。

1.1 溶氣罐的種類

1.1.1 傳統(tǒng)溶氣罐。如圖1左圖，傳統(tǒng)溶氣罐的主要結(jié)構(gòu)通常是上端一側(cè)連接一根進(jìn)水管，下端一側(cè)連接一根出水管，頂部連入一根進(jìn)氣管。

1.1.2 傳統(tǒng)溶氣罐的改進(jìn)。

第一，溶氣罐橫置。

第二，溶氣罐內(nèi)置填料。

第三，溶氣罐采用噴淋方式進(jìn)水。

第四，射流罐。

1.2 溶氣釋放器的種類

目前國內(nèi)常用的溶氣釋放器為TS型、TJ型及TV型溶氣釋放器。

2 無動(dòng)力技術(shù)原理及設(shè)備

前面說的為現(xiàn)在市場上工程設(shè)備的工藝流程，而我們制作的設(shè)備只有氣水混合罐與溶氣釋放器兩部分，是微氣泡技術(shù)最關(guān)鍵的組成部分。動(dòng)力有自來水自身提供，合理利用能源，降低能耗，但由自來水壓力有一定的要求，必須大于0.15MPA。圖2為系統(tǒng)組成圖：

1.氣水混合罐；2.進(jìn)水軟管；3.溶氣釋放器；

4.排水軟管；5.出水軟管；6.單向閥

自來水經(jīng)軟管2進(jìn)入，在溶氣罐1中空氣溶于水中，然后經(jīng)軟管5到溶氣釋放器3釋放出微小空氣泡。單向閥6與排水軟管4配合使用，使罐內(nèi)壓力與大氣壓一樣，利于排水完全。

2.1 溶氣過程發(fā)生在氣水混合罐中

氣水混合罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示：

1.上蓋；2.氣水混合罐罐體；3.密封墊片；

4.接頭；5.噴管；6.噴嘴

如圖3所示，水自進(jìn)水口經(jīng)噴管、噴頭噴入罐頂端凹槽內(nèi)，水自噴嘴噴出至從出水口流出這段時(shí)間內(nèi)空氣均有向水中傳遞，但溶氣過程主要是在凹槽內(nèi)發(fā)生，此過程為一相際傳質(zhì)過程。當(dāng)水的噴射速度越大，紊動(dòng)越劇烈，與氣體接觸越分散，傳質(zhì)過程就進(jìn)行得越快。在一定區(qū)間內(nèi)湍動(dòng)動(dòng)能越高，氣液兩相之間的摻混程度越劇烈，氣液兩相之間的接觸面積越大，越有利于氣相向液相的傳質(zhì)，氣體的溶解也就越快。

理論上講，溶于水中的空氣的量越多，則從系統(tǒng)后端的溶氣釋放器中釋放出的微氣泡越多。影響溶于水的空氣量的因素有以下兩個(gè)：

2.1.1 空氣在水中的溶解量。在氣體為難溶于水的氣體且溶氣壓力不很高的條件下，空氣在水中的溶解平衡可用亨利定律表示為：一定溫度下，稀溶液中揮發(fā)性溶質(zhì)與其蒸汽達(dá)到平衡時(shí)在氣相中的分壓與該組分在液相中的濃度成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

PB=kxXB

式中：PB為溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓；kx是比例常數(shù)，稱為亨利定律常數(shù)，單位為Pa；為溶質(zhì)B的摩爾分?jǐn)?shù)。所以由上式可知，溫度一定時(shí)，溶氣罐內(nèi)壓力值越大，則越大，XB越大。而溫度則與溶解度呈反相關(guān)關(guān)系。

2.1.2 溶氣效率。當(dāng)空氣在水中的溶解度一定時(shí)，水從溶氣罐經(jīng)過后空氣溶于水中的量越接近飽和溶解度，則溶氣罐的溶氣效率越高。

溶氣效率的公式為：

式中：為溶氣過程完成之后溶液中溶質(zhì)的量濃度；為在一定溫度下氣液兩相平衡時(shí)溶質(zhì)的量濃度；S為氣、液相界面總面積；K1為傳質(zhì)系數(shù)；t為溶氣時(shí)間。

從式中可以看出S、K1、t數(shù)值越大，效率越高。

溶氣過程是氣相傳入水中的兩相傳質(zhì)過程，包含氣相與界面對(duì)流傳質(zhì)、界面上溶質(zhì)組分的溶解、液相與界面的對(duì)流傳質(zhì)三個(gè)過程串聯(lián)而成。一般來說，上述第二步即界面上發(fā)生的溶解過程很易進(jìn)行，其阻力極小。因此通常都認(rèn)為界面上氣、液兩相的溶質(zhì)濃度滿足相平衡關(guān)系，即認(rèn)為界面上總保持著兩相的平衡，這樣總過程速率將由兩個(gè)單向即氣相與液相內(nèi)的傳質(zhì)速率所決定。

而對(duì)于難溶氣體，空氣為難溶于水的氣體，溶解度系數(shù)H值甚小，傳遞過程的總阻力主要受液膜阻力所控制，故液膜為主要控制過程。總傳質(zhì)系數(shù)約等于液相傳質(zhì)系數(shù)。而對(duì)流液相傳質(zhì)系數(shù)的無因次關(guān)聯(lián)式如下（以濃度差作為推動(dòng)力）：

式中：為流體密度，；為流體黏度，；為流體速度，；d為定性尺寸，m；D為擴(kuò)散系數(shù)，；

基于以上分析，罐內(nèi)的壓力越高、溶氣效率越高時(shí)，出水效果就會(huì)越好，所以：（1）盡量減小從自來水到氣水混合罐的壓損；（2）增加溶氣效率。這兩個(gè)措施主要是控制氣水混合罐中壓力P、圖4中噴嘴6的水流速度以及圖3中罐頂凹槽的形狀及尺寸。

在較低壓力（0.15～0.3MPa）下，噴嘴6處噴射速度越大（噴嘴6孔截面積越小），理論上凹槽內(nèi)水流越紊亂，溶氣效率越高，但由于噴嘴6孔截面減小會(huì)導(dǎo)致噴嘴6處壓損增大，從而導(dǎo)致氣水混合罐內(nèi)壓力較低，溶解度下降，所以噴嘴截面尺寸很重要，需要綜合考慮。罐頂凹槽形狀如圖3所示，為一圓柱形凹槽，凹槽的形狀及尺寸對(duì)溶氣效率影響較大。氣水混合罐中的噴嘴6的孔截面尺寸對(duì)系統(tǒng)出水流量影響不大。

2.2 微氣泡形成在溶氣釋放器內(nèi)部后端

溶氣釋放器主要有減壓片、一級(jí)減壓腔，二級(jí)減壓腔、微泡器組成。溶氣水經(jīng)過溶氣釋放器產(chǎn)生微小氣泡需要經(jīng)過兩個(gè)過程：（1）溶氣水從釋放器流過時(shí)，在釋放器內(nèi)部存在負(fù)壓區(qū)，溶氣水經(jīng)過負(fù)壓區(qū)，由于壓力降低，空氣會(huì)大量釋放，負(fù)壓區(qū)占體積比越大，釋放越完全；（2）氣泡變大的過程，這個(gè)過程時(shí)間長短決定氣泡的大小，時(shí)間越長，氣泡越大。

上面介紹的釋氣其實(shí)為空穴現(xiàn)象，水流流過釋放器時(shí)，會(huì)在釋放器內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)或低壓區(qū)，其占比例越大，釋氣越充足。孔大不利于負(fù)壓區(qū)的產(chǎn)生，另外孔大流量會(huì)大，但罐內(nèi)壓力減小，溶解度降低，溶氣不好；孔小系統(tǒng)內(nèi)的壓力提升，溶氣、釋氣能力都會(huì)增強(qiáng)，但系統(tǒng)出水量會(huì)相應(yīng)減少。Φ0.7mm×10這個(gè)值是在一定壓力下，平衡溶氣和出水量的值，不是定值。隨著自來水壓力的提高，孔徑是可以改變的。但有一點(diǎn)，多孔分布，釋氣效果好，出氣泡水效果好，單孔或少孔，釋氣效果差，出氣泡水效果差。由于出水壓力較低，單位體積內(nèi)水量太多釋氣不充分，出水效果不好。多孔分布使其單位體積內(nèi)水量分散，充分釋氣。

經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)，從凹槽尺寸為Φ8～Φ18mm，孔深7～30mm；罐內(nèi)噴口處孔截面尺寸為5～19mm2，釋放器限流片上孔截面尺寸為2～5mm2，大范圍的驗(yàn)證，得出出水孔必須是多孔分布，效果好，單孔或少孔效果差。所有的尺寸都為一個(gè)匹配問題，根據(jù)源頭自來水壓力不同來調(diào)整后面相關(guān)參數(shù)值，罐內(nèi)噴口尺寸，釋放器限流片尺寸，達(dá)到最節(jié)能，出水量最大，出水效果最好，都可根據(jù)自來水壓力調(diào)整出一個(gè)匹配值。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）