夏少華

摘要：無動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。

關鍵詞：微氣泡水；生活功能用水；氣浮凈水；無動力；微氣泡技術(shù) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ63 文章編號：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)以及設備用途。該系統(tǒng)較傳統(tǒng)的技術(shù)設備有設備體積小、結(jié)構(gòu)新穎、直接接自來水、無需用電、操作方便等特點。利用自來水自身的壓力和能量來實現(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，應用廣泛。設備主要由吸水過濾、水泵、氣水混合罐、空壓機、溶氣釋放器、微氣泡儲存池組成。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；空壓機作用是不斷向氣水混合罐中補入空氣；溶氣釋放器經(jīng)過氣水混合罐的溶氣水中的空氣經(jīng)此裝置后會減壓釋放，空氣會以微小氣泡的形式在水中釋放出來；微氣泡儲存池，凈水過程就在這個階段發(fā)生，微小氣泡會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)連接一根進水管，下端一側(cè)連接一根出水管，頂部連入一根進氣管。

1.1.2 傳統(tǒng)溶氣罐的改進。

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 無動力技術(shù)原理及設備

前面說的為現(xiàn)在市場上工程設備的工藝流程，而我們制作的設備只有氣水混合罐與溶氣釋放器兩部分，是微氣泡技術(shù)最關鍵的組成部分。動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。當水的噴射速度越大，紊動越劇烈，與氣體接觸越分散，傳質(zhì)過程就進行得越快。在一定區(qū)間內(nèi)湍動動能越高，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：

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)與其蒸汽達到平衡時在氣相中的分壓與該組分在液相中的濃度成正比，其數(shù)學表達式為：

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的摩爾分數(shù)。所以由上式可知，溫度一定時，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關系。

2.1.2 溶氣效率。當空氣在水中的溶解度一定時，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，包含氣相與界面對流傳質(zhì)、界面上溶質(zhì)組分的溶解、液相與界面的對流傳質(zhì)三個過程串聯(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行，其阻力極小。因此通常都認為界面上氣、液兩相的溶質(zhì)濃度滿足相平衡關系，即認為界面上總保持著兩相的平衡，這樣總過程速率將由兩個單向即氣相與液相內(nèi)的傳質(zhì)速率所決定。

而對于難溶氣體，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?？倐髻|(zhì)系數(shù)約等于液相傳質(zhì)系數(shù)。而對流液相傳質(zhì)系數(shù)的無因次關聯(lián)式如下（以濃度差作為推動力）：

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，出水效果就會越好，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孔截面減小會導致噴嘴6處壓損增大，從而導致氣水混合罐內(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、一級減壓腔，二級減壓腔、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)過兩個過程：（1）溶氣水從釋放器流過時，在釋放器內(nèi)部存在負壓區(qū)，溶氣水經(jīng)過負壓區(qū)，由于壓力降低，空氣會大量釋放，負壓區(qū)占體積比越大，釋放越完全；（2）氣泡變大的過程，這個過程時間長短決定氣泡的大小，時間越長，氣泡越大。

上面介紹的釋氣其實為空穴現(xiàn)象，水流流過釋放器時，會在釋放器內(nèi)產(chǎn)生負壓區(qū)或低壓區(qū)，其占比例越大，釋氣越充足?？状蟛焕谪搲簠^(qū)的產(chǎn)生，另外孔大流量會大，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、釋氣能力都會增強，但系統(tǒng)出水量會相應減少。Φ0.7mm×10這個值是在一定壓力下，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，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)過一系列實驗，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匹配問題，根據(jù)源頭自來水壓力不同來調(diào)整后面相關參數(shù)值，罐內(nèi)噴口尺寸，釋放器限流片尺寸，達到最節(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)整出一個匹配值。

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（責任編輯：蔣建華）