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CN105857511B - 微气泡发生器及基于扩压破碎技术的船舶微气泡发生装置 - Google Patents

微气泡发生器及基于扩压破碎技术的船舶微气泡发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微气泡发生器，包括气泡喷口、流体芯、外壳和端盖；所述的外壳或端盖上开设有进水口。流体芯呈中空梭形结构，且在横截面直径最大处环绕开设有排气孔；流体芯放置于气泡发生器外壳内；外壳一端由端盖密封，另一端为与外界相连的气泡喷口。基于扩压破碎技术的万吨级船舶微气泡发生装置，包括进水管、过滤装置、水泵、连接软管、微气泡发生器、进气管和鼓风机；进水管与水泵相连，且进水管上设有过滤装置；水泵通过连接软管与微气泡发生器的进水口相连；微气泡发生器的进气口通过进气管与鼓风机相连。本发明克服了现有气幕减阻技术中存在的难以同时满足气泡直径小和气量大以及制造成本高、制造困难的问题。

Description

微气泡发生器及基于扩压破碎技术的船舶微气泡发生装置
技术领域
本发明属于船舶气幕减阻领域，主要面向大型低速运输船，具体涉及一种微气泡发生器及基于扩压破碎技术的船舶微气泡发生装置。
背景技术
船舶运输是国际物流中最主要的运输方式，以货轮、油轮、集装箱船为代表的大型运输船承担了世界上超过90％的矿石、石油、货物等资源的流通工作，这类船舶航行速度低，兴波阻力很小，粘性阻力占总阻力的70％-80％，通过减小粘性阻力可以大大节省航运耗油。
船舶气幕减阻技术是用大量微米级气泡在船底形成一微气泡层，扰乱原边界层的流体特性。它在一定程度上将船体与水分离，利用空气和水的物性差异，能有效减小水与船壁的剪切应力。结合国内外的船舶模型试验数据，减阻率可达10％-30％，而附加设备功率往往只占船主机功率的1％-3％，有巨大的节能减排的潜力。
现有的气幕减阻研究多集中于船型设计、发生器布置等，而对气泡发生研究不多，大多采用多孔板吹气法产生气泡，这种方式加工较为方便，但使用烧结多孔板相邻微孔间喷出气泡相互影响聚合，产生的气泡直径较大；同时喷气阻力较大，鼓风机耗功增加，效果不理想，阻碍了气幕减阻技术的实际应用。其他相关技术及实际应用过程中的缺陷如下：化学反应法：成本高,容易造成水体的二次污染,不适合在自然水体中直接使用。电解法：产生微气泡耗能高,气泡产量小,不利于实际工业生产中推广应用。分散空气法：大功率高转速电机实现剪切搅拌,设备的制造要求较高,加工难度较大。
要有效考虑到船舶气幕减阻对气泡发生器的实际需求——所需气量大、气泡直径小和功耗低，才能设计出更好应用于船舶的装置，因此有必要对现有的装置进行改进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种微气泡发生器。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种微气泡发生器，包括气泡喷口、流体芯、外壳和端盖；所述的外壳或端盖上开设有进水口；所述的流体芯呈直径中间大、两端小的中空梭形结构，其本体上设有进气口，且在横截面直径最大处环绕开设有排气孔；流体芯放置于气泡发生器外壳内，使外壳内除流体芯之外的空间的横截面积由两端向中间逐渐缩小；所述的外壳一端由端盖密封，另一端为与外界相连的气泡喷口。
相对于目前较为常见的喉部设计多为集中式圆柱分布，如文丘里管。在同等流通面积下，集中式结构的润湿周长小，喷气孔的数量不能太多，布置也比较紧凑。通过这种结构向喉部喷出气泡时，各喷孔间也容易相互干扰，因此不适用于船舶需大量喷气的场合。本发明创新地采用环型喉部设计，同等面积下喉部截面润湿周长倍增，微孔布置更为分散，相邻微孔喷出的气泡发生干扰聚合的可能性更低，能设计更多数量和形式的微孔，满足船舶气幕减阻中气量大的实际需求。同时，相比于集中式喉部设计，该装置每个喷孔的出口区域更为狭窄，扰动更加剧烈，便于扩压段的二次撕碎。
现有技术中对船舶气幕减阻气泡发生器和气泡合格程度的关注非常少。这导致以下问题：一者，为了达到较合格的气泡，采用复杂难加工的设计结构，装置耗能多，喷气量受限严重且效果差。或者，退而求次，扩大喷气孔径，导致气泡直径不符合微气泡减阻的概念，所测试的结果于气幕减阻技术没有太多关联参考价值。
本发明实际考虑了以上矛盾，创新地应用了湍流中气泡破裂理论，通过压差剧烈变化的扩压段设计，使喉部流体的动能迅速转化为压力能，形成旺盛的湍流区。在湍流剧烈的情况下，气泡表面所受压力波动的影响超过了气泡表面张力的影响，气泡发生明显破裂，把喉部喷出的气泡再次打碎，以保证所产生的气泡直径符合气幕减阻原理要求。
作为优选，所述的流体芯和外壳同轴设置，外壳内除流体芯之外的空间沿流体芯的中心轴对称，使水流以及气泡的产生更为均匀
本发明的另一目的在于提供一种基于扩压破碎技术的万吨级船舶微气泡发生装置，包括进水管、过滤装置、水泵、连接软管、微气泡发生器、进气管和鼓风机；所述的进水管与水泵相连，且进水管上设有过滤装置；水泵通过连接软管与微气泡发生器的进水口相连；微气泡发生器的进气口通过进气管与鼓风机相连。过滤装置过滤掉海水中的杂质，避免堵塞水管或者流体芯环形喉部上的气孔。所用到的微气泡发生器，包括气泡喷口、流体芯、外壳和端盖；所述的外壳或端盖上开设有进水口；所述的流体芯呈直径中间大、两端小的中空梭形结构，其本体上设有进气口，且在横截面直径最大处环绕开设有排气孔；流体芯放置于气泡发生器外壳内，使外壳内除流体芯之外的空间的横截面积由两端向中间逐渐缩小；所述的外壳一端由端盖密封，另一端为与外界相连的气泡喷口。
作为优选，所述的连接软管有3条，且进水口有3个，呈等边三角形布置于端盖上，并通过四通接头与水泵相连，。
作为优选，所述的连接软管设有用于测量水流速度的第一电磁流量计。
作为优选，所述的进气管上设有用于测量气流速度的第二电磁流量计。
在进气管和进水管上均安装电磁流量计，用于测量气体流速和进水流速，便于控制流速达到最好的减阻效果。
本发明根据大型运输船只以粘性阻力为主，减阻所需气量大、直径小，安装功率小和设计加工尽可能简单等特点，结合气幕减阻、湍流气泡破碎等理论，针对国内外研究模型的优缺点，提出了不同于以往装置的环形喉部喷气区和二次破碎扩压区，能更好贴合航运的实际需求和特点。由此，克服了现有气幕减阻技术中存在的难以同时满足气泡直径小和气量大以及制造成本高、制造困难的问题。
附图说明
图1是气泡发生器剖面图；
图2是本发明的流体芯结构示意图；
图3是本发明的端盖结构示意图；
图4是本发明的气泡喷口结构示意图；
图5是船舶微气泡发生装置结构示意图；
图中：1-进水管，2-过滤装置，3-水泵，4-电磁流量计，5-四通接头，6-连接软管，7-气泡喷口，8-气泡发生器流体芯，9-气泡发生器外壳，10-端盖，11-进气管，12-电磁流量计，13-鼓风机
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1和2所示，一种微气泡发生器，包括气泡喷口7、流体芯8、外壳9和端盖10；所述的外壳9或端盖10上开设有进水口；所述的流体芯8呈直径中间大、两端小的中空梭形结构，其本体上设有进气口，且在横截面直径最大处环绕开设有排气孔。流体芯8放置于气泡发生器外壳9内，使外壳9内除流体芯8之外的空间的横截面积由两端向中间逐渐缩小；所述的外壳9一端由端盖10密封，另一端为与外界相连的气泡喷口7。流体芯8和外壳9同轴设置，外壳9内除流体芯8之外的空间沿流体芯8的中心轴对称。如图4所示，流体芯8末端可通过支架固定于外壳9上，但需留出水流通过的通道。
将上述微气泡发生器安装于轮船上，进一步设计了一种基于扩压破碎技术的万吨级船舶微气泡发生装置。如图5所示，装置包括进水管1、过滤装置2、水泵3、3条连接软管6、如前所述的微气泡发生器、进气管11和鼓风机13；所述的进水管1与水泵3相连，且进水管1上设有过滤装置2。如图3所示，水泵3通过3条连接软管6与微气泡发生器的3个进水口相连。进水口呈等边三角形布置于端盖10上。微气泡发生器的进气口通过进气管11与鼓风机13相连。连接软管6设有用于测量水流速度的第一电磁流量计4。进气管11上设有用于测量气流速度的第二电磁流量计12。
使用时，气泡发生器垂直放置于船底，端盖一侧朝上，底部恰好盖住船底的气泡喷口，使产生的微气泡能全部冒出并覆盖于船底。可调节水泵3通过进水管1吸入海水，过滤装置2过滤掉海水中的杂质，避免堵塞水管或者流体芯8环形喉部上的气孔。水泵3通过四通接头5和三根连接软管6将海水以一定速度泵入气泡发生器中。在水泵3工作的同时，鼓风机13通过进气管11将空气以一定速度鼓入流体芯8内部。电磁流量计4和电磁流量计12分别测量水速和气流速度，便于水泵3和鼓风机13的调节，使减阻效果达到最佳。
气泡发生器沿水流速度方向分为进水段，注气段，扩压段三个部分。当装置正常工作时，经水泵3加压的水流进入装置内部向前流动，随着横截面积的减小，水流速度逐渐增加，进入注气段。流体芯8的注气段部分开有气孔，经鼓风机13加压的空气，进入空心的流体芯8，通过芯壁上的气孔注入水中，形成一连串小气泡。扩压段流动截面逐渐增加，气水混合物流经该工作段时产生强烈的紊流，水中混杂的小气泡被剪碎，形成微气泡。微气泡通过船底的气泡喷口7冒出，随水流覆盖于船底，在船底形成气泡层，从而达到减阻效果。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种微气泡发生器，其特征在于，包括气泡喷口（7）、流体芯（8）、外壳（9）和端盖（10）；所述的外壳（9）或端盖（10）上开设有进水口；所述的流体芯（8）呈直径中间大、两端小的中空梭形结构，其本体上设有进气口，且在横截面直径最大处环绕开设有排气孔；流体芯（8）放置于气泡发生器外壳（9）内，使外壳（9）内除流体芯（8）之外的空间的横截面积由两端向中间逐渐缩小；所述的外壳（9）一端由端盖（10）密封，另一端为与外界相连的气泡喷口（7）。
2.如权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的流体芯（8）和外壳（9）同轴设置，外壳（9）内除流体芯（8）之外的空间沿流体芯（8）的中心轴对称。
3.一种基于扩压破碎技术的万吨级船舶微气泡发生装置，其特征在于，包括进水管（1）、过滤装置（2）、水泵（3）、连接软管（6）、如权利要求1所述的微气泡发生器、进气管（11）和鼓风机（13）；所述的进水管（1）与水泵（3）相连，且进水管（1）上设有过滤装置（2）；水泵（3）通过连接软管（6）与微气泡发生器的进水口相连；微气泡发生器的进气口通过进气管（11）与鼓风机（13）相连。
4.如权利要求3所述的基于扩压破碎技术的万吨级船舶微气泡发生装置，其特征在于，所述的连接软管（6）有3条，且进水口有3个，呈等边三角形布置于端盖（10）上，并通过四通接头（5）与水泵（3）相连。
5.如权利要求3所述的基于扩压破碎技术的万吨级船舶微气泡发生装置，其特征在于，所述的连接软管（6）设有用于测量水流速度的第一电磁流量计（4）。
6.如权利要求3所述的基于扩压破碎技术的万吨级船舶微气泡发生装置，其特征在于，所述的进气管（11）上设有用于测量气流速度的第二电磁流量计（12）。
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