无动力微气泡技术简介及要点

夏少华

摘要：无动力微气泡水是巧妙地利用自来水自身的压力和与喷口相适配的凹槽，使进入凹槽内的水流获得较高的紊乱度，使气、液相界面一侧液膜厚度变小，传质系数增大，气、液相界面总面积增大，从而提高溶气效率。在无压缩泵的情况下，通过提高溶气效率和释气的充分性，可获得微气泡水，为人们提供体积小、成本低、无噪声的微气泡水装置。

关键词：微气泡水；生活功能用水；气浮净水；无动力；微气泡技术 文献标识码：A

中图分类号：TQ63 文章编号：1009-2374（2016）34-0102-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.050

该技术与加压溶气气浮净水技术原理一样，不同之处在于系统组成、溶气罐的结构、释气器的结构以及设备用途。该系统较传统的技术设备有设备体积小、结构新颖、直接接自来水、无需用电、操作方便等特点。利用自来水自身的压力和能量来实现微气泡水。这种技术出水量不是很多，主要适合于家庭使用。

1 加压溶气气浮净水原理及设备

加压溶气气浮净水技术原理：在外加力的加压条件下，使空气溶于水，形成空气过饱和状态。然后减至常压，使空气尽可能的析出，以微小气泡释放于水中，此法形成气泡小，约为20～100μm，处理效果好，应用广泛。设备主要由吸水过滤、水泵、气水混合罐、空压机、溶气释放器、微气泡储存池组成。水泵起抽水加压作用；气水混合罐，空气溶解于水的过程就在该容器中发生；空压机作用是不断向气水混合罐中补入空气；溶气释放器经过气水混合罐的溶气水中的空气经此装置后会减压释放，空气会以微小气泡的形式在水中释放出来；微气泡储存池，净水过程就在这个阶段发生，微小气泡会粘合水中微小固体颗粒并使之上浮至水上层，最后通过刮渣设备将固体颗粒从水中去除。

1.1 溶气罐的种类

1.1.1 传统溶气罐。如图1左图，传统溶气罐的主要结构通常是上端一侧连接一根进水管，下端一侧连接一根出水管，顶部连入一根进气管。

1.1.2 传统溶气罐的改进。

第一，溶气罐横置。

第二，溶气罐内置填料。

第三，溶气罐采用喷淋方式进水。

第四，射流罐。

1.2 溶气释放器的种类

目前国内常用的溶气释放器为TS型、TJ型及TV型溶气释放器。

2 无动力技术原理及设备

前面说的为现在市场上工程设备的工艺流程，而我们制作的设备只有气水混合罐与溶气释放器两部分，是微气泡技术最关键的组成部分。动力有自来水自身提供，合理利用能源，降低能耗，但由自来水压力有一定的要求，必须大于0.15MPA。图2为系统组成图：

1.气水混合罐；2.进水软管；3.溶气释放器；

4.排水软管；5.出水软管；6.单向阀

自来水经软管2进入，在溶气罐1中空气溶于水中，然后经软管5到溶气释放器3释放出微小空气泡。单向阀6与排水软管4配合使用，使罐内压力与大气压一样，利于排水完全。

2.1 溶气过程发生在气水混合罐中

气水混合罐的内部结构如图3所示：

1.上盖；2.气水混合罐罐体；3.密封垫片；

4.接头；5.喷管；6.喷嘴

如图3所示，水自进水口经喷管、喷头喷入罐顶端凹槽内，水自喷嘴喷出至从出水口流出这段时间内空气均有向水中传递，但溶气过程主要是在凹槽内发生，此过程为一相际传质过程。当水的喷射速度越大，紊动越剧烈，与气体接触越分散，传质过程就进行得越快。在一定区间内湍动动能越高，气液两相之间的掺混程度越剧烈，气液两相之间的接触面积越大，越有利于气相向液相的传质，气体的溶解也就越快。

理论上讲，溶于水中的空气的量越多，则从系统后端的溶气释放器中释放出的微气泡越多。影响溶于水的空气量的因素有以下两个：

2.1.1 空气在水中的溶解量。在气体为难溶于水的气体且溶气压力不很高的条件下，空气在水中的溶解平衡可用亨利定律表示为：一定温度下，稀溶液中挥发性溶质与其蒸汽达到平衡时在气相中的分压与该组分在液相中的浓度成正比，其数学表达式为：

PB=kxXB

式中：PB为溶质在气相中的平衡分压；kx是比例常数，称为亨利定律常数，单位为Pa；为溶质B的摩尔分数。所以由上式可知，温度一定时，溶气罐内压力值越大，则越大，XB越大。而温度则与溶解度呈反相关关系。

2.1.2 溶气效率。当空气在水中的溶解度一定时，水从溶气罐经过后空气溶于水中的量越接近饱和溶解度，则溶气罐的溶气效率越高。

溶气效率的公式为：

式中：为溶气过程完成之后溶液中溶质的量浓度；为在一定温度下气液两相平衡时溶质的量浓度；S为气、液相界面总面积；K1为传质系数；t为溶气时间。

从式中可以看出S、K1、t数值越大，效率越高。

溶气过程是气相传入水中的两相传质过程，包含气相与界面对流传质、界面上溶质组分的溶解、液相与界面的对流传质三个过程串联而成。一般来说，上述第二步即界面上发生的溶解过程很易进行，其阻力极小。因此通常都认为界面上气、液两相的溶质浓度满足相平衡关系，即认为界面上总保持着两相的平衡，这样总过程速率将由两个单向即气相与液相内的传质速率所决定。

而对于难溶气体，空气为难溶于水的气体，溶解度系数H值甚小，传递过程的总阻力主要受液膜阻力所控制，故液膜为主要控制过程。总传质系数约等于液相传质系数。而对流液相传质系数的无因次关联式如下（以浓度差作为推动力）：

式中：为流体密度，；为流体黏度，；为流体速度，；d为定性尺寸，m；D为扩散系数，；

基于以上分析，罐内的压力越高、溶气效率越高时，出水效果就会越好，所以：（1）尽量减小从自来水到气水混合罐的压损；（2）增加溶气效率。这两个措施主要是控制气水混合罐中压力P、图4中喷嘴6的水流速度以及图3中罐顶凹槽的形状及尺寸。

在较低压力（0.15～0.3MPa）下，喷嘴6处喷射速度越大（喷嘴6孔截面积越小），理论上凹槽内水流越紊乱，溶气效率越高，但由于喷嘴6孔截面减小会导致喷嘴6处压损增大，从而导致气水混合罐内压力较低，溶解度下降，所以喷嘴截面尺寸很重要，需要综合考虑。罐顶凹槽形状如图3所示，为一圆柱形凹槽，凹槽的形状及尺寸对溶气效率影响较大。气水混合罐中的喷嘴6的孔截面尺寸对系统出水流量影响不大。

2.2 微气泡形成在溶气释放器内部后端

溶气释放器主要有减压片、一级减压腔，二级减压腔、微泡器组成。溶气水经过溶气释放器产生微小气泡需要经过两个过程：（1）溶气水从释放器流过时，在释放器内部存在负压区，溶气水经过负压区，由于压力降低，空气会大量释放，负压区占体积比越大，释放越完全；（2）气泡变大的过程，这个过程时间长短决定气泡的大小，时间越长，气泡越大。

上面介绍的释气其实为空穴现象，水流流过释放器时，会在释放器内产生负压区或低压区，其占比例越大，释气越充足。孔大不利于负压区的产生，另外孔大流量会大，但罐内压力减小，溶解度降低，溶气不好；孔小系统内的压力提升，溶气、释气能力都会增强，但系统出水量会相应减少。Φ0.7mm×10这个值是在一定压力下，平衡溶气和出水量的值，不是定值。随着自来水压力的提高，孔径是可以改变的。但有一点，多孔分布，释气效果好，出气泡水效果好，单孔或少孔，释气效果差，出气泡水效果差。由于出水压力较低，单位体积内水量太多释气不充分，出水效果不好。多孔分布使其单位体积内水量分散，充分释气。

经过一系列实验，从凹槽尺寸为Φ8～Φ18mm，孔深7～30mm；罐内喷口处孔截面尺寸为5～19mm2，释放器限流片上孔截面尺寸为2～5mm2，大范围的验证，得出出水孔必须是多孔分布，效果好，单孔或少孔效果差。所有的尺寸都为一个匹配问题，根据源头自来水压力不同来调整后面相关参数值，罐内喷口尺寸，释放器限流片尺寸，达到最节能，出水量最大，出水效果最好，都可根据自来水压力调整出一个匹配值。

参考文献

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（责任编辑：蒋建华）