專利名稱：用于處理液體的裝置和用于處理懸浮液的方法
技術領域：
本發明涉及用于處理液體的裝置。更特別地，本發明涉及用于處理懸浮液的裝置和方法。
背景技術：
給液體充氣對于多種用途是有利的。例如，它允許氣體與液體之間或者氣體與液體中所含的物質之間發生化學反應。一個可能的用途是處理水，包括飲用水和廢水，其中引入適當的反應性氣體可以減少微生物的量。W02008/080618A1公開了一種用于處理液體的裝置，該裝置包括配置在腔室中的機械成穴元件和貫穿成穴元件延伸的供氣部件。該裝置還包括將聲波直接發射進入腔室的聲能換能器。成穴元件的移動確保所供給的氣體與待處理的液體混合，其中平均氣泡尺寸仍然比較大。作為第二個措施，同時由聲能換能器將聲波直接引入到液體中，結果，在整個液體中平均氣泡尺寸進一步減小。當使用已知的裝置和已知的方法來獲得氣體在液體中的聲化學溶解(其中大比例氣體以分子分散溶解的形式存在于液體中)時，能量換能器需要是供給頻率在400kHz至1500kHz范圍、優選在600kHz和1200kHz范圍的超聲波換能器的形式。
發明內容
本發明的目的是更大地提高給液體充氣的效率。該目的通過具有權利要求1的特征的裝置和具有權利要求7的特征的裝置實現。根據本發明的裝置的有益的和有利的進一步改進在從屬權利要求中示出。根據第一方面，根據本發明的用于處理液體的裝置包括腔室和配置在腔室內的特別是流線體形式的可轉動的成穴元件。腔室在成穴元件的區域具有如下剖面:該剖面具有不同的圓部(Rundungen )。本發明的該方面基于如下發現:具有不同圓部的剖面一方面阻礙液體圍繞成穴元件的轉動軸線的不期望的旋轉流動，另一方面防止產生僅發生少量液體交換的腔室“死角”。而且，根據本發明的腔室的剖面形狀有助于形成高流速的局部漩渦，這極大地增強了空穴效應。優選地，腔室的剖面具有帶有圓化的角部的多邊形的基本形狀。該圓化的角部有效地防止液體積聚在角部。為了避免腔室中的任何“寧靜的港灣”，優選多邊形的基本形狀的邊是凸的。通常，腔室有利地設計成使得腔室的剖面的基本形狀為規則的多邊形。具有三葉形形狀的剖面的腔室變得尤其地有利。該形狀顯著地偏離將促進不期望的旋轉流動的圓形，卻仍然包括大致與通常的盤形狀的成穴元件相切地延伸的壁部。然而，基本上，腔室還有利地具有如下剖面:該剖面的基本形狀為不規則多邊形的形狀。
根據第二方面，根據本發明的用于處理液體的裝置包括腔室和配置在腔室內的大致盤狀的成穴元件。成穴元件具有優選為橢圓形的如下通道開口:該通道開口具有圓化的內壁。本發明的該方面基于如下發現:當成穴元件快速轉動時，該形狀的通道開口允許液體在不發生不期望的液體分裂的情況下最佳地加速。在本發明的優選實施方式中，通道開口均從上側面完全地貫穿成穴元件而延伸到下側面。這基本上允許液體通過成穴元件的限制通道。通道開口的優選設計提供如下:通道開口的直徑在通道開口的整個軸向高度上變化小于50%，優選地小于30%，更優選地小于20%。這確保沒有液體積聚在通道開口中。根據通道開口的特別優選的設計，在鄰近上側面的區域和鄰近下側面的區域，內壁被圓化成不同的程度。特別地，圓化部分可以被調節為成穴元件的形狀，從而獲得有利于預期的壓力波動的整體流動行為。通道開口可以在上側面和下側面均具有長孔狀橢圓形邊緣。另一優選實施方式規定為:在俯視圖中，通道開口的在上側面的邊緣與通道開口的在下側面的關聯的邊緣不一致。特別地，在通道開口的長度方向上，在上側面的邊緣的尺寸與在下側面的邊緣的尺寸不同，和/或在上側面的邊緣相對于在下側面的邊緣錯位。與圓化部分相結合，通過通道開口的如下配置可以進一步優化空穴效應，其中，各通道開口的中心相對于如下交點錯位:該交點為各通道開口的中央縱向軸線與成穴元件的垂直于該中央縱向軸線的半徑的交點。為了處理水、特別是飲用水，將腔室配置在由塑料制成的殼體中的裝置是有利的。與金屬殼體相比，塑料殼體提供更利于清潔并且不被消毒劑侵蝕的優點。還可以沒有任何問題地向液體中添加電解質。特別地，與開設有液體用入口和出口的腔室的三葉形剖面相結合，如下配置是有利的:入口和出口在徑向上相對于彼此以小于180度的角度、優選地以大約120度的角度配置。關于氣體向液體中的供給,具有軸向地通向成穴元件的上側面、優選地鄰近成穴元件的轉動軸線的口部的供氣管是優選的。特別地，供氣管可以以至少部分地平行于配置有成穴元件的驅動軸的方式延伸。通過使用至少一個如下聲能換能器節約了根據本發明的裝置的制造成本:該聲能換能器配置成將聲波直接發射到腔室中，該聲波的頻率低于超聲波頻率范圍。已經證明，與開頭提到的從現有技術中已知的裝置相比，較低功率的聲能換能器就足以獲得期望的氣泡尺寸。通常，根據本發明的措施允許非常高比例的氣體被引入到液體中。因此，根據本發明的裝置非常適合水的凈化、特別是飲用水或廢水的凈化。特別地，當供給能夠以分子形式分散溶解在液體中的臭氧時，該裝置可以用來對液體殺菌，或者通常地用來破壞細菌、病毒、真菌孢子、毒素或內分泌干擾物質，或者用來使蛋白質變性。另外，該裝置通常可以用于給液體(不僅是水或廢水)充以任何合適的氣體。本發明還涉及一種處理懸浮液的方法，特別是借助于根據本發明的裝置來處理懸浮液的方法，該方法的特征在于如下步驟:將待處理的分散液體引入容納有可轉動的成穴元件的腔室中；在不用超聲波處理液體的情況下使成穴元件轉動直到產生空穴作用；以及通過空穴作用使液體中的顆粒尺寸減小。根據本發明的方法在超聲波不作用于懸浮液、而僅僅基于機械作用的成穴元件的情況下進行操作。在成穴元件的表面，在液體中形成內爆的小空穴。由于該內爆過程，液體中存在的固體顆粒的尺寸被進一步減小。這意味著顆粒尺寸的減小不(僅僅)是碰撞成穴元件的顆粒的效果，而且是成穴元件的表面處的眾多內爆期間釋放的能量的效果。當氣體被引入懸浮液中并且還通過以無超聲波的方式產生的空穴作用溶解在懸浮液中時，空穴作用同時減小。呈液相的氣體的溶解對于懸浮液可能是有利的，并且如果適當的話可以產生期望的化學效應。其中一個示例是廢水處理。根據本發明的方法在液體涂料、特別是漆的生產中將提供特殊的益處，因為這里漆用顏料被特別細地分散。此外，該方法進一步有利地應用在紙涂層懸浮液(例如白堊)的處理中和廢水的處理中。關于廢水處理，應注意，在廢水中微生物尤其地持續生存于固體顆粒的陰影中。因此，利用紫外光的處理應當僅被認為是配套措施。然而，如果如本發明所教示的那樣，固體顆粒的尺寸仍然被進一步減小，則微生物處理的有效性顯著提高。氣體在液體中的同步溶解可以用于殺死微生物。
從下側面的說明和所參照的附圖，本發明的其他特征和優點將變得明顯。在圖中:-圖1示出了用于實施根據本發明的方法的、根據本發明的裝置的側視圖；-圖2示出了圖1中的裝置的局部剖切俯視圖；-圖3示出了也能夠用于實施根據本發明的方法的、根據本發明的裝置的可選實施方式的局部剖切俯視圖；-圖4示出了根據本發明的裝置的機械成穴元件的俯視圖；-圖5示出了沿圖4中的剖面線A-A剖取的剖視圖；-圖6示出了沿圖4中的剖面線B-B剖取的剖視圖；-圖7示出了沿圖4中的剖面線C-C剖取的剖視圖；以及-圖8示出了沿圖4中的剖面線D-D剖取的剖視圖。
具體實施例方式圖1和圖2示出了根據本發明的用于通過給液體充氣來處理液體的裝置。在下側面的說明中，使用諸如上、下等表示是為了便于理解。這些表示涉及如圖1所示的裝置的方位。但是該裝置基本上是在放置于一側時被操作。本領域技術人員特別地從W02008/080618A1已知這種裝置的基本結構和基本操作模式，因此，這里將僅主要討論根據本發明的裝置的特殊特征。用于接收液體的腔室12設置在裝置的殼體10中；該殼體可以由金屬或塑料形成。入口 14和出口 16開口到腔室12，從而液體能夠通過腔室12連續地流動。在軸向A上，入口 14和出口 16被配置成相對于彼此錯位；在徑向r上，入口 14和出口 16被配置成在直徑上相反(180度的角度)。圖3示出了裝置的可選實施方式，其中入口 14和出口 16相對于彼此以120度的
角度配置。配置在腔室12內的中央的是機械成穴元件18，其被安裝成可轉動并且為大致鐵餅狀流線體的形式。成穴元件18借助于驅動軸20被連接至連續可控的馬達22，該馬達22確定成穴元件18的轉速。作為連接至氣源的供氣部件的一部分的供氣管24鄰近驅動軸20配置并且平行于驅動軸20地開口到腔室12。供氣管24的口部軸向地通向成穴元件18的上側面。彎折90度并且連接有聲能換能器30的短連接件26配置于沿徑向延伸的入口 14。彎折90度并且連接有聲能換能器32的短連接件28配置于沿徑向延伸的出口 16。聲能換能器30、32均呈在超聲波范圍或優選在低頻范圍工作的聲波發生器的形式。如圖2和圖3可見，在兩個實施方式中，腔室12均具有特殊形狀。腔室12在成穴元件18的區域(相當于腔室12的圍繞成穴元件18的部分)具有偏離圓形的非旋轉對稱剖面(與軸向A垂直的徑向剖面)。在所示的實施方式中，腔室12的剖面為三葉形形狀，也可以稱為“圓化三角形”。與真正的三角形不同，角部被圓化(小圓部34)并且邊朝外彎曲(大圓部36)。三葉形形狀的特征在于，不管三角形基本形狀的取向如何，滾動直徑D總是保持相同，因為大圓部34和小圓部36總是彼此相反地指向。除了三角形基本形狀之外，還可以設置具有多于三個角部(特別地具有四個或五個角部)的基本形狀，其中角部被圓化并且邊朝外彎曲(凸)。另外，不規則的、圓部很明顯地不同的基本形狀也是可以的。然而，在曲率相當的情況下，三角形的基本形狀提供與圓形的最大偏離，如將在下側面進一步討論的，從空穴效應的角度這是所希望的。在圖4中單獨地繪出可轉動地配置在腔室12中的成穴元件18。成穴元件18具有如下的大致鐵餅(兩面凸的盤)形狀:其中相對的凸面38、40在尖的、圓形的周緣42處相交。兩個面38、40的曲率可以彼此不同。成穴元件18具有從上側面38完全貫穿成穴元件18延伸到下側面40的多個通道開口 44。通道開口 44在上側面38和下側面40分別具有長孔狀橢圓形邊緣46和48。然而，在俯視圖中，上側面38的邊緣46與關聯的下側面的邊緣48不一致；特別地，在上側面的邊緣46和在下側面的邊緣48的長度方向上的尺寸不同和/或在長度方向上錯位。因此，在上側面的邊緣46的外周可以大于或小于或等于關聯的在下側面的邊緣48的尺寸。從圖5至圖8的剖面圖可見，通道開口 44的內壁不是直的，而是圓化的。這意味著，一方面內壁具有彎曲輪廓，另一方面除了邊緣46、48之外內壁不具有任何邊緣或角部。在一些情況下，至少在剖面中，圓化(Verrundung)在鄰近上側面38的區域比在鄰近下側面的區域更明顯；在一些情況下，恰好相反。此外,通道開口 44的特征在于,不考慮圓化部分(Verrundungen),通道開口 44的直徑在整個軸向高度上變化小于50%，優選地小于30%。在圖示的示例性實施方式中，直徑變化顯然小于20%。另外，各通道開口 44被配置成使得其中心相對于如下交點錯位:該交點為各通道開口的中央縱向軸線(分別為剖面線A-A、B-B、C-C和D-D)與成穴元件18的垂直于該中央縱向軸線的半徑R的交點。當使用該裝置給液體充氣時，液體以腔室優選地完全充滿液體的方式流過腔室
12。馬達22使得完全浸沒在液體中的成穴元件18以在液體中產生空穴的方式快速轉動。在這一點上，具有三葉形剖面(或者如上所述的類似剖面)的腔室12的特殊形狀和成穴元件18的特殊形狀增強了空穴效應。歸因于腔室12的具有不同圓部34、36的剖面形狀，成穴元件18的轉動不會使液體完全地以不期望的、無助于空穴效應的旋轉循環流動的方式移動。而且因為角部不是尖銳的、而是圓化的，所以在腔室12的角部中不會形成僅發生少量液體交換的“死點”。腔室12的形狀也確保在腔室12中發生盡可能少的駐波。基于成穴元件18中的圓化的通道開口 44，不僅在成穴元件18的周緣區域、而且在通道開口 44的區域發生非常高的流速，結果在這些非常位置處產生非常高的空穴效應。而且通道開口 44還有效地阻礙任何不期望的液體分裂，特別是在成穴元件18高速度的情況下。由于腔室剖面的具有不同圓部34、36的特殊形狀以及成穴元件18的通道開口 44的特殊形狀，大致避免了不期望的、成穴元件18對液體的泵作用(Pumpenwirkung)。氣體通過供氣管24沿軸向A輸送到成穴元件18的上側面。氣體也可以以液體形式、例如液氧的形式被給送到系統中；當液體形式的氣體經過供氣管24時，氣體優選地已經以氣體狀態存在。基于高的空穴效應，所引入的氣體幾乎全部混合在液體中。所引入的氣體量可以是，例如對溫度為15°C的井水中的氧氣而言達到285g/h。同時，由聲能換能器30、32的聲波填充整個腔室12，從而通過成穴元件18產生的氣泡又立即被聲能作用并且在該過程中尺寸減小。借助于特殊形狀的腔室12內的特殊形狀的成穴元件12的空穴作用以及在相對低頻率范圍的對所產生的氣泡進行的附加的聲波處理，二者結合以有效的方式產生納米范圍的平均氣泡尺寸，并且產生埃范圍的高比例氣泡。結果，所引入的高比例的氣體以分子形式分散溶解在液體中。因此，所混入的全部氣體將較長時間地保留在液體中。已經參照優選實施方式說明了本發明。當然，在不脫離本發明的構思的情況下，本領域技術人員可以想到各種變型和補充。上述裝置使得懸浮液能夠被非常有效地處理，懸浮液中存在的微粒的尺寸能夠被進一步減小。該方法提供以下步驟:將待處理的分散液體引入容納有可轉動的成穴元件18的腔室12中；在不用超聲波處理液體的情況下使成穴元件18轉動直到產生空穴作用；以及通過空穴作用使液體中的顆粒尺寸減小。在該方法中，在腔室12中不進行附加的超聲波處理。在將懸浮液引入腔室12中之前或者在將懸浮液從腔室12移除之后，也不用超聲波處理懸浮液。該方法在不使懸浮液暴露于超聲波而僅僅利用機械作用的成穴元件18的情況下操作。在該成穴元件18的表面形成液體中的內爆的小空穴。由于這些內爆，液體中存在的固體顆粒的尺寸被進一步減小。可選地，氣體可以被另加地引入懸浮液中并且還可以通過以非超聲波的方式產生的空穴作用溶解在懸浮液中。溶解呈液相的氣體對于懸浮液是有利的，并且如果適當的話可以帶來期望的化學效應。其中一個示例是廢水處理。該方法可以應用在液體涂料、特別是漆的生產中，因為這里漆用顏料被特別細地分散。此外，該方法有利地應用在紙的生產中。在該方法中，使得紙涂層懸浮液(例如白堊)中的固體顆粒尤其好地分散在液體中并且尺寸減小。以這種方式處理過的懸浮液被利用刮刀施加到紙幅并且提供平滑的紙面。在廢水處理中，當使用該方法時，固體顆粒尺寸被進一步減小，使得微生物處理變得更有效。氣體在液體中的同步溶解可以用于殺死微生物。附圖標記說明10 殼體12 腔室14 入口16 出口18成穴元件20驅動軸22 馬達24供氣管26第一連接件28第二連接件30第一聲能換能器32第二聲能換能器34大圓部36小圓部38成穴元件的上側面40成穴元件的下側面42 周緣44通道開口46在上側面的邊緣48在下側面的邊緣
權利要求
1.一種用于處理液體的裝置，所述裝置包括: 腔室(12)； 可轉動的成穴元件(18)，其配置在所述腔室(12)內， 其特征在于， 所述腔室(12)在所述成穴元件(18)的區域具有如下剖面:該剖面具有不同的圓部(34、36)。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述腔室(12)的所述剖面具有帶有圓化的角部的多邊形的基本形狀。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述多邊形的基本形狀的邊是凸的。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述剖面的基本形狀為規則的多邊形。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述腔室(12)的所述剖面具有三葉形形狀。
6.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述剖面的基本形狀為不規則多邊形的形狀。
7.一種用于處理液體的裝置，其包括:腔室(12); 大致盤狀的成穴元件(18)，其配置在所述腔室(12)內， 其特征在于， 所述成穴元件(18)具有優選地為橢圓形的如下通道開口(44):該通道開口具有圓化的內壁。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述通道開口(44)均從上側面(38)完全地貫穿所述成穴元件(18 )而延伸到下側面(40 )。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述通道開口(44)的直徑在所述通道開口的整個軸向高度上變化小于50%，優選地小于30%，更優選地小于20%。
10.根據權利要求8或9所述的裝置，其特征在于，在鄰近所述上側面(38)的區域和鄰近所述下側面(40)的區域，所述內壁被圓化成不同的程度。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的裝置，其特征在于，所述通道開口(44)在所述上側面(38)和所述下側面(40)均具有長孔狀橢圓形邊緣(46、48)。
12.根據權利要求8至11中任一項所述的裝置，其特征在于，在俯視圖中，所述通道開口(44)的在所述上側面(38)的所述邊緣(46)與所述通道開口(44)的在所述下側面(40)的關聯的所述邊緣(48)不一致。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，在所述通道開口(44)的長度方向上，在所述上側面(38)的所述邊緣(46)的尺寸與在所述下側面(40)的所述邊緣(48)的尺寸不同，和/或在所述上側面(38)的所述邊緣(46)相對于在所述下側面(40)的所述邊緣(48)錯位。
14.根據權利要求7至13中任一項所述的裝置，其特征在于，各所述通道開口(44)被配置成使得其中心相對于如下交點錯位:該交點為各所述通道開口的中央縱向軸線與所述成穴元件(18)的垂直于該中央縱向軸線的半徑R的交點。
15.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述腔室(12)被配置在由塑料制成的殼體(10)中。
16.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，在徑向r上相對于彼此以小于180度的角度、優選地以大約120度的角度配置的入口( 14)和出口( 16)開口到所述腔室(12)。
17.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，供氣管(24)具有軸向地通向所述成穴元件(18)的上側面、優選地鄰近所述成穴元件(18)的轉動軸線的口部。
18.根據權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述供氣管(24)以至少部分地平行于配置有所述成穴元件(18)的驅動軸(20)的方式延伸。
19.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于至少一個聲能換能器(30、32)，其配置成將聲波直接發射到所述腔室(12)中，所述聲波的頻率低于超聲波頻率范圍。
20.一種用于處理懸浮液的方法，特別是借助于根據前述權利要求中任一項所述的裝置來處理懸浮液的方法，所述方法的特征在于如下步驟: a)將待處理的分散液體引入容納有可轉動的成穴元件的腔室中； b)在不用超聲波處理所述液體的情況下使所述成穴元件轉動直到產生空穴作用；以及 c)通過所述空穴作用使所述液體中的顆粒尺寸減小。
21.根據權利 要求20所述的方法，其特征在于，將氣體引入所述懸浮液中，并且通過以無超聲波方式產生的所述空穴作用使所述氣體溶解在所述懸浮液中。
22.根據權利要求20或21所述的方法，其特征在于，所述方法是生產液體涂料、特別是漆的方法，是處理紙表面涂層用白堊的方法，或者是處理廢水的方法。
全文摘要
用于處理液體的裝置具有腔室(12)和配置在腔室(12)內的可轉動的成穴元件(18)。根據第一方面，腔室(12)在成穴元件(18)的區域具有如下剖面該剖面具有不同的圓部(34、36)。根據第二方面，大致盤狀的成穴元件(18)具有優選為橢圓形的如下通道開口(44)該通道開口具有圓化的內壁。
文檔編號B01F5/04GK103189133SQ201180048690
公開日2013年7月3日 申請日期2011年10月7日 優先權日2010年10月8日
發明者J·格勞, C·奧立弗利 申請人:超聲波系統有限公司