试分析碳酸泉系统设计

试分析碳酸泉系统设计

林佳贤

关键词：碳酸泉；系统设计；要点

1、碳酸泉现有技术概述

现有制备碳酸泉的装置，包括气体细化管、混合增压装置和缓冲装置，混合增压装置包括气液混合管和增压装置，气液混合管的底部与增压装置的顶部连通，增压装置的中部为增压腔，增压装置的底部设有增压隔板，增压隔板上设有通孔，气体细化管的出气端伸入气液混合管内，缓冲装置的顶部与增压隔板的边缘密封连接，缓冲装置的中部设有纵长空腔。

2、碳酸泉系统设计的要点分析

2.1水流双聚焦

一级聚焦：当水流经过喇叭型通道时，由于通径的急剧减小，水流速和截面水压会急剧增加，形成集束聚焦水流。

二级聚焦：集束水流会与W型聚焦面发生对撞，冲击力和壁面反作用力互相作用，且壁面呈90°夹角，在各个方向的作用力下形成水压聚焦，其焦点水压远高于腔体内环境的平均压力，通过水流冲力形成有利于二氧化碳溶解的高压环境。

2.2气流量水流量自动适配

如图1，尖锥件（2-1）由基座（2-3）通过弹性材料（2-2）顶压，在水流冲击力小于弹力时，间隙通径不变，出气量不变。当水流冲击力大于弹力时，弹性材料会发生变形，锥形件会向下移动，间隙通径扩大，出气相应量增大。当水流水压大于一定值时，气流量相应加大，以维持一定范围的碳酸浓度。

由于产品的实际使用场景不同，各个场地的水源水压有高有低。假如是无气流量自调节功能，水压过高时，水流量大，气体比例下降，造成浓度下降。当水压过低时，水流量低，气体比例升高，浓度在一定条件下并不会明显增高，会造成气体流量过多，反应不完全，效率无法最大化。采用气流量水流量自动适配设计，能有效提高气体利用率，并维持一定范围的高浓度。

图1

2.3环隙射气喷头

有别于传统的小孔出气，此设计采用创新线隙喷气口模式。与多个小出气孔不同，线隙出气间隙小，间隙线通径可达到0.05㎜以下，且间隙线数量多，产生的气泡极小且数量多和更分散均匀，气体与水的接触面积更大溶解更快速充分。通径更小，相同出气量下，喷射的气流速度更快，压力高，冲击力大，有利于二氧化碳和水的溶解。

2.4涡流发生器

涡流发生器采用航发静态涡扇结构，通过改变水流方向、流速和水压，制造出一个围绕中心轴高速旋转的漩涡涡流。通过流道通径的线性变化，从大通径到小通径的变化，提高前分段压力，前分段指水流未进入涡扇叶转向之前的大通径段。大通径段有效降低了水流速，在高压状态下增加了水与气体的溶解时间。提高水流流速，能有效锁住气泡，让气泡随水流旋转并均匀分散到整个腔体内，有效增加水和二氧化碳接触面积，提高溶解度。高速的水流也会起到“搅拌器”的作用，把腔内混合液混合搅拌，且搅拌的速度不变，方向不变，同样起到提高溶解度的作用。

2.5水流吸气结构

运用伯努利原理，喷射出的高流速水线表面会形成比周围压力低的低压，通过相错的尖刺状起泡圈，形成吸气混合现象，能有效回收融解不完全释出的气体，对气体回收再利用，有效减少气体排放和浪费。当气体被高速水流带出时，即进入涡流增压腔，二氧化碳气体和溶解液体会进行二次反应。其好处是实现二氧化碳的二次注入，提高溶液的碳酸浓度，二氧化碳气体在腔内不断循环，直至完全溶解。理论上可以达到二氧化碳零排放，但实际情况多是二氧化碳和水的比例很难达到最佳状态。当二氧化碳气少于水溶解饱和所需，气体被完全吸收，但浓度达不到高峰值。当二氧化碳气多于水溶解饱和所需，气体会由排气装置排出，气体利用率有所降低，但同等条件下利用率依然优于传统碳酸泉仪器。

2.6涡流增压结构

水流和气泡混合液以高速流入涡流增压腔，在腔内高速旋转，在液体的离心力和腔壁向心力的共同作用下，混合液的内压力会有效增加。以水源水压为0.2mp，T=10为例：离心力F=mv^2/r，r=31，h=120，可得F=4.65n。单位面积压力约为20000pa，腔体内有效增压为0.02mpa，增压后水压为0.22mp。气泡随着水流高速运动而无法聚集成大气泡，气泡量多体积小，跟液体的混合更加充分均匀且旋转运动比直线运动路程更长，混合加压的时间更长，气体溶解效果更好。

2.7水气分离结构

混合液难免会有反应不充分的情况，为避免未融合气体随水流出，须在混合液流出之前把二氧化碳气体分离出来。利用气体和溶液的密度不同，混合液流出的方向往上，出水口往下。在重力的作用下，水会往下流动，气体密度小，会向上浮升。在一个大通径的腔体内，往上的混合液中，流速会大幅降低，水流速减缓，气体气泡上浮的速度大于水流速，会向上浮升汇聚。碳酸水为液态溶液，会向下流往中心出口，从而实现水气分离。

2.8自动排气与水位调节结构

如图2所示，此机构由浮球（3-1），片状连接杆（3-2），环形闸（3-3），排气通道（3-4），碳酸水通道（3-5）组成。当水位过低时，浮球没获得浮力，环形闸下降，排气通道打开，水气混合液从排气通道排出，排除多余气体。此时水位会开始上升，直到到达浮球位置后，浮球开始上升，环形闸上升，排气通道通径减小，直至完全关闭。排气通道会根据二氧化碳气体与水的比例调节，如气体过多，浮球下降，环形闸下降，排气通道通径增大，直至完全打开。

图2

结束语：

本实用新型的装置能更有效细化气体分子团（例如二氧化碳），将小分子（二氧化碳）锁在液体（例如水）中，提高气体利用率；其结构简单，维护方便，不易堵，可现制现用；通过本实用新型的装置现制的碳酸泉浓度能达到1000mg/L以上，因而具有理疗作用。