CN101918120B - 将气体充入液体的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于把气体充入流体、使所述液体出气、并使经出气的所述流体返回流动体的装置，包括：进入管，该进入管具有底部开口的，底部开口可浸没在流动体下；气体扩散装置，该气体扩散装置定位在所述进入管的底部内，用于把气体充入所述进入管里的液体，由此被充入气体的上升气泡驱使所述进入管里的液体升到进入管的顶部并流过连通于进入管的横管部分，所述横管部分大体上垂直于所述进入管部分延伸并在所述流动体以上延伸到出气部分，所述出气部分延伸到横管部分以上而使所述液体具有与空气交换的表面，而使液体里的气体得以排出，并且出气部分是定位在水体以上，借以产生一个压头差。排出管部分与所述横管连通、定位在所述出气部分以下并从出气部分向下延伸进流动体里，由此由于出气部分的顶部处液体之间的所述压头差，进入所述排出管部分的流体被赋予向下的速度。

Description

将气体充入液体的装置

技术领域

本发明涉及一种改进的把气体给予液体的装置。具体地说，本发明的装置包括把气体充入液体、允许气体逸出并可使液体从进入口通过装置运动到排出口的装置。

背景技术

在16世纪中叶，诗人爱德华贝纳德(Edward Baynard)写道“让房间和空气动起来，空气纯度绝不会受损害”。1603年的黑死病的再次爆发让人们越来越关注卫生和曝气知识以及曝气对水的影响。在美国安装的第一个市政公用曝气系统是1860年建造的纽约Elmira供水系统，它使水分级地连续流下几个台阶，来除去挥发性有机化合物并断绝产生腐败气味的条件。还有绘画的证据，在公元780年中国人用水车蹼轮让饮用水流动起来。

‘曝气’这个术语一般是用于描述能够促使空气混入水中的任何装置，但也可用于描述把任何气体充入任何液体。典型的曝气装置可在例如下列专利文件中看到：

·JP-2000-271591

·US-6117324

·JP-2005-010435

·WO-2008-140229

尽管这些装置已得到普及和商业上的成功，但是仍有不断改进的必要。JP-2000-271591(现有专利1)示出一种气体扩散装置，该装置可在流体里不必控制地自由工作。然后由在液体表面以下的倒置的漏斗收集上升的气泡。在漏斗的‘颈缩’部分，气体被迫与周围的流体发生扩大范围的互相作用，然后液体通过漏斗的细管部分上升并返回到流动体(fluid body)。

尽管已有专利1是空气升液的设计，但是它固有地增加了太多的制约而限制了流量，因而也限制了可被充入气体的流体的量。现有专利1不利用给予流体的能量来使流体回到深水，它是简单地使流体返回到同一流动体或同一高度。万一流动体内有涌流，现有专利1的装置就将中断甚至不能工作。

US-6117324(现有专利2)示出一种用于把臭氧充入动物排泄物的装置，用以降低有机污染物质。现有专利2的装置有几个缺点，诸如：1)它在消化排泄物的同时产生厌氧菌，而厌氧菌会产生臭味；2)它不能回收用于把臭氧赋予排泄物流体的能量；3)它没有披露液体转移的方法。由于臭氧注入，现有专利2可能杀死那些能够分解排泄物的有益细菌。

JP-2005-010435(现有专利3)示出一种用于把气体充入流体的装置。现有专利3的装置有一个加压室、三个沿垂向叠置的空气升液系统、以及一个在加压室底部的集水器。这个发明要求非常复杂的制造方法并要求在液体保持区外面有一个大的区域，还需要几个泵来使装置进行工作。

WO-2008-140229示出一种曝气装置，呈电动机驱动轴的形式，轴上装有处于流体表面以下的叶轮，叶轮迫使水沿着管子上升到水面而使水在水面接触大气空气。

需要有一种改进的把气体充入液体的装置。

发明内容

按照本发明的一个方面，提供一种用于把气体充入流体、使所述流体出气、并使经出气的所述流体向下返回流动体(body of fluid)的装置，该装置包括：垂向定向的进入管部分，进入管部分具有可浸没在流动体下的底部开口而使流体能够进入所述进入管；气体扩散装置，该气体扩散装置定位在所述进入管的底部内流动体的顶面以下，用于把气体充入所述进入管里的液体，使得可将所述气体充入所述进入管部分里的液体，由此被充入气体的上升气泡驱使所述进入管里的液体升到所述进入管的顶部继而流过连通于所述进入管部分的横管部分，所述横管部分大体上垂直于所述进入管部分延伸并在所述流动体的上方延伸到出气部分，所述出气部分延伸到所述横管部分以上而使所述液体有与空气交换的表面，使所述液体里的气体得以排出，并且所述出气部分是定位在所述水体表面以上，由此产生压头差；以及垂向定向的排出管部分，该排出管部分与所述横管部分连通、定位在所述出气部分以下并从所述出气部分向下延伸进所述流动体，由此由于所述出气部分顶部处液体之间的所述压头差，进入所述排出管部分的所述流体被赋予向下的速度，这个速度使所述液体沿着所述排出管部分向下回到所述水体。

在参照附图阅读以下详细说明和权利要求书之后，将会更明显地看到本发明的其它优点、特点和特征、该装置的操作方法和各有关组成部分的功能、各部分的组合和制造经济性。下面简要说明各附图。

附图说明

下面参照附图说明本发明的一个示例性实施例，各附图中：

图1是本发明的装置的示例性实施例的正视图，示出进入管、横向管、出气部分和排出管、以及液体流动路径；

图2是本发明的装置的示例性实施例的正视图，示出该装置在运行，还表示出达到的压头差；

图3A是本发明的一个示例性实施例的立体图；

图3B是图3A的实施例的俯视图；

图3C是图3A的实施例的前视图；以及

图3D是图3A的实施例的侧视图。

具体实施方式

在本发明的这个示例性实施例中，该装置制成为密封的，连接成像小写字母h的管状构造，是用塑料模制而成的。也可根据要求采用其它适当的材料。

示例性的装置10做成为，在标准的工作状态，浸没在液体里，只有出气部分20露出于液体表面。示例性装置10可做成为，在非标准工作状态，仅扩散装置14浸没在液体中。这特别有利于用该装置作为转移液体的泵。

为了达到所希望的把气体充入流体的目的，示例性装置10可根据需要以各种构形模块化地加上许多装置，并且可用任何固定方法悬挂在位(例如用浮体和固定托架连系于在水体中或邻近水体的固定的物体)，而不会影响其功能。本发明的这一示例性实施例包括从横管部分18向上延伸的突缘部分22，其用于为该结构提供支承，有助于根据需要把该装置放置并固定/用托架安装于固定的物体。

在工作时，示例性装置借助于装在进入管部分12内的液体里的气体扩散装置14把气体赋予液体。上升的气泡驱使进入管部分12里的液体向上运动，而使液体有向上的速度。这个速度使液体到达进入管部分12的顶部，继而流过横管部分18而到达出气部分20的顶部。在图示的示例性实施例中，横管部分18有从进入管部分向排出管部分略微向下倾斜，以便于液体从进入管部分流向排出管部分。

应能理解，用于把气体赋予液体的扩散装置可以是任何气体弥散单元，诸如砂滤多孔石、渗透膜、毛毡叠块、等等。优选的是，把扩散装置14装在帽内，将帽抵靠该装置密封，以确保没有气体从管状构造逸出。可将扩散装置放置在进入管部分里的任何部位，但放在流体表面以下越深，气泡沿着管子上升的速度就越大，因而可将更多的能量赋予进入管部分里的流体。

由于在进入管部分内上升的液体形成低压区，进入管部分里的液体被拉离周围的流动体。液体从高压区向低压区流动，这是流体力学中的伯努利原理所证明的。

在工作时，扩散装置把气体充入进入管部分内，引起示例性装置里的垂向液体流动。如果充入液体的气体的压力(以磅/平方英寸为单位)大于或等于{扩散装置在液体表面以下的距离(以英尺为单位)/2.31}，则该装置就能发挥功能。用于任何装置的设定值的优选压力是{扩散装置在液体表面以下的距离(以英尺为单位)/2.31}+2磅/平方英寸。可将示例性装置按比例放大或缩小，以便在以上算式给出的压力下接受任何流量。

这一示例性实施例有置于进入管部分的上部内的气泡减小装置，用于降低气泡集聚成气团(合并)的趋势。这个装置可以是但不限于丝网或其它类似的能够把较大的气泡破碎成较小的气泡的一系列分隔通路。流体流中的大量较小的气泡有较高的把气泡内的气体转移给周围液体的概率。这一结构必须放在扩散装置14的上方才能有效。

在工作时，示例性装置用流体23灌满到出气部分的顶部(见图2)，这个顶部延伸到横管部分以上。这可建立某一压头差(在这一优选实施例中，有几英寸的压头差)，以排移其下方排出管部分16里的液体，迫使那些流体从排出口26流出。

在进入管部分里迅速上升的流体走到进入管部分12的顶部继而流过横管部分18。由上升的气泡赋予流体的能量足以使横管部分内的流体到达管子外面的流体表面。随着液体通过横管部分，在液体到达排出管部分16(定位在出气部分20以下)时，压头差迫使排出管部分里的液体向下走。用这一方法，可把一个气体压力形式的小能量输入转变成使流体下降到大深度处的力，因为排出管部分里的流体总是力图与该装置浸没所在的液体平衡。

排出管部分16里的液体，由于它上面的压头差推它沿着管子向下，有向下的速度。因为流体流中仍有气泡，向下的流动不是层流。向下的液体速度和气泡的上升趋势使排出管部分内极其紊乱。这种紊乱使气体接触流体流的时间最长，因而可使气泡内的气体极为有效地转移给流体。

为了满足该装置的要求，进入管部分和排出管部分都可以根据需要加长。

在池塘/湖泊环境中，如图1的例子所示，示例性装置可成功地从水底停滞并腐烂的区域(水底滞水层)30取水，有效地使其到达水面，放出腐烂物产生的污染物质(例如磷化物、氮化物、硫化物、等等)，随后对水充氧，然后使水返回到它被取出的那一层。

在水产养殖业环境中，该装置可有效地使水曝气/充氧来促进鱼类生长，同时除去鱼类的排泄物产生的氮气，可减少水栖动物多种疾病的发生。

在生物生长(藻类、蚴等)中，该装置可将任何气体充分地充入流体并促进所要求物质的生长。

在废水处理环境中，该装置可充入任何气体，促使有机物质的加速分解，减少生物需氧量和化学需氧量高的污染物质，在这类污染物质被排放到地面以上或以下时，其对环境有不利影响。

本发明的充气装置可以有附连到进入管部分和排出管部分的加长段，以便能处理任何深度的水体。

应能理解，对熟悉本技术领域的人来说，在阅读本说明书和附图之后，可对本发明做出许多改变、修改、变动以及其它利用和应用。所以，在本发明的精神和范围内的任何和所有这样的改变、修改、变动以及其它利用和应用都将被认为是由本发明所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于将气体充入流体、使所述流体出气、并使经出气的所述流体返回流动体的装置，包括：

垂向定向的进入管，所述进入管具有可浸没在流动体下的底部开口，以允许流体进入所述进入管；

气体扩散装置，所述气体扩散装置定位在所述进入管的底部内、所述流动体的顶面以下，用于将气体充入所述进入管内的流体，从而可将所述气体充入所述进入管中的所述流体，由此被充入气体的上升气泡驱使所述进入管中的流体升到所述进入管的顶部并流过与所述进入管连通的横管部分，所述横管部分大体上垂直于所述进入管延伸并在所述流动体以上延伸到出气部分，所述出气部分延伸到所述横管部分以上而使所述流体具有与空气交换的表面，并因此使气体能够从所述流体中排出，并且所述出气部分是定位在所述流体以上，由此产生压头差；以及

垂向定向的排出管，所述排出管与所述横管部分连通并定位在所述出气部分以下，并从所述出气部分向下延伸进所述流动体，由此由于与所述出气部分的顶部处所述流体之间的所述压头差，进入所述排出管的所述流体被赋予向下的速度，将所述流体沿着所述排出管向下推回到所述流体。

2.一种用于把气体充入流体、使所述流体出气、并使经出气的所述流体返回流动体的装置，包括：

进入管，所述进入管具有底部开口，所述底部开口可浸没在流动体下而使流体能够进入所述进入管；

气体扩散装置，所述气体扩散装置定位在所述进入管内、所述流动体的顶面以下，用于将气体充入所述进入管内的流体，从而可将所述气体充入所述进入管中的所述流体，由此被充入气体的上升气泡足以驱使所述进入管中的所述流体升到所述进入管的顶部；横管部分，所述横管部分与所述进入管连通，所述横管部分延伸到所述横管部分的出气部分，所述出气部分允许所述流体具有与空气交换的表面，并因此使气体能够从所述流体中排出，并且所述出气部分是定位在所述流体以上，由此产生压头差；以及

排出管，所述排出管与所述横管部分连通并定位在所述出气部分以下，并从所述出气部分向下延伸进所述流动体，由此由于与所述出气部分的顶部处所述流体之间的所述压头差，进入所述排出管的所述流体被赋予向下的速度，将所述流体沿着所述排出管向下推回到所述流体。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，被充入所述流体的扩散气体的以磅/平方英寸为单位的压力大于或等于：（所述扩散装置在流体表面以下的以英尺为单位的距离）除以2.31。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体扩散装置邻近所述进入管的所述底部开口定位，且所述进入管的包括所述气体扩散装置和底部开口的部分定位在所述流动体内，所述装置的其余部分处于所述流动体以上。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩散装置是砂滤多孔石、渗透膜、或毛毡叠块气体弥散单元。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述气体弥散单元定位在密封抵靠装置的所述进入管的帽内以确保没有气体逸出。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述进入管的所述顶部内所述扩散装置上方设置有气泡减小装置，用于降低气泡合并的趋势。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述气泡减小装置包括多个丝网屏障，形成一系列隔开的通路。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置是用模制塑料形成的。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在使用中，所述装置用流体充注至所述出气部分的顶部，由此提供所述压头差，以将所述出气部分以下所述排出管中的流体排移并驱使所述流体流出所述排出管。

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