CN105886332A - 一种双缸沼气池搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双缸沼气池搅拌器，包括由底部连通的沿轴向平行并列设置的第一缸体和第二缸体，第一缸体内安装有第一活塞体，第二缸体内安装有第二活塞体，第一缸体的底部通过第一液管伸入沼气池内料液的清液层，第二缸体的底部通过第二液管伸入沼气池内料液的活性层；通过第一活塞体在第一缸体内的活塞运动和第二活塞体在第二缸体内的活塞运动实现清液层的料液由第一液管吸入第一缸体，清液层的料液再由第一缸体流经第二缸体，在第二缸体内被第二活塞体加压后经第二液管由出液口喷入沼气池内，如此反复循环流动从而实现对沼气池内料液的搅拌。

Description

一种双缸沼气池搅拌器

技术领域

本发明专利涉及沼气发酵设备领域，具体涉及一种双缸沼气池搅拌器。

背景技术

近年来，沼气技术在我国农村地区广泛应用，在缓解农村地区能源问题的同时，改善了居民的生活环境。沼气发酵过程中对料液进行充分的搅拌，可有效提高沼气池的产气效率，因此在沼气池中安装搅拌装置是有必要的。现有的沼气池搅拌器主要以人力式和电动式为主。在户用沼气池中安装电动搅拌器不经济，因而此类搅拌器较为罕见。对现有的人力式沼气池搅拌器进行检索后发现：“一种便携式沼气池搅拌器”(专利号：201220570510.9)公开了一种便携式沼气池搅拌器，该专利提出了利用沼液循环回流对沼液进行搅拌，该发明操作时较为费力，且搅拌动力小。“移动式沼气池料液搅拌器”(专利号：201220541012.1)公开了一种移动式沼气池料液搅拌装置，提出利用沼气循环回流对沼液进行搅拌，沼气对沼液进行搅拌时，搅拌程度有限，效果不佳。上述的沼气池搅拌器所存在的问题，限制了其推广应用。因此，开发搅拌效果佳，操作省力的沼气池搅拌装置，可进一步推动沼气产业的发展。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种操作方便省力、搅拌效果良好的人力式沼气池搅拌装置，具体为一种双缸沼气池搅拌器，以解决传统搅拌装置劳动强度大、搅拌效果差的问题。

为达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种双缸沼气池搅拌器，包括由底部连通的沿轴向平行并列设置的第一缸体和第二缸体，第一缸体内安装有第一活塞体，第二缸体内安装有第二活塞体，第一缸体的底部通过第一液管伸入沼气池内料液的清液层，第二缸体的底部通过第二液管伸入沼气池内料液的活性层；

通过第一活塞体在第一缸体内的活塞运动和第二活塞体在第二缸体内的活塞运动实现清液层的料液由第一液管吸入第一缸体，清液层的料液再由第一缸体流经第二缸体沿第二液管流入活性层，如此的反复循环流动实现对沼气池内料液的搅拌。

具体的，所述的第一缸体与第二缸体的直径相同，第一液管与第二液管的管径相同。

进一步的，在第二液管的底端设置四向出液口，所述的四向出液口包括一个进液口和四个垂直交叉设置的出液口，出液口的出液方向与进液口的进液方向垂直。

具体的，出液口的口径与进液口的口径相同，进液口的口径与第二液管的管径相同。

更具体的，所述的第一缸体和第二缸体由底部通过连通管连通，第一液管与第一缸体的连通处设置第一单向阀，连通管与第一缸体的连通处设置第二单向阀，第二液管与第二缸体的连通处设置第三单向阀；

第一单向阀仅允许料液由第一液管流入第一缸体内，第二单向阀仅允许料液由第一缸体流入第二缸体内，第三单向阀仅允许料液由第二缸体流入第二液管。

另外，还包括手动杆支架和手动杆，手动杆支架设置在第一缸体和第二缸体之间，手动杆活动式支撑在手动杆支架上进行杠杆运动，第一活塞体和第二活塞体分别悬设在手动杆支架两侧的手动杆上。

还有，第一活塞体包括第一活塞杆和第一活塞，第二活塞体包括第二活塞杆和第二活塞，所述的手动杆的一端依次设置第一活塞杆连接滑槽、支架连接点和第二活塞杆连接滑槽；

第一活塞杆接头与第一活塞杆连滑槽轴活动连接，手动杆支架与支架连接点轴活动连接，第二活塞杆接头与第二活塞杆连滑槽轴活动连接。

且，第一活塞杆接头和第二活塞杆接头关于支架连接点对称安装，两者到支架连接点的距离相等。

还有，所述的第一活塞垂直固定设置在第一活塞杆的底端，第一活塞包括由上到下依次同轴设置的上限位片、橡胶垫和下限位片；

第二活塞的结构与第一活塞的结构相同。

本发明有益效果是：

1、对沼液的搅拌效果佳：利用本发明的搅拌器对沼液加压后，通过沼液自身进行搅拌，出液口设置于沼气池中下部，发酵原料主要分布于该层(活性层)，由四向出液口喷出的料液首先对该层沼液进行搅拌，可增大原料分布范围，增加微生物与原料的接触面积，加快发酵速度，提高沼气产气率。

2、操作方便省力：搅拌装置工作时仅依靠人力，若操作过于吃力，将不具有实用性，根据“杠杆”原理，搅拌装置中设置手动杆，用户通过按压或提升手动杆，带动活塞上下运动，该过程中人施加给手动杆的力远小于直接作用于活塞上的力；

3、运行安全可靠，结构简单、造价低廉：区别于传统的刚体搅拌器，本发明利用沼液自身进行搅拌，不会对沼气池池体和增温机构造成损伤；装置所用材料多为钢铁，造价较低，而且组成构件形状简单，易于制造和推广。

附图说明

图1为本发明的双缸沼气池搅拌器的立体结构示意图；

图2为本发明的双缸沼气池搅拌器安装在沼气池中的结构示意图；

图3为本发明的双缸沼气池搅拌器手动杆下压时的液体流动原理图；

图4为本发明的双缸沼气池搅拌器手动杆提升时的液体流动原理图；

图5为手动杆的具体结构图；

图6为活塞的结构放大图；

图7为四向出液口的结构放大图；

图8为搅拌装置工作时沼气池内部沼液速度分布图。

图中各标号表示为：1-手动杆、11-第一活塞杆连接滑槽、12-支架连接点、13-第二活塞杆连接滑槽、2-手动杆支架、3-第一缸体、31-第一活塞杆、311-第一活塞杆接头、32-第一液管、321-第一单向阀、33-第一活塞、331-上限位片、332-橡胶垫、333-下限位片、34-螺母、35-垫片、4-第二缸体、41-第二活塞杆、411-第二活塞杆接头、42-第二液管、421-第三单向阀、43-第二活塞、44-四向出液口、441-进液口、442-出液口、5-安装平台架、6-连通管、61-第二单向阀、7-混凝土预埋体、8-沼气池；

各图中的箭头表示料液的流动方向。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明的双缸沼气池搅拌器根据“杠杆”及“活塞”原理，当人力提升手动杆时，带动第一活塞体和第二活塞体同时运动，将第一缸体中预留的沼液压入第二缸体中，当人力按压手动杆时，带动第一活塞体向上运动，将沼液吸入第一缸体中，第二活塞体向下运动将第二缸体中的沼液排入沼气池，在此过程中将人施加给搅拌器的机械能转化为沼液的动能，沼液从喷口高速喷出带动池内沼液运动，达到对池内沼液的搅拌作用。

本发明的双缸沼气池搅拌器在与沼气池8配合使用时，见图2，双缸沼气池搅拌器焊接固定在安装平台架5上，安装平台架5通过螺栓固设在地下的混凝土预埋体7上，第一液管32由沼气池8的顶部伸入沼气池8的清液层，第二液管42由沼气池8的顶部伸入沼气池8的活性层；第一液管32与第一缸体3的连通处设置第一单向阀321，连通管6与第一缸体3的连通处设置第二单向阀61，第二液管42与第二缸体4的连通处设置第三单向阀421，通过单向阀的启闭来控制沼液的流向。

不对沼气池搅拌时，池内料液将出现分层现象，上层为浮渣层，中层为清液层，中下层为活性层，下层为沉渣层。加压后的自来水从喷口喷出首先对活性层进行搅拌。静置条件下发酵原料主要分布于沼气池中下部的活性层，四向出液口设置于该层时，喷出的料液首先对其附近的料液进行搅拌，可增大发酵原料分布范围，增加微生物与原料的接触面积，加快发酵速度，提高沼气产气率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1-6，本发明的双缸沼气池搅拌器，包括由底部连通的沿轴向平行并列设置的第一缸体3和第二缸体4，第一缸体3内安装有第一活塞体，第二缸体4内安装有第二活塞体，第一缸体3的底部通过第一液管32伸入沼气池8内料液的清液层，第二缸体4的底部通过第二液管42伸入沼气池8内料液的活性层；通过第一活塞体在第一缸体3内的活塞运动和第二活塞体在第二缸体4内的活塞运动实现清液层的料液由第一液管32吸入第一缸体3，清液层的料液再由第一缸体3流经第二缸体4沿第二液管42流入活性层，如此的反复循环流动实现对沼气池内料液的搅拌。第一缸体3与第二缸体4的直径相同，第一液管32与第二液管42的管径相同，第一缸体3、第二缸体4的直径与第一液管32、第二液管42的管径的比值范围均为3～5，这样设置的管径比，不仅有利于对沼气池内的料液进行充分混合搅拌，同时以较少的耗材完成所需的要求，节省成本，节省人力。第一缸体3和第二缸体4由底部通过连通管6连通，缸体直径与连通管管径的比值范围取3～5，保证连通管6与第一液管32和第二液管52管径的一致性，满足流动要求。

在第二液管42的底端设置四向出液口44，四向出液口44包括一个进液口441和垂直交叉设置的四个出液口442，出液口442的出液方向与进液口441的进液方向垂直。出液口442的口径与进液口441的口径相同，进液口441的口径与第二液管42的管径相同。

还包括手动杆支架2和手动杆4，手动杆支架2设置在第一缸体3和第二缸体4之间，手动杆1活动式支撑在手动杆支架2上进行杠杆运动，第一活塞体和第二活塞体分别悬设在手动杆支架2两侧的手动杆4上。第一活塞体包括第一活塞杆31和第一活塞33，第二活塞体包括第二活塞杆41和第二活塞43，手动杆1的一端依次设置第一活塞杆连接滑槽11、支架连接点12和第二活塞杆连接滑槽13；第一活塞杆接头311与第一活塞杆连接滑槽11轴活动连接，手动杆1与支架连接点12轴活动连接，第二活塞杆接头411与第二活塞杆连接滑槽13轴活动连接。按压手动杆1时，第一活塞杆31和第一活塞33向上移动，第二活塞杆41和第二活塞43向下移动，第一活塞杆接头311沿第一活塞杆连接滑槽11向上移动，第二活塞杆接头411沿第二活塞杆连接滑槽13向下移动；提升手动杆1时，动作过程与按压时相反。

第一活塞杆接头311和第二活塞杆接头411关于支架连接点12对称安装，两者到支架连接点12的距离相等。手动杆支架2高出缸体10～15cm。手动杆1的长度与操作者所需施加的力有关，手动杆1长度越长，操作时所需施加的力越小。

第一活塞33垂直固定设置在第一活塞杆31的底端，第一活塞33包括由上到下依次同轴设置的上限位片331、橡胶垫332和下限位片333。上限位片331和下限位片333为铁片，用于防止橡胶垫332形变；在上下限位片的两侧还分别依次设有垫片35和螺母34，由于将上限位片331、橡胶垫332和下限位片33固定在活塞杆上，第二活塞43的结构与第一活塞33的结构相同。

根据“杠杆”原理，当人施力的力矩远大于第一活塞杆31和第二活塞杆41端头受力力矩时，使用者施加少许力便可带动第一活塞杆31和第二活塞杆41运动。根据“动量守恒”定理，当对沼液施加的力越大，力作用时间越长，沼液所获得的动量越大，同样口径的喷口，沼液喷出的速度越大，搅拌效果越明显。因此，与一般搅拌装置施加相同的力时，本发明的搅拌效果更好。

参见图3，向下按压手动杆1，带动第一活塞杆31和第一活塞33向上移动，第一缸体3内形成负压，沼气池8内的压力大于第一缸体3，在压差作用下，第一单向阀321开启，第二单向阀61关闭，沼气池8中上部较为清澈的沼液经吸液口沿第一液管32流进第一缸体3内。同时手动杆1带动第二活塞杆41向下移动，第二活塞43向沼液施加压力，使第三单向阀421开启，沿第二液管42经四向出液口44喷射至沼气池内的发酵活性层，喷出的沼液对周围沼液进行扰动，使池内沼液产生运动，从而达到搅拌目的。

参见图4，向上提升手动杆1，带动第一活塞杆31和第一活塞33向下移动，向第一缸体3中的预留沼液施加压力，在压力作用下第二单向阀61开启，第一单向阀321关闭，流过连通管6进入第二缸体4。同时手动杆1带动第二活塞杆41向上移动，第三单向阀421关闭，第二缸体4内形成负压，两缸体间的压差增大，沼液更加容易从第一缸体3转移到第二缸体4中。换言之，手动杆1提升过程仅需很小的力。实际中，提升与按压工作过程交替进行，将对沼气池进行持续有效的搅拌。

以下通过实例对本发明做更进一步的说明。

如图4、图5，搅拌器运行包括手动杆1的按压和提升两个过程。按压手动杆1时，一方面将沼液吸入第一缸体3，一方面对第二缸体4中沼液加压，输送回沼气池进行搅拌；提升手动杆1时，将第一缸体3中的沼液转移到第二缸体4中。其中，提升与按压过程相比较为省力，下文仅对按压过程进行受力分析。

按压过程的力矩平衡方程：

F₁(L-d)cosθ＝F₂d+F₃d (1)

式中：

F₁为人施加给手动杆末端的力，N；

F₂为作用在第二活塞杆上的力，N；

F₃为作用在第一活塞杆上的力，N；

L为手动杆的长度，mm；

d为第一活塞杆到支架连接点间的水平距离，mm；

θ为手动杆与水平方向投影的夹角，°。

第一缸体中沼液平均流速：

$v_2=\frac{h_1}{t_1}---\left(2\right)$

式中：

t₁为吸入沼液耗时，s；

h₁有效提升压缩高度，mm。

第一缸体中沼液质量守恒方程：

v₁A₁＝v₂A₂ (3)

式中：

A₁为第一液管横截面面积，m²；

A₂为第一缸体横截面面积，m²；

v₁为第一液管内沼液平均流速，m/s。

第二缸体中沼液平均流速：

$v_4=\frac{h_2}{t_2}---\left(4\right)$

式中：

t₂为排出沼液耗时，s；

h₂有效提升压缩高度，mm。

第二缸体中沼液质量守恒方程：

v₃A₃＝v₄A₄ (5)

式中：

A₃为第二液管横截面面积，m²；

A₄为第二缸体横截面面积，m²；

v₃为第二液管内沼液平均流速，m/s。

第一缸体中流体的能量方程：

$\frac{\mathrm{\Δ}p}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{F_3}{{\mathrm{\ρgA}}_2}+\frac{v_1^2}{2g}=\mathrm{\Δ}Z+\frac{v_2^2}{2g}+h_{m1}---\left(6\right)$

式中：

Δp为池体内外压差，Pa；

g为重力加速度，N/kg；

ρ为沼液密度，kg/m³；

ΔZ为第一缸体内液面与沼气池液面高度差，m；

h_m1为第一缸体与第一液管间的阻力损失，m。

第二缸体中流体的能量方程：

$\frac{\mathrm{\Δ}p}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{v_3^2}{2g}+h_{m_2}=\frac{F_2}{{\mathrm{\ρgA}}_2}+\mathrm{\Δ}Z+\frac{v_4^2}{2g}---\left(7\right)$

式中：

h_m2为第二缸体与第二液管间的阻力损失，m。

对于搅拌器的阻力损失，考虑到第一液管与第二液管长度较小，因此忽略沿程阻力，仅考虑局部阻力。

局部阻力损失计算公式：

$h_m=\mathrm{\ζ}\frac{v^2}{2g}---\left(8\right)$

式中：

ζ为局部阻力系数，弯头取0.5，管道进口1.0。

突然扩大的阻力系数：

${\mathrm{\ζ}}_1={(1-\frac{A_1}{A_2})}^2---\left(9\right)$

突然缩小的阻力系数：

${\mathrm{\ζ}}_2=0.5(1-\frac{A_3}{A_4})---\left(10\right)$

根据以上公式，在已知搅拌器尺寸、搅拌器与沼气池相对位置、按压过程耗时的情况下，可计算得到第二液管内液体流速、人需要施加的力等。

假设沼气池搅拌器采用两个筒径为150mm、高度为350mm的不锈钢缸体，有效提升压缩高度为200mm，考虑到沼液中污浊物较多，宜采用直径较大的管子，第一液管和第二液管均采用管径为50mm的PVC管，出液口直径与管径相同，第一活塞杆到支架连接点间的水平距离d为10mm，手动杆长度L为500mm。

假设按压过程耗时t₂为1s，第二缸体中的沼液全部排除，而第一缸体吸入沼液时，需要的时间稍长，假设耗时t₃为4s，即将手动杆按压至最低处后停留3s，再进行提升过程。

将上述数值代入式(2)、(3)、(4)、(5)计算得到缸体与管子内沼液的流速。其中，v₁＝0.45m/s，v₂＝0.05m/s，v₃＝1.8m/s，v₄＝0.2m/s。由于出液口的口径与第二液管管径大小相同，根据质量守恒定理，四向出液口处的流速为第二液管内料液流速的四分之一，其值为0.45m/s。

利用式(9)、(10)计算得到，ζ₁＝0.8，ζ₂＝0.4。其余局部阻力系数查资料获得，弯头取0.5，管道进口1.0。

利用式(8)计算得到第一缸体与第一液管的局部阻力损失h_m1为0.028m，第二缸体与第二液管的局部阻力损失h_m2为0.5m。

假设沼气池内液面与缸体内液面平均高程差ΔZ为1.2m。池体内外压差Δp为8kPa。

将上述数据代入式(6)、(7)计算得到，作用在第一活塞杆上的力F₃为87N，作用在第二活塞杆上的力F₂为48N。

最后，假设手动杆的倾角θ为45°，利用式(1)计算得到操作者需要施加给手动杆的力F₁为47N。

为定量分析一种双缸沼气池搅拌器的搅拌效果，采用流体力学模拟软件FLUENT，对搅拌条件下沼气池内沼液流动情况进行仿真模拟。为简化计算过程，采用二维模型代替三维实物。模型中沼气池直径取2.4m，高度取1.5m，第一液管和第二液管管径均取50mm，四向出液口的口径同样取50mm。四向出液口距池底高度取0.4m，进液口距池底高度取1.1m。出液口处流速设为0.45m/s,进液口设为自由出流边界条件。

模拟计算结果如图8所示。由图中看出，搅拌装置工作时，沼气池内大部分区域的沼液在料液扰动下产生运动，但不同区域的沼液运动速度差异明显，出液口处料液的流速较大，离出液口越远料液速度越小。总体而言，本装置可以对户用沼气池内沼液进行有效的搅拌。

Claims (9)

1.一种双缸沼气池搅拌器，其特征在于，包括由底部连通的沿轴向平行并列设置的第一缸体(3)和第二缸体(4)，第一缸体(3)内安装有第一活塞体，第二缸体(4)内安装有第二活塞体，第一缸体(3)的底部通过第一液管(32)伸入沼气池内料液的清液层，第二缸体(4)的底部通过第二液管(42)伸入沼气池内料液的活性层；

通过第一活塞体在第一缸体(3)内的活塞运动和第二活塞体在第二缸体(4)内的活塞运动实现清液层的料液由第一液管(32)吸入第一缸体(3)，清液层的料液再由第一缸体(3)流经第二缸体(4)沿第二液管(42)流入活性层，如此的反复循环流动实现对沼气池内料液的搅拌。

2.如权利要求1所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，所述的第一缸体(3)与第二缸体(4)的直径相同，第一液管(32)与第二液管(42)的管径相同。

3.如权利要求1或2所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，在第二液管(42)的底端设置四向出液口(44)，所述的四向出液口(44)包括一个进液口(441)和四个垂直交叉设置的出液口(442)，出液口(442)的出液方向与进液口(441)的进液方向垂直。

4.如权利要求3所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，出液口(442)的口径与进液口(441)的口径相同，进液口(441)的口径与第二液管(42)的管径相同。

5.如权利要求1或2所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，所述的第一缸体(3)和第二缸体(4)由底部通过连通管(6)连通，第一液管(32)与第一缸体(3)的连通处设置第一单向阀(321)，连通管(6)与第一缸体(3)的连通处设置第二单向阀(61)，第二液管(42)与第二缸体(4)的连通处设置第三单向阀(421)；

第一单向阀(321)仅允许料液由第一液管(32)流入第一缸体(3)内，第二单向阀(61)仅允许料液由第一缸体(3)流入第二缸体(4)内，第三单向阀(421)仅允许料液由第二缸体(4)流入第二液管(42)。

6.如权利要求1或2所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，还包括手动杆支架(2)和手动杆(1)，手动杆支架(2)设置在第一缸体(3)和第二缸体(4)之间，手动杆(1)活动式支撑在手动杆支架(2)上进行杠杆运动，第一活塞体和第二活塞体分别悬设在手动杆支架(2)两侧的手动杆(1)上。

7.如权利要求6所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，第一活塞体包括第一活塞杆(31)和第一活塞(33)，第二活塞体包括第二活塞杆(41)和第二活塞(43)，所述的手动杆(1)的一端依次设置第一活塞杆连接滑槽(11)、支架连接点(12)和第二活塞杆连接滑槽(13)；

第一活塞杆接头(311)与第一活塞杆连滑槽(11)轴活动连接，手动杆支架(2)与支架连接点(12)轴活动连接，第二活塞杆(41)与第二活塞杆连滑槽(13)轴活动连接。

8.如权利要求7所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，第一活塞杆接头(311)和第二活塞杆接头(411)关于支架连接点(12)对称安装，两者到支架连接点(12)的距离相等。

9.如权利要求7所述的双缸沼气池搅拌器，其特征在于，所述的第一活塞(33)垂直固定设置在第一活塞杆(31)的底端，第一活塞(33)包括由上到下依次同轴设置的上限位片(331)、橡胶垫(332)和下限位片(333)；

第二活塞(43)的结构与第一活塞(33)的结构相同。