CN105903396B - 一种聚能气体搅拌方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚能气体搅拌方法及装置，应用于液‑液，液‑固的混合与搅拌系统。能量聚集气体搅拌器装置，其特征在于：包括集气腔、气管、导流管和活动释放腔；集气腔上端封闭，下端开口，导流管穿过集气腔顶部，气管通入集气腔；活动释放腔套装在导流管的下端，但不固定，能在导流管外上下移动，导流管下端外径大于活动释放腔上端内径；活动释放腔能在导流管管口与集气腔上端之间上下移动，活动释放腔下端截面积大于导流管截面积；本发明可以节约能耗，在不与搅拌介质发生刚性接触的情况下，加强搅拌效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种节能气体搅拌器装置，应用于液-液，液-固的混合与搅拌系统。具体的说，一种能量聚集气体搅拌器装置。
背景技术
搅拌器在各个领域都有应用，且都是重要部件，搅拌器的效率和工作方式直接影响待搅拌介质的反应速度和搅拌效果。尤其在一些特定场合，机械搅拌会引起搅拌介质的损伤和局部过热等问题，需要开发其它原理和方式的搅拌器。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种聚能气体搅拌器装置，可以节约能耗，在不与搅拌介质发生刚性接触的情况下，加强搅拌效率。
本发明是利用一种简单的结构，采用物理方法，将小气流集聚成大气泡。液体中的大气泡在直径超过4毫米时，其气泡表面的液体压力与气泡内部的气体压力相互作用，使气泡开始发生形变，当气泡达到数厘米时，其形状转变成蘑菇形和圆环形，气泡上升路径也由竖直向上转变为螺旋形和Z字形路径。由于气泡形状和体积在液体中上升过程中的不断改变，形成了对周围液体极强的扰动能力。利用蘑菇形和圆环形气泡在液体中上升时产生的涡流与水力紊流现象，形成对液体中液-固、液-液有效的混合与搅拌，也可利用它对放置在液体中固体物质通过表面的碰撞和扰动，实现对其清理与洁净的功能。利用此原理，我们发明了这种结构简单，实用有效和安全无故障的气体搅拌方法及装置。
能量聚集气体搅拌器装置，其特征在于：包括集气腔1、气管4、导流管2和活动释放腔3；集气腔1上端封闭，下端开口，导流管2穿过集气腔1顶部，气管4通入集气腔1；活动释放腔3套装在导流管2的下端，但不固定，能在导流管2外上下移动，导流管2下端外径大于活动释放腔3上端内径。
活动释放腔能在导流管管口与集气腔上端之间上下移动，活动释放腔下端截面积大于导流管截面积；活动释放腔是刚性材料制备的腔体，或者是包括上定位定型圈和下定位定型圈，中间连接材料是柔性材料的柔性活动释放腔；
气管在集气腔内，靠近但不接触集气腔的顶部；或者气管在集气腔的底部，但必须将气管管口安排在活动释放腔管口之外。
进一步，导流管的直径为20mm-150mm，
进一步，活动释放腔下端截面积是导流管截面积的2-10倍，
进一步，集气腔的截面积为活动释放腔截面积的2-20倍。
进一步，导流管和活动释放腔的高度之和小于集气腔的高度。
应用所述装置的方法，其特征在于：工作时，随着从气管中均匀流入的气体在集气腔顶部的聚集，持续地将集气腔中的液位不断向下推移，直至气体压迫液位下降至低过活动释放腔的底部，使被压缩的气体泄入活动释放腔内部，并沿着导流管上升进入液体中。当集气腔内的空气泄入活动释放腔中时，流入的气流托起活动释放腔，使更多的空气通过导流管释放出去，直至集气腔内的液体液面推升至淹没导流管的下端口时，活动释放腔渐渐落下，复位，开始下一个空气聚集-释放的周期；
当气体将集气腔中的液位不断向下推移，直至低过柔性活动释放腔的底部时，气体涌入柔性活动释放腔内，下定位定型圈会被气流托起，柔性活动释放腔主体变形，更多气体涌入。当集气腔内气体释放至导流管下沿口时，集气腔内的液体液面升至淹没导流管的下端口，气压与液体压力达到新的平衡，柔性活动释放腔由于下定位定型圈重力大于浮力渐渐落下，复位，开始下一个空气聚集-释放的周期。
本装置利用将气体压缩聚能到一定量，再将聚集的气体以较大的蘑菇形和圆环形气泡的形式释放，形成有效扰动和剪切力，对搅拌介质进行有效搅拌。若对固-液体系进行搅拌，采用气体进行搅拌可以避免传统搅拌方式拌器叶片直接接触固体介质，很易使固体介质发生破坏，搅拌器也容易发生故障。若对液-液体系进行搅拌，可以避免特殊液体介质对搅拌器的腐蚀等问题。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本装置利用将气体压缩聚能到一定量，再将聚集的气体以蘑菇形和圆环形气泡的形式释放，形成有效扰动和剪切力，可替代传统的机械搅拌方式。
2.通过将球型气泡转化成剪切力度更大的蘑菇形和圆环形大气泡，实现气体搅拌效率的最大化，节约气量。
3.采用气体进行搅拌，若对固-液体系进行搅拌，可以避免传统搅拌方式拌器叶片直接接触介质，很易使固体介质发生破坏，搅拌器也容易发生故障；若对液-液体系进行搅拌，可以避免特殊液体介质对搅拌器的腐蚀等问题。
4.设备简单，成本低，不易发生故障。
附图说明
图1是聚能气体搅拌器装置结构示意图；
图2是聚能气体搅拌器装置工作示意图；
A刚性活动释放腔集气过程
B刚性活动释放腔上升过程
C刚性活动释放腔释放气泡过程
D刚性活动释放腔下降过程
E柔性活动释放腔变形上升过程
F柔性活动释放腔释放气泡过程
G柔性活动释放腔下降复位过程
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的描述。
本发明采用的技术方案是：
聚能气体搅拌装置由集气腔1、导流管2、活动释放腔和气管4组成。集气腔1上端封闭，下端开口，导流管2穿过集气腔1顶部，气管4可直接通入集气腔1，并接近集气腔1的顶部，也可布置在集气腔1的底部，但必须将气管管口安排在活动释放腔3的垂直投影面之外。导流管2与集气腔1在顶部连接，活动释放腔套装在导流管2的下端，可以上下活动，导流管2下端外径大于活动释放腔上端内径。
其工作方式是：集气腔1是用于集气功能的腔体，气体通过气管4连续或间歇输送空气进入集气腔1中，并在集气腔1内聚集，直至气体压迫液位下降至低过活动释放腔的底部，使被压缩的气体泄入活动释放腔内部，并沿着导流管2上升进入待搅拌的液体中。导流管2的作用是当活动释放器释放空气时，起到由集气腔向待搅拌液体中疏导气体，形成大气泡的作用及起到对活动释放腔3的支撑和定位作用。活动释放腔3的作用是聚集与释放集气腔中的气体，使从气管中均匀流入的气体转化为间歇释放的气团，经导流管2形成蘑菇形和圆环形大气泡，对容器内待搅拌介质形成搅拌与紊流的作用。
刚性活动释放腔3呈喇叭形或倒碗形，上端口内径小于导流管2下端的外径，下端口直径大于导流管2最大外径，可沿导流管2外表面上下滑动，完成储气与气体释放功能。工作时，随着从气管4中均匀流入的气体在集气腔1顶部的聚集，持续地将集气腔1中的液位不断向下推移，直至气体压迫液位下降至低过活动释放腔3的底部，气体涌入活动释放腔3内，由于气体移动产生的动能将活动释放腔3向上托起，活动释放腔3托起后，相当于活动释放腔高度的空气层涌入导流管2。当集气腔1内气体释放至导流管2下沿口时，集气腔1内的液体液面升至淹没导流管2的下端口，气压与液体压力达到新的平衡，活动释放腔3由于重力作用渐渐落下，复位，开始下一个空气聚集-释放的周期。
另一种活动释放腔形式是采用柔性活动释放腔5，由柔性材料、上定位定型圈6和下定位定型圈7构成，柔性活动释放腔5主体柔性材料，可以变形或伸展。柔性活动释放腔5呈喇叭状，上定位定型圈6呈圆环形，固定在上端口处。上定位定型圈6将柔性活动释放腔5固定在导流管2下端，下定位定型圈7呈圆环形，固定在柔性活动释放腔5下端口，其重力大于介质浮力，但小于气体扩张的推力。其工作原理与刚性活动释放腔相似。当气体将集气腔1中的液位不断向下推移，直至低过活动释放腔5的底部时，气体涌入活动释放腔5内，下定位定型圈7会被气流托起，柔性活动释放腔5主体变形，更多气体涌入。当集气腔1内气体释放至导流管2下沿口时，集气腔1内的液体液面升至淹没导流管2的下端口，气压与液体压力达到新的平衡，柔性活动释放腔5由于下定位定型圈7重力大于浮力渐渐落下，复位，开始下一个空气聚集-释放的周期。
根据我们的实验结果，适用于本发明的聚能气体搅拌装置参数如下：导流管2的直径为25mm-50mm，可以控制从导流管2释放的气泡直径介于25mm-200mm，气泡小于厘米级别时搅拌强度较低，气泡太大会在上升的过程中分散成多个较小气泡，影响效果。当采用刚性活动释放腔3时，导流管2高度大于刚性活动释放腔3的高度，为活动释放腔3提供足够的上浮空间，避免由于活动空间不足，造成气源浪费。当采用柔性活动释放腔5时，可以缩短导流管2的高度，同时减小装置高度，更加节省空间。但导流管2与活动释放腔的总高度小于集气腔1，避免气体从集气腔底部溢出。活动释放腔3下端垂直投影面积是导流管2垂直投影面积的2-10倍，高度为20mm-150mm。既能使活动释放腔3沿导流管2外围上下自由移动，且不会由于两者投影面积相差太大而导致气泡破裂分散。集气腔1的垂直投影面积为活动释放腔3垂直投影面积的2-20倍。集气腔1垂直投影面积太小时，气量不够形成扁蘑菇形和圆环形气泡；集气腔1垂直投影面积太大时，会形成降低搅拌效能的连续气泡，导致气体能量的浪费。
该方法涉及的计算如下：
通过控制集气腔1投影面积，活动释放腔3的投影面积和高度可以调节气泡大小，通过调节气管4的进气流量可以调整气泡生成频率。
实施例1
在煤矿开采中作为超高水充填材料浆体配制的搅拌装置。
目前煤矿开采中用超高水充填材料配制的浆体，在进入充填区前进行混合，均难达到最佳的混合效果，采用本发明的能量聚集气体搅拌器装置作为搅拌装置，使用方便，搅拌效果好，能耗低。
实施例2
在纸质产品生产过程中，作为纸浆的搅拌装置。
纸质产品在制作过程中，会利用废旧纸板制成纸浆液，然后通过模具挂浆，吸浆，压制，形成各种造型的纸质产品，但在制备纸浆液的过程中，由于纸质纤维会不断沉降，需要不断搅拌，保持浆液的各部分浓度均匀。常规的搅拌方式会由于纸质纤维的特殊性，破坏搅拌设备，或无法长时间正常工作。如单纯使用气体在底部曝气实现搅拌，气体剪切力小，扰动效果差，且会耗费大量气体。在该过程中采用本发明的聚能气体搅拌器作为搅拌装置，利用大气泡实现浆液的高效搅拌，且大气泡在液体中上升时产生的涡流与水力紊流会带动纸质纤维上下翻滚，实现均匀搅拌，保证纸质产品的均匀性。
实施例3
将聚能气体搅拌装置用于水处理系统中缺氧池和厌氧池中悬浮填料的搅拌与清洗。
在生化缺氧池和厌氧池中，有很多系统中采用悬浮填料。通常采用潜水机械搅拌器作为搅拌和填料表面更新与清理陈旧的生物膜的设备。但由于潜水机械搅拌器会叶片直接接触填料，很易使填料发生破坏，搅拌器也容易发生故障。采用空气搅拌方式，由于穿孔管或中微孔曝气器都因为搅拌气量低时动力不够，无法实现有效搅拌作用，气量大时又会送入太多的氧气而破坏厌氧和缺氧环境，因此一直缺乏有效的搅拌装置。在缺氧池和厌氧池底部安装聚能气体搅拌器装置，有效地实现了缺氧池和厌氧池的填料搅拌和清理，并且这个系统连续实现了3个月无故障运行。在L×W×H＝8m×3m×2m的两座共96立方米的缺氧池中，分别采用潜水搅拌器，穿孔管空气搅拌，和本发明的聚能气体搅拌装置进行对比实验，在达到相同搅拌效果时，潜水搅拌器需要功率3KW的设备4台，穿孔管空气搅拌耗气量为1800m3/h，本发明的聚能气体搅拌装置耗气量为1100m3/h。将单位面积工作区域耗费功率进行换算结果如下：
实际运行结果证明本发明的聚能气体搅拌装置与潜水机械搅拌器相比节省了设备成本费用，与穿孔管空气搅拌相比节省了39％的气量，因此本发明的聚能气体搅拌装置可有效而节能地用于水处理系统的缺氧池和厌氧池的填料搅拌和表面清理。
实施例4
在超滤净水器中作为膜丝清洗装置。
商用超滤净水器多用在连锁餐饮店中，由于每日用水量大，膜丝污染严重，需要频繁清洗，人工拆卸清洗费事费力，目前市场上使用的自动反洗系统，利用正冲洗或反冲洗的方式对净水器进行清洗，由于对超滤膜丝表面的清洗完全由水流带来的表面剪切力来实现，水力小，力度低，清洗效能有限。采用聚能气体搅拌装置可以实现自动控制对超滤净水器的高效清洗。本发明的搅拌清洗装置在商用净水器现场进行了应用实验。每晚该系统自动运行5分钟，生成的大气泡穿过中空纤维过滤膜，利用气水搅动膜丝，使膜表面得到清洗，然后将浊水从净水器底部排出。实验中只需要1.2Nm3/h的空气流量，每天只需要0.1Nm3/h的空气量便可完成清洗。
以上所述是本发明的基本原理，主要特征和本发明的优点。对于本行业的普通技术人员来说，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明原理的前提下，还可做出若干改进和变型。这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.能量聚集气体搅拌器装置，其特征在于：包括集气腔、气管、导流管和活动释放腔；集气腔上端封闭，下端开口，导流管穿过集气腔顶部，气管通入集气腔；活动释放腔套装在导流管的下端，但不固定，能在导流管外上下移动，导流管下端外径大于活动释放腔上端内径；
工作时，活动释放腔能在导流管管口与集气腔上端之间上下移动，完成储气与气体释放功能；
活动释放腔下端截面积大于导流管截面积；活动释放腔是刚性材料制备的腔体，或者是包括上定位定型圈和下定位定型圈，中间连接材料是柔性材料的柔性活动释放腔；
气管在集气腔内，靠近但不接触集气腔的顶部；或者气管在集气腔的底部，但必须将气管管口安排在活动释放腔管口之外。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：导流管的直径为20mm-150mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：活动释放腔下端截面积是导流管截面积的2-10倍。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：集气腔的截面积为活动释放腔截面积的2-20倍。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：导流管和活动释放腔的高度之和小于集气腔的高度。
6.应用如权利要求1-5任意一项所述装置的方法，其特征在于：工作时，随着从气管中均匀流入的气体在集气腔顶部的聚集，持续地将集气腔中的液位不断向下推移，直至气体压迫液位下降至低过活动释放腔的底部，使被压缩的气体泄入活动释放腔内部，并沿着导流管上升进入液体中；当集气腔内的空气泄入活动释放腔中时，流入的气流托起活动释放腔，使更多的空气通过导流管释放出去，直至集气腔内的液体液面推升至淹没导流管的下端口时，活动释放腔渐渐落下，复位，开始下一个空气聚集-释放的周期；
当气体将集气腔中的液位不断向下推移，直至低过柔性活动释放腔的底部时，气体涌入柔性活动释放腔内，下定位定型圈会被气流托起，柔性活动释放腔主体变形，更多气体涌入；当集气腔内气体释放至导流管下沿口时，集气腔内的液体液面升至淹没导流管的下端口，气压与液体压力达到新的平衡，柔性活动释放腔由于下定位定型圈重力大于浮力落下，复位，开始下一个空气聚集-释放的周期。
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