CN105907604B

CN105907604B - 一种单缸沼气池搅拌器

Info

Publication number: CN105907604B
Application number: CN201610333185.7A
Authority: CN
Inventors: 刘艳峰; 陈耀文; 王登甲; 王道坤; 马超; 蒋婧
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: CN105907604A

Abstract

本发明公开了一种单缸沼气池搅拌器，包括进水加压缸体，进水加压缸体顶部设置注水口，进水加压缸体底部连接排水管，进水加压缸体内设置活塞体，活塞体上设置多个单向漏液口；当活塞体沿进水加压缸体径向抬升时，活塞体上的单向漏液口开启，使来自注水口的水穿过单向漏液口流入活塞体下方的进水加压缸体内；当活塞体沿进水加压缸体径向下落时，活塞体上的单向漏液口关闭，通过活塞体对进水加压，缸体内的水通过排水管压入沼气池内料液的活性层；活塞体在进水加压缸体内的反复抬升下落运动，实现加压水流对沼气池内料液的冲击搅拌。

Description

一种单缸沼气池搅拌器

技术领域

本发明专利涉及沼气发酵设备领域，具体涉及一种单缸沼气池搅拌器。

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，且搅拌动力较小。“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、搅拌效果良好的单缸沼气池搅拌器，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：

一种单缸沼气池搅拌器，包括进水加压缸体，进水加压缸体顶部设置注水口，进水加压缸体底部连接排水管，进水加压缸体内设置活塞体，活塞体上设置多个单向漏液口；

当活塞体沿进水加压缸体径向上升时，活塞体上的单向漏液口开启，使来自注水口的水穿过单向漏液口流入活塞体下方的进水加压缸体内；

当活塞体沿进水加压缸体径向下落时，活塞体上的单向漏液口关闭，通过活塞体将进水加压缸体内的水通过排水管压入沼气池内料液的活性层；

活塞体在进水加压缸体内反复抬升下落运动，实现加压水流对沼气池内料液的冲击搅拌。

具体的，所述的活塞体包括活塞，活塞为圆盘形的橡胶垫，单向漏水口包括漏水口和阀瓣，在活塞朝向注水口的面层嵌设非贯穿的漏水口，在漏水口下的活塞面层上嵌设仅能朝向排水管方向打开的阀瓣。

进一步的，在所述的活塞体下方悬设球形封堵体，球形封堵体设置在排水管内，进水加压缸体与排水管连接处的口径小于排水管的管径，球形封堵体的直径大于进水加压缸体与排水管的连接处的口径，球形封堵体的直径小于排水管的管径。

还有，在所述的排水管的管口设置四向喷口，四向喷口的喷液方向与排水管的液流方向垂直。

另外，还包括手动杆支架和手动杆，活塞体包括活塞杆和与活塞杆垂直固接的活塞，活塞上设置单向漏液口；

手动杆支架设置在进水加压缸体的外壁上，手动杆轴连接在手动杆支架上进行杠杆运动，活塞杆将活塞悬设在手动杆上。

具体的，手动杆的一端依次设置支架连接点和活塞杆连接滑口，手动杆通过支架连接点轴连接在手动杆支架上，活塞杆轴连接在活塞杆连接滑口上。

更具体的，所述的手动杆支架包括第一连接轴、第二连接轴和固定杆，固定杆固定在进水加压缸体的外壁上，第一连接轴和第二连接轴沿竖向依次固定在两个限位板上，固定杆在第二连接轴与两个限位板固定连接，手动杆在第一连接轴与手动杆支架轴连接。

再具体的，所述的活塞杆包括杆体，杆体的顶端设置“U”形框和第三连接轴，杆体的底端固定连接活塞，第三连接轴横跨在“U”形框内，活塞杆通过第三连接轴悬设在手动杆上。

本发明有益效果是：

1、对沼气池的搅拌效果佳：本发明利用日常补水对沼气池进行搅拌，同时实现了补水和搅拌的效果。向沼气池内补充清澈的水时，可采用小口径的喷口，以提高补水的喷出速度，从而扩大搅拌范围。

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为本发明的单缸沼气池搅拌器的立体结构图；

图2为本发明的单缸沼气池搅拌器安装在沼气池中的安装示意图；

图3为本发明的单缸沼气池搅拌器的手动杆按压状态原理图；

图4为本发明的单缸沼气池搅拌器的手动杆抬升状态原理图；

图5为手动杆结构放大图；

图6为活塞结构剖面放大图；

图7为活塞平面图；

图8为手动杆支架剖面结构放大图；

图9为活塞杆顶部悬挂结构放大图；

图10为搅拌装置工作时沼气池内部速度分布图。

图中各标号表示为：1-手动杆、11-活塞杆连接滑口、12-支架连接点、2-手动杆支架、21-第一连接轴、22-第二连接轴、23-固定杆、3-进水加压缸体、31-活塞杆、310-“U”形框、311-第三连接轴、32-注水口、33-排水管、34-四向喷口、35-活塞、351-漏水孔、352-阀瓣、353-螺母、354-垫片、36-球形封堵体、4-平台支架、5-沼气池、6-混凝土预埋体；

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

沼气发酵过程中，需要消耗一定量的水，因而日常需要定期补水，可利用补水对沼液进行搅拌。本发明的单缸沼气池的搅拌原理即先将自来水注入缸体内，然后根据“杠杆”及“活塞”原理，按压手动杆，带动活塞杆向下运动，进而带动活塞对自来水施压，在此过程中将人施加给搅拌装置的机械能转化为自来水的动能，自来水从喷口高速喷出时带动池内沼液运动，从而达到搅拌沼液的目的。

不对沼气池搅拌时，池内的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，四向喷口设置于该层时，高速喷出的水首先对其附近的沼液进行搅拌，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。

结合图1-9，本发明的单缸沼气池搅拌器包括进水加压缸体3，进水加压缸体3顶部设置注水口32，进水加压缸体3底部连接排水管33，进水加压缸体3内设置活塞体，活塞体上设置多个单向漏液口；当活塞体沿进水加压缸体3径向抬升时，活塞体上的单向漏液口开启，使来自注水口的水穿过单向漏液口流入活塞体下方的进水加压缸体3内；当活塞体沿进水加压缸体3径向下落时，活塞体上的单向漏液口关闭，通过活塞体将进水加压缸体3内的水通过排水管33压入沼气池内料液的活性层；活塞体在进水加压缸体3内的反复抬升下落运动，实现加压水流对沼气池内料液的冲击搅拌。进水加压缸体3与排水管33的管径比的范围为4～6，这样设置的管径比，不仅有利于对沼气池内料液的充分混合搅拌，同时以最小的耗材完成所需的要求，节省成本，节省人力；活塞体与活塞体上的单向漏液口的直径比范围为4～6，以保证来自注水口的水能顺利通过单向漏液口进入缸体内。

活塞体包括活塞35，活塞35为圆盘形的橡胶垫，单向漏水口包括漏水孔351和阀瓣352，在活塞35朝向注水口32的面层嵌设非贯穿的漏水孔351，在漏水孔351下的活塞35面层上嵌设仅能朝向排水管33方向打开的阀瓣352。搅拌器工作时，活塞35下移，受水的反作用力阀瓣352弹起，闭塞漏水孔351，从而对补水施加压力；在不受反作用力时，阀瓣352自然倾斜，漏水孔351敞开使水流流下。

在活塞体下方悬设球形封堵体36，球形封堵体36设置在排水管33内，球形封堵体36可以为钢制球，进水加压缸体3与排水管33的连接处的口径小于排水管33的管径，球形封堵体36的球径大于进水加压缸体3与排水管33的连接处的口径，球形封堵体36的直径小于排水管33的管径，排水管的管径与球形封堵体直径的比值范围为1.3～1.5，以保障按压手动杆时，加压后的补水能够流畅通过排水管。在排水管33的管口设置四向喷口34，四向喷口34的喷液方向与排水管33的液流方向垂直。排水管33的管径与四向喷口34的口径的比值范围可以为2～4，这样的管径比的设置能保证水流以一定的压力喷出，对活性层内的沼液产生一定的冲击力，从而进行沼液的搅拌。

还包括手动杆支架2和手动杆1，活塞体包括活塞杆31和与活塞杆31垂直固接的活塞35，活塞35上设置单向漏液口；手动杆支架2设置在进水加压缸体3的外壁上，手动杆1轴连接在手动杆支架2上进行杠杆运动，活塞杆31将活塞35悬设在手动杆1上。根据“杠杆”原理，当人施力点距支点的力臂远大于活塞杆端头受力点距支点的力臂时，使用者施加少许力便可带动活塞35运动。根据“动量守恒”定理，活塞35作用于自来水的时间相同时，对沼液施加的压力越大，沼液所获得的动量越大，沼液喷出的速度越大，搅拌效果越明显。因此，与一般搅拌装置相比，操作者施加相同的力时，本装置对补水施加的压力更大，搅拌效果较好。

手动杆1的一端依次设置支架连接点12和活塞杆连接滑口11，手动杆1通过支架连接点12轴连接在手动杆支架2上，活塞杆31轴连接在活塞杆连接滑口11上。手动杆支架2包括第一连接轴21、第二连接轴22和固定杆23，固定杆23固定在进水加压缸体3的外壁上，第一连接轴21和第二连接轴22沿竖向依次固定在两个限位板上，固定杆23在第二连接轴22与两个限位板固定连接，手动杆1在第一连接轴21与手动杆支架2轴连接。活塞杆31包括杆体，杆体的顶端设置“U”形框310和第三连接轴311，杆体的底端固定连接活塞35，第三连接轴311横跨在“U”形框310内，活塞杆31通过第三连接轴311悬设在手动杆1上。

参见图2，本发明的搅拌器安装于沼气池5上部地面，利用地脚螺栓将平台支架4固定在混凝土预埋体6上，搅拌器焊接于预留有管道孔的平台支架4上；四向喷口34则设置于沼气池5中下层的活性层内。

参见图3，操作者向下按压手动杆1，带动活塞杆31、活塞35、绳子及球形封堵体36一起向下移动，活塞35对水施加压力的同时，水对活塞35产生反作用力，在该力作用下阀瓣352弹起，关闭漏水孔351，从而对水充分施加压力，球形封堵体36下移，缸体上的排水孔敞开，水流经排水管33由四向喷口34喷出。

参见图4，操作者向上提起手动杆1，带动活塞杆31、活塞35、绳子及球形封堵体36一起向上移动。由于手动杆1向上转动时，支架连接点12与活塞杆连接滑口11的距离变大，在提升力的作用下第三连接轴311向外移动，直至移到活塞杆连接滑口11顶端，此时球形封堵体36正好堵塞缸体的排水孔，将由注水口32注入的自来水储存于缸体内，以便后期加压。

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3、图4，搅拌器运行时，包括注水和加压两个过程。按压过程中，初始时人的施力点距固定支点的力臂最短，因而相比于手动杆处于其他位置时较为费力，因此只需满足最不利条件下操作者施加给手动杆的力在其可接受的范围内。

加压过程的力矩平衡方程：

F₁Lcosθ＝F₂d (1)

式中：

F₁为人施加给手动杆末端的力，N；

F₂为手动杆作用于活塞杆上的力，N；

L为手动杆长度，mm；

θ为手动杆与水平方向投影的夹角，°；

d为活塞杆到固定支点间的水平距离，mm。

缸体内水的平均流速：

式中：

t₁为吸入沼液耗时，s；

h₁有效提升压缩高度，mm。

质量守恒方程：

v₁A₁＝v₂A₂ (3)

v₁A₁＝4v₃A₁ (4)

v₃A₁＝v₄A₃ (5)

式中：

A₁为缸体截面面积，m²；

A₂为排水管截面面积，m²；

A₃为喷口面积，m²；

v₁为缸体内水的平均流速，m/s；

v₂为排水管内水的平均流速，m/s；

v₃为四向管内水的平均流速，m/s；

v₄为喷口处的平均流速，m/s。

缸体1中流体的能量方程：

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为缸体与沼气池内的水位差，m；

h_m为搅拌装置的阻力损失，m。

对于搅拌器的阻力损失，考虑到排水管较短，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：

式中：

ζ为局部阻力系数，弯头取0.5，管道进口1.0。

突然缩小的阻力系数：

突然扩大的阻力系数：

式中：

A为沼气池内沼液的纵截面面积。

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，可计算得到排液管内液体流速、人需要施加的力等。

假定沼气池搅拌器采用直径150mm、高度350mm的不锈钢缸体，有效提升压缩高度为250mm，排水管均采用管径30mm的PVC管，活塞杆到固定支点间的水平距离d为10mm，手动杆长度L为500mm，喷口直径15mm，并对其搅拌效果进行模拟分析。

按压过程的长短与操作者施加给水的压力有关，压力大则耗时短，压力小耗时长，已知按压过程时长，可计算出操作者所需施加力的大小。假设按压过程的时长为2s。

将上述数值代入式(2)、(3)、(4)、(5)计算得到搅拌装置工作时不同位置处水加压后的流速。

其中，v₁＝0.11m/s，v₂＝2.8m/s，v₃＝0.7m/s，v₄＝2.77m/s。根据质量守恒定理，可计算出喷口处的流速为2.77m/s。

利用式(8)、(9)计算得到，缸体到排水管的局部阻力系数ζ₁＝0.48，喷口处的局部阻力系数ζ₂＝1。查资料获得，弯头的局部阻力系数取0.5。

利用式(7)计算得到缸体到排水管的局部阻力损失h_m1为0.192m，水通过弯头的局部阻力损失h_m2为0.013m，喷口前渐缩段的阻力很小，可忽略不计。喷口处的局部阻力损失h_m3＝0.39m。

假定沼气池内液面与缸体内液面平均高程差ΔZ为1.2m。查文献知，水压式沼气池池体内外压差Δp为8kPa。

将上述数据代入式(6)可计算出，活塞施加给自来水的压力F₁为106N。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30N。

为定量分析一种单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，排水管管径取30mm，四向喷口的口径取15mm。四向喷口中心轴线距池底的高度取0.4m。喷口处流速设为2.77m/s。

模拟计算结果如图10所示。由图中看出，搅拌装置工作时，沼气池内沼液的速度分布基本关于池体竖直中心轴对称，沼气池内大部分区域的沼液在自来水扰动下产生运动，但不同区域沼液运动速度差异明显，喷口处自来水的扰动最为剧烈，离喷口越远沼液流动速度越小。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

1.一种单缸沼气池搅拌器，其特征在于，包括进水加压缸体（3），进水加压缸体（3）顶部设置注水口（32），进水加压缸体（3）底部连接排水管（33），进水加压缸体（3）内设置活塞体，活塞体上设置多个单向漏液口；

当活塞体沿进水加压缸体径向上升时，活塞体上的单向漏液口开启，使来自注水口（32）的水穿过单向漏液口流入活塞体下方的进水加压缸体（3）内；

当活塞体沿进水加压缸体径向下落时，活塞体上的单向漏液口关闭，通过活塞体将进水加压缸体（3）内的水通过排水管（33）压入沼气池内料液的活性层；

活塞体在进水加压缸体（3）内反复抬升下落运动，实现加压水流对沼气池内料液的冲击搅拌；

所述的活塞体包括活塞（35），活塞（34）为圆盘形的橡胶垫，单向漏水口包括漏水孔（354）和阀瓣（352），在活塞（35）朝向注水口（32）的面层嵌设非贯穿的漏水孔（354），在漏水孔（354）下的活塞（35）面层上嵌设仅能朝向排水管（33）方向打开的阀瓣（352）；

在所述的活塞体下方悬设球形封堵体（36），球形封堵体（36）设置在排水管（33）内，进水加压缸体（3）与排水管（33）连接处的口径小于排水管（33）的管径，球形封堵体（36）的直径大于进水加压缸体（3）与排水管（33）的连接处的口径，球形封堵体（36）的直径小于排水管（33）的管径；

在所述的排水管（33）的管口设置四向喷口（34），四向喷口（34）的喷液方向与排水管（33）的液流方向垂直；

还包括手动杆支架（2）和手动杆（1），活塞体包括活塞杆（31）和与活塞杆（31）垂直固接的活塞（35），活塞（35）上设置单向漏液口；

手动杆支架（2）设置在进水加压缸体（3）的外壁上，手动杆（1）轴连接在手动杆支架（2）上进行杠杆运动，活塞杆（31）将活塞（35）悬设在手动杆（1）上。

2.如权利要求1所述的单缸沼气池搅拌器，其特征在于，手动杆（1）的一端依次设置支架连接点（12）和活塞杆连接滑口（11），手动杆（1）通过支架连接点（12）轴连接在手动杆支架（2）上，活塞杆（1）轴连接在活塞杆连接滑口（11）上。

3.如权利要求1所述的单缸沼气池搅拌器，其特征在于，所述的手动杆支架（2）包括第一连接轴（21）、第二连接轴（22）和固定杆（23），固定杆（23）固定在进水加压缸体（3）的外壁上，第一连接轴（21）和第二连接轴（22）沿竖向依次固定在两个限位板上，固定杆（23）在第二连接轴（22）与两个限位板固定连接，手动杆（1）在第一连接轴（21）与手动杆支架（2）轴连接。

4.如权利要求1所述的单缸沼气池搅拌器，其特征在于，所述的活塞杆（31）包括杆体，杆体的顶端设置“U”形框（310）和第三连接轴（311），杆体的底端固定连接活塞（35），第三连接轴（311）横跨在“U”形框（310）内，活塞杆（31）通过第三连接轴（311）悬设在手动杆（1）上。