CN108483687B - 一种驱动结构优化的混合充氧机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动结构优化的混合充氧机，包括文丘里进气装置，锥形上升筒(8)，下部上升筒装置，出流筒装置，与出流筒装置连接的电机驱动装置，连接在电机驱动装置上且与锥形上升筒(8)之间形成下层曝气室(19)的下层曝气叶片(10)；所述下层曝气叶片(10)与水平面的夹角为30～60°，且下层曝气叶片(10)的外缘与锥形上升筒(8)的内壁的水平间距为5～20cm；具体的，该下层曝气叶片(10)与水平面的最优夹角为45°，且下层曝气叶片(10)的外缘与锥形上升筒(8)的内壁的最优水平间距为10cm。本发明通过设置叶片与水平面的夹角和叶片外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距，可以有效的提高混合水量，进而降低设备的运行成本。

Description

一种驱动结构优化的混合充氧机

技术领域

本发明涉及湖泊水库水质污染控制领域，具体是指一种驱动结构优化的混合充氧机。

背景技术

针对湖泊水库等封闭或半封闭水体污染问题，目前原位控制技术主要有物理控制技术、物化控制技术、生物控制技术以及生态修复技术。物理控制技术包括底泥疏浚、定期引水换水和混合充氧技术；物化控制技术包括底泥封闭、底泥钝化和混凝沉淀等方法；生物控制技术主要为生物投菌法；生态修复技术包括人工湿地、人工生态浮岛以及稳定塘技术。对于底泥淤积污染严重的湖库，底泥疏浚是适宜水质控制技术；对于底泥淤积污染不太严重及底泥疏浚后的湖库，混合充氧和生态修复分别是采用较多的原位物理和生物控制技术，具体的治理技术应因地制宜、因“水”制宜。

在各种水质控制技术中，对于水容较小、底泥淤积污染严重的湖库，底泥疏浚会起到明显的效果，但不适用于水容量大的湖库水体，且底泥疏浚可能破坏水底的固有生态系统，须进行植物和微生物修复；疏浚底泥的堆放和无害化处理难度极大，疏浚成本极其高昂，故对其应用非常慎重。

引水、换水稀释法存在污染的转移，且工程量较大，投资高。投加化学药剂是一种应急的方法，加入化学药剂引起的次生水质风险较大，对环境的影响有待进一步研究。混合充氧技术实施简单、收效快，是采用较多的主流物理控制技术，但目前传统的混合充氧设备主要还是依靠安装于水体底部的曝气器或通气管来进行充氧，同时起到混合水体的作用，这些曝气设备水下安装困难、维护不易、而且能量效率一般低于10%、能耗较高。

生物投菌法可以治理水体富营养化，并可以激活水中部分土著微生物而增强水体自净能力，但目前微生物菌剂的菌种单一、功能有待提高；且向水体中投加外来菌种，会存在一定的环境适应性、生物安全性等问题，故工程应用比较有限。

人工生态浮岛水质修复技术，具有一定的经济性和实用性, 但生态浮岛净水范围有限、大量生长繁殖的水生植物后续处理问题比较棘手，也限制了其大规模应用；生物操纵存在高效微生物的环境适应性及安全性问题，目前还局限于小范围应用。

针对传统混合充氧设备安装维护难、运行成本高等先天不足，已出现了新型混合充氧设备（ZL2014100064732、ZL 2015109082410），其主体驱动单元置于水体上部、通过表层负压吸入空气而充氧，循环混合水体，创造性地解决了安装维护难、运行成本高的实际应用问题。该设备依靠浮体使其漂浮、垂直立于水中；并利用尼龙绳将装置底部与锚固墩相连，使装置固定水体中。四根对称布置的进气管伸出水面。工作时水泵出水通过文丘里进气装置的下部直筒，从渐缩管流入缩小管时，水流速度因过水断面的减小增大，从而在缩小管处产生负压，空气因负压被吸入缩小管中，此为一次曝气过程。当水泵导流板伸出水面，水流会依次经过出水延伸筒和水泵导流板，经导流板导流像喷泉一样向四周喷水，此为二次曝气过程。整个过程有着充足的曝气量，并使下部水体经充氧提升至上部水体，形成一定范围内的水体循环。当水体污染较严重时，水泵导流板也可设置在水面以下，可以形成一个范围更大的水体循环，更好地通过混合充氧净化水质。上述设备中驱动系统结构对混合充氧性能影响很大，合理地对驱动系统结构进行优化，在外部能量输入功率相同的条件下，会大大提高混合水量和负压吸氧量，从而进一步显著降低其运行成本；但目前尚缺乏此方面的改进和创新报道。

发明内容

本发明的目的在于克服混合充氧机所存在的上述缺陷，提供一种驱动结构优化的混合充氧机。

一种驱动结构优化的混合充氧机，包括文丘里进气装置，与文丘里进气装置上端相连通的锥形上升筒，与文丘里进气装置下端相连通的下部上升筒装置，设置在锥形上升筒外围的出流筒装置，与出流筒装置连接的电机驱动装置，以及连接在电机驱动装置上且与锥形上升筒之间形成下层曝气室的下层曝气叶片；所述下层曝气叶片的中心轴线位于水平面上，且下层曝气叶片与水平面呈30～60°夹角；所述下层曝气叶片的外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距为5～20cm。

进一步，还包括与电机驱动装置连接并位于下层曝气叶片上方，且与锥形上升筒之间形成上层曝气室的上层曝气叶片；所述上层曝气叶片的中心轴线位于水平面上，且上层曝气叶片与水平面呈30～60°夹角；所述上层曝气叶片的外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距为5～20cm。

所述下层曝气叶片和上层曝气叶片与水平面的夹角均为45°，且下层曝气叶片的外缘和上层曝气叶片的外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距均为10cm。

所述下层曝气叶片和上层曝气叶片上均垂直设置有切刀。

所述出流筒装置包括设置在锥形上升筒外围的上部直筒，设置在上部直筒上端的顶板；所述顶板上设置有若干个空气溢流孔，所述上部直筒上设置有浮筒；所述电机驱动装置则安装在顶板上。

所述电机驱动装置包括安装在顶板上的电机，贯穿顶板后连接在电机转轴上的中空连接轴；所述下层曝气叶片和上层曝气叶片均为具有中空腔体的锥体且与中空连接轴相连通，所述下层曝气叶片的数量和上层曝气叶片的数量均为2n片，n≧1，且均对称设置在中空连接轴的周向；所述中空连接轴上设置有进气口。

所述文丘里进气装置包括缩小管，与缩小管相连通的若干进气管；所述锥形上升筒与缩小管的上端相连通，下部上升筒装置则与缩小管的下端相连通，所述进气管贯穿上部直筒。

所述缩小管的半径为3～6cm。

所述下部上升筒装置包括与缩小管的下端相连通的下部锥形筒，与下部锥形筒相连通的下部上升筒；所述下部上升筒内设置有滤网。

所述下部上升筒通过铁链连接有锚固墩；所述下部上升筒上设置有下部挡板。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过设置叶片与水平面的夹角和叶片外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距，可以有效地提高混合水量，进而降低设备的运行成本。

（2）本发明通过设计上下两层曝气叶片，提高了设备的提升力，进一步提高混合水量，降低设备的运行成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中的混合充氧机的结构示意图。

图2为本发明实施例1的下层曝气叶片的设置示意图。

图3为本发明实施例1的下层曝气叶片的夹角对提升流量的影响的曲线图。

图4为本发明实施例1的下层曝气叶片与锥形上升筒的设置示意图。

图5为本发明实施例1中下层曝气叶片的外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距为5cm时，锥形上升筒附近水流速度场模拟图。

图6为本发明实施例1中下层曝气叶片的外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距为10cm时，锥形上升筒附近水流速度场模拟图。

图7为本发明实施例1中下层曝气叶片的外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距为15cm时，锥形上升筒附近水流速度场模拟图。

图8为本发明实施例1中下层曝气叶片的外缘与锥形上升筒的内壁的水平间距为20cm时，锥形上升筒附近水流速度场模拟图。

图9为本发明实施例1中锥形上升筒与下层曝气叶片的中心轴线所在的水平截面的不同半径对水量提升的影响示意图。

图10为本发明实施例1中缩小管半径对水量提升的影响的示意图。

图11为本发明实施例2中的混合充氧机的结构示意图。

图12为本发明设置上层曝气叶片和没有设置上层曝气叶片时对水量提升影响的示意图。

符图中的符图标记名称为：1—电机、2—空气溢流孔、3—浮筒、4—上部直筒、5—进气口、6—上层曝气叶片、7—进气管、8—锥形上升筒、9—中空连接轴、10—下层曝气叶片、11—顶板、12—下部锥形筒、13—下部挡板、14—下部上升筒、15—护筒、16—缩小管、17—铁链、18—锚固墩、19—下层曝气室、20—上层曝气室、21—滤网、22—切刀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的驱动结构优化的混合充氧机，包括文丘里进气装置，与文丘里进气装置上端相连通的锥形上升筒8，与文丘里进气装置下端相连通的下部上升筒装置，设置在锥形上升筒8外围的出流筒装置，与出流筒装置连接的电机驱动装置，以及连接在电机驱动装置上且与锥形上升筒8之间形成下层曝气室19的下层曝气叶片10。

其中，出流筒装置包括设置在锥形上升筒8外围的上部直筒4，设置在上部直筒4上端的顶板11；该直筒4和顶板11之间形成一个腔体，该上升筒8则位于腔体内；所述电机驱动装置则安装在顶板11上。

为了可以将气体从腔体内排出，作为一种优选，该顶板11上设置有若干个空气溢流孔2，通过空气溢流孔2可以将气体排出，本实施例中，空气溢流孔2的数量可以设置为4个。

作为一种优选，该上部直筒4上可以设置浮筒3，该浮筒3可以通过螺钉的方式固定在直筒4的外围，通过浮筒3的浮力作用，可以使整个装置浮起来。

该电机驱动装置包括电机1和中空连接轴9。该电机1安装在顶板11上，中空连接轴9则贯穿顶板11后连接在电机1的转轴上。该下层曝气叶片10则连接在中空连接轴9上，且该下层曝气叶片10与中空连接轴9相对接的中心轴线位于水平面上。具体的，该下层曝气叶片10的数量为2n片，n≧1；在本实施例中，n取值为4，即下层曝气叶片10的数量为8片，且对称设置在中空连接轴9的周向。当电机1启动时，则会带动下层曝气叶片10转动。作为一种优选，电机1由电机控制器进行控制，根据水质污染程度，如果污染水质重则控制电机1连续运行；如果水质污染较轻则可控制电机1间歇运行；控制电机运行的电机控制器为成熟技术，在此再过多说明。

为了防止电机1受到水的浸泡，该顶板11上可以设置护筒15，而电机1则位于护筒15内。

为了提高该混合充氧机的氧气传质效率，作为一种优选，该中空连接轴9为中空结构，该下层曝气叶片10为具有中空腔体的锥体，如图1所示，该下层曝气叶片10与中空连接轴9相连通。该中空连接轴9的上端设置有进气口5，在使用时，该进气口5位于水面之上。

所述文丘里进气装置包括缩小管16，与缩小管16相连通的若干进气管7；所述锥形上升筒8与缩小管16的上端相连通，所述进气管7贯穿上部直筒4。在使用时，该进气管7的进气口位于水面上方，本实施例中，进气管7的数量设置为4根。

所述下部上升筒装置包括与缩小管16的下端相连通的下部锥形筒12，与下部锥形筒12相连通的下部上升筒14。该缩小管16的半径小于上升筒8、下部锥形筒12以及下部上升筒14这三者的半径。

为了起到对进水进行过滤的效果，该下部上升筒14内设置有滤网21，通过滤网21可以将进水中的杂物过滤。

为了固定该混合充氧机，该下部上升筒14通过铁链17连接有锚固墩18。

在使用时，将该混合充氧机安放在湖泊水库中，依靠装置顶部浮筒3的浮力，使整个装置漂浮、垂直立于水中，依靠锚固墩18使装置固定于湖泊水库底部。首先开启电机1，中空连接轴9带动下层曝气叶片10旋转，依靠下层曝气叶片10旋转产生的向上提升力，使水依次沿下部上升筒14、下部锥形筒12、缩小管16以及锥形上升筒8由下向上流动。同时，由于下层曝气叶片10是在旋转状态，其内部的水在离心力作用下被甩出，此时中空连接轴9内产生负压，空气则从中空连接轴9的进气口5被吸入。另外，当水体经过下部上升筒14和下部锥形筒12到达缩小管16时，会因缩小管16较小的过水断面而产生较大的水流速度，在缩小管16处因流速较快而产生负压，空气随即因文丘里原理而从进气管7被吸入到缩小管16。依靠水流的向上携带作用和气泡本身的浮力作用，空气通过缩小管16进入曝气室19，在下层曝气叶片10高速旋转而产生的剧烈紊动及切割气泡作用下，空气中的氧气被溶解进入水中，未溶解的氧气和不能溶解的氮气则随水流上升，直达顶板11，在顶板11之下聚集；通过调节顶板上空气溢流孔2的开启度，使曝气室19的顶部维持一定的气柱高度，让曝气室内经过充氧的水流翻过锥形上升筒8的顶部，并从锥形上升筒8和上部直筒4之间进入外部水体，充氧后的等温层水体再与周围水体混合，形成自上而下的循环水流，通过水体循环不断破坏水体分层并向等温层水体充氧，实现预期的原位水质改善效果。由于进气管7和中空连接轴9均可吸入空气，因此可以提高氧气的传质效率。

为了提高氧气传质效率，该下部上升筒14上设置有下部挡板13，从曝气室中溢出的水流导流至下部挡板13，从而将垂向流动转变为水平流动，充氧后的水体反复在表层和底层之间循环流动。该下部挡板13可通过螺纹与下部上升筒14连接，从而可以调节该下部挡板13的高度。

为了进一步的提高氧气传质效率，还可以在下层曝气叶片10上垂直设置切刀22，当下层曝气叶片10转动时，切刀22可以切割气泡，使氧气更好的与水混合。

为了提高该混合充氧机的提水量，如图2所示，该下层曝气叶片10与水平面形成夹角α，夹角α为30～60°，可以将下层曝气叶片10与水平面的夹角α设置为30°或60°，本实施例设置为最优的45°。

在其它参数固定的情况下，将下层曝气叶片10与水平面的夹角α分别设置为15°、30°、45°、60°以及75°，并在缩小管16内取若干采样点，测每个采样点到缩小管16轴中心的距离，通过各个采样点的水流速度，测试得出提升水的流量和下层曝气叶片10与水平面夹角的关系如表1所示：

表1 ：提升水的流量和下层曝气叶片与水平面夹角的关系

夹角角度	15°	30°	45°	60°	75°
						流量（L/s）	0.131214	0.144351	0.198256	0.167325	0.113174

下层曝气叶片10与水平面的夹角α对提升水的流量的影响的曲线图如图3所示，由上述表1和附图3可以得知，下层曝气叶片10与水平面的夹角为45°时，提升水的流量最大。

另外，如图4所示，该下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距为L，其中，L为5～20cm。该下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距L可以设置为5 cm或15 cm或20 cm，本实施例设置为最优的10 cm。

将下层曝气叶片10与水平面的夹角设置为45°，下层曝气叶片10的长度加上中空连接轴9的半径总和设置为0.15m，即设置中空连接轴9中心轴线到下层曝气叶片10外缘的距离为0.15m，能缩小管16的长度对提升流量影响较小，且锥形上升筒的扩散倾角会使流量有较大的改变，故保持锥形上升筒8的扩散倾角不变，同时缩短缩小管16的长度，将缩小管16上段出口位置下移，使锥形上升筒8与下层曝气叶片10的中心轴线所在的水平截面的半径为R₁，且R₁为20cm、25cm、30cm以及35cm，其它参数保持不变，通过数值模拟实验确认下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距L对提水量的影响，具体如下：

如图5所示，当水平截面的半径为20cm时，下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距则为5cm，此时水流主体垂直向上，但也因碰撞到顶板11而消耗部分动能。

如图6所示，当水平截面的半径为25cm时，下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距则为10cm，此时水流一部分垂直向上，一部分沿下层曝气叶片10和锥形上升筒8内壁之间的环形缝隙向下流动。

如图7所示，当水平截面的半径为30cm时，下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距则为15cm，此时水流一部分垂直向上，一部分依然沿下层曝气叶片10和锥形上升筒8内壁之间的环形缝隙向下流动，但开始有部分返混现象发生，消耗的动能将会增加。

如图8所示，当水平截面的半径为35cm时，下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距则为20cm，此时水流少部分垂直向上，一部分依然沿下层曝气叶片10和锥形上升筒8内壁之间的环形缝隙向下流动，但返混现象严重，消耗的动能将会大大增加。

利用锥形上升筒8上部环形出口断面流速信息和面积，可以得到通过锥形上升筒8环形出口处的水流流量；如图9所示，当水平截面半径为25 cm时的流量最大，即下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距为10cm时提升水的流量最大。

另外，所述缩小管16的半径为3～6cm；具体的，该缩小管16的半径可以设置为3cm、3.5 cm、4 cm或6 cm，本实施例将缩小管16的半径设置为最优的5cm。

将下层曝气叶片10与水平面的夹角设置为45°，下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距设置为10cm，分别将缩小管16的半径设置为2.5cm、3 cm、3.5 cm、4cm、6 cm以及7cm，其它参数保持不变，通过不同缩小管16的半径来做实验，确认缩小管16的半径对提水量的影响，具体结果如表2：

表2 ：提升水的最大流量与缩小管半径的关系

缩小管半径d	2.5cm	3.0cm	3.5cm	4.0cm	5.0cm	6.0cm	7.0cm
								最大流量（L/s）	0.198	0.226	0.241	0.315	0.374	0.204	0.145

根据上述表2和图10可得知，随着缩小管16半径的增大，提水量逐步增大，当缩小管16的半径达到5cm时，提水量达到最大，之后随着缩小管16半径的增大提水量则下降；因此缩小管16的半径为5cm为最优的尺寸。

实施例2

如图11所示，本实施例的驱动结构优化的混合充氧机其结构与实施例1中的驱动结构优化的混合充氧机的结构基本相同，其不同点在于，在中空连接轴9上还连接有上层曝气叶片6，该上层曝气叶片6位于下层曝气叶片10上方，且与锥形上升筒8之间形成上层曝气室20。同样的，该上层曝气叶片6上也垂直设置有切刀22，其结构、数量与下层曝气叶片10的结构、数量均相同，即为具有中空腔体的锥体，且与中空连接轴9相连通，并相对中空连接轴9对称设置；该上层曝气叶片6与水平面的夹角、上层曝气叶片6的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距的设置方式均与下层曝气叶片10的设置方式相同，在此不做过多赘述。

由于上层曝气叶片6与锥形上升筒8之间形成上层曝气室20，因此本实施例中通过两个曝气室的作用使空气中的氧气更好地被溶解进入水中。

将下层曝气叶片10与水平面的夹角设置为45°，下层曝气叶片10的外缘与锥形上升筒8的内壁的水平间距设置为10cm，缩小管16的半径设置为5cm，并在缩小管16内取若干采样点，测每个采样点到缩小管16轴中心的距离，根据各个采样点的水流速度，通过实验对比设置上层曝气叶片6和没有设置上层曝气叶片6对提升水的流量的影响，结果如表3：

表3：提升水的流量与曝气叶片层数的关系

	不设置上层曝气叶片	设置上层曝气叶片
			流量（L/s）	0.3741	0.5203

由上述表3和附图12可知（附图12中单桨是指没有设置上层曝气叶片的情况，双桨是指设置了上层曝气叶片的情况），本实施例中设置有上层曝气叶片的混合充氧机其提水量远大于没有设置上层曝气叶片的混合充氧机。

如上所述，便可很好地实现本发明。

Claims (7)

1.一种驱动结构优化的混合充氧机，包括文丘里进气装置，与文丘里进气装置上端相连通的锥形上升筒（8），与文丘里进气装置下端相连通的下部上升筒装置，设置在锥形上升筒（8）外围的出流筒装置，与出流筒装置连接的电机驱动装置，以及连接在电机驱动装置上且与锥形上升筒（8）之间形成下层曝气室（19）的下层曝气叶片（10）；其特征在于，所述下层曝气叶片（10）的中心轴线位于水平面上，且下层曝气叶片（10）与水平面呈30～60°夹角；所述下层曝气叶片（10）的外缘与锥形上升筒（8）的内壁的水平间距为5～20cm；

还包括与电机驱动装置连接并位于下层曝气叶片（10）上方，且与锥形上升筒（8）之间形成上层曝气室（20）的上层曝气叶片（6）；所述上层曝气叶片（6）的中心轴线位于水平面上，且上层曝气叶片（6）与水平面呈30～60°夹角；所述上层曝气叶片（6）的外缘与锥形上升筒（8）的内壁的水平间距为5～20cm；

所述电机驱动装置包括安装在顶板（11）上的电机（1），贯穿顶板（11）后连接在电机（1）转轴上的中空连接轴（9）；所述下层曝气叶片（10）和上层曝气叶片（6）均为具有中空腔体的锥体且与中空连接轴（9）相连通，所述下层曝气叶片（10）的数量和上层曝气叶片（6）的数量均为2n片，n≧1，且均对称设置在中空连接轴（9）的周向；所述中空连接轴（9）上设置有进气口（5）；

其中，下层曝气叶片（10）的长度加上中空连接轴（9）的半径总和设置为0.15m，即设置中空连接轴（9）中心轴线到下层曝气叶片（10）外缘的距离为0.15m；所述锥形上升筒（8）与下层曝气叶片（10）的中心轴线所在的水平截面的半径为R1，且R1为20cm、25cm、30cm以及35cm；

所述文丘里进气装置包括缩小管（16），与缩小管（16）相连通的若干进气管（7）；所述锥形上升筒（8）与缩小管（16）的上端相连通，下部上升筒装置则与缩小管（16）的下端相连通，所述进气管（7）贯穿上部直筒（4）。

2.根据权利要求1所述的一种驱动结构优化的混合充氧机，其特征在于，所述下层曝气叶片（10）和上层曝气叶片（6）与水平面的夹角均为45°，且下层曝气叶片（10）的外缘和上层曝气叶片（6）的外缘与锥形上升筒（8）的内壁的水平间距均为10cm。

3.根据权利要求2所述的一种驱动结构优化的混合充氧机，其特征在于，所述下层曝气叶片（10）和上层曝气叶片（6）上均垂直设置有切刀（22）。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种驱动结构优化的混合充氧机，其特征在于，所述出流筒装置包括设置在锥形上升筒（8）外围的上部直筒（4），设置在上部直筒（4）上端的顶板（11）；所述顶板（11）上设置有若干个空气溢流孔（2），所述上部直筒（4）上设置有浮筒（3）；所述电机驱动装置则安装在顶板（11）上。

5.根据权利要求4所述的一种驱动结构优化的混合充氧机，其特征在于，所述缩小管（16）的半径为3～6cm。

6.根据权利要求5所述的一种驱动结构优化的混合充氧机，其特征在于，所述下部上升筒装置包括与缩小管（16）的下端相连通的下部锥形筒（12），与下部锥形筒（12）相连通的下部上升筒（14）；所述下部上升筒（14）内设置有滤网（21）。

7.根据权利要求6所述的一种驱动结构优化的混合充氧机，其特征在于，所述下部上升筒（14）通过铁链（17）连接有锚固墩（18）；所述下部上升筒（14）上设置有下部挡板（13）。