CN112062242B - 一种用于给水混合搅拌的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于给水混合搅拌的装置及方法，属于给水混合搅拌技术领域，包括进口管，所述进口管连通有导流罩，导流罩的上部和顶部分别设置有导流孔，导流孔与池体连通，池体连通有出口管；所述进口管和导流罩连通处设置有叶轮。本发明通过在搅拌桨外侧增设导流罩，并于其侧壁上部及顶部开设导流孔，最大程度的提高全池及叶轮旋转区域内的平均湍动能、平均湍动能耗散率及涡旋速度梯度，从而促进混凝剂与悬浮颗粒物及胶体在短时间内进行充分碰撞和接触，实现瞬间脱稳，提高混合效率。

Description

一种用于给水混合搅拌的装置及方法

技术领域

本发明涉及给水混合搅拌技术领域，具体涉及一种用于给水混合搅拌的装置及方法。

背景技术

混合属于给水常规处理工艺的第一环节，其目的是降低或消除水体中悬浮颗粒物及胶体表面的ζ电位，促使其脱稳，从而为后续絮凝工段絮体的形成和成长创造必要的前提条件。

颗粒物脱稳程度及效率取决于其与混凝剂的接触机率，由于混凝剂投加后在极短的时间内即可发生水解，且混合时间过长会使其生成金属盐沉淀，失去混凝效果，因此提高颗粒物脱稳效果的措施，一方面是提高单位体积水体内混凝剂的有效含量，这将使得厂区药剂成本增加；另一个是提高混凝剂的扩散速率，使其短时间内完成与颗粒物的碰撞接触。

鉴于成本及出水水质等多方面因素考虑，后者成为广大研究学者的研究重点。

研究方向包括改变搅拌池几何尺寸、桨叶旋转方式、进水流向等，但这些方式并未从根本上提高流体的平均湍动能、平均湍动能耗散率及涡旋速度梯度，改善效果不佳。因此，于混合机理层面对搅拌装置进行优化改良成为提高混合效果的关键。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种用于给水混合搅拌的装置；该用于给水混合搅拌的装置通过在叶轮(搅拌桨)外侧增设导流罩，并于其侧壁上部及顶部开设导流孔，最大程度的提高全池及叶轮旋转区域内的平均湍动能、平均湍动能耗散率及涡旋速度梯度，从而促进混凝剂与悬浮颗粒物及胶体在短时间内进行充分碰撞和接触，实现瞬间脱稳，提高混合效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种用于给水混合搅拌的装置，包括进口管，所述进口管连通有导流罩，导流罩的上部和顶部分别设置有导流孔，导流孔与池体连通，池体连通有出口管；所述进口管和导流罩连通处设置有叶轮。

本发明进一步改进中，上述导流孔的总面积与导流罩的进口面积之比范围为2:1-5:1。

通过上述设计，本方案更利于流体的流通，安装时，要注意，叶轮在导流罩内部，且位于进口端上部，导流罩1/3处。

本发明进一步改进中，上述导流孔的直径大小范围为10-40mm。

通过上述设计，本方案更利于流体的流通。

本发明进一步改进中，上述导流孔的孔间距与孔径比范围为1:1-3:1。

通过上述设计，本方案更利于流体的流通。

本发明进一步改进中，上述叶轮采用桨叶推进式结构；所述叶轮的搅拌桨叶所在平面与水平面的夹角大小范围为10°-20°。

通过上述设计，本方案更利于叶轮的动作。

本发明进一步改进中，上述叶轮的直径大小范围为200-400mm。

通过上述设计，本方案更利于叶轮的动作。

本发明进一步改进中，上述导流罩和叶轮均采用304不锈钢或316不锈钢制造而成。

通过上述设计，本方案可更利于延长使用寿命。

一种给水混合搅拌方法，包括以下步骤：

(1)流体沿进口管流入；

(2)流体自下向上经过导流罩，在搅拌桨叶高速旋转作用下，与混凝剂充分混合后，自导流罩上部及顶部导流孔流入外侧池体；

(3)流体通过池体的出口管流出。

本发明进一步改进中，上述步骤2中，在搅拌桨叶高速旋转带动下，流体的平均湍动能、平均湍动能耗散率逐渐增加，在离心力和惯性力的相互作用下，流体在导流罩内搅拌桨叶旋转区域旋流相互作用下产生大量的微旋涡，这些微旋涡随着叶轮的高速旋转逐渐成长、扩散，加速了搅拌桨叶区域流体的扰动，二次环流增加，形成大范围的高涡量区，高涡量区中的颗粒具有较大的径向离心加速度，增大其与混凝剂的接触机率。

本发明进一步改进中，上述步骤2中，在流体流经导流孔时，在导流孔处产生局部射流，流体流速增大，导流罩上多孔射流之间存在明显的相互卷吸作用，导流孔多孔射流外部形成类似一股射流波系的趋势，形成波系结构和拓扑结构；由于多孔淹没射流兼具三维水跃和淹没射流两种流动特性，单股射流周围同时存在上部回流旋滚和下部横轴漩涡，两股射流之间发生立轴漩涡，使得相互作用的射流之间形成三维剪切紊动能。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过在叶轮(搅拌桨)外侧增设导流罩，并于其侧壁上部及顶部开设导流孔，最大程度的提高全池及叶轮旋转区域内的平均湍动能、平均湍动能耗散率及涡旋速度梯度，从而促进混凝剂与悬浮颗粒物及胶体在短时间内进行充分碰撞和接触，实现瞬间脱稳，提高混合效率。

附图说明

为更清楚地说明背景技术或本发明的技术方案，下面对现有技术或具体实施方式中结合使用的附图作简单地介绍；显而易见地，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1是本发明具体实施方式结构示意图。

图2是本发明导流罩结构示意图。

图3为本发明叶轮结构示意图。

图中所示：1-出口管；2-导流罩；3-叶轮；4-进口管；5-池体；6-导流孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-3所示，一种用于给水混合搅拌的装置，包括进口管4，所述进口管4连通有导流罩2，导流罩2的上部和顶部分别设置有导流孔6，导流孔6与池体5连通，池体5连通有出口管1；所述进口管6和导流罩2连通处设置有叶轮3。

所述导流孔6的总面积与导流罩2的进口面积之比范围为2:1-5:1；所述导流孔6的直径大小范围为10-40mm；所述导流孔6的孔间距与孔径比范围为1:1-3:1；所述叶轮3采用桨叶推进式结构；所述叶轮3的搅拌桨叶所在平面与水平面的夹角大小范围为10°-20°；所述叶轮3的直径大小范围为200-400mm；所述导流罩2和叶轮3均采用304不锈钢或316不锈钢制造而成。

一种给水混合搅拌方法，包括以下步骤：

(1)流体沿进口管流入；

(2)流体自下向上经过导流罩，在搅拌桨叶高速旋转作用下，与混凝剂充分混合后，自导流罩上部及顶部导流孔流入外侧池体；

(3)流体通过池体的出口管流出。

步骤2中，在搅拌桨叶高速旋转带动下，流体的平均湍动能、平均湍动能耗散率逐渐增加，在离心力和惯性力的相互作用下，流体在导流罩内搅拌桨叶旋转区域旋流相互作用下产生大量的微旋涡，这些微旋涡随着叶轮的高速旋转逐渐成长、扩散，加速了搅拌桨叶区域流体的扰动，二次环流增加，形成大范围的高涡量区，高涡量区中的颗粒具有较大的径向离心加速度，增大其与混凝剂的接触机率。

步骤2中，在流体流经导流孔时，在导流孔处产生局部射流，流体流速增大，导流罩上多孔射流之间存在明显的相互卷吸作用，导流孔多孔射流外部形成类似一股射流波系的趋势，形成波系结构和拓扑结构；由于多孔淹没射流兼具三维水跃和淹没射流两种流动特性，单股射流周围同时存在上部回流旋滚和下部横轴漩涡，两股射流之间发生立轴漩涡，使得相互作用的射流之间形成三维剪切紊动能。

提高混合效率的关键在于实现药剂与水体混合初期瞬时能量的快速耗散，促进大量微涡旋的产生；基于射流理论与微涡旋速度梯度理论，本发明提出一种创造性的方法，通过在搅拌桨外侧增设导流罩，并于其侧壁上部及顶部开设导流孔，最大程度的提高全池及叶轮旋转区域内的平均湍动能、平均湍动能耗散率及涡旋速度梯度，从而促进混凝剂与悬浮颗粒物及胶体在短时间内进行充分碰撞和接触，实现瞬间脱稳，提高混合效率。

本发明导流罩上的导流孔之间形成多孔湍动射流，存在明显的相互卷吸作用，多孔射流外部形成类似一股射流波系的趋势，射流之间相互作用形成较复杂的波系和拓扑结构。

当孔间距较小时，相邻两股射流之间存在强烈的相互吸附作用；由于多孔淹没射流同时兼具三维水跃和淹没射流两种流动特性，单股射流周围同时存在上部回流旋滚和下部横轴漩涡，两股射流之间还可能发生立轴漩涡，形成强剪切三维紊动进行消能，流体在叶轮高速旋转带动下，形成的旋流相互作用产生大量的微旋涡，这些微涡旋的存在增大了湍流中亚微观传质速率，由于亚微观传质是混凝剂进入水体内部的关键过程，是混合扩散过程的限制步骤，因此，本发明可以实现混凝剂与悬浮颗粒物高效混合的目的。

通过使用本发明不但能够降低加药量，减少混合时间，而且能够提高全池及叶轮旋转区域的湍动能耗散速率和涡旋速度梯度，大幅提高混合效果，与搅拌池内无导流罩的搅拌器相比，采用有导流罩的搅拌池不但可以将搅拌池内高低速区进行分离，而且将高速区流域进行了扩大，增大了全池及叶轮旋转区域的涡旋速度梯度，从而产生高比例、高强度的微涡旋。

其流动机理为：流体通过搅拌池进口流入，自下向上经过导流罩，在搅拌桨高速旋转作用下，与混凝剂充分混合后，自导流罩上部及顶部导流孔流入外侧池体；最后通过池体上部的出口流出，在流动过程中，由于叶轮的旋转作用，使得导流罩内的流体在巨大的离心力和惯性力作用下，获得较大的动能，湍动能和湍动能耗散率增加；导流罩内旋流间的相互作用产生大量的微旋涡，提高了亚微观传质速率，促进了混凝剂与悬浮颗粒物的充分接触和碰撞，使其表面ζ电位迅速降低或消失，实现瞬间脱稳。

所述叶轮外侧增设导流罩，叶轮上部导流罩侧壁部位以及导流罩顶部开设若干导流孔，搅拌器在使用过程中，液体沿进口管端流入，在叶轮高速旋转带动下，液体的平均湍动能、平均湍动能耗散率逐渐增加，在离心力和惯性力的相互作用下，液体在导流罩内叶轮旋转区域旋流相互作用下产生大量的微旋涡；这些微旋涡随着叶轮的高速旋转逐渐成长、扩散，加速了叶轮区域流体的扰动，二次环流增加，形成大范围的高涡量区。

高涡量区中的颗粒具有较大的径向离心加速度，增大了其与混凝剂的接触机率，随着流体的流动，流体通过导流罩上开设的若干导流孔流入池体，在流体流经导流孔时，在导流孔处产生局部射流，流体流速增大，导流罩上多孔射流之间存在明显的相互卷吸作用，多孔射流外部形成类似一股射流波系的趋势，形成较复杂的波系和拓扑结构。

当孔间距较小时，相邻两股射流之间相互吸附作用表现越强烈，同时，由于多孔淹没射流兼具三维水跃和淹没射流两种流动特性，单股射流周围同时存在上部回流旋滚和下部横轴漩涡，两股射流之间还可能发生立轴漩涡，这些特性使得相互作用的射流之间形成强烈的三维剪切紊动能，从而有利于流体内部的扰动，进一步提高混合效果，通过本发明搅拌器的应用，最大程度的提高了全池及叶轮旋转区域内的平均湍动能、平均湍动能耗散率及涡旋速度梯度，有效的促进了混凝剂与悬浮颗粒物及胶体的充分碰撞和接触，提高了脱稳效率；同时，该发明具有降低加药量、减少混合时间、大幅提高混合效果等优点。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于给水混合搅拌的装置的给水混合搅拌方法，其特征在于：

包括进口管，所述进口管连通有导流罩，导流罩的上部和顶部分别设置有导流孔，所述导流孔的孔间距与孔径比范围为1:1-3:1，所述导流孔的总面积与导流罩的进口面积之比范围为2:1-5:1，所述导流孔的直径大小范围为10-40mm，导流孔与池体连通，池体连通有出口管；所述进口管和导流罩连通处设置有叶轮；

包括以下步骤：

(1)流体沿进口管流入；

(2)流体自下向上经过导流罩，在搅拌桨叶高速旋转作用下，与混凝剂充分混合后，自导流罩上部及顶部导流孔流入外侧池体；

(3)流体通过池体的出口管流出；

步骤2中，在搅拌桨叶高速旋转带动下，流体的平均湍动能、平均湍动能耗散率逐渐增加，在离心力和惯性力的相互作用下，流体在导流罩内搅拌桨叶旋转区域旋流相互作用下产生大量的微旋涡，这些微旋涡随着叶轮的高速旋转逐渐成长、扩散，加速了搅拌桨叶区域流体的扰动，二次环流增加，形成大范围的高涡量区，高涡量区中的颗粒具有较大的径向离心加速度，增大其与混凝剂的接触机率；

步骤2中，在流体流经导流孔时，在导流孔处产生局部射流，流体流速增大，导流罩上多孔射流之间存在明显的相互卷吸作用，导流孔多孔射流外部形成类似一股射流波系的趋势，形成波系结构和拓扑结构；由于多孔淹没射流兼具三维水跃和淹没射流两种流动特性，单股射流周围同时存在上部回流旋滚和下部横轴漩涡，两股射流之间发生立轴漩涡，使得相互作用的射流之间形成三维剪切紊动能。

2.根据权利要求1所述的用于给水混合搅拌的装置的给水混合搅拌方法，其特征在于：所述叶轮采用桨叶推进式结构；所述叶轮的搅拌桨叶所在平面与水平面的夹角大小范围为10°-20°。

3.根据权利要求2所述的用于给水混合搅拌的装置的给水混合搅拌方法，其特征在于：所述叶轮的直径大小范围为200-400mm。

4.根据权利要求1所述的用于给水混合搅拌的装置的给水混合搅拌方法，其特征在于：所述导流罩和叶轮均采用304不锈钢或316不锈钢制造而成。

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