CN112408584A - 一种旋流式微纳米气泡发生器及其生成方法 - Google Patents

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CN112408584A CN202011338828.XA CN202011338828A CN112408584A CN 112408584 A CN112408584 A CN 112408584A CN 202011338828 A CN202011338828 A CN 202011338828A CN 112408584 A CN112408584 A CN 112408584A
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张晓博
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    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Abstract

本发明公开了一种旋流式微纳米气泡发生器及其生成方法，主要内容为：所述蜗壳外壁上沿圆周方向均匀分布有两个起旋筒且起旋筒与蜗壳连通，蜗壳底部设有法兰盘且蜗壳中心处设有通孔，外筒体安装在安装盘的中心孔里，叶片轴上安装有多级叶片，进气喉管安装在套筒顶端，套筒底部通过定位销安装在空化器顶端且套筒底面与空化器顶面之间安装有齿形垫片，空化器安装在叶片轴顶端定位孔里。本发明采用静止多级叶栅且末级为中空叶片结构，利用叶栅将水流由平直流转化为旋流，通过多级叶栅安装角度变化，在短流程内将水泵提供的扬程高效地转化为高速的周向水流速度，通过旋转水流对气体的剪切来产生微纳米气泡，运行可靠且不易堵塞。

Description

一种旋流式微纳米气泡发生器及其生成方法
技术领域
本发明涉及环保设备技术领域，具体地说，特别涉及一种旋流式微纳米气泡发生器及其生成方法。
背景技术
好氧生物处理是目前污水处理工艺中最为常见的处理单元，曝气器是该单元核心设备。曝气器的主要作用是对水体进行充氧，保证微生物正常的生命活动，防止污泥沉降，保证空气与污泥、污水中有机物的充分接触。
现有的主要曝气器类型存在如下问题：(1)气液混合位置位于装置内轴末端的后缘点，尽管负压较大，利于进气，但此处速度很小(即半径为零，故周向速度趋于零)，不利于水流对气流的剪切，气体流出后容易形成连续气柱，不利于离散气泡的生成；(2)进气至气液混合位置的管路过长，会造成一部分负压损失；或者进气元件位于上游流场中，会对水流流动产生不利影响；(3)装置为一体化，一旦在污水处理中堵塞，不易清理，造成装置失效；(4)气泡粒径不可控，生成的气泡尺寸大且在水体的分布不均匀；(5)装置不具备紊流增强结构，曝气器内流场紊乱程度不够，不利于水流对气体的剪切和气泡均匀地分布；(6)部分曝气装置中具有如加压溶气等设备，在大水体处理，尺寸放大后压力容器的安全运行对材料强度和加工方式具有很高要求；(7)部分装置主要依靠较小通流截面来产生高速水流，形成负压吸入气体，并对气体进行剪切，因此原理上装置难以整体放大，不能满足大水体处理的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种旋流式微纳米气泡发生器及其生成方法，其采用静止多级叶栅且末级为中空叶片结构，利用叶栅将水流由平直流转化为旋流，通过多级叶栅安装角度变化，在短流程内将水泵提供的扬程高效地转化为高速的周向水流速度，通过旋转水流对气体的剪切来产生微纳米气泡，运行可靠且不易堵塞。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种旋流式微纳米气泡发生器，包括外筒体、叶片轴、叶片、密封圈、套筒、进气喉管、蜗壳、顶丝、安装盘、空化器、起旋筒、定位销、连接螺钉和齿形垫片，所述蜗壳外壁上沿圆周方向均匀分布有两个起旋筒且起旋筒与蜗壳连通，所述蜗壳底部设有法兰盘且蜗壳中心处设有通孔，所述蜗壳底部法兰盘底面上设有环形凹槽且环形凹槽里安装有密封圈，所述安装盘通过螺钉固定安装在蜗壳底部法兰盘上且安装盘顶面压在密封圈上，所述外筒体固定安装在安装盘的中心孔里，所述叶片轴上安装有多级叶片且每个叶片安装在外筒体上的安装槽里，所述外筒体外壁上沿圆周方向均匀分布有多个径向螺纹孔，所述进气喉管通过锥管螺纹连接安装在套筒顶端，所述套筒底部通过定位销安装在空化器顶端且套筒底面与空化器顶面之间安装有齿形垫片，所述空化器通过连接螺钉固定安装在叶片轴顶端定位孔里且空化器安装在叶片轴顶端凹槽里，所述空化器上设有径向出气孔，所述顶丝安装在外筒体上的径向螺纹孔里且顶丝尾部安装在空化器上的径向出气孔里。
作为本发明的一种优选实施方式，所述叶片轴上安装有多级叶片且每级叶片沿圆周方向均匀分布有多个叶片，每级叶片与叶片轴轴线之间的夹角沿着叶片轴轴向从下到上依次递增且末级叶片与叶片轴轴线之间的夹角为90～95°。
作为本发明的一种优选实施方式，所述叶片轴下端为圆锥形结构。
作为本发明的一种优选实施方式，所述外筒体中心孔采用渐缩形结构。
作为本发明的一种优选实施方式，所述套筒中心轴线处由中心圆柱孔和中心锥孔组成且中心圆柱孔位于中心锥孔上端，所述套筒上的中心锥孔内壁上沿圆周方向均匀分布有若干条进气槽。
作为本发明的一种优选实施方式，所述空化器上设有机翼形中空叶片且机翼形中空叶片上布有出气狭缝。
作为本发明的一种优选实施方式，所述空化器上的机翼形中空叶片上的出气狭缝与空化器上的径向出气孔连通且出气狭缝的间隙为0.1～1mm。
作为本发明的一种优选实施方式，所述齿形垫片上沿圆周方向均匀分布有四个扇形出气槽且齿形垫片由0.02mm厚度和0.05mm厚度两种规格齿形垫片组合而成。
一种旋流式微纳米气泡发生器的生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将旋流式微纳米气泡发生器固定安装在污水池中的承载台上，并保证起旋筒出口位于污水水面附近，而进气喉管顶端位于污水水面上方；
步骤二：将污水泵出口通过管路连接在外筒体底部，污水泵抽取污水经由叶片轴与外筒体之间多组叶片来产生旋转水流，并在末级叶片后形成负压吸入气体，空气经由进气喉管进入到套筒内，套筒内空气经由进气槽进入到空化器内，一路空气经由空化器上的机翼形中空叶片出气狭缝通过旋转水流进行剪切产生微气泡，另一路空气经由空化器和套筒之间的齿形垫片上的出气槽通过旋转水流进行剪切产生微气泡，通过多个0.02mm厚的齿形垫片和0.05mm厚的齿形垫片组合来调节套筒底面与空化器顶面之间的距离来调节微气泡的粒径；
步骤三：产生的微气泡经过蜗壳曲线形内腔体多次导向后，最后从起旋筒出口处流出，可有效防止微气泡由于路径一致最后导致已切割的微气泡再聚集。
本发明是由堆叠垫片控制微纳米气泡生成的装配式曝气器，一方面本装置不需要加压溶气设备；另一方面装置主要依靠多级特定的机翼形叶片来产生旋转水流，并在末级叶片后形成负压吸入气体，通过旋转水流对气体的剪切来产生微气泡，不需要借助较小截面来产生高速水流形成负压吸入气体。因此，装置的材料强度以及微泡生成效果均不受装置整体放大的影响，装置可整体放大，以满足水库等大处理水量场所的需求；本装置采用静止多级叶栅而非用电机带动内轴旋转，采用多级叶片而非螺旋形导流体，结构上更易于实现，加工难度及成本大大降低；叶片轴上的叶片采用多级，经计算流体力学(CFD)模拟优化，比传统的单级叶片起旋效率更高，对气泡的剪切作用更强；装置的多级静叶栅结构大大提高了混合效率，利用叶栅将水流由平直流转化为旋流，通过叶栅安装角度变化，特别是末级90～95°的安装角，极大提高了周向旋转速度，流量守恒决定了轴向速度恒定，从而提高绝对速度(轴向与周向的合速度)；叶片采用特定的机翼型设计，可使流线更光滑，提高装置的起旋效率，增加周向流速；自蜗壳进气的反向气路设计，一方面可采用堆叠垫片控制进气可缩短气路，减少压力损失，此外在上游主流通道内无附加结构，不会对曝气器内流场产生不利影响，即不会降低流动效率；装置的通流面积可按需扩大，基本不存在器件的堵塞问题；装置为装配式，便于清洗；通过调整齿形垫片的形状、厚度以及堆叠数量可以控制进气量以及初始气泡直径；蜗壳结构进一步保证了旋转水流对气体的剪切次数。
本发明结构设计的理论依据是流体动力学的计算与仿真。首先，要求水流提供的剪切力(τl＝γRJ)需大于气体被剪切为微纳气泡所需的剪切力
Figure BDA0002797993080000041
由此确定基本的设计原则，即要求
Figure BDA0002797993080000042
得到决定生成气泡粒径的基本力学关系，
Figure BDA0002797993080000043
其中γ＝9800N/m3，R为水力半径，J为水力坡度，σ为表面张力系数，Dg为生成的气泡直径。详细的仿真根据流体动力学的N-S方程：
Figure BDA0002797993080000044
在水流为不可压缩流体，方程可变形为：
Figure BDA0002797993080000045
其中，左端第一项代表单位体积流体的惯性力，右端第一项代表单位体积流体的质量力，第二项代表作用于单位体积流体的压强梯度力，第三项代表粘性变形应力。基本设计原则与N-S方程结合，设计目标为在经由多级叶栅形成旋转流后，在末级(第四级)叶片后形成兼具高流速、高剪切、高紊动、高负压的空化区，如优选实施方式中末级叶片出流角度为90°～95°时，在此处会有较大的负压吸力，进而产生极高的水力坡度J，从而降低气泡直径Dg。此外，计算结果也决定了所设计的进气狭缝是空化区域中的合理选择。
本发明与现有技术相比，至少具有如下一种或多种技术效果：
(1)一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：包括外筒体、叶片轴、叶片、密封圈、套筒、进气喉管、蜗壳、顶丝、安装盘、空化器、起旋筒、定位销、连接螺钉和齿形垫片，所述蜗壳外壁上沿圆周方向均匀分布有两个起旋筒且起旋筒与蜗壳连通，所述蜗壳底部设有法兰盘且蜗壳中心处设有通孔，所述蜗壳底部法兰盘底面上设有环形凹槽且环形凹槽里安装有密封圈，所述安装盘通过螺钉固定安装在蜗壳底部法兰盘上且安装盘顶面压在密封圈上，所述外筒体固定安装在安装盘的中心孔里，所述叶片轴上安装有多级叶片且每个叶片安装在外筒体上的安装槽里，所述外筒体外壁上沿圆周方向均匀分布有多个径向螺纹孔，所述进气喉管通过锥管螺纹连接安装在套筒顶端，所述套筒底部通过定位销安装在空化器顶端且套筒底面与空化器顶面之间安装有齿形垫片，所述空化器通过连接螺钉固定安装在叶片轴顶端定位孔里且空化器安装在叶片轴顶端凹槽里，所述空化器上设有径向出气孔，所述顶丝安装在外筒体上的径向螺纹孔里且顶丝尾部安装在空化器上的径向出气孔里。解决了现有曝气器存在的以上问题，从而实现了结构上更易于实现，利用叶栅将水流由平直流转化为旋流，通过多级叶栅安装角度变化，在短流程内将水泵提供的扬程高效地转化为高速的周向水流速度，通过旋转水流对气体的剪切来产生微纳米气泡，运行可靠且不易堵塞。
(2)一种旋流式微纳米气泡发生器，还包括：所述叶片轴上安装有多级叶片且每级叶片沿圆周方向均匀分布有多个叶片，每级叶片与叶片轴轴线之间的夹角沿着叶片轴轴向从下到上依次递增且末级叶片与叶片轴轴线之间的夹角为90～95°，所述叶片轴下端为圆锥形结构，所述外筒体中心孔采用渐缩形结构。解决了曝气器气流起旋问题，从而达到了增强水流的周向流速，而且起旋部分的外筒体采用渐缩形设计，可同步增强水流的径向流速，周向与径向速度在气液混合位置达到最大的水流绝对速度，极大增强了水流剪切力。
(3)一种旋流式微纳米气泡发生器，还包括：所述套筒中心轴线处由中心圆柱孔和中心锥孔组成且中心圆柱孔位于中心锥孔上端，所述套筒上的中心锥孔内壁上沿圆周方向均匀分布有若干条进气槽，所述空化器上设有机翼形中空叶片且机翼形中空叶片上布有出气狭缝，所述空化器上的机翼形中空叶片上的出气狭缝与空化器上的径向出气孔连通且出气狭缝的间隙为0.1～1mm，所述齿形垫片上沿圆周方向均匀分布有四个扇形出气槽且齿形垫片由0.02mm厚度和0.05mm厚度两种规格齿形垫片组合而成。解决了曝气器气泡粒径控制及气流通道问题，从而可以通过改变齿形垫片的形状、厚度和堆叠数量来精确控制进气量以及初始的气泡尺度，并且实现了双气流通道问题。
附图说明
图1为本发明的结构轴侧图；
图2为本发明的结构主视图；
图3为本发明的结构俯视图；
图4为本发明的结构左视图；
图5为本发明的A-A结构剖视图；
图6为本发明的B-B结构剖视图；
图7为本发明的C-C结构剖视图。
附图标记说明：
1：外筒体，2：叶片轴，3：叶片，4：密封圈，5：套筒，6：进气喉管，7：蜗壳，8：顶丝，9：安装盘，10：空化器，11：起旋筒，12：定位销，13：连接螺钉，14：齿形垫片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、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，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得能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，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。
实施例一：
如图1～图7所示，其示出了本发明的具体实施方式，如图所示，本发明公开的一种旋流式微纳米气泡发生器，包括外筒体1、叶片轴2、叶片3、密封圈4、套筒5、进气喉管6、蜗壳7、顶丝8、安装盘9、空化器10、起旋筒11、定位销12、连接螺钉13和齿形垫片14，所述蜗壳7外壁上沿圆周方向均匀分布有两个起旋筒11且起旋筒11与蜗壳7连通，所述蜗壳7底部设有法兰盘且蜗壳7中心处设有通孔，所述蜗壳7底部法兰盘底面上设有环形凹槽且环形凹槽里安装有密封圈4，所述安装盘9通过螺钉固定安装在蜗壳7底部法兰盘上且安装盘9顶面压在密封圈4上，所述外筒体1固定安装在安装盘9的中心孔里，所述叶片轴2上安装有多级叶片3且每个叶片3安装在外筒体1上的安装槽里，所述外筒体1外壁上沿圆周方向均匀分布有多个径向螺纹孔，所述进气喉管6通过锥管螺纹连接安装在套筒5顶端，所述套筒5底部通过定位销12安装在空化器10顶端且套筒5底面与空化器10顶面之间安装有齿形垫片14，所述空化器10通过连接螺钉13固定安装在叶片轴2顶端定位孔里且空化器10安装在叶片轴2顶端凹槽里，所述空化器10上设有径向出气孔，所述顶丝8安装在外筒体1上的径向螺纹孔里且顶丝8尾部安装在空化器10上的径向出气孔里。
优选的，所述叶片轴2上安装有多级叶片3且每级叶片3沿圆周方向均匀分布有多个叶片3，每级叶片3与叶片轴2轴线之间的夹角沿着叶片轴2轴向从下到上依次递增且末级叶片3与叶片轴2轴线之间的夹角为90～95°。
优选的，所述叶片轴2下端为圆锥形结构。
优选的，所述外筒体1中心孔采用渐缩形结构。
优选的，所述套筒5中心轴线处由中心圆柱孔和中心锥孔组成且中心圆柱孔位于中心锥孔上端，所述套筒5上的中心锥孔内壁上沿圆周方向均匀分布有若干条进气槽。
优选的，所述空化器10上设有机翼形中空叶片且机翼形中空叶片上布有出气狭缝。
优选的，所述空化器10上的机翼形中空叶片上的出气狭缝与空化器10上的径向出气孔连通且出气狭缝的间隙为0.1～1mm。
优选的，所述齿形垫片14上沿圆周方向均匀分布有四个扇形出气槽且齿形垫片14由0.02mm厚度和0.05mm厚度两种规格齿形垫片14组合而成。
实施例二：
一种旋流式微纳米气泡发生器的生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将旋流式微纳米气泡发生器固定安装在污水池中的承载台上，并保证起旋筒11出口位于污水水面附近，而进气喉管6顶端位于污水水面上方；
步骤二：将污水泵出口通过管路连接在外筒体1底部，污水泵抽取污水经由叶片轴2与外筒体1之间多组叶片3来产生旋转水流，并在末级叶片3后形成负压吸入气体，空气经由进气喉管6进入到套筒5内，套筒5内空气经由进气槽进入到空化器10内，一路空气经由空化器10上的机翼形中空叶片出气狭缝通过旋转水流进行剪切产生微气泡，另一路空气经由空化器10和套筒5之间的齿形垫片14上的出气槽通过旋转水流进行剪切产生微气泡，通过多个0.02mm厚的齿形垫片14和0.05mm厚的齿形垫片14组合来调节套筒5底面与空化器10顶面之间的距离来调节微气泡的粒径；
步骤三：产生的微气泡经过蜗壳7曲线形内腔体多次导向后，最后从起旋筒11出口处流出，可有效防止微气泡由于路径一致最后导致已切割的微气泡再聚集。
本发明是由堆叠垫片控制微纳米气泡生成的装配式曝气器，一方面本装置不需要加压溶气设备；另一方面装置主要依靠多级特定的机翼形叶片3来产生旋转水流，并在末级叶片3后形成负压吸入气体，通过旋转水流对气体的剪切来产生微气泡，不需要借助较小截面来产生高速水流形成负压吸入气体。因此，装置的材料强度以及微泡生成效果均不受装置整体放大的影响，装置可整体放大，以满足水库等大处理水量场所的需求；本装置采用静止多级叶栅而非用电机带动内轴旋转，采用多级叶片3而非螺旋形导流体，结构上更易于实现，加工难度及成本大大降低；叶片轴2上的叶片3采用多级，经计算流体力学(CFD)模拟优化，比传统的单级叶片起旋效率更高，对气泡的剪切作用更强；装置的多级静叶栅结构大大提高了混合效率，利用叶栅将水流由平直流转化为旋流，通过叶栅安装角度变化，特别是末级90～95°的安装角，极大提高了周向旋转速度，流量守恒决定了轴向速度恒定，从而提高绝对速度(轴向与周向的合速度)；叶片3采用特定的机翼型设计，可使流线更光滑，提高装置的起旋效率，增加周向流速；自蜗壳7进气的反向气路设计，一方面可采用堆叠垫片控制进气可缩短气路，减少压力损失，此外在上游主流通道内无附加结构，不会对曝气器内流场产生不利影响，即不会降低流动效率；装置的通流面积可按需扩大，基本不存在器件的堵塞问题；装置为装配式，便于清洗；通过调整齿形垫片14的形状、厚度以及堆叠数量可以控制进气量以及初始气泡直径；蜗壳7结构进一步保证了旋转水流对气体的剪切次数。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：包括外筒体、叶片轴、叶片、密封圈、套筒、进气喉管、蜗壳、顶丝、安装盘、空化器、起旋筒、定位销、连接螺钉和齿形垫片，所述蜗壳外壁上沿圆周方向均匀分布有两个起旋筒且起旋筒与蜗壳连通，所述蜗壳底部设有法兰盘且蜗壳中心处设有通孔，所述蜗壳底部法兰盘底面上设有环形凹槽且环形凹槽里安装有密封圈，所述安装盘通过螺钉固定安装在蜗壳底部法兰盘上且安装盘顶面压在密封圈上，所述外筒体固定安装在安装盘的中心孔里，所述叶片轴上安装有多级叶片且每个叶片安装在外筒体上的安装槽里，所述外筒体外壁上沿圆周方向均匀分布有多个径向螺纹孔，所述进气喉管通过锥管螺纹连接安装在套筒顶端，所述套筒底部通过定位销安装在空化器顶端且套筒底面与空化器顶面之间安装有齿形垫片，所述空化器通过连接螺钉固定安装在叶片轴顶端定位孔里且空化器安装在叶片轴顶端凹槽里，所述空化器上设有径向出气孔，所述顶丝安装在外筒体上的径向螺纹孔里且顶丝尾部安装在空化器上的径向出气孔里。
2.如权利要求1所述的一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：所述叶片轴上安装有多级叶片且每级叶片沿圆周方向均匀分布有多个叶片，所述叶片轴上每级叶片与叶片轴轴线之间的夹角沿着叶片轴轴向从下到上依次递增且末级叶片与叶片轴轴线之间的夹角为90～95°。
3.如权利要求1所述的一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：所述叶片轴下端为圆锥形结构。
4.如权利要求1所述的一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：所述外筒体中心孔采用渐缩形结构。
5.如权利要求1所述的一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：所述套筒中心轴线处由中心圆柱孔和中心锥孔组成且中心圆柱孔位于中心锥孔上端，所述套筒上的中心锥孔内壁上沿圆周方向均匀分布有若干条进气槽。
6.如权利要求1所述的一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：所述空化器上设有机翼形中空叶片且机翼形中空叶片上布有出气狭缝。
7.如权利要求6所述的一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：所述空化器上的机翼形中空叶片上的出气狭缝与空化器上的径向出气孔连通且出气狭缝的间隙为0.1～1mm。
8.如权利要求1所述的一种旋流式微纳米气泡发生器，其特征在于：所述齿形垫片上沿圆周方向均匀分布有四个扇形出气槽且齿形垫片由0.02mm厚度和0.05mm厚度两种规格齿形垫片组合而成。
9.一种权利要求1-8中任一项所述一种旋流式微纳米气泡发生器的生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将旋流式微纳米气泡发生器固定安装在污水池中的承载台上，并保证起旋筒出口位于污水水面附近，而进气喉管顶端位于污水水面上方；
步骤二：将污水泵出口通过管路连接在外筒体底部，污水泵抽取污水经由叶片轴与外筒体之间多组叶片来产生旋转水流，并在末级叶片后形成负压吸入气体，空气经由进气喉管进入到套筒内，套筒内空气经由进气槽进入到空化器内，一路空气经由空化器上的机翼形中空叶片出气狭缝通过旋转水流进行剪切产生微气泡，另一路空气经由空化器和套筒之间的齿形垫片上的出气槽通过旋转水流进行剪切产生微气泡，通过多个0.02mm厚的齿形垫片和0.05mm厚的齿形垫片组合来调节套筒底面与空化器顶面之间的距离来调节微气泡的粒径；
步骤三：产生的微气泡经过蜗壳曲线形内腔体多次导向后，最后从起旋筒出口处流出，可有效防止微气泡由于路径一致最后导致已切割的微气泡再聚集。
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