CN113264581A - 双室三维强力机械管道混合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双室三维强力机械管道混合器，涉及管道混合装置技术领域，其包括均密闭设置的上混合室和下混合室，上混合室和下混合室通过水封隔板分隔开，水封隔板上固定有两端延伸出水封隔板的轴向推力导流罩，轴向推力导流罩内安装有搅拌器；下混合室上连接有主进液管道和主出液管道，主进液管道和主出液管道位于搅拌器下方的两侧，主进液管道与上混合室通过分流管道连通，上混合室上邻近搅拌器处设置有第一加药器。解决了现有管道混合技术中混合设备混合效果和水量变化适应能力差以及使用成本高的问题。

Description

双室三维强力机械管道混合器

技术领域

本发明涉及管道混合装置技术领域，特别是涉及一种双室三维强力机械管道混合器。

背景技术

混凝是指通过某种方法(如投加化学药剂)使水中胶体粒子和微小悬浮物聚集的过程，是水和废水处理工艺中的一种单元操作。混合和反应是属于混凝过程的两个阶段，混合的作用在于使药剂迅速均匀的扩散于水中，以创造良好的水解和聚合条件；反应的作用在于使凝聚微粒通过絮凝以形成具有良好沉淀性能的大的絮凝体。

在混凝过程中，水力条件产生的混合效果主要在于药剂在水中快速均匀扩散，对絮凝体的形成十分重要，有时甚至起决定作用。控制水力条件的重要参数是速度梯度，速度梯度指流体在两界面之间流动时，由于材料之间摩擦力的存在，使流体内部与流体和界面接触处的流动速度发生差别，产生一个渐变的速度场。速度梯度的大小与流体内部分子结构、界面作用力及温度、速度等有关。当在流体中具有速度梯度时，流速大的流体具有加速与之接近的流速慢的流体的力(或流速小的流体具有减速与之接近的流速快的流体的力)，即产生了黏性力，该力随速度梯度的加大而增大，而且流速不同的两流层接触面积越大这个力越大。

现有的混合设备主要有机械混合池和静态管道混合器。

如图7所示，现有机械混合池的主要缺点是液体随叶轮旋转作周向流，远离叶轮的液体基本是静止的，属于完全层流；液体的运动达到池壁，并沿池壁有少量上下循环流发生，为部分层流，层流范围的液体都会存在混合死角，使混合不均匀。而药剂都是按照原水比例投入，一般为千吨水投加固体混凝剂1～14Kg，混合不均匀会造成药液的浪费。另外，机械混合池为克服大尺度水体流动阻力压头，必须配备相应的动力，并满足速度梯度G值600～1000s-1的要求，一般日产5万吨的净水厂，两组混凝池需要配备的总功率达到15Kw，配备功率较大；每组混凝池必须配置一组机械混合池，基本建设投资大，设备故障率较高。

如图8所示，静态管道混合器是让流体在管线中流动冲击各种类型板元件,增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流，达到混合的目的。静态管道混合器的主要缺点是水头损失大，混合效果受净水厂制水量24h变化系数影响大，不能适应流量和流速变化，在流量减少的情况下湍流会变化为平流，导致混合效果大打折扣，并且几乎没有小尺寸的均匀混合，只有大尺寸的宏观混合，无法满足供水量变化较大或达不到额定设计供水量的净水厂使用。另外，市场中的静态混合器厂家为了保密技术，均制成一次性不可拆卸结构，因此在水厂应用过程中，维护、更换、安装均需水厂大面积长时间停水。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种双室三维强力机械管道混合器，解决了现有管道混合技术中混合设备混合效果和水量变化适应能力差以及使用成本高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种双室三维强力机械管道混合器，其包括均密闭设置的上混合室和下混合室，上混合室和下混合室通过水封隔板分隔开，水封隔板上固定有两端延伸出水封隔板的轴向推力导流罩，轴向推力导流罩内安装有搅拌器；下混合室上连接有主进液管道和主出液管道，主进液管道和主出液管道位于搅拌器下方的两侧，主进液管道与上混合室通过分流管道连通，分流管道上设置有分流导流混合片和第二加药器，上混合室上邻近搅拌器处设置有第一加药器。

本发明的有益效果为：

1、密闭的上混合室与下混合室之间仅通过轴向推力导流罩连通，在轴向推力导流罩内设置的搅拌器高速旋转使上方的液体产生高度湍动，从而使上混合室内通过分流管道引入的经过初级混合后的分流液体与第一加药器加入的药液产生强剪切，形成混合非常均匀的一级混合液，以实现小尺寸的水力机械强力搅拌混合区；搅拌器高速转动将一级混合液向下呈螺旋状排出，螺旋状的排液具有轴向流和周向环流，使一级混合液与从主进液管道进入的径向流在下混合室内形成流体三维流动，实现水力强剪切或高度湍动，从而形成混合均匀的二级混合液。从而，通过一组搅拌器让液体实现两次湍流，使混合更加均匀，大大提高了混合效果。

2、由于上混合室和下混合室均为密闭设计，在搅拌过程中，整个混合系统的抗拒力只有液体的黏性力，消除了系统的重力加速度(打漩涡)、界面张力(流体扩张)的影响，能够大大减小搅拌器的配置功率。

3、分流管道能够根据液体的流量变化自动进行分流，并通过分流管道内设置的分流导流混合片实现药液与分流液体初级混合形成初级混合分流液体，初级混合分流液体在上混合室进行小尺寸的水力机械强力搅拌混合，不仅不会出现因为液体流量变化较大引起的没有混合搅拌效果的严重情况，反而还能够提高混合效果，降低水头损失。

4、根据药液黏性力介质不同，在搅拌叶轮上方设置有第一加药器，在分流管道上设置有第二加药器，通过设置的两处药液投加点，以保证混合器混合过程中不受投加药液黏性力介质大小变化的影响，即各种介质的药品投加液均可采用本发明的双室三维强力机械管道混合器进行投加混合。

5、主进液管道内设置导流混合片的功能主要为改变主进液管内流体状态，由直流变为旋流，增加径向流与轴向流以及周向环流水力剪切力，增强混合效果；其次，导流混合片所产生的阻力会由分流管克服，以此来保证分流管流量，进而保证上混合室实现其功能。

6、主出液管道内设置的导流混合片，其功能主要为：在搅拌器转动时产生的推进力会导致下混合室压力增高，利用导流混合片让局部流体流速增加并呈旋流状排出，从而延长水力剪切混合时间，增强混合效果(注：设备运转时产生的下混合室局部压力增高值与混合片产生的阻力水头损失相抵消)。

7、双室三维强力机械管道混合器结构简单，组装、更换检修方便。

附图说明

图1为双室三维强力机械管道混合器(双搅拌器)的主视图。

图2为双室三维强力机械管道混合器(双搅拌器)的俯视图。

图3为图1中A-A方向的剖视图。

图4为双室三维强力机械管道混合器与智能控制系统连接的示意图。

图5为双室三维强力机械管道混合器内部液体介质的流动原理图。

图6为双室三维强力机械管道混合器(单搅拌器)的俯视图。

图7为现有技术中常用机械混合池的原理图。

图8为现有技术中常用静态管道混合器的结构示意图。

其中，1、上混合室；11、上导流板；12、密封盖板；2、下混合室；21、下导流板；3、水封隔板；4、轴向推力导流罩；5、搅拌器；51、搅拌叶轮；52、立式电机；53、传动轴；54、机座；6、主进液管道；7、主出液管道；8、分流管道；9、第一加药器；91、药液储存装置；92、药液输出管道；93、药液流量调节阀；94、药液流量传感器；10、导流混合片；13、混合控制单元；131、液体介质流量传感器；132、压力传感器；133、分流流量调节阀；134、差压压力传感器；135、调速模块；14、加药控制单元；15、第二加药器；16、分流导流混合片。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～图6所示，该双室三维强力机械管道混合器包括均密闭设置的上混合室1和下混合室2，上混合室1和下混合室2通过水封隔板3分隔开，水封隔板3上固定有两端延伸出水封隔板3的轴向推力导流罩4，轴向推力导流罩4内安装有搅拌器5。下混合室2上连接有主进液管道6和主出液管道7，主进液管道6和主出液管道7位于搅拌器5下方的两侧，主进液管道6与上混合室1通过分流管道8连通，分流管道8上设置有分流导流混合片16和第二加药器15，上混合室1上邻近搅拌器5处设置有第一加药器9。

上混合室1和下混合室2分别通过上筒体和下筒体合围而成，上筒体的两端固定有上法兰和下法兰，下筒体的顶端固定有上法兰，上筒体的上法兰用于密封连接密封盖板12，上筒体的下法兰与下筒体的上法兰密封连接，水封隔板3固定于上筒体的下端内侧。

轴向推力导流罩4为圆柱筒形，垂直贯穿固定于水封隔板3的中部，轴向推力导流罩4的顶端高于水封隔板3的顶面且底端低于水封隔板3的底面，轴向推力导流罩4的轴向高度需大于搅拌叶轮51的轴向高度，使搅拌叶轮51完全位于轴向推力导流罩4的筒腔内。

上混合室1的筒壁上间隔固定有多个沿径向向内侧延伸的上导流板11，在轴向上，上导流板11从上混合室1的顶端延伸至底端，即上导流板11的两端分别固定于上混合室1的顶板和水封隔板3上。具体地，三个上导流板11沿圆周均布，每两个相邻上导流板11之间的间隔角度为120°，其中两个上导流板11避开分流管道8的入口设置。上导流板11的设置能够让从分流管道8流入的分流液体形成水流紊动区，与第一加药器9加入的药液交叉流动，提高混合效果。

下混合室2的筒壁上间隔固定有多个沿径向向内侧延伸的下导流板21，下导流板21沿下混合室2的径向向内侧延伸且顶端固定于水封隔板3的底面上。具体地，主进液管道6与下混合室2连接处的两侧以及主出液管道7与下混合室2连接处的两侧均设置有下导流板21。下导流板21的作用与上导流板11的作用原理相同，同样用于提高混合效果。

主进液管道6和主出液管道7内均设置有使液体绕行的导流混合片10。导流混合片10呈十字形，导流混合片10的四个端部固定于主进液管道6或主出液管道7的管壁上，如图3所示，导流混合片10的叶面沿液体流动方向倾斜设置。当液体流经导流混合片10时产生绕行，通过减速以增加液体在下混合室内的混合时间和距离，同时具有扰动液体提高混合效果的作用。为了进一步提高导流混合片10对液体混合的辅助作用，设置于主进液管道6中的导流混合片10的阻水面积需不大于分流管道8的过水截面积，主出液管道7中的导流混合片10的阻水面积需不大于主进液管道6中的导流混合片10的阻水面积。

搅拌器5包括搅拌叶轮51和驱动搅拌叶轮51转动的动力装置，动力装置优选立式电机52，立式电机52通过传动轴53作为传动装置与搅拌叶轮51连接，搅拌叶轮51固定套接于传动轴53上，传动轴53与立式电机52的输出轴通过联轴器同轴连接，传动轴53密封穿出密封盖板12，立式电机52通过机座54安装于密封盖板12上。立式电机52转动带动传动轴53转动，进而带动搅拌叶轮51转动。

搅拌叶轮51悬空置于轴向推力导流罩4内且搅拌叶轮51的底面高于主进液管道6的顶面，以避免因搅拌叶轮51阻力作用，对主进液管道6内输入的液体介质产生水头损失。

搅拌器5可以根据需要安装一组或两组，若为两组，则并排安装于主进液管道6与主出液管道7之间的中垂线上。

下混合室2的径向截面积是主进液管道6或主出液管道7截面积的1.5～1.8倍，下混合室2的轴向高度比主进液管道6或主出液管道7的直径大300～400毫米。使得液体介质从主进液管道6进入下混合室2后能够在下混合室2内充分混合后再从主出液管道7排出，下混合室2、主进液管道6和主出液管道7在尺寸上的设置，能够避免由于下混合室2过大造成邻近筒壁处的液体介质不能被充分混合，提高混合效果。

分流管道8用于对主进液管道6中的液体进行分流，使一部分液体沿着分流管道8进入到上混合室1内。在分流管道8内沿着液体流动方向依次安装有第二加药器15和分流导流混合片16，分流导流混合片16和导流混合片10的结构以及工作原理相同，用于将第二加药器15加入的药液与分流液体初级混合形成初级混合分流液体。

分流管道8的直径为主进液管道6直径的15％～20％，从而更好地让少量的液体介质与药液在上混合室1中混合，迅速形成一级混合液，混合时间比使用静态管道器混合和现有机械混合池混合大幅减少，由10～60秒能够降至8～10秒。

上混合室1上设置有若干第一加药器9，若干第一加药器9能够根据需要加入不同的药液。第一加药器9的出口端均位于搅拌叶轮51的正上方，搅拌叶轮51转动过程中形成负压区，促使药液在压力作用下进入到搅拌叶轮51的上方，能够有效地防止发生药液回流现象，不需另加计量泵动力投加系统，减少了固定资产投资且维护方便。

第一加药器9与药液负压自动投加系统连接。药液负压自动投加系统包括药液储存装置91、药液输出管道92、药液流量调节阀93和药液流量传感器94，药液输出管道92用于将存储在药液储存装置91的药液压力输送到上混合室1内，药液流量传感器94用于监测药液输出管道92中药液的流量并反馈给控制器，控制器控制药液流量调节阀93调节药液流量使药液始终按照预审的流量值输入。

如图4所示，该双室三维强力机械管道混合器还包括有实现自动加药和自动混合的智能控制系统。智能控制系统包括混合控制单元13和加药控制单元14，加药控制单元14用于接收药液流量传感器94的信号并与预设流量值进行对比判断，若高于或低于预设值则控制药液流量调节阀93调节药液流量。

混合控制单元13包括安装于主进液管道6和主出液管道7上的液体介质流量传感器131、安装于主进液管道6和主出液管道上的压力传感器132、安装于分流管道8上的分流流量调节阀133、安装于上混合室1上方和下混合室2上方的差压压力传感器134、与各传感器和调节阀连接的混合控制器以及控制搅拌器转动速度的调速模块135，调速模块135可以通过PWM信号控制立式电机52的转速。差压压力传感器134的设置，

整套设备在工作时，由于进水流量变化，搅拌叶轮21排液量会产生变化，造成上混合室1内负压区负压值与下混合室2的压差值会产生变化，利用差压值调整搅拌速度，以适应因流量变化而造成的混合强度变化的问题。

该双室三维强力机械管道混合器的工作原理为：

如图5所示，本管道混合器工作时，因进液总量为变量，设为ΔQ_总，分流管道流量为ΔQ_分，则进水管道6进入下混合室2内的ΔQ_主＝ΔQ_总-ΔQ_分。管道混合器初运行时，需设定ΔQ_分初始值调整参数，其与ΔQ_总有关，与负压区的负压值ΔH_负有关。ΔQ_分设定完毕后，ΔQ_分液体介质的通过分流管道8进入上混合室1，分流管道8上的分流流量调节阀131根据ΔQ_总和ΔH_负变化，通过智能控制系统自动调整分流管流量，使ΔQ主满足上混合室负压区形成条件及搅拌器排液量推力形成条件；药液经负压加药装置自动吸入或计量泵注入上混合室。

搅拌器5运转前，从分流管道8进入的带有压力的分流流量充满密闭的上混合室1，此时，上混合室压力H_上等于下混合室压力H_下。当搅拌器5开始运行后，搅拌叶轮51高速旋转产生的离心力会将上混合室1内的液体向下混合室2排出，此时设定的分流管进液流量ΔQ_分等于搅拌叶轮51旋转时的流体排出量Q_排，搅拌叶轮51进流端中心与周围流体产生机械强力剪切(高速湍动)；另外，液体介质在上导流板11的作用下，形成水流紊动区，与药液交叉流动，促成机械搅拌状态。此时，上混合室压力H_上小于下混合室压力H_下，搅拌叶轮51进流端中心区域为负压区，分流液体和药液无阻力地被吸入并在上混合室1内实现小尺寸快速均匀混合，形成一级混合液，通过搅拌叶轮51向下混合室2呈环流状推进排出。

搅拌器5正常运行时，下混合室2的流体有三个主要基本流型，进行三维流动：

1)周向流：搅拌叶轮51高速旋转时，产生的周向上、下旋流；

2)轴向流：上混合室1排出的一级混合液，在搅拌叶轮51排出力的作用下，向下推进产生的轴向流；

3)径向流：下混合室2中主进液管道6进水口流体流速并在导流混合片10作用下产生的分流状径向流和主出液管道7产生的分流状径向流。

周向流的形成源于搅拌叶轮51的高速运转产生的周向旋流，在下混合室2内属于机械强力混合区，同时周向环流又在轴向流的作用下，向下混合室2底部冲击，形成上环流，上下环流外沿与主进液管道6和主出液管道7连成的主管道径向流产生碰撞，形成一个小尺寸水力剪切混合区，达到二级小尺度快速均匀混合的目的。三个基本流型在下混合室内的三维流动，形成一个完全没有层流状态下的三维基本流型小尺度水力剪切+机械搅拌，使得在混合过程中，不会出现死角、混合不均匀的问题。

搅拌器5位于主进液管道6和主出液管道7连成的主管道上方的稳流区内，转动过程中不会产生任何水阻力，搅拌叶轮51也不受主管道中水流速的影响，能够减少机械磨损和损坏。

本管道混合器能够适应于各种液体介质，不受介质种类的影响。

Claims (10)

1.一种双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，包括均密闭设置的上混合室和下混合室，所述上混合室和所述下混合室通过水封隔板分隔开，所述水封隔板上固定有两端延伸出所述水封隔板的轴向推力导流罩，所述轴向推力导流罩内安装有搅拌器；所述下混合室上连接有主进液管道和主出液管道，所述主进液管道和所述主出液管道位于所述搅拌器下方的两侧，所述主进液管道与所述上混合室通过分流管道连通，所述分流管道上设置有分流导流混合片和第二加药器，所述上混合室上邻近所述搅拌器处设置有第一加药器。

2.根据权利要求1所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，所述上混合室和所述下混合室均为筒状结构，所述上混合室的筒壁上间隔固定有多个沿径向向内侧延伸的上导流板，所述下混合室的筒壁上间隔固定有多个沿径向向内侧延伸的下导流板。

3.根据权利要求2所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，多个所述上导流板沿所述上混合室的筒壁圆周均布，所述主进液管道与所述下混合室连接处的两侧以及所述主出液管道与所述下混合室连接处的两侧均设置有所述下导流板。

4.根据权利要求1所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，所述主进液管道和所述主出液管道内均设置有使液体绕行的导流混合片。

5.根据权利要求1所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，所述所述搅拌器包括搅拌叶轮和驱动所述搅拌叶轮转动的动力装置，所述动力装置安装于所述上混合室的顶部，所述动力装置与所述搅拌叶轮通过传动装置连接，所述搅拌叶轮悬空置于所述轴向推力导流罩内且所述搅拌叶轮的底面高于所述主进液管道的顶面。

6.根据权利要求2所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，所述下混合室的径向截面积是所述主进液管道或所述主出液管道截面积的1.5～1.8倍，所述下混合室的轴向高度比所述所述主进液管道或所述主出液管道的直径大300～400毫米。

7.根据权利要求1或6所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，所述分流管道的直径为所述主进液管道直径的15％～20％。

8.根据权利要求1所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，所述上混合室上设置有若干所述第一加药器，所述第一加药器与药液负压自动投加系统连接。

9.根据权利要求8所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，所述第一加药器的出口端均位于搅拌叶轮的正上方。

10.根据权利要求1所述的双室三维强力机械管道混合器，其特征在于，还包括有实现自动加药和自动混合的智能控制系统。

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