CN1276743A - 改进的液体混合方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过使流动流体穿过均匀的紫外灯阵列(3B)而对流体进行消毒的装置和方法,紫外灯阵列截面垂直于流体的流动方向,由此限定了流体流动通道(8)。在流体流动入口靠近每个灯(5)末端设置有三角形的三角翼,该三角翼有一个与流体流动方向呈斜角的表面。流动流体与每个三角翼的相互作用产生了一对旋涡(10),该对旋涡沿相同或相反的方向转动。这些逆向转动的旋涡(10)相互加强,随着它们沿流动通道(8)的移动,最大限度地减少混合强度的衰减。由于这种共同加强特性,逆向转动的旋涡(10)能更有效地混合流体,使UV消毒设备更有效地利用紫外光,并且促进化学反应中的热和/或质量传递。尽管本发明的描述是以UV灯消毒设备为特例,但是本专业普通技术人员应当理解,本发明同样可以用于其它希望增加流体混合效果的阵列流体流动设备。

Description

改进的液体混合方法和装置
本发明涉及一种改进的液体混合方法和装置，它尤其提供了一种用于液体紫外线(UV)辐射消毒设备的改进的混合方法和装置。
用紫外线(UV)辐射杀死空气或液体中的微生物是公知技术。然而，传统的紫外线消毒设备未能非常有效地利用能量。由于紫外光的穿透距离很短(例如在水中小于1英寸)便被液体吸收，所以实际使用能量比理论需求能量多两倍，结果远离紫外灯的液体未能得到处理。本发明提出了一种沿UV灯的长度大规模混合流体的方法，使UV灯附近基本整个体积的液体都能被均匀处理。
在传统的阵列低压/低功率UV灯消毒设备中，液体在混合装置内停留时间较长，且液体沿UV灯的长度方向流动，充分进行混合，但其能量利用率低。若采用中压/大功率UV灯消毒设备，既可减少流体停留时间，又可以减少灯的长度，当增加在相邻灯之间与流体流动相垂直的距离时，还会进一步降低能量利用率。已经显示出，混合挡板能改进能量利用率。然而，挡板产生的混合旋涡持续的时间短，需要消耗很高的能量(压力降)。通常废水消毒设备是重力流进水设备，这种设备没有很大的使水混合的水头(压力)。因为在大多数废水处理场，多余的水流能量(即压力降)很小，需要有效地将水流能量转化成旋涡，才能有效地混合被处理流体。这就需要建造可提供比压降的装置。在另一种改进的废水处理场中，处理装置要有小于6英寸水柱的压力降，以便进行混合。
为了减少能量效率与输入能量之间不希望的损失，本发明提出了一组在流体流动方向基本上轴向对齐的旋涡，使流体在暴露于UV灯的长度上都存在旋涡，结果产生了短期小规模旋涡，由此最大限度地减小了输入能量的浪费。可用几种部件产生旋涡，包括使用运动的或放置在流动通道中的静止部件，如特殊形状的挡板、螺旋桨和梯形水管等等。
本发明的优选实施方式提出，在反应器的进口端使用成对配置的三角翼，产生逆向转动的旋涡。通过使用三角翼产生同向或逆向转动的旋涡，本发明能在低压降条件下，有效地混合流体，从而更有效地使用UV灯，促进流体消毒引发的化学反应中的热和/或质量传递，由此降低UV灯消毒设备的投资和运行费用。
因此，本发明的一个目的是提供一种在阵列或非阵列流体流动设备中取得增强混合的方法和装置，无需降低设备需要的输入能量，便可提高该设备的能量利用率。
本发明的另一个目的是通过产生一组同向或逆向转动的旋涡，提供一种在阵列或非阵列流体流动设备中取得增强混合的方法和装置，并在流体穿过设备的整个流动期间，都保持这些旋涡。
本发明的另一个目的是在阵列或非阵列流体流动设备的进口端使用三角翼，由此产生同向或逆向旋涡，增加该设备的混合效果。
因此，本发明的一个目的是提供一种无需降低设备所需的输入能量就可在紫外(UV)灯消毒设备内提高混合能力而增加设备能量利用率的方法和装置。
本发明的另一个目的是提供一种能在UV流体消毒设备中产生一组同向或逆向转动旋涡的方法和装置，在流体暴露于UV灯接受辐射的整个时间内，都保持这种旋涡。
本发明的再一个目的是在UV灯流体消毒设备的进口端使用三角翼，由此产生同向或逆向旋涡，增加该设备的混合效果。
尽管本发明的描述是以UV灯消毒设备为特例，但是本专业普通技术人员应当理解，本发明同样可以用于其它希望增加流体混合效果的阵列或非阵列流体流动设备。
本发明的优选实施例提供了一种通过使流动流体穿过紫外灯阵列，实施流体混合的装置和方法，紫外灯基本沿流体流动方向排列，并由此限定了流体流动通道。在每个管的上游或附近设置有三角形的三角翼，其表面与流体流动方向成一定的斜角。流体与每个三角翼相互作用，从而产生了一对旋涡，这些旋涡沿相反的方向逆向转动。这些逆向转动的旋涡相互加强，随着它们沿流动通道的移动，最大限度地减少混合强度的衰减。由于这种共同加强特性，逆向转动的旋涡能更有效地混合流体，使UV消毒设备更有效地利用紫外光。
尽管本发明的描述是以UV灯消毒设备为特例，但是本专业普通技术人员应当理解，本发明同样可以用于其它希望增加流体混合效果的阵列或非阵列流体流动设备，除三角翼以外，还可以用其它部件产生自我保持的、其轴心与流体流动方向一致的同向或逆向转动旋涡，包括使用运动的或放置在流动通道中的静止部件，如特殊形状的挡板、螺旋桨和梯形水管等等。
通过下面对本发明优选实施例的详细描述，本发明的其它细节、目的和优点将会一目了然。
图1是本发明紫外线消毒装置优选实施例的立体图。
图2a是本发明三角翼设计的一剖视图。
图2b是本发明三角翼的立体图。
图3-5是本发明采用的各种方阵流阵列的剖视图。
图6是一种变化的三角形阵列的剖视图。
图7显示的是三角翼冲击角对三角翼阻力系数的影响。
图8a和8b显示的是三角翼纵横比和冲击角与三角翼产生的旋涡持续时间的关系。
图9显示的是旋涡中心线与三角翼纵横比之间的关系。
图10显示的是Strouhal数与三角翼冲击角之间的关系。
图11显示的是穿过三角翼的实验压力降与流速函数之间的关系。
图1展示了一个阵列流体混合装置1，其优选实施例是紫外线(UV)消毒设备。流体混合装置由其上固定有铰接臂3的框架2组成。每个铰接臂装有一排电驱动灯泡5，每个灯泡都环绕有一个用紫外光可透过的材料如石英制成的管13。铰接臂3可在第一位置3a和第二位置3b之间移动，在第一位置3a取下和/或更换灯泡，在第二位置3b灯泡5排列成阵列形式3b，使流体4例如水沿基本上平行于管13纵向轴的方向流动。当在阵列位置3b时，灯泡5使流体4有足够的时间暴露在UV照射下，从而实施消毒处理。UV消毒装置1的某些铰接臂3排列在隔离模件6而不是灯管13上。通过用隔离模件6填充远离管13的空白区域，可以维持旋涡的流动状况，防止流体绕过UV光的辐射区。利用隔离模件6还可以使灯隔开更大的间距，增大过流断面，由此降低流体流速和压力降。这样低流速就无需设置防止进口压力损失的进口过渡区。图1所示的装置设置有一排四个灯泡管组件13和三个隔离模件6。流体4在相邻管13和/或隔离模件6之间的流动通道7内流动。用气缸8防止UV光辐射量的降低，该气缸带动一个清洁机构，除去流体4沉积在管13上的外来物质。
如图2A-2B所示，在该优选实施例中，每个管13都设置有三角形的三角翼9，三角翼9成对安装在灯5的上游，流体进入管13和隔离模件6阵列。每个三角翼9都被设计成其末端12能产生一对如图3所示的同向或逆向转动的流体旋涡10。每个旋涡10的中心线11距每个末端大约有25％的翼宽，其垂直位置由三角翼9与流动方向的倾斜角(冲击角)控制。基本上流体穿过三角翼9消耗掉的所有能量都被用来产生大规模的末端旋涡10。如图3所示，冲击角相对倾斜设置的一对三角翼9a和9b(即一个三角翼的冲击角为+θ°，则另一个三角翼的冲击角为-θ°)能产生四个逆向转动的具有上述特性的流体旋涡10。通过使许多对三角翼排列成如图3所示的规则阵列，能产生类似于安装在管和隔离件阵列上游的静止混合螺旋桨阵列的效果，由此通过选择合适的螺旋桨叶片节距和叶型，可最大限度地减少小规模湍流。尽管优选的是如图3-6所示的阵列方案，但是产生旋涡的基本特征是，能产生旋涡的结构要具有特定形状和定位，以使旋涡的轴线基本上与流体4流动方向相一致。因此，使用三角翼9还能产生非阵列旋涡设备，用除三角翼9以外的其它部件包括运动的或放置在流动通道中的静止部件，如特殊形状的挡板、螺旋桨和梯形水管等等，既能产生阵列设备，也能产生非阵列设备。因此，用所有如图6所示的三角形阵列机构，能产生同向转动的旋涡14或同向转动的旋涡14和逆向转动的旋涡10。
通过使用如图3-5所示的正方形排列的管13和隔离模件6阵列，由三角翼9产生的逆向转动旋涡10能进一步提高混合效果。如图3所示，正方形排列阵列能使由三角翼9产生的旋涡10既顺时针转动又逆时针转动。这种逆向转动会使旋涡相互加强，由此当它们沿流动通道7移动时，能最大限度地减少混合强度的衰减。由于这种共同加强特性，正方形阵列产生的大规模旋涡10在通道8的较长长度上，能持续较长时间，由此只需少量能量就能进行给定量的混合。
在风洞中测试本发明的三角翼10，以确定它们的流体流动特性。图7显示的是冲击角θ对三角翼阻力系数的影响，阻力系数决定了对给定的流动流体4，穿过三角翼测得的压力降1。图8a显示的是纵横比AR和冲击角θ与三角翼9产生的旋涡10耐久性之间的关系2。图9显示的是旋涡中心线11的水平位置与纵横比AR之间的关系3，而对于所有纵横比AR，旋涡中心线11的垂直位置应当等于冲击角θ的一半。旋涡发出频率f(单位时间得到的旋涡转数)与冲击角θ和流体流动速度U之间的关系是如图10所示的Strouhal数St4与冲击角θ之间的关系。当降低流体流动速度U时，旋涡发出频率f也随之降低。然而，这可通过增加流体在通道7中的停留时间抵消掉，由此使每个有效灯长度VR具有相同的旋涡转数，结果在较低流速时，混合强度的衰减程度要小于传统设计方案。5
1具有任何纵横比的三角翼的升力系数(CL)和阻力系数(CD)计算如下：
(1)CL＝KP*sinθ(cosθ)2+KV*(sinθ)2*cosθ
(2)CD＝CL*tanθ
   θ＝冲击角(度)
   KP，KV＝从Bertin和Smith(参考文件1)得到
2用图8b所示的尺寸和下列公式计算纵横比AR：
用下列公式计算穿过三角翼9的预计压力降：
(10)DP＝CD*r*U2*A翼/(2*A流动)
CD＝阻力系数(公式(1))
r＝流体密度(kg/m3)
U＝流体粘度(m/s)
A翼＝翼的面积(m2)
A流动＝流动室的面积(m2)
DP＝压力降(Pa)
表1和图11显示的是在一定的流速U范围内，用低于40度的各种冲击角θ对具有单一纵横比AR的本发明三角翼9进行测试的测试结果。将实际测试结果与预计结果的比较显示出，理论模型精确预计的三角翼性能在所希望的运行区域内。表2显示出，流动通道7中有两个三角翼9时产生的压力降，不等于单独一个三角翼理论压力降的两倍。由于两个三角翼9产生的旋涡10的相互作用，很容易将压力降增加到预定值。预计含有四个三角翼9设备的总压力降，大约是单个三角翼产生的压力降的5倍。表3显示的是用大(至少40度)冲击角θ对三角翼所作的测试结果。
(3)AR＝2*b/c       b＝跨度(英寸)
                   c＝翼根弦(英寸)
3用下列公式计算中心线的水平位置：
(4)HC＝9.82*AR0.709
   HC＝从翼中心线到旋涡心的角度(度)
   而θvc＝a/2
4Strouhal数St限定的发出频率与三角翼跨度和流体流速之间的关系由下式表示：
(7)St＝*b/U
表1
测试三角翼的实验观测结果
三角形P的零读数＝13.0mm H2O
三角形P的倍率＝0.05
伏特计的零读数＝0.007V
温度＝24℃
密度＝1.1911kg/m3
从一个最小方阵分析(图9)，支承点和开放通道的压力降等于0.198mm H2O。
测试三角翼的压力降
常数RPM＝30％＝4.44m/s冲击角    三角形P(mmH2O)   只有三角形P翼   理论三角形P翼   误差(％)
      翼和支点         (mmH2O)        (mmH2O)10        0.2              0.002           0.0032          -37.520        0.22             0.022           0.0156          41.0330        0.2375           0.0395          0.0388          1.8035        0.255            0.057           0.0541          5.36
f＝发出频率(HZ)
b＝三角翼跨度(m)
U＝自由气流速度(m/s)
5单位有效灯长度VR上的旋涡转数与通道停留时间T之间的关系可用下式表示：
(8)VR＝T*f
   T＝通道的停留时间(s)
   f＝旋涡发出频率(Hz)
   VR＝单位有效灯长度上的旋涡转数
(9)T＝有效灯长度/U
   有效灯长度＝灯的长度(m)
   U＝流体流动速度
表2
一对测试三角翼的实验观测结果
三角形P的零读数＝14.9mm H2O
三角形P的倍率＝0.05
伏特计的零读数＝0.005V
温度＝24℃
密度＝1.1911kg/m3
设定一对三角翼的冲击角等于15度，与后边缘隔开3/4”，在测试期间模拟实际运行条件。
支承构件和开放通道的压力降
流速(m/s)           三角形P(mmH2O)
3.27                0.11
4.25                0.205
5.14                0.3
6.14                0.435
一对测试三角翼的压力降
流速(m/s)           三角形P(mmH2O)
3.27                0.11
4.25                0.215
5.14                0.33
6.14                0.455
一对测试三角翼的预计压力降与实验压力降的比较流速    三角形P翼  三角形P    只有三角形  理论三角形   误差(％)(m/s)   (mmH2O)   (支点)     P翼         P翼3.27    0.11       0.11       0.04        0.0087       -3604.25    0.215      0.205      0.01        0.0148       325.14    0.33       0.3        0.03        0.0216       -396.14    0.455      0.435      0.02        0.0308       35
表3
用大冲击角测试三角翼的实验观测结果
三角形P的零读数＝14.2mm H2O
三角形P的倍率＝0.05
伏特计的零读数＝0.0111V
温度＝24℃
密度＝1.1911kg/m3
支承构件和开放通道的压力降
流速(m/s)      三角形P(mmH2O)     三角形P(英寸水
                                   柱)
2.42           0.05                0.002
4.23           0.185               0.0073
5.10           0.25                0.0098
测试三角翼的压力降
θ＝40度流速    三角形P    三角形P    三角形P    三角形P    误差(％)(m/s)   (mmH2O)   (英寸水柱) (只有翼)   (理论翼)2.43    0.085      0.0033     0.035      0.021      -66.74.24    0.235      0.0093     0.05       0.064      21.95.08    0.335      0.132      0.085      0.093      8.6
θ＝50度流速    三角形P    三角形P    三角形P    三角形P    误差(％)(m/s)   (mmH2O)   (英寸水柱) (只有翼)   (理论翼)2.45    0.075      0.003      0.025      0.033      24.24.24    0.245      0.0096     0.06       0.098      38.85.04    0.345      0.136      0.095      0.138      31.1
观察三角翼的流动情况
冲击角      速度      注释
40          4.27      在三角翼的末端出现了旋涡破坏
                      在该点出现非常强烈的串式搅动作用。
50          4.21      在三角翼的大约五分之二长度处出现了旋
                      涡破坏。
                      在该点出现了非常强烈的串式搅动作用。
测试的结果是，为本发明优选实施方式设计的最佳三角翼9具有下列特性，对每个灯管13或隔离模件6有四个三角翼的设备，总共能产生8个旋涡10：
翼根弦c＝7.37英寸
跨度b＝3.685英寸
前缘斜角＝45度(见图8b)
冲击角θ＝20度
尽管参照附图描述了实施本发明的优选实施方式，但是在权利要求书的范围内，本发明还有多种实施方式。

Claims (59)

1.一种混合至少一种流过一流体设备的流体的装置，包括：
  A.至少一第一部件，该部件在至少一个尺寸上有至少一个细长表面，其细长表面的轴线基本与上述流体流动方向一致；
  B.至少一第二部件，该部件至少有一个表面与上述基本上和流体流动方向一致的细长表面隔开；
其特征在于至少一个上述第二部件的至少一个表面是这样成形和定位的，它与流体相互作用，在上述流体中产生至少一个旋涡，旋涡的转动轴线基本与上述流体流动方向一致。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述第二部件的成形表面是三角形。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述第二部件的成形表面与上述流体流动方向有一斜角。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于至少产生两个旋涡，每个旋涡沿相同方向转动。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在至少产生两个旋涡，每个旋涡沿相反方向转动。
6.一种混合至少一种流过流体设备的流体的装置，包括：
  A.一第一部件间隔排列的阵列，每个部件在至少一个尺寸上有至少一个细长表面，其细长表面的轴线基本与上述流体流动方向一致；
  B.多个第二部件，每个部件至少有一个表面与上述基本和流体流动方向一致的细长表面隔开；
其特征在于至少一个上述第二部件的至少一个表面是这样成形和定位的，它与流体相互作用，在上述流体中产生至少一个旋涡，旋涡的转动轴线基本与上述流体流动方向一致。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于至少产生两个旋涡，每个旋涡沿相同方向转动。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于至少产生两个旋涡，每个旋涡沿相反方向转动。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于上述第二部件的成形表面是三角形。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于上述第二部件的成形表面与上述流体流动方向有一斜角。
11.如权利要求6所述的装置，其特征在于至少产生一对旋涡，每个旋涡沿相反方向转动。
12.如权利要求6所述的装置，其特征在于至少产生两对旋涡，一对旋涡中的每个旋涡沿相同方向转动，另一对旋涡中的每个旋涡沿相反方向转动。
13.如权利要求6所述的装置，其特征在于上述阵列是均匀的。
14.如权利要求6所述的装置，其特征在于上述阵列是不均匀的。
15.如权利要求6所述的装置，其特征在于进一步包括一个隔开排列的、散置在上述第一部件之间的第三部件阵列，每个部件在至少一个尺寸上有至少一个细长表面，其细长表面的轴线基本与上述流体流动方向一致。
16.如权利要求6所述的装置，其特征在于上述第一部件的上述轴线基本排列成正方形。
17.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于上述第三部件的上述轴线基本排列成正方形。
18.如权利要求10所述的装置，其特征在于上述第二部件成对设置，每个部件的上述角基本相等，且基本相对倾斜。
19.如权利要求1或6所述的装置，进一步包括与每个上述第一部件隔开设置的两个上述第二部件。
20.如权利要求1或6所述的装置，进一步包括与每个上述第一部件隔开设置的四个上述第二部件。
21.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于通过上述成形表面一侧的宽度，确定每个上述旋涡中心轴线距上述第二部件的成形表面末端的距离。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于上述中心轴线距上述成形表面末端的距离，大约是上述成形表面该侧宽度的四分之一。
23.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于上述成形表面的上述斜角限定了每个旋涡中心轴线的位置。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于上述中心轴线距上述第一部件的距离大约是上述斜角的一半。
25.如权利要求15所述的装置，其特征在于上述三角形表面的上述斜角限定了每个旋涡中心轴线的位置。
26.如权利要求23所述的装置，其特征在于上述中心轴线距上述第三部件的距离大约是上述斜角的一半。
27.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于上述第一部件的成形允许从上述设备中拆下上述第一部件。
28.如权利要求15所述的装置，其特征在于上述第三部件的成形允许从上述设备中拆下上述部件。
29.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述流体设备在上述流体中引发了化学反应。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于上述化学反应对上述流体进行消毒。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于上述流体设备利用紫外线辐射进行消毒。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于上述第一部件包括产生上述紫外线辐射的灯。
33.如权利要求32所述的装置，其特征在于上述灯用含有石英的材料制成。
34.如权利要求6所述的装置，其特征在于上述流体设备在上述流体中引发了化学反应。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于上述化学反应对上述流体进行消毒。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于上述流体设备利用紫外线辐射进行消毒。
37.如权利要求36所述的装置，其特征在于上述第一部件包括产生上述紫外线辐射的灯。
38.如权利要求37所述的装置，其特征在于上述灯用含有石英的材料制成。
39.一种通过使上述流体穿过如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37或38所述的装置从而对至少一个流体进行消毒的方法。
40.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于上述第二部件选自挡板、螺旋桨和梯形水管。
41.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于上述间隔使上述第二部件位于上述第一部件的上游。
42.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于上述间隔使上述第二部件的位置靠近上述第一部件的上述细长表面。
43.如权利要求6或16所述的装置，其特征在于上述第二部件的排列在每个上述第一部件附近能产生8个旋涡，每个旋涡都邻近至少一个其它上述第一部件。
44.如权利要求43所述的装置，其特征在于每个上述旋涡的转动方向与至少另一个旋涡的转动方向相反。
45.如权利要求44所述的装置，其特征在于所有上述旋涡都以相同的方向转动。
46.如权利要求17所述的装置，其特征在于上述第二部件的排列在每个上述第一部件附近能产生8个旋涡，每个旋涡都邻近至少一个其它上述第一部件以及至少一个上述第三部件。
47.如权利要求46所述的装置，其特征在于每个上述旋涡的转动方向与至少另一个旋涡的转动方向相反。
48.如权利要求46所述的装置，其特征在于所有上述旋涡都沿相同的方向转动。
49.如权利要求6所述的装置，其特征在于至少三个上述第一部件的上述轴线基本呈三角形排列。
50.如权利要求49所述的装置，其特征在于上述第二部件的排列能产生6个靠近每个上述第一部件的旋涡。
51.如权利要求50所述的装置，其特征在于每个上述旋涡的转动方向与至少另一个旋涡的转动方向相反。
52.如权利要求51所述的装置，其特征在于所有上述旋涡都沿相同的方向转动。
53.如权利要求49所述的装置，其特征在于进一步包括一个隔开排列的、散置在上述第一部件之间的第三部件阵列，每个部件在至少一个尺寸上有至少一个细长表面，其细长表面的轴线基本与上述流体流动方向一致。
54.如权利要求53所述的装置，其特征在于上述第二部件的排列能产生偶数个靠近每个上述第一部件的旋涡。
55.如权利要求54所述的装置，其特征在于所有上述旋涡都沿相同的方向转动。
56.如权利要求55所述的装置，其特征在于每个上述旋涡沿与所有其它旋涡相反的方向转动。
57.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于所有上述旋涡都沿相同的方向转动。
58.如权利要求23所述的装置，其特征在于上述成形表面的上述斜角和上述第一部件距上述第二部件的距离限定了每个旋涡中心轴线相对于上述第一部件的位置。
59.如权利要求25所述的装置，其特征在于上述成形表面的上述斜角和上述第一部件距上述第三部件的距离限定了每个旋涡中心轴线相对于上述第三部件的位置。
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