CN208883562U - 具有强卷吸能力的射流曝气器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有强卷吸能力的射流曝气器，包括吸入腔、喷射腔以及混合腔，所述吸入腔的顶端设有引射介质进口，在相对的两侧侧壁上设有进口和出口；所述喷射腔包括进口以及喷嘴，喷嘴从吸入腔的进口处伸入吸入腔内；所述混合腔与所述吸入腔的出口连通，且所述混合腔的进口、出口与所述吸入腔的进口、出口同轴，还包括一个槽隙式喷头，所述槽隙式喷头与所述混合腔的出口连通，且所述槽隙式喷头的进口、与所述混合腔的进口、出口同轴；所述槽隙式喷头的出口为扁平型的槽隙式出口；提高射流曝气器的卷吸能力。

Description

具有强卷吸能力的射流曝气器

技术领域

本发明涉及射流曝气器，具体地说，涉及一种具有强卷吸能力的射流曝气器。

背景技术

在污水生化处理中，必须让污水曝气，以供给氧化分解污水中有机物和维持微生物生命活动所需的氧气。其中，射流曝气法以其较高的动力效率和氧利用率在污水生化处理中占有重要的地位。

射流曝气是利用高速水射流对空气的抽吸作用而使污水充氧，利用射流与空气混合后形成的强力紊动来达到气水混合。由于射流曝气具有充氧能力强，氧利用率高(鼓风曝气一般为6～10％，射流曝气一般在30～50％)，因而电耗省，运行费用低等优点，在污水生化处理中占有重要地位。

射流曝气器作为一种流体机械是集混合、反应、吸收于一体的流体输送设备，通过高速射流的动量、能量、质量传递，对气体进行抽吸和压缩。

现有的射流曝气器主要由吸入腔、喷射腔、混合腔和喷头等部件组成。经过喷射腔的喷嘴射出的流体称为工作介质，工作介质以高速从喷射腔的喷嘴流出，进入吸入腔，将吸入腔外的气体卷吸进吸入腔，被吸入的气体称为引射介质，工作介质与被卷吸入的引射介质一起进入混合腔，水气混合物在混合腔中经历了气水混合，最后成乳状气水两相混合物从喷头射出，形成平面紊动射流。射流曝气器的射流形式及其卷吸能力是能否提高射流曝气系统的动力效率和氧利用率的关键技术之一，而如何进一步提高传统射流曝气器的氧转移质量、将空气中的氧转移到污水中是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有强卷吸能力的射流曝气器，用于提高射流曝气过程的单位时间氧转移量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有强卷吸能力的射流曝气器，包括吸入腔、喷射腔以及混合腔，所述吸入腔的顶端设有引射介质进口，在相对的两侧侧壁上设有进口和出口；所述喷射腔包括进口以及喷嘴，喷嘴从吸入腔的进口处伸入吸入腔内；所述混合腔与所述吸入腔的出口连通，且所述混合腔的进口、出口与所述吸入腔的进口、出口同轴，还包括一个槽隙式喷头，所述槽隙式喷头与所述混合腔的出口连通，且所述槽隙式喷头的进口、与所述混合腔的进口、出口同轴；所述槽隙式喷头的出口为扁平型的槽隙式出口。

进一步的，所述槽隙式喷头的进口是直径为D_c的圆，出口为扁平型的槽隙，槽隙的两端为半圆，半圆的直径即为槽隙的高度h_c，槽隙的总宽度为b_c。

进一步的，所述槽隙式喷头的进口直径D_c与槽隙的高度h_c、槽隙的总宽度b_c有以下关系：

进一步的，所述槽隙式喷头射出的平面紊动射流的卷吸能力可用下式表述：

式中：为x_c点处被卷吸入平面紊动射流的周围介质的质量流量；

为槽隙式喷头出口处的气液混合物的质量流量；

x_c为以槽隙出口为原点的紊动射流的轴向距离；

b_c为槽隙的总宽度。

进一步的，所述喷射腔的进口、喷嘴与所述吸入腔的进口、出口同轴，所述喷射腔的进口处设有旋流发生器，以产生旋动型射流。

进一步的，所述旋流发生器包括至少一层螺旋叶片。

从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点：1.将传统射流曝气器的圆形喷头改换成了槽隙式喷头，槽隙式喷头射出的平面紊动射流的推进力建立了一个极大的负压区，在相同的工作介质质量流量和喷射出口面积下，平面紊动射流具有更大的卷吸能力，提供了比圆形喷头更大的进行氧传输的剪切表面，能形成连续不断的气液接触面的更新，提高射流曝气过程的单位时间氧转移量，从而极大的提高了射流曝气器的动力效率和氧利用率；2.增加了旋流发生器的喷射腔可以使得工作介质产生移动轨迹变化，在喷射腔锥形区域产生旋进漩涡，并在喷射腔喷嘴出口处形成旋动型射流，提高射流曝气器的卷吸能力，旋动型射流的卷吸能力随旋动数的增大而增大，射流曝气器的空气吸入量将随射流的卷吸能力的增加而增加，气相的量亦将随之增加。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3是图1所示的具有强卷吸能力的射流曝气器的从喷射腔射出的工作介质的流动状态示意图；

图中所示：1：吸入腔；11：引射介质进口；12：进口；13：出口；2：喷射腔；21：进口；22：喷嘴；23：旋流发生器；3：混合腔；31：进口；32：出口；4：槽隙式喷头；41：进口；42：出口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一个实施例所述的具有强卷吸能力的射流曝气器的示意图。如图1所示，具有强卷吸能力的射流曝气器100包括吸入腔1、喷射腔2、混合腔3和槽隙式喷头4。

吸入腔1的顶端开设有引射介质进口11，引射介质从该进口进入吸入腔1内，吸入腔1 相对的两侧侧壁上设有工作介质的进口12和出口13，进口12和出口13同轴，进口12和出口13关于中心轴对称。引射介质是含有氧气的气体，例如空气。

喷射腔2与吸入腔1连通，喷射腔2用于喷射工作介质，喷射腔2喷射的工作介质是液体，例如水。喷射腔2的进口端固定在吸入腔1的进口12处，喷射腔2的本体位于吸入腔1内，喷射腔2的进口21、喷嘴22与吸入腔1的进口12、出口13同轴，且喷射腔2是关于中心轴对称结构，喷嘴22指向吸入腔1的出口13。喷射腔2的进口21处设有旋流发生器23，优选地，旋流发生器23包括至少一层螺旋叶片。经过旋流发生器23，工作介质的移动轨迹发生改变，以形成旋动型射流，从而增加射流的紊动程度和卷吸能力。

混合腔3的进口31与吸入腔1的出口13连通，混合腔3用于混合引射介质和工作介质，混合腔3的进口31、出口32关于中心轴对称，混合腔3的进口31、出口32与吸入腔1的进口12、出口13同轴。

如图2所示，槽隙式喷头4的进口41与混合腔3的出口32连通，槽隙式喷头4的进口41是直径为D_c的圆，槽隙式喷头4的出口42是高为h_c、总宽度为b_c的槽隙，该槽隙的两端是直径为h_c的半圆。混合后的引射介质和工作介质从槽隙式喷头4的出口42喷出，在槽隙式喷头4的出口42处形成平面紊动射流。槽隙式喷头4的进口41、出口42关于垂直平面对称，槽隙式喷头4的进口41与混合腔3的进口31、出口32同轴。

旋流发生器23安装于曝气器喷射腔2的前端，该带有螺旋叶片的旋流发生器23将使工作流体呈旋进漩涡状沿锥形喷射腔的喷嘴22流出，形成高速旋动型射流，有效的增加了射流的紊动度和卷吸能力，在曝气器的吸入腔1形成强力紊流，将空气卷吸入旋动型射流中，一起进入曝气器的混合腔3，在混合腔3中由于强力紊动，空气与水得到充分混合，空气被切割成无数小气泡，两相混合流体以乳状态通过槽隙式喷头流出，形成平面紊动射流，进入污水中。

图3是图1所示的具有强卷吸能力的射流曝气器的工作介质通过喷射腔从喷嘴射出时的喷射状态示意图。在图3中，增加旋流发生器23后，工作介质在喷射腔喷嘴射出的射流不仅包括轴向速度和径向速度，还包括切向速度。现有的喷射腔2'没有增加任何设备，工作流体在喷嘴射出的射流仅包括轴向速度和径向速度，而不存在切向速度。在图3中，旋流发生器 23安装于喷射腔2的前端，它使从喷射腔2进口21处流入的工作介质在喷射腔2的锥形区域产生旋进漩涡，并在喷射腔的喷嘴22出口处形成旋动型射流从喷嘴22喷出，有效的增加了射流的紊动度和卷吸能力，极大的提高了射流曝气器的动力效率和氧利用率。

槽隙式喷头4连接于混合腔3之后，在混合腔中充分混合的两相混合流体以乳状态通过槽隙式喷头4的出口42流出具有强卷吸能力的射流曝气器，以平面紊动射流形式进入污水中。平面紊动射流具有更大的卷吸能力和进行氧传输的剪切表面，将周围的污水不断的卷吸入乳状态的两相混合流体中，形成连续不断的气液接触面的更新，因此增加了气液两相界面的传质面积，传质系数也将随之增加，提高射流曝气过程的单位时间氧转移量。

下面从理论研究的角度进一步证明具有强卷吸能力的射流曝气器的性能得到提升。双膜理论认为气体溶于水的过程是由四个阶段组成的传质过程。第一阶段气体通过气相向气液交界面推移，第二阶段气体通过界面气侧的气膜，第三阶段通过界面液侧的液膜，最后第四阶段气体扩散到整个溶液中。双膜理论认为气体在向液体传质时，穿过气液界面的阻力主要来自于液侧的液膜。研究表明，影响氧总转移系数的主要手段有二个，一个是减小液膜厚度，另一个则是增加单位体积溶液界面的传质面积。具有强卷吸能力的射流曝气器是从两个方面来增加单位体积溶液界面的传质面积，其一，采用旋流发生器23，提高气体的卷吸量；其二，采用槽隙式喷头，形成平面紊动射流，卷吸入更多的污水，连续不断的更新气液接触面，因此增加了气液两相界面的传质面积。

与传统的射流相比，本发明的旋动型射流多了一个切向流速w，旋流发生器23产生的旋动型射流的旋动强度等于从喷嘴22射出的旋动型射流的切向流速w与轴向流速u之比，而在图3中，由于不存在切向流速w，则不存在旋动强度，即旋动数为零。而图2中所示的旋流发生器23所产生的旋动型射流的旋动强度用旋动数S来表示，

根据如下公式计算旋动强度：

式中，w表示旋动型射流的切向流速；

u表示旋动型射流的轴向流速；

旋动型射流的切向流速和轴向流速用以下代数方程表示：

式中，u_m为轴向流速在轴线处的最大值；

u₀为旋动型射流在喷嘴出口处的轴向速度；

w_m为切向流速在轴线处的最大值；

w₀为旋动型射流在喷嘴出口处的切向速度；

d为喷嘴的直径；

a为喷嘴的长度；

K₁是旋动数S的函数；

K₂与旋动数S无关；

f₁和f₂均为旋动数S的函数，其中：

H＝-0.94559S+1.327715 (7)

旋流发生器23所产生的旋动型射流的卷吸能力与旋动强度呈正比，二者的关系是：

式中：为x点处被卷吸入射流中的引射介质的质量流量；

为喷嘴出口处的工作介质的质量流量；

x为以喷嘴出口为起点的射流轴向距离；

d为喷嘴直径；

k₀和k_s为常数，其中，k₀＝0.32和k_s＝0.8。

由式(8)可见，射流的卷吸能力随旋动数S的增大而增大。

旋流发生器23所产生的旋动型射流的扩散角与旋动强度呈正比，二者的关系是：

θ＝4.8+14S (9)

式中：θ为射流的扩散角，即射流轴向剖面与边缘线之间的夹角，其中θ＝7.60°～10.96°。

由式(9)可见，随着旋动数S的增大，射流的扩散角θ也随之增大，但射流的轴向流速u将随之衰减，这将不利于设备几何结构的优化。实验表明，一般取S＝0.416为宜。

根据扩散角的角度值，可以得到代表旋动强度的旋动数，旋流发生器23所产生的旋动型射流的卷吸能力与旋动强度呈正比，因此，可以比较具有强卷吸能力的射流曝气器和传统射流曝气器的卷吸能力。

当θ＝7.60°，由式(9)可得，S＝0.2，此时，k₀＝0.32，k_s＝0.8，由式(8)可得，具有强卷吸能力的射流曝气器的而传统的射流曝气器，由于S＝0，则二者的比值为1.5，即具有强卷吸能力的射流曝气器的旋动型射流的卷吸能力为传统的射流曝气器的卷吸能力的1.5倍。

当θ＝10.96°，由式(9)可得，S＝0.44，此时，k₀＝0.32，k_s＝0.8，由式(8)可得，具有强卷吸能力的射流曝气器的而传统的射流曝气器，由于S＝0，则二者的比值为2.1，即具有强卷吸能力的射流曝气器的旋动型射流的卷吸能力为传统的射流曝气器的卷吸能力的2.1倍。

当S＝0.416，k₀＝0.32，k_s＝0.8，由式(8)可得，具有强卷吸能力的射流曝气器的 而传统的射流曝气器，由于S＝0，则二者的比值为2.04，即具有强卷吸能力的射流曝气器的旋动型射流的卷吸能力为传统的射流曝气器的卷吸能力的2.04倍。

上述计算表明，本发明的具有强卷吸能力的射流曝气器，其旋动型射流的卷吸能力是传统的射流曝气器的卷吸能力的1.5～2.1倍。也就是说，在工作介质的质量流量相同的情况下，具有强卷吸能力的射流曝气器的气体吸入量是传统射流曝气器的气体吸入量的1.5～2.1倍。

槽隙式喷头4连接于混合腔3之后，在混合腔中充分混合的两相混合流体以乳状态通过槽隙式喷头4的出口42流出具有强卷吸能力的射流曝气器，以平面紊动射流形式进入污水中。平面紊动射流具有更大的卷吸能力和进行氧传输的剪切表面，

平面紊动射流，其轴向流速u_cm随轴向距离x_c的变化用下式表示：

式中：u_cm为平面紊动射流的轴向流速；

u_c0为平面紊动射流在槽隙式喷头出口处的流速；

b_c为槽隙的总宽度；

x_c为以槽隙出口为原点的平面紊动射流的轴向距离。

槽隙式喷头的进口直径D_c与槽隙的高度h_c、槽隙的总宽度b_c有以下关系：

式中：D_c为槽隙式喷头的进口直径；

h_c为槽隙的高度；

b_c为槽隙的总宽度。

槽隙式喷头射出的平面紊动射流的卷吸能力可用下式表述：

式中：为x_c点处被卷吸入平面紊动射流的周围介质的质量流量；

为槽隙式喷头出口处的气液混合物的质量流量；

x_c为以槽隙出口为原点的平面紊动射流的轴向距离；

b_c为槽隙的总宽度。

当槽隙式喷头的进口直径D_c＝100mm时，在式(11)中取等于号，也就是当槽隙式喷头的出口截面积与槽隙式喷头进口截面积相等时，则有：

D_c＝100mm，b_c＝167.8mm，h_c＝50mm；

根据式(10)，就有槽隙式喷头射出的平面紊动射流，其轴向流速u_cm随轴向距离x_c的变化关系：

根据式(12)，就有槽隙式喷头射出的平面紊动射流的卷吸能力与轴向距离x_c的变化关系：

作为比对，这里给出传统射流曝气器的圆形喷头所射出的圆形紊动射流的相应计算式，其轴向流速u_ym随轴向距离x_y的变化用下式表示：

式中：u_ym为圆形紊动射流的轴向流速；

u_y0为圆形紊动射流在圆形喷头出口处的流速；

D_y为圆形喷头出口直径；

x_y为以传统射流曝气器圆形喷头出口为原点的圆形紊动射流的轴向距离。

传统射流曝气器的圆形喷头射出的圆形紊动射流的卷吸能力可用下式表述：

式中：为x_y点处被卷吸入圆形紊动射流的周围介质的质量流量；

为传统射流曝气器的圆形喷头出口处的气液混合物的质量流量；

x_y为以传统射流曝气器圆形喷头出口为原点的圆形紊动射流的轴向距离；

D_y为传统射流曝气器圆形喷头的出口直径。

当传统射流曝气器圆形喷头的出口截面积等于槽隙式喷头的出口截面积时，也就是当 D_y＝100mm时，根据式(15)，就有传统射流曝气器圆形喷头射出的圆形紊动射流，其轴向流速u_ym随轴向距离x_y的变化关系：

根据式(16)，就有传统射流曝气器圆形喷头射出的圆形紊动射流的卷吸能力随轴向距离 x_y的变化关系：

从式(14)与式(18)，就可计算出具有强卷吸能力的射流曝气器的槽隙式喷头与传统射流曝气器的圆形喷头的卷吸能力之比值：

当具有强卷吸能力的射流曝气器的槽隙式喷头与传统射流曝气器的圆形喷头的气液混合物质量流量相等时，且两者出口截面积亦相等的条件下，根据不可压缩流体的连续性条件，就有：

考察在距出口截面轴向距离为x_c＝x_y＝D_c＝D_y＝100mm处，根据式(19)计算得：

从式(20)可知，在气液混合物质量流量和喷头出口截面积均相等的情况下，在距出口截面轴向距离等于喷头直径处，具有强卷吸能力的射流曝气器的槽隙式喷头的卷吸能力是传统射流曝气器的圆形喷头卷吸能力的接近1.5倍。

当

可知，在靠近出口截面处，如在距出口截面轴向距离等于喷头直径的1/2处，具有强卷吸能力的射流曝气器的槽隙式喷头比传统射流曝气器的圆形喷头具有更强的卷吸能力，达到2.1 倍。

通过上述本发明提供的实施例具有强卷吸能力的射流曝气器，其有益效果是：1.增加了旋流发生器的喷射腔可以使得工作介质产生移动轨迹变化，在喷射腔的锥形区域产生旋进漩涡，并在喷嘴出口处形成旋动型射流，提高射流曝气器的卷吸能力，旋动型射流的卷吸能力随旋动数的增大而增大，射流曝气器的空气吸入量将随射流的卷吸能力的增加而增加，气相的量亦将随之增加；2.将传统射流曝气器的圆形喷头改换成了槽隙式喷头，槽隙式喷头射出的平面紊动射流具有比圆形喷头具有更大的卷吸能力和进行氧传输的剪切表面，形成连续不断的气液接触面的更新，因此增加了气液两相界面的传质面积，传质系数也将随之增加，提高射流曝气过程的单位时间氧转移量，从而极大的提高射流曝气器的动力效率和氧利用率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种具有强卷吸能力的射流曝气器，包括吸入腔、喷射腔以及混合腔，所述吸入腔的顶端设有引射介质进口，在相对的两侧侧壁上设有进口和出口；所述喷射腔包括进口以及喷嘴，喷嘴从吸入腔的进口处伸入吸入腔内；所述混合腔与所述吸入腔的出口连通，且所述混合腔的进口、出口与所述吸入腔的进口、出口同轴，其特征在于：还包括一个槽隙式喷头，所述槽隙式喷头与所述混合腔的出口连通，且所述槽隙式喷头的进口、与所述混合腔的进口、出口同轴；所述槽隙式喷头的出口为扁平型的槽隙式出口。

2.如权利要求1所述的具有强卷吸能力的射流曝气器，其特征在于：所述槽隙式喷头的进口是直径为D_c的圆，出口为扁平型的槽隙，槽隙的两端为半圆，半圆的直径即为槽隙的高度h_c，槽隙的总宽度为b_c。

3.根据权利要求2所述的具有强卷吸能力的射流曝气器，其特征在于：所述槽隙式喷头的进口直径D_c与槽隙的高度h_c、槽隙的总宽度b_c有以下关系：

式中：D_c为槽隙式喷头的进口直径；

h_c为槽隙的高度；

b_c为槽隙的总宽度。

4.根据权利要求3所述的具有强卷吸能力的射流曝气器，其特征在于：所述槽隙式喷头射出的平面紊动射流的卷吸能力可用下式表述：

式中：为x_c点处被卷吸入平面紊动射流的周围介质的质量流量；

为槽隙式喷头出口处的气液混合物的质量流量；

x_c为以槽隙出口为原点的紊动射流的轴向距离；

b_c为槽隙的总宽度。

5.根据权利要求1所述的具有强卷吸能力的射流曝气器，其特征在于：所述喷射腔的进口、喷嘴与所述吸入腔的进口、出口同轴，所述喷射腔的进口处设有旋流发生器，以产生旋动型射流。

6.根据权利要求5所述的具有强卷吸能力的射流曝气器，其特征在于：所述旋流发生器包括至少一层螺旋叶片。