JP5579562B2 - Aeration stirrer - Google Patents
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Description
本発明は、曝気撹拌機に関し、特に、水中に空気(酸素)を供給する好気運転(曝気運転)と、水中に空気(酸素)を供給しない嫌気運転(撹拌運転)とを、簡単に切り替えられ、特に、エネルギ効率のよい好気運転が可能な曝気撹拌機に関するものである。 The present invention relates to an aeration stirrer, and in particular, easily switches between an aerobic operation (aeration operation) for supplying air (oxygen) into water and an anaerobic operation (agitation operation) without supplying air (oxygen) into water. In particular, the present invention relates to an aeration stirrer capable of energy efficient aerobic operation.
従来、下水等の汚水処理場にて使用する曝気機として、図3に示すようなスクリュー式曝気機が実用化されている(特許文献1参照)。
このスクリュー式曝気機は、電動機30と、この電動機30により回転する中空軸1と、中空軸1の上端に取り付けた電動バルブ40と、中空軸1の下端部の外周面に螺旋状に羽根20を取り付けて構成したスクリュー2と、中空軸1の外周を覆うパイプ状のカバー52と、カバー52の下端に取り付けた渦流防止板51とより構成されている。
Conventionally, a screw type aerator as shown in FIG. 3 has been put to practical use as an aerator used in a sewage treatment plant such as sewage (see Patent Document 1).
The screw type aerator includes an
このスクリュー式曝気機は、電動機30を駆動することにより、中空軸1を介してスクリュー2を回転すると、これにより生じる水流により、スクリュー2の先端水域に負圧が生じる。この負圧のため、電動バルブ40を開放とすると、空気が電動バルブ40を経て吸い込まれ、吸い込まれた空気は、中空軸1を通って、水中に吐出される。このとき、水中に吐出された空気は、スクリュー2の羽根20及び水流の作用によって、微細化され、水流に乗って水中深く送られ、その過程で空気中の酸素が水に溶け、曝気が行われる(好気運転)。また、電動バルブ40を閉鎖すると、空気は吸い込まれず、スクリュー2の回転により生じる水流によって、曝気槽内の汚水の撹拌が行われる(嫌気運転)。
In this screw type aerator, when the
ところで、従来のスクリュー式曝気機は、スクリュー2の先端水域に生じる負圧により空気を自給する方式のため、水面からスクリュー2の先端までの垂直方向の距離、すなわち、浸漬深さを約0.3m程度に保つ必要があった。
その理由は、(1)浸漬深さを浅くしすぎると、回転するスクリュー2が水面に近づくことにより良好な水流を発生できなくなるためであり、逆に、(2)浸漬深さを深くしすぎると、回転するスクリュー2の先端部の領域における水圧(静圧)が上昇するため、スクリュー2の回転による負圧の効果が薄められ、自給する空気量が減少してしまい、エネルギ効率のよい好気運転が行えないだけでなく、必要な空気量を水中に送り込めないためであった。
By the way, since the conventional screw type aerator is a system in which air is self-supplied by the negative pressure generated in the tip water region of the
The reason is that (1) if the immersion depth is made too shallow, the
上記のように従来のスクリュー式曝気機においては、前記浸漬深さを約0.3m程度に保つ必要があり、なおかつ水流発生のために適した一定速度でスクリューを回転させる必要性があったため、電動バルブ40を半分閉じるといった空気量を減じる調整はできたが、空気量を増加させる調整が不可能であった。
As described above, in the conventional screw type aerator, it is necessary to keep the immersion depth at about 0.3 m, and it is necessary to rotate the screw at a constant speed suitable for water flow generation. Adjustment to reduce the amount of air, such as closing the
そして、スクリュー2の先端部より放つ気泡が水面に到達するまでの滞留時間を延長し、酸素移動速度の効率を上昇させるために浸漬深さを大きくすることは、上記(2)の理由から困難であった。
また、空気量を増加させられない構造であるため、エネルギ効率の向上には限度があった。
And it is difficult for the reason of said (2) to extend the residence time until the bubble emitted from the front-end | tip part of the
In addition, since the structure is such that the amount of air cannot be increased, there has been a limit to improving energy efficiency.
本発明は、従来のスクリュー式曝気機にあった制約を越えて、浸漬深さを大きくすることや空気量を増加させること、さらに、それに応じた動力増加分を抑えることで、結果的にエネルギ効率の高い好気運転を行うことができる曝気撹拌機を供給することを目的とする。 The present invention goes beyond the limitations of conventional screw aerators to increase the immersion depth, increase the amount of air, and suppress the increase in power accordingly. It aims at supplying the aeration stirrer which can perform an aerobic operation with high efficiency.
上記目的を達成するため、本発明の曝気撹拌機は、電動機により回転駆動するようにした中空軸の下端部にスクリューを設けた曝気撹拌機において、中空軸の外周部に設けたカバー内を、中空軸が貫通し、水中に浸漬される下端部を除いて密閉構造として内部に空気室を形成し、中空軸の水上部に該中空軸の軸方向に間隔をあけて2個の開口孔を形成し、該開口孔を介して中空軸の内部と空気室とが連通するようにし、かつ、好気運転時に、空気供給源から空気導管を介して空気室に空気を強制的に送り込むようにし、嫌気運転時に、空気導管に設けた電動バルブを閉鎖し、カバーの内部を上昇してきた水を下側の開口孔から中空軸の内部側へ吸い込まれるようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the aeration stirrer of the present invention is an aeration stirrer provided with a screw at the lower end of a hollow shaft that is driven to rotate by an electric motor, in the cover provided on the outer peripheral portion of the hollow shaft, An air chamber is formed inside as a sealed structure except for a lower end portion that penetrates the hollow shaft and is immersed in water, and two opening holes are formed in the upper portion of the hollow shaft with a space in the axial direction of the hollow shaft. And the inside of the hollow shaft and the air chamber communicate with each other through the opening hole, and air is forcibly sent from the air supply source to the air chamber through the air conduit during the aerobic operation. During the anaerobic operation, the electric valve provided in the air conduit is closed, and the water that has risen inside the cover is sucked into the inner side of the hollow shaft from the lower opening hole .
この場合において、空気供給源にブロアを用いたことを特徴とする請求項1記載の曝気撹拌機。
In this case, the aeration stirrer according to
また、中実軸を有する電動機により中空軸を回転駆動するようにすることができる。 Further, the hollow shaft can be rotationally driven by an electric motor having a solid shaft.
本発明の曝気撹拌機によれば、中空軸の外周部に設けたカバー内を、中空軸が貫通し、水中に浸漬される下端部を除いて密閉構造として内部に空気室を形成し、中空軸の水上部に開口孔を形成し、該開口孔を介して中空軸の内部と空気室とが連通するようにし、かつ、好気運転時に、空気供給源から空気導管を介して空気室に空気を強制的に送り込むようにすることにより、空気室に強制的に送り込まれる空気の圧力によって、スクリューの回転による負圧を補助し、スクリューの浸漬深さを大きくしたり、空気量を増加させることができ、さらに、それに応じた動力増加分を抑えることで、結果的にエネルギ効率の高い好気運転を行うことができる。 According to the aeration stirrer of the present invention, the inside of the cover provided on the outer peripheral portion of the hollow shaft penetrates the hollow shaft and forms an air chamber inside as a sealed structure except for a lower end portion immersed in water. An opening hole is formed in the upper part of the shaft so that the inside of the hollow shaft communicates with the air chamber through the opening hole, and the air chamber is connected to the air chamber from the air supply source through an air conduit during aerobic operation. By forcibly sending air, the pressure of the air forced into the air chamber assists the negative pressure due to the rotation of the screw, increasing the screw immersion depth or increasing the amount of air. In addition, by suppressing the increase in power corresponding thereto, it is possible to perform an aerobic operation with high energy efficiency as a result.
そして、開口孔を、中空軸の軸方向に間隔をあけて複数個形成することにより、嫌気運転時に中空軸とカバーの間を水が上昇して、電動機の近傍に達し、開口孔が上昇してきた水に含まれるごみが乾燥することによって閉塞されることを防止することができ、また、空気導管に電動バルブを設けることにより、好気運転と、電動バルブを閉鎖して行う嫌気運転とを容易に切り替えることができる。By forming a plurality of opening holes at intervals in the axial direction of the hollow shaft, water rises between the hollow shaft and the cover during anaerobic operation, reaches the vicinity of the motor, and the opening hole rises. It is possible to prevent the waste contained in the water from being clogged by drying, and by providing an electric valve in the air conduit, an aerobic operation and an anaerobic operation performed by closing the electric valve are performed. It can be switched easily.
また、空気供給源にブロアを用いたことにより、空気供給源を簡易な機構によって構成することができる。 Further, by using a blower as the air supply source, the air supply source can be configured by a simple mechanism.
また、中実軸を有する電動機により中空軸を回転駆動するようにすることにより、汎用の電動機を使用することができる。 Moreover, a general-purpose electric motor can be used by rotationally driving the hollow shaft with an electric motor having a solid shaft.
以下、本発明の曝気撹拌機の実施の形態を、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the aeration stirrer of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図2に、本発明の曝気撹拌機の一実施例を示す。
この曝気撹拌機は、図3に記載した従来の曝気撹拌機と同様、電動機3により回転駆動するようにした中空軸1の下端部にスクリュー2を設けた曝気撹拌機に関するものである。
1 to 2 show an embodiment of the aeration stirrer of the present invention.
This aeration stirrer relates to an aeration stirrer in which a
そして、この曝気撹拌機は、中空軸1の外周部に設けたカバー5内を、中空軸1が貫通し、水中に浸漬される下端部5aを除いて密閉構造として内部に空気室50を形成し、中空軸1の水上部に開口孔1a、1bを形成し、開口孔1a、1bを介して中空軸1の内部と空気室50とが連通するようにし、かつ、好気運転時に、空気供給源6から空気導管4を介して空気室50に空気を強制的に送り込むようにしている。
And this aeration stirrer forms the
この場合において、空気室50に空気導管4を介して空気を強制的に送り込む手段である空気供給源6には、ブロアを用いたことができる。
これにより、空気供給源を簡易な機構によって構成することができる。
In this case, a blower can be used as the air supply source 6 which is a means for forcibly sending air into the
Thereby, an air supply source can be comprised by a simple mechanism.
また、電動機3には、中実軸を有する電動機を用いるようにしている。
これにより、汎用の電動機を使用することができ、補修等を容易に行うことができる。
Further, as the
Thereby, a general purpose electric motor can be used and repair etc. can be performed easily.
また、空気導管4に電動バルブ4aを設けるようにしている。
これにより、電動バルブ4aを開き、空気供給源6から空気導管4を介して空気室50に空気を強制的に送り込みながら行う好気運転と、電動バルブ4aを閉鎖して行う嫌気運転とを容易に切り替えることができる。
In addition, an
This facilitates an aerobic operation performed by opening the
ところで、電動バルブ4aを閉鎖して行う嫌気運転では、中空軸1とカバー5の間を水が上昇して、電動機3の近傍に達し、カバー5の内部が汚れ、上昇してきた水に含まれるごみが乾燥することによって閉塞されるという問題があった。
そのメカニズムは、嫌気運転では、スクリュー2の先端の負圧によりカバー5内が負圧となり、中空軸1とカバー5の間を水が上昇し、極端な場合には、電動機3の出力軸と中空軸1の接続部まで水位が上昇する。
このとき、中空軸1の先端部における負圧は、実測で約2.5mH20〜4.0mH20となっている。
これを防ぐために、この曝気撹拌機においては、中空軸1の軸方向に間隔をあけて複数個の開口孔1a、1bを形成する(ここで、開口孔1bは、水面の少し上の箇所に形成するようにする。)ようにしている。
これにより、嫌気運転時にカバー5の内部を上昇してきた水は、開口孔1bから中空軸1の内部側へ吸い込まれ、その結果、中空軸1とカバー5の間を水が上昇しても、上側の開口孔1aや電動機3の出力軸と中空軸1の接続部まで水が上昇することがなく、特に、開口孔1aが上昇してきた水に含まれるごみが乾燥することによって閉塞されることを防止することができる。
By the way, in the anaerobic operation performed by closing the
The mechanism is that in anaerobic operation, the inside of the
At this time, the negative pressure at the tip of the
In order to prevent this, in this aeration stirrer, a plurality of
Thereby, the water that has risen inside the
次に、この曝気撹拌機の作用について説明する。
まず、対比のため、図3に記載した従来の曝気撹拌機を、設置角度を45度、スクリュー2の先端の浸漬深さを0.3mにして、3.7kWの所要動力で駆動すると、適正な水流を発生させるとともに、2.4m3/minの空気を自給で水中に放出することができた。このときの空気流量Qaを所要動力Pで除した値を空気の投入効率ηairとすると、
ηair=Qa/P=2.4/3.7=0.65m3/(min・kW)
となる。
水槽の深いところまで気泡を届かせるために、スクリュー2の先端の浸漬深さを0.3mから0.7mに変更すると、自給による空気量は減少し、1.1m3/minとなってしまう。
そこで、自給に加えて、空気供給源6であるブロワから空気導管4を介して空気室50に空気を強制的に送り込むようにする。このとき、空気供給源6であるブロワによる空気圧は0.4mH2Oとなる。この値は水深が深い割には小さく、ブロワの所要動力は0.44kWとなる。
ここで、ブロワの所要動力0.44kWは、以下の計算式に基づいて算出される。
断熱ヘッド:Had={κ/(κ−1)}・Rgas・T1・{(P2/P1)(κ−1)/κ−1}=330(mm)
κ:比熱比 1.4
Rgas:ガス定数(kgm/kgK) 29.5
T1:入口温度(全温)K 293.2
P1:入口全圧(kg/m2abs) 10330
P2:出口全圧(kg/m2abs) 10330+400(静圧の増加分)
空気量 Q=2.4m3/min
重量流量 G=1.2×Q/60=0.054kg/s
空気動力 P=G×Had/102=0.174kW
ブロワの効率 ηb=0.40と定める
ブロワ所要動力 L=P/ηb=0.44kW
3.7kWの曝気撹拌機に、0.44kWのブロワを追加することで、浸漬深さ300mmを700mmにしても、空気量を2.4m3/minに維持できる。
なお、空気量は実測でそれより大きな2.7m3/minになった。このときの空気の投入効率ηairは、
ηair=Qa/P=2.7/(3.7+0.44)=0.66m3/(min・kW)
となり、浸漬深さが300mmで自給していたときとほぼ同じになる。
Next, the operation of this aeration stirrer will be described.
First, for comparison, when the conventional aeration stirrer described in FIG. 3 is driven at a required power of 3.7 kW with an installation angle of 45 degrees and an immersion depth of the tip of the
η air = Qa / P = 2.4 / 3.7 = 0.65 m 3 / (min · kW)
It becomes.
If the immersion depth at the tip of the
Therefore, in addition to self-sufficiency, air is forcibly fed into the
Here, the required power of the blower 0.44 kW is calculated based on the following calculation formula.
Thermal insulation head: H ad = {κ / (κ-1)} · R gas · T1 · {(P2 / P1) (κ-1) / κ- 1} = 330 (mm)
κ: Specific heat ratio 1.4
R gas : Gas constant (kgm / kgK) 29.5
T1: Inlet temperature (total temperature) K 293.2
P1: Inlet total pressure (kg / m 2 abs) 10330
P2: outlet total pressure (kg / m 2 abs) 10330 + 400 (increase in static pressure)
Air volume Q = 2.4m 3 / min
Weight flow rate G = 1.2 × Q / 60 = 0.054 kg / s
Air power P = G × Had / 102 = 0.174kW
Blower efficiency η b = 0.40 Blower required power L = P / η b = 0.44 kW
By adding a 0.44 kW blower to the 3.7 kW aeration stirrer, the amount of air can be maintained at 2.4 m 3 / min even if the immersion depth is 300 mm.
The amount of air was 2.7 m 3 / min, which was larger than that in actual measurement. At this time, the air charging efficiency η air is
η air = Qa / P = 2.7 / (3.7 + 0.44) = 0.66 m 3 / (min · kW)
Thus, the immersion depth is almost the same as when the self-sufficiency is 300 mm.
ここで、今まで述べてきた空気の投入効率ηairは、曝気効率の目安になるがそれそのものではない。そもそも、曝気効率とは、その空気内の酸素が水に溶解する速度の動力当たりの値、すなわち酸素溶解動力効率Epであり、簡略計算で求めることは困難であり実測で求めることとした。 Here, the air input efficiency η air described so far is a measure of the aeration efficiency, but it is not itself. In the first place, the aeration efficiency is a value per power of the rate at which oxygen in the air dissolves in water, that is, the oxygen dissolution power efficiency Ep, which is difficult to obtain by simple calculation and is obtained by actual measurement.
表1に示すように、実測により酸素溶解動力効率Epは数%上昇することが確認されている。
この結果は、浸漬深さを深くすることで気泡の滞留時間が延長され、曝気効率(酸素溶解動力効率Ep)が向上した現象によるものと考えられる。
As shown in Table 1, it has been confirmed by measurement that the oxygen dissolution power efficiency Ep increases by several percent.
This result is considered to be due to the phenomenon that the aeration time (oxygen dissolution power efficiency Ep) is improved by increasing the immersion depth and extending the residence time of bubbles.
次に、この曝気撹拌機により、撹拌のエネルギ効率が維持できる効果について説明する。
まず、スクリュー2の先端の浸漬深さを大きくし、気泡を深い位置に投入する場合、気体と液体が一緒に垂直上向きに流れる傾向が大きくなる影響で、水平に流れる水の流速を低下させる。これにより、副次的に撹拌効率の低下が懸念されるが、その一方で撹拌効率を上昇させる以下の効果もあり、それらが相殺されることで撹拌のエネルギ効率が維持できることが実験で確認されている。
水流発生、すなわち撹拌について、まず垂直方向の水の流速を考えると、浸漬深さの増大により水流発生位置から底部までの距離が短縮されることで水流の底部での減少が抑制される。その一方で、水平横向きに水流を発生させる位置が0.4m下側に移ることにより、例えば、2m以上の水槽の水深と水路幅より形成される水路断面において、水流発生位置がより中心位置にスライドする効果が得られる。
以上の内容を、水深2.5m、水路幅2.0m、水路長さ20m以上の無終端水路を用いて実験で確認した結果では、底部流速にほとんど差がなく、撹拌のエネルギ効率が維持できる効果が確認できた。
具体的には、浸漬深さが0.3mにおいて平均流速28.7cm/sに対して、浸漬深さが0.7mにおいて平均流速26.3cm/sとなった。
Next, the effect that the energy efficiency of stirring can be maintained by this aeration stirrer will be described.
First, when the immersion depth at the tip of the
Regarding the generation of water flow, that is, stirring, first, considering the flow rate of water in the vertical direction, the decrease in the bottom of the water flow is suppressed by shortening the distance from the water flow generation position to the bottom by increasing the immersion depth. On the other hand, the position where the water flow is generated horizontally and horizontally is shifted downward by 0.4 m, so that, for example, in the cross section of the water channel formed from the water depth of the water tank of 2 m or more and the water channel width, the water flow generation position is more central. The effect of sliding is obtained.
As a result of confirming the above contents by experiments using an endless water channel having a water depth of 2.5 m, a water channel width of 2.0 m, and a water channel length of 20 m or more, there is almost no difference in the bottom part flow velocity, and the energy efficiency of stirring can be maintained. The effect was confirmed.
Specifically, the average flow rate was 28.7 cm / s at an immersion depth of 0.3 m, whereas the average flow rate was 26.3 cm / s at an immersion depth of 0.7 m.
そして、この曝気撹拌機によれば、前述のように曝気撹拌機の中空軸1の水上部に開口孔1a、1bを形成し、その外周部は、カバー5に囲まれた空気室50とし、この空気室50には、空気導管4を介して地上側に設ける空気供給源6による空気の追加供給を可能としたが、必要な酸素溶解量に応じて空気供給源の回転数制御によりエネルギ効率のよい好気運転が可能となる。
なお、空気供給量の制御は、空気導管4の途中に設けた電動バルブ4aの開度調整でも調整できる。またそれらの併用により、空気供給装置にありがちな空気供給装置の低回転数時の低効率化を抑制することができる。
And according to this aeration stirrer, as mentioned above, the opening holes 1a and 1b are formed in the upper part of the
The control of the air supply amount can also be adjusted by adjusting the opening degree of the
以上、本発明の曝気撹拌機について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、各実施例に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。 As described above, the aeration stirrer of the present invention has been described based on the examples thereof, but the present invention is not limited to the configurations described in the above examples, and the configurations described in the respective examples are appropriately combined, etc. The configuration can be changed as appropriate without departing from the spirit of the invention.
本発明の曝気撹拌機は、浸漬深さを大きくすることや空気量を増加させること、さらに、それに応じた動力増加分を抑えることで、結果的にエネルギ効率の高い好気運転を行うことができることから、曝気撹拌機の用途に好適に用いることができる。 The aeration stirrer of the present invention can perform aerobic operation with high energy efficiency as a result of increasing the immersion depth, increasing the amount of air, and further suppressing the increase in power accordingly. Since it can do, it can use suitably for the use of an aeration stirrer.
1 中空軸
2 スクリュー
3 電動機
4 空気導管
4a 電動バルブ
5 カバー
50 空気室
6 空気供給源
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