CN101578238A - 具有文氏管配给装置的重力式水净化设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重力式水净化装置，其具有可控配量的液体杀生剂，以提供安全卫生的饮用水。本发明的目的是提供一种在重力式水净化装置中向要净化的水中分配液体杀生剂溶液的***，特别是能长时间一致地提供大稀释比的装置，而不需要任何电控制装置。本发明提供了重力式水净化装置，包括具有文氏管的杀生剂配给通道和旁路通道，其中所述旁路通道的截面积大于文氏管收缩区的截面积。

Description

具有文氏管配给装置的重力式水净化设备

技术领域

本发明涉及一种重力式水净化装置，具有可控配量的液体杀生剂，以提供安全卫生的饮用水。

背景技术

随着高度工业化社会的到来以及全世界人口的增加，人类消耗的安全饮用水的可得性正成为一个重要的问题。无节制的工业化已随之带来许多舒适程度方面的所需提高，但副作用是对生态***产生严重的压力。一种压力是对通常用于饮用目的的如井、江、河和湖等净水源的污染。这些水不仅受到化学制品的污染，而且受到来自这些工农业废物的有害微生物的污染。

随着对水净化需要的认识，在过去的几十年中，几种水净化技术已被开发出来并已商业化。这些技术的一类是针对城市方面的水净化，而另一类是用于单个家庭。在乡村和半城市地区，几乎没有任何城市水处理***。在具有城市水处理***的城区，水在从城市水处理厂向单个家庭在管线中通过期间容易受到部分污染。因此，需要在家庭中使用水净化装置。净化水的传统方法是煮沸，但这个方法由于煮沸水的燃料或电的成本的攀升正开始变得昂贵。有许多例如基于紫外线照射或反渗透的能提供安全饮用水的其它装置。其具有需要电力和自来水来运行这些装置的缺陷。在许多乡村和发展中国家，经常得不到连续的电力供应。人们经常得用壶或桶从井或公用水龙头收集水，因此厨房中的自来水也是不容易获得的。从而一类更新的水净化装置已被设计成在没有电力和自来水的情况下运行但仍能提供安全饮用水。

在这些类型的通常被称为重力式装置的装置中，通过向水中添加杀生剂来实现杀死微生物。杀生剂可以是固体、液体或气体形式。固体杀生剂的例子有次氯酸钙、二氯异氰尿酸钠和三氯氰尿酸等。臭氧和氯是气体杀生剂的例子。固体杀生剂的优点是可以将已称重数量的杀生剂添加到成批量的水中以达到所需的配量水平。但是，向例如重力式装置等半连续的水净化***配给准确量的固体杀生剂是很不容易的，在重力式装置中水从入口上腔室流进净化的下腔室。气体杀生剂具有其不便于在家庭净化***中存储的缺陷。

液体杀生剂包括次氯酸钠、碘、季铵化合物和戊二醛。在如重力式水净化***等半连续***中，可以设想配给液体杀生剂是最方便和容易的。对于像在城市处理厂的工业规模净化器，通常确实是这样的。对于家庭净化器，使用液体杀生剂就存在一些问题。为了确保家庭装置紧凑，杀生剂室的容积必须要小，这意味着必须使用高浓度的液体杀生剂溶液。杀死微生物所需的杀生剂量通常大约是在百万分之几的数量级，即0.0001％及以上。若添加过多的杀生剂，则在人使用之前，需要其他装置来清除杀生剂，否则会产生不好的味道和气味，并且太高浓度时会是有害的。因此严格控制杀生剂的量是很重要的。

在这种半连续***中的一个所需要求是用来可控地配给液体杀生剂的自动配比装置。自动配比装置是一种确保配给的液体杀生剂的量与要净化的水的量成比例的装置，并且这必须在没有电控制装置可用的情况下实现。在过去已使用的一种很简单的静态机械装置是文氏管。

文氏管是包括管的简单装置，该管具有连接于要配给的液体源的收缩部分。当水流过管并流经收缩部分时，由于水流经收缩部分而形成的水的速度的增加引起在该部分压力的必然的下降。该压力的下降用于要配给的液体的抽吸。当精心设计时，配给量与流经管的水的量成比例。

几个现有技术文献描述了这种原理在向流动的第二液体流中自动配比一种液体配量中的应用。WO20060109736描述了混合配给装置，用于将清洁溶质与溶剂混合和配给，该装置包括具有开口的混合瓶；混合配给装置包括本体和可去除地附接在所述开口上的盖，该盖具有文氏管，文氏管基本上由管状构件形成，在管状构件中发生溶质和溶剂的混合，该装置的特征在于在管状构件上具有径向孔，该径向孔决定溶质和溶剂之间的比例，并且盖具有形成于其中的可开启的空气入口。该发明是针对清洁流体与水的混合，其中稀释比、结果准确性和再现性不是很高，而且不具有高得足以确保满足对用于重力式水净化***的杀生剂浓度的严格控制的时间上的一致性。

EP0736483B1(1998)描述了一种果汁分配机的浓缩物配给装置，其中果汁浓缩物和水利用根据文氏管原理工作的装置混合，配给装置具有：制冷装置；两级探测器，用于控制分配箱中的低位和高位；真空致动阀，其吹进空气以运送管线中的浓缩物部分，该真空致动阀由浓缩物管中的浓缩物存在探测器启动。虽然该装置包括文氏管，但其在电力下运行以实现大量的控制功能，本发明的装置并不需要这些控制功能。

文氏管还被用于输送杀生剂的装置中。US6272879B1(2001)描述了一种用于冷却和消毒容器内液体的液体冷却***，包括：支撑架；附接于支撑架的冷却装置；液体引导装置，其包括用于从容器输入液体的输入段、冷却段和将冷却的液体返回容器的液体返回段，这个循环是利用泵装置实现的；连接于液体引导装置的液体消毒装置，包括分配杀菌剂的文氏管；以及过滤装置，用于将循环经过液体引导装置的液体中任何不需要的固态物留住。该公开物针对的是对要储存和使用冷却水的容器的消毒。液体的流动利用泵来控制，因此可以准确地控制到较高的程度。因此，利用文氏管吸抽杀生剂的再现性是可以高度预见的。这不是本发明的重力式水净化***的情况，在本发明的重力式水净化***中根据使用者在上腔室中充水的高度，水的流速可以在宽范围内变化。在这种情况下杀生剂输送***得构造成能在这些变化的主要条件下输送准确量的杀生剂。

US2004/0055969描述了一种水处理***和方法，包括接收臭氧的混合设备，利用文氏管分配的化学成分和污染水形成混合物以氧化和消毒水，从而杀死藻类。该***被制成有高水平的臭氧流和化学成分。这个专利申请的创造性是将臭氧与水分离以有效地循环臭氧的分离器。在该***中水的流速也是利用泵精细地控制，因此较容易控制利用文氏管吸取的用来消毒水的化学成分。而且，该***通常用于净化、澄清和稳定游泳池、矿泉疗养池、热浴盆或其它循环***内的水，在这些地方对于杀生剂浓度的控制不像对饮用水***要求的那么严格。

因此，上面的现有技术都没有描述重力式水净化装置所面临的特定问题的解决方案，即利用文氏管在较大的稀释比的情况下准确和再现地控制杀生剂浓度，该文氏管从具有高浓度的杀生剂输入溶液的小杀生剂室通向大水箱以向要净化的水中提供百万分之几级别的杀生剂。这些双重的并对立的要求需要找到确保杀生剂配给的更高程度的准确性并基于时间上的一致性来满足该要求的解决方案。本发明人已找到该问题的解决方案，通过将重力式水净化装置中具有文氏管的杀生剂配给装置构造成独特的结构从而克服现有技术的配给***的大部分缺陷。

发明目的

因此本发明的目的是提供一种在重力式水净化装置中向要净化的水中分配液体杀生剂溶液的***。

本发明的另一个目的是提供一种在重力式水净化装置中向水中分配液体杀生剂溶液的***，其能长时间一致地提供大稀释比。

本发明的再一个目的是提供一种向水中分配液体杀生剂溶液的***，其中水流和杀生剂流都不是利用任何电控制装置来控制的。

发明内容

本发明提供了一种重力式水净化装置，包括

(a)上腔室，通过(i)包括文氏管的杀生剂配给通道和(ii)旁路通道与下腔室流体连通，其中，所述旁路通道的截面积大于文氏管的收缩区的截面积；

(b)所述杀生剂配给通道与包含液体杀生剂的杀生剂容器流体连通；

以使被输入上腔室的一部分水，穿过所述杀生剂配给通道，并穿过所述文氏管，使杀生剂被吸入所述文氏管，而一部分水从上腔室穿过所述旁路通道以收集到所述下腔室内。

优选地，所述装置包括设置在所述文氏管之前并与其流体连通的虹吸管。虹吸管的存在提供了经过所述文氏管的水的几乎固定的流速。

本发明的详细说明

本发明涉及能用于单个家庭的水净化装置。其构造成以低成本符合家庭安全饮用水需求。其不需要电源和自来水。其以批处理方式或半批处理方式运行，其中需要向水净化装置的上腔室加入所需量的水。本发明对于上腔室容积在1至100升范围内通常运行良好，更优选地为1至50升。

该装置的基本特征是通过至少两个通道连接的上腔室和下腔室。从上腔室到下腔室的一个基本通道称为杀生剂配给通道，其包括文氏管。该装置包括从上腔室到下腔室的至少一个其它通道，其为旁路通道。

根据本发明的装置，可以具有一个以上旁路通道。当仅有一个旁路通道时，与文氏管的收缩区的截面积相比，其具有更大的截面积。当具有一个以上旁路通道时，与文氏管的收缩区的截面积相比，至少一个旁路通道具有更大的截面积。提出这样的要求，一方面确保对下腔室中杀生剂浓度的严格控制，下腔室中杀生剂浓度从输入的液体杀生剂开始按重量计算通常要求在百万分之零点五至百万分之一百的范围内，输入的液体杀生剂通常在水中浓度为0.01至50重量百分比范围内获得。另一方面，提供旁路通道确保从上腔室流到下腔室的水中有足够的湍流度并因此能使液体杀生剂与水在下腔室内进行快速以及可靠的混合。旁路通道的截面积与文氏管收缩区的截面积之比优选在1.2∶1至400∶1的范围内，更优选地，在2∶1至50∶1的范围内。

旁路通道的截面积意味着旁路通道的最窄部分的截面积。对于具有像圆形、椭圆形、方形或矩形等规则截面的通道，在通道的长度上截面积是大体均匀的。对于具有不规则截面的通道，最窄部分的截面积定义为通道的截面积。

利用适合的文氏管，杀生剂配给到流经杀生剂配给通道的水中。杀生剂储存在杀生剂容器中，杀生剂容器通常低于文氏管设置，即液体杀生剂克服重力通过文氏管作用被吸上来。在本发明中，文氏管优选设置在杀生剂容器顶端之上0.1-10厘米的位置。被吸上来进入流经液体杀生剂通道的水中的液体杀生剂的量取决于经过杀生剂配给通道的水的流速。提供至少一个旁路通道确保可以使用很浓的液体杀生剂。这使得具有小的杀生剂容器从而确保整体紧凑的设计成为可能。本发明还保证不必太频繁地将液体杀生剂重新填充到液体杀生剂容器中。

可用于本发明的装置中的适合的液体杀生剂包括次氯酸钠、二氯异氰尿酸钠、碘、季胺化合物或戊二醛的水溶液。最优选的液体杀生剂是次氯酸钠水溶液。当次氯酸钠是使用的液体杀生剂时，其以在水中0.01至50重量百分比的范围内的浓度，更优选地是在水中1至20重量百分比的范围内的浓度加入杀生剂容器。利用本发明的装置，可以获得下腔室中杀生剂的浓度为在水中重量百分比在0.5-100ppm范围内，更优选地在水中重量百分比在1-50ppm范围内。

水在排进下腔室之前从杀生剂配给通道流经文氏管。

文氏管是流体或空气流经其内具有收缩部的管的装置。文氏管的原理是很明白的，并且通常可利用伯努利原理来计算动力学。在文氏管中，流体在收缩部加速，并减小其压力从而在该区域产生部分真空。文氏管效应已用于许多应用。其中最主要的是通过测量在装置不同区段的压力变化来测量流体速度的装置。文氏管效应还用于飞机机翼中升力的学术论证。

收缩区过大的截面积会产生在文氏管中夹带气泡的风险，从而导致准确性减小。优选相对窄的文氏管收缩区。因此，本发明的装置中优选的文氏管使杀生剂配给通道的输入区的截面积与文氏管收缩区的截面积之比在1.5∶1至100∶1的范围内，更优选地在1.5∶1至50∶1的范围内。

旁路通道的出口优选地设置成当水流入下腔室时，确保水中有高的湍流度。这通常可以通过确保在下腔室的顶部和旁路通道的出口之间提供足够的高度来产生。或者可以在旁路通道的出口设置分配器。

除了入口与文氏管收缩区的截面之比，以及旁路与文氏管收缩区的截面之比的上述效果，杀生剂配给还受到杀生剂吸取通道的截面与文氏管收缩区的截面之比的影响。如果与杀生剂吸取通道相比，文氏管的收缩区太宽，那么减小的压力不能提供准确的杀生剂配给。另一方面，如果杀生剂吸取通道太窄，那么杀生剂吸取通道内的杀生剂受到的管壁摩擦(取决于杀生剂的速度)也可能会导致不准确的配给。因此，优选地，文氏管的截面积与杀生剂吸取通道的截面积之比在2∶1至20∶1范围之间。

通常，在重力式水净化装置中，输入的水在利用杀生剂处理之前被过滤去除粒子污染物质。在本发明中，已确定的是，当装置不包括虹吸管室和虹吸管时，装置在去除颗粒物质的过滤器设置在杀生剂已配给到水中之后时，提供了更好的性能。另一方面，当装置包括具有虹吸管的虹吸管室时，优选地，过滤器设置在虹吸管室之前，以使水进入虹吸管室之前相对地去除颗粒物质、包囊等。适合的过滤器是那些包括碳，或由织物或其结合物制成的类型。织物过滤器可以由纺织物或无纺织物制成，优选地由无纺织物制成。适合的织物由聚酯或聚丙烯制成。

现在本发明将参照非限定示例性实施例进行说明。

附图说明

图1为根据本发明的重力式水净化装置的实施例的示意图；

图2为图1所示的C部分的放大图，表示了具有文氏管的杀生剂配给通道和旁路通道的相对尺寸；

图3根据本发明的重力式水净化装置的另一实施例的示意图，其包括虹吸管；

图4为图3所示的D部分的放大图，示出了虹吸管和文氏管；

图5为当利用图3的实施例时，氯的配给量相对于时间的图示。

具体实施方式

参照附图，图1为本发明的重力式水净化装置(WPD)。水净化装置包括上腔室(TC)和下腔室(BC)。上腔室和下腔室通过两个平行设置的通道相连，即：杀生剂配给通道(BDP)和旁路通道(BPP)。杀生剂配给通道在通向下腔室之前具有文氏管(V)。文氏管(V)通过杀生剂吸取通道(BSP)连接于与文氏管(V)相比位于较下位的杀生剂容器(BCC)。下腔室(BC)具有由螺旋缠绕的聚酯布制成的过滤器(F)。过滤器通向收集室(CC)。

图2示出了图1中所示的C部分的放大图。图2表示具有文氏管的杀生剂配给通道和旁路通道的相关构造和尺寸。如图所示，两个通道平行构造。示出在左边的通道是杀生剂配给通道(BDP)。杀生剂配给通道包括如图2所示的具有截面积(A_IN)的输入区。输入区通向文氏管(V)，其包括具有所示截面积(A_V)的收缩区。收缩区通过杀生剂吸取通道(BSP)连接于杀生剂容器(未示出)。旁路通道(BPP)表示在图2的右边。在该特定实施例中，其是具有所示的截面积(A_BP)的简单的圆柱形管。

使用时，水如箭头(入)所示输入上腔室。由于重力，部分水向下流过杀生剂配给通道(BDP)，部分水向下流过旁路通道(BPP)。当流经杀生剂配给通道的水经过文氏管时，其速度增加并引起压力下降，由此，克服重力将杀生剂从杀生剂室(BC)向上吸取，向上经过杀生剂吸取通道(BSP)进入文氏管，以与流经该处的水混合向下流进下腔室(BC)。两个通道，即杀生剂配给通道(BDP)和旁路通道(BPP)，构造成与杀生剂配给通道相比更大量的水流经旁路通道。通过两个通道的相对流速一方面确保所需的液体杀生剂稀释程度降到希望的较低的百万分之几的水平，同时另一方面确保下腔室中有足够的湍流度以保证杀生剂与水快速和有效地混合。不希望受到理论的限制，除了上面两种现象外，相信顺序稀释的原理进一步有助于达到所需的杀生剂稀释的准确性和再现性。收集在下腔室中的水被过滤，通过流经过滤器(F)去除颗粒物质并收集在收集室(CC)内，净化的水从收集室如箭头(出)所标方向所示分配。

现在参照图3，水净化装置具有上腔室(TC)和下腔室(BC)，上腔室和下腔室通过两个平行设置的通道相连，即：杀生剂配给通道(BDP)和旁路通道(BPP)。使源水在进入杀生剂配给通道(BDP)之前通过后面接有收集室(CC)的过滤器(F)。过滤器优选由碳或织物或组合物制成，主要去除悬浮粒子、包囊、有机物、颜色和气味。旁路通道转而开进虹吸管容器(SC)，虹吸管容器包括倒置的U形虹吸管(ST)。虹吸管(ST)的一端连接并流体连通于文氏管(V)，文氏管通过杀生剂吸取通道(BSP)连接于杀生剂容器(BCC)，杀生剂容器设置在与文氏管相比较低的位置。杀生剂容器由两个支撑件(S)支撑。

使用时，水如箭头(入)所示输入上腔室。水经过过滤器(F)然后进入收集室(CC)。收集室具有旁路通道(BPP)和杀生剂配给通道(BDP)。过滤后，输出的过滤后的水分成两股，一股经过虹吸管室(SC)，另一股经过旁路通道(BPP)然后直接进入下腔室(BC)。虹吸管室(SC)具有连接于虹吸管室(SC)底部的虹吸管(ST)，其与文氏管(V)流体连通，文氏管从虹吸管室的外面附接于虹吸管。由于重力，部分水向下流过杀生剂配给通道(BDP)，部分水向下流过旁路通道(BPP)。当虹吸管(ST)中的水位升高到其顶点时，水流经虹吸管然后流经文氏管(V)。这进一步有助于提供几乎持续的水流。流动的水产生吸入压力，由此，克服重力将杀生剂从杀生剂室(BC)向上吸取，向上经过杀生剂吸取通道(BSP)进入文氏管，以与流经该处的水混合向下流进下腔室(BC)。两个通道，即杀生剂配给通道(BDP)和旁路通道(BPP)，构造成与杀生剂配给通道相比更大量的水流经旁路通道。通过两个通道的相对流速一方面确保所需的液体杀生剂稀释程度降到希望的较低的百万分之几的水平，同时另一方面确保下腔室中有足够的湍流度以保证杀生剂与水快速和有效地混合。收集在下腔室的水如箭头(出)所标方向所示进行分配。

现在参照图4，示出了D部分(如图3所示)的放大图，清楚地示出了虹吸管和文氏管，以及它们在装置中的相对布置。

现在本发明将借助于下面的非限定示例进行说明。

示例

例1

图1所示的水净化装置用于过滤水。上腔室容积是4升。装置以上腔室40mm水位运行。杀生剂配给通道输入区的直径是4mm，文氏管收缩区的直径是3mm。6mm管用作旁路通道。杀生剂容器中使用的杀生剂是水中浓度为4重量百分比的次氯酸钠。1mm直径的管用作杀生剂吸取通道。下腔室中氯的浓度被测量(两次)，结果总结在表1中。

比较示例A

使用如表1示的水净化装置，除了没有提供旁路通道。实施两次实验，结果总结在表1中。

表1

示例	氯(ppm)
		例1(实验1)	18.3
例1(实验2)	16.0
		比较示例A(实验1)	236.4
比较示例A(实验2)	230.0

在两个示例中，即例1和比较示例A，A_IN/A_V(即杀生剂配给通道输入区的截面积与文氏管收缩区的截面积之比)的值为1.8。

表1的数据表明利用本发明的装置可以达到所需低浓度的氯，而利用现有技术的装置氯的浓度太高以至不能用于饮用目的。

例2至8

用于例1的装置用于进行例2至8的实验，除了使用具有不同直径(如表2所示)的杀生剂配给通道。测量了(两次)下腔室中氯的浓度，平均浓度表示在表2中。

表2

示例	杀生剂配给通道输入区直径(mm)	文氏管收缩区直径(mm)	AIN/AV	下腔室中氯的浓度(ppm)
					例2	4	3	1.8	17.4
例3	6	3	4.0	23.8
					例4	8	3	7.1	22.2
例5	10	3	11.1	18.5
					例6	12	3	16.0	18.3
例7	15	3	25.0	18.9
					例8	20	3	44.4	20.4

对例2至例8全部，旁路通道的直径都是6mm，因此A_BPP/A_V是4.0。

表2中的数据表明，在A_IN/A_V值从1.5到50的范围内，本发明工作良好。

例9

图3所示的水净化装置用来过滤水。上腔室容积为8升。装置以上腔室120mm水位运行。杀生剂配给通道输入区的直径是8mm，文氏管收缩区的直径是3mm。5个3mm管用作旁路通道。杀生剂容器中使用的杀生剂是水中浓度为1重量百分比的次氯酸钠。1mm直径的管用作杀生剂吸取通道。下腔室中氯的浓度被测量(750升范围内)，结果总结在图5中。

显而易见(参照图5)，在750升整个体积范围内氯的配量是相当固定的。而且，氯的浓度恰好在所需范围内。

可以容易地理解，所示例子提供了在重力式水净化装置中将液体杀生剂溶液分配到要净化的水中的简单装置。

Claims (14)

1、一种重力式水净化装置，包括：

(a)上腔室，通过(i)包括文氏管的杀生剂配给通道和(ii)旁路通道与下腔室流体连通，其中，所述旁路通道的截面积大于文氏管的收缩区的截面积；

(b)所述杀生剂配给通道与包含液体杀生剂的杀生剂容器流体连通；

以使被输入上腔室的一部分水，穿过所述杀生剂配给通道，并穿过所述文氏管，使杀生剂被吸入所述文氏管，而一部分水从上腔室穿过所述旁路通道以收集到所述下腔室内。

2、如权利要求1所述的重力式水净化装置，包括设置在所述文氏管之前并与所述文氏管流体连通的虹吸管。

3、如权利要求1或2所述的重力式水净化装置，其中，所述旁路通道的截面积与文氏管的收缩区的截面积之比在2∶1至50∶1的范围内。

4、如前述任一项权利要求所述的重力式水净化装置，其中，所述文氏管的输入管的截面积与文氏管的收缩区的截面积之比在1.5∶1至50∶1的范围内。

5、如前述任一项权利要求所述的重力式水净化装置，其中，液体杀生剂是次氯酸钠、二氯异氰尿酸钠、碘、季胺化合物或戊二醛的水溶液。

6、根据权利要求5所述的重力式水净化装置，其中，液体杀生剂为次氯酸钠水溶液。

7、根据权利要求6所述的重力式水净化装置，其中，杀生剂容器中的次氯酸钠水溶液浓度为在水中0.01至50重量百分比的范围内。

8、如前述任一项权利要求所述的重力式水净化装置，其中，下腔室内杀生剂的浓度为按重量计算百万分之零点五至百万分之一百的范围内。

9、如前述任一项权利要求所述的重力式水净化装置，其中，上腔室的容积在1升至50升的范围内。

10、如前述任一项权利要求所述的重力式水净化装置，其中，杀生剂容器的顶部在文氏管的收缩区之下0.1cm至10cm。

11、如前述任一项权利要求所述的重力式水净化装置，其中，所述至少一个旁路通道的出口设置有分配器。

12、如权利要求2至11中任一项权利要求所述的重力式水净化装置，包括过滤器，当所述装置不包括虹吸管室和虹吸管时，过滤器位于所述文氏管和所述至少一个旁路通道之后；当存在虹吸管时，过滤器位于所述虹吸管之前。

13、如权利要求12所述的重力式水净化装置，其中，过滤器包括碳或织物过滤器。

14、如权利要求13所述的重力式水净化装置，其中，织物过滤器为由聚酯或聚丙烯制成的纺织物或无纺织物。

Images