CN103224296B - 供气式自激振荡脉冲射流曝气器 - Google Patents

Abstract

一种供气式自激振荡脉冲射流曝气器，属于环保设备技术领域，是涉及一种处理污水的自激振荡脉冲射流曝气器结构的改进。本发明解决了现有射流曝气器耗能高、气液混合效率低的问题，提高了充氧效率。本发明包括壳体，在壳体内、从壳体的一侧端面至另一侧端面依次设置有进水腔、喷嘴、吸气腔、自激振荡腔入口喉管、自激振荡腔、自激振荡腔出口喉管和扩散腔，进水腔的入口设置在壳体的一侧端面上，进水腔与喷嘴相连通；喷嘴与吸气腔相连通，吸气腔经自激振荡腔入口喉管与自激振荡腔相连通；自激振荡腔经自激振荡腔出口喉管与扩散腔相连通，扩散腔的出口设置在壳体的另一侧端面上；在壳体侧壁上设置有空气入口，空气入口与吸气腔相连通。

Description

供气式自激振荡脉冲射流曝气器

技术领域

本发明属于环保设备技术领域，是涉及一种处理污水的自激振荡脉冲射流曝气器结构的改进，特别是涉及一种供气式自激振荡脉冲射流曝气器。

背景技术

目前，在污水处理的主流生化法处理工艺中，曝气设备是主要能耗设备，曝气***的电耗约占处理厂全部电耗的50～70％。实现曝气设备的曝气效果并同时达到节能降耗的目的，就成为摆在工业界的一大共性问题。

常用的曝气方式主要有鼓风曝气、机械曝气和射流曝气三种。采用射流曝气方式的射流曝气器是一种集吸气和混合反应于一体的曝气设备,它通过液体射流对气体进行抽吸和压缩，并利用气泡扩散和水力剪切这两个作用达到曝气和混合的目的，和传统曝气器比较，具有结构简单、充氧能力高、能耗低、占地省及基建投资少等优点。

传统射流曝气器结构如图1所示，主要由锥形喷嘴1、吸气室2、喉管3、扩散段4和尾管5五部分组成。其工作原理如下：基于射流原理，污水作为动力水经锥形喷嘴1喷出，形成一束无规则流动的流体，撞击射流两侧吸气室2内静止的空气并带动它们一起向前运动，气体和动力水在喉管3内混合，经扩散段4逐渐恢复压能，由尾管5排出。

传统射流曝气器虽然较鼓风曝气和机械曝气有许多优点，但也存在以下缺点：

（1)小气泡容易在扩散段出口的周边区域聚集并形成大气泡从水面溢出，降低了其传质系数和充氧性能；（2)采用长混合管结构增加了曝气流体的流动摩擦，降低了曝气器的动力效率、增加了能耗；（3)搅拌效果有限，有时不得不外加搅拌器促进曝气池中的水体流动以防止死区的产生。

重庆大学康永烽等人将自激振荡脉冲射流的理论应用于传统射流曝气器，增加了自激振荡室9取代了传统射流曝气器的扩散段4，结构如图2所示，主要包括流体驱动喷嘴6、吸气管7、混气室8、自激振荡室9、碰撞壁10和扩散管11六部分。其工作原理如下：动力流体由流体驱动喷嘴6喷出形成射流，混气室8中的空气被射流携带进入自激振荡室9，混气室8形成低压区，空气经吸气管7补充进混气室8；在自激振荡室9中，气液两相接触面不断与碰撞壁10撞击，并在剧烈的自激振荡作用下快速的进行交换，需氧水体在自激振荡剪切场中发生剧烈的紊动和剪切，提高了水体的对流扩散能力，气液进行了充分的混合，同时将气泡剪切更小，形成微小气泡；充分混合的气液两相经扩散管11以脉冲的形式喷出，减小了气泡聚并的可能性，同时微小气泡延长了在水中停留的时间，即延长了传质时间，提高了氧的转移效率。

所述自激振荡脉冲射流是利用流体动力学、流体共振、流体弹性和水声学原理来产生自激振荡脉冲射流。自激振荡脉冲射流的优点在于不需要外加激励源，利用自激振荡室9本身的结构变化就能达到脉冲射流、空化射流的效果。自激振荡室9具有结构简单、体积小、无运动密封、无外加驱动装置和活动部件以及节省能量等独特优点，使需氧水体和空气在无需任何辅助设备的条件下产生自激振荡作用，使两者发生剧烈的相互作用，产生如下的效果：

（1)自激振荡形成的剪切场将气泡剪切更小，增大了气泡的表面积，即增大了气液两相接触面的接触面积；

（2)气液两相接触面在剧烈的自激振荡作用下快速的进行变换，加速了气-液界面上液膜的更新，剪切场带来的剧烈的紊动和剪切，提高了水体的对流扩散能力，气-液获得充分的混合；

（3)脉冲喷射提高了出流的压力和速度，提高了曝气池内的水体对流能力，增大了服务面积，也减小了气泡聚并的可能性。

康永烽等人的设计仅仅建立在实验研究的基础上，缺少***的理论支撑，同时存在以下不足：（1）采用自吸式的供氧方式，不能满足高充氧量时的曝气需求；（2）流体驱动喷嘴6多采用圆锥形收缩结构，收缩角为12.5°～13.5°，形状细长，造成流体驱动喷嘴6内流体阻力较大，能耗增加；（3）设计主要基于实验结果，对流场内部的流动状态缺乏速度分布、压力场等详细信息，对设备的设计缺乏***的理论分析。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种供气式自激振荡脉冲射流曝气器，该曝气器解决了现有射流曝气器耗能高、搅拌性差、气液混合效率低的问题，提高了充氧效率，用于在液体中提供μm级气泡。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种供气式自激振荡脉冲射流曝气器，包括壳体，在壳体内、从壳体的一侧端面至另一侧端面依次设置有进水腔、喷嘴、吸气腔、自激振荡腔入口喉管、自激振荡腔、自激振荡腔出口喉管和扩散腔，所述进水腔的入口设置在壳体的一侧端面上，进水腔的出口与喷嘴的入口相连通；喷嘴的出口与吸气腔的入口相连通，吸气腔的出口经自激振荡腔入口喉管与自激振荡腔的入口相连通；自激振荡腔的出口经自激振荡腔出口喉管与扩散腔的入口相连通，扩散腔的出口设置在壳体的另一侧端面上；在壳体侧壁上设置有空气入口，空气入口与吸气腔相连通；所述自激振荡腔入口直径与喷嘴出口直径比例范围为1.2～1.4，所述自激振荡腔出口直径与喷嘴出口直径比例范围为1.3～1.6，所述自激振荡腔入口至出口距离与喷嘴出口直径比例范围为2.8～3.0，所述自激振荡腔直径与喷嘴出口直径比例范围为6～8，所述自激振荡腔入口喉管长度与喷嘴出口直径比例范围为1.4～1.7，所述自激振荡腔出口喉管长度与喷嘴出口直径比例范围为1.5～1.8，所述自激振荡腔出口处锥角范围为110°～120°，该自激振荡腔内靠射流边界的脉动贮存能量，使流体产生周期性脉动，脉动频率f关系式为：式中，a为当地声速，单位为m/s；A为喷嘴入口截面积，单位为m²；V为喷嘴腔室容积，单位为m³；l为自激振荡腔入口至出口距离，单位为m；所述进水腔直径与喷嘴出口直径比例范围为1.2～1.4，所述空气入口直径与喷嘴出口直径比例范围为2～3，所述喷嘴出口至自激振荡腔入口喉管入口的距离与喷嘴出口直径比例范围为1.5～2.0，所述扩散腔长度与喷嘴出口直径比例范围为2.0～4.0，所述空气入口中轴处至自激振荡腔入口喉管入口的距离与喷嘴出口直径比例范围为2.0～3.0，所述吸气腔出口处锥角范围为50°～70°，所述扩散腔锥角范围为4°～7°；所述喷嘴为内腔呈圆弧形收缩的喷嘴，喷嘴出口直径的尺寸范围为20～40mm。

所述壳体为圆柱形。

本发明的有益效果：

本发明解决了现有射流曝气器耗能高、搅拌性差、气液混合效率低的问题，提高了充氧效率，用于在液体中提供μm级气泡。本发明适用于水深为5～9m的废水处理，氧转移效率达到35%～42%，气水比达到4:1。具体特征如下：

（1）本发明采用自激振荡腔取代传统射流曝气器的扩散段和尾管，依靠自激振荡作用，气-液混合液进行反复剧烈的剪切，使吸入的空气和需氧水体在自激振荡腔内获得充分搅拌和混合，加快了曝气时气液两相接触面上液膜的更新速度，形成μm级微小气泡，进而增加供养水体与空气的接触面积；

（2）本发明中的气-液混合液以脉冲方式通过扩散腔释放，从扩散腔喷出的需氧水体具有更强的脉冲效应，提高了流体的出口冲击力，进而提高了射流曝气器的搅拌效果，增大了服务面积。

附图说明

图1为传统的射流曝气器的结构示意图；

图2为现有的自吸式自激振荡脉冲射流曝气器的结构示意图；

图3为本发明的供气式自激振荡脉冲射流曝气器的结构示意图；

图4为图3的剖视图；

图中，1--锥形喷嘴，2--吸气室，3--喉管，4--扩散段，5--尾管，6--流体驱动喷嘴，7—吸气管，8--混气室，9--自激振荡室，10--碰撞壁，11--扩散管，12--进水腔，13--喷嘴，14--空气入口，15--吸气腔，16--自激振荡腔，17--扩散腔，18--壳体，19--自激振荡腔入口喉管，20--自激振荡腔出口喉管；

d--喷嘴出口直径，dL--进水腔直径，dg--空气入口直径，d1--自激振荡腔入口直径，d2--自激振荡腔出口直径，DT--自激振荡腔直径，L--自激振荡腔入口至出口距离，L1--喷嘴出口至自激振荡腔入口喉管入口的距离，L2--自激振荡腔入口喉管长度，L3--自激振荡腔出口喉管长度，L4--扩散腔长度，L5--空气入口中轴处至自激振荡腔入口喉管入口的距离，α--吸气腔出口处锥角，β--自激振荡腔出口处锥角，θ--扩散腔锥角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图3、图4所示，一种供气式自激振荡脉冲射流曝气器，包括壳体18，在壳体18内、从壳体18的一侧端面至另一侧端面依次设置有进水腔12、喷嘴13、吸气腔15、自激振荡腔入口喉管19、自激振荡腔16、自激振荡腔出口喉管20和扩散腔17，所述进水腔12的入口设置在壳体18的一侧端面上，进水腔12的出口与喷嘴13的入口相连通；喷嘴13的出口与吸气腔15的入口相连通，吸气腔15的出口经自激振荡腔入口喉管19与自激振荡腔16的入口相连通；自激振荡腔16的出口经自激振荡腔出口喉管20与扩散腔17的入口相连通，扩散腔17的出口设置在壳体18的另一侧端面上；在壳体18侧壁上设置有空气入口14，空气入口14与吸气腔15相连通；所述自激振荡腔入口直径d1与喷嘴出口直径d比例为1.2，所述自激振荡腔出口直径d2与喷嘴出口直径d比例为1.3，所述自激振荡腔入口至出口距离L与喷嘴出口直径d比例为2.8，所述自激振荡腔直径DT与喷嘴出口直径d比例为6，所述自激振荡腔入口喉管长度L2与喷嘴出口直径d比例为1.5，所述自激振荡腔出口喉管长度L3与喷嘴出口直径d比例为1.6，所述自激振荡腔出口处锥角β为110°，该自激振荡腔16内靠射流边界的脉动贮存能量，使流体产生周期性脉动，脉动频率f关系式为：式中，a为当地声速，单位为m/s；A为喷嘴入口截面积，单位为m²；V为喷嘴腔室容积，单位为m³；l为自激振荡腔入口至出口距离，单位为m；所述进水腔直径dL与喷嘴出口直径d比例为1.2，所述空气入口直径dg与喷嘴出口直径d比例为2，所述喷嘴出口至自激振荡腔入口喉管入口的距离L1与喷嘴出口直径d比例为1.5，所述扩散腔长度L4与喷嘴出口直径d比例为3.0，所述空气入口中轴处至自激振荡腔入口喉管入口的距离L5与喷嘴出口直径d比例为2.0，所述吸气腔出口处锥角α为60°，所述扩散腔锥角θ为6°；所述喷嘴13为内腔呈圆弧形收缩的喷嘴13，喷嘴出口直径d的尺寸为20，以便降低流体经喷嘴13的阻力损失和避免喷嘴13堵塞。

所述壳体18为圆柱形，以便于现场安装。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图3、图4所示，使用前将本发明的空气入口14与风机管道相连通，由鼓风机供气，可以根据需要调整供氧量，提高了设备氧利用率和动力效率；进水腔12与污水管相连通，由离心泵驱动。本发明进水腔12的入口压力为0.1～0.2MPa（表压），空气入口14压力为0.05～0.15MPa（表压）。

污水经进水腔12的入口进入到喷嘴13形成射流，由鼓风机提供的空气从空气入口14进入到吸气腔15中，射流把吸气腔15内靠近射流的空气携带进入自激振荡腔16，而吸气腔15形成低压区，空气入口14处的正压气体补充进吸气腔15；在自激振荡腔16中，气液两相在剧烈的自激振荡作用下快速的进行交换，需氧水体在自激振荡剪切场中发生剧烈的紊动和剪切，气液进行了充分的混合，同时将气泡剪切更小，形成μm级气泡；充分混合的气液两相以微小气泡的形式经扩散腔17以脉冲的形式喷出，减小了气泡聚并的可能性，同时微小气泡延长了在水中停留的时间，即延长了传质时间，提高了氧的转移效率，经实际测试，氧转移效率可达37%以上。

在自激振荡腔16入***流的卷吸作用下，本发明的自激振荡腔16内靠射流边界的脉动贮存能量，使流体产生周期性脉动，脉动频率f关系式为：

$f=\frac{a}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{A}{\mathrm{Vl}}\right)}^{1/2}$

式中，a为当地声速，单位为m/s；A为喷嘴入口截面积，单位为m²；V为喷嘴腔室容积，单位为m³；l为自激振荡腔入口至出口距离，单位为m。

Claims (1)

1.一种供气式自激振荡脉冲射流曝气器，其特征在于包括壳体，在壳体内、从壳体的一侧端面至另一侧端面依次设置有进水腔、喷嘴、吸气腔、自激振荡腔入口喉管、自激振荡腔、自激振荡腔出口喉管和扩散腔，所述进水腔的入口设置在壳体的一侧端面上，进水腔的出口与喷嘴的入口相连通；喷嘴的出口与吸气腔的入口相连通，吸气腔的出口经自激振荡腔入口喉管与自激振荡腔的入口相连通；自激振荡腔的出口经自激振荡腔出口喉管与扩散腔的入口相连通，扩散腔的出口设置在壳体的另一侧端面上；在壳体侧壁上设置有空气入口，空气入口与吸气腔相连通；所述自激振荡腔入口直径与喷嘴出口直径比例范围为1.2～1.4，所述自激振荡腔出口直径与喷嘴出口直径比例范围为1.3～1.6，所述自激振荡腔入口至出口距离与喷嘴出口直径比例范围为2.8～3.0，所述自激振荡腔直径与喷嘴出口直径比例范围为6～8，所述自激振荡腔入口喉管长度与喷嘴出口直径比例范围为1.4～1.7，所述自激振荡腔出口喉管长度与喷嘴出口直径比例范围为1.5～1.8，所述自激振荡腔出口处锥角范围为110°～120°，该自激振荡腔内靠射流边界的脉动贮存能量，使流体产生周期性脉动，脉动频率f关系式为：式中，a为当地声速，单位为m/s；A为喷嘴入口截面积，单位为m²；V为喷嘴腔室容积，单位为m³；l为自激振荡腔入口至出口距离，单位为m；所述进水腔直径与喷嘴出口直径比例范围为1.2～1.4，所述空气入口直径与喷嘴出口直径比例范围为2～3，所述喷嘴出口至自激振荡腔入口喉管入口的距离与喷嘴出口直径比例范围为1.5～2.0，所述扩散腔长度与喷嘴出口直径比例范围为2.0～4.0，所述空气入口中轴处至自激振荡腔入口喉管入口的距离与喷嘴出口直径比例范围为2.0～3.0，所述吸气腔出口处锥角范围为50°～70°，所述扩散腔锥角范围为4°～7°；所述喷嘴为内腔呈圆弧形收缩的喷嘴，喷嘴出口直径的尺寸范围为20～40mm，所述壳体为圆柱形。