CN112194262A - 一种磁驱动旋混式微孔曝气器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁驱动旋混式微孔曝气器，包括进气管、气动快速接头、曝气头和磁悬转子；其特征在于：所述气动快速接头的内部设置有气体通道；所述气动快速接头的进气端连接进气管，所述气动快速接头的出气端连接曝气头；所述曝气头上表面中心部位向上突起呈短管状作为与气动快速接头出气端的连接部；该连接部设置有通孔，该通孔内设置有内螺纹；所述曝气头的内部设置有空腔和磁悬转子腔，该空腔与通孔连通；所述磁悬转子腔中设置有所述磁悬转子；所述磁悬转子由外部磁悬转子驱动装置驱动旋转；所述曝气头的侧壁均匀分布有若干微孔，该微孔与空腔连通；本发明可广泛应用于环保、能源、生物化学等领域。
Description
技术领域
本发明涉及曝气器技术领域,具体涉及一种磁驱动旋混式微孔曝气器。
背景技术
曝气器是一种通过曝气方式增加水中所需气体含量，以促进气-液物质交换的重要设备。曝气器应用范围较广，主要应用在工业和生活污水的处理、微藻养殖等方面。曝气器的性能对相关产业的生产效率、运行成本等有重要影响。
目前市场上的曝气器主要有微孔曝气器和大中型曝气器两大类，各有优缺点。大中型曝气器，结构较为可靠，气孔较大，搅拌效果较好，阻力损失较小，但所需空气量大，产生气泡大，气液接触面积小，气体利用率低，能耗高。微孔曝气器产生气泡小，气液接触面积大，气体利用率高，但存在阻力损失较大、能源转化率低等问题。同时，现有微孔曝气器在生成的气泡尺寸、气体利用率等方面仍有待进一步优化提升。
微藻是一类结构简单、形态微小、自养或异养的单细胞或多细胞光合生物，在二氧化碳减排、水污染治理以及生物燃料等领域具有重要的应用。微藻在生长过程中，往往需要通过光合作用利用二氧化碳和水等物质合成蛋白质、碳水化合物、脂类等含能有机物。其中，二氧化碳传质效率是影响微藻生长的重要因素。二氧化碳分子须跨过气液相界面才能进入培养液，进而被藻细胞吸收和利用。目前大多采用传统的管式、散流式和膜片式等曝气方式增强二氧化碳气液传质、促进微藻光合生长。但是，上述方式存在产生气泡直径较大、无法满足微藻生长对高效二氧化碳传质的需求等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于构建一种磁驱动旋混式微孔曝气器，一方面克服大中型曝气器生成气泡大、能耗高、气泡易聚并等问题，另一方面使液体产生涡流，形成强烈扰动，提高物质传输效率，进一步满足微藻生长等实际应用的需求。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种磁驱动旋混式微孔曝气器，包括进气管、气动快速接头、曝气头和磁悬转子；其特征在于：
所述气动快速接头的内部设置有气体通道；所述气动快速接头的进气端连接进气管，所述气动快速接头的出气端连接曝气头；
所述曝气头上表面中心部位向上突起呈短管状作为与气动快速接头出气端的连接部；该连接部设置有通孔，该通孔内设置有内螺纹；所述曝气头的内部设置有空腔和磁悬转子腔，该空腔与通孔连通；所述磁悬转子腔中设置有所述磁悬转子；所述磁悬转子由外部磁悬转子驱动装置驱动旋转；所述曝气头的侧壁均匀分布有若干微孔，该微孔与空腔连通；
气源的气体通过进气管、所述气动快速接头内部的气体通道、以及通孔进入所述曝气头的空腔内；所述磁悬转子驱动曝气头转动，并带动空腔内的气体形成涡流；气体由侧壁上的微孔曝出进入曝气头周围流体，与周围流体发生旋转掺混，缓慢螺旋上升。
根据本发明所述的一种磁驱动旋混式微孔曝气器的优选方案，所述曝气头沿径向贯穿设置有贯穿孔，该贯穿孔位于磁悬转子腔的上方，并与磁悬转子腔连通，所述磁悬转子通过贯穿孔放置进入磁悬转子腔内。
根据本发明所述的一种磁驱动旋混式微孔曝气器的优选方案，所述曝气器还设置有支撑架，所述支撑架对所述进气管或者所述气动快速接头进行固定。
根据本发明所述的一种磁驱动旋混式微孔曝气器的优选方案，所述曝气头整体呈陀螺型；所述曝气头底部轴心部位向下凸出为圆锥形。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、强化了气-液物质传输。本发明所述曝气头能够由磁力驱动旋转，进而可实现产生更小体积的气泡，所产气泡具有更大的比表面积，气液物质传输速率加快；本发明所述曝气头产生的气泡具有更慢的上升速度，即在液体中的停留时间更长，气液间物质传输作用时间更长，提高了物质传输效果。
2、提高了混合效率。本发明将磁悬转子与曝气头结合，利用磁悬转子的动力带动曝气头旋转，在实现磁悬转子原本就具有的强化扰动，使得周围流体形成涡流，发生强烈掺混，以减小气液膜间的传质阻力，促进二氧化碳传质效果的同时，利用磁悬转子的动力实现了进一步减小气泡体积，减缓气泡上升速度的有益效果，进一步提高了物质传递效率。
3、减小了旋转阻力。本发明所述曝气器的曝气头优选采用陀螺型，并将底部轴心部位设计为圆锥形，最大程度地减小曝气头在液体中旋转时的形状阻力，同时最大程度地保证了微孔有足够的布置面积。本发明所述气动快速接头连接静止的进气管和旋转的陀螺型曝气头，具有较小的旋转阻力且具有良好的密封性能。
本发明可广泛应用在环保、生物化学、能源等领域。
附图说明
图1为本发明所述一种磁驱动旋混式微孔曝气器的结构连接示意图。
图2为图1中曝气头的正视结构示意图。
图3为图1中曝气头的侧视结构示意图。
图4为图1中曝气头的侧视结构剖面图。
图5为实施例中气泡平均直径、气泡上升平均速度随转速的变化关系图。
图标：1-进气管；2-气动快速接头；3-支撑架；4-曝气头；5-磁悬转子；6-连接部；7-微孔；8-贯穿孔；9-空腔；10-磁悬转子腔；11通孔；12-圆锥形。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
具体实施方法
参见图1至图5，一种磁驱动旋混式微孔曝气器，包括进气管1、气动快速接头2、曝气头4和磁悬转子5；所述气动快速接头2的内部设置有气体通道；所述气动快速接头2的进气端设置有不锈钢卡簧，通过该卡簧与进气管1卡接，所述气动快速接头2的出气端设置有外螺纹，并通过外螺纹与曝气头4连接。所述气动快速接头2可采用NRC直通系列高速旋转接头，内部设置有双轴承，可以实现一端与静止的进气管1，另一端与旋转的曝气头4连接。
所述曝气头4上表面中心部位向上突起呈短管状作为与气动快速接头2出气端的连接部6；该连接部设置有通孔11，该通孔11内设置有内螺纹，实现与气动快速接头2的出气端螺纹连接；所述曝气头4的内部设置有空腔9和磁悬转子腔10，该空腔9与通孔11连通；所述磁悬转子腔10中设置有所述磁悬转子5；所述磁悬转子5由外部磁悬转子驱动装置驱动旋转并调节转速；所述曝气头4的侧壁均匀分布有若干微孔7，孔径选为0.5mm左右，该微孔7与空腔9连通。
气源的气体通过进气管1、所述气动快速接头2内部的气体通道、以及通孔11进入所述曝气头4的空腔9内；所述磁悬转子5驱动曝气头4转动，并带动空腔9内的气体形成涡流；气体由侧壁上的微孔曝出进入曝气头4周围流体，与周围流体发生旋转掺混，缓慢螺旋上升。
在具体实施例中，所述曝气头4整体呈陀螺型；所述曝气头4底部轴心部位向下凸出为圆锥形12。空腔9位于曝气头4的上半部，磁悬转子腔10位于曝气头4的下半部；所述曝气头4沿径向贯通设置有贯穿孔8，该贯穿孔8位于磁悬转子腔10的上方，并与磁悬转子腔10连通，所述磁悬转子5通过贯穿孔8放置进入磁悬转子腔10内。
所述曝气头转速控制在400-600r/min。所述磁悬转子材料为圆柱型铷铁硼磁铁。所述铷铁硼磁铁较普通磁悬转子具有更强的磁性。
所述曝气器还设置有支撑架，所述支撑架对所述进气管1或者所述气动快速接头2进行固定，起到固定整个装置的作用。
本发明的工作原理为：气流从进气管经过气动快速接头进入由磁力驱动旋转的曝气头的空腔内。在压力的作用下，气泡由侧壁上的微孔曝出进入周围流体。同时，旋转的曝气头带动周围的流体旋转形成涡流，使微孔产生的气泡及时被带走并缓慢上升，气泡与流体发生强烈掺混。
本发明所述曝气器在试验时，所通气体成分为15％的CO2与75％的N2的混合气体。具体试验操作为：将磁驱动旋混式微孔曝气器通过气动快速接头2接进气管1并与气源相连。打开供气阀门，气流从进气管经气动快速接头进入旋转的曝气头空腔内。周围的流体在旋转的曝气头的带动下形成涡流。肉眼可见，气泡由侧壁上的微孔曝出进入周围流体，与周围流体发生旋转掺混，缓慢螺旋上升。进一步，利用外部磁悬转子驱动装置调整磁悬转子的转速进而调整曝气头的转速。
气流流量保持为100ml/min，改变曝气器的转速，所得气泡平均直径随转速的变化关系参见图5。
气流流量保持为100ml/min，改变曝气器的转速，所得气泡上升平均速度随转速的变化关系参见图5。
分析图5可知，采用本发明所述的曝气器，在转速为300r/min时相比较转速为0时，气泡平均直径约下降50％，气泡上升平均速度约下降22％。这说明采用本发明所述曝气器可以产生更小的气泡，增大气液传质比表面积，提高气泡在液体中的停留时间，进而提高气体利用率。
当曝气器的转速不断提高，气泡平均直径和气泡上升平均速度总体呈下降趋势，这说明采用本发明所述曝气器，通过转速的提高能有效地减小气泡平均直径和气泡上升平均速度，增大气泡的比表面积和在液体中的停留时间。同时，转速的提高能使周围流体涡流加强，进而提高气泡与流体间的扰动混合效果，提高物质传输效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种磁驱动旋混式微孔曝气器，包括进气管(1)、气动快速接头(2)、曝气头(4)和磁悬转子(5)；其特征在于：
所述气动快速接头(2)的内部设置有气体通道；所述气动快速接头(2)的进气端连接进气管(1)，所述气动快速接头(2)的出气端连接曝气头(4)；
所述曝气头(4)上表面中心部位向上突起呈短管状作为与气动快速接头(2)出气端的连接部(6)；该连接部设置有通孔(11)，该通孔(11)内设置有内螺纹；所述曝气头(4)的内部设置有空腔(9)和磁悬转子腔(10)，该空腔(9)与通孔(11)连通；所述磁悬转子腔(10)中设置有所述磁悬转子(5)；所述磁悬转子(5)由外部磁悬转子驱动装置驱动旋转；所述曝气头(4)的侧壁均匀分布有若干微孔(7)，该微孔(7)与空腔(9)连通；
气源的气体通过进气管(1)、所述气动快速接头(2)内部的气体通道、以及通孔(11)进入所述曝气头(4)的空腔(9)内；所述磁悬转子(5)驱动曝气头(4)转动，并带动空腔(9)内的气体形成涡流；气体由侧壁上的微孔曝出进入曝气头(4)周围流体，与周围流体发生旋转掺混，缓慢螺旋上升。
2.根据权利要求1所述的一种磁驱动旋混式微孔曝气器，其特征在于：
所述曝气头(4)沿径向设置有贯穿孔(8)，该贯穿孔(8)位于磁悬转子腔(10)的上方，并与磁悬转子腔(10)连通，所述磁悬转子(5)通过贯穿孔(8)放置进入磁悬转子腔(10)内。
3.根据权利要求1所述的一种磁驱动旋混式微孔曝气器，其特征在于：所述曝气器还设置有支撑架，所述支撑架对所述进气管(1)或者所述气动快速接头(2)进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种磁驱动旋混式微孔曝气器，其特征在于：
所述曝气头(4)整体呈陀螺型；所述曝气头(4)底部轴心部位向下凸出为圆锥形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210108 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |