本发明涉及一种在水下利用减压、搅拌、中空纤维和超声波提取水中空气的装置。
背景技术：
该技术的运用背景分为军用、民用两方面。
军用方面：
随着现代科学技术的飞速发展，作战空间也随之日扩大.地球表面的70％被海洋复盖,交战各方运动深度也越来越深。
潜艇作为一种成熟的海军主战装备,它与其它海军装备相比具有隐蔽性好、火力打击威力强、水下续航能力大、自给力强等作战优势，但艇内空气污染的控制一直是潜艇的关键技术及难点所在。二次世界大战期间，美国潜艇在471次侦查巡航中因艇内空气问题而中断的潜航占全部航次的7.8％。国外专家指出对艇内舱室空气污染的控制是影响潜艇战斗力的重大因素之一。
为充分发扬潜艇的优势、克服不足，必须解决好潜艇大深度下供氧问题。
目前大深度下潜艇的供氧方式主要有:氧烛、再生药板、液氧罐、电解水制氧等几种。电解水制氧因电能消耗大一般只在核潜艇上使用，同时该种方式还存在着伴随氧气电解出来的氢气具有易燃易爆的特点，处理不好极容易引发事故；其它几种方式均由潜艇自身携带，不仅挤占潜艇宝贵空间、重量，而且数量有限、用完只能退出战斗。
因此,迫切需耍研发出各种深度下像鱼一样从海水中提取氧气的技术。
民用方面
在当今社会的工业、食品加工、酿造、医疗等各领域类很多时候需要将水中的气体分离岀来制作脱气水或者减少水中空气。目前在水中脱气技术领域主要由两大类脱气方式：1是中空纤维脱气；2是减压脱气。这两种脱气方式都有着自己不可克服的缺点。
中空纤维脱气存在着中空纤维易堵塞、中空纤维材料易老化、不能承受大压力水体的脱气等缺陷；而减压脱气则存在着脱气效率低的缺陷。
因此迫切需要一种能克服常规水中脱气方式缺陷的技术。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种减压搅拌超声波脱气装置，能在各种深度下源源不断的从水中提取空气。
本发明的一种减压搅拌超声波脱气装置，包括罐体、抽气减压装置、搅拌装置和超声波发生器；所述罐体设有进水口和出水口，进水口和出水口上均设有阀门，所述抽气减压装置通过抽气道连接于罐体，所述搅拌装置和超声波发生器安装于罐体用于对罐体内的水进行相应的搅拌和空化。
进一步，还包括中空纤维和环形气道；所述环形气道固定于罐体顶端或底端，或者在罐体顶端和底端各设置一个环形气道，所述中空纤维包括竖直设置并沿罐体内侧壁排列的多个中空纤维丝束；各个中空纤维丝束的端头连接于相应的环形气道；所述抽气减压装置通过抽气道连接于环形气道。
进一步，还包括气水分离器和排水泵；所述气水分离器通过两个管道连接于抽气道与抽气减压装置相连的管路上；所述排水泵连接于气水分离器用于将气水分离器内的渗水排出。
进一步，所述搅拌装置包括液压缸和设于罐体内的升降板；所述液压缸固定安装于罐体；所述升降板固定安装于液压缸的活塞缸并由液压缸驱动升降。
进一步，所述超声波发生器通过旋转台安装于罐体，通过旋转台的旋转，将超声波作圆周照射。
本发明的有益效果是：本发明的一种减压搅拌超声波脱气装置，能不断的从水中提取空气，在减压环境下，超声波发生器和搅拌装置、中空纤维一起工作，超声波发生器让经过的水空泡化，而搅拌装置保证让罐内的水能得到充分混合，中空纤维则能更快更均匀的将水中空化的气泡和未形成气泡但蕴含在水中的空气提走，经中空纤维提气后的水也能更快的被带到液面，超声波发生器、中空纤维和搅拌装置的混合搅拌空化减压将比其他纯使用机械搅拌的减压提气装置效率更高，提气速度更快。超声波发生器的数量可根据实际需要安装；抽气减压装置则负责通过抽气将罐体内的水减压，让水中的空气能溢出水体供采集。相较于传统的水脱气装置，该套装置具有效率高、能耗低、可从深水提氕的优势。
附图说明
图1为本发明的整体框图。
具体实施方式
图1为本发明的整体框图；如图所示：本实施例的一种减压搅拌超声波脱气装置，包括罐体12、抽气减压装置2、超声波发生器7；所述罐体12的下部设有进水口1和阀门13，罐体12的上部设有出水口9和阀门14，所述抽气减压装置2通过抽气道8连接于罐体12，所述位液压缸5和连接于液压缸5的升降板6用于对罐体12内的水进行搅拌；安装于罐体所述超声波发生器7安装于罐体12用于对罐体12内的水进行空化；1.根据亨利定理的描述：在一定温度下，气体在液体中的饱和浓度与液面上该气体的平衡分压成正比，2.气体吸收是气相中的吸收质经过相际传递到液相的过程。当气体与液体相互接触时，即使在流体的主体中已呈湍流，气液相际两侧仍分别存在有稳定的气体滞流层(气膜)和液体滞流层(液膜),而吸收过程是吸收质分子从气相主体运动到气膜面，再以分子扩散的方式通过气膜到达气液两相界面，在界面上吸收质溶入液相，再从液相界面以分子扩散方式通过液膜进入液相主体。
针对气体吸收传质过程，双膜理论的基本论点如下：
1)相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的停滞膜，相界面两侧的传质阻力全部集中于这两个停滞膜内，吸收质以分子扩散方式通过此二膜层由气相主体进入液相主体；
2)在相界面处，气、液两相瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力，溶质在界面上两相的的组成存在平衡关系，即所需的传质推动力为零或气、液两相达到平衡。
3)在两个停滞膜以外的气、液两相主体中，由于流体充分湍动，不存在浓度梯度，物质组成均匀。溶质在每一相中的传质阻力都集中在虚拟的停滞膜内。
双膜理论将相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。
所以，两项间传质的速率方程分别为
气膜：(NA)g＝kg(pA-pAi)
液膜：(NA)l＝kl(cAi-cA)
式中：
(NA)g，(NA)l——溶质通过气膜和液膜的传质通量，kmol/(m2·s)
pA，cA——溶质在气、液两相主题中的压力(Pa)和浓度(kmol/m3)
pAi，cAi——溶质在气、液两相界面上的压力(Pa)和浓度(kmol/m3)
kg——以气相分压为推动力的气膜传质系数，kmol/(m2·s·Pa)
kl——以液相浓度为推动力的液膜传质系数，m/s
双膜理论假设溶质以稳定分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。所以：
(NA)g＝(NA)l＝kg(pA-pAi)＝kl(cAi-cA)
进而：
(pA-pAi)/(cAi-cA)＝kl/kg
从液体中提取气体的主要推动力就是浓度差cAi-cA和压强差pA-pAi。传质方程中，常常以液体单位体积两相间的界面面积来说明的。在液柱体内缓缓上升的液面的气泡具有较小的界面面积，从而传质效率比较低。如果增大气液界面面积和气液接触时间，将提高传质释放速率。因此我们考虑从两个方向来增加气液接触表面积：
1)在液体中填塞中空纤维材料，从而增大气液接触表面积
2)在液体内部造成低气压真空区域，增大气液接触表面积的同时增大传质系数
本发明根据这两种原理，能在各种深度环境下从水中提取空气；罐体12的形状可根据实际需要制作，由能够耐受罐体12内外压差的材料制成；超声波发生器7和搅拌装置一起工作，超声波发生器7让经过的水空泡化，而搅拌装置保证让罐内的水能得到充分混合，空化的水被更快的带到液面并在上升过程中充分与中空纤维表面接触，超声波发生器7和搅拌装置的混合搅拌空化在减压作用将比其他纯使用机械搅拌的减压提气装置效率更高，提气速度更快。超声波发生器7的数量可根据实际需要安装；抽气减压装置2则负责将罐体12内的水抽成减压，让水中的空气能溢出水体供采集。相较于传统的潜艇供氧装置，该套装置具有可连续不间断从外界的水体中提取空气的能力。
本实施例中，还包括中空纤维和环形气道4；所述环形气道4固定于罐体12顶端或底端，或者在罐体12顶端和底端各设置一个环形气道4，所述中空纤维包括竖直设置并沿罐体12内侧壁排列的多个中空纤维丝束3；各个中空纤维丝束3的端头连接于相应的环形气道4；所述抽气减压装置2通过抽气道8连接于环形气道4；当罐体12内减压形成时，水中的气体会析出密集的微小气泡，而超声波发生器7的空化作用会加剧这些微小气泡的产生，这些微小气泡在升降板6的搅拌作用下向液面聚集的同时相互之间碰撞融合成更大一些的气泡，较大的气泡比微小气泡能更好的克服水压更快速的向液面上升，当上升到液面时气泡破裂，所释放的空气被抽气系统带走。而中空纤维巨大的比表面积在微小气泡上升融合的过程中能很好的将气泡抽入中空纤维内部，而中空纤维本身的液气分离特性则可将水中尚未形成气泡的气体直接抽入中空纤维内部带走。
本实施例中，还包括气水分离器10和排水泵11；所述气水分离器10通过两个管道连接于抽气道8与抽气减压装置2相连的管路上；所述排水泵11连接于气水分离器10用于将气水分离器10内的渗水吹出，当气水混合物进入气水分离器10后，在重力作用下完成气水分离，水被滞留在装置内，而符合要求的气则被抽气减压装置2抽出以供使用。每隔一定时间，连接于汽水分离装置上排水泵11工作，吹出气水分离器10内的渗透水，能防止中空纤维有渗水进入抽气减压装置2。
如图1所示为本实施例的整体框图。在此方案中，开启整套系统后，阀门13开启、进水口1打开，阀门14和出水口9关闭。外界的液体流入罐体12内超过出水口，此时抽气减压装置2开始工作，同时液压缸5带动升降板6对罐内的液体进行搅拌并反复进行，罐内液体开始呈现水气分离的状态，而中空纤维这时候也同时对液体内的气泡和水中尚未分离的气体进行提气。超声波发生器7开始工作，充分对罐体12内的液体进行空化，以利于实现水气分离。分离出来的气体通过抽气道8被抽气减压装置2提取到外界以供使用。当罐内的水脱气达到要求后，抽气减压装置2、液压缸5、超声波发生器7即暂停工作，阀门14打开，罐体内水由出水口9排出系统，出水口9和抽气口之间有一定空间，防止将水抽入供气装置内，罐体内水排出后阀门14关闭，完成一个工作周期。为了防止中空纤维少量的渗漏，该装置特在抽气减压装置2前段加装气水分离装置，少量的渗水在进入抽气减压装置2前在气水分离装置内实现气水分离，保证进入抽气减压装置2的空气内所含水分符合抽气减压装置2的工作要求。为防止气水分离装置内的水收集过多，进入抽气减压装置2，在气水分离装置上加装排水泵11，排水泵11将会定时对气水分离装置内的渗水进行吹出。
本实施例中，所述搅拌装置包括液压缸5和设于罐体12内的升降板6；所述液压缸5固定安装于罐体12；所述升降板6固定安装于液压缸5的活塞缸并由液压缸5驱动升降；升降板6可根据实际需要加装叶轮、波轮或螺旋桨等，其作用是更加充分搅拌罐内的水，使得水上下左右充分交换，将水体底部的富含气体的水搅拌到水面上充分接触液面的减压，升降板6的数量可根据实际需要安装。
本实施例中，所述超声波发生器7通过旋转台安装于罐体12，通过旋转台的旋转，将超声波作圆周照射；超声波发生器7发射的波束，在高度方向呈扇面，与旋转台相结合，让整个装置内的水都受到高强度匀均照射，在超声波水中空化效应作用下，溶解在水中的氧气、氮气等将从水中溢出。
最后说明的是，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。