专利名称:气体或混合气体馈入液体的方法和装置的制作方法
本发明涉及一种把气体或混合气体馈入液体的方法，按照这个方法，把最好是一根垂直的管子安装在盛储在一个槽里或等效空间里的液体中，用安放在管子里并装有一个叶轮激动器的液体输送装置，使液体通过这根管子从顶端流往底部，而且在沿液体流动方向看去时，气体是在叶轮激动器的后方被导入液体。
本发明还涉及一种把气体或混合气体馈入液体的装置。该装置包括一根最好是垂直地安装在液体储存槽或等效装置里的管子，该管子备有一个液体入口和一个液体出口，而且在这根管子里面安放着有一叶轮激动器的液体输送装置和一个沿液体流动方向看去位于管子里叶轮激动器下方的气体馈送装置，通过这个气体馈送装置把气体馈入液流中去。这个叶轮激动器使液体和液气混合物通过管子向下流动，即从顶端流往底部。
在现有技术中，一种方法是把气体或混合气体鼓送到一个液体储槽的底部，气体或混合气体从底部立即和迅速地以泡沫形式上升到液体的表面，随后向四周逸散。在这种情况下，只有一小部分气体被送进液体，因此，必须继续不断地和大量地把气体鼓入液体。用这个方法，能量消耗势必过多地升高，同时气体传送效率依然很低。
按照另一种经改进的方法，把气体或混合气体鼓送到液体储槽的底部并用一迅速旋转的扁叶片涡轮混合器把从底部上升的气泡混合进液体。使用这种方法，气体传送效率能够有所改善，但是传送单位气体量的能源消耗依然还高。
芬兰专利公开第35233号介绍一种在生物处理过程中对液流充气的方法和装置。按照这一方法，使水在槽内的一个或几个部位上通过一根圆柱形的管子基本上在垂直方向从顶端流到底部，首先流到槽底附近，随后向旁边流开。把空气混合进在管子里向下流动的水里，以便在管子里混合起来的水和空气一齐向下流。按照这种方法的一种改进形式，用一个叶轮激动器、脉动器等等使水在管子里向下流动并且在管子里混合空气，而且空气通过一个圆筒形导管被送到叶轮激动器上方或下方。
至于能源消耗，上述方法比现有技术中的其他方法更为有利。因为不需要把空气或任何气体克服高的液压向下压送到槽底而这一过程需要许多能量;但是，空气和水或气体和液体的混合物靠叶轮激动器的帮助被往下抽得更深，因此能源消耗就比较低。
然而这个方法也有其缺陷。叶轮激动器、脉动器等等在操作中也使周围的水及/或空气和水的混合物发生涡动。其结果，包含在水里的空气泡或在叶轮激动器后方被送进水中的空气泡，因为比水轻，可以朝管子中心轴的附近分离开去，甚至结合成大的泡沫。不管以什么方式馈入空气，都阻碍空气均匀分布在管子里流动的水中。结果是，空气在液体里的传送效率降低。
上述方法的另一种给液流送气的装置，在公开号为No.1421668的英国专利申请中予以介绍。该装置包含一个在管子上端的长箱盒，在箱盒里安排着一个叶轮激动器、一个叶轮或类似装置，空气馈送装置和一些导流板。管子比箱盒窄小，顺着流动方向朝箱盒底部往下延伸。把空气导入箱盒内部的液流中，叶轮激动器在那里激动水和空气，把水和空气的混合物朝下推送进下一根管子。在箱盒的内壁里，在叶轮激动器的上方和下方，都安排一些平面导流板，它们的位置与管子的纵向轴线平行。这些导流板的作用是阻止由叶轮激动器扰动的空气和水的混合物形成涡动并改变其运动方向以便引导它轴向地向下流动。
在上述英国专利装置的缺陷中，已指出叶轮激动器或类似装置安排在气体和液体的混合物中旋转。就能源消耗而论，叶轮激动器只有在液体中运转时，才能实现有效的和有利的液体传送。另一个显著的缺陷是这一事实，即这些导流板并不起它们被标明的作用。位于叶轮激动器上方的导流板安装在接近箱盒底部的箱内壁里并在箱盒和管子的结合处。这些导流板和叶轮激动器并没有任何被清楚说明的，对阻止涡流将是必不可少的相互关系。
本发明的目的在于实现一种经改进的把气体或混合气体馈入液体的方法和装置，用这种方法和装置，消除了上述那些方法和装置的缺陷。
本发明的方法的特点在于，由叶轮激动器所产生的涡动用下述方法被衰减，即管子里安装一些导流板，它们径向地装在管子里并位于叶轮激动器的后方及其附近并基本上与管子平行;而且在沿流动方向看去时，仅仅在涡动被衰减和液体基本上沿管子方向流动的最初阶段，把气体馈入液体。至于本发明的装置，它主要是以记载在权利要求
7中的新颖特点为其特征的。
关于把混合气体馈入液体的馈送效率，最重要的是，最大量的气体被混入液体，气体被均匀地分布在液体中，在操作中只消耗最小量的能源。在本发明的方法和装置中，这些方面是按最佳方式考虑在内的。
按照权利要求
1中所说明的方法，通过使叶轮激动器叶片和导流板相互配合，就能够有效地衰减由叶轮激动器所产生的涡动，从而涡动液体中所含的功能被转变为被引导得与管子轴线平行的液流的功能。通过调整叶轮激动器和导流板，可使得离开叶轮激动器叶片的液流的方向大致与导流板进口侧面的切线平行，这样，一种新的衰减涡动的方法就得以实现。这个方法比使用现有技术中的那些方法更为有效。
以上述方式衰减涡流之后，现在可能把比以前多得多的气体馈入基本上沿管子方向前进的液流之中。
然而，只有在顺利的条件下才取得气体量的显著增加。为了创造这样的条件，首先要把叶轮激动器这样装在管子里，以使得叶轮激动器的旋转区域至少覆盖管子横截面积的80%。其次要把导流板这样装配在管子里，以使得它们沿管子的半径方向伸展，有利于遍布在叶轮激动器的整个旋转区域上。如果达不到第一项要求，液体在管子里以不规则的速度流动，馈入液体的大量气体的一部分可以通过留在叶轮激动器叶片梢端和管子壳体之间的环形缝隙朝上逸散，这可能严重扰乱液体输送和把气体馈入液体。按照第二项要求，导流板有利地遍布在管子的横截面区域上，它们对管子里每一特定部位上流动着的液体的作用是等强的。如果导流板的进口侧面伸展得靠近叶轮激动器叶片的后缘，配合操作的作用就最有效，而且在液体中不形成涡流。
把气体馈入液流可在液流已经导正，流体基本上与管子平行地流动之后立即进行。它可以这样来实现，例如，把气体馈入留在导流板之间的区域中的液体或可以想象到的其延续部分之间的区域中的液体，或者使气体通过那些导流板本身馈入液体。在这两种情况下，基本上都要把气流沿液流的方向导入液体，以便利用气体的功能来维持液流，这一安排减少了能源的总消耗。如果按上述第一种方式把气体馈入液体，也就是馈入留在那些导流板之间的区域，就能够使馈入液体的气体分布均匀。至于后一方法，简直能够利用现有的结构。
下面参照附图对本发明及其种种优点作详细的说明，附图中图1是把气体馈入液体的本发明的一个最佳实施例的部分剖切示意图;
图2是说明为引导液流而设计的叶轮激动器叶片和导流板如何配合的示意图;
图3表示在管子轴线方向所看见的图1的装置的A-A截面;
图4表示图1的装置的B-B截面。
图1是特别为了馈送空气进入水而设计的本发明的装置的示意图。但是很明显，这种装置也适合馈送任何气体或混合气体进入液体。
在图1中，浮筒11安排来支撑水槽中的装置。该装置包含圆柱形管子1，它最好垂直地装在水槽中。该管子备有至少一个进水口2和至少一个出水口3。在管子里面，在D-D轴线上，装有叶轮激动器4，它使水通过管子1沿C的方向从顶端流到底部，也就是通过进水口2流入，通过出水口3流出。沿流动方向看去，在叶轮激动器4的后方，管子1包含一些导流板5和气体馈送装置6。这些导流板5径向辐射排列并基本上与管子1平行。该气体馈送装置6的那些排气口连接到管子的里面，并且在与液体流动方向有关的最初阶段，即在管子中的液体已经基本上沿管子的方向D-D流动时，与管子里的这种水平面接通馈气。在这个实施例中，气体馈送装置6连接到鼓风机9。然而，气体馈送装置6也能够连接到一个氧气筒或其他传送或制造氧气的容器或装置上。
在由浮筒支撑的浮在水上的浮体10上装有电动机8和鼓风机9。电动机8用轴7连接到叶轮激动器4的转轴42上。鼓风机9用导管12或软管连接到位于管子1里的空气馈送装置6上。
叶轮激动器4装有两个或更多的叶片41，这些叶片对称地装在叶轮激动器的转轴42的周围。叶轮激动器4的大小以众所周知的方式确定，以使叶轮激动器上方的压力差在其每一单独的部位上在运转中都同样大。从而叶轮激动器4就能够对叶轮激动器的整个旋转区域以同等的力推动管子1中的水。在这种情况下，叶轮激动器的旋转区域被定义为叶轮激动器叶片41的梢端在旋转时所画出的圆周的面积。该梢端距中心线的距离为r1。
实际上，叶轮激动器4的叶片41的形式是这样的，即它的叶片的后缘41a的切线E(图2)与叶轮激动器4的旋转平面P-P之间的角度α作为距离r(图1)的函数而变化。这是由于这一事实，即叶轮激动器处于旋转状态时，叶片41的后缘41a单独各点上的圆周速度随距离r而变靠近叶片41梢端的地方，圆周速度高，叶片的后缘角度α小;而靠近叶轮激动器的转轴42的地方，圆周速度低，后缘角度α大。
叶片41的后缘41a的角度α决定了水离开叶片41的角度。让我们来观察一下图2，它图示说明了如图1中与叶轮激动器轴线的距离为r的叶片41的横截面和导流板5。叶轮激动器的旋转方向被标为Pp，叶轮激动器轴线的方向被标为Pa，后者与管子1的轴线D-D平行。
叶轮激动器叶片41的圆周速度矢量被标作
VP，而
V1表示水的这样一种速度矢量，它与管子轴线D-D平行，在沿水流方向C看去时，它表示在叶轮激动器前方的水流的方向和力。当矢量
V1分解成两个分量时，即与叶片41的切线E平行的V1E和与叶轮激动器的圆周速度矢量
VP平行的V1P，而当把叶轮激动器的圆周速度矢量
VP考虑进去时，所得到的矢量是
Va，它近似表示水流离开叶片41的速度和方向。相对于旋转平面P-P，水流离开的角度被标为β。
叶轮激动器4和导流板5要互相配合，以使得水流离开叶轮激动器4的叶片41的方向大致与矢量
Va平行，它相当于导流板5的进口侧面51a的切线的方向F。这意味着，导流板5至少在沿管子方向D-D看去时，在紧靠叶轮激动器旁边的端部51处，是具有如图2所见到的理想弧形表面的零件。导流板5的后缘52a的切线G与管子轴线D-D平行。这样，叶轮激动器引起的以矢量
Va表示的涡流就借助导流板5得到了纠正，以使其变得与管子的轴线D-D平行，这在图2中以箭头H表示。
导流板5还能够做成平行于轴线D-D，即平行于管子1的零件。这一实施例在图2中以虚线表示。在这种情况下，在叶轮激动器旁边的导流板5的首端部51′是笔直的，并且平行于另一端部52。当使用这种形式的导流板时，离开叶轮激动器叶片41的液流就以与轴线D-D形成一定的角度90°-β冲击导流板，这一角度90°-β的大小也取决于叶片和导流板的每个单独位置，也就是说它是距离r的函数。它产生涡流，而且这种涡流不象上述弧形导流板那样容易被衰减。叶轮激动器4要这样装在管子1里面，以使得叶轮激动器4的旋转面积πr2和管子的横截面面积πR2之比≥0.8，这里的R是管子1的内半径。这种安排阻止管子周边中的回流，从而提高效率。
为了使导流板5尽可能好地完成它们的职能，它们的垂直宽度要大致等于管子半径R。此外，沿管子方向的叶轮激动器4和导流板5之间的最大距离h1应当短于叶轮激动器的最大高度hp(图1)。
在上述实施例中，气体馈送装置6是以至少一个有类似叶片外形的部件61组成。在这个部件的两边，最好在它向下的弧形部分及/或它的后缘，设置了若干彼此有短的间距的排气孔62。装置6用导管12之类连接到鼓风机9或等效装置上。
至少有一个空气馈送装置6的类似叶片的部件61放置在沿流动方向看去时距导流板5有一间距之处，类似叶片的部件61位于平行于管子轴线的那些导流板5的可以想象得到的延续部分之间，最好位于如图4中所示的该区域中间。在这种情况下，类似叶片的部件61还充当稳定液流的部件。采用这种安排，能在管子的整个截面区域把空气均匀地馈入水流。
沿管子1的轴线D-D的方向，空气馈送装置6的类似叶片的部件61与导流板5的距离h2短于沿管子1的轴线方向的导流板5的长度hs。也能把类似叶片的部件61安放在那些导流板5之间。一个可行的解决办法是省掉类似叶片的部件61而使空气通过导流板5馈入水流。
权利要求
1.一种把气体或混合气体馈入液体的方法，按照这种方法，把一根最好是垂直的管子布置在盛储在一个槽里或等效空间里的一种液体中，并用一个液体输送装置使这种液体在管子里从顶端流到底部，这个液体输送装置装在管子里面并装有一个叶轮激动器；在沿液体流动方向看去时，气体被导入在叶轮激动器后方的液体，其特征在于叶轮激动器所产生的液体的涡动被衰减，因此，在叶轮激动器的后方及其附近装上一些导流板，这些导流板径向辐射布置并且基本上与管子平行；在与液体流动方向有关的最初阶段，即在涡动被衰减后和液体基本上沿管子方向流动时，就把气体馈入液体。
2.根据权利要求
1把气体或混合气体馈入液体的方法，其特征是叶轮激动器和导流板这样配合以使得水流离开叶轮激动器叶片的方向大致与导流板的进口侧面的切线平行。
3.根据权利要求
1或2把气体或混合气体馈入液体的方法，其特征是把叶轮激动器这样安装在管子里，以使叶轮激动器的旋转区域复盖管子的横截面的部分至少占80%。
4.根据权利要求
1、2或3把气体或混合气体馈入液体的方法，其特征是把导流板这样装在管子里，以使它们沿管子半径的方向伸展出去，有效地复盖叶轮激动器的整个回转区域。
5.根据权利要求
3或4把气体或混合气体馈入液体的方法，其特征是把气体馈送进留在导流板之间的或可以想象到的导流板的延续部分之间的区域中的液体，而且基本上沿液体流动方向把气体流导入液体。
6.根据权利要求
3或4把气体或混合气体馈入液体的方法，其特征是使气体通过导流板馈入液体，以使气体流基本上沿液体流动的方向导入液体。
7.一种把气体或混合气体馈入液体的装置，该装置包含一根管子(1)，这根管子最好以垂直位置安装在一个液体储存槽或等效装置里，这根管子备有液体进口(2)和出口(3)，在这根管子里面装有一个具有叶轮激动器(4)的液体输送装置，在沿液体流动方向看去时，在叶轮激动器后方装有一个气体馈送装置(6)，通过这个装置把气体馈入液流，该叶轮激动器(4)用来使液体和液气混合物通过管子从顶端流到底部，其特征在于在叶轮激动器(4)和气体馈送装置(6)之间装有一些导流板(5)，这些导流板径向辐射布置并基本上与管子(1)平行，该气体馈送装置(6)的那些排气口连接到管子(1)的里面，并且在与液体流动方向有关的最初阶段，即在管子中的液体已经基本上沿管子(1)的方向(D-D)流动时，与垂直于管子(1)的轴线(D-D)的平面接通馈气。
8.根据权利要求
7把气体或混合气体馈入液体的装置，其特征是在沿管子(1)的方向看去时，导流板(5)在紧靠叶轮激动器旁边的首端部(51)处是弧形的，而在出口那边的另一端部(52)处，导流板最好与管子(1)的轴线(D-D)平行，设想在叶轮激动器(4)的每一叶片(41)的后缘(41a)的一点上的叶片内表面的切线(E)〔这条切线决定水流离开该点的方向(
V2)〕和设想在每个导流板(5)的紧靠叶轮激动器旁边的进口侧面(51a)的每一相应点上的切线(F)互相配合，以使得水流离开叶轮激动器叶片(41)的方向(
V2)大致与导流板(5)的进口侧面(51a)的切线(F)平行，这相关的两点就管子横截平面而论处于距管子轴线(D-D)的等距离(r)上。
9.根据权利要求
7或8把气体或混合气体馈入液体的装置，其特征是叶轮激动器(4)的旋转面积(πr2)和管子(1)的横截面面积(πR2)之比为≥0.8。
10.根据权利要求
7、8或9把气体或混合气体馈入液体的装置，其特征是在垂直于管子(1)的轴线(D-D)的平面上导流板(5)的宽度最好与管子半径(R)大致相等，沿管子方向的叶轮激动器和导流板之间的最大距离(h1)短于叶轮激动器的最大高度(hp)。
11.根据权利要求
9或10把气体或混合气体馈入液体的装置，其特征是气体馈送装置(6)至少由一个有一类似叶片外形的部件(61)制成，在这个部件的两边，最好在向下的弧形部分及/或在后缘，设置了若干彼此有一定间距的排气孔(62)，该气体馈送装置(6)用一根导管(12)或等效部件连接到一台鼓风机或类似装置上。
12.根据权利要求
9、10或11把气体或混合气体馈入液体的装置，其特征是沿管子(1)的轴线(D-D)的方向，气体馈送装置(6)的类似叶片的部件(61)与导流板(5)的距离(h2)短于沿管子方向的导流板(5)的长度(hs)。
专利摘要
本发明涉及一种把气体或混合气体馈人液体的方法。按照本方法，液体经垂直管子(1)，通过叶轮激动器(4)，从顶端流到底部。气体通过安放在叶轮激动器后面的气体馈送装置(6)导入液体中。叶轮激动器产生的液体的涡动被径向导流板(5)衰减。叶轮激动器和导流板相配合以使得液流离开叶轮激动器叶片的方向大致与导流板的进口侧面的切线平行。在涡动被衰减后，气体被馈入液体。
文档编号B01F7/18GK86101405SQ86101405
公开日1986年9月3日 申请日期1986年3月6日
发明者马库斯·希沃南 申请人:普兰销售公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan