专利名称:供给空气团和产生喷水注的方法
本发明涉及处理诸如湖泊、沼泽、坝内栏水和水库等水源的装置及方法，特别涉及当大量的水需要作净化处理或其它处理时，靠供给空气团，并在其作用下使水大范围径向辐射产生大面积循环水流的方法。
传统的装置包括一安装于水下的立式抽水管，在每间隔一定时间形成的空气团抽吸作用下产生喷水注(如日本实审专利号42-5795，来实审专利号58-70895以及美国专利号4436675中所公开的装置)。
原有的这些传统装置没有确定气室所供给的每个空气团所包含的空气体积与其配套的扩散管的直径之间的比例参数。换言之，传统的装置忽视了空气团体积与扩散管直径之间的关系，这就降低了装置的性能，同时也没有把接连不断供给空气团的时间间隔作为一个重要因素来考虑。实际上，由于不适当的时距致使几乎无法有效地利用各个空气团由自身的浮力所提供的流体功率。
鉴于上述传统的原有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种方法，使得装置能高效率运转并发挥最大能力。
因此本发明的目的之一是提供一种方法，借助此方法，每个空气团形成后的体积和在空气团吸力作用下能将水抽上来的特定管子的直径之间有一明显确定的关系。并且每个空气团上升时在管内通过的长度和接连形成或提供空气团的时距之间也有一明确的比例关系。
本发明在实现上述目的时，将L与T之间的关系定义为L值的函数，其中L代表一给定空气团上升时通过管子的长度(米)，而T代表接连产生空气团的时距(秒)。
本发明的另一目的是提供与球体体积有关的空气团体积大小，球体直径等于给定管子的直径。
本发明的上述目的、其它目的及其优点和特征将通过本发明所提出的几种实例特别参考下列附图加以详细叙述。其中图1是实现本发明方法的一种装置的正视图，表示出该装置的部分剖视结构;
图2是另一实例装置的正视图，表示出其部分剖视结构;
图3中的各曲线代表空气流速及其相应供气量之间的关系;
图4中的曲线示出了作为时间的函数的空气流速变化量;
图5是体现了本发明方法装置的工作原理图;
图6是一示意图，说明如果供给空气团的时距缩短时将出现何种情况;
图7是一示意图，说明当采用本发明规定的正确时距时所出现的情况;
图8是实现图7那种状态时空气流速与时间的关系曲线;
图9是本发明的第9和第12个实例中的空气流速和时间的关系曲线;
图10是本发明的第8和第11个实例中的空气流速和时间的关系曲线;
图11示出如果空气团连续不断地供给时将出现的空气流速与时间的关系曲线;
图12是一示意图，表明跟随一给定空气团而上升的水注，在喷出管后的扩散情况;
图13是一示意图说明紧靠管子上方的水面如何在13处形成一凹陷区;
“空气团”或者“气泡”这个术语在下面的叙述中是指由任一供气源供给一定体积的空气所产生任一形式的空气单体。
为了净化水源，曾多次尝试每隔一定时距供给空气团而产生水注的方法。以上我们已提到一种用这种方法的典型装置。为净化水源所用的传统装置中，还有许多机构问题尚待解决，例如，需要确定管子的直径和长度、按一定时距形成和供给的各空气团所含的空气量，以及供给空气团的时距等参数。本发明人从长期研究这方面问题的经验中认识到，确定好管子直径与形成空气团的空气量之间的关系，以及管子的长度与接连产生的各空气团的时距之间的关系，便能获得高效率。
实际上，已经确定了使装置具有最佳工作性能的参数，例如确定管子直径与一个空气团所含的空气量之间以及管子长度与时距之间的特定关系。下面，详细叙述本发明方法确定的各关系具体参数值，即形成一个空气团的空气量与管子直径之间的关系值和供给空气团的时距与管长之间的关系值。
在按一特定时距形成和供给空气团的方法中，每个空气团所含的空气量为0.3～1.75倍的球体体积，其中球体直径等于管径。为了满足这些要求设计了实现这个方法所用的装置。通过试验得出为满足空气体积要求的最佳值范围，由下表示出平均流速表(表1)一气室容积和供气量之间的关系
＊所列的数值乘以球体体积注(1)试验用的装置带有200毫米直径和2.5米长的管子。
(2)气室容积相当于直径等于管径的球体体积，即相应于每次供给的一个空气团所含的空气量。
(3)供气量的值是在温度为20℃压力为一个大气压下测得的。
表2示出的值为从表1中得出的水流量。
水平均流量(表2)一气室容积与供气量之间的关系
注(1)气室容积的值是在温度为20℃压力为一个大气压时的值。
(2)供气量的值相当于每次供给气室的气体流量(是气室容积的80%～100%，气室容积值等于球体体积的倍数)。
从上表可看出，在给定任一供气量时，受空气团吸收而被抽上来的水的流量随气室容积的减小而增大。同样可以看到，流量随供气量(流入气室内的空气量)的增大而增大。当供气量对应于0.3至1.25倍球体体积(球体直径等于管径)时，流量是最大的。可是，当空气流量对应于0.3至0.5倍球体体积时，供气的时距是必会缩短。在这种情况下，上升的水注在其惯性力的作用下所具有的能量，在空气团失去其吸引作用时就不能得到充分利用。因此在实际应用上当供气量对应于0.75～1.25倍球体体积时，机器能保持高效运转。低于0.75倍球体体积时，在给定供气量下，能得到处理的水量相对比少，而高于1.25倍球体体积时，能得到处理的水量显著下降。
下一个考虑的重要因素是按一定时距供给空气团的气室结构。虽然我们观察到，利用虹吸作用的气室型式符合实际要求，例如，其结构简单，维修简便，容错范围大，可以使用其它型式的供气源设备，例如自动阀操作泵，往复泵或其它原有技术设备。但应该注意到，使用虹吸式气室时，它只可以放置在除管子底部周围以外的任何位置。而不像装设进气喷管那样，喷管延伸到管子底部或管壁的中间位置。
本发明方法利用了沿直立管子上升的各个空气团的抽吸作用(管子的上口位于水面以下)，使接近底部的水随空气团而上升。所提供的方法应满足下列条件
(1)0.5L≤T≤4-6｜L｜(当L 10米时)(2)0.5L≤T≤10｜L｜(当2米≤L＜10米时)(3)｜L｜≤T(当L＜2米时)式中L(米)代表在管中上升的一给定空气团的长度，T(秒)代表接连地供给每个空气团的时距，在上述条件下，其运行效率较高，运行费用可以减少。
使用此方法时，气/水扩散管一般置于水下，其上部开口置于水面38以下1～20米处。当水源更深时，管子1底部置于靠近水底处以便提升底部的水，管子的上端可以置于水面以下20米至30米处。当管长超过2米但少于10米时，时距T一般在5～30秒范围内，当管长超过10米时时距在15～100秒范围内，而管长在10～15米时，则时距在20～80秒范围内。
当管的上端处于水面以下5～15米时，空气团以1米/秒的速度上升，由于水被空气团带着上升的联合作用，使靠近管上端的水面升高，如图12中的点划线A所示。水注离开上管口后继续朝箭头35a的方向上升，然后朝35b的方向径向喷射扩散，实际测得最高的扩散速度是在水面以下1米处(条件是上管口处于水面以下5米米)。当水的提升速度降低时，必然导致喷水注的水量大幅度减少，紧靠管子上的水面部分将出现一凹陷部分如图13中B所示，这使得周围的水38被吸入这一洼区如箭头35C所示。于是，从底部上升的水(温度为10℃)将与水面的水(温度为20℃)汇合，混合后的水的温度为18℃，其水量增加为水底的水的5倍，并向径向扩散。当水扩散到更远的地方时，水面与水底的水温差减小，扩散的水能流动至深达1～3米处遍及一宽广水域(常可达1000米)。
当本方法应用于堤坝内拦水，例如，堤坝截面具有如图6和图7中所示的地形时，水便可在一宽广水域范围内循环流动如箭头36a，36b和36c所示。
当水在空气团19的作用下穿过管子上升，到达管子顶端时，水的流速达到其最大值，此后，由于水本身的惯性作用便逐步放慢上升速度，当下一个空气团形成并通过管子上升时，被其吸引上升的水也逐渐加速(流速是在管子底部测得的)，图8到图11说明流速(米/秒)如何随着形成和供给空气团的时距的变化而变化。所有这些曲线图都假设管长为10米的情况下得出的。图8所示的流速曲线其时距相当长(30秒)。图9所示的曲线其时距相对较短时，即15秒。当时距再缩短时(10秒)，流速变化如图10所示。图11中所示的曲线是连续不断地供给空气团造成的。
从实用观点看，选用图8中的时距，或图8与图9之间的时距是经济的。如上所述，当空气团以最短的时距提供后上升时(图10)，紧靠管子上面的水面区域仅被管内所能容纳的水量所占据。由于两边水不能混合，上升的水注不受周围水的影响，因而两边水温差很大，即，上升的水，在水底时水温为10℃，到离开管口时水温不超过15℃，只发生微小的变化。如此大的温差所引起水的对流循环仅发生在围绕管子周围的有限范围内，如图6所示，即，水的扩散作用范围只限于10米以内的半径范围，由此可见，水注无法大面积扩散。
水扩散管1通过增加水源的含氧量对改进水质作出贡献。然而来自任何压缩空气气源的空气都只含有少量氧气，管子的有限容积对改善水质不起任何作用，特别是当水源是一个大规模堤坝内拦水时，例如，一可容纳五十万吨至一百万吨的堤坝内拦水，安装一个或两个直径为40厘米长度为10米的扩散管就可以在短时间内增加水的含氧量。众所周知，这种方法可以改进水质。在这种情况下，含氧量较高的水面的水与含氧量较少的底部的水碰到一起，混合后的水含氧量提高。这就提供了一个有效的改善水质的方法，这是仅仅用传统的空气扩散管置于栏水池底部所办不到的。
如上所述，本发明方法将时距限定在某一个值，各个空气团按限定的时距供给，这种方法将在下面全面叙述到，这种方法的先决条件是不仅要降低运行费用而且要改善水质。
下面的实例描述了管径与供气量之间的关系(见图1～4)实例1本实例中所用的水扩散管1，其直径为20厘米，长度为2.5米(这个长度为空气团通过管内上升的长度，也适用于以下所有实例)，管子垂直安装在水下4米深处。一个容量为3.1升的供气室2(该容量是气室容积的0.75倍)，设在管1的底部。空气以2.5米3/小时的流量供给气室2，从那里再每分钟向外供出10个空气团。每个空气团在管1中上升时都把水抽吸上来，总的来说随空气团上升的水的平均流速为0.5米/秒。
实例2本例中所用的水扩散管和实例1中的管相同。气室容量为2.1升(该容量为气室容积的0.5倍)。空气以2.0米3/小时的流量供给气室，气室每分钟产生12个空气团。水通过管子的平均流速为0.46米/秒。
实例3本例中所用的水扩散管和实例1中的管相同。气室2的容量为1.3升(该容量为气室容积的0.3倍)。空气以2.0米3/小时的流量送入气室，气室再每分钟向外供出19个空气团，这种情况下，水的平均流速为0.46米/秒。
实例4本例中所用的水扩散管和实例1中的管相同。气室2可以容纳5.2升空气(该容量为气室容积的1.25倍)。空气以2.0米3/小时的流量供给气室，气室每分钟生成5个空气团。通过管子上升的水的平均流速是0.38米/秒。
实例5本例中用的管1与实例1中的管相同，气室容量为6.3升(该容量为气室容量的1.5倍)。空气以2.0米3/小时的流量供给气室，气室每分钟产生4个空气团。水的平均流速为0.31米/秒。
下面描述为实现本方法所用装置的实例。
实例6如图1所示，装置包括水扩散管1，围绕其底部并与其连通的有一个气室2。管的底部带有一个重砣4，用链3将其与管子栓住。重砣4沉放在水底5用于将管的位置固定住，管1的顶部有一个浮动室6，其作用是配合底部的重砣使管1在水下保持竖直。
气室2包括一个内箱体7和一个外箱体8两者既隔开又连通，内箱体7和外箱体8的气室由隔离层9隔开。
一个供气软管11来自任意一个压缩空气供给源(未示出)，穿过顶盖10延伸到外箱体8内，顶盖10刚性地固定在气室7和8上。压缩空气通过供气软管11按箭头所示方向进入气室2。当空气积聚在气室2内时，原来充满在气室2的水按箭头13所示的方向逐渐下降。当水平面下降到使连通气室2和管1的孔14露出时，气室2内的空气按箭头15，16，17所示方向从外箱体8通过隔离层9进入内箱体7，然后进入内箱体7和管子外壁之间构成的空间内。最后，空气穿过孔14进入管1，如箭头18所示，并形成一个气泡或空气团19。当空气团19在管1内上升时，它本身膨胀直到其直径与管1内径相等。于是，空气团便于管1的内壁紧密接触。空气团的上升运动开始转化为抽吸运动，吸引着空气团下面的水。空气团逐渐加大其上升速度直至到达管1的上口，从那里离开管1。空气团19离开管1后，其抽吸运动消失，但被空气团吸引的水由于其惯性作用仍继续上升。图4示出了水上升时的流速变化曲线。在水还未完全失去其上升能量时，下一个空气团又供上。这样，水又被下一个空气团提升至管上口，从上口射出。
实例7如图2所示，装置包括一个独立的气室25，位于管1的下方。
在它的具体结构中，装置包括一个水扩散管1和一个细长的中间空气通道20，后者介于管1和气室25中间。如图所示，空气通道20的一端伸入管1的底部而另一端伸进气室25内。气室25包括一个内箱体21和一个外箱体22，它们提供两个分开的气室。这两个气室通过孔32相互连通。一个顶盖23刚性地固定在气室21和22的上面，一个底板24刚性地固定在内气室21下边。一个供气软管26来自任意一个压缩空气供给源(未示出)穿过顶盖23伸入气室25内。这样，空气便按箭头27所示方向通过进气软管26供入气室25，并在气室25内积聚。随着空气的增多，气室内的水面按箭头28所示方向下降。当水平面降至空气通道20的底部以下时，空气通道的下口露出，空气便由外气室通过孔32进入内气室，如箭头29、30和31所示。空气又从内气室进入空气通道20，并通过其上端进入管1，如箭头33所示。当空气离开空气通道20进入管1时就形成一个气泡或一个空气团34，如前面实例6所述，空气团34自我膨胀，在上升过程中始终与管1内壁紧密接触，当空气团上升时，空气团下面的水被其吸引也同时加速上升。
上面我们已对装置的两个实例作了描述。从每个实例中可看出，当气室容量很小时，水的平均流速随着一给定期间内所产生的空气团数量的增加而增加，当气室容量再缩小时，空气团的数量也相应增加，但是如果容量太小，空气团就会接连不间断地产生。这导致装置的缩合性能的下降，就是说，被处理的水量随着空气团的数目的增加而减少了。
反之，当气室的容量大时(等于或大于空气团体积的1.5倍)，水的平均流速便急剧下降。在这种情况下，被前面空气团吸引而上升的水的惯性作用得不到充分利用，这也同样导致装置的缩合性能的下降。
从以上两个实例可以看出，气室的容量应当等于供气量的0.3～1.2倍。一般这个范围是能满足运行需要的。
最佳运行范围应当等于供气量的0.75～1.00倍，因为如上所述，接连不间断的空气团会导致装置性能降低。
以下所提供的实例描述上升的空气团的长度和供给空气团的时距之间的关系。
实例8本实例在图6中示出，本例中所用的水扩散管直径为40厘米，长10米，水源是一个堤坝内拦水池，以下为环境参数。
安装有管1的堤坝内拦水池有20米深，靠近水面的温度为20℃，靠近水底的温度为10℃。装置运行时，每10秒钟产生一个空气团19，图10中示出了流速作为时间的函数的变化情况，曲线起点为空气团开始形成时的流速，终点为空气团到达管上口时的流速，曲线峰值相应于最大流速1.4米/秒，曲线谷值相应于最小流速1.1米/秒。
图5和6示出了由于温差作用扩散水的环流情况(对流)。箭头37a和37b代表水流方向。
实例9本例中的条件与实例8相同。但它是每15秒钟产生一个空气团。结果用图9中曲线示出。曲线峰值相应于最大流速1.4米/秒，而曲线谷值相应于最小流速0.6米/秒。
实例10本例中的条件与实例8相同，但它是每30秒钟产生一个空气团。结果用图8中的曲线示出。曲线峰值为最大流速1.4米/秒，曲线谷值点为最小流速0.2米/秒。
在这个实例中水注可以在径向上大面积扩散，其复盖面可远离管的安装位置达1000米。
实例11在这个实例中所选的堤坝内栏水池水深20米。水面温度为20℃，水底温度为8℃，安装的管为直径40厘米，长20米。在这种条件下，每25秒产生一个空气团，结果曲线与图10中曲线相似。
实例12本例中条件与实例11相同，但它是每35秒产生一个空气团，得到的曲线波形与图9中的相似。
实例13本例中的条件与实例11相同，但它是每60秒钟产生一个空气团，得到的曲线波形与图8中的相似。
实例14蓄水池的水有5米深，水面温度为20℃，水底温度为15℃。安装的管为直径40厘米长2米(空气团通过的部分为1.5米长)每隔6秒钟就形成一个空气团。其结果由图8中的曲线示出。如果是每4秒钟形成一个空气团，所得到的曲线在图9中示出。
上面已经示出并说明了本发明的各种实例。如上所述可以看出，本发明方法有助于充分利用空气团所提供的能量，因而利用能量的效率提高了，效率之所以提高是因为使气室容量等于气泡或空气团体积的0.75～1.25倍。
本发明的另一优点是明确地规定了供给每一个气泡或空气团的时距T与空气团通过管的长度L之间的关系，即规定T为0.5｜L｜≤T≤4～6｜L｜，(当L≥10米时)，0.5｜L｜≤T≤10｜L｜，(当≤10米时)和｜L｜≤T，(当L＜2米时)。如果满足上述条件，抽吸水和水的扩散效率就能提高，于是通过强制使水在水面与水底之间循环就能提高水源的含氧量，另外，按上述时距T与长度L之间关系的普通等式所设计的装置具有高的可靠性功能。
虽然上面对本发明有关的各种优选实例作了详尽的说明，但应当认为，只要不离开本发明的精神和范围，都可以进行各种变换和改型。
权利要求
1.一种方法，其内容包括按特定的时距产生单个气泡或空气团，在每一空气团的抽吸(即提升)作用下，使水通过一竖直安装在水下的扩散管，由水底提升上来，再从管的上端扩散出去，空气团的体积规定为直径等于水扩散管内径的球体体积的0.75～1.25倍。并满足以下条件(1)0.5｜L｜≤T≤4～6｜L｜(当L≥10米时)；(2)0.5｜L｜T≤10｜L｜(当2米≤L＜10米时)；(3)｜L｜≤T(当L＜2米时)式中L(米)为空气团通过管内上升的长度。T(秒)为提供各个接连空气团的时距。
2.根据权利要求
1所规定的方法，其气泡或空气团按规定时距供给是利用了虹吸作用，而供气的时距又受到把水当作响应水面变化的自动阀门的控制，或者是用一个气泵控制。
3.根据权利要求
2所规定的方法，其气泵供气利用了虹吸作用，而供气的时距又受到把水当作响应水面变化的自动阀门的控制，或者受到把空气作为响应空气变化的自动阀门的控制。
4.根据权利要求
1所规定的方法，其各个接连上升的气泡或空气团的时距，当管长超过2米但少于10米时，为5秒到30秒之间，而当管长超过10米时，为15秒到100秒之间。
5.根据权利要求
1所规定的方法，其水扩散管垂直安装于水下，其上端位于水面以下1～20米处。
专利摘要
本发明提供用于某种装置上产生喷水注的方法，该装置定期提供并形成一个个空气团，在空气团的抽吸作用下，水随着空气团通过一垂直的水扩散管上升至管子上口，并形成喷水注。该方法由于确定了扩散管的直径和空气团体积之间的关系，并规定了空气团在管内上升的长度L(米)与提供各个空气团的时距T(秒)之间的关系，故改善了水处理的效率和能力。
文档编号B01F15/00GK86107836SQ86107836
公开日1987年10月14日 申请日期1986年11月27日
发明者牧野正彦 申请人:海洋工业股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan