发射旋动型射流的射流曝气器.pdf

本发明提供了一种发射旋动型射流的射流曝气器，其包括：吸入腔，所述吸入腔的顶端设有引射介质进口，所述吸入腔相对的两侧侧壁上设有进口和出口；喷射腔，所述喷射腔与所述吸入腔连通，所述喷射腔的进口、喷嘴与所述吸入腔的进口、出口同轴，且所述喷嘴指向所述吸入腔的出口，所述喷射腔的进口处设有旋流发生器，以产生旋动型射流；混合腔，所述混合腔与所述吸入腔的出口连通，且所述混合腔的进口、出口与所述吸入腔的进口、出口同轴；扩散管，所述扩散管与所述混合腔的出口连通，且所述扩散管的进口、出口与所述混合腔的进口、出口同轴。发射旋动型射流的射流曝气器增加了射流湍动程度和卷吸能力，从而提高射流曝气器的动力效率和氧利用率。

权利要求书
1.  一种发射旋动型射流的射流曝气器，其特征在于，其包括：
吸入腔，所述吸入腔的顶端设有引射介质进口，所述吸入腔相对的两侧侧壁上设有进口和出口；
喷射腔，所述喷射腔与所述吸入腔连通，所述喷射腔的进口、喷嘴与所述吸入腔的进口、出口同轴，且所述喷嘴指向所述吸入腔的出口，所述喷射腔的进口处设有旋流发生器，以产生旋动型射流；
混合腔，所述混合腔与所述吸入腔的出口连通，且所述混合腔的进口、出口与所述吸入腔的进口、出口同轴；
扩散管，所述扩散管与所述混合腔的出口连通，且所述扩散管的进口、出口与所述混合腔的进口、出口同轴。

2.  如权利要求1所述的发射旋动型射流的射流曝气器，其特征在于，所述旋流发生器包括至少一层螺旋叶片。

3.  如权利要求1或2所述的发射旋动型射流的射流曝气器，其特征在于，所述旋流发生器产生的旋动型射流的旋动强度等于从所述喷嘴射出的旋动型射流的切向流速与轴向流速之比，所述旋流发生器所产生的旋动型射流的旋动强度用旋动数S来表示，根据如下公式计算旋动强度：
S=wu]]>
式中，w表示旋动型射流的切向流速；
u表示旋动型射流的轴向流速；
旋动型射流的切向流速和轴向流速用以下代数方程表示：
um(x)u0=K1dx+af11/2]]>
wm(x)w0=K2(dx+a)2f2-1/2]]>
式中，um为轴向流速在轴线处的最大值；
u0为旋动型射流在喷嘴出口处的轴向速度；
wm为切向流速在轴线处的最大值；
w0为旋动型射流在喷嘴出口处的切向速度；
d为喷嘴的直径；
a为喷嘴的长度；
K1是旋动数S的函数；
K2与旋动数S无关；
f1和f2均为旋动数S的函数，其中：
f1=[1-N2+(1-N2)+(2NK1dx+a)2]/2]]>
f1=[1-N2+(1-N2)+(2Nax+a)2]/2]]>
N=w0u0H(S)]]>
H＝-0.94559S+1.327715。

4.  如权利要求3所述的发射旋动型射流的射流曝气器，其特征在于，所述旋流发生器所产生的旋动型射流的卷吸能力与旋动强度呈正比，二者的关系是：
m.sm.0=(k0+ksS)xd]]>
式中：为x点处被卷吸入射流中的引射介质的质量流量；
为喷嘴出口处的质量流量；
x为以喷嘴出口为起点的射流轴向距离；
d为喷嘴直径；
k0和ks为常数，其中，k0＝0.32和ks＝0.8。

5.  如权利要求3所述的发射旋动型射流的射流曝气器，其特征在于，所述旋流发生器所产生的旋动型射流的扩散角与旋动强度呈正比，二者的关系是：
θ＝4.8+14S
式中：θ为射流的扩散角，即射流轴向剖面边缘线之间的夹角，其中θ＝7.60°～10.96°。

6.  如权利要求3所述的发射旋动型射流的射流曝气器，其特征在于，旋动 数S的最佳值为0.416。

7.  如权利要求1所述的发射旋动型射流的射流曝气器，其特征在于，所述引射介质是含有氧气的气体；所述喷射腔的工作介质是液体。

说明书发射旋动型射流的射流曝气器
技术领域
本发明涉及射流曝气器，具体地说，涉及一种发射旋动型射流的射流曝气器。
背景技术
在污水生化处理中，必须让污水曝气，以供给氧化分解污水中有机物和维持微生物生命活动所需的氧气。其中，射流曝气法以其较高的动力效率和氧利用率在污水生化处理中占有重要的地位。
射流曝气是利用高速水射流对空气的抽吸作用而使污水充氧，利用射流与空气混合后形成的强力湍动来达到气水混合。由于射流曝气具有充氧能力强，氧利用率高(鼓风曝气一般为6～10％，射流曝气一般在30～50％)，因而电耗省，运行费用低等优点，在污水生化处理中占有重要地位。
射流曝气器作为一种流体机械是集混合、反应、吸收于一体的流体输送设备，通过高速射流的动量、能量、质量传递，对气体进行抽吸和压缩。射流曝气器主要由喷嘴、吸入室、混合室和扩散管等部件组成。经过喷嘴射出的流体称为工作介质，工作介质以高速从喷嘴流出，进入吸入室，将吸入室外的气体卷吸进吸入室，被吸入的气体称为引射介质，工作介质与被卷吸入的引射介质一起进入混合室，水气混合物在混合室中经历了气水混合，最后成乳状气水两相混合物从扩散管流入污水中。乳状气水混合物在污水中，气相分散进入液相，在气液表面进行了质量传递，将空气中的氧转移到污水中，实现了污水的生化处理。射流曝气器的射流形式是能否提高射流曝气系统的动力效率和氧利用率的关键部件之一，而如何进一步提高现有射流曝气器的氧转移质量、将空气中的氧转移到污水中是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发射旋动型射流的射流曝气器，旋流发生器将使工作流体呈旋进漩涡状沿锥形喷嘴流出，形成高速旋动型射流从喷嘴射出，有效的增加了射流的湍动度和卷吸能力，提高射流曝气过程的单位时间氧转移量，从而提高射流曝气器的动力效率和氧利用率。
为实现上述目的，本发明提供一种发射旋动型射流的射流曝气器，其包括：吸入腔，所述吸入腔的顶端设有引射介质进口，所述吸入腔相对的两侧侧壁上 设有进口和出口；喷射腔，所述喷射腔与所述吸入腔连通，所述喷射腔的进口、喷嘴与所述吸入腔的进口、出口同轴，且所述喷嘴指向所述吸入腔的出口，所述喷射腔的进口处设有旋流发生器，以产生旋动型射流；混合腔，所述混合腔与所述吸入腔的出口连通，且所述混合腔的进口、出口与所述吸入腔的进口、出口同轴；扩散管，所述扩散管与所述混合腔的出口连通，且所述扩散管的进口、出口与所述混合腔的进口、出口同轴。
优选地，所述旋流发生器包括至少一层螺旋叶片。
优选地，所述旋流发生器产生的旋动型射流的旋动强度等于从所述喷嘴射出的旋动型射流的切向流速与轴向流速之比，所述旋流发生器所产生的旋动型射流的旋动强度用旋动数S来表示，根据如下公式计算旋动强度：
S=wu---(1)]]>
式中，w表示旋动型射流的切向流速；
u表示旋动型射流的轴向流速；
旋动型射流的切向流速和轴向流速用以下代数方程表示：
um(x)u0=K1dx+af11/2---(2)]]>
wm(x)w0=K2(dx+a)2f2-1/2---(3)]]>
式中，um为轴向流速在轴线处的最大值；
u0为旋动型射流在喷嘴出口处的轴向速度；
wm为切向流速在轴线处的最大值；
w0为旋动型射流在喷嘴出口处的切向速度；
d为喷嘴的直径；
a为喷嘴的长度；
K1是旋动数S的函数；
K2与旋动数S无关；
f1和f2均为旋动数S的函数，其中：
f1=[1-N2+(1-N2)+(2NK1dx+a)2]/2---(4)]]>
f2=[1-N2+(1-N2)+(2Nax+a)2]/2---(5)]]>
N=w0u0H(S)---(6)]]>
H＝-0.94559S+1.327715      (7)
优选地，所述旋流发生器所产生的旋动型射流的卷吸能力与旋动强度呈正比，二者的关系是：
m·sm·0=(k0+ksS)xd---(8)]]>
式中：为x点处被卷吸入射流中的引射介质的质量流量；
为喷嘴出口处的质量流量；
x为以喷嘴出口为起点的射流轴向距离；
d为喷嘴直径；
k0和ks为常数，其中，k0＝0.32和ks＝0.8。
优选地，所述旋流发生器所产生的旋动型射流的扩散角与旋动强度呈正比，二者的关系是：
θ＝4.8+14S       (9)
式中：θ为射流的扩散角，即射流轴向剖面边缘线之间的夹角，其中θ＝7.60°～10.96°。
优选地，旋动数S的最佳值为0.416。
另外，优选地，所述引射介质是含有氧气的气体；所述喷射腔的工作介质是液体。
从上述的描述和实践可知，本发明提供的发射旋动型射流的射流曝气器，其有益效果是：增加了旋流发生器的喷射腔可以使得工作介质产生移动轨迹变化，在喷嘴锥形区域产生旋进漩涡，并在喷嘴出口处形成旋动型射流，提高射流曝气器的卷吸能力，旋动型射流的卷吸能力随旋动数的增大而增大，射流曝 气器的空气吸入量将随射流的卷吸能力的增加而增加，因此从射流曝气器出流的气水混合物中，气相的量将增加，从而增加了气液两相界面的传质面积，传质系数也将随之增加，提高射流曝气过程的单位时间氧转移量，从而提高射流曝气器的动力效率和氧利用率。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。在附图中，
图1是本发明一个实施例所述的发射旋动型射流的射流曝气器的示意图；
图2是图1所示的发射旋动型射流的射流曝气器的喷射状态示意图；
图3是现有技术中普通射流曝气器的喷射状态示意图。
附图标记：
发射旋动型射流的射流曝气器100：
1：吸入腔；11：引射介质进口；12：进口；13：出口；
2：喷射腔；21：进口；22：喷嘴；23：旋流发生器；
3：混合腔；31：进口；32：出口；
4：扩散管；41：进口；42：出口；
2'：喷射腔。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一个实施例所述的发射旋动型射流的射流曝气器的示意图。如图1所示，发射旋动型射流的射流曝气器100包括吸入腔1、喷射腔2、混合腔3和扩散管4。
吸入腔1的顶端开设有引射介质进口11，引射介质从该进口进入吸入腔1内，吸入腔1相对的两侧侧壁上设有工作介质的进口12和出口13，进口12和出口13同轴，进口12和出口13关于轴对称。引射介质是含有氧气的气体，例如空气。
喷射腔2与吸入腔1连通，喷射腔2用于喷射工作介质，喷射腔2喷射的工作介质是液体，例如水。喷射腔2的进口端固定在吸入腔1的进口12处，喷射腔2的本体位于吸入腔1内，喷射腔2的进口21、喷嘴22与吸入腔1的进口 12、出口13同轴，且喷射腔2是轴对称结构，喷嘴22指向吸入腔1的出口13。喷射腔2的进口21处设有旋流发生器23，优选地，旋流发生器23包括至少一层螺旋叶片。经过旋流发生器23，工作介质的移动轨迹发生改变，以形成旋动型射流，从而增加射流的湍动程度和卷吸能力。
混合腔3的进口31与吸入腔1的出口13连通，混合腔3用于混合引射介质和工作介质，混合腔3的进口31、出口32关于轴对称，混合腔3的进口31、出口32与吸入腔1的进口12、出口13同轴。
扩散管4的进口41与混合腔3的出口32连通，扩散管4的进口41直径小于其出口42直径，混合后的引射介质和工作介质从扩散管4的出口42喷出，扩散管4的进口41、出口42关于轴对称，扩散管4的进口41、出口42与混合腔3的进口31、出口32同轴。
旋流发生器23安装于曝气器喷嘴22的前端，该带有螺旋叶片的旋流发生器23将使工作流体呈旋进漩涡状沿锥形喷嘴流出，形成高速旋动型射流从喷嘴22射出，有效的增加了射流的湍动度和卷吸能力，在曝气器的吸入腔1形成强力湍流，将空气卷吸入旋动型射流中，一起进入曝气器的混合腔3，在混合腔3中由于强力湍动，空气与水得到充分混合，空气被切割成无数小气泡，两相混合流体以乳状态流出发射旋动型射流的射流曝气器，进入污水中。
图2是图1所示的发射旋动型射流的射流曝气器的喷射状态示意图。图3是现有技术中普通射流曝气器的喷射状态示意图。通过图2和图3可知，在图2中，增加旋流发生器23后，工作流体在喷嘴射出的射流不仅包括水平方向速度和竖直方向速度，还包括切向速度。在图3中，喷射腔2'没有增加任何设备，工作流体在喷嘴射出的射流仅包括水平方向速度和竖直方向速度，而不存在切向速度。在图2中，旋流发生器23安装于喷射腔2喷嘴的前端，它使喷射腔2的进口21的工作流体在喷嘴22的锥形区域产生旋进漩涡，并在喷嘴22出口处形成旋动型射流从喷嘴22喷出，有效的增加了射流的湍动度和卷吸能力，极大的提高了射流曝气器的动力效率和氧利用率。
下面根据理论研究的角度进一步证明具有旋动型射流的射流曝气器的性能得到提升。双膜理论认为气体溶于水的过程是由四个阶段组成的传质过程。第一阶段气体通过气相向气液交界面推移，第二阶段气体通过界面气侧的气膜，第三阶段通过界面液侧的液膜，最后第四阶段气体扩散到整个溶液中。双膜理论认为气体在向液体传质时，穿过气液界面的阻力主要来自于液侧的液膜。研究表明，影响氧总转移系数的主要手段有二个，一个是减小液膜厚度，另一个 则是增加单位体积溶液界面的传质面积。
图2是图1所示的发射旋动型射流的射流曝气器的喷射状态示意图。图3是现有技术中普通射流曝气器的喷射状态示意图。如图2所示，与普通的射流相比，本发明的旋动型射流多了一个切向流速w，旋流发生器23产生的旋动型射流的旋动强度等于从喷嘴22射出的旋动型射流的切向流速w与轴向流速u之比，而在图3中，由于不存在切向流速w，则不存在旋动强度，即旋动数为零。而图2中所示的旋流发生器23所产生的旋动型射流的旋动强度用旋动数S来表示，
根据如下公式计算旋动强度：
S=wu---(1)]]>
式中，w表示旋动型射流的切向流速；
u表示旋动型射流的轴向流速；
旋动型射流的切向流速和轴向流速用以下代数方程表示：
um(x)u0=K1dx+af11/2---(2)]]>
wm(x)w0=K2(dx+a)2f2-1/2---(3)]]>
式中，um为轴向流速在轴线处的最大值；
u0为旋动型射流在喷嘴出口处的轴向速度；
wm为切向流速在轴线处的最大值；
w0为旋动型射流在喷嘴出口处的切向速度；
d为喷嘴的直径；
a为喷嘴的长度；
K1是旋动数S的函数；
K2与旋动数S无关；
f1和f2均为旋动数S的函数，其中：
f1=[1-N2+(1-N2)+(2NK1dx+a)2]/2---(4)]]>
f2=[1-N2+(1-N2)+(2Nax+a)2]/2---(5)]]>
N=w0u0H(S)---(6)]]>
H＝-0.94559S+1.327715       (7)
旋流发生器23所产生的旋动型射流的卷吸能力与旋动强度呈正比，二者的关系是：
m·sm·0=(k0+ksS)xd---(8)]]>
式中：为x点处被卷吸入射流中的引射介质的质量流量；
为喷嘴出口处的质量流量；
x为以喷嘴出口为起点的射流轴向距离；
d为喷嘴直径；
k0和ks为常数，其中，k0＝0.32和ks＝0.8。
由式(8)可见，射流的卷吸能力随旋动数S的增大而增大。
旋流发生器23所产生的旋动型射流的扩散角与旋动强度呈正比，二者的关系是：
θ＝4.8+14S      (9)
式中：θ为射流的扩散角，即射流轴向剖面边缘线之间的夹角，其中θ＝7.60°～10.96°。
由式(9)可见，随着旋动数S的增大，射流的扩散角θ也随之增大，但射流的轴向流速u将随之衰减，这将不利于设备几何结构的优化。实验表明，一般取S＝0.416为宜。
根据扩散角的角度值，可以得到代表旋动强度的旋动数，旋流发生器23所产生的旋动型射流的卷吸能力与旋动强度呈正比，因此，可以比较发射旋动型射流的射流曝气器和普通射流曝气器的卷吸能力。
当θ＝7.60°，由式(9)可得，S＝0.2，此时，k0＝0.32，ks＝0.8，由式(8)可得，发射旋动型射流的射流曝气器的m·s/m·0=(0.32+0.8×0.2)x/d=0.48x/d;]]>而普通的射流曝气器，由于S＝0，则二者的比值为1.5，即发射旋动型射流的射流曝气器的旋动型射流的卷吸能力为普通的射流曝气器的卷吸能力的1.5倍。
当θ＝10.96°，由式(9)可得，S＝0.44，此时，k0＝0.32，ks＝0.8，由式(8)可得，发射旋动型射流的射流曝气器的m·s/m·0=(0.32+0.8×0.44)x/d=0.672x/d;]]>而普通的射流曝气器，由于S＝0，则二者的比值为2.1，即发射旋动型射流的射流曝气器的旋动型射流的卷吸能力为普通的射流曝气器的卷吸能力的2.1倍。
当S＝0.416，k0＝0.32，ks＝0.8，由式(8)可得，发射旋动型射流的射流曝气器的m·s/m·0=(0.32+0.8×0.44)x/d=0.6528x/d;]]>而普通的射流曝气器，由于S＝0，则二者的比值为2.04，即发射旋动型射流的射流曝气器的旋动型射流的卷吸能力为普通的射流曝气器的卷吸能力的2.04倍。
上述计算表明，本发明的的旋动型射流的射流曝气器，其卷吸能力是传统应用的射流曝气器的卷吸能力的1.5～2.1倍。
通过上述本发明提供的实施例发射旋动型射流的射流曝气器，其有益效果是：增加了旋流发生器的喷射腔可以使得工作介质产生移动轨迹变化，在喷嘴锥形区域产生旋进漩涡，并在喷嘴出口处形成旋动型射流，提高射流曝气器的卷吸能力，旋动型射流的卷吸能力随旋动数的增大而增大，射流曝气器的空气吸入量将随射流的卷吸能力的增加而增加，因此从射流曝气器出流的气水混合物中，气相的量将增加，从而增加了气液两相界面的传质面积，传质系数也将随之增加，提高射流曝气过程的单位时间氧转移量，从而提高射流曝气器的动力效率和氧利用率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。