Способ и устройство для газации жидкостей
Изобретение относится к способу и устройству для аэрации воды и может использоваться, например, в аквариумах. К смесительной трубе по подводу для газа подается воздух, а по подводу для жидкости - вода с образованием смеси из воздуха и воды. Воду центрально вводят через подающую трубу и ее устье в смесительную трубу, и в зоне устья поток расширяется за счет удара о распределяющее тело. Ускорение смеси вызывают тем, что проходное сечение для смеси сужается вниз по тотоку за устьем. Технический результат состоит в улучшении равномерности насыщения воды воздухом по сечению потока. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способу газации жидкостей, в частности аэрации воды, при котором к смесительной трубе с образованием смеси из газа и жидкости по подводу для газа подается газ, а по подводу для жидкости - жидкость. Кроме того, изобретение относится к устройству для осуществления способа.
Для различных целей требуется снабжать или насыщать жидкость газом. Особенно часто осуществляется аэрация воды, в частности в аквариумах, чтобы повысить содержание кислорода в воде и, тем самым, улучшить условия жизни для растений и/или рыб или предотвратить опрокидывание аквариума.
Для аэробной обработки осадков сточных вод из СН 642563 А5 известен способ, при котором осадок сточных вод через изогнутый патрубок и конический клапан подается в смесительную трубу. Конический клапан содержит затвор, перемещающийся между закрытым и расположенным вниз по потоку открытым положениями. Через клапанный затвор проходит прямая воздухоподводящая труба, которая одновременно выполняет функцию клапанного штока и аксиально перемещается вместе с клапанным затвором. В открытом положении последнего и при подаче осадка сточных вод через воздухоподводящую трубу всасывается воздух, центрально поступающий в смесительную трубу. Недостаток этого способа заключается в том, что смешивание осадка сточных вод и воздуха по сечению является очень неравномерным.
Помимо этого известны гидродинамические кавитационные смесители для получения жидких систем, в частности эмульсий, суспензий и т.п., у которых за счет особых мер внутри смесительной трубы создаются кавитационные зоны, в которых происходит координированное лопание кавитационных пузырьков в локальном объеме при одновременном образовании волн давления высокой энергии. Примеры этого приведены в DE 4433744 А1 и DE 102005037026 А1. В обоих кавитационных смесителях, как и в устройстве, известном из СН 642563 А5, воздух подается центрально в смесительную трубу, а именно с потоком жидкости (DE 4433744 А1) и против потока жидкости (DE 102005037026 А1). При этом в кавитационном смесителе согласно DE 4433744 А1 в устье центральной воздухоподводящей трубы вставлено коническое тело.
Задача предлагаемого изобретения состоит в создании способа, с помощью которого достигалось бы существенно более высокое и более равномерное по сечению насыщение жидкости газом, в частности воздухом. Другая задача состоит в создании устройства, подходящего для осуществления способа.
В части способа задача решается, согласно изобретению, за счет того, что жидкость центрально вводится через подающую трубу и ее устье в смесительную трубу и в зоне устья расширяется за счет удара о расширитель. Основная идея изобретения заключается, следовательно, в том, чтобы центрально вводить в смесительную трубу не газ, а газируемую жидкость, и чтобы она не просто вытекала в смесительную трубу, а расширялась при выходе из устья подающей трубы. В результате возникает большая, распределенная по сечению смесительной трубы поверхность для смешивания жидкости и газа, причем с вытеканием жидкости происходит также всасывание газа. Опыты показали, что за счет этого достигается соотношение жидкость-газ более 1:5, т.е. соотношение, намного большее, чем в известных способах.
Для достижения равномерного расширения жидкости следует использовать расширитель, выполненный осесимметричным вокруг оси, концентричной средней оси устья. Таким образом, возникает расширенная, в частности кольцеобразная, струя жидкости с большой поверхностью для смешивания жидкости и газа. При этом для расширения целесообразно, если сечение расширителя увеличивается в направлении течения. Для расширения особенно подходит форма конуса, причем образующая может быть также сферически вогнутой и, тем самым, приближенной к форме гриба. В частности, в случае прямоугольной или квадратной подающей трубы рассматривается также использование понтона в качестве расширителя.
Согласно изобретению, далее предусмотрено, что используется расширитель, который, по меньшей мере, частично выступает из устья и входит в смесительную трубу, поскольку в этом случае достигается особенно сильное расширяющее действие. При этом наибольшее сечение расширителя должно быть больше сечения устья.
Согласно изобретению, далее предусмотрено, что проходное сечение для смеси сужается вниз по потоку за устьем подающей трубы. Сужение сечения может быть выполнено в виде конусообразной заглушки сужающегося вниз по потоку сечения. За заглушкой смесительная труба снова имеет свое первоначальное сечение, так что после ускорения течения за счет заглушки возникает подобие диффузора.
Согласно другому признаку изобретения, предложено, что смесь ударяется на выходном отверстии смесительной трубы о вытеснитель, взаимодействующий с выходным отверстием. В результате возникает подобие эффекта душа, который приводит к оптимальному распределению поверхности выходящей газоводяной смеси и повторному интенсивному перемешиванию. Чтобы достичь равномерного распределения преимущественно следует использовать вытеснитель, выполненный осесимметричным вокруг оси, концентричной средней оси выходного отверстия. При этом диаметр вытеснителя должен увеличиваться в направлении выхода. Вытеснитель может быть выполнен, например, в виде отражательной тарелки и/или конуса с прямой или сферически изогнутой образующей или в виде понтона.
Согласно изобретению, далее предложено, что смесь ударяется о расположенный вне смесительной трубы вытеснитель. Наибольшее сечение вытеснителя преимущественно больше свободного сечения выходного отверстия.
Наконец, согласно изобретению, предусмотрено, что смесь в смесительной трубе отклоняется в зоне выходного отверстия за счет ее дугообразного участка. Это облегчает выход регулирующей штанги вытеснителя.
В части устройства задача решается, согласно изобретению, за счет того, что подающая труба соединена или выполнена с возможностью соединения с находящимся под давлением источником жидкости, причем в устье расположен расширитель, вызывающий расширение жидкости. С помощью этого устройства достигаются преимущества, описанные в связи с предложенным способом, в частности интенсивное и равномерное перемешивание и аэрация жидкости газом.
Устье и расширитель имеют целесообразно соответствующие друг другу поверхности клапанного седла, так что расширитель может использоваться одновременно также в качестве клапанного затвора для закрывания устья. Для этого расширитель должен аксиально перемещаться в направлении средней оси подающей трубы, чтобы можно было регулировать зазор между устьем и расширителем и за счет этого осуществлять, например, согласование с различными давлениями жидкости.
Согласно другому признаку изобретения, предусмотрено, что расширитель связан с перемещающим устройством, посредством которого он аксиально перемещается снаружи. Перемещающее устройство может содержать перемещающую штангу, на которой установлен расширитель и которая выходит из подающей трубы. Чтобы обеспечить хорошее движение перемещающей штанги, она должна, с одной стороны, проходить в стенке подающей трубы, а, с другой стороны, - в опоре в смесительной трубе. Перемещающая штанга может перемещаться посредством маховика или других удобных в использовании устройств, а также посредством электрического серводвигателя.
Устье подающей трубы должно располагаться, чтобы оно лежало на прямом участке смесительной трубы. Для подачи газа смесительная труба должна снабжаться дугообразным, направленным на подающую трубу подающим участком, который заканчивается в газоподводящем отверстии.
Выходное отверстие смесительной трубы и взаимодействующий с ним вытеснитель должны иметь соответствующие друг другу поверхности клапанного седла, так что вытеснитель может использоваться в качестве клапанного затвора для закрывания смесительной трубы. Для этого целесообразно, если вытеснитель аксиально перемещается в направлении средней оси выходного отверстия.
Согласно изобретению, далее предусмотрено, что вытеснитель связан с регулирующим устройством, посредством которого он аксиально перемещается снаружи. Регулирующее устройство может содержать регулирующую штангу, на которой установлен вытеснитель и которая выступает из смесительной трубы. Для опирания регулирующей штанги она должна, с одной стороны, проходить в стенке смесительной трубы, а, с другой стороны, - в смесительной трубе в зоне выходного отверстия. Перемещение регулирующей штанги может осуществляться тогда от руки, например посредством маховика и т.п., а также посредством связанного с ней регулирующего двигателя.
На чертеже предложенное устройство более подробно изображено на примере его выполнения. Чертеж показывает в продольном разрезе устройство 1 для аэрации воды.
Устройство 1 содержит смесительную трубу 2 с прямым участком 3 и примыкающим к нему в направлении течения, изогнутым участком 4, который заканчивается в выходном отверстии 5. Выходное отверстие 5 окружено фланцем 6, посредством которого оно может быть присоединено, например, к отверстию резервуара.
В противоположный потоку конец смесительной трубы 2 входит дугообразный воздухоподводящий участок 7, имеющий на своем свободном конце воздухоподводящее отверстие 8, окруженное фланцем 9. Фланец 9 снабжен ответным фланцем 10. Оба фланца 9, 10 выполнены с возможностью свинчиваться между собой. Воздухоподводящий участок 7 и смесительная труба 2 с прямым 3 и изогнутым 4 участками образуют главную трубу 11 устройства 1.
В противоположный потоку конец смесительной трубы 2 входит прямая подающая труба 12, которая на прямом участке 3 смесительной трубы 2 вниз по потоку за устьем воздухоподводящего участка 7 заканчивается устьем 13. Смесительная 2 и подающая 12 трубы имеют постоянное кругообразное сечение. Подающая труба 12 проходит коаксиально продольной оси прямого участка 3 смесительной трубы 2. Вне смесительной трубы 2 подающая труба 12 содержит входящий под прямым углом патрубок 14, посредством которого подающая труба 12 может быть присоединена к водоподводящей линии, которая может быть снабжена водяным насосом для создания давления. Выступающий из смесительной трубы 2 конец подающей трубы 12 закрыт уплотнением 15.
Через подающую трубу и прямой участок 3 смесительной трубы 2 коаксиально проходит перемещающая штанга 16. Одним концом перемещающая штанга 16 аксиально перемещается в уплотнении 15, а другим концом - в опорной звездочке 17. Опорная звездочка 17 соединена с внутренней стороной смесительной трубы 2. Снаружи подающей трубы 12 расположено перемещающее устройство (не показано), посредством которого от электродвигателя или вручную аксиально может перемещаться перемещающая штанга 16.
На перемещающей штанге 16 в зоне устья 13 установлен конический элемент 18, диаметр которого увеличивается вниз по потоку. Он частично выступает из подающей трубы 12. В зависимости от осевого положения перемещающей штанги 16 и, тем самым, конического элемента 18 между внутренним краем устья 13 и боковой поверхностью конического элемента 18 возникает более или менее большой кольцевой зазор. Он тем больше, чем больше конический элемент 18 смещен вниз по потоку.
Между устьем 13 подающей трубы 12 и опорной звездочкой 17 расположена коническая заглушка 19, которая противоположным потоку концом соединена с внутренней стороной смесительной трубы 2 и конусообразно уменьшает вниз по потоку поперечное сечение смесительной трубы 2. За заглушкой 19 сечение снова соответствует сечению смесительной трубы 2.
Выходное отверстие 5 смесительной трубы 2 снабжено отражательной тарелкой 20, которая выполнена конусообразной с увеличивающимся в направлении течения диаметром. Она закреплена на выступающем из выходного отверстия 5 конце регулирующей штанги 21, проходящем через выходное отверстие 5 и перемещающимся там в опорной звездочке 22 аксиально и коаксиально средней оси выходного отверстия 5. В направлении вверх регулирующая штанга 21 пронизывает изогнутый участок 4 смесительной трубы 2 через уплотнительную втулку 23. На выступающем там конце, как и в случае перемещающей штанги 16, расположено регулирующее устройство, посредством которого можно регулировать расстояние между выходным отверстием 5 и отражательной тарелкой 20 за счет перемещения регулирующей штанги 21.
Устройство 1 работает следующим образом. Вода, находящаяся под созданным, при необходимости, с помощью насоса давлением, подается через патрубок 14 к подающей трубе 12. В зоне конусного элемента 18 вода вытесняется наружу и в виде веерообразной кольцевой струи поступает в смесительную трубу 2 через кольцевой зазор, образованный между устьем 13 и конусным элементом 18. За счет этого через воздухоподводящее отверстие 8 и воздухоподводящий участок 7 всасывается воздух, который интенсивно смешивается с выходящей из подающей трубы 12 веерообразной водяной струей. Этому способствует коническая заглушка 19, которая вызывает ускорение водовоздушной смеси. Смесь поступает затем в изогнутый участок 4 смесительной трубы 2 и через выходное отверстие 5 течет, например, в резервуар. При этом смесь ударяется об отражательную тарелку 20 и в результате этого веерообразно расширяется, что вызывает повторную аэрацию воды.
1. Способ аэрации воды, в котором к смесительной трубе (2) с образованием смеси из воздуха и воды по подводу (7) для воздуха подают воздух, а по подводу (13) для воды - воду, причем воду центрально вводят через подающую трубу (12) и ее устье (13) в смесительную трубу (2) и в зоне устья (13) расширяют посредством удара о распределяющее тело (18), отличающийся тем, что ускорение смеси вызывают за счет того, что проходное сечение для смеси сужается вниз по потоку за устьем (13).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду расширяют посредством распределяющего тела (18), выполненного осесимметричным вокруг оси, концентричной средней оси устья (13), сечение которого увеличивается предпочтительно в направлении течения воды.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поток воды расширяют посредством распределяющего тела (18), выполненного в форме конуса.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поток воды расширяют посредством распределяющего тела (18), которое, по меньшей мере, частично выступает из устья (13) и входит в смесительную трубу, наибольшая поперечная протяженность которого, предпочтительно, больше свободного поперечного сечения устья (13).
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что проходное сечение для смеси преимущественно конусообразно сужается вниз по потоку за устьем (13).
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь ударяется на выходном отверстии (5) смесительной трубы (2) о вытеснитель (20), который, предпочтительно, выполнен симметричным вокруг оси, концентричной средней оси выходного отверстия, и/или поперечная протяженность которого, предпочтительно, увеличивается в направлении выхода.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что смесь ударяется о вытеснитель (20), выполненный в виде отражательной тарелки, и/или смесь ударяется о вытеснитель (20), выполненный в виде конуса.
8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что смесь, предпочтительно, ударяется о вытеснитель (20), установленный снаружи смесительной трубы.
9. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что смесь ударяется о вытеснитель (20), наибольшая поперечная протяженность которого больше свободного сечения выходного отверстия.
10. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что смесь в смесительной трубе (2) отклоняют в зоне выходного отверстия (5) за счет ее дугообразного участка (4).
11. Устройство (1) для аэрации воды, содержащее смесительную трубу (2), имеющую входное отверстие (7, 8) и выходное отверстие (5), в частности имеющую в зоне выходного отверстия (5) дугообразный участок (4), и подающую трубу (12), которая центрально входит в смесительную трубу (2) и имеет направленное к выходному отверстию (5) устье (13), причем подающая труба (12) соединена или выполнена с возможностью соединения с находящимся под давлением источником воды, причем в устье (13) расположено распределяющее тело (18), вызывающее расширение воды и, тем самым, ее смешивание с воздухом в смесь из воды и воздуха, отличающееся тем, что смесительная труба (2) имеет сужение (19) сечения для смеси вниз по потоку за устьем (13), вызывающее ускорение смеси.
12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что распределяющее тело (18) выполнено осесимметричным вокруг оси, концентричной средней оси устья (13), причем поперечное сечение распределяющего тела (18), предпочтительно, увеличивается в направлении выходного отверстия (5) смесительной трубы (2).
13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что распределяющее тело (18) выполнено в виде конуса.
14. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что распределяющее тело (18), по меньшей мере, частично выступает из устья (13) и входит в смесительную трубу (2), причем наибольшая поперечная протяженность распределяющего тела (18), предпочтительно, больше свободного сечения устья (13) и/или устье (13) и распределяющее тело (18) имеют соответствующие друг другу поверхности клапанного седла.
15. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что распределяющее тело (18) установлено с возможностью осевого перемещения в направлении средней оси подающей трубы (12), причем распределяющее тело (18), предпочтительно, соединено с перемещающим устройством, посредством которого оно аксиально перемещается снаружи, и/или перемещающее устройство, предпочтительно, содержит перемещающую штангу (16), на которой установлено распределяющее тело (18) и которая выступает из подающей трубы (12), причем перемещающая штанга (16), в частности, проходит с одной стороны в стенке подающей трубы (12), а с другой стороны - в опоре (17) в смесительной трубе (2).
16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что перемещающая штанга (16) установлена с возможностью осевого перемещения посредством перемещающего двигателя.
17. Устройство по одному из пп.11, 12, 16, отличающееся тем, что смесительная труба (2) имеет сужение (19) сечения вниз по потоку за устьем (13), причем сужение поперечного сечения, предпочтительно, выполнено в виде конусообразной заглушки (19) с сужающимся вниз по потоку сечением.
18. Устройство по одному из пп.11, 12, 16, отличающееся тем, что устье (13) расположено на прямом участке (3) смесительной трубы (2).
19. Устройство по одному из пп.11, 12, 16, отличающееся тем, что смесительная труба (2) снабжена дугообразным, направленным на подающую трубу (12) воздухоподводящим участком (7).
20. Устройство по одному из пп.11, 12, 16, отличающееся тем, что на выходном отверстии (5) смесительной трубы (2) расположен вытеснитель (20), причем вытеснитель (20), предпочтительно, выполнен симметричным вокруг оси, концентричной средней оси выходного отверстия (5), и поперечная протяженность вытеснителя (20), предпочтительно, увеличивается в направлении выхода.
21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что вытеснитель (20) выполнен в виде отражательной тарелки и/или вытеснитель (20) выполнен в виде конуса, причем вытеснитель (20), предпочтительно, расположен вне смесительной трубы (2).
22. Устройство по п.20, отличающееся тем, что наибольшая поперечная протяженность вытеснителя (20) больше свободного поперечного сечения выходного отверстия (5), причем выходное отверстие (5) и вытеснитель (20), предпочтительно, имеют соответствующие друг другу поверхности клапанного седла.
23. Устройство по п.20, отличающееся тем, что вытеснитель (20) установлен с возможностью осевого перемещения в направлении средней оси выходного отверстия (5), причем вытеснитель (20), предпочтительно, соединен с регулирующим устройством, посредством которого он установлен с возможностью осевого перемещения снаружи, а регулирующее устройство, предпочтительно, содержит регулирующую штангу (21), на которой установлен вытеснитель (20) и которая выступает из смесительной трубы (2), причем регулирующая штанга (21), предпочтительно, проходит с одной стороны в стенке смесительной трубы (2), а с другой стороны - в зоне ее выходного отверстия (5).
24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что регулирующая штанга (21) установлена с возможностью осевого перемещения вручную или посредством регулирующего двигателя.
