用于对流体进行气化、泵送和混合的装置的制作方法

1.本发明涉及一种允许基于空化原理来对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备允许气体在被容纳于封闭容器或开放体中的流体内主动扩散，并且更具体地，本发明涉及一种对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备的结构使气体流的微米级泡状物或纳米级泡状物扩散，从而朝向叶轮周缘中由受控空化产生的真空区域供给空化以允许对由叶轮产生的空泡进行填充，在该真空区域中产生了低于大气压的压力，从而引发了注入点的自抽吸，允许连续的气体流，从而有利于气体向流体的交换以及通过对流体进行泵送所产生的气化流体的置换，该流体流可以从较深处被抽吸以进行气化。
技术背景
2.在历史上，流体的泵送、混合和气化已经以不同的方式执行了不同的过程，诸如意在用于水生物种繁殖的水体曝气、饮料气化、不混溶相的混合、化合物的合成等等。为此，各种各样的装置已经被用于执行上述功能中的至少一个或更多个功能；然而，这些装置面临的主要问题之一是能源效率，这是因为经泵送、混合和/或气化的体积与装置在待处理流体中的深度成反比，使得由于在流体的较深区域中的压力增大，常规设备在较深处不能有效地执行上述过程中的任何过程。
3.现有装置的另一问题是产生微米级或纳米级的稳定的泡状物尺寸所需的能量，因为产生稳定的泡状物尺寸需要较高的输入速度和较高的压力。在典型的旨在对流体进行气化的泡状物产生过程中，泡状物被加压，这会产生不期望的影响，这是因为待注入流体中的气体压力增加会产生不同尺寸的泡状物，该尺寸与设备工作的深度相关。通常，用于产生极小尺寸泡状物的元件是烧结材料或多孔材料，这使得该元件非常容易堵塞，从而造成可靠性低以及维护成本高。对此有必要加上以下事实：现有装置在气化泡状物被注入流体中时不允许以受控的方式对气化泡状物的尺寸进行调整，这是因为气化泡状物的尺寸受制于烧结材料或多孔材料的孔口。
4.现有可用设备的另一局限性是缺乏对流体抽吸点的位置和深度水平进行策略性控制以进行混合和/或气化的装置，因此，在缺少这种功能的情况下，可用装置的气化过程仅限于在泡状物作用区域上方的流体体积。
5.为了克服意在用于对常规流体进行泵送、混合和气化的设备的局限性，已经开发了气化设备诸如在专利us4066382a中所描述的设备，该专利公开了一种用于液体曝气的叶轮，该叶轮包括具有多个叶轮叶片的支撑中心盘，并且具有覆盖件，该覆盖件在盘的表面上形成用于空气进入的开口。叶轮叶片的布置遵循具有弯曲叶片的径向结构，该径向结构留下了用于气体抽吸的自由中心区域。然而，流体曝气仅限于流体表面，这是因为叶轮只在较浅的深度处产生气体抽吸，使得所述设备不能用于对深层流体进行气化。此外，由于叶片的构型，不可能对在流体中扩散的气体泡状物尺寸进行控制，因此，气体向流体的转移率非常小。
6.专利申请us20060180949a1描述了一种曝气设备，该曝气设备包括抽吸管，该抽吸
管具有位于该抽吸管下部中的曝气推进器、位于该抽吸管上部中的马达以及将叶轮连接至马达的传动轴。该设备用于在生物处理过程期间的废水曝气。所述设备示出了传导管的使用，该传导管具有位于该传导管下部中的内部推进器，该传导管从表面抽吸气体以将气体注入到混合室中，在该混合室中气体被扩散到流体中。然而，由于所使用的推进器的类型，气体混合物流是湍流，因此不可能对所产生的泡状物尺寸进行控制。此外，由于该设备的构型，该构型使该设备在较深处的抽吸力显著降低，使得当中心抽吸管中的水柱非常高时气体抽吸停止。
7.专利us6884353b2保护了一种曝气设备，该曝气设备包括在减压下产生微泡的旋转叶轮。所述设备包括上部室，该上部室通过由下部叶轮的运动产生的抽吸而引发的对容纳在上部室中的流体进行的置换来填充有空气，使得当气室为空时，气体进入叶轮叶片并且通过形成在叶轮叶片的表面中的微孔而被导向流体，从而使空气主动进入。然而，因为曝气室必须完全排空流体才能开始曝气过程，所以该设备意在仅用在流体表面区域中。此外，因为气体泡状物是朝向叶轮的下部产生的，因此气体泡状物仅扩散至较小的深度，使得流体的较低基层与气体泡状物没有接触。
8.专利us5213718a描述了一种用于将水体气化的曝气机，该曝气机包括具有叶轮的离心泵，该叶轮被修改为产生空化区域，该空化区域通过进口管抽吸气体流，该气体流的出口位于水位以上。在所述专利中，空化区域在设备叶轮的上部中产生，因此，气体混合物流是湍流。然而，由于曝气机叶轮的构型，在较深处会损失大量的抽吸力，因此进入的气体流随着深度的增加而显著减少。另外，由于叶轮空化区域中所形成的湍流，产生的气体泡状物尺寸也不是恒定的。
9.专利us3630498a公开了一种用于液体的气化器设备，该气化器设备包括具有下部叶片叶轮的中空轴，该下部叶片叶轮具有允许加压气体泡状物在叶片附近扩散的多孔表面。在所述设备中，产生的气体泡状物促进液体朝向设备出口上升并且改善气体扩散。然而，由于存在多孔表面，所以必须包括在高压下将气体注入的设备，这是因为推进器叶片的多孔表面产生了较大的阻力，阻止气体主动扩散。
10.上述设备中的任何设备都不允许对在流体中扩散的气体泡状物的尺寸进行精确的控制，更不允许产生微米级和纳米级的气体泡状物。此外，上述设备中的任何设备都不能在不同的深度水平处运行而不造成设备抽吸力的显著损失。
11.鉴于上述问题，需要提供对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备允许对在流体中扩散的气体泡状物尺寸进行精确的控制，以提高气体停留时间，从而允许较好地进行扩散。此外，还需要提供一种气化器设备，该气化器设备可以在不同的深度下运行而不损失抽吸力并且保持该气化器设备对在流体中扩散的气体泡状物尺寸进行控制的能力。


技术实现要素：

12.为了克服市场上现有气化设备的局限性，本发明旨在提供一种对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备可以从任何深度抽吸待气化的流体而不遭受动力损失。
13.本发明的另一目的是提供对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备允许对注入流体中的气体泡状物尺寸进行控制。
14.本发明的另外目的是提供对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备具有用于
将两种或更多种不同的气体扩散到一种或更多种流体中的装置。
15.本发明的另一其他目的是提供对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备允许在大气压下用气体流对流体进行气化而不考虑运行深度。
16.本发明的上述目的和优点以及其他目的和优点将通过以下对本发明的详细描述而变得明显。
附图说明
17.图1示出了本发明的对流体进行气化、泵送和混合的设备的侧视图。
18.图2示出了曝气室(5)的侧视图。
19.图3示出了曝气室(5)的侧向截面的立体图。
20.图4示出了供给空化装置(4)的特写图，其中，第一盘和第二盘(4.1和4.2)被分开以示出第一盘和第二盘的内部结构。
21.图5示出了供给空化装置(4)的俯视图和侧视图，其中，观察到了该供给空化装置(4)的外部结构。
具体实施方式
22.本发明提供了一种对流体进行气化、泵送和混合的设备，该设备用于自由流体或受限流体，可以在不损失抽吸力的情况下用于不同的深度，因此该设备能够将气化流体混合物泵送至几乎无限的深度，其能源效率与该设备在非常浅的水平处的能源效率相同，并且该设备还允许对在流体中扩散的气体泡状物尺寸进行控制，该设备的独特特性在于允许在大气压水平下高效地对流体进行气化。
23.为了实现以上所述，本发明的对流体进行气化、泵送和混合的设备包括旋转致动器(1)、外部导管(2)、中空旋转轴(3)、供给空化装置(4)和空化室(5)。这些部件及其功能将在下文进行详细描述：
24.旋转致动器
25.旋转致动器(1)是产生机械力的元件，用于对本发明的气化器设备进行操作。所述旋转致动器(1)可以从电动马达、内燃发动机或涡轮机中选择。旋转致动器(1)具有输出轴，该输出轴从该旋转致动器(1)的主体凸出并且可以可选地联接至传动箱诸如例如齿轮箱以改变轴的输出扭矩。类似地，所述旋转致动器包括速度选择器机构(未示出)，该速度选择器结构允许使所述旋转致动器在运行的每分钟转数(rpm)增加或减少，从而使得气化器设备可以以不同的运行速度被操作。
26.外部导管
27.外部导管(2)作为该设备的竖向结构支撑件起作用并且包括：至少一个筒形部分；旋转驱动器连接件(2.1)，该旋转驱动器连接件(2.1)以水密的方式联接至旋转致动器(1)并且为旋转致动器(1)提供机械支撑；至少一个气体连接件(2.2)，该至少一个气体连接件(2.2)位于外部导管(2)的上部中，来自例如压缩机、管线或加压罐的一种或多种气体流通过该至少一个气体连接件(2.2)进行供给；至少一个气体调节阀(2.3)，该至少一个气体调节阀(2.3)对来自该至少一个气体连接件(2.2)的一种或更多种气体流进行引导和调节，所述至少一个气体调节阀(2.3)被限制和调节成建立特定的气体-流体关系，以对由该设备产
生的泡状物尺寸进行调节。
28.中空旋转轴
29.中空旋转轴(3)被布置在外部导管(2)内并且被连接至旋转致动器(1)的输出轴。所述中空旋转轴(3)包括：至少一个进口孔(3.1)，该至少一个进口孔(3.1)位于该中空旋转轴(3)上部中，用于使来自外部导管(2)的气体流进入；和至少一个出口孔(3.2)，该至少一个出口孔(3.2)位于该中空旋转轴(3)下部中。
30.供给空化装置
31.供给空化装置(4)包括具有平坦面或大致锥形面的第一盘和第二盘(4.1和4.2)，该第一盘和该第二盘通过它们的内部面彼此连接。第一盘和第二盘(4.1和4.2)各自包括：中心孔(4.3)，中空旋转轴(3)穿过该中心孔(4.3)，使得接合成将所述中空旋转轴(3)的运动向所述第一盘和所述第二盘(4.1和4.2)传递；多个内部螺旋叶片(4.4)，该内部螺旋叶片(4.4)从中心孔(4.3)开始形成斐波那契螺旋线并且终止在第一盘和第二盘(4.1和4.2)的外周缘上,使得所述内部螺旋叶片(4.4)形成内部涡轮，该内部涡轮使来自中空旋转轴(3)的至少一个出口孔(3.2)的气体朝向真空区域的冲量和速度提高；多个外部螺旋叶片(4.5)，该多个外部螺旋叶片(4.5)位于第一盘和第二盘(4.1和4.2)的外部面上，相对于多个内部螺旋叶片(4.4)处于相同的相对位置处，该多个外部螺旋叶片(4.5)被布置成将流体驱动成沿着曝气室(5)的内部面，形成其路径与供给空化装置(4)的水平面相平行的流体流；多个微型液压辅助翼片(4.6)，该微型液压辅助翼片(4.6)位于外部螺旋叶片(4.5)中的每个外部螺旋叶片的末端端部处，通过其径向移位沿着与流体流垂直的路径产生受控的空化区域(a)，在该空化区域(a)中形成微米级或纳米级真空泡状物，该微米级或纳米级真空泡状物与由多个外部螺旋叶片(4.5)驱动的流体碰撞，从而使混合有微米级或纳米级泡状物的流体扩散；多个出口孔(4.7)，该多个出口孔(4.7)被布置在多个微型液压辅助翼片(4.6)中，将由多个内部螺旋叶片(4.4)形成的内部涡轮与第一盘和第二盘(4.1和4.2)的外周缘连接，使得所述多个出口孔(4.7)允许气体流朝向对微米级或纳米级真空泡状物进行供给的受控空化区域(a)离开，从而产生微米级或纳米级气体泡状物。
32.在本发明的优选实施方式中，多个外部螺旋叶片(4.5)以在其远端端部处相距介于20mm至60mm之间的距离的方式在周缘上彼此分开，并且相对于水平面具有介于0度至45度之间的斜度，以及外部螺旋叶片(4.5)的末端端部中的每个末端端部包括3至10个微型液压辅助翼片(4.6)，其弯曲的几何形状遵循斐波那契螺旋线。
33.曝气室(5)
34.曝气室(5)在内部容置至少一个供给空化装置(4)并且包括：第一壳体和第二壳体(5.1和5.2)，该第一壳体和该第二壳体(5.1和5.2)的形状可以从其基部处的平坦形状或从大致锥形形状中进行选择，这取决于该至少一个供给空化装置(4)的几何形状，该第一壳体和该第二壳体(5.1和5.2)与供给空化装置(4)一起形成通往真空区域的水流导管，供给空化装置与壳体内壁(5.1和5.2)之间的距离是避免摩擦所需的最小距离。所述第一壳体和所述第二壳体(5.1和5.2)通过其较大直径开口借助于四个肋状件(5.3)彼此连接，使得在所述第一壳体与所述第二壳体(5.1和5.2)之间形成四个排出腔，流体流与产生的微米级或纳米级气体泡状物一起穿过所述排出腔被排出；第一筒状抽吸进口和第二筒状抽吸进口(5.4和5.5)分别布置在第一壳体与第二壳体(5.1和5.2)的侧部上，以用于连接抽吸入口(5.6和
5.7)，流体通过该抽吸入口(5.6和5.7)被抽吸进去；成对的支撑支承件(5.8和5.9)借助于具有允许流体自由流动的穿孔(5.10)的多个肋状件(5.10)而附接至壳体(5.1和5.2)的内部，该支撑支承件(5.8和5.9)被设计成对中空旋转轴(3)进行支撑；以及，分别位于第一壳体和第二壳体(5.1和5.2)的上部面上的第一孔口和第二孔口(5.11和5.12)，第一孔口(5.11)连接至外部导管(2)，从而将所述外部导管(2)的下部端部密封以允许从第一抽吸进口(5.4)抽吸流体，而第二孔口(5.12)被覆盖件密封以允许从第二抽吸进口(5.5)抽吸流体。
35.在操作中，本发明的对流体进行气化、泵送和混合的设备通过中空旋转轴(3)产生中心抽吸流，该中心抽吸流主动将气体流抽吸向由供给空化装置(4)的多个内部螺旋叶片(4.4)形成的气体流通道，该气体流通过由多个微型液压辅助翼片(4.6)的运动产生的空化区域而形成的抽吸作用穿过多个出口孔(4.7)排出，从而对由空化形成的真空泡状物(空泡)进行填充。因为空化区域仅在多个出口孔(4.7)附近产生，所以真空区域在该装置内部部分与由流体产生的外部静水压力之间形成屏障并且同时形成闸门，从而允许低压的气体进入到高静水压力区域(取决于深度)。该真空区域接纳流体的液压冲击，该流体被抽吸穿过该区域并且附加地由外部螺旋叶片(4.5)推动，使得在所述区域中产生的泡状物扩散和演变，从而为随后的泡状物提供腔，以允许下一个周期的泡状物径向喷射。另外，因为由多个外部螺旋叶片(4.5)产生的流体流被直接引导至空化区域，泡状物与所产生的流的接触得到了显著改善而没有降低设备的抽吸力。此外，由于之前显示的设备构型，可以通过对穿过控制阀(2.3)进入的气体流量、进入曝气室(5)的流体体积和供给空气装置(4)的旋转速度进行调节来对产生的泡状物尺寸进行控制。
36.在本发明的优选实施方式中，气化设备是具有自主产能装置的浮式设备。在该实施方式中，该设备还包括浮式基部，该浮式基部提供足够浮力以对该设备的全部重量进行支撑。所述浮式基部在其上部布置有太阳能板，该太阳能板产生被供应至电池的电能，该电池用于对旋转致动器(1)供能，使得该设备可以用于对开放池进行曝气。
37.在本发明的另外的实施方式中，气化设备包括多个空化室(5)，该多个空化室(5)容置了相同数量的供给空化装置(4)，所述空化室(5)在竖向上被叠置在中空旋转轴(3)的端部上，从而提高该设备的混合速率。