分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置及方法，其利用溫度控制器來控制外部空調(diào)機的啟動和停止，以及對模型水庫中水的溫度精確調(diào)控，進而通過空調(diào)冷凝管實現(xiàn)對模型水庫中的底部水體進行降溫；同時，空氣壓縮機將空氣輸送至曝氣器的進氣口，再經(jīng)曝氣器擴散孔，將氣體輸送至曝氣室，當(dāng)未溶解的殘余氣體逐漸累積到曝氣室水封板下緣時，曝氣室內(nèi)氣體會迅速溢入中間上升筒，攜帶底部水體上升，同時曝氣室內(nèi)氣體又重新累積，如此在上升筒內(nèi)形成周期性的上升水流，設(shè)定曝氣器出口位于存在溫度梯度的躍溫層內(nèi)，曝氣器出口的周期性出流會作為一種擾動源，在模型水庫內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波，利用內(nèi)波的強大混合作用高效破壞水溫分層。
【專利說明】分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置及方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于湖泊水庫水體污染控制領(lǐng)域，具體涉及一種分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置及方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]水深較大的湖泊、水庫易發(fā)生由于劇烈垂向溫度梯度的存在而引起的水溫分層，使得水體自上而下分成三個不同溫度和密度的水團層:變溫層、躍溫層和等溫層。處于中間的躍溫層阻止了熱量和氧氣在表層和底層之間的垂向傳輸，其結(jié)果是，由于表層藻類大量繁殖以及底層因為缺氧條件引起底泥污染物的釋放，加速水體富營養(yǎng)化。破壞水溫分層可以使表層和底層水體混合，降低表層水體藻類含量，并能有效控制底泥中內(nèi)源污染物的釋放。[0003]目前湖泊水庫水溫分層的破壞的技術(shù)主要包括揚水筒混合、機械混合、空氣管充氧和揚水曝氣四種，但上述破壞水溫分層技術(shù)都存在效率低、能耗高等共性問題。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置及方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，包括模型水庫以及安裝在模型水庫底部的空調(diào)冷凝管和曝氣器，其中，空調(diào)冷凝管與外部空調(diào)機相連接，溫度控制器用于控制外部空調(diào)機工作，曝氣器的進氣口與設(shè)置在模型水庫外部的空氣壓縮機的出氣口相連通。
[0007]本發(fā)明進一步改進在于，還包括若干測溫儀，該若干測溫儀的測量探頭在模型水庫的垂直方向上從下至上依次分布。
[0008]本發(fā)明進一步改進在于，測溫儀采用四通道TYPEK數(shù)顯測溫儀。
[0009]本發(fā)明進一步改進在于，空氣壓縮機與曝氣器之間還依次連接有集氣罐、穩(wěn)壓裝置和流量計。
[0010]本發(fā)明進一步改進在于，空調(diào)冷凝管通過冷凝管支架固定在模型水庫的底部。
[0011]本發(fā)明進一步改進在于，曝氣器包括上升筒，上升筒的頂部周向設(shè)置有用于提供浮力的水密倉，其中部周向從上至下依次設(shè)置有氣室、回流室和曝氣室，上升筒的中部周向還設(shè)有溢流板，且溢流板位于氣室內(nèi)，溢流板與上升筒之間設(shè)有水封板，水封板的上端連接在水密倉上，其下端懸空，上升筒的底部設(shè)有空氣釋放管，空氣釋放管通過供氣管路與模型水庫外部的空氣壓縮機的出氣口相連通；空氣依次經(jīng)曝氣室、回流室及氣室后進入上升桶，并在上升筒內(nèi)形成氣彈。
[0012]本發(fā)明另一個目的，分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的方法，包括以下步驟:利用溫度控制器來控制外部空調(diào)機的啟動和停止，以對模型水庫中水的溫度精確調(diào)控，進而通過空調(diào)冷凝管實現(xiàn)對模型水庫中的底部水體進行降溫；同時，空氣壓縮機將空氣輸送至曝氣器的進氣口，再經(jīng)曝氣器擴散孔，將氣體輸送至曝氣室，當(dāng)未溶解的殘余氣體逐漸累積到曝氣室水封板下緣時，曝氣室內(nèi)氣體會迅速溢入中間上升筒，攜帶底部水體上升，同時曝氣室內(nèi)氣體又重新累積，如此在上升筒內(nèi)形成周期性的上升水流，設(shè)定曝氣器出口位于存在溫度梯度的躍溫層內(nèi)，曝氣器出口的周期性出流作為一種擾動源，在模型水庫的躍溫層內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波。
[0013]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0014]本發(fā)明利用揚水曝氣產(chǎn)生的周期性氣水兩相流作為擾動源，在躍溫層內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波，借助內(nèi)波的強大混合作用，使躍溫層逐步下潛，變溫層與等溫層的水溫差別逐漸減小，直至水體分層被完全破壞。相對傳統(tǒng)的循環(huán)水流破壞分層技術(shù)，在溫度梯度0.32~
0.460C /m和曝氣量0.07~0.28m3/ (m2, h)條件下，曝氣誘導(dǎo)內(nèi)波混合技術(shù)可將破壞水溫分層效率提高25.0%~60.0%，具有能耗低、效率高的明顯優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣泛。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0015]圖1是本發(fā)明分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是曝氣器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3 Ca)是等溫層水溫為5°C時不同室溫下的水溫結(jié)構(gòu)圖；附圖3 (b)是等溫層水溫為10°C時不同室溫下的水溫結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖4 Ca)是等溫層水溫為5°C、曝氣量為100L/h以及出口高度45cm時中試曝氣誘導(dǎo)形成的內(nèi)波的波形圖；圖4 (b)是等溫層水溫為5°C、曝氣量為100L/h以及出口高度90cm時試曝氣誘導(dǎo)形成的內(nèi)波的波形圖。
[0019]圖5 Ca)是等溫層水溫為5°C時中試有無內(nèi)波情況下的破壞分層所需時間與曝氣量的關(guān)系圖；圖5 (b)是等溫層水溫為10°C時中試有無內(nèi)波情況下的破壞分層所需時間與曝氣量的關(guān)系圖。
[0020]其中:1、模型水庫；2、空調(diào)冷凝管；3、曝氣器；4、外部空調(diào)機；5、空氣壓縮機；6、測溫儀；7、測量探頭；8、集氣罐；9、穩(wěn)壓裝置；10、流量計；301、溢流板；302、水封板；303、空氣釋放管；304、曝氣室；305、回流室；306、氣室；307、水密倉；308、上升桶；309、氣彈；310、供氣管路。
【【具體實施方式】】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0022]參見圖1，本發(fā)明分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，包括模型水庫I以及安裝在模型水庫I底部的空調(diào)冷凝管2和曝氣器3，其中，空調(diào)冷凝管3與外部空調(diào)機4相連接，溫度控制器用于控制外部空調(diào)機4工作，曝氣器3的進氣口與設(shè)置在模型水庫外部的空氣壓縮機5的出氣口相連通，且空氣壓縮機5與曝氣器3之間還依次連接有集氣罐8、穩(wěn)壓裝置9和流量計10。此外，該裝置還包括若干測溫儀6，該若干測溫儀6的測量探頭7在模型水庫的垂直方向上從下至上依次分布其中，測溫儀6采用四通道TYPEK數(shù)顯測溫儀。
[0023]參見圖2，曝氣器3包括上升筒308，上升筒308的頂部周向設(shè)置有用于提供浮力的水密倉307，其中部周向從上至下依次設(shè)置有氣室306、回流室305和曝氣室304，上升筒308的中部周向還設(shè)有溢流板301，且溢流板301位于氣室306內(nèi)，溢流板301與上升筒308之間設(shè)有水封板302，水封板302的上端連接在水密倉307上，其下端懸空，上升筒308的底部設(shè)有空氣釋放管303，空氣釋放管303通過供氣管路310與模型水庫I外部的空氣壓縮機5的出氣口相連通；空氣依次經(jīng)曝氣室304、回流室305及氣室306后進入上升筒308，并在上升筒內(nèi)形成氣彈309。
[0024]本發(fā)明分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的方法，包括以下步驟:利用溫度控制器來控制外部空調(diào)機4的啟動和停止，以對模型水庫I中水的溫度精確調(diào)控，進而通過空調(diào)冷凝管2實現(xiàn)對模型水庫I中的水進行降溫，同時，空氣壓縮機5將空氣輸送至曝氣器3的進氣口，再經(jīng)曝氣器擴散孔，將氣體輸送至曝氣室，當(dāng)未溶解的殘余氣體逐漸累積到曝氣室水封板下緣時，曝氣室內(nèi)氣體會迅速溢入中間上升筒，攜帶底部水體上升，同時曝氣室內(nèi)氣體又重新累積，如此在上升筒內(nèi)形成周期性的上升水流，設(shè)定曝氣器3出口位于存在溫度梯度的躍溫層內(nèi)，曝氣器3出口的周期性出流作為一種擾動源，在模型水庫I的躍溫層內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波。
[0025]本發(fā)明在水溫分層水體的躍溫層內(nèi)，利用揚水曝氣產(chǎn)生的周期性出流作為擾動源來擾動躍溫層水體而誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波，內(nèi)波傳播會引起不同水溫的水體之間的熱量交換，內(nèi)波破碎時會產(chǎn)生劇烈紊流而混合水體,通過內(nèi)波傳播和內(nèi)波破碎而混合水體破壞水溫分層，內(nèi)波破壞分 層的高效率可以通過對比其他條件相同下有無內(nèi)波時破壞水體分層所需的時間長短來說明。
[0026]其中，在模型水庫I底部安裝由空調(diào)冷凝管2構(gòu)成的冷源系統(tǒng)，對下層水體進行降溫，并利用溫度控制器來控制外部空調(diào)機4的啟動和停止及溫度的精確調(diào)控。室溫下利用自然對流，在模型水庫I內(nèi)部可自上而下形成表層變溫層、中間水溫梯度大的躍溫層和底部等溫層。此外，通過改變曝氣器上升筒的出口位置來實現(xiàn)曝氣誘導(dǎo)內(nèi)波的形成。當(dāng)曝氣器出口位于等溫層和躍溫層交界處，此時可以產(chǎn)生內(nèi)波；當(dāng)曝氣器出口位置位于水下IOcm處，此時不能誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波，對比有無內(nèi)波產(chǎn)生的情況下的破壞分層所需的時間，可分析內(nèi)波混合破壞水體分層的高效率。
[0027]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的工作原理做進一步詳細(xì)說明。
[0028]采用長2m，寬0.6m，高1.2m的水池作為中試模型水庫I，在模型水庫I底部，安裝由空調(diào)冷凝管2構(gòu)成的冷源系統(tǒng)，如圖1所示。對下層水體進行降溫，并利用溫度控制器來控制外部空調(diào)機4的啟動和停止及溫度的精確調(diào)控。室溫下利用自然對流，在模型水庫I內(nèi)部可自上而下形成表層變溫層、中間水溫梯度大的躍溫層和底部等溫層，水溫分層的結(jié)果如圖3 (a)和(b)所示，其中，圖3 (a)是等溫層水溫為5°C時不同室溫下的水溫結(jié)構(gòu)圖；附圖3 (b)是等溫層水溫為10°C時不同室溫下的水溫結(jié)構(gòu)圖。
[0029]曝氣器3的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，曝氣器3安裝在模型水庫I底部一側(cè)。壓縮空氣先從集氣罐8進入穩(wěn)壓裝置9以保持出氣量穩(wěn)定，再經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計10調(diào)節(jié)流量后，進入曝氣器擴散孔，將氣體輸送至曝氣室304，當(dāng)未溶解的殘余氣體逐漸累積到曝氣室水封板302下緣時，曝氣室304內(nèi)氣體會迅速溢入中間上升筒308，攜帶底部水體上升，同時曝氣室304內(nèi)氣體又重新累積，如此在上升筒308內(nèi)形成周期性的上升水流。當(dāng)曝氣器出口位于存在溫度梯度的躍溫層內(nèi)時，曝氣器出口的周期性出流會作為一種擾動源，在躍溫層內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波。
[0030]使用3臺四通道測溫儀6進行準(zhǔn)確的水溫測量，能同時測量和顯示四個不同點的溫度。三臺測溫儀6距曝氣器3分別50cm，100cm, 150cm,如圖1所示。將多通道測溫儀探頭7在躍溫層處沿垂向每隔2cm分布一個，共4個，探頭具體位置視實際的躍溫層位置而適當(dāng)調(diào)整。每隔6s記錄一次測溫儀讀數(shù)，可獲得某一等密度層所在流體質(zhì)點波動的實時信息，根據(jù)同一時刻水平方向三處質(zhì)點波動的不同可以得出該等密度層內(nèi)波的周期，再根據(jù)水溫、水深的對應(yīng)關(guān)系即可確定內(nèi)波的波幅。將曝氣器上升筒出口位置放置在水下IOcm處，此時無內(nèi)波產(chǎn)生，不同條件下內(nèi)波的特征如圖4 (a)所示，其等溫層水溫為5°C、曝氣量為100L/h以及出口高度45cm時中試曝氣誘導(dǎo)形成的內(nèi)波的波形圖；而圖4 (b)是等溫層水溫為5°C、曝氣量為100L/h以及出口高度90cm時試曝氣誘導(dǎo)形成的內(nèi)波的波形圖，所示為曝氣器上升筒出口位于水下IOcm處時，無內(nèi)波產(chǎn)生。
[0031]破壞分層的過程通過采用測量水溫垂向剖面的時間變化進行研究，3個測量位置分別距離曝氣器50、100、150cm處，測量的時間間隔為6s。在實際湖泊水庫中，一般以水面和水底水溫之差不高于3°C作為水體完全混合的標(biāo)準(zhǔn)；在本研究中，因空間尺度較小，以模型水庫水面和水底溫度之差不高 于1°C作為水體水溫分層完全被破壞的標(biāo)準(zhǔn)。破壞分層的效率如圖5 (a)和圖5 (b)所示，其中，圖5 (a)是等溫層水溫為5°C時中試有無內(nèi)波情況下的破壞水溫分層與曝氣量的關(guān)系圖；圖5 (b)是等溫層水溫為10°C中試有無內(nèi)波情況下的破壞水溫分層與曝氣量的關(guān)系圖。比較圖5 (a)和圖5 (b)，在相同等溫層水溫和曝氣量條件下，有內(nèi)波產(chǎn)生時破壞分層時間比無內(nèi)波作用時大大縮短，強化破壞分層效果明顯。在等溫層水溫5°C的條件下，當(dāng)曝氣量從0.07m3/ (m2, h)逐漸增加到0.28m3/ (m2, h)時，內(nèi)波混合使破壞分層的效率提高41.2%~60.0% ;在等溫層水溫10°C的條件下，內(nèi)波混合使破壞分層的效率也相應(yīng)提高25.0%~40.0%。
[0032]綜上所述，對于分層水體，在躍溫層內(nèi)微小擾動即可誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波。內(nèi)波破碎時會產(chǎn)生強烈的紊流，是引起海水混合的重要原因。內(nèi)波是能量、動量和質(zhì)量傳遞的載體，又被稱為深水?dāng)嚢杵鳌?br> [0033]根據(jù)微小擾動即可在分層流體中產(chǎn)生具有超強混合效果的內(nèi)波的原理，在普通揚水曝氣器的基礎(chǔ)上改變揚水曝氣器上升筒的高度，使曝氣器出口位于水體躍溫層內(nèi)，通過曝氣產(chǎn)生的周期性氣水兩相流，首次利用揚水曝氣產(chǎn)生的周期性擾動在分層水體界面誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波，以充分利用內(nèi)波的巨大能量混合水體，破壞分層。在原位改善湖泊水庫水質(zhì)方面具有重大的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。
【權(quán)利要求】
1.分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，其特征在于，包括模型水庫(1)、以及安裝在模型水庫(1)底部的空調(diào)冷凝管(2)和曝氣器(3)，其中，空調(diào)冷凝管(2)與外部空調(diào)機(4)相連接，溫度控制器用于控制外部空調(diào)機工作，曝氣器的進氣口與設(shè)置在模型水庫(1)外部的空氣壓縮機(5 )的出氣口相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，其特征在于，還包括若干測溫儀(6 )，該若干測溫儀(6 )的測量探頭(7 )在模型水庫(1)的垂直方向上從下至上依次分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，其特征在于，測溫儀(6)采用四通道TYPEK數(shù)顯測溫儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，其特征在于，空氣壓縮機(5)與曝氣器(3)之間還依次連接有集氣罐(8)、穩(wěn)壓裝置(9)和流量計(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，其特征在于，空調(diào)冷凝管(2 )通過冷凝管支架固定在模型水庫(1)的底部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，其特征在于，曝氣器(3)包括上升筒(308)，上升筒(308)的頂部周向設(shè)置有用于提供浮力的水密倉(307)，其中部周向從上至下依次設(shè)置有氣室(306)、回流室(305)和曝氣室(304)，上升筒(308)的中部周向還設(shè)有溢流板(301)，且溢流板(301)位于氣室(306)內(nèi)，溢流板(301)與上升筒(308)之間設(shè)有水封板(302)，水封板(302)的上端連接在水密倉(307)上，其下端懸空，上升筒(308)的底部設(shè)有空氣釋放管(303)，空氣釋放管(303)通過供氣管路(310)與模型水庫(1)外部的空氣壓縮機(5)的出氣口相連通；空氣依次經(jīng)曝氣室(304)、回流室(305)及氣室(306)后進入上升筒(308)，并在上升筒內(nèi)形成氣彈(309)。
7.分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的方法，其特征在于，該方法基于權(quán)利要求1至6中任一項所述的分層湖泊水庫曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波破壞水溫分層的裝置，包括以下步驟:利用溫度控制器來控制外部空調(diào)機(4)的啟動和停止，以對模型水庫(1)中水的溫度精確調(diào)控，進而通過空調(diào)冷凝管(2)實現(xiàn)對模型水庫(1)中的水進行降溫，同時，空氣壓縮機(5)將空氣輸送至曝氣器(3)的進氣口，再經(jīng)曝氣器擴散孔，將氣體輸送至曝氣室，當(dāng)未溶解的殘余氣體逐漸累積到曝氣室水封板下緣時，曝氣室內(nèi)氣體會迅速溢入中間上升筒，攜帶底部水體上升，同時曝氣室內(nèi)氣體又重新累積，如此在上升筒內(nèi)形成周期性的上升水流，設(shè)定曝氣器(3)出口位于存在溫度梯度的躍溫層內(nèi)，曝氣器(3)出口的周期性出流作為一種擾動源，在模型水庫(1)的躍溫層內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波。
【文檔編號】C02F7/00GK103922492SQ201410140364
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】孫昕, 李選龍, 葉麗麗 申請人:西安建筑科技大學(xué)