本發(fā)明涉及管網(wǎng)間水處理裝置，具體為用于管網(wǎng)間補(bǔ)充余氯的消毒劑混合裝置。

背景技術(shù)：

供水水質(zhì)安全，是關(guān)系到人體健康和社會(huì)穩(wěn)定的重要問題。為了保證管網(wǎng)水質(zhì)，《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）中明確規(guī)定，加氯消毒時(shí)，游離氯在與水接觸30min以上后，出廠余氯濃度應(yīng)不低于0.3mg/L，管網(wǎng)末梢水不應(yīng)低于0.05mg/L。目前大多數(shù)水廠消毒都是在管網(wǎng)前端的清水池一次性投加足以保證管網(wǎng)末梢余氯達(dá)標(biāo)的氯量。然而，由于管網(wǎng)系統(tǒng)的龐大性和復(fù)雜性，要保證末梢的余氯量達(dá)標(biāo)，勢(shì)必會(huì)在管網(wǎng)中形成余氯濃度過高的區(qū)域，特別是靠近加氯點(diǎn)的地區(qū)。破壞口感的同時(shí)，也增大了三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)，使得供水存在很大的化學(xué)安全隱患。

管網(wǎng)多點(diǎn)加氯技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)水廠內(nèi)消毒工藝的一種合理改進(jìn)。通過將加氯點(diǎn)以一定規(guī)則分散到管網(wǎng)中的不同位置，既保證了后續(xù)管網(wǎng)中余氯濃度滿足最低限要求，又減少了單點(diǎn)投加時(shí)藥劑的濃度，從而降低了網(wǎng)間氯消毒副產(chǎn)物的生成幾率。

流體混合的擴(kuò)散機(jī)理主要有三種：1、分子擴(kuò)散；當(dāng)流體中存在組分濃度差時(shí)，分子的無(wú)規(guī)律的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。由于液體分子之間的距離較小，液體中分子擴(kuò)散速率大大低于氣體分子中擴(kuò)散速率，液體分子擴(kuò)散的過程比較漫長(zhǎng)，且擴(kuò)散量有限。2、對(duì)流擴(kuò)散；對(duì)流擴(kuò)散為流體中的擴(kuò)散物質(zhì)隨流體做時(shí)均運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的擴(kuò)散，對(duì)流擴(kuò)散對(duì)混合來(lái)說(shuō)比較重要，因?yàn)橹髁髁鲃?dòng)方向與濃度梯度方向相互垂直，所以主流流動(dòng)對(duì)濃度擴(kuò)散的影響不顯著，靜態(tài)混合器能促進(jìn)混合效果很大程度是因?yàn)楦倪M(jìn)了速度矢量與濃度梯度的協(xié)同效應(yīng)。3、紊動(dòng)擴(kuò)散；在湍流流動(dòng)過程中，流體質(zhì)團(tuán)紊動(dòng)所產(chǎn)生的擴(kuò)散稱為紊動(dòng)擴(kuò)散。流體在流動(dòng)的斷面產(chǎn)生劇烈的渦流，使流體的細(xì)微部分進(jìn)一步被混合。湍流擴(kuò)散比分子擴(kuò)散要快得多，在某些情形下要快105—106倍。

現(xiàn)階段，管道上使用的混合裝置主要是管式靜態(tài)混合器。管式靜態(tài)混合器因其混合效果好，設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要構(gòu)筑物等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的使用。傳統(tǒng)的管式靜態(tài)混合器主要分為兩大類：一、在管道內(nèi)安裝若干固定混合單元，以SX型靜態(tài)混合器為代表（如圖2）；二、在管道內(nèi)插入螺旋片，即把金屬板條的兩端施加一組大小相等方向相反的兩個(gè)力，使半條產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形而成，置入管道內(nèi)的螺旋片沿管道軸心安裝，首尾交錯(cuò)90度連接，相鄰螺旋片的旋向相反，稱之為扭轉(zhuǎn)葉片型靜態(tài)混合器，以SK型靜態(tài)混合器為代表（如圖4）。下面以這兩種混合器為代表分析兩種類別混合器的工作原理。

1、SX型混合器主要對(duì)流體有切割作用和分散混合作用。

作用原理主要為：當(dāng)流體流進(jìn)每一組單元時(shí)，n個(gè)波紋片將把流體分割成n+1層，當(dāng)流體在流入下一單元時(shí)，由于波紋板錯(cuò)開90度排列，流體將會(huì)再一次被分割。當(dāng)經(jīng)過m組元件后，流體將會(huì)被分割成S份。

S=（n+1）^m

由上式可看出，當(dāng)n和m較大時(shí)，S將會(huì)變的非常大，整個(gè)流體將被分割成很多小的液滴。此外，每個(gè)溝槽交叉處可以視為一個(gè)混合小池，流體在混合小池內(nèi)實(shí)現(xiàn)混合后,分散成兩股流入下一個(gè)混合小池,同另一股流體進(jìn)行混合,再分散流入下一個(gè)小池,反復(fù)不斷以實(shí)現(xiàn)流體的分散混合。而且相鄰單元波紋片所在平面交叉成90 ,使流體在流動(dòng)中流動(dòng)平面發(fā)生變化,形成空間三維流動(dòng),使流體能更好實(shí)現(xiàn)混合。

2、SK型混合器管道內(nèi)流體有4種基本運(yùn)動(dòng)：

1）流體分割：首尾相接的2個(gè)元件（沿管道軸心安裝的螺旋片）相交90度，料流在此處被分割。

2）流體改變方向：每個(gè)元件是把金屬板一端相對(duì)另一端逆時(shí)針或者順時(shí)針扭轉(zhuǎn)了180度而成，首尾相接的2個(gè)元件左、右旋交錯(cuò)，迫使料流不斷地改變方向。

3）流體的內(nèi)外倒置：迫使進(jìn)入管道中元件中心部位的料流向外壁遷移，又從外壁向中心移動(dòng)，從而達(dá)到徑向混合的效果。

4）流體向后再混合：在每個(gè)元件連接處，其速度剖面被分割，最大速度變?yōu)樽钚∷俣龋?最小速度變?yōu)樽畲笏俣?。所有的顆粒不斷地改變相對(duì)速度，沿流動(dòng)軸線與鄰近的顆粒，不停地交換而再混合。

SK型混合器是沿管道軸心安裝以90度交錯(cuò)排列著右旋和左旋180度的螺旋片（如圖5）。在混合過程中分流混合和徑向混合同時(shí)進(jìn)行。

當(dāng)流體流經(jīng)螺旋片時(shí)，流體將被分割，從螺旋片的兩側(cè)流入，當(dāng)在流經(jīng)下一個(gè)螺旋片時(shí)，再一次的被分割。所以當(dāng)流體在流經(jīng)n個(gè)螺旋片后，流體也被切割n次，切割的層數(shù)為：，切割后的流體每層厚度為：。

流體在流經(jīng)混合器后，將被迫產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸心為管道中心，此外流體自身還將在螺旋片的兩側(cè)空間做環(huán)形旋轉(zhuǎn)，這種流體的自旋轉(zhuǎn)使得將管道內(nèi)的中心流體擠向四周，又使得四周流體推向中心，實(shí)現(xiàn)了良好的徑向混合。

隨著管式混合應(yīng)用越來(lái)越廣泛，管式混合裝置的研發(fā)也越來(lái)越多，已經(jīng)在許多化工單元操作中發(fā)揮這作用，并且已經(jīng)取得了較好的工藝效果和經(jīng)濟(jì)效益。但依然存在不少問題。例如：

20世紀(jì)90年代美國(guó)研發(fā)了內(nèi)置翼片型（HEV型）靜態(tài)混合器，其混合單元為翼片（如圖6），翼片呈梯形，以一定的角度附在管道內(nèi)壁。當(dāng)水流經(jīng)過翼片時(shí)，一部分流體從翼片兩側(cè)流過，另一部分沿翼片表面流過。同時(shí)翼片的阻滯使得其翼片后部流速降低，同時(shí)消耗了流體動(dòng)力，靜壓下降形成一個(gè)低壓區(qū)。在翼片后端形成渦旋，便于中心區(qū)與邊壁區(qū)流體的對(duì)流，促進(jìn)了混合。但是該種混合器內(nèi)的流體的流態(tài)主要是以軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)這兩種形式存在，并且只在翼片存在的區(qū)域產(chǎn)生了徑向流動(dòng)的形式，在翼片兩側(cè)的流體由于沒有翼片的阻滯作用，依然維持軸向流動(dòng)，僅依靠分子擴(kuò)散和紊動(dòng)擴(kuò)散加速混合。

專利申請(qǐng)CN101632906A,此發(fā)明通過在輸水管中心的加藥管口前端安裝了一個(gè)圓錐體變流裝置，使藥劑從加藥口射出，碰撞到變流裝置后改變流向，讓藥劑均勻的進(jìn)入主流體，使藥劑在管道內(nèi)混合均勻。該發(fā)明解決了現(xiàn)有管道混合裝置存在藥劑混合效果差的技術(shù)問題，但是該混合裝置在使用過程中需要較高的藥劑射出速度，增加了加藥裝置的能耗。

專利申請(qǐng)CN204107421U,此實(shí)用新型混合裝置包括混合段、分散段和均化段，并分別設(shè)置了單向懸翼、網(wǎng)狀波紋板、正反雙向旋翼，次混合裝置的可拆卸的模塊化設(shè)計(jì)使設(shè)備維護(hù)較為方便，且根據(jù)不同的生產(chǎn)需要可以自行調(diào)整。但是在供水管網(wǎng)中應(yīng)用該混合裝置所帶來(lái)的局部水頭損失還是過于偏大，尤其對(duì)老管網(wǎng)改造過程中泵房無(wú)法提供輸出壓力這一情況所帶來(lái)的問題無(wú)法解決。

近年來(lái)，多點(diǎn)加氯技術(shù)發(fā)展較為迅猛，已經(jīng)開始逐漸成為大、中型城市供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)施時(shí)可供選擇的方案。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在加氯點(diǎn)位置和數(shù)量確定、各點(diǎn)加氯量?jī)?yōu)化、多點(diǎn)加氯的運(yùn)行控制等方面都取得了大量的成果。但是目前管網(wǎng)間補(bǔ)充余氯的裝置存在以下兩方面的缺陷：1、加氯后與水混合不充分，局部仍然分布不均，相對(duì)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致中途投加點(diǎn)后較長(zhǎng)距離內(nèi)水中各點(diǎn)的余氯濃度不同，局部偏高或偏低，影響了消毒效率和水質(zhì)，使距離中途投加點(diǎn)較近用戶的用水安全無(wú)法得到保證；2、現(xiàn)有管網(wǎng)間補(bǔ)充余氯的投加點(diǎn)后，若使用傳統(tǒng)靜態(tài)混合器進(jìn)行快速混合，可使投加點(diǎn)后藥劑濃度迅速均勻，但其局部水頭損失過大，尤其對(duì)老管網(wǎng)改造過程中泵房無(wú)法提供輸出壓力這一情況所帶來(lái)的問題無(wú)法解決。因此，設(shè)計(jì)一種能夠在老舊管網(wǎng)內(nèi)使用，充分使藥劑混合，并且對(duì)水頭損失小的靜態(tài)混合器是十分有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決現(xiàn)有的管網(wǎng)內(nèi)靜態(tài)混合器無(wú)法同時(shí)滿足藥劑混合效果與水頭損失的技術(shù)問題，提供一種用于管網(wǎng)間補(bǔ)充余氯的消毒劑混合裝置。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：用于管網(wǎng)間補(bǔ)充余氯的消毒劑混合裝置，包括輸水管，所述輸水管內(nèi)壁沿輸水管長(zhǎng)度方向固定有多條與輸水管內(nèi)壁垂直的具有一定高度的導(dǎo)流葉，所述導(dǎo)流葉前段與輸水管軸線平行，所述導(dǎo)流葉后段沿輸水管圓周同一方向平緩扭曲。在輸水管內(nèi)壁平行于水流方向等弧長(zhǎng)安裝若干具有一定扭曲角的長(zhǎng)條形導(dǎo)流葉，管道中心部留空，導(dǎo)流葉是把長(zhǎng)條形板條前端固定，在板條尾端施加作用力扭轉(zhuǎn)一定角度而成。導(dǎo)流葉固定時(shí)須嚴(yán)格垂直于固定點(diǎn)處的切線。當(dāng)流體在混合裝置的輸水管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于導(dǎo)流葉排成環(huán)列葉柵,中部留空,對(duì)水流不產(chǎn)生任何轉(zhuǎn)向作用,也不產(chǎn)生任何阻力,水流從中空部分直通而過。在有導(dǎo)流葉存在的外環(huán)中,由于導(dǎo)流葉的作用,將對(duì)流體產(chǎn)生阻力與垂直于流向的升力，阻力使輸水管入口處管壁附近的壓力升高，使靠近管壁處的流體向管中心處擠壓，使管軸處附近的流速加快，導(dǎo)流葉對(duì)流體的升力使靠近管壁處流體產(chǎn)生扭曲，流體在這兩種力的共同作用下產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。將流體從先前的平直流態(tài)轉(zhuǎn)變成了同時(shí)具有軸向、周向和徑向速度的流態(tài)，使流體速度梯度指向不同，增加了整個(gè)流場(chǎng)流動(dòng)無(wú)序性，周向速度的生成，使流體受到離心力的作用，水流的紊動(dòng)作用加強(qiáng)，加快了藥劑的混合速度。同時(shí)由于流體的粘滯性作用，靠近管壁處的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)沿徑向進(jìn)行剪切傳遞，使管道中心無(wú)導(dǎo)流葉區(qū)域也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在輸水管內(nèi)流體就會(huì)同時(shí)具有軸向、周向和徑向這三種速度向前流動(dòng)，藥劑也就會(huì)在輸水管內(nèi)均勻的“攪拌”混合。

所述導(dǎo)流葉個(gè)數(shù)為3~4條。導(dǎo)流葉個(gè)數(shù)可根據(jù)輸水管的管徑調(diào)整。所述導(dǎo)流葉的總長(zhǎng)度為輸水管內(nèi)徑的2~4倍，其中導(dǎo)流葉前段長(zhǎng)度為導(dǎo)流葉總長(zhǎng)度的0.2~0.5倍。所述導(dǎo)流葉的高度與輸水管內(nèi)徑的比值為0.3~0.35。所述導(dǎo)流葉前段與導(dǎo)流葉后段之間的扭轉(zhuǎn)角（即輸水管內(nèi)壁展開圖上導(dǎo)流葉尾端處切線與導(dǎo)流葉前段之間的夾角）為30~40度。按照上述參數(shù)設(shè)置導(dǎo)流葉，可使得混合裝置的混合效果提高且出水端的水頭損失最小。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：在旋流發(fā)生段內(nèi)，由于導(dǎo)流葉沿管壁排成環(huán)列葉珊，管道中部留空，水流從管道中部直通而過，導(dǎo)流葉未對(duì)水流進(jìn)行切割也對(duì)其不產(chǎn)生阻力作用，然而在導(dǎo)流葉存在的外環(huán)中，流體受扭轉(zhuǎn)的導(dǎo)流葉的作用，從前段的平直流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪鲬B(tài)，并能夠在混合裝置出水口后一定長(zhǎng)度內(nèi)保持螺旋形運(yùn)動(dòng)。利用螺旋流性質(zhì)使得藥劑充分混合。相對(duì)于傳統(tǒng)的混合器有效的減小了混合元件的個(gè)數(shù)和混合元件所占的阻流面積，從而減小了水流的能量損失。本發(fā)明應(yīng)用于供水管網(wǎng)中補(bǔ)充余氯后的藥劑混合，相比于現(xiàn)行管網(wǎng)中多點(diǎn)加氯后靠水流的自然對(duì)流進(jìn)行混合，能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很好的混合效果。避免了水中各點(diǎn)的余氯濃度不同，局部偏高或偏低，影響了消毒效率和飲用水水質(zhì)，保證了加氯點(diǎn)附近居民的飲用水水質(zhì)安全。

附圖說(shuō)明

圖1為SX型靜態(tài)混合器波紋板實(shí)物圖；

圖2為SX型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為SK型靜態(tài)混合器扭轉(zhuǎn)葉片實(shí)物圖；

圖4為SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)立體視圖；

圖6為HEV型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)立體視圖；

圖7為本發(fā)明使用時(shí)剖面視圖；

圖8為本發(fā)明結(jié)構(gòu)橫截面示意圖；

圖9為本發(fā)明沿徑向展開示意圖；

圖10為本發(fā)明結(jié)構(gòu)立體視圖；

圖中：1-輸水管，2-加藥管，3-導(dǎo)流葉，L-加藥管距混合裝置入口處的距離，h-導(dǎo)流葉的高度，D-輸水管內(nèi)徑，α-扭轉(zhuǎn)角。

具體實(shí)施方式

用于管網(wǎng)間補(bǔ)充余氯的消毒劑混合裝置，包括輸水管1，所述輸水管1內(nèi)壁沿輸水管1長(zhǎng)度方向固定有多條與輸水管1內(nèi)壁垂直的具有一定高度的導(dǎo)流葉3，所述導(dǎo)流葉3前段與輸水管1軸線平行，所述導(dǎo)流葉3后段沿輸水管1圓周同一方向平緩扭曲。

所述導(dǎo)流葉3個(gè)數(shù)為3~4條。所述導(dǎo)流葉3的總長(zhǎng)度為輸水管內(nèi)徑D的2~4倍，其中導(dǎo)流葉3前段長(zhǎng)度為導(dǎo)流葉3總長(zhǎng)度的0.2~0.5倍。所述導(dǎo)流葉的高度h與輸水管內(nèi)徑D的比值為0.3~0.35。所述導(dǎo)流葉3前段與導(dǎo)流葉3后段之間的扭轉(zhuǎn)角α為30~40度。

使用案例數(shù)據(jù)對(duì)比：輸水管1內(nèi)的導(dǎo)流葉3個(gè)數(shù)為3個(gè)，輸水管內(nèi)徑D=100mm，導(dǎo)流葉高度h與輸水管內(nèi)徑的比例為0.3，即導(dǎo)流葉高度h=30mm，導(dǎo)流葉總長(zhǎng)度為輸水管內(nèi)徑的4倍，為400mm，其中導(dǎo)流葉前段為總長(zhǎng)度的0.4倍，前段長(zhǎng)度為160mm，導(dǎo)流葉前端與后端之間的夾角為30度。加藥管2上開孔個(gè)數(shù)為3個(gè)，加藥管距混合裝置入口處的距離L為300mm。水流速度為V₁=1m/s,加藥口速度V₂=2m/s的情況下，在混合裝置出口3米管道截面處，不均勻系數(shù)COV=0.08（不均勻系數(shù)越小，代表混合效果越好，在工程實(shí)踐中一般認(rèn)為當(dāng)COV大于1時(shí)代表完全沒有混合，當(dāng)COV小于0.1時(shí)代表混合均勻）?；旌涎b置所帶來(lái)的壓力損失在160Pa。在保證混合均勻的同時(shí)，壓力損失遠(yuǎn)小于HEV型靜態(tài)混合器所帶來(lái)的566Pa。