气液溶解装置
阅读说明：本技术 气液溶解装置 (Gas-liquid dissolving device ) 是由 古岛刚 和田洋一 户岛邦哲 别所大 曾田纪子 于 2021-03-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供采用简便的结构并实现气液多相流体的叠加式搅拌而提高配置水域的溶解氧浓度的气液溶解装置。气液溶解装置(1)设置在水面下,提高水的溶解氧浓度,具备：气液溶解室(10),其具有在下部设置有用于使气液多相流体逸出的孔(13)且轴铅垂定向的圆筒体(11)和与圆筒体上部接合的呈大致半球形的穹顶(12)；喷嘴(30),其贯入气液溶解室(10),从轴中心朝穹顶的顶部喷出气液多相流体；和泵(40),其向喷嘴供给氧或空气和配置场所的水,在圆筒体内周形成水平突出地环绕一周的圆环部(14),喷嘴(30)和圆环部具有连接喷嘴的顶端(31)和圆环部的突出端(15)的仰角为的位置关系。(The invention provides a gas-liquid dissolving device which adopts a simple structure, realizes the superposition type stirring of gas-liquid multiphase fluid and improves the concentration of dissolved oxygen in a configured water area. A gas-liquid dissolving device (1) is installed under the water surface, improves the dissolved oxygen concentration of water, and is provided with: a gas-liquid dissolution chamber (10) having a cylindrical body (11) provided with a hole (13) for allowing a gas-liquid multiphase fluid to escape at the lower portion thereof and oriented vertically with respect to the axis thereof, and a dome (12) of a substantially hemispherical shape joined to the upper portion of the cylindrical body; a nozzle (30) that penetrates the gas-liquid dissolution chamber (10) and ejects a gas-liquid multiphase fluid from the center of the shaft toward the top of the dome; and a pump (40) for supplying oxygen or air and water to the nozzle and the arrangement place, wherein a circular ring part (14) is formed on the inner circumference of the cylinder and horizontally protrudes and surrounds the circumference, and the nozzle (30) and the circular ring part have a top end (31) connecting the nozzle and a protruding end (15) of the circular ring part at an elevation angle of The positional relationship of (a).)
技术领域
本发明涉及使配置水域的溶解氧浓度上升的气液溶解装置。
背景技术
在内海湾和河川下游等海水和咸淡水域的底层或者水库和湖沼等淡水水域的底层，堆积着由生活废水和农耕废水产生的有机物或者以该有机物为营养源而增殖的水生植物和浮游生物的遗骸。由于这些有机物和堆积物会在消耗氧的同时进行分解，因此会在底层产生贫氧化的水域。
所谓贫氧化的水域，是指氧的溶解浓度(DO值)在3mg/l以下的区域，这是远远低于水面附近的10mg/l的值。特别是在贫氧化的水域中，由于新流入的有机物进一步堆积，因此会形成水质恶化的恶性循环。
众所周知，底层的贫氧化会对水质环境造成种种不良的影响。例如，如果底层处于贫氧状态，有时会造成底栖生物的灭绝。另外，如果底层贫氧化，则有时会形成还原气氛，使金属从周围的岩石或淤泥中溶出，导致水质恶化。
为消除这种贫氧状态，已知有本申请人在日本再公开2005/075365“气液溶解装置”(文献1)、日本特开2007-075749“气液溶解装置”(文献2)、日本特开2011-101867“气液溶解装置”(文献3)中所公开的技术。根据这些装置，能够显著提高贫氧化水域的溶解氧浓度。
其中，文献2和文献3所公开的技术是以文献1所公开的技术为基本技术进行了改良的技术，但使气液多相流体回流或实施搅拌的结构变得复杂。
现有技术文献
非专利文献：
专利文献1：日本专利再公开2005/075365
专利文献2：日本专利特开2007－075749
专利文献3：日本专利特开2011－101867
发明内容
发明要解决的问题
本发明即鉴于上述问题而提出，其目的在于提供一种气液溶解装置，其采用简便的结构，并实现气液多相流体的叠加式搅拌，能够提高配置水域的溶解氧浓度。
与通过来自喷嘴的施力来“引入”气液多相流体以实现叠加式搅拌的文献2和文献3相比，本发明以简单的结构从喷嘴“推入”气液多相流体以实现叠加式搅拌。
用于解决问题的方案
技术方案1所述的气液溶解装置设置在水面下或陆地上，提高水的溶解氧浓度，该气液溶解装置的特征在于，具备：气液溶解室，其具有在下部设置有用于使气液多相流体逸出的逸出孔且轴铅垂定向的圆筒体以及与圆筒体上部接合的呈大致半球形的穹顶体；喷嘴体，其贯入气液溶解室，从轴中心朝穹顶体的顶部喷出气液多相流体；以及供给部，其向喷嘴体供给氧或空气和配置场所的水，在圆筒体内周形成水平突出地环绕一周的圆环部，喷嘴体和圆环部具有连接喷嘴体的顶端和圆环部的突出端的仰角为的位置关系。
即，技术方案1通过圆环部使原本沿着圆筒侧周朝向下方流动的气液多相流体改为朝向轴中心的斜下方流动，通过来自喷嘴体的水流再次将该气液多相流体向穹顶体侧推入，利用气液多相流体的叠加式自搅拌来实现气泡的细化并增加与水的接触机会，从而虽然结构简单但能够提高溶解氧浓度。
只要气液多相流体从圆筒体下方流出，则对逸出孔的形状和个数不作特别限定。即，既可以在有底圆筒的下方侧周上轴对称地开设圆孔，也可以在有底圆筒底面上轴对称地开设孔，作为一个极端例子，还可以去掉底部而将圆筒体下端本身作为一个大的逸出孔。
需要说明的是，在将气液溶解装置设置在陆地上等情况下，能够将从逸出孔流出的提高了溶解氧浓度的气液多相流体适当送出到送出目的地。例如，将气液溶解装置设置在湖畔、港湾或陆地养鱼场的情况下，分别利用软管等从湖畔、港湾或养鱼池取水，还将软管等与逸出孔连接，向湖畔、港湾或养鱼池送水。
“大致半球形”是指广义的形状，不仅是以通过球的中心的方式切出的半球，也可以是垂直于半径方向切出的球面的一部分。旋转椭圆体的一部分和纺锤形也属于“大致半球形”。
喷嘴体的“贯入”不仅是从圆筒中心的正下方贯入，也可以是从侧面贯入。只要最终喷嘴体的喷出口位于轴中心且喷出的方向为顶部方向即可。另外，既可以通过使喷嘴的顶端为顶端收窄从而在结构上利用喷嘴体形成和喷出气液多相流体，也可以通过提高来自供给部的压力来利用喷嘴体形成和喷出气液多相流体。
供给部向喷嘴体供给的水是装置配置场所所在区域的水。既可以从装置的附近获取，也可以通过管等另行从所希望的场所吸入。另一方面，供给部向喷嘴体供给的空气只要从装置设置场所的水面上适当地获取或送入即可。另外，也可以从氧气瓶供给氧。
不对圆环部的剖面形状作特别限定。除了焊接接合凸条的方式以外，也可以是将穹顶体焊接在圆筒体上时隆起或被堆起的焊痕。重要的是，圆环部要具有阻挡沿侧周流下来的多相流体并使其向内(斜下方)流动的作用。需要说明的是，只要能够想象出是圆环，在某些地方断开亦可。
喷嘴体顶端和圆环部的关系是，圆环部位于比喷嘴体顶端靠铅垂上方，仰角是指在喷嘴体顶端的位置从水平仰视的角度。如果仰角在的范围内，则能够利用来自喷嘴的水流将一边下降一边向轴中心汇集来的气液多相流体再次向穹顶体侧上推。
技术方案2所述的气液溶解装置在技术方案1所述的气液溶解装置的基础上，其特征在于，圆环部的突出高度与圆筒体的内半径之比为2/100～6/100。
即，技术方案2所涉及的发明通过稍微隆起或突出这样的简单的结构，来提高溶解氧浓度。
技术方案3所述的气液溶解装置在技术方案1或2所述的气液溶解装置的基础上，其特征在于，具备：气液分离室，其容纳气液溶解室，贮存来自逸出孔的气液多相流体，将液体与气体分离；脱气部，其对在气液分离室分离出的气体进行脱气；以及排出部，其排出在气液分离室分离出的提高了气体溶解浓度的液体。
即，技术方案3所涉及的发明能够提供一种不会将底层卷起的气液溶解装置。
气液分离室的形状例如可以是圆筒形或旋转椭圆体形。
脱气部只要能够取出积存在气液分离室上部的气体，就不作特别的限定，例如，能够采用与气液分离室上部连接的管。需要说明的是，在脱气部从气液分离室除去的气体既可以向外排出，也可以向供给部供给从而再次加以利用。
排出部位于气液分离室的下部，只要能够排出提高了溶解氧浓度的无气泡的水，就不对形状和结构作特别限定。例如，如果将气液分离室形成为无底，则气液分离室的下部本身即为排出部。另外，也可以另行通过管将水向所希望的区域送水(排水)。
技术方案4所述的气液溶解装置，在技术方案1到3中任一项所述的气液溶解装置的基础上，其特征在于，使喷嘴体顶端位置沿着气液溶解室的轴中心可变。
即，技术方案4所涉及的发明在与向喷嘴供给的水的供给量、氧或空气的供给量、水压(设置深度)、气温、水温等各种环境因素相伴随的实际运转时，能够在实施监测的同时找到最佳的喷嘴位置，从而有效地提高溶解氧浓度。换言之，仅通过上下改变喷嘴位置，就能找到能够在被设置的状况下最大限度地发挥能力的条件。
发明效果
根据本发明，能够提供一种气液溶解装置，其采用简便的结构，并实现气液多相流体的叠加式搅拌，能够提高配置水域的溶解氧浓度。
附图说明
图1是示出将本发明的气液溶解装置设置在湖中的例子的说明图。
图2是示出本发明的气液溶解装置的概略结构例的剖视图。
图3是本发明的气液溶解装置的气液溶解室的透视立体图。
图4以气液比为横轴示出了设置有圆环部时与没有设置圆环部时相比溶解氧浓度得到提高的测定结果。
附图标记说明
1：气液溶解装置
2：浮子
3：坠子
10：气液溶解室
11：圆筒体
12：穹顶
13：孔
14：圆环部
15：突出端
20：气液分离室
21：气体排放口
22：排水孔
23：隔壁体
24：开口端
30：喷嘴
31：顶端
40：泵
41：取水口
42：送气部
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。在此，对将本发明的气液溶解装置设置在湖中的例子进行说明。
图1是示出将本发明的气液溶解装置设置在湖中的例子的说明图。图2是示出本发明的气液溶解装置的概略结构例的剖视图。图3是本发明的气液溶解装置的气液溶解室的透视立体图。
需要说明的是，为了便于说明，图中的比例尺并不相同，另外，描绘时省略了一部分结构(例如，图1中的气液溶解装置的大小相对于湖而言实际上更小)。
气液溶解装置1具有用于提高水的溶解氧浓度的气液溶解室10、用于容纳气液溶解室10的气液分离室20、用于向气液溶解室10喷出水和空气的气液多相流体的喷嘴30以及用于将水和空气向喷嘴30供给的泵40，以这些为基本结构。
如图所示，气液溶解装置1设置在湖A的贫氧水域B中。为了保持整体的姿势，本实施方式的气液溶解装置1在上部具备浮子2，在下部具备坠子3。这样，本实施方式的气液溶解装置1通过具备浮子2和坠子3，能够保持铅垂姿势，仅从水面投入即可简便地设置装置。
下面对气液溶解装置1的各结构进行详细说明。
气液溶解室10以在设置姿势下使轴朝向铅垂方向的纵长的圆筒体11为基调，在该圆筒体11的上部接合有半球形的穹顶12。另外，圆筒体11有底，在下部侧面开设有多个孔13，如后所述，从这些孔13流出经过叠加式搅拌、提高了溶解氧浓度的气液多相流体。需要说明的是，气液溶解室10是除喷嘴30的贯入部分和孔13外均密闭的结构。
喷嘴30从气液溶解室10的侧面水平地进入内部，在中心弯曲，沿着轴向上延伸。喷嘴30形成为内径朝向顶端31变细，通过该形状和泵40的压力，使供给来的水和空气形成气液多相流体并朝穹顶12的顶部连续喷出。
在圆筒体11和穹顶12之间的边界处设置有圆环部14，该圆环部14以规定高度向内侧突出并环绕一周。圆环部14的剖面形状是以圆筒体11侧为下底的梯形。
从喷嘴30排出的气液多相流体碰到穹顶12的顶部并沿着曲面对称地下降下来，但该气液多相流体流从某种意义上来说即圆筒形的气液多相流体流因圆环部14而弯曲，变为向下顶端收窄的圆锥状的气液多相流体流，向轴中心汇聚。然后，该汇聚来的气液多相流体流被喷嘴30的水流再次推入穹顶12。据此，会发生叠加式搅拌和湍流，从而实现气泡的细化并随之增加气泡与水的接触面积，而且也会增加气泡与水的接触机会，因此能够迅速且高效地增大水的溶解氧浓度。
为了实现喷嘴30的推入，采用如下位置关系：喷嘴30的顶端31比圆环部14靠下方，从顶端31仰视圆环部14的突出端15的角度即仰角θ为40°。
另外，圆环部14的突出高度h与圆筒体11的内半径r之比为：h/r＝3/100。
虽然为上述位置关系即微小的突出(堆起、隆起)这样的简便的结构，但能够提高溶解氧浓度。
另外，优选仰角在30°≤θ≤60°的范围内。
这是因为，若θ＜30°，则喷嘴30的位置较高，朝向轴中心从全周倾斜下降下来的气液多相流体流会在顶端31的下方合流，从而导致推入的效率变差。
若60°＜θ，则喷嘴30的位置较低，倾斜下降下来的气液多相流体流会再次呈圆锥状扩展，另外，推入(推回)的气液多相流体部分也会因距离穹顶12变远而扩散，这些也会导致效率变差。
优选突出高度与内半径之比为(2/100)≤(h/r)≤(6/100)。
这是因为，若(h/r)＜(2/100)，则气液多相流体向内侧弯曲的量较小，会导致使沿着穹顶12的下降流朝向喷嘴30的顶端31的效果变差。
若(6/100)＜(h/r)，则会在圆环部14之下产生所谓的死水，从而事实上减少气液溶解室10的容量。
需要说明的是，由于圆环部14从某种意义上来说是通过阻挡沿着壁面下落来的气液多相流体流的最外层而使整体气液多相流体流朝向中心，因此不对圆环部14的剖面形状作特别限定，既可以是矩形，也可以是三角形，还可以是圆形。需要说明的是，也可以是高度h因相位而变化、脉动那样的形状的圆管部14。
另外，圆环部14的位置也可以不是圆筒体11和穹顶12的接合部，而是其下方的位置。
接下来，对气液分离室20进行说明。气液分离室20是容纳气液溶解室10的纵长圆筒基调的容器，轴中心与气液溶解室10的轴中心对齐。上部收缩，成为气体排放口21。在下部开设有排水孔22。
另外，在气液分离室20中，在气液溶解室10的外侧另外设置有圆筒基调的隔壁体23(其轴中心也与气液溶解室10的轴中心对齐)。
隔壁体23的上部收缩为圆锥形，从上部的开口端24流出气泡和提高了溶解氧浓度的水。在此，由于隔壁体23和气液分离室20均为圆筒形且轴对称，因此会自然地产生回旋流，气泡会向轴中心上方集聚，直接被引导至气体排放口21而脱气。另一方面，从某种意义上来说，通过整流分离出的水(提高了溶解氧浓度的水)会下降，从排水孔22流出并返回到湖中。
这样，气液分离室20为贮存室，还设置有隔壁体23，由此有效地将气体和液体进行分离并排出至系统外。
泵40通过最近的取水口41从装置设置场所周边的贫氧水域B取水，并将另行从送气部42送来的水上的空气一起送入喷嘴30。此时，也可以将在气体排放口21回收到的气体引导至喷嘴30进行再次利用。
＜实验例>
下面，对本发明的实验例进行说明。在此，对圆环部14的有无所引起的溶解氧浓度的上升进行说明。
气液溶解装置1中，圆筒体11的尺寸为：内半径20cm×高度55cm，穹顶12是半径为20cm的半球，在接合部设置有宽3mm×高3mm的、剖面呈大致正方形的圆环部14。仰角为50°。
改变气液比时的溶解氧浓度(DO值)的变化比例的曲线图如图4所示。由此可见，原本没有圆环的本申请人的文献1所述的气液溶解装置(比较例)也实现较高的DO值，但是本发明产品即气液溶解装置1能够供给DO值更高的水(能够使其回流到取水系统)。
如上所述，气液溶解装置1通过圆环部14和喷嘴30将气液多相流体向穹顶12侧再次推入(再次上推)，通过叠加式搅拌提高溶解氧浓度，并使其回流到湖中。
另外，只要是在无需特别考虑将底层等卷起的可能性的使用环境下，也可以采用只具备气液溶解室10而去除了包括隔壁体23在内的气液分离室20的结构。
另外，喷嘴30的顶端31也可以沿着轴而改变位置。调整机构并不特别限定，也可以适当利用线材(未图示)，通过推入、拉出线材而使喷嘴30的顶端31上下移动。需要说明的是，优选采用在设置气液溶解装置1后能够从陆地上进行操作的方式。据此，能够在实际运转中在监测溶解氧浓度的变化的同时找到最佳的位置。
【产业上的可利用性】
利用本发明，能够对咸淡水湖、水库或封闭性海域(海水出入较少的海域)进行改质。
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