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

背景技術：

供水水質(zhì)安全，是關系到人體健康和社會穩(wěn)定的重要問題。為了保證管網(wǎng)水質(zhì)，《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006）中明確規(guī)定，加氯消毒時，游離氯在與水接觸30min以上后，出廠余氯濃度應不低于0.3mg/L，管網(wǎng)末梢水不應低于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)末梢余氯達標的氯量。然而，由于管網(wǎng)系統(tǒng)的龐大性和復雜性，要保證末梢的余氯量達標，勢必會在管網(wǎng)中形成余氯濃度過高的區(qū)域，特別是靠近加氯點的地區(qū)。破壞口感的同時，也增大了三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物的風險，使得供水存在很大的化學安全隱患。

管網(wǎng)多點加氯技術，是對傳統(tǒng)水廠內(nèi)消毒工藝的一種合理改進。通過將加氯點以一定規(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，又減少了單點投加時藥劑的濃度，從而降低了網(wǎng)間氯消毒副產(chǎn)物的生成幾率。

流體混合的擴散機理主要有三種：1、分子擴散；當流體中存在組分濃度差時，分子的無規(guī)律的熱運動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴散。由于液體分子之間的距離較小，液體中分子擴散速率大大低于氣體分子中擴散速率，液體分子擴散的過程比較漫長，且擴散量有限。2、對流擴散；對流擴散為流體中的擴散物質(zhì)隨流體做時均運動時所產(chǎn)生的擴散，對流擴散對混合來說比較重要，因為主流流動方向與濃度梯度方向相互垂直，所以主流流動對濃度擴散的影響不顯著，靜態(tài)混合器能促進混合效果很大程度是因為改進了速度矢量與濃度梯度的協(xié)同效應。3、紊動擴散；在湍流流動過程中，流體質(zhì)團紊動所產(chǎn)生的擴散稱為紊動擴散。流體在流動的斷面產(chǎn)生劇烈的渦流，使流體的細微部分進一步被混合。湍流擴散比分子擴散要快得多，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，設備簡單，不需要構筑物等優(yōu)點受到廣泛的使用。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型混合器主要對流體有切割作用和分散混合作用。

作用原理主要為：當流體流進每一組單元時，n個波紋片將把流體分割成n+1層，當流體在流入下一單元時，由于波紋板錯開90度排列，流體將會再一次被分割。當經(jīng)過m組元件后，流體將會被分割成S份。

S=（n+1）^m

由上式可看出，當n和m較大時，S將會變的非常大，整個流體將被分割成很多小的液滴。此外，每個溝槽交叉處可以視為一個混合小池，流體在混合小池內(nèi)實現(xiàn)混合后,分散成兩股流入下一個混合小池,同另一股流體進行混合,再分散流入下一個小池,反復不斷以實現(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 ,使流體在流動中流動平面發(fā)生變化,形成空間三維流動,使流體能更好實現(xiàn)混合。

2、SK型混合器管道內(nèi)流體有4種基本運動：

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

3）流體的內(nèi)外倒置：迫使進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，從而達到徑向混合的效果。

4）流體向后再混合：在每個元件連接處，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速度，沿流動軸線與鄰近的顆粒，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進行。

當流體流經(jīng)螺旋片時，流體將被分割，從螺旋片的兩側流入，當在流經(jīng)下一個螺旋片時，再一次的被分割。所以當流體在流經(jīng)n個螺旋片后，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)運動，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，實現(xiàn)了良好的徑向混合。

隨著管式混合應用越來越廣泛，管式混合裝置的研發(fā)也越來越多，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)濟效益。但依然存在不少問題。例如：

20世紀90年代美國研發(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。當水流經(jīng)過翼片時，一部分流體從翼片兩側流過，另一部分沿翼片表面流過。同時翼片的阻滯使得其翼片后部流速降低，同時消耗了流體動力，靜壓下降形成一個低壓區(qū)。在翼片后端形成渦旋，便于中心區(qū)與邊壁區(qū)流體的對流，促進了混合。但是該種混合器內(nèi)的流體的流態(tài)主要是以軸向流動和徑向流動這兩種形式存在，并且只在翼片存在的區(qū)域產(chǎn)生了徑向流動的形式，在翼片兩側的流體由于沒有翼片的阻滯作用，依然維持軸向流動，僅依靠分子擴散和紊動擴散加速混合。

專利申請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CN204107421U,此實用新型混合裝置包括混合段、分散段和均化段，并分別設置了單向懸翼、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計使設備維護較為方便，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)中應用該混合裝置所帶來的局部水頭損失還是過于偏大，尤其對老管網(wǎng)改造過程中泵房無法提供輸出壓力這一情況所帶來的問題無法解決。

近年來，多點加氯技術發(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)設計及實施時可供選擇的方案。國內(nèi)外研究學者在加氯點位置和數(shù)量確定、各點加氯量優(yōu)化、多點加氯的運行控制等方面都取得了大量的成果。但是目前管網(wǎng)間補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，相對穩(wěn)定性較差，導致中途投加點后較長距離內(nèi)水中各點的余氯濃度不同，局部偏高或偏低，影響了消毒效率和水質(zhì)，使距離中途投加點較近用戶的用水安全無法得到保證；2、現(xiàn)有管網(wǎng)間補充余氯的投加點后，若使用傳統(tǒng)靜態(tài)混合器進行快速混合，可使投加點后藥劑濃度迅速均勻，但其局部水頭損失過大，尤其對老管網(wǎng)改造過程中泵房無法提供輸出壓力這一情況所帶來的問題無法解決。因此，設計一種能夠在老舊管網(wǎng)內(nèi)使用，充分使藥劑混合，并且對水頭損失小的靜態(tài)混合器是十分有必要的。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：用于管網(wǎng)間補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流葉，所述導流葉前段與輸水管軸線平行，所述導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安裝若干具有一定扭曲角的長條形導流葉，管道中心部留空，導流葉是把長條形板條前端固定，在板條尾端施加作用力扭轉(zhuǎn)一定角度而成。導流葉固定時須嚴格垂直于固定點處的切線。當流體在混合裝置的輸水管內(nèi)流動時，由于導流葉排成環(huán)列葉柵,中部留空,對水流不產(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。在有導流葉存在的外環(huán)中,由于導流葉的作用,將對流體產(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，導流葉對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)運動。將流體從先前的平直流態(tài)轉(zhuǎn)變成了同時具有軸向、周向和徑向速度的流態(tài)，使流體速度梯度指向不同，增加了整個流場流動無序性，周向速度的生成，使流體受到離心力的作用，水流的紊動作用加強，加快了藥劑的混合速度。同時由于流體的粘滯性作用，靠近管壁處的旋轉(zhuǎn)運動沿徑向進行剪切傳遞，使管道中心無導流葉區(qū)域也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。在輸水管內(nèi)流體就會同時具有軸向、周向和徑向這三種速度向前流動，藥劑也就會在輸水管內(nèi)均勻的“攪拌”混合。

所述導流葉個數(shù)為3~4條。導流葉個數(shù)可根據(jù)輸水管的管徑調(diào)整。所述導流葉的總長度為輸水管內(nèi)徑的2~4倍，其中導流葉前段長度為導流葉總長度的0.2~0.5倍。所述導流葉的高度與輸水管內(nèi)徑的比值為0.3~0.35。所述導流葉前段與導流葉后段之間的扭轉(zhuǎn)角（即輸水管內(nèi)壁展開圖上導流葉尾端處切線與導流葉前段之間的夾角）為30~40度。按照上述參數(shù)設置導流葉，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：在旋流發(fā)生段內(nèi)，由于導流葉沿管壁排成環(huán)列葉珊，管道中部留空，水流從管道中部直通而過，導流葉未對水流進行切割也對其不產(chǎn)生阻力作用，然而在導流葉存在的外環(huán)中，流體受扭轉(zhuǎn)的導流葉的作用，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度內(nèi)保持螺旋形運動。利用螺旋流性質(zhì)使得藥劑充分混合。相對于傳統(tǒng)的混合器有效的減小了混合元件的個數(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)明應用于供水管網(wǎng)中補充余氯后的藥劑混合，相比于現(xiàn)行管網(wǎng)中多點加氯后靠水流的自然對流進行混合，能在較短的時間內(nèi)達到很好的混合效果。避免了水中各點的余氯濃度不同，局部偏高或偏低，影響了消毒效率和飲用水水質(zhì)，保證了加氯點附近居民的飲用水水質(zhì)安全。

附圖說明

圖1為SX型靜態(tài)混合器波紋板實物圖；

圖2為SX型靜態(tài)混合器結構示意圖；

圖3為SK型靜態(tài)混合器扭轉(zhuǎn)葉片實物圖；

圖4為SK型靜態(tài)混合器結構示意圖；

圖5為SK型靜態(tài)混合器結構立體視圖；

圖6為HEV型靜態(tài)混合器結構立體視圖；

圖7為本發(fā)明使用時剖面視圖；

圖8為本發(fā)明結構橫截面示意圖；

圖9為本發(fā)明沿徑向展開示意圖；

圖10為本發(fā)明結構立體視圖；

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

具體實施方式

用于管網(wǎng)間補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流葉3，所述導流葉3前段與輸水管1軸線平行，所述導流葉3后段沿輸水管1圓周同一方向平緩扭曲。

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

使用案例數(shù)據(jù)對比：輸水管1內(nèi)的導流葉3個數(shù)為3個，輸水管內(nèi)徑D=100mm，導流葉高度h與輸水管內(nèi)徑的比例為0.3，即導流葉高度h=30mm，導流葉總長度為輸水管內(nèi)徑的4倍，為400mm，其中導流葉前段為總長度的0.4倍，前段長度為160mm，導流葉前端與后端之間的夾角為30度。加藥管2上開孔個數(shù)為3個，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，在工程實踐中一般認為當COV大于1時代表完全沒有混合，當COV小于0.1時代表混合均勻）?；旌涎b置所帶來的壓力損失在160Pa。在保證混合均勻的同時，壓力損失遠小于HEV型靜態(tài)混合器所帶來的566Pa。