一種雙缸沼氣池攪拌器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙缸沼氣池攪拌器，包括由底部連通的沿軸向平行并列設置的第一缸體和第二缸體，第一缸體內安裝有第一活塞體，第二缸體內安裝有第二活塞體，第一缸體的底部通過第一液管伸入沼氣池內料液的清液層，第二缸體的底部通過第二液管伸入沼氣池內料液的活性層；通過第一活塞體在第一缸體內的活塞運動和第二活塞體在第二缸體內的活塞運動實現清液層的料液由第一液管吸入第一缸體，清液層的料液再由第一缸體流經第二缸體，在第二缸體內被第二活塞體加壓后經第二液管由出液口噴入沼氣池內，如此反復循環流動從而實現對沼氣池內料液的攪拌。
【專利說明】
一種雙缸沼氣池攪拌器
技術領域
[0001 ]本發明專利涉及沼氣發酵設備領域，具體涉及一種雙缸沼氣池攪拌器。
【背景技術】
[0002] 近年來，沼氣技術在我國農村地區廣泛應用，在緩解農村地區能源問題的同時，改 善了居民的生活環境。沼氣發酵過程中對料液進行充分的攪拌，可有效提高沼氣池的產氣 效率，因此在沼氣池中安裝攪拌裝置是有必要的。現有的沼氣池攪拌器主要以人力式和電 動式為主。在戶用沼氣池中安裝電動攪拌器不經濟，因而此類攪拌器較為罕見。對現有的人 力式沼氣池攪拌器進行檢索后發現："一種便攜式沼氣池攪拌器"（專利號： 201220570510.9)公開了一種便攜式沼氣池攪拌器，該專利提出了利用沼液循環回流對沼 液進行攪拌，該發明操作時較為費力，且攪拌動力小。"移動式沼氣池料液攪拌器"（專利號： 201220541012.1)公開了一種移動式沼氣池料液攪拌裝置，提出利用沼氣循環回流對沼液 進行攪拌，沼氣對沼液進行攪拌時，攪拌程度有限，效果不佳。上述的沼氣池攪拌器所存在 的問題，限制了其推廣應用。因此，開發攪拌效果佳，操作省力的沼氣池攪拌裝置，可進一步 推動沼氣產業的發展。

【發明內容】

[0003] 針對現有技術中的缺陷和不足，本發明的目的在于提供一種操作方便省力、攪拌 效果良好的人力式沼氣池攪拌裝置，具體為一種雙缸沼氣池攪拌器，以解決傳統攪拌裝置 勞動強度大、攪拌效果差的問題。
[0004] 為達到上述目的，本發明采用技術方案如下：
[0005] -種雙缸沼氣池攪拌器，包括由底部連通的沿軸向平行并列設置的第一缸體和第 二缸體，第一缸體內安裝有第一活塞體，第二缸體內安裝有第二活塞體，第一缸體的底部通 過第一液管伸入沼氣池內料液的清液層，第二缸體的底部通過第二液管伸入沼氣池內料液 的活性層；
[0006] 通過第一活塞體在第一缸體內的活塞運動和第二活塞體在第二缸體內的活塞運 動實現清液層的料液由第一液管吸入第一缸體，清液層的料液再由第一缸體流經第二缸體 沿第二液管流入活性層，如此的反復循環流動實現對沼氣池內料液的攪拌。
[0007] 具體的，所述的第一缸體與第二缸體的直徑相同，第一液管與第二液管的管徑相 同。
[0008] 進一步的，在第二液管的底端設置四向出液口，所述的四向出液口包括一個進液 口和四個垂直交叉設置的出液口，出液口的出液方向與進液口的進液方向垂直。
[0009] 具體的，出液口的口徑與進液口的口徑相同，進液口的口徑與第二液管的管徑相 同。
[0010] 更具體的，所述的第一缸體和第二缸體由底部通過連通管連通，第一液管與第一 缸體的連通處設置第一單向閥，連通管與第一缸體的連通處設置第二單向閥，第二液管與 第二缸體的連通處設置第三單向閥；
[0011] 第一單向閥僅允許料液由第一液管流入第一缸體內，第二單向閥僅允許料液由第 一缸體流入第二缸體內，第三單向閥僅允許料液由第二缸體流入第二液管。
[0012] 另外，還包括手動桿支架和手動桿，手動桿支架設置在第一缸體和第二缸體之間， 手動桿活動式支撐在手動桿支架上進行杠桿運動，第一活塞體和第二活塞體分別懸設在手 動桿支架兩側的手動桿上。
[0013] 還有，第一活塞體包括第一活塞桿和第一活塞，第二活塞體包括第二活塞桿和第 二活塞，所述的手動桿的一端依次設置第一活塞桿連接滑槽、支架連接點和第二活塞桿連 接滑槽；
[0014] 第一活塞桿接頭與第一活塞桿連滑槽軸活動連接，手動桿支架與支架連接點軸活 動連接，第二活塞桿接頭與第二活塞桿連滑槽軸活動連接。
[0015] 且，第一活塞桿接頭和第二活塞桿接頭關于支架連接點對稱安裝，兩者到支架連 接點的距離相等。
[0016] 還有，所述的第一活塞垂直固定設置在第一活塞桿的底端，第一活塞包括由上到 下依次同軸設置的上限位片、橡膠墊和下限位片；
[0017] 第二活塞的結構與第一活塞的結構相同。
[0018] 本發明有益效果是：
[0019] 1、對沼液的攪拌效果佳:利用本發明的攪拌器對沼液加壓后，通過沼液自身進行 攪拌，出液口設置于沼氣池中下部，發酵原料主要分布于該層(活性層），由四向出液口噴出 的料液首先對該層沼液進行攪拌，可增大原料分布范圍，增加微生物與原料的接觸面積，加 快發酵速度，提高沼氣產氣率。
[0020] 2、操作方便省力：攪拌裝置工作時僅依靠人力，若操作過于吃力，將不具有實用 性，根據"杠桿"原理，攪拌裝置中設置手動桿，用戶通過按壓或提升手動桿，帶動活塞上下 運動，該過程中人施加給手動桿的力遠小于直接作用于活塞上的力；
[0021] 3、運行安全可靠，結構簡單、造價低廉：區別于傳統的剛體攪拌器，本發明利用沼 液自身進行攪拌，不會對沼氣池池體和增溫機構造成損傷;裝置所用材料多為鋼鐵，造價較 低，而且組成構件形狀簡單，易于制造和推廣。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明的雙缸沼氣池攪拌器的立體結構示意圖；
[0023] 圖2為本發明的雙缸沼氣池攪拌器安裝在沼氣池中的結構示意圖；
[0024] 圖3為本發明的雙缸沼氣池攪拌器手動桿下壓時的液體流動原理圖；
[0025] 圖4為本發明的雙缸沼氣池攪拌器手動桿提升時的液體流動原理圖；
[0026] 圖5為手動桿的具體結構圖；
[0027]圖6為活塞的結構放大圖；
[0028] 圖7為四向出液口的結構放大圖；
[0029] 圖8為攪拌裝置工作時沼氣池內部沼液速度分布圖。
[0030] 圖中各標號表示為：1_手動桿、11-第一活塞桿連接滑槽、12-支架連接點、13-第二 活塞桿連接滑槽、2-手動桿支架、3-第一缸體、31-第一活塞桿、311-第一活塞桿接頭、32-第 一液管、321-第一單向閥、33-第一活塞、331-上限位片、332-橡膠墊、333-下限位片、34-螺 母、35-墊片、4-第二缸體、41-第二活塞桿、411-第二活塞桿接頭、42-第二液管、421-第三單 向閥、43-第二活塞、44-四向出液口、441-進液口、442-出液口、5-安裝平臺架、6-連通管、 61 -第二單向閥、7-混凝土預埋體、8-沼氣池；
[0031]各圖中的箭頭表示料液的流動方向。
[0032]以下結合說明書附圖和【具體實施方式】對本發明做具體說明。
【具體實施方式】
[0033] 本發明的雙缸沼氣池攪拌器根據"杠桿"及"活塞"原理，當人力提升手動桿時，帶 動第一活塞體和第二活塞體同時運動，將第一缸體中預留的沼液壓入第二缸體中，當人力 按壓手動桿時，帶動第一活塞體向上運動，將沼液吸入第一缸體中，第二活塞體向下運動將 第二缸體中的沼液排入沼氣池，在此過程中將人施加給攪拌器的機械能轉化為沼液的動 能，沼液從噴口高速噴出帶動池內沼液運動，達到對池內沼液的攪拌作用。
[0034] 本發明的雙缸沼氣池攪拌器在與沼氣池8配合使用時，見圖2,雙缸沼氣池攪拌器 焊接固定在安裝平臺架5上，安裝平臺架5通過螺栓固設在地下的混凝土預埋體7上，第一液 管32由沼氣池8的頂部伸入沼氣池8的清液層，第二液管42由沼氣池8的頂部伸入沼氣池8的 活性層;第一液管32與第一缸體3的連通處設置第一單向閥321，連通管6與第一缸體3的連 通處設置第二單向閥61，第二液管42與第二缸體4的連通處設置第三單向閥421，通過單向 閥的啟閉來控制沼液的流向。
[0035]不對沼氣池攪拌時，池內料液將出現分層現象，上層為浮渣層，中層為清液層，中 下層為活性層，下層為沉渣層。加壓后的自來水從噴口噴出首先對活性層進行攪拌。靜置條 件下發酵原料主要分布于沼氣池中下部的活性層，四向出液口設置于該層時，噴出的料液 首先對其附近的料液進行攪拌，可增大發酵原料分布范圍，增加微生物與原料的接觸面積， 加快發酵速度，提高沼氣產氣率。
[0036]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0037] 參見圖1-6,本發明的雙缸沼氣池攪拌器，包括由底部連通的沿軸向平行并列設置 的第一缸體3和第二缸體4，第一缸體3內安裝有第一活塞體，第二缸體4內安裝有第二活塞 體，第一缸體3的底部通過第一液管32伸入沼氣池8內料液的清液層，第二缸體4的底部通過 第二液管42伸入沼氣池8內料液的活性層;通過第一活塞體在第一缸體3內的活塞運動和第 二活塞體在第二缸體4內的活塞運動實現清液層的料液由第一液管32吸入第一缸體3，清液 層的料液再由第一缸體3流經第二缸體4沿第二液管42流入活性層，如此的反復循環流動實 現對沼氣池內料液的攪拌。第一缸體3與第二缸體4的直徑相同，第一液管32與第二液管42 的管徑相同，第一缸體3、第二缸體4的直徑與第一液管32、第二液管42的管徑的比值范圍均 為3~5,這樣設置的管徑比，不僅有利于對沼氣池內的料液進行充分混合攪拌，同時以較少 的耗材完成所需的要求，節省成本，節省人力。第一缸體3和第二缸體4由底部通過連通管6 連通，缸體直徑與連通管管徑的比值范圍取3~5,保證連通管6與第一液管32和第二液管52 管徑的一致性，滿足流動要求。
[0038] 在第二液管42的底端設置四向出液口 44，四向出液口 44包括一個進液口 441和垂 直交叉設置的四個出液口 442，出液口 442的出液方向與進液口 441的進液方向垂直。出液口 442的口徑與進液口 441的口徑相同，進液口 441的口徑與第二液管42的管徑相同。
[0039] 還包括手動桿支架2和手動桿4,手動桿支架2設置在第一缸體3和第二缸體4之間， 手動桿1活動式支撐在手動桿支架2上進行杠桿運動，第一活塞體和第二活塞體分別懸設在 手動桿支架2兩側的手動桿4上。第一活塞體包括第一活塞桿31和第一活塞33,第二活塞體 包括第二活塞桿41和第二活塞43,手動桿1的一端依次設置第一活塞桿連接滑槽11、支架連 接點12和第二活塞桿連接滑槽13;第一活塞桿接頭311與第一活塞桿連接滑槽11軸活動連 接，手動桿1與支架連接點12軸活動連接，第二活塞桿接頭411與第二活塞桿連接滑槽13軸 活動連接。按壓手動桿1時，第一活塞桿31和第一活塞33向上移動，第二活塞桿41和第二活 塞43向下移動，第一活塞桿接頭311沿第一活塞桿連接滑槽11向上移動，第二活塞桿接頭 411沿第二活塞桿連接滑槽13向下移動;提升手動桿1時，動作過程與按壓時相反。
[0040] 第一活塞桿接頭311和第二活塞桿接頭411關于支架連接點12對稱安裝，兩者到支 架連接點12的距離相等。手動桿支架2高出缸體10~15cm。手動桿1的長度與操作者所需施 加的力有關，手動桿1長度越長，操作時所需施加的力越小。
[0041 ] 第一活塞33垂直固定設置在第一活塞桿31的底端，第一活塞33包括由上到下依次 同軸設置的上限位片331、橡膠墊332和下限位片333。上限位片331和下限位片333為鐵片， 用于防止橡膠墊332形變;在上下限位片的兩側還分別依次設有墊片35和螺母34,由于將上 限位片331、橡膠墊332和下限位片33固定在活塞桿上，第二活塞43的結構與第一活塞33的 結構相同。
[0042]根據"杠桿"原理，當人施力的力矩遠大于第一活塞桿31和第二活塞桿41端頭受力 力矩時，使用者施加少許力便可帶動第一活塞桿31和第二活塞桿41運動。根據"動量守恒" 定理，當對沼液施加的力越大，力作用時間越長，沼液所獲得的動量越大，同樣口徑的噴口， 沼液噴出的速度越大，攪拌效果越明顯。因此，與一般攪拌裝置施加相同的力時，本發明的 攪拌效果更好。
[0043] 參見圖3,向下按壓手動桿1，帶動第一活塞桿31和第一活塞33向上移動，第一缸體 3內形成負壓，沼氣池8內的壓力大于第一缸體3,在壓差作用下，第一單向閥321開啟，第二 單向閥61關閉，沼氣池8中上部較為清澈的沼液經吸液口沿第一液管32流進第一缸體3內。 同時手動桿1帶動第二活塞桿41向下移動，第二活塞43向沼液施加壓力，使第三單向閥421 開啟，沿第二液管42經四向出液口44噴射至沼氣池內的發酵活性層，噴出的沼液對周圍沼 液進行擾動，使池內沼液產生運動，從而達到攪拌目的。
[0044] 參見圖4,向上提升手動桿1，帶動第一活塞桿31和第一活塞33向下移動，向第一缸 體3中的預留沼液施加壓力，在壓力作用下第二單向閥61開啟，第一單向閥321關閉，流過連 通管6進入第二缸體4。同時手動桿1帶動第二活塞桿41向上移動，第三單向閥421關閉，第二 缸體4內形成負壓，兩缸體間的壓差增大，沼液更加容易從第一缸體3轉移到第二缸體4中。 換言之，手動桿1提升過程僅需很小的力。實際中，提升與按壓工作過程交替進行，將對沼氣 池進行持續有效的攪拌。
[0045] 以下通過實例對本發明做更進一步的說明。
[0046] 如圖4、圖5,攪拌器運行包括手動桿1的按壓和提升兩個過程。按壓手動桿1時，一 方面將沼液吸入第一缸體3,一方面對第二缸體4中沼液加壓，輸送回沼氣池進行攪拌;提升 手動桿1時，將第一缸體3中的沼液轉移到第二缸體4中。其中，提升與按壓過程相比較為省 力，下文僅對按壓過程進行受力分析。
[0047] 按壓過程的力矩平衡方程：
[0048] Fi(L-d)cos0 = F2d+F3d (1)
[0049] 式中：
[0050] ^為人施加給手動桿末端的力，N;
[00511 F2S作用在第二活塞桿上的力，N;
[0052] F3為作用在第一活塞桿上的力，N;
[0053] L為手動桿的長度，mm;
[0054] d為第一活塞桿到支架連接點間的水平距離，mm;
[0055] Θ為手動桿與水平方向投影的夾角，°。
[0056] 第一缸體中沼液平均流速：
[0058]式中：
[0059]乜為吸入沼液耗時，s;
[0060] h有效提升壓縮高度，mm〇
[0061] 第一缸體中沼液質量守恒方程：
[0062] viAi = V2A2 (3)
[0063] 式中：
[0064]心為第一液管橫截面面積，m2;
[0065] A2為第一缸體橫截面面積，m2;
[0066] vi為第一液管內沼液平均流速，m/s。
[0067]第二缸體中沼液平均流速：
[0069]式中：
[0070] t2為排出沼液耗時，s;
[0071] h2有效提升壓縮高度，mm〇
[0072] 第二缸體中沼液質量守恒方程：
[0073] V3A3 = V4A4 (5)
[0074] 式中：
[0075] A3為第二液管橫截面面積，m2;
[0076] A4為第二缸體橫截面面積，m2;
[0077] V3為第二液管內沼液平均流速，m/s。
[0078]第一缸體中流體的能量方程：
[0080]式中：
[0081] Δ p為池體內外壓差，Pa;
[0082] g為重力加速度，N/kg;
[0083] P為沼液密度，kg/m3;
[0084] Δ Z為第一缸體內液面與沼氣池液面高度差，m;
[0085] hml為第一缸體與第一液管間的阻力損失，m。
[0086] 第二缸體中流體的能量方程：
[0088]式中：
[0089] hm2為第二缸體與第二液管間的阻力損失，m。
[0090] 對于攪拌器的阻力損失，考慮到第一液管與第二液管長度較小，因此忽略沿程阻 力，僅考慮局部阻力。
[0091] 局部阻力損失計算公式：
[0093]式中：
[0094] ζ為局部阻力系數，彎頭取0.5,管道進口 1.0。
[0095]突然擴大的阻力系數：
[0097]突然縮小的阻力系數：
[0099]根據以上公式，在已知攪拌器尺寸、攪拌器與沼氣池相對位置、按壓過程耗時的情 況下，可計算得到第二液管內液體流速、人需要施加的力等。
[0100]假設沼氣池攪拌器采用兩個筒徑為150mm、高度為350mm的不銹鋼缸體，有效提升 壓縮高度為200mm，考慮到沼液中污濁物較多，宜采用直徑較大的管子，第一液管和第二液 管均采用管徑為50mm的PVC管，出液口直徑與管徑相同，第一活塞桿到支架連接點間的水平 距離d為10mm，手動桿長度L為500mm。
[0101] 假設按壓過程耗時t2*ls，第二缸體中的沼液全部排除，而第一缸體吸入沼液時， 需要的時間稍長，假設耗時t 3為4s，即將手動桿按壓至最低處后停留3s，再進行提升過程。
[0102] 將上述數值代入式(2)、（3)、（4)、（5)計算得到缸體與管子內沼液的流速。其中，^ =0 · 45m/s，V2 = 0 · 05m/s，V3 = 1 · 8m/s，V4 = 0 · 2m/s。由于出液口 的口徑與第二液管管徑大小 相同，根據質量守恒定理，四向出液口處的流速為第二液管內料液流速的四分之一，其值為 0·45m/s 〇
[0103] 利用式(9)、（10)計算得到，（: = 0.8,(2 = 0.4。其余局部阻力系數查資料獲得，彎頭 取0.5,管道進口 1.0。
[0104] 利用式(8)計算得到第一缸體與第一液管的局部阻力損失hml為0.028m，第二缸體 與第二液管的局部阻力損失hm2為Ο · 5m。
[0105] 假設沼氣池內液面與缸體內液面平均高程差Δ Z為1.2m。池體內外壓差Δ p為 8kPa〇
[0106] 將上述數據代入式(6)、（7)計算得到，作用在第一活塞桿上的力F3為87N，作用在 第二活塞桿上的力內為481
[0107] 最后，假設手動桿的傾角Θ為45°，利用式（1)計算得到操作者需要施加給手動桿的 力 FiS47N。
[0108] 為定量分析一種雙缸沼氣池攪拌器的攪拌效果，采用流體力學模擬軟件FLUENT， 對攪拌條件下沼氣池內沼液流動情況進行仿真模擬。為簡化計算過程，采用二維模型代替 三維實物。模型中沼氣池直徑取2.4m，高度取1.5m，第一液管和第二液管管徑均取50mm，四 向出液口的口徑同樣取50mm。四向出液口距池底高度取0.4m，進液口距池底高度取1. lm。出 液口處流速設為0.45m/s，進液口設為自由出流邊界條件。
[0109] 模擬計算結果如圖8所示。由圖中看出，攪拌裝置工作時，沼氣池內大部分區域的 沼液在料液擾動下產生運動，但不同區域的沼液運動速度差異明顯，出液口處料液的流速 較大，離出液口越遠料液速度越小。總體而言，本裝置可以對戶用沼氣池內沼液進行有效的 攪拌。
【主權項】
1. 一種雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，包括由底部連通的沿軸向平行并列設置的第 一缸體(3)和第二缸體(4)，第一缸體(3)內安裝有第一活塞體，第二缸體(4)內安裝有第二 活塞體，第一缸體(3)的底部通過第一液管(32)伸入沼氣池內料液的清液層，第二缸體(4) 的底部通過第二液管(42)伸入沼氣池內料液的活性層； 通過第一活塞體在第一缸體(3)內的活塞運動和第二活塞體在第二缸體(4)內的活塞 運動實現清液層的料液由第一液管(32)吸入第一缸體(3 )，清液層的料液再由第一缸體(3) 流經第二缸體(4)沿第二液管(42)流入活性層，如此的反復循環流動實現對沼氣池內料液 的攪拌。2. 如權利要求1所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，所述的第一缸體(3)與第二缸 體(4)的直徑相同，第一液管(32)與第二液管(42)的管徑相同。3. 如權利要求1或2所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，在第二液管(42)的底端設 置四向出液口（ 44 )，所述的四向出液口（ 44)包括一個進液口（ 441)和四個垂直交叉設置的 出液口（ 442 )，出液口（ 442)的出液方向與進液口（ 441)的進液方向垂直。4. 如權利要求3所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，出液口（442)的口徑與進液口 (441)的口徑相同，進液口（441)的口徑與第二液管(42)的管徑相同。5. 如權利要求1或2所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，所述的第一缸體(3)和第二 缸體(4)由底部通過連通管(6)連通，第一液管(32)與第一缸體(3)的連通處設置第一單向 閥（321)，連通管(6)與第一缸體(3)的連通處設置第二單向閥(61)，第二液管(42)與第二缸 體(4)的連通處設置第三單向閥（421); 第一單向閥（321)僅允許料液由第一液管(32)流入第一缸體(3)內，第二單向閥(61)僅 允許料液由第一缸體(3)流入第二缸體(4)內，第三單向閥(421)僅允許料液由第二缸體(4) 流入第二液管(42)。6. 如權利要求1或2所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，還包括手動桿支架(2)和手 動桿(1)，手動桿支架(2)設置在第一缸體(3)和第二缸體(4)之間，手動桿（1)活動式支撐在 手動桿支架(2)上進行杠桿運動，第一活塞體和第二活塞體分別懸設在手動桿支架(2)兩側 的手動桿(1)上。7. 如權利要求6所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，第一活塞體包括第一活塞桿 (31)和第一活塞(33)，第二活塞體包括第二活塞桿(41)和第二活塞(43)，所述的手動桿(1) 的一端依次設置第一活塞桿連接滑槽(11)、支架連接點（12)和第二活塞桿連接滑槽(13); 第一活塞桿接頭(311)與第一活塞桿連滑槽（11)軸活動連接，手動桿支架(2)與支架連 接點（12)軸活動連接，第二活塞桿(41)與第二活塞桿連滑槽(13)軸活動連接。8. 如權利要求7所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，第一活塞桿接頭（311)和第二 活塞桿接頭(411)關于支架連接點（12)對稱安裝，兩者到支架連接點（12)的距離相等。9. 如權利要求7所述的雙缸沼氣池攪拌器，其特征在于，所述的第一活塞(33)垂直固定 設置在第一活塞桿（31)的底端，第一活塞（33)包括由上到下依次同軸設置的上限位片 (331)、橡膠墊(332)和下限位片（333); 第二活塞(43)的結構與第一活塞(33)的結構相同。
【文檔編號】C12M1/107GK105886332SQ201610334130
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】陳耀文, 劉艷峰, 王登甲, 王道坤, 馬超, 蔣婧
【申請人】西安建筑科技大學