基于莫比乌斯环的水体增氧装置及其使用方法

摘要

本发明涉及一种基于莫比乌斯环的水体增氧装置及其方法。水体增氧装置包括莫比乌斯环、转轴、连接杆；其中：所述的莫比乌斯环，通过n次180°的扭转而形成，n为奇数；莫比乌斯环的环面的中心线在同一个平面，且莫比乌斯环的环面的中心线为圆形；所述的转轴，垂直于莫比乌斯环设置，并位于莫比乌斯环中心线的中心位置；所述的连接杆，至少具有三根；每一根连接杆的一端与莫比乌斯环连接，另一端则与转轴连接。由此可知，本发明通过莫比乌斯环的扭动，增加水体与空气的接触面积，从而提高水中的氧气含量，避免城市景观水体含氧量下降，以及其导致的生物多样性下降和水体变质。从而提升城市景观水体的质量，提升城市环境的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水体增氧装置，尤其是一种基于莫比乌斯环的水体增氧装置及其使用方法。

背景技术

在当今城市发展的情势下，城市绿化的进程加快，其中有很多景观水体，水体流动较差，水体氧气含量较低，导致其中的生物多样性降低，水质变差，容易变质发臭，影响景观质量和人们的生活体验。

目前针对这类问题，也有几种解决方法，比如通过水泵增加水循环、通过气泵向水中充气、通过螺旋桨搅拌水体等等，但是这几类方法都有成本高，效率低的缺点。

因此很有必要基于一些新的装置特点，同时结合城市水景美观的要求，研究一种新型的水体增氧装置，兼顾高效，高掺混这些特点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于莫比乌斯环的水体增氧装置，通过莫比乌斯环的扭动，增加水体与空气的接触面积，从而提高水中的氧气含量，避免城市景观水体含氧量下降，以及其导致的生物多样性下降和水体变质。从而提升城市景观水体的质量，提升城市环境的质量。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种基于莫比乌斯环的水体增氧装置，包括莫比乌斯环、转轴、连接杆；其中：所述的莫比乌斯环，通过n次180°的扭转而形成，n为奇数；莫比乌斯环的环面的中心线在同一个平面，且莫比乌斯环的环面的中心线为圆形；所述的转轴，垂直于莫比乌斯环设置，并位于莫比乌斯环中心线的中心位置；所述的连接杆，至少具有三根；每一根连接杆的一端与莫比乌斯环的最低点连接，另一端则与转轴连接。

作为本发明的进一步改进，所述莫比乌斯环的半径r的取值范围为：1≤r≤3，单位为米；所述的莫比乌斯环的扭转次数n的取值范围为：5≤n≤11。

作为本发明的进一步改进，所述的莫比乌斯环的环宽a的取值范围为：0.1r≤a≤0.2r，单位为米。

作为本发明的进一步改进，所述转轴的转动角速度ω的取值范围为：0.1≤ω≤1.5，单位为rad/s。

作为本发明的进一步改进，所述连接杆的数量为奇数根；所述连接杆呈矩形状设置，同时该连接杆存在角度为α的扭转；所述角度α的取值范围为：7.5°≤α≤20°。

作为本发明的进一步改进，所述转轴的直径d为0.05r；r为莫比乌斯环的半径。

本发明的再一个技术目的是提供一种使用基于莫比乌斯环的水体增氧装置进行水体增氧的方法，包括以下步骤：1)根据水体宽度L的大小，确定所需的水体增氧装置的数量，并将所需的水体增氧装置均匀地置于水体中，且水体增氧装置的莫比乌斯环在水体中的浸没深度 h满足：2/3a≤h≤3/4a，其中，a为莫比乌斯环的环宽；2)通过驱动转轴旋转，以带动莫比乌斯环旋转，转轴的转动角速度ω的取值范围为：0.1≤ω≤1.5，单位为rad/s。

作为本发明的进一步改进，水体宽度L的取值为2mr≤L＜4mr时，水体中应均匀布置m 个所述水体增氧装置，m为正整数。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明将莫比乌斯环这种特殊结构的构件作为水体增氧装置中，将空气与水体掺混的部件，主要是利用了莫比乌斯环的单面特性，使得莫比乌斯环在水中转动时，始终能够将水从一面搅拌到另一面，从而提高了搅拌的效率，增加了水与空气的接触面积，提高增氧的效能；通过配置适宜的莫比乌斯环的扭转次数n，在满足工艺要求的情况下，尽可能在特定转速下，提供较大的掺混效率，从而提高增氧效果。另外，本发明所提供的将莫比乌斯环，具有体积小的优点。

附图说明

图1为本发明的总体图。

图2为本发明的莫比乌斯环的示意图。

图3为本发明的连接杆的示意图；图4是本发明在水中含氧量随转速的变化图。

其中，1为莫比乌斯环，2为连接杆，3为转动轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图1至3所示，本发明所述的基于莫比乌斯环的水体增氧装置，包括莫比乌斯环1、转轴2、连接杆3。所述的莫比乌斯环1环面的中心线在一个平面上，且是一个圆形。所述的转轴2垂直于莫比乌斯环1中心线处在的平面，并且处于中心线的圆心，通过连接杆3与莫比乌斯环1连接。

所述的莫比乌斯环1特指为扭转n次180°形成的，其环带的宽度为a厘米，整个环中心线的半径为r厘米。其扭转的程度均匀，环平面上每360/n度完成一次扭转。其中，所述的n值为奇数，则此环为一个莫比乌斯环。莫比乌斯环的单面特性，可以使得其在水中转动时，始终使得水从一面搅拌到另一面，从而提高了搅拌的效率，增加了水与空气的接触面积，提高增氧的效能。所述n值越大，水由水下到水面反转的次数也就越多，因此增氧的效果也就越好。但n值太大对工艺要求更高，太小则掺混效率过低需要很高转速，所以n值是有最优范围的，一般来说，当r值为1-3米的范围时，n值范围为5≤n≤11。

所述的莫比乌斯环1中心线的半径r，在环面宽度一定时，半径越大，莫比乌斯环1的表面积越大，同理，即与水接触的面积越大，即能够搅拌的水量更多，即水与空气接触的面积越大，即增氧的效能更好。但由于现实中受水体大小、能耗问题以及所需增氧多少的限制，r 有最优范围为：1≤r≤3(米)

所述的环宽a，在环的半径一定时，环带的宽度a越大，莫比乌斯环1的表面积越大，掺混效率越高，环宽越小，表面积越小，掺混效率越低。但是，a值越大，工艺上难度增加，且大到与半径接近时，也无法搅拌水，一般的，环的宽度a有最优范围为：0.1r≤a≤0.2r(米)。

所述的连接杆3，数量为奇数。每根连接杆是一块较薄的矩形板，一端垂直连接转轴3，另一端与莫比乌斯环1的最低点相连，同时连接杆有一定扭转角度α，目的在于：一方面便于与莫比乌斯环连接，另一方面也能够在水体工作时，具有掺混作用。扭转角度是均匀扭转。如果α过大，莫比乌斯环1和连接杆3在水中转动的阻力会越大，会产生无谓的能量消耗。如果α过小，也就是连接杆3为平的，连接杆在水中转动，容易受到前缘尾迹的影响，从而引起环在水中抖动，不利于设备可靠。所以α有最优范围为：7.5≤α≤20。当α为最有角度时，可以增加连接杆3对水的搅动，同时还可以增加连接杆3的预载荷，保证了连接杆3的强度和寿命。

所述转轴2的直径d越大，其刚性越强，直径d越小，越有利于掺混。因此，一般来说，d≤0.05r。

使用时，整个装置的转轴2垂直于水面，连接杆3和莫比乌斯环面部分浸入水中。整个莫比乌斯环1浸入水体的深度决定了莫比乌斯环1与的水的接触面积，以及水中氧气增加的量。莫比乌斯环浸入水中太浅，掺混有限，无法充分利用莫比乌斯环1的掺混效应，氧气含量增加有限，而太深的话，则不利于莫比乌斯环1的转动，以及水与空气的充分接触。所以，莫比乌斯浸没水体深度h有最优值，可以使得增氧的效率最高，h最优值应该为：2/3a≤h≤3/4a。

所述整个装置置于水中，当水体宽度L满足2r≤L＜4r时，应布置1个所述装置于水体中间，当水体宽度L满足4r≤L＜8r时，应在水体中均匀布置2个所述装置，以此类推，若水体宽度L满足2mr≤L＜4mr时，水体中应均匀布置m个所述装置在河道中(m为正整数)。相比传统增氧装置只能适用于1.5米以上的水体，该装置可以适用于深度大于等于0.5米的河道或者景观水面，使用范围更广。

在转动过程中，绝大多数的水，随着莫比乌斯环1的转动而上下搅动，与空气依次接触，从而提高水中的含氧量，因此所述莫比乌斯环1的转动角速度ω的最优值满足：水受到环带的作用下能在环带边缘最高点离开环带向上飞起，同时还能满足在下一个环带最高点到来之前落下。所以ω的最优范围为：0.1≤ω≤1.5(rad/s)(rad/s)。

应用实施例

当该种基于莫比乌斯环的水体增氧装置设置于一段宽为八米，深为三米的河道时，不同条件的基于莫比乌斯环的水体增氧装置的转速的最优范围如下表：

通过碘量法在实验室条件下进行水中含氧量的测定，r＝1m，a＝0.1m，n＝5、7、9三种圆环多次实验，得到的水中含氧量随转速的关系如图4所示。可见，随转速提高，水中含氧量先上升后略微下降，最终基本保持稳定。但由于转速越高对于驱动装置的输出功率需求越大，因此从能耗上来说损失越大，因此，在越低转速下能实现越好的水中含氧量提升是最佳的。