氣提式污水泵無水下轉(zhuǎn)動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單，維護成本低，安全可靠，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，適用于多種污水提升場所。特別在某些小規(guī)模、低揚程、系統(tǒng)復(fù)雜的排水工程中采用氣提式污水泵，有其獨特的優(yōu)勢。氣提泵的幾何形狀簡單，但其性能的理論研究卻較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對氣提泵進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)氣提泵性能主要受其幾何形狀及操作參數(shù)影響。其中幾何形狀主要涉及到布?xì)庋b置的尺寸和結(jié)構(gòu)形式。因而近年來，國內(nèi)外對氣提泵的研究較多集中在布?xì)庋b置的結(jié)構(gòu)形式上，研究主要包括了布?xì)饪讛?shù)量、氣孔排列形式、進氣方式等因素對氣提性能的影響。由于布?xì)庋b置的設(shè)計對氣提泵的揚水量和整體性能有著重要影響，因此本文綜合前人的研究成果，并結(jié)合工程實際所需，對布?xì)庋b置的布?xì)饪讖胶瓦M氣方式進行研究，提出了氣提污水泵布?xì)庋b置的優(yōu)化設(shè)計方法，以期為工程中布?xì)庋b置的設(shè)計和應(yīng)用提供參考。
一、試驗裝置及方法
1.1 試驗裝置
試驗?zāi)M污水提升的工程條件，搭建了大管徑氣提式污水泵站試驗平臺，試驗裝置如圖1所示。
試驗包括供氣、提升、儲水和測試4個系統(tǒng)。其中供氣系統(tǒng)由HC-501S回轉(zhuǎn)式風(fēng)機1、風(fēng)包2、PVC進氣軟管6和布?xì)庋b置8組成。提升系統(tǒng)主要有揚水管9、下降管10和潛水泵11；試驗揚水管采用亞克力透明圓管;儲水系統(tǒng)用于存儲和平衡水量，主要由儲水筒7、平衡水箱12和貯水罐17組成；測試系統(tǒng)采用了氣壓表4、渦街流量計5，電磁流量計15，用于測試氣壓、氣量和水量。
2.2 試驗方法
試驗方法：選定揚水管管徑、揚水管長度(簡稱管長)、淹沒比(m=淹沒深度/管長)等試驗參數(shù)的取值，取值范圍見表1。揚水管底部安裝不同的布?xì)庋b置，連續(xù)通入不同體積流量的壓縮空氣(簡稱通氣量)，試驗通過風(fēng)量調(diào)節(jié)閥3控制通氣量大小，并按3~5m3/h的增量從小到大遞增，同時由渦街流量計5測試每組通氣量。通過電磁流量計15測試每組通氣量對應(yīng)的氣提液體的體積流量(簡稱揚水量)。
試驗過程：將揚水管9下端插入具有一定深度的被提升液體(清水或污水)儲水筒7內(nèi)，通過調(diào)節(jié)揚水管水下淹沒深度來改變淹沒比。回轉(zhuǎn)式風(fēng)機1輸出的壓縮空氣進入風(fēng)包2整流，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥3調(diào)節(jié)通氣量穩(wěn)定，由氣壓表4測定氣壓值，由渦街流量計5測試通氣量，壓縮空氣由進氣管6進入布?xì)庋b置8，穿過其布?xì)庑】鬃⑷霌P水管內(nèi)形成氣水混合液，在揚水管內(nèi)外密度差的作用下，混合液上升至揚水管頂部流出，落入下降管10進行氣水分離，分離后的液體(清水或污水)進入平衡水箱12，經(jīng)潛水泵11提升至貯水罐，以形成循環(huán)；調(diào)節(jié)潛水泵出口閘閥14達到平衡水箱內(nèi)水位穩(wěn)定，通過出水管13上電磁流量計15測定出水量，作為氣提揚水量。
二、試驗結(jié)果及分析
2.1 布?xì)饪讖降挠绊?/p>
為研究布?xì)饪讖綄馓嵝阅艿挠绊?，設(shè)計制作了3種不同布?xì)饪讖降牟細(xì)忸^部。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，氣提泵在試驗條件下適宜的氣泡直徑為1~4mm，故設(shè)計布?xì)饪诪閳A形小孔，直徑分別為1.5，3.0，4.0mm3種規(guī)格。布?xì)忸^選用DN50的不銹鋼管制作，其頂端用不銹鋼板焊接封堵，其頂端面和側(cè)面均勻開設(shè)等徑布?xì)庑A孔，其下端連接通氣管道。布?xì)饪卓倲?shù)保證最小布?xì)馑俣炔淮笥?0m/s；實測通氣量和布?xì)馑俣确秶姳?，布?xì)忸^實物如圖2所示。
在揚水管底部喇叭口內(nèi)分別安裝3種孔徑的布?xì)忸^，測試其提升清水的揚水量。揚水管管徑DN100，管長5.5m，淹沒比m=0.6時，測試通氣量與揚水量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同布?xì)忸^的實測數(shù)據(jù)組繪制通氣量-揚水量變化曲線如圖3所示。
分析圖3變化曲線和測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：氣提泵采用3種孔徑布?xì)忸^時，由于其工作原理相同，3種布?xì)忸^的揚水量曲線變化規(guī)律一致，即隨著通氣量的增加，揚水量先快速上升達到峰值，后趨于平穩(wěn)。但采用3種孔徑布?xì)忸^的提升效果卻有所不同：在相同條件下，隨著布?xì)饪讖降脑龃?，最大揚水量逐漸增加，通氣量-揚水量曲線依次上移。分析原因：一方面，布?xì)饪讖皆叫?，形成氣泡體積越小，小氣泡在低氣壓下上升時有合并成大氣塞的趨勢，大氣塞占據(jù)了揚水管截面面積，阻礙了水的流動。相反，布?xì)饪讖皆龃螅纬傻臍馀蒹w積增大，氣泡浮力作用明顯，升水量增大。另一方面，通氣量一定，氣孔總面積較小時，布?xì)馑俣却?，氣泡運動速度較快，氣液滑移速度增大，氣泡的運輸能力較低；反之，進氣速度降低，氣液滑移速度降低，氣泡的攜帶能力增大，提升水量增加。因而在圖3中，通氣量相同時，布?xì)忸^孔徑增大揚水量有所上升。表明適當(dāng)增大布?xì)忸^孔徑和降低布?xì)馑俣?，有利于提高氣提泵的揚水能力；由試驗結(jié)果對比可知布?xì)饪讖?mm的提升效果較優(yōu)。
2.2 布?xì)夥绞降挠绊?/p>
目前，布?xì)庋b置的安裝方式主要有以下2種：(1)直接將布?xì)忸^部放置于揚水管內(nèi)，這種方式適合揚水管管徑較大的情況，揚水管管徑較小時，布?xì)忸^很難放入；(2)在揚水管底部安裝喇叭口擴容整流，喇叭口內(nèi)設(shè)置布?xì)忸^部，這種方式適合于各種規(guī)格的揚水管。但這兩種安裝方式的布?xì)夥绞较嗤簤嚎s空氣經(jīng)布?xì)忸^底部進入，由其側(cè)面和頂面的布?xì)庑】浊懈畛晌⑿馀葸M入揚水管或喇叭口，并形成氣水混合液而被提升。根據(jù)工程實踐和試驗觀察發(fā)現(xiàn)，采用上述布?xì)夥绞降牟細(xì)庋b置均存在一些明顯的缺點：若布?xì)忸^直接放入揚水管，占用了揚水管進水?dāng)嗝娣e，不僅阻礙揚水管進水，而且影響氣體與水的混合均勻性，導(dǎo)致氣力提升泵的工作效率下降;若布?xì)忸^置于喇叭口內(nèi)，則存在喇叭口與上部揚水管連接處能量損失較大，喇叭口上部的收束擠壓常常造成氣體反溢和泄漏等問題，降低了氣提效率。
針對上述布?xì)夥绞降娜秉c和不足，課題組對常規(guī)布?xì)夥绞竭M行了調(diào)整，對常用布?xì)庋b置的結(jié)構(gòu)進行了改造。將喇叭口內(nèi)設(shè)布?xì)忸^由內(nèi)向外布?xì)夥绞?，改造為沿?fù)P水管側(cè)壁開孔，由外向內(nèi)布?xì)狻⒗瓤趦?nèi)布?xì)獾难b置設(shè)為布?xì)庋b置Ⅰ，其結(jié)構(gòu)如圖4(a)，改造后的裝置設(shè)為布?xì)庋b置Ⅱ，其結(jié)構(gòu)如圖4(b)。
布?xì)庋b置Ⅱ的上下連接管與揚水管同徑，可采用螺紋或法蘭與上下?lián)P水管同徑連接，因而可安裝在揚水管任意部位。工作時，壓縮空氣進入外部圓環(huán)形整流罩，整流后的壓縮空氣穿過內(nèi)部圓管壁的布?xì)庑】?，?jīng)上連接管進入揚水管，內(nèi)圓管和上下連接管均與揚水管同徑，因而內(nèi)圓管為揚水管的延伸，布?xì)夥绞娇梢暈檠負(fù)P水管側(cè)壁布?xì)狻?/p>
根據(jù)清水試驗得出的4.0mm布?xì)饪讖教嵘Ч^佳結(jié)論，同時考慮到污水中雜質(zhì)及沉淀物較多，布?xì)饪讖竭^大，易落入粗大雜質(zhì)而堵塞布?xì)饪祝?種布?xì)庋b置的布?xì)饪讖骄捎?.0mm，布?xì)饪卓倲?shù)均為258個。2種布?xì)庋b置的設(shè)計參數(shù)見表3。
2.2.1 布?xì)庋b置揚水量對比
為了對比分析2種布?xì)庋b置的優(yōu)劣性，在揚水管DN100，管長4.0m的揚水管下部分別安裝兩種布?xì)庋b置，淹沒比(m=0.80~0.70)一定時，通入不同通氣量，氣量范圍大致為20.5~106.5m3/h，測試其提升污水的揚水量，并繪制通氣量-揚水量曲線如圖5所示。
對比2種布?xì)庋b置的揚水量發(fā)現(xiàn)：在揚水管管徑、管長、淹沒比不變的條件下，二者達到最大揚水量的通氣量相近，均為60~80m3/h達到揚水量峰值，但二者峰值揚水量差異顯著。采用布?xì)庋b置Ⅱ的最大揚水量明顯高于布?xì)庋b置Ⅰ，各管徑和淹沒比下的最大揚水量均有所增長，其最大揚水量及增長率見表4。由表4可知，布?xì)庋b置Ⅱ較布?xì)庋b置Ⅰ的最大揚水量增長率達到25.9%~30.3%。其中淹沒比為0.8時最大揚水量增長最大。
2.2.2 布?xì)庋b置揚水量對比布?xì)庋b置效率對比
為比較2種布?xì)庋b置的效率大小，采用經(jīng)典的Niklin效率計算公式，對2種布?xì)庋b置的效率進行計算，揚水管DN100，管長4.0m的通氣量-效率曲線如圖6所示。
對比2種布?xì)庋b置的通氣量-效率曲線的變化規(guī)律一致：最大提升效率均較靠前，通氣量較小時，提升效率達到最大，此時對應(yīng)揚水量較低，當(dāng)達到最大揚水量時效率已有明顯下滑。但是，布?xì)庋b置Ⅱ的提升效率明顯高于裝置Ⅰ，在同一通氣量下，各淹沒比的效率值均有所增長。
綜合2種布?xì)庋b置的揚水量及效率分析可知，氣提泵采用布?xì)庋b置Ⅱ提升能力更佳，即揚水管側(cè)壁布?xì)夥绞礁鼮楹侠?。主要原因在于?1)壓縮空氣從布?xì)庋b置Ⅱ的內(nèi)圓管側(cè)壁布?xì)庑】走M入，布?xì)夥较蛴晒鼙谥赶蚬苤行?，有壓氣泡將液體推向管中心，降低了液體與管壁間的摩擦損失；(2)布?xì)庋b置內(nèi)圓管與揚水管同徑，揚水管橫斷面沒有被布?xì)忸^部占用而得到充分利用，氣泡能夠順暢擴散至揚水管內(nèi)與污水充分混合，減少了氣泡反溢和泄漏量，增大了氣體利用率；(3)由于內(nèi)圓管與揚水管等徑，氣水混合液能從布?xì)庋b置段向揚水管段平滑過渡，能量損失小，提升效率較高。對于布?xì)庋b置Ⅰ，布?xì)忸^位于喇叭口內(nèi)部，壓縮空氣由布?xì)忸^內(nèi)向外布?xì)?，氣泡迅速向四周擴散，將液體擠向四周，增大了氣水混合液與管壁之間摩擦阻力，并且喇叭口上部口徑收束變小，氣體受擠壓易造成反向溢出喇叭口，喇叭口與揚水管變徑連接，造成一定的局部水頭損失，增大了能量消耗，降低了能量利用率。
2.3 布?xì)馑俣鹊挠绊?/p>
由于布?xì)庋b置的布?xì)饪讛?shù)量不同，相同通氣量時，布?xì)馑俣扔兴煌榉治霾細(xì)馑俣葘P水量的影響，選取效率較優(yōu)的側(cè)壁通氣方式下，改變布?xì)饪讛?shù)量的2種布?xì)庋b置進行對比分析。兩種布?xì)庋b置的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及尺寸完全相同(布?xì)饪讖骄鶠?.0mm)，僅布?xì)饪讛?shù)增大一倍，二者的設(shè)計參數(shù)見表5。
在管徑DN100，管長4.0m的揚水管下部分別安裝2種布?xì)庋b置，選定淹沒比(m=0.80~0.70)，通入不同氣量(20.5~106.5m3/h)，測試二者提升污水的揚水量，并繪制通氣量-揚水量曲線，如圖7所示。
由圖7分析可知，揚水管管徑、管長、淹沒比一定，在較低通氣量時，布?xì)庋b置Ⅲ較布?xì)庋b置Ⅱ的揚水量略有上漲，且布?xì)庋b置Ⅲ較布?xì)庋b置Ⅱ先達到揚水量峰值，布?xì)庋b置Ⅲ的效率較優(yōu)。在較大通氣量時，揚水量逐漸達到最大，并趨于穩(wěn)定。之后，二者揚水量相差不大，優(yōu)勢不明顯。分析原因在于布?xì)庋b置Ⅲ的布?xì)饪讛?shù)量增多，進氣面積增大，相同通氣量的條件下，氣泡數(shù)量增多，布?xì)馑俣冉档?。氣泡低速條件下，氣液滑移速度降低，氣泡能夠充分與污水混合，增大了氣泡利用率和運輸能力，有利于形成團狀流或團狀-環(huán)狀流過渡流態(tài)，在此流態(tài)下氣提泵的效率較高。當(dāng)通氣量增大到一定程度，布?xì)馑俣瘸^一定范圍時，氣液滑移速度增大，揚水管內(nèi)出現(xiàn)環(huán)狀流和纖維流，揚水量增長不明顯;隨著空氣流量的增加，從最大效率到最低效率的下降幅度很大。這可以歸因于空氣流量的增加導(dǎo)致了過量的加速損失，同時在立管頂部的空氣空隙率值較大。這導(dǎo)致了立管中更多的摩擦損失，因此泵效率會降低。
從圖7可知，在各個淹沒比下，通氣量超過50~70m3/h時，布?xì)庋b置Ⅲ和裝置Ⅱ的揚水量逐漸拉近，裝置Ⅲ的優(yōu)勢下降，二者的揚水效率迅速降低。此時，布?xì)庋b置Ⅲ的布?xì)馑俣葹?.1~3.0m/s，故建議布?xì)庋b置的設(shè)計布?xì)馑俣炔灰诉^大，以不超過3m/s為宜。
總體而言，在布?xì)夥绞较嗤那疤嵯?，采用增加布?xì)饪讛?shù)量即增大布?xì)饷娣e，降低布?xì)馑俣鹊姆椒ú⒉荒軒頁P水量和效率的大幅提升，僅在較小通氣量范圍，揚水量和效率會有少量提升。
三、結(jié)論
(1)適當(dāng)增大布?xì)庋b置的布?xì)饪讖?，降低進氣速度有利于提高揚水量。
(2)布?xì)夥绞綄τ谔岣邭馓岜谜w性能有著重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，布?xì)庋b置采用揚水管側(cè)壁布?xì)夥绞絻?yōu)于揚水管中心布?xì)夥绞?。揚水管側(cè)壁布?xì)夥绞侥苡行岣邠P水量和提升效率，最大揚水量增長率可達到25.9%~30.2%。
(3)合理的布?xì)馑俣饶軌蚋纳茪馓嵝阅?，但不能實現(xiàn)揚水量和效率的大幅度提高。布?xì)庋b置的設(shè)計布?xì)馑俣炔灰诉^大，以不超過3m/s為宜。( >
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