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氣提式污水泵布氣裝置

  氣提式污水泵無(wú)水下轉動(dòng)部件,具有結構簡(jiǎn)單,維護成本低,安全可靠,性能穩定等優(yōu)點(diǎn),適用于多種污水提升場(chǎng)所。特別在某些小規模、低揚程、系統復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(jiǎn)單,但其性能的理論研究卻較復雜,國內外學(xué)者對氣提泵進(jìn)行了大量研究,發(fā)現氣提泵性能主要受其幾何形狀及操作參數影響。其中幾何形狀主要涉及到布氣裝置的尺寸和結構形式。因而近年來(lái),國內外對氣提泵的研究較多集中在布氣裝置的結構形式上,研究主要包括了布氣孔數量、氣孔排列形式、進(jìn)氣方式等因素對氣提性能的影響。由于布氣裝置的設計對氣提泵的揚水量和整體性能有著(zhù)重要影響,因此本文綜合前人的研究成果,并結合工程實(shí)際所需,對布氣裝置的布氣孔徑和進(jìn)氣方式進(jìn)行研究,提出了氣提污水泵布氣裝置的優(yōu)化設計方法,以期為工程中布氣裝置的設計和應用提供參考。

  一、試驗裝置及方法

  1.1 試驗裝置

  試驗模擬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。

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  試驗包括供氣、提升、儲水和測試4個(gè)系統。其中供氣系統由HC-501S回轉式風(fēng)機1、風(fēng)包2、PVC進(jìn)氣軟管6和布氣裝置8組成。提升系統主要有揚水管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(cháng)度(簡(jiǎn)稱(chēng)管長(cháng))、淹沒(méi)比(m=淹沒(méi)深度/管長(cháng))等試驗參數的取值,取值范圍見(jiàn)表1。揚水管底部安裝不同的布氣裝置,連續通入不同體積流量的壓縮空氣(簡(jiǎn)稱(chēng)通氣量),試驗通過(guò)風(fēng)量調節閥3控制通氣量大小,并按3~5m3/h的增量從小到大遞增,同時(shí)由渦街流量計5測試每組通氣量。通過(guò)電磁流量計15測試每組通氣量對應的氣提液體的體積流量(簡(jiǎn)稱(chēng)揚水量)。

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  試驗過(guò)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,通過(guò)調節揚水管水下淹沒(méi)深度來(lái)改變淹沒(méi)比?;剞D式風(fēng)機1輸出的壓縮空氣進(jìn)入風(fēng)包2整流,風(fēng)量調節閥3調節通氣量穩定,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(jìn)氣管6進(jìn)入布氣裝置8,穿過(guò)其布氣小孔注入揚水管內形成氣水混合液,在揚水管內外密度差的作用下,混合液上升至揚水管頂部流出,落入下降管10進(jìn)行氣水分離,分離后的液體(清水或污水)進(jìn)入平衡水箱12,經(jīng)潛水泵11提升至貯水罐,以形成循環(huán);調節潛水泵出口閘閥14達到平衡水箱內水位穩定,通過(guò)出水管13上電磁流量計15測定出水量,作為氣提揚水量。

  二、試驗結果及分析

  2.1 布氣孔徑的影響

  為研究布氣孔徑對氣提性能的影響,設計制作了3種不同布氣孔徑的布氣頭部。根據前人研究發(fā)現,氣提泵在試驗條件下適宜的氣泡直徑為1~4mm,故設計布氣孔為圓形小孔,直徑分別為1.5,3.0,4.0mm3種規格。布氣頭選用DN50的不銹鋼管制作,其頂端用不銹鋼板焊接封堵,其頂端面和側面均勻開(kāi)設等徑布氣小圓孔,其下端連接通氣管道。布氣孔總數保證最小布氣速度不大于10m/s;實(shí)測通氣量和布氣速度范圍見(jiàn)表2,布氣頭實(shí)物如圖2所示。

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  在揚水管底部喇叭口內分別安裝3種孔徑的布氣頭,測試其提升清水的揚水量。揚水管管徑DN100,管長(cháng)5.5m,淹沒(méi)比m=0.6時(shí),測試通氣量與揚水量數據,根據不同布氣頭的實(shí)測數據組繪制通氣量-揚水量變化曲線(xiàn)如圖3所示。

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  分析圖3變化曲線(xiàn)和測試數據發(fā)現:氣提泵采用3種孔徑布氣頭時(shí),由于其工作原理相同,3種布氣頭的揚水量曲線(xiàn)變化規律一致,即隨著(zhù)通氣量的增加,揚水量先快速上升達到峰值,后趨于平穩。但采用3種孔徑布氣頭的提升效果卻有所不同:在相同條件下,隨著(zhù)布氣孔徑的增大,最大揚水量逐漸增加,通氣量-揚水量曲線(xiàn)依次上移。分析原因:一方面,布氣孔徑越小,形成氣泡體積越小,小氣泡在低氣壓下上升時(shí)有合并成大氣塞的趨勢,大氣塞占據了揚水管截面面積,阻礙了水的流動(dòng)。相反,布氣孔徑增大,形成的氣泡體積增大,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(shí),布氣速度大,氣泡運動(dòng)速度較快,氣液滑移速度增大,氣泡的運輸能力較低;反之,進(jìn)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(shí),布氣頭孔徑增大揚水量有所上升。表明適當增大布氣頭孔徑和降低布氣速度,有利于提高氣提泵的揚水能力;由試驗結果對比可知布氣孔徑4mm的提升效果較優(yōu)。

  2.2 布氣方式的影響

  目前,布氣裝置的安裝方式主要有以下2種:(1)直接將布氣頭部放置于揚水管內,這種方式適合揚水管管徑較大的情況,揚水管管徑較小時(shí),布氣頭很難放入;(2)在揚水管底部安裝喇叭口擴容整流,喇叭口內設置布氣頭部,這種方式適合于各種規格的揚水管。但這兩種安裝方式的布氣方式相同:壓縮空氣經(jīng)布氣頭底部進(jìn)入,由其側面和頂面的布氣小孔切割成微小氣泡進(jìn)入揚水管或喇叭口,并形成氣水混合液而被提升。根據工程實(shí)踐和試驗觀(guān)察發(fā)現,采用上述布氣方式的布氣裝置均存在一些明顯的缺點(diǎn):若布氣頭直接放入揚水管,占用了揚水管進(jìn)水斷面積,不僅阻礙揚水管進(jìn)水,而且影響氣體與水的混合均勻性,導致氣力提升泵的工作效率下降;若布氣頭置于喇叭口內,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(wèn)題,降低了氣提效率。

  針對上述布氣方式的缺點(diǎn)和不足,課題組對常規布氣方式進(jìn)行了調整,對常用布氣裝置的結構進(jìn)行了改造。將喇叭口內設布氣頭由內向外布氣方式,改造為沿揚水管側壁開(kāi)孔,由外向內布氣。將喇叭口內布氣的裝置設為布氣裝置Ⅰ,其結構如圖4(a),改造后的裝置設為布氣裝置Ⅱ,其結構如圖4(b)。

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  布氣裝置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(shí),壓縮空氣進(jìn)入外部圓環(huán)形整流罩,整流后的壓縮空氣穿過(guò)內部圓管壁的布氣小孔,經(jīng)上連接管進(jìn)入揚水管,內圓管和上下連接管均與揚水管同徑,因而內圓管為揚水管的延伸,布氣方式可視為沿揚水管側壁布氣。

  根據清水試驗得出的4.0mm布氣孔徑提升效果較佳結論,同時(shí)考慮到污水中雜質(zhì)及沉淀物較多,布氣孔徑過(guò)大,易落入粗大雜質(zhì)而堵塞布氣孔,2種布氣裝置的布氣孔徑均采用4.0mm,布氣孔總數均為258個(gè)。2種布氣裝置的設計參數見(jiàn)表3。

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  2.2.1 布氣裝置揚水量對比

  為了對比分析2種布氣裝置的優(yōu)劣性,在揚水管DN100,管長(cháng)4.0m的揚水管下部分別安裝兩種布氣裝置,淹沒(méi)比(m=0.80~0.70)一定時(shí),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(xiàn)如圖5所示。

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  對比2種布氣裝置的揚水量發(fā)現:在揚水管管徑、管長(cháng)、淹沒(méi)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(zhù)。采用布氣裝置Ⅱ的最大揚水量明顯高于布氣裝置Ⅰ,各管徑和淹沒(méi)比下的最大揚水量均有所增長(cháng),其最大揚水量及增長(cháng)率見(jiàn)表4。由表4可知,布氣裝置Ⅱ較布氣裝置Ⅰ的最大揚水量增長(cháng)率達到25.9%~30.3%。其中淹沒(méi)比為0.8時(shí)最大揚水量增長(cháng)最大。

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  2.2.2 布氣裝置揚水量對比布氣裝置效率對比

  為比較2種布氣裝置的效率大小,采用經(jīng)典的Niklin效率計算公式,對2種布氣裝置的效率進(jìn)行計算,揚水管DN100,管長(cháng)4.0m的通氣量-效率曲線(xiàn)如圖6所示。

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  對比2種布氣裝置的通氣量-效率曲線(xiàn)的變化規律一致:最大提升效率均較靠前,通氣量較小時(shí),提升效率達到最大,此時(shí)對應揚水量較低,當達到最大揚水量時(shí)效率已有明顯下滑。但是,布氣裝置Ⅱ的提升效率明顯高于裝置Ⅰ,在同一通氣量下,各淹沒(méi)比的效率值均有所增長(cháng)。

  綜合2種布氣裝置的揚水量及效率分析可知,氣提泵采用布氣裝置Ⅱ提升能力更佳,即揚水管側壁布氣方式更為合理。主要原因在于:(1)壓縮空氣從布氣裝置Ⅱ的內圓管側壁布氣小孔進(jìn)入,布氣方向由管壁指向管中心,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)布氣裝置內圓管與揚水管同徑,揚水管橫斷面沒(méi)有被布氣頭部占用而得到充分利用,氣泡能夠順暢擴散至揚水管內與污水充分混合,減少了氣泡反溢和泄漏量,增大了氣體利用率;(3)由于內圓管與揚水管等徑,氣水混合液能從布氣裝置段向揚水管段平滑過(guò)渡,能量損失小,提升效率較高。對于布氣裝置Ⅰ,布氣頭位于喇叭口內部,壓縮空氣由布氣頭內向外布氣,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 布氣速度的影響

  由于布氣裝置的布氣孔數量不同,相同通氣量時(shí),布氣速度有所不同。為分析布氣速度對揚水量的影響,選取效率較優(yōu)的側壁通氣方式下,改變布氣孔數量的2種布氣裝置進(jìn)行對比分析。兩種布氣裝置的材質(zhì)、結構及尺寸完全相同(布氣孔徑均為4.0mm),僅布氣孔數增大一倍,二者的設計參數見(jiàn)表5。

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  在管徑DN100,管長(cháng)4.0m的揚水管下部分別安裝2種布氣裝置,選定淹沒(méi)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(xiàn),如圖7所示。

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  由圖7分析可知,揚水管管徑、管長(cháng)、淹沒(méi)比一定,在較低通氣量時(shí),布氣裝置Ⅲ較布氣裝置Ⅱ的揚水量略有上漲,且布氣裝置Ⅲ較布氣裝置Ⅱ先達到揚水量峰值,布氣裝置Ⅲ的效率較優(yōu)。在較大通氣量時(shí),揚水量逐漸達到最大,并趨于穩定。之后,二者揚水量相差不大,優(yōu)勢不明顯。分析原因在于布氣裝置Ⅲ的布氣孔數量增多,進(jìn)氣面積增大,相同通氣量的條件下,氣泡數量增多,布氣速度降低。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(guò)渡流態(tài),在此流態(tài)下氣提泵的效率較高。當通氣量增大到一定程度,布氣速度超過(guò)一定范圍時(shí),氣液滑移速度增大,揚水管內出現環(huán)狀流和纖維流,揚水量增長(cháng)不明顯;隨著(zhù)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致了過(guò)量的加速損失,同時(shí)在立管頂部的空氣空隙率值較大。這導致了立管中更多的摩擦損失,因此泵效率會(huì )降低。

  從圖7可知,在各個(gè)淹沒(méi)比下,通氣量超過(guò)50~70m3/h時(shí),布氣裝置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(shí),布氣裝置Ⅲ的布氣速度為2.1~3.0m/s,故建議布氣裝置的設計布氣速度不宜過(guò)大,以不超過(guò)3m/s為宜。

  總體而言,在布氣方式相同的前提下,采用增加布氣孔數量即增大布氣面積,降低布氣速度的方法并不能帶來(lái)?yè)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(huì )有少量提升。

  三、結論

  (1)適當增大布氣裝置的布氣孔徑,降低進(jìn)氣速度有利于提高揚水量。

  (2)布氣方式對于提高氣提泵整體性能有著(zhù)重要影響。研究發(fā)現,布氣裝置采用揚水管側壁布氣方式優(yōu)于揚水管中心布氣方式。揚水管側壁布氣方式能有效提高揚水量和提升效率,最大揚水量增長(cháng)率可達到25.9%~30.2%。

  (3)合理的布氣速度能夠改善氣提性能,但不能實(shí)現揚水量和效率的大幅度提高。布氣裝置的設計布氣速度不宜過(guò)大,以不超過(guò)3m/s為宜。( >

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