寧海燕 ，羅本福 ，張明杰 ，陳 強(qiáng) ，王輝艷

（1.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610039；2.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610100；3.四川中恒工程設(shè)計(jì)院有限公司，成都 610100）

0 前言

氣提式污水泵無(wú)水下轉(zhuǎn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，安全可靠，性能穩(wěn)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(guī)模、低揚(yáng)程、系統(tǒng)復(fù)雜的排水工程中采用氣提式污水泵，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。氣提泵的幾何形狀簡(jiǎn)單，但其性能的理論研究卻較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣提泵進(jìn)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［1］。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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jìn)氣方式等因素對(duì)氣提性能的影響［1-5］。由于布?xì)庋b置的設(shè)計(jì)對(duì)氣提泵的揚(yáng)水量和整體性能有著重要影響［2］，因此本文綜合前人的研究成果，并結(jié)合工程實(shí)際所需，對(duì)布?xì)庋b置的布?xì)饪讖胶瓦M(jìn)氣方式進(jìn)行研究，提出了氣提污水泵布?xì)庋b置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以期為工程中布?xì)庋b置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?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(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 大管徑氣提泵試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)包括供氣、提升、儲(chǔ)水和測(cè)試4個(gè)系統(tǒng)。其中供氣系統(tǒng)由HC-501S回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)1、風(fēng)包2、PVC進(jìn)氣軟管6和布?xì)庋b置8組成。提升系統(tǒng)主要有揚(yáng)水管9、下降管10和潛水泵11；試驗(yàn)揚(yáng)水管采用亞克力透明圓管；儲(chǔ)水系統(tǒng)用于存儲(chǔ)和平衡水量，主要由儲(chǔ)水筒7、平衡水箱12和貯水罐17組成；測(cè)試系統(tǒng)采用了氣壓表4、渦街流量計(jì)5，電磁流量計(jì)15，用于測(cè)試氣壓、氣量和水量。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法：選定揚(yáng)水管管徑、揚(yáng)水管長(zhǎng)度（簡(jiǎn)稱(chēng)管長(zhǎng)）、淹沒(méi)比（m=淹沒(méi)深度/管長(zhǎng)）等試驗(yàn)參數(shù)的取值，取值范圍見(jiàn)表1。揚(yáng)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(jiǎn)稱(chēng)通氣量），試驗(yàn)通過(guò)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥3控制通氣量大小，并按3～5 m3/h的增量從小到大遞增，同時(shí)由渦街流量計(jì)5測(cè)試每組通氣量。通過(guò)電磁流量計(jì)15測(cè)試每組通氣量對(duì)應(yīng)的氣提液體的體積流量（簡(jiǎn)稱(chēng)揚(yáng)水量）。

表1 試驗(yàn)參數(shù)取值

試驗(yàn)過(guò)程：將揚(yáng)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(chǔ)水筒7內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)水管水下淹沒(méi)深度來(lái)改變淹沒(méi)比?；剞D(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)1輸出的壓縮空氣進(jìn)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(cè)定氣壓值，由渦街流量計(jì)5測(cè)試通氣量，壓縮空氣由進(jìn)氣管6進(jìn)入布?xì)庋b置8，穿過(guò)其布?xì)庑】鬃⑷霌P(yáng)水管內(nèi)形成氣水混合液，在揚(yáng)水管內(nèi)外密度差的作用下，混合液上升至揚(yáng)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(diào)節(jié)潛水泵出口閘閥14達(dá)到平衡水箱內(nèi)水位穩(wěn)定，通過(guò)出水管13上電磁流量計(jì)15測(cè)定出水量，作為氣提揚(yáng)水量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 布?xì)饪讖降挠绊?/h3>

為研究布?xì)饪讖綄?duì)氣提性能的影響，設(shè)計(jì)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(yàn)條件下適宜的氣泡直徑為1～4 mm［5］，故設(shè)計(jì)布?xì)饪诪閳A形小孔，直徑分別為1.5，3.0，4.0 mm 3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(kāi)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?0 m/s；實(shí)測(cè)通氣量和布?xì)馑俣确秶?jiàn)表2，布?xì)忸^實(shí)物如圖2所示。

表2 3種孔徑布?xì)忸^設(shè)計(jì)及試驗(yàn)參數(shù)

圖2 3種孔徑布?xì)忸^實(shí)物

在揚(yáng)水管底部喇叭口內(nèi)分別安裝3種孔徑的布?xì)忸^，測(cè)試其提升清水的揚(yáng)水量。揚(yáng)水管管徑DN100，管長(zhǎng)5.5 m，淹沒(méi)比m=0.6時(shí)，測(cè)試通氣量與揚(yáng)水量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同布?xì)忸^的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)組繪制通氣量-揚(yáng)水量變化曲線如圖3所示。

圖3 3種孔徑布?xì)忸^的揚(yáng)水量對(duì)比

分析圖3變化曲線和測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：氣提泵采用3種孔徑布?xì)忸^時(shí)，由于其工作原理相同，3種布?xì)忸^的揚(yáng)水量曲線變化規(guī)律一致，即隨著通氣量的增加，揚(yáng)水量先快速上升達(dá)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(yáng)水量逐漸增加，通氣量-揚(yáng)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(shí)有合并成大氣塞的趨勢(shì)，大氣塞占據(jù)了揚(yáng)水管截面面積，阻礙了水的流動(dòng)［2］。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(shí)，布?xì)馑俣却?，氣泡運(yùn)動(dòng)速度較快，氣液滑移速度增大，氣泡的運(yùn)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?xì)忸^孔徑增大揚(yáng)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(yáng)水能力；由試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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?/h3>

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(yáng)水管內(nèi)，這種方式適合揚(yáng)水管管徑較大的情況，揚(yáng)水管管徑較小時(shí)，布?xì)忸^很難放入；（2）在揚(yáng)水管底部安裝喇叭口擴(kuò)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(yáng)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(jìn)入，由其側(cè)面和頂面的布?xì)庑】浊懈畛晌⑿馀葸M(jìn)入揚(yáng)水管或喇叭口，并形成氣水混合液而被提升。根據(jù)工程實(shí)踐和試驗(yàn)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(diǎn)：若布?xì)忸^直接放入揚(yáng)水管，占用了揚(yáng)水管進(jìn)水?dāng)嗝娣e，不僅阻礙揚(yáng)水管進(jìn)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(yáng)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(duì)上述布?xì)夥绞降娜秉c(diǎn)和不足，課題組對(duì)常規(guī)布?xì)夥绞竭M(jìn)行了調(diào)整，對(duì)常用布?xì)庋b置的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(kāi)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）。

圖4 2種布?xì)庋b置的結(jié)構(gòu)示意

布?xì)庋b置Ⅱ的上下連接管與揚(yáng)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(yáng)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(nèi)部圓管壁的布?xì)庑】?，?jīng)上連接管進(jìn)入揚(yáng)水管，內(nèi)圓管和上下連接管均與揚(yáng)水管同徑，因而內(nèi)圓管為揚(yáng)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(yàn)得出的4.0 mm布?xì)饪讖教嵘Ч^佳結(jié)論，同時(shí)考慮到污水中雜質(zhì)及沉淀物較多，布?xì)饪讖竭^(guò)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?.0 mm，布?xì)饪卓倲?shù)均為258個(gè)。2種布?xì)庋b置的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 2種布?xì)庋b置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)參數(shù)

2.2.1 布?xì)庋b置揚(yáng)水量對(duì)比

為了對(duì)比分析2種布?xì)庋b置的優(yōu)劣性，在揚(yáng)水管DN100，管長(zhǎng)4.0 m的揚(yáng)水管下部分別安裝兩種布?xì)庋b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20.5～106.5 m3/h，測(cè)試其提升污水的揚(yáng)水量，并繪制通氣量-揚(yáng)水量曲線如圖5所示。

圖5 2種布?xì)庋b置揚(yáng)水量變化曲線對(duì)比

對(duì)比2種布?xì)庋b置的揚(yáng)水量發(fā)現(xiàn)：在揚(yáng)水管管徑、管長(zhǎng)、淹沒(méi)比不變的條件下，二者達(dá)到最大揚(yáng)水量的通氣量相近，均為60～80 m3/h達(dá)到揚(yáng)水量峰值，但二者峰值揚(yáng)水量差異顯著。采用布?xì)庋b置Ⅱ的最大揚(yáng)水量明顯高于布?xì)庋b置Ⅰ，各管徑和淹沒(méi)比下的最大揚(yáng)水量均有所增長(zhǎng)，其最大揚(yáng)水量及增長(zhǎng)率見(jiàn)表4。由表4可知，布?xì)庋b置Ⅱ較布?xì)庋b置Ⅰ的最大揚(yáng)水量增長(zhǎng)率達(dá)到25.9%～30.3%。其中淹沒(méi)比為0.8時(shí)最大揚(yáng)水量增長(zhǎng)最大。

表4 2種布?xì)庋b置的最大揚(yáng)水量對(duì)比

2.2.2 布?xì)庋b置揚(yáng)水量對(duì)比布?xì)庋b置效率對(duì)比

為比較2種布?xì)庋b置的效率大小，采用經(jīng)典的Niklin［6］效率計(jì)算公式，對(duì)2種布?xì)庋b置的效率進(jìn)行計(jì)算，揚(yáng)水管DN100，管長(zhǎng)4.0 m的通氣量-效率曲線如圖6所示。

圖6 2種布?xì)庋b置效率變化曲線對(duì)比

對(duì)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(shí)，提升效率達(dá)到最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)揚(yáng)水量較低，當(dāng)達(dá)到最大揚(yáng)水量時(shí)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(méi)比的效率值均有所增長(zhǎng)。

綜合2種布?xì)庋b置的揚(yáng)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(yáng)水管側(cè)壁布?xì)夥绞礁鼮楹侠?。主要原因在于：?）壓縮空氣從布?xì)庋b置Ⅱ的內(nèi)圓管側(cè)壁布?xì)庑】走M(jìn)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(yáng)水管同徑，揚(yáng)水管橫斷面沒(méi)有被布?xì)忸^部占用而得到充分利用，氣泡能夠順暢擴(kuò)散至揚(yáng)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(yáng)水管等徑，氣水混合液能從布?xì)庋b置段向揚(yáng)水管段平滑過(guò)渡，能量損失小，提升效率較高。對(duì)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(kuò)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(yáng)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?/h3>

由于布?xì)庋b置的布?xì)饪讛?shù)量不同，相同通氣量時(shí)，布?xì)馑俣扔兴煌?。為分析布?xì)馑俣葘?duì)揚(yáng)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(jìn)行對(duì)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?.0 mm），僅布?xì)饪讛?shù)增大一倍，二者的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 2種布?xì)庋b置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)參數(shù)

在管徑DN100，管長(zhǎng)4.0 m的揚(yáng)水管下部分別安裝2種布?xì)庋b置，選定淹沒(méi)比（m=0.80～0.70），通入不同氣量（20.5～106.5 m3/h），測(cè)試二者提升污水的揚(yáng)水量，并繪制通氣量-揚(yáng)水量曲線，如圖7所示。

圖7 2種布?xì)庋b置揚(yáng)水量和效率變化曲線對(duì)比

由圖7分析可知，揚(yáng)水管管徑、管長(zhǎng)、淹沒(méi)比一定，在較低通氣量時(shí)，布?xì)庋b置Ⅲ較布?xì)庋b置Ⅱ的揚(yáng)水量略有上漲，且布?xì)庋b置Ⅲ較布?xì)庋b置Ⅱ先達(dá)到揚(yáng)水量峰值，布?xì)庋b置Ⅲ的效率較優(yōu)。在較大通氣量時(shí)，揚(yáng)水量逐漸達(dá)到最大，并趨于穩(wěn)定。之后，二者揚(yáng)水量相差不大，優(yōu)勢(shì)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(jìn)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(yùn)輸能力，有利于形成團(tuán)狀流或團(tuán)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［7］。當(dāng)通氣量增大到一定程度，布?xì)馑俣瘸^(guò)一定范圍時(shí)，氣液滑移速度增大，揚(yáng)水管內(nèi)出現(xiàn)環(huán)狀流和纖維流，揚(yáng)水量增長(zhǎng)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(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(dǎo)致了立管中更多的摩擦損失，因此泵效率會(huì)降低［2］。

從圖7可知，在各個(gè)淹沒(méi)比下，通氣量超過(guò)50～70 m3/h時(shí)，布?xì)庋b置Ⅲ和裝置Ⅱ的揚(yáng)水量逐漸拉近，裝置Ⅲ的優(yōu)勢(shì)下降，二者的揚(yáng)水效率迅速降低。此時(shí)，布?xì)庋b置Ⅲ的布?xì)馑俣葹?.1～3.0 m/s，故建議布?xì)庋b置的設(shè)計(jì)布?xì)馑俣炔灰诉^(guò)大，以不超過(guò)3 m/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?lái)?yè)P(yáng)水量和效率的大幅提升，僅在較小通氣量范圍，揚(yáng)水量和效率會(huì)有少量提升。

3 結(jié)論

（1）適當(dāng)增大布?xì)庋b置的布?xì)饪讖?，降低進(jìn)氣速度有利于提高揚(yáng)水量。

（2）布?xì)夥绞綄?duì)于提高氣提泵整體性能有著重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，布?xì)庋b置采用揚(yáng)水管側(cè)壁布?xì)夥绞絻?yōu)于揚(yáng)水管中心布?xì)夥绞?。揚(yáng)水管側(cè)壁布?xì)夥绞侥苡行岣邠P(yáng)水量和提升效率，最大揚(yáng)水量增長(zhǎng)率可達(dá)到25.9%～30.2%。

（3）合理的布?xì)馑俣饶軌蚋纳茪馓嵝阅埽荒軐?shí)現(xiàn)揚(yáng)水量和效率的大幅度提高。布?xì)庋b置的設(shè)計(jì)布?xì)馑俣炔灰诉^(guò)大，以不超過(guò)3 m/s為宜。