黃 達(dá)，張宇雷，張海耿，李金剛，高倩倩

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

氣力提升技術(shù)是將壓縮空氣注入提升立管中，利用管內(nèi)外的壓力差輸送液體。氣力提升裝置無(wú)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，安裝方便、穩(wěn)定性好[1]。廣泛應(yīng)用于石油開(kāi)采[2]、深井取水[3]、化工行業(yè)、有毒液體輸送等領(lǐng)域。在水處理領(lǐng)域中氣力提升技術(shù)應(yīng)用較早，如污水處理廠(chǎng)排泥工況常采用氣力提升技術(shù)[4]。氣力提升技術(shù)理論和試驗(yàn)研究為管道式氣力提升池底吸污裝置提供理論基礎(chǔ)。裴江紅等[5]發(fā)現(xiàn)淹沒(méi)率與氣提效率不呈線(xiàn)性關(guān)系，進(jìn)氣流量也不是越大越好，存在最優(yōu)進(jìn)氣流量。陳光國(guó)等[1]研究了淹沒(méi)率、進(jìn)氣流量和流體濃度三個(gè)參數(shù)對(duì)液體提升流量和提升效率的影響。丁海榮等[6]發(fā)明脈沖式氣提排泥裝置，可以用于水處理領(lǐng)域排泥，也可以用于生物池的反硝化回流。王慶松等[7]研發(fā)一種污泥氣提裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排污，且可以控制污泥排放量。當(dāng)前，影響氣力提升技術(shù)的主要問(wèn)題有：排污均勻性較差；排污量和排污效率還需提高。

工廠(chǎng)化循環(huán)水苗種繁育過(guò)程中水流流速不高，造成糞便殘飼在池底堆積，容易滋生大量微生物，進(jìn)而影響受精卵的孵化進(jìn)程和苗種健康生長(zhǎng)[8]。育苗期間為了保證育苗池清潔需要經(jīng)常吸污，一般使用虹吸法去除底部污物[9]。該方式需要依靠人工完成，易導(dǎo)致魚(yú)苗應(yīng)激，水體渾濁，勞動(dòng)強(qiáng)度大和清污不均勻等。查閱文獻(xiàn)可知，國(guó)內(nèi)外針對(duì)水下魚(yú)池清刷設(shè)備的研究較少。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所設(shè)計(jì)了一款水下魚(yú)池清刷機(jī)器人，利用內(nèi)螺旋路徑規(guī)劃算法完成全覆蓋清掃任務(wù)[10-13]；郭根喜等[14-15]設(shè)計(jì)了一款深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖網(wǎng)衣清潔機(jī)器人，利用高速水流驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，在反沖擊力的作用下，使固定在工作盤(pán)上的清掃刷在網(wǎng)衣表面進(jìn)行摩擦旋轉(zhuǎn)清洗；楊強(qiáng)等[16]對(duì)遙控泳池清潔機(jī)工作原理、模型方程以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供研究方法。對(duì)比傳統(tǒng)人工清潔方式和現(xiàn)有的水下清潔裝備，水下清潔裝備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、設(shè)備體積較大，不適用于小型育苗池使用；清潔方式都是利用刷盤(pán)清潔，對(duì)水體擾動(dòng)較大，容易造成幼魚(yú)應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致死亡。因此需要研究一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、對(duì)幼魚(yú)應(yīng)激較小的清潔裝備。

本研究將氣力提升技術(shù)與水下清潔裝備技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款管道式氣力提升池底吸污裝備。

1 氣力提升系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

常規(guī)的氣力提升裝置如圖1所示，主要由提升管和進(jìn)氣管組成。

圖1 氣提裝置示意圖

提升管一端浸沒(méi)在液體中，提升管底端連接進(jìn)氣管[17]。氣力提升裝置的原理是：壓縮空氣經(jīng)氣管注入提升管中，空氣與管中液體沖擊后有大量氣泡產(chǎn)生，氣泡在提升管中做垂直向上運(yùn)動(dòng)，氣泡上浮中會(huì)聚集成與管徑相當(dāng)?shù)臍馀輹r(shí)發(fā)生破裂。在氣提過(guò)程中，液體與氣泡會(huì)交替出現(xiàn)，氣泡在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)液體連續(xù)上升，直至被提升出管外[18]。當(dāng)管道中的固體顆粒物受到液體摩擦阻力大于自身重力時(shí)，顆粒物就會(huì)提升出管外[19]。

1.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)氣力提升工作原理設(shè)計(jì)了一款旋轉(zhuǎn)管道式氣力提升池底吸污裝置，如圖2所示。該裝置由吸污管、提升立管、集水槽、軸承座、旋轉(zhuǎn)軸、減速電機(jī)、齒輪和進(jìn)氣管組成。圖3是旋轉(zhuǎn)管道式氣力提升池底吸污裝置試驗(yàn)裝置。

圖2 氣提吸污裝置系統(tǒng)組成

圖3 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2 氣力提升系統(tǒng)理論模型建立

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

提升管管徑、淹沒(méi)率和進(jìn)氣流量是管道式氣力提升池底吸污裝置的主要設(shè)計(jì)參數(shù)[20]。參考《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五冊(cè))》中的公式計(jì)算[21]。

(1)

式中：h為提升管淹沒(méi)高度，m；H為提升管提升高度，m；μ為密度系數(shù)，一般取值2～2.5。

(2)

式中：Qg為氣體流量，L/min；K為安全系數(shù)，一般取1.2；Q為提升管設(shè)計(jì)提升流量，m3/h；γ為效率系數(shù)，一般取值0.35～0.45；g為重力加速度，m2/s。

根據(jù)上述公式，可確定進(jìn)氣流量、淹沒(méi)率、提升管管徑等都需通過(guò)其他方法確定參數(shù)。

2.2 提升管管徑計(jì)算

通過(guò)查閱文獻(xiàn)[17]，氣液流型和提升管管徑之間的關(guān)系已有學(xué)者研究，但是由于不同的工況條件，流體流型也存在差異。因此需要根據(jù)具體實(shí)際工況選擇合適的計(jì)算模型。谷曉娟[22]將流體流型分為環(huán)狀流、團(tuán)狀流、氣泡流和塊狀流。氣力提升效率在團(tuán)狀流的模型中效果最好，根據(jù)團(tuán)狀流方程計(jì)算相應(yīng)管徑大小。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

公式(7)是氣泡流模型和團(tuán)狀流模型的分界線(xiàn)公式；公式(8)是團(tuán)狀流模型和泡沫流模型的分界線(xiàn)公式。根據(jù)上述計(jì)算公式，已知?dú)饬μ嵘囊后w流量和進(jìn)氣量就可以計(jì)算出提升管的管徑范圍。

2.3 淹沒(méi)率計(jì)算

淹沒(méi)率是指提升立管浸沒(méi)在水面以下的高度與提升立管高度的比值。相關(guān)研究表明[17]，氣力提升裝置的提升能力隨淹沒(méi)率的增加而增加?！杜潘こ?下冊(cè))》[21]規(guī)定，在一般情況下，淹沒(méi)率應(yīng)大于等于0.5。所以，在滿(mǎn)足一定的液體提升高度條件下，盡可能增大淹沒(méi)率，且應(yīng)大于或等于0.5。

2.4 進(jìn)氣量計(jì)算

利用Golan流型分界線(xiàn)方程和Sadek Z.Kassab計(jì)算模型聯(lián)合求解[23]，計(jì)算進(jìn)氣量的范圍值。

(9)

(10)

式中：K為摩擦參數(shù)；s為滑移率；VL為進(jìn)口處的提升液體流速，m/s；f為摩擦因子。

(11)

(12)

Dare[24]的研究表明，氣力提升的提升高度與提升立管管徑相關(guān)，提升立管管徑越大，氣力提升高度越低。相關(guān)研究表明，氣力提升的效率與管徑相關(guān)，提升立管管徑越大，氣力提升效率越高。因此在選擇提升立管管徑時(shí)，應(yīng)考慮工程應(yīng)用中對(duì)氣力提升高度和效率的要求。

3 氣力提升吸污效果試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究進(jìn)氣量、提升立管管徑、淹沒(méi)率和吸口截表面積4個(gè)因素對(duì)管道式氣力提升裝置提升能力的影響，即與吸口流速和吸污效率之間的關(guān)系。池底吸污裝置設(shè)定啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為2 min，收集2 min內(nèi)通過(guò)提升立管中液體，使用5 L燒杯測(cè)量液體體積，計(jì)算得出單位時(shí)間內(nèi)提升立管中的液體流量，即氣提流量。進(jìn)氣流量測(cè)定是通過(guò)在進(jìn)氣管上安裝氣體流量計(jì)，調(diào)節(jié)流量計(jì)至設(shè)定的進(jìn)氣流量即可。吸口截表面積通過(guò)測(cè)量吸污管上吸口尺寸與吸口數(shù)量計(jì)算得出。吸口流速通過(guò)氣提流量和吸口截表面積計(jì)算得出，吸污效率是氣提流量和進(jìn)氣流量的比值。

3.2 進(jìn)氣量

風(fēng)機(jī)將壓縮空氣注入提升立管中的體積流量即為進(jìn)氣量，是管道式氣力提升池底吸污裝置的能量來(lái)源。本試驗(yàn)在淹沒(méi)率為0.778、提升立管直徑為75 mm、吸污管上均勻分布8×? 8 mm(表面積為402 mm2)的吸污口的條件下，研究進(jìn)氣量分別在2、4、6、8、10和12 m3/h工況條件下管道式氣力提升池底吸污裝置吸口流速和吸污效率。圖4所示，吸口流速隨著進(jìn)氣量的增加而增加，在進(jìn)氣流量為12 m3/h時(shí)最大吸口流速1.279 m/s；吸污效率隨著進(jìn)氣流量增大趨于穩(wěn)定，在進(jìn)氣流量為10 m3/h時(shí)最大吸污效率為15.9%。

圖4 吸口流速和吸污效率與進(jìn)氣量的關(guān)系

3.3 立管管徑

根據(jù)前文的理論計(jì)算，可知管徑越小，提升高度越高；管徑越大，提升效率越高，因此提升立管管徑選擇是管道式氣力提升池底吸污裝置的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。本試驗(yàn)在淹沒(méi)率為0.778、吸污管上均布8×? 8 mm(表面積為402 mm2)的吸污口的條件下，研究進(jìn)氣量分別在2、4、6、8、10和12 m3/h工況條件下提升立管管徑分別為50 mm和75 mm時(shí)吸口流速和吸污效率。

圖5為立管直徑為50 mm和75 mm在不同進(jìn)氣流量下的吸口流速，在進(jìn)氣流量≤7 m3/h時(shí)，? 50 mm的提升立管吸口流速大于? 75 mm提升立管的吸口流速。圖6表明，? 50 mm的提升立管吸污效率大于? 75 mm提升立管的吸污效率；進(jìn)氣流量>7 m3/h時(shí)，? 75 mm的提升立管吸口流速大于? 50 mm提升立管的吸口流速，同時(shí)? 75 mm的提升立管吸污效率大于? 50 mm提升立管的吸污效率。

圖5 立管管徑與吸口流速的關(guān)系

圖6 立管管徑與吸污效率的關(guān)系

3.4 淹沒(méi)率

本試驗(yàn)在進(jìn)氣流量為6 m3/h，吸污管上均布8×? 8 mm(表面積為402 mm2)的吸污口，提升立管管徑為? 50 mm的條件下，研究淹沒(méi)率分別在0.333、0.444、0.556、0.667和0.778工況下管道式氣力提升池底吸污裝置吸口流速和吸污效率。圖7表明，在5種工況下，管道式氣力提升池底吸污裝置吸口流速分別為0.089、0.364、0.549、0.69和0.76 m/s；吸污效率分別為2.2%、8.8%、13.3%、16.5%和18.3%。

圖7 吸口流速和吸污效率與淹沒(méi)率的關(guān)系

3.5 吸口截表面積

魚(yú)池池底顆粒物主要通過(guò)吸口進(jìn)入提升立管進(jìn)而排出管外，所以吸口截表面積也是影響管道式氣力提升池底吸污裝置的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。本試驗(yàn)在淹沒(méi)率為0.778，進(jìn)氣量為6 m3/h和提升立管管徑為? 50 mm的條件下，考察吸口截表面積分別為75.4 mm2(6×? 4 mm)、226.1 mm2(8×? 6 mm)、502.4 mm2(10×? 8 mm)、785 mm2(10×? 10 mm)和942 mm2(12×? 10 mm)工況下管道式氣力提升池底吸污裝置吸口流速和吸污效率。圖8表明，在五種工況下，管道式氣力提升池底吸污裝置吸口流速分別為1.52 m/s、1.04 m/s、0.88 m/s、0.64 m/s和0.55 m/s；吸污效率分別為5.1%、10.6%、19.9%、22.5%和23.5%。

圖8 吸口流速和吸污效率與吸口截表面積的關(guān)系

4 討論

4.1 進(jìn)氣流量對(duì)吸污效果影響分析

圖4可以發(fā)現(xiàn)，在低進(jìn)氣流量時(shí)，吸口流速很低，池底顆粒物不能被提上來(lái)，只有當(dāng)進(jìn)氣流量達(dá)到一定值時(shí)，顆粒物所受到的摩擦阻力大于其自身重力時(shí)才能被提上來(lái)，此時(shí)的進(jìn)氣流量稱(chēng)為臨界進(jìn)氣流量。當(dāng)進(jìn)氣流量小于臨界進(jìn)氣流量時(shí)，大量聚集的小氣泡未能形成大氣泡，液體在提升立管中不能流出管外，該流型為氣泡流。當(dāng)進(jìn)氣流量大于臨界進(jìn)氣流量時(shí)，提升立管中有大氣泡形成，該流型為彈狀流；此時(shí)提升立管中的液體會(huì)慢慢流出管外，吸口流速也會(huì)增大；當(dāng)進(jìn)氣流量繼續(xù)增大時(shí)，吸口流速增加的幅度會(huì)變小，最后維持不變，這時(shí)的流型為團(tuán)狀流[25-28]。

4.2 淹沒(méi)率對(duì)吸污效果影響分析

圖7可以看出，吸口流速和吸污效率隨著淹沒(méi)率的增加也會(huì)相應(yīng)增加。分析原因：一方面當(dāng)淹沒(méi)率增加時(shí)，浸沒(méi)在液體中提升立管高度增加，在提升立管中的壓縮空氣與管內(nèi)流體混合更加均勻，隨著氣泡上升的流體流量更多；另一方面當(dāng)淹沒(méi)率增加，液體的提升高度減小，流出管外的流體所需能量減少，在進(jìn)氣流量不變的情況下，提升流體的能量不變，根據(jù)能量守恒原理，流出管外的流體更多，吸口流速和吸污效率也會(huì)相應(yīng)增加。

4.3 吸口截面積對(duì)吸污效果影響分析

當(dāng)吸口截表面積增大時(shí)，吸口流速減小后趨于穩(wěn)定，因?yàn)樵谘蜎](méi)率和進(jìn)氣流量不改變的情況下，提升立管已達(dá)到最大的提升能力，吸口流速會(huì)趨于穩(wěn)定；吸口截表面積增大時(shí)，吸污效率會(huì)增大后趨于穩(wěn)定，吸口截面積增大，流體進(jìn)入吸口的面積增大，進(jìn)入到提升立管中的流體更多，吸污效率也會(huì)增大，受限于淹沒(méi)率和進(jìn)氣流量，吸污效率會(huì)趨于穩(wěn)定。

4.4 吸口形狀和位置對(duì)吸污效果影響分析

試驗(yàn)表明，吸口形狀和位置會(huì)影響吸污均勻性，后期將進(jìn)一步優(yōu)化吸污管的吸口形狀和位置，提高吸污均勻性和吸污效率。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[29]，提升立管中流體流型是影響氣力提升裝置性能的重要因素，提升立管中的流體流型除了和管徑相關(guān)，進(jìn)氣方式同樣也是主要因素[30]。后期將改變進(jìn)氣方式，優(yōu)化吸污裝置的排污性能。

5 結(jié)論

本研究從循環(huán)水育苗池底清污需求出發(fā)，首次將氣力提升技術(shù)運(yùn)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖育苗系統(tǒng)中，解決了育苗過(guò)程中池底清污技術(shù)空白，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。通過(guò)建立氣力提升系統(tǒng)理論模型和氣力提升吸污效果試驗(yàn)研究，試驗(yàn)得出在進(jìn)氣量為6 m3/h、淹沒(méi)率為0.778、提升立管管徑為50 mm和吸口截表面積為226 mm2的工況條件下，管道式氣力提升池底吸污裝置可以達(dá)到最優(yōu)性能。該池底吸污裝備存在吸污不均勻現(xiàn)象，在提升立管一側(cè)的吸污效果好于遠(yuǎn)離提升立管一端。因此需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，包括吸口位置和進(jìn)氣方式等，其他因素對(duì)吸污效果的影響需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。本研究也為后續(xù)裝備研發(fā)、試驗(yàn)和推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

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