對(duì)一種新污泥閥設(shè)計(jì)思路的初步探討

王 晨

摘要:文章分析了現(xiàn)有污泥脫水設(shè)備進(jìn)料管上可能安裝的調(diào)節(jié)閥頻繁堵塞的原因。流體通過閥門時(shí),節(jié)流口形狀的不理想及其位置的偏離,造成流譜急劇彎曲變化,使流動(dòng)的均勻性和流速的對(duì)稱分布受到破壞是堵塞的主要原因。從污介質(zhì)實(shí)際情況出發(fā),提出了相應(yīng)的技術(shù)措施,設(shè)計(jì)了一種新污泥閥。

關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)閥;流線;流速;粘性底層;紊流核心

中圖分類號(hào):TU992文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)21-0030-04

一、存在的問題

安陽鋼廠用帶式壓濾機(jī)對(duì)高爐煤氣循環(huán)洗滌水所產(chǎn)污泥進(jìn)行脫水。由于機(jī)寬只有兩米,且此循環(huán)水濃縮倍數(shù)較高,雖pH值在一范圍內(nèi)變化,但仍時(shí)而呈酸性,時(shí)而呈堿性,因此閥門開大污水溢濺到設(shè)備主支架和軸承內(nèi),都對(duì)這些部位造成嚴(yán)重腐蝕,即使水體有時(shí)呈中性,但因濃縮倍數(shù)高,析出的鹽分以結(jié)垢方式貼附于其上,造成嚴(yán)重的垢下腐蝕,且軸承磨損加大; 還由于絮凝劑濃度和污泥品質(zhì)不穩(wěn)定, 導(dǎo)致處理效果有時(shí)不理想, 部分污物透過濾網(wǎng)落入集水斗中, 造成排水不暢和污泥外溢泄漏, 所以,其進(jìn)料管上安裝過的旋塞閥、蝶閥、閘閥這三種手動(dòng)閥門,均在小開度下工作。使用期間,頻繁發(fā)生閥門堵塞現(xiàn)象,造成藥劑等浪費(fèi)和設(shè)備的無功磨損,閥門需經(jīng)常操作調(diào)節(jié),其壽命大大縮減,因此常被更換。

二、問題分析

(一)此污泥介質(zhì)概況

高爐煤氣循環(huán)洗滌水污物成分復(fù)雜,不溶解固形物含量高,濁度、色度高,經(jīng)絮凝沉淀濃縮后,此種污泥粘度大、流動(dòng)阻力大,常為粘塑性非牛頓流體。由于此種污泥的成分、含量和絮凝劑濃度均在變化,使得其粘性及相關(guān)參數(shù)也在改變,所以此種流體流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)屬于非均勻且非恒定流。為了有助于理論分析,先將其視為均勻恒定流。

(二)圓管內(nèi)牛頓、粘塑性流體的流動(dòng)及實(shí)際流速分布、流動(dòng)特性

牛頓流體流動(dòng)狀態(tài)有層、紊流兩種。此性質(zhì)對(duì)高含水率污泥也適用,實(shí)際中,流體在管或渠道內(nèi)流動(dòng),層、紊流均可能發(fā)生。其速度分布如圖1所示:

從圖中可看出,層流狀態(tài)下流體中心處即軸心流線上速度最大,越接近邊壁速度越低;紊流狀態(tài)下流體中心處即紊流核心區(qū)軸心流線上速度最大,且兩種狀態(tài)下邊壁處速度均為零。粘性底層的速度分布由邊壁向紊流核心區(qū)逐漸增大,在紊流核心區(qū)的邊界處達(dá)到最大。

粘塑性流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)有一固體核心,在此核心內(nèi)無相對(duì)運(yùn)動(dòng),靠近邊壁則有速度梯度,可視為粘塑性流體流動(dòng)時(shí)的粘性底層。如圖2所示:

(三)對(duì)三種閥門堵塞原因的初步分析

由于各自的結(jié)構(gòu)和流量特性不同,所以旋塞、蝶、閘閥在操作性、對(duì)流體的控制和過流性能等方面都各有所長。全開啟度下,除蝶閥阻擾相對(duì)速度較大的主流區(qū)程度深,且過流斷面被閥板分為形狀均非圓形的兩部分外,旋塞閥和閘閥理論認(rèn)為都能使流體順暢通過,流譜均勻平直無變化。但在小開度下,如圖3所示,這三種閥的節(jié)流口結(jié)構(gòu)形式雖不同,但均偏離原管路中心較遠(yuǎn)且其形狀較原上游管路均勻流處過流斷面形狀改變過大,使得此段流譜彎曲波動(dòng)、疏密程度改變劇烈又嚴(yán)重,流動(dòng)均勻性遭到破壞,流速大小、方向及分布發(fā)生很大變化,這其中包括上游管路內(nèi)均勻流的軸心流線也受很大程度干擾;加上節(jié)流口都對(duì)流體產(chǎn)生節(jié)流作用,致使流量減少,上游管路內(nèi)均勻流的流速下降, 且流體在通過節(jié)流口之前的急變流處壓力先稍有上升,這使其流速稍有下降,但緊接著壓力很快下降,流速很快上升,對(duì)于旋塞閥、閘閥(圖3 a、b)而言,此處有死水區(qū)和大團(tuán)旋渦產(chǎn)生,死水區(qū)污物沉積,而旋渦外圍封閉曲線的不規(guī)則,使得旋渦內(nèi)微團(tuán)線速度差異較大,速度小之處污物易發(fā)生沉積,當(dāng)死水區(qū)和旋渦區(qū)沉積物足夠大時(shí),受實(shí)際流體較大波動(dòng)的干擾和沖刷等因素的影響,會(huì)有大小不等、相對(duì)較密實(shí)的部分污泥塊被沖掉并帶到形狀不很理想的節(jié)流口,易使其堵塞;對(duì)于蝶閥(圖3 c)此時(shí)有部分繞流的特征,在閥板上游流線出現(xiàn)分岔點(diǎn)(即駐點(diǎn)),此點(diǎn)流速為零,污物在此處與閥板之間易于沉積,當(dāng)沉積物體積足夠大時(shí),受實(shí)際流體較大波動(dòng)的干擾和沖刷等因素的影響,可能會(huì)出現(xiàn)較大塊或整塊污泥團(tuán)沿閥板斜面滑向相對(duì)靠下游且形狀不很理想的一節(jié)流口,若這時(shí)此節(jié)流口被堵塞,流體只能從另一側(cè)節(jié)流口通過,之后的堵塞過程基本類似于前兩者。另外,即便是牛頓流體通過節(jié)流口時(shí),由于節(jié)流口形狀改變過大、不很理想,面積急劇變化、流通面積縮小,流速相對(duì)升高,壓力相對(duì)下降,易產(chǎn)生阻塞流。所以實(shí)際情況便是這三種閥門頻繁堵塞。

三、類似泄空(或稱放空)模擬試驗(yàn)

(一)試驗(yàn)前提及概述

由于我所在工作地點(diǎn)通過實(shí)際生產(chǎn)已確認(rèn)旋塞閥和蝶閥用于污泥調(diào)節(jié)不合適,目前只用閘閥,所以此試驗(yàn)只是通過類似的方法定性模擬閘閥和污泥閥泄空時(shí)的過流情況。因我的經(jīng)濟(jì)、居住條件及其它因素有限,所以此試驗(yàn)在家中進(jìn)行。

(二)試驗(yàn)器具、理論依據(jù)概述、測試方法過程及結(jié)果

實(shí)際生產(chǎn)中,污泥經(jīng)樓頂濃縮罐從底端出口排出,其排泥管與壓濾機(jī)進(jìn)料管均為DN120無縫鋼管,調(diào)節(jié)閥安在立管上,與濃縮罐底端出口高差約4.2m。本類似試驗(yàn)采用三截兩端平齊,無毛刺,長度為492±1mm,?準(zhǔn)50×2mm白色PVC管,實(shí)測外徑51mm,壁厚2mm;一端粘接一透明內(nèi)壁光滑平直無褶皺內(nèi)徑52mm,外徑53mm塑料管;將底端用透明塑料板粘牢,并在其上不同位置開不同形狀的小過流口,這是為了模擬閥門在小開度下工作時(shí)過流情況。所得試驗(yàn)用平直管總長為572±1mm。污泥介質(zhì)以當(dāng)?shù)厮赝辆醋匀欢逊e狀態(tài)下以不同土水體積比例混合制成;其中,以土: 水約為1.5～1.8∶1所混合的很稠的具有明顯粘塑性流體待征的污泥介質(zhì)為模擬高爐全開污泥量很大的情況,以土∶水約為1∶5～4所混合的較稀的仍保有牛頓流體特性的污泥介質(zhì)為模擬高爐全檢修污泥量極少的情況?；旌蠒r(shí)撿出其中粒徑相對(duì)較大的石塊,只留一部分小砂粒,以此來模擬實(shí)際中由于結(jié)垢或較硬積泥塊對(duì)過流的影響。

試驗(yàn)所依理論由流體力學(xué)可知,相同材質(zhì)、內(nèi)壁粗糙度、內(nèi)徑、長度且豎直放置的管子,其內(nèi)裝滿相同流體介質(zhì),雖放空過程中壓力水頭逐漸減小,但初始?jí)毫λ^相等,填裝流體介質(zhì)體積相等,泄空時(shí)沿程阻力也相等,所以當(dāng)?shù)锥诵箍者^流口形狀和位置不同時(shí),即便是相同的過流面積,也會(huì)因局部阻力,過流方式等不同,造成流量不等,從而泄空時(shí)間各不相等。所以此試驗(yàn)是以一手按堵住出流口并將管豎直托放平穩(wěn),一手向管內(nèi)裝滿所配污流體介質(zhì),準(zhǔn)備就緒,突然放開泄空過流口,另一人同時(shí)快速按下秒表,當(dāng)堵塞或流完時(shí)再快速按下秒表,以這種計(jì)時(shí)的方法測定各自的泄空時(shí)間。測試結(jié)果見表1:

從表中可看出:當(dāng)介質(zhì)為粘塑性流體,模擬污泥閥以中間開圓小孔的泄空方式,所用時(shí)間最短,且穩(wěn)定均勻,說明以此方式過流,水力條件好,污介質(zhì)過流速度快且過流能力穩(wěn)定;當(dāng)圓孔開在貼近管壁一側(cè),泄空時(shí)間也穩(wěn)定均勻,但時(shí)間加長較明顯,說明其水力條件不是太好;模擬閘閥的單側(cè)彎月形泄空過流口,其時(shí)間已明顯加長且極易堵塞很不穩(wěn)定。當(dāng)流體中雖有污雜物,但仍為牛頓流體時(shí),以中間開圓孔的泄空方式,所用時(shí)間依然較短且穩(wěn)定均勻;單側(cè)貼近管壁開圓孔,所用時(shí)間較穩(wěn)定均勻但有所加長;單側(cè)彎月形泄空過流口,所用時(shí)間變化幅度大,極不穩(wěn)定,當(dāng)過流面積為第一個(gè)的兩倍時(shí),其最短時(shí)間也未達(dá)到第一個(gè)所用時(shí)間的一半,況且有時(shí)所用時(shí)間已超出第一個(gè)的最長時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束后通過下端透明管觀察節(jié)流口上游積泥情況:中間開圓孔時(shí),其節(jié)流口上游四周有一圈連續(xù)的積泥且高度基本一致,內(nèi)側(cè)曲面雖不平整完美但基本為沙漏狀;單側(cè)出流的圓孔或彎月形孔,積泥集中在一側(cè)且有一個(gè)最高點(diǎn),此處基本與過流口正對(duì),其余以最高點(diǎn)對(duì)稱向兩邊降低。

(三)對(duì)此類似模擬試驗(yàn)的個(gè)人見結(jié)

此試驗(yàn)所配污流體介質(zhì)雖只是實(shí)際中連續(xù)變化不定的所有情況中的兩種,但我認(rèn)為有一定的代表性;對(duì)試驗(yàn)用管的加工和制作雖力求精確,但由于我制作能力、技術(shù)水平有限,仍存在一定誤差,且受其它各種條件限制,所以本試驗(yàn)有局限性,只是一次定性的有助于分析問題的輔助性試驗(yàn),僅供各位讀者、前輩和同行參考。

四、相關(guān)理論依據(jù)、解決方法及設(shè)計(jì)方案

(一)理論依據(jù)

根據(jù)牛頓慣性定律可知,物體動(dòng)靜狀態(tài)下皆有此性質(zhì),流體介質(zhì)也一樣,所以當(dāng)流體經(jīng)過一段足夠長直的圓管后,已具有一定慣性,理論上可認(rèn)為其流動(dòng)狀態(tài)、速度分布等已確立,屬于流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)情況。這之后,當(dāng)流體通過一調(diào)節(jié)閥,若此閥開度較小,這時(shí)會(huì)由于節(jié)流口形狀改變過大,流通面積急劇縮小,過流位置偏離原管路中心較遠(yuǎn),且由于慣性的存在,本要以流譜平直、流速分布均勻又對(duì)稱的方式順暢通過,卻受很大程度阻礙和干擾,流譜急劇彎曲、疏密程度改變很大,原上游管路均勻流的軸心流線偏離中心較遠(yuǎn)、彎曲猛烈,均勻又對(duì)稱的流速分布被破壞、發(fā)生劇烈的重新分布,易產(chǎn)生阻塞流。加上流體流經(jīng)不論尺寸為幾形狀為何的物體時(shí),在邊壁處總有無法完全消除的低流速區(qū)或粘性底層,當(dāng)為牛頓流體,發(fā)生層流或紊流處在水力光滑區(qū)時(shí),邊壁的粗糙度被低流速區(qū)或粘性底層所淹沒,所以較高流速區(qū)或紊流核心基本不受粗糙度阻力影響,但低流速會(huì)使污物較易沉積,這會(huì)讓過流通道變窄以致過流能力下降,當(dāng)有部分沉積物受主流擾動(dòng)或沖刷等影響而脫落時(shí),可能會(huì)使下游節(jié)流口發(fā)生堵塞而喪失過流能力;當(dāng)紊流處于水力粗糙區(qū),邊壁受到?jīng)_刷,粘性底層變薄,污物不易沉積,但粗糙度伸入紊流核心,使其脈動(dòng)加劇、受阻增大,這也可使過流能力下降;當(dāng)為粘塑性流體,因其固有的流動(dòng)特性,使得粘性底層對(duì)固體核心的影響基本類似于牛頓流體紊流狀態(tài)下的情況,因此有上、下臨界設(shè)計(jì)流速在閥門全開時(shí)的相關(guān)文獻(xiàn)參考數(shù)值,但當(dāng)閥門開度不同時(shí),常難滿足要求。且流體經(jīng)過節(jié)流口前后會(huì)發(fā)生旋渦、空化、水錘、死水區(qū)和二次流等水力現(xiàn)象,其中死水區(qū)和旋渦有利于流體中較重雜質(zhì)或污物的沉積,且沉積污物有一定的密實(shí)度和穩(wěn)固性,便會(huì)在與主流接觸一側(cè)形成一個(gè)較為穩(wěn)定的曲面,其形狀依節(jié)流口形狀和偏離管中心位置的不同而不同,這一現(xiàn)象對(duì)于污介質(zhì)流體而言不會(huì)被完全消除,但可被利用。所以,解決這一問題的方法是:使閥門在調(diào)節(jié)過程中盡量使原管路內(nèi)的軸心流線不偏離中心,讓流體流經(jīng)閥門時(shí),不論閥門開啟度大小,總令最大流速所在流線及其鄰域能從閥門的中間通過;還要盡可能的保證流體流經(jīng)閥門時(shí),節(jié)流口形狀接近圓形這一水力最優(yōu)斷面;并盡量減小主流與閥芯或由閥芯所構(gòu)成過流通道的接觸面積,以便減少與閥芯有關(guān)且會(huì)出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對(duì)過流能力的影響;并且利用污泥這一實(shí)際流體在死水區(qū)和旋渦處沉積有一定密實(shí)度和穩(wěn)固性的污物能形成較穩(wěn)定過流接觸曲面這一現(xiàn)象,使得實(shí)際流體在通過小開度的此污泥閥節(jié)流口時(shí)能在其上游形成自然的同心漸縮流。

(二)過流情況示意圖及相關(guān)初步分析說明

從圖中可看出:當(dāng)閥門全開(圖4 a),從理論上講流體能順暢通過,流譜均勻平直無變化。小開度下(圖4 b),由于多個(gè)閥瓣所圍成的節(jié)流口形狀在任何開度下均接近圓形這一水力最優(yōu)斷面,且其中心與管路中心重合,這可確保節(jié)流口上游管路均勻流處的軸心流線不發(fā)生偏離和彎曲的順暢流過,也可確保其鄰域內(nèi)流譜發(fā)生很小彎曲較順暢的流過;還可使節(jié)流口上下游急變流流場中除軸心流線的其它流線對(duì)稱地向中心收縮或以中心放散,形成以軸心流線為對(duì)稱軸,分布對(duì)稱的急變流流譜,這樣能使主流的波動(dòng)很小,流動(dòng)的均勻性雖受一定程度干擾,但并未遭完全破壞,流速的分布仍然保持對(duì)稱;其效果應(yīng)是:雖然流通面積急劇縮小,流速升高,壓力下降,但節(jié)流口形狀接近圓形,水力條件較為理想,且過流位置較原管路中心無偏離,所以構(gòu)成阻塞流的條件不完整。再由于閥瓣的阻擋節(jié)流作用,使得節(jié)流口前后的急變流周圍形成難以避免的死水區(qū)和旋渦,此處易沉積污物,但其具有一定的密實(shí)度和穩(wěn)固性,尤其在節(jié)流口上游產(chǎn)生沉積物的堆積,形成較穩(wěn)定的過流接觸曲面;當(dāng)在某一較小開度下,流量穩(wěn)定,主流的波動(dòng)很小且沖刷也不致將堆積沉積物破壞,此時(shí)就會(huì)以圖4 c中所示虛線為邊壁,形成自然的同心漸縮流,大大降低了由旋渦產(chǎn)生的不利影響。還由于閥瓣的結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)動(dòng)方式,使得主流經(jīng)過節(jié)流口時(shí),與其所接觸的面積很小,從而大大減少了與閥芯有關(guān)且會(huì)出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對(duì)主流的影響。最終要達(dá)到的目的是:此污泥閥在不同開度,不同流量下,均能令實(shí)際污介質(zhì)流體順利通過,不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

(三)設(shè)計(jì)方案示意圖及動(dòng)作原理

設(shè)計(jì)方案示意圖如圖5所示:

動(dòng)作原理:蝸桿1受力矩作用,繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)齒輪塊2,在圖5所示時(shí),做順或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),2的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)直齒輪3及在其下端固定的閥瓣4在同一位置,做繞直齒輪3所在柱體軸線的轉(zhuǎn)動(dòng);在開啟狀態(tài)下閥瓣4的曲線邊一側(cè)朝向流體,曲線是為了使閥門在動(dòng)作調(diào)節(jié)時(shí),閥瓣所構(gòu)成的節(jié)流口邊界接近圓形,并且在全開狀態(tài)下,曲邊所構(gòu)成的圓與內(nèi)管5的外徑所在圓,在如圖5所示時(shí),其兩者垂直紙面的投影完全重合,也就是全開狀態(tài)下過流斷面為圓形。另外每一個(gè)閥瓣的上、下表面均為光滑的斜面,這是為了讓閥門在動(dòng)作調(diào)節(jié)時(shí),使閥瓣之間不會(huì)出現(xiàn)理論上所講的貫穿現(xiàn)象,即不互相碰撞;并且還可使其與主流的接觸面積大大減小。

此污泥閥已構(gòu)想完畢, 但尚未造出實(shí)際物體,對(duì)于易堵塞介質(zhì)流體, 目前所采用的辦法是選擇可調(diào)性最佳、最理想的孔形,是在所有開度時(shí),能成為方形或等邊三角形。所以此閥門設(shè)計(jì)的過流孔形不僅所有開度時(shí),均接近圓形且位置始終在管路中央,保持不變,因此,此污泥閥的設(shè)計(jì)核心思想及初衷應(yīng)是較為合理和正確的,應(yīng)能解決污介質(zhì)流體易在閥門處堵塞這一實(shí)際問題;并且此解決方法和設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性已得到理論上的證明,并注冊(cè)了專利,已獲證書。

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作者簡介:王晨(1982-),男,河南蘭考人,河南省安陽鋼鐵集團(tuán)有限公司助理工程師,研究方向:污泥閥設(shè)計(jì)。