新型無動力潷水器的設(shè)計與研究

王　瑛,扈　陽,王少峰

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050)

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新型無動力潷水器的設(shè)計與研究

王瑛,扈陽,王少峰

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050)

摘要介紹了一種新型無動力潷水器。在潷水堰口處安裝一個浮體,使其可以實現(xiàn)無動力自行上下移動,堰槽采用多堰口固定設(shè)計。對其工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計組成、技術(shù)參數(shù)的計算進行了說明,同時介紹了該設(shè)備的設(shè)計注意事項。在工程應(yīng)用中對新型潷水器進行測試,并加以改進。結(jié)果表明該設(shè)備運行穩(wěn)定良好。

關(guān)鍵詞新型潷水器;工作原理;結(jié)構(gòu)設(shè)計

我國普遍使用的潷水器大致分為三類:機械式潷水器[1]、虹吸式潷水器[2]、浮筒式潷水器[3]。機械式潷水器潷水負荷大,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機械部件多,接近污泥層時容易擾動污泥,旋轉(zhuǎn)部件長期在水下工作后容易出現(xiàn)故障,后期維護繁瑣,且其本身造價高。虹吸式潷水器結(jié)構(gòu)簡單,維護方便,運行費用低,不足之處是其設(shè)計精度高,虹吸要求條件高,潷水深度有限。浮筒式潷水器動力消耗小,結(jié)構(gòu)簡單,但伸縮軟管長期處于污水浸泡下,也容易出現(xiàn)故障,適用于小型污水廠。我們設(shè)計了一種新型無動力潷水器,該潷水器無需外部機械裝置提供動力,結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,運行穩(wěn)定。

1結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

新型潷水器主要由浮筒平衡系統(tǒng)和排水管系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)浮筒平衡系統(tǒng)浮筒平衡系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)潷水口由浮力自行隨水位上下移動,其主要由浮體組成。浮體上可設(shè)置注水孔,使浮體始終處于一個恰當?shù)难蜎]深度,否則會由于淹沒過深而造成上清液排出不徹底,因淹沒過淺使浮渣進入排水支管或設(shè)備進氣提前結(jié)束潷水過程。堰口固定于浮體下方,并距最高液面200~400 mm(該位置可視浮渣情況進行手動調(diào)節(jié))。堰口設(shè)計為方形凹槽,并與四根排水支管做固定連接,保證潷水過程中堰口始終保持水平,堰口設(shè)計如圖2所示。

(2)排水管系統(tǒng)排水管系統(tǒng)由排水支管、排水總管、萬向節(jié)、水位檢測儀、最低水位固定支架、電磁閥組成。萬向節(jié)將四根排水支管匯集于一根排水總管上,后通入緩沖池。

1.2工作原理

當池內(nèi)上清液位于最高液面時,液位檢測儀控制電磁閥開啟,潷水開始。此時液面不斷下降,最終設(shè)備將停止在最低水位固定支架上不再向下移動,此時到達最低水位,電磁閥關(guān)閉,整個管路中還存有澄清的上清液,設(shè)備閑置,待池內(nèi)開始注入污水,反應(yīng)沉淀后,液面又到達最高水位,電磁閥開啟,潷水重新開始。

1.堰口;2.浮體;3.萬向節(jié);4.實驗水槽;5.最低水位控制器6.緩沖槽;7.排水管;8.電磁閥;9.水位監(jiān)測儀圖1　新型潷水器的結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure diagram of new decanter

圖2　堰口橫截面Fig.2　Diagram of weir’s cross section

2各部件參數(shù)的設(shè)計與計算

2.1浮體的設(shè)計

由于主要靠浮體浮力使設(shè)備上下移動實現(xiàn)潷水,所以,應(yīng)該嚴格核算浮體所產(chǎn)生的浮力是否以可承受其自身、潷水管路、萬向節(jié)等部件的重力。一般選取F/W=1.5較為合適[4],其中F為浮體浮力,W為自身重力。W應(yīng)該包含浮體自身的重力W1與其他部件重力W2。當浮力與重力相等時,設(shè)備就會實現(xiàn)漂浮狀態(tài)。之所以選擇浮力大于重力,是因為堰口與浮頭采用固定連接,浮頭浮力大,其淹沒深度小,堰口距離上清液距離小,利于上清液排出。如果距離過小,也可通過浮頭注水控制堰口位置。

2.2堰口的設(shè)計

潷水堰堰口設(shè)計[5]計算主要是為了確定堰的長度及流量。由于潷水堰一般都由薄不銹鋼板制成,所以其設(shè)計應(yīng)滿足薄壁堰流的條件[6]

(1)

其中:δ為堰坎厚度(m);H為堰上水頭(m)。為了加速潷水過程,節(jié)省時間,應(yīng)采用流量大、水流穩(wěn)定的矩形薄壁堰,并在排水量達標的前提下滿足其經(jīng)濟性。對于自由出流的矩形薄壁堰,堰的流量為

(2)

其中:Q為堰的流量(m3/s);b為潷水堰的長度(m);g為重力加速度(m/s2);m0為流量系數(shù),矩形薄壁的流量系數(shù)計算公式為

(3)

3實驗驗證

潷水器在自流狀態(tài)下的排水過程可簡化為如圖3所示的形式,并做出相關(guān)計算[7]。

圖3　潷水器的排水過程Fig.3　Drainage process of the decanter

圖3中,點1為潷水口,液體流速為V1,點3為排水出口,管徑為D3,流速為V3。點1~點3包括了潷水器的管道、萬向節(jié)、閥門等所有管件。設(shè)各段管道的管徑、長度和流速分別為Di、Li和Vi,沿程損失系數(shù)為fi,萬向節(jié)和閥門的局部損失系數(shù)為Ki。容器的水平截面積為AR,液位(以點3為零點算起的高度)用y來表示。假設(shè)在排水過程中,液位從yA降到y(tǒng)B所需的時間為T,排出的累積流量為∑Q。

潷水器在排水時,設(shè)液面高度為y時的瞬時流量為Q,經(jīng)過微元時間δt后液面下降了δy,則有

Q·δt= -AR·δy。

對上式從yA到y(tǒng)B進行積分,可得液面從A點降到B點的時間為

(4)

因為水池與排水管徑相比足夠大,故液面降低很慢,可按穩(wěn)定流狀態(tài)應(yīng)用伯諾里方程。從自由液面1點到排水口3點應(yīng)用伯諾里方程:

(5)

(6)

若忽略局部損失之間的相互影響,由疊加原理得總局部損失為

(7)

其中:∑Ki為管道各處的局部損失折算到出口流速V3時的損失系數(shù)之和。又有

(8)

將式(4)~式(8)聯(lián)立,考慮到V1=0,P1=P3,y=Z1-Z3,則有

(9)

瞬時流量為

(10)

將式(10)代入式(4),積分后可得液位從yA降到y(tǒng)B所需的時間為

(11)

因為∑Q=AR(yA-yB),故從式(11)中求出yB就可得到從液位高度yA開始排水t秒后的累積流量為

(12)

根據(jù)圖1,設(shè)計了一臺新型潷水器樣品。取試驗樣機的排水管徑為50 mm,試驗用水槽的水平截面積S為3.75 m2,液位的初始高度為1.62 m、結(jié)束高度為0.53 m,即yA=1.62 m,yB=0.53 m。其中yA為最高水位,yB為最低水位。根據(jù)文獻[8-10]中提供的阻力損失系數(shù)與計算公式可以得出潷水器Q、T、∑Q的表達式分別為

表1是樣機的實測數(shù)據(jù)和理論計算值的比較,其中實測值為5次測量的算術(shù)平均值,理論值為按照上述公式得出的計算值。

表1　實測數(shù)據(jù)和理論計算值的比較

續(xù)表1

高度/m瞬時流量Q/(m3·h-1)實測值理論值累積流量∑Q/m3實測值理論值排水時間T/s實測值理論值0.7713.8613.933.233.30673.1686.60.7213.4013.483.423.49722.3735.70.6712.9513.013.613.69773.2788.00.6212.4912.523.793.88826.1841.00.5712.0312.013.984.08881.1897.00.5211.5011.484.174.27938.4954.6

由表1分析對比可以得到,計算值和實測值十分接近,并且誤差均小于2%。這說明計算公式是正確的,可以在工程設(shè)計中使用。自流狀態(tài)下的排水流量是潷水器的主要性能指標之一,對于管徑相同的潷水器,排水量大則經(jīng)濟性高。因此,潷水器的設(shè)計開發(fā)力求用盡可能小的管徑實現(xiàn)盡可能大的排水量,對于流量大于1 000 m3/h的大型潷水器更是如此。

4結(jié)論

新型無動力潷水器堰口始終淹沒在液面以下。在反應(yīng)沉淀后,反應(yīng)池內(nèi)上清液液面上會漂浮一些污泥殘渣,此設(shè)計保證堰口始終處于上清液液面下方,有效防止浮渣進入潷水管中造成水質(zhì)的二次污染,從而影響出水效果,且不用單獨設(shè)置擋渣板,結(jié)構(gòu)更為簡單。新型無動力潷水器完全采用無動力運行,潷水器在工作過程中只靠浮頭提供的浮力使設(shè)備上下移動,與浮筒式潷水器相比較,不用由電磁閥控制進氣出氣,設(shè)備構(gòu)成更為簡單,控制更為方便,水下也沒有橡膠軟管等部件,更利于長期水下作業(yè)。其全部潷水管由萬向節(jié)連接,與旋轉(zhuǎn)式潷水器相比較,動作相對穩(wěn)定平衡,轉(zhuǎn)動靈活,機械損耗小,不會產(chǎn)生大幅度的機械振動擾動污泥。堰槽采用多堰口分布,從而使設(shè)備均勻柔和潷水,不會產(chǎn)生吸力而擾動污泥層,影響出水水質(zhì)。

新型潷水器采用無動力設(shè)計,潷水過程柔和,克服機械振動。堰槽采用多堰口分布,有效地克制接近污泥層時的吸力,且潷水深度大。它的結(jié)構(gòu)簡單,基建費用低,運行穩(wěn)定,流量調(diào)整靈活,便宜自制,變通性好,有很高的普適性,具有較好的經(jīng)濟意義,新型潷水器在中小反應(yīng)器中有很好的應(yīng)用前景。

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Design and Research of New Unpowered Decanter

Wang Ying,Hu Yang,Wang Shaofeng

(CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnloogy,Lanzhou730050,China)

AbstractThis paper introduces a new SBR decanter. A floating body is installed at the weir of the decanter so that it can move up and down on its own without power. The weir tank adopts the multi-weir fixed design. The working principle,structure design composition,computing of technology parameters of the decanter have been described,and the design considerations of the device are also introduced. The new decanter has been tested in engineering applications,and some improvements have been made. It runs stable and well.

Key wordsNew decanter;Working principles;Structure

中圖分類號:X703.3

文獻標志碼:A

文章編號:1004-0366(2016)01-0149-04

作者簡介:王瑛(1961-),男,甘肅禮縣人,教授,研究方向為市政工程與環(huán)保節(jié)能.E-mail:86871665@qq.com.

收稿日期:2014-10-20;修回日期:2015-01-17.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.032.

引用格式:Wang Ying,Hu Yang,Wang Shaofeng.Design and Research of New Unpowered Decanter[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):149-152.[王瑛,扈陽,王少峰.新型無動力潷水器的設(shè)計與研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(1):149-152.]