高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率影響因素試驗(yàn)研究

包 艷， 徐振揚(yáng)， 林欣然， 王翀霄， 孫 陽(yáng),3

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 3.南京水匯能源科技有限公司， 江蘇 南京 211800 )

1 研究背景

我國(guó)偏遠(yuǎn)山區(qū)居民的飲水和耕地灌溉困難是一個(gè)典型的低水頭水力能開(kāi)發(fā)滯后引發(fā)的民生問(wèn)題[1-4]。這些地區(qū)一般河流在山下，而人和耕地在山上，因而造成水資源豐富卻缺水的狀況。同時(shí)由于村落分散及電網(wǎng)不穩(wěn)定，利用傳統(tǒng)的電泵站很難解決供水問(wèn)題[5-8]。本文試驗(yàn)的研究對(duì)象是一套利用低落差水力能作為動(dòng)力的提水裝置，它可以利用較低的水流落差將水力能轉(zhuǎn)換成氣壓差能，然后將氣壓差能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)提水的功能，從而不需要消耗傳統(tǒng)的汽、柴油或電力資源。將該套裝置命名為高壓氣揚(yáng)水泵，由于它是以一種氣液能量轉(zhuǎn)換的概念設(shè)計(jì)的全新泵水裝置，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作未見(jiàn)開(kāi)展。裝置所涉及的氣液兩相流相互作用的室內(nèi)試驗(yàn)研究工作雖有部分報(bào)道[9-15]，但試驗(yàn)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)與本裝置所涉及的功能完全不同。此外，由于影響高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率的因素眾多，且這些因素之間也會(huì)互相影響，所以須進(jìn)行大量的試驗(yàn)以確定該套裝置與泵水效率相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置

高壓氣揚(yáng)水泵是一種利用高壓氣體實(shí)現(xiàn)提水功能的水泵，圖1給出了試驗(yàn)裝置示意圖，圖中的管道均為PVC材質(zhì)，裝置主要由水源、泵水管、進(jìn)氣管、空氣壓縮機(jī)等幾部分組成。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置，本試驗(yàn)用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體來(lái)模擬從自然界水流中搜集到的高壓氣體。當(dāng)水與進(jìn)氣管輸入的氣體相遇時(shí)，產(chǎn)生氣液兩相流，在壓強(qiáng)差及氣體拖曳力的共同作用下，水源源不斷地被泵送到揚(yáng)程H處，從而實(shí)現(xiàn)泵水的功能。試驗(yàn)涉及到的參數(shù)包括揚(yáng)程H、泵水管直徑D、進(jìn)氣管直徑d和回水高度T。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

3 泵水效率定義

廣義的工作效率是指機(jī)械的輸出功(有用功量)與輸入功(動(dòng)力功量)的百分比，即有用功與總功的比值。針對(duì)本試驗(yàn)裝置而言，有用功為液體被抬起一定揚(yáng)程后所具有的勢(shì)能，總功為初始狀態(tài)具有一定壓強(qiáng)的氣體發(fā)生等溫膨脹時(shí)所做的功。故高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率值是以百分比表示的水做的功占?xì)怏w等溫膨脹功的比值，以下為推導(dǎo)出的高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率計(jì)算公式：

(1)

式中：η為泵水效率；Wwater為被揚(yáng)起水量的勢(shì)能；Wair為高壓氣壓差能，高壓氣在常溫常壓下膨脹作功，逐漸與大氣壓強(qiáng)趨于一致。在自然環(huán)境下，P2為當(dāng)?shù)卮髿鈮海琸Pa；V2為當(dāng)?shù)卮髿鈮合聦?duì)應(yīng)的氣體體積，m3；P1指高壓氣壓強(qiáng)，kPa；V1指高壓狀態(tài)下的氣體體積，m3。

由公式(1)可知，與泵水效率直接相關(guān)的因素為氣體的壓強(qiáng)、耗氣體積、提水量和揚(yáng)程。而圖1試驗(yàn)裝置中的進(jìn)氣管直徑d、泵水管直徑D、回水高度T等與上述因素之間均有一定的聯(lián)系。高壓氣揚(yáng)水泵裝置不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間相互影響，是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)，因此要獲得高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率的最優(yōu)值，需要通過(guò)大量的系統(tǒng)性試驗(yàn)探究各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系及其對(duì)泵水效率的影響。

4 揚(yáng)程與泵水效率的關(guān)系

圖2、3表示在D=20 mm、T=3 m的條件下，揚(yáng)程H在3～12 m之間變化、進(jìn)氣管直徑d分別為3、4 mm時(shí)的不同揚(yáng)程泵水效率與壓力之間的變化關(guān)系。由圖2、3可以看出，隨著進(jìn)氣壓力的逐漸增加，不同揚(yáng)程的泵水效率均呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢(shì)。這是由于壓力繼續(xù)增大后，高壓氣體不能夠被充分利用而產(chǎn)生了部分浪費(fèi)，導(dǎo)致泵水效率逐漸降低。另外，一般當(dāng)壓力值在32～34 kPa之間時(shí)，泵水效率達(dá)到最大值。泵水效率的最大值隨著揚(yáng)程的改變而發(fā)生明顯變化，通過(guò)分析可以確定，揚(yáng)程每增大3 m，則泵水效率最大值平均下降約5%。將圖2、3進(jìn)行對(duì)比還可以看出，當(dāng)進(jìn)氣管直徑較小時(shí)，泵水效率與壓力的關(guān)系隨著揚(yáng)程的不同而較為散亂；當(dāng)進(jìn)氣管直徑增大之后，不同揚(yáng)程泵水效率隨壓力的變化曲線(xiàn)趨于接近。

圖2 不同揚(yáng)程泵水效率與壓力的關(guān)系(d=3 mm)

圖3 不同揚(yáng)程泵水效率與壓力的關(guān)系(d=4 mm)

5 進(jìn)氣管直徑與泵水效率的關(guān)系

圖4、5表示在T=3 m、H=6 m的條件下，進(jìn)氣管直徑d在3.0～4.5 m之間變化、泵水管直徑D分別為20、25 mm時(shí)的不同進(jìn)氣管直徑泵水效率與壓力之間的變化關(guān)系。由圖4、5可看出，在進(jìn)氣管直徑較小時(shí)，泵水效率與壓力的關(guān)系尚不明顯；當(dāng)進(jìn)氣管直徑增大到一定程度時(shí)，達(dá)到泵水效率峰值所需的壓力值逐漸減小。在峰值右側(cè)的泵水效率下降過(guò)程中，進(jìn)氣管直徑越小，下降越緩慢，其原因可能是在較大的壓力條件下(壓力已超過(guò)最大泵水效率所需壓力)，進(jìn)氣管直徑大的情況下所輸入的高壓氣體量多于進(jìn)氣管直徑小的情況，導(dǎo)致泵管中大部分空間被氣體占有，使得泵水效率降低的更快。另外，對(duì)比圖4和5還發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣管直徑的改變對(duì)于泵水效率的最大值影響不大。

圖4 不同進(jìn)氣管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(D=20 mm)

圖5 不同進(jìn)氣管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(D=25 mm)

6 泵水管直徑與泵水效率的關(guān)系

圖6、7分別表示在T=5 m、H=10 m的條件下，泵水管直徑D在16～32 mm之間變化、進(jìn)氣管直徑d分別為4、5 mm時(shí)的不同泵水管直徑對(duì)泵水效率與壓力關(guān)系的影響。由圖6、7可以看出，不同泵水管直徑的泵水效率均隨壓力先增大后減小的大體趨勢(shì)沒(méi)有改變，同時(shí)對(duì)泵水效率的峰值影響不大；在峰值右側(cè)的下降區(qū)域中，D較大時(shí)的泵水效率明顯大于D較小時(shí)，如在d=4 mm的試驗(yàn)中，當(dāng)壓力為58 kPa時(shí)，D=16、20、25、32 mm所達(dá)到的泵水效率分別為8.12%、19.35%、33.20%和38.05%；隨著D的增大，達(dá)到最大泵水效率時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值也逐漸增大，如在d=4 mm的試驗(yàn)中，D=16、20、25、32 mm時(shí)，達(dá)到最大泵水效率所需壓力分別為50.5、52.0、54.0和57.5 kPa，其原因可能是隨著D增大，若想達(dá)到最大的泵水效率，泵水管中就需要更多的高壓氣體，而在進(jìn)氣管直徑一定的條件下，欲增大高壓氣體的量就需要更大的壓力。另外根據(jù)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)還可以發(fā)現(xiàn)D較大時(shí)，泵水效率隨壓力的變化出現(xiàn)多組峰值情況。

圖6 不同泵水管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(d=4 mm)

圖7 不同泵水管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(d=5 mm)

7 結(jié) 論

(1) 總體上看，泵水效率隨壓力的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；泵水效率在減小的過(guò)程中，進(jìn)氣管直徑越小，則下降越緩慢。

(2) 泵水管直徑變化時(shí)，泵水管直徑較大情況下的泵水效率明顯大于直徑較小的情況；泵水管直徑越大，達(dá)到最大泵水效率時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值也越大。

(3) 在充分的壓力條件下，進(jìn)氣管直徑與泵水效率成反比。為獲得較高且穩(wěn)定的泵水效率，宜采用小直徑進(jìn)氣管。

(4) 當(dāng)所需揚(yáng)程一定時(shí)，回水高度的增加使得回水高度處至進(jìn)氣管處之間的壓差增大，提高了試驗(yàn)裝置的提水能力，故可考慮在實(shí)際工程應(yīng)用中通過(guò)提高回水高度充分發(fā)揮該裝置的性能。