管道式氣力提升池底吸污裝置性能研究及試驗

黃 達，張宇雷，張海耿，李金剛，高倩倩

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，上海 200092)

氣力提升技術是將壓縮空氣注入提升立管中，利用管內外的壓力差輸送液體。氣力提升裝置無機械傳動機構，安裝方便、穩(wěn)定性好[1]。廣泛應用于石油開采[2]、深井取水[3]、化工行業(yè)、有毒液體輸送等領域。在水處理領域中氣力提升技術應用較早，如污水處理廠排泥工況常采用氣力提升技術[4]。氣力提升技術理論和試驗研究為管道式氣力提升池底吸污裝置提供理論基礎。裴江紅等[5]發(fā)現(xiàn)淹沒率與氣提效率不呈線性關系，進氣流量也不是越大越好，存在最優(yōu)進氣流量。陳光國等[1]研究了淹沒率、進氣流量和流體濃度三個參數(shù)對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，該裝置可以實現(xiàn)自動化排污，且可以控制污泥排放量。當前，影響氣力提升技術的主要問題有：排污均勻性較差；排污量和排污效率還需提高。

工廠化循環(huán)水苗種繁育過程中水流流速不高，造成糞便殘飼在池底堆積，容易滋生大量微生物，進而影響受精卵的孵化進程和苗種健康生長[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，易導致魚苗應激，水體渾濁，勞動強度大和清污不均勻等。查閱文獻可知，國內外針對水下魚池清刷設備的研究較少。中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所設計了一款水下魚池清刷機器人，利用內螺旋路徑規(guī)劃算法完成全覆蓋清掃任務[10-13]；郭根喜等[14-15]設計了一款深遠海網(wǎng)箱養(yǎng)殖網(wǎng)衣清潔機器人，利用高速水流驅動葉輪旋轉，在反沖擊力的作用下，使固定在工作盤上的清掃刷在網(wǎng)衣表面進行摩擦旋轉清洗；楊強等[16]對遙控泳池清潔機工作原理、模型方程以及系統(tǒng)設計提供研究方法。對比傳統(tǒng)人工清潔方式和現(xiàn)有的水下清潔裝備，水下清潔裝備結構較為復雜、設備體積較大，不適用于小型育苗池使用；清潔方式都是利用刷盤清潔，對水體擾動較大，容易造成幼魚應激反應導致死亡。因此需要研究一款結構簡單、體積較小、對幼魚應激較小的清潔裝備。

本研究將氣力提升技術與水下清潔裝備技術相結合，設計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，主要由提升管和進氣管組成。

圖1 氣提裝置示意圖

提升管一端浸沒在液體中，提升管底端連接進氣管[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動，氣泡上浮中會聚集成與管徑相當?shù)臍馀輹r發(fā)生破裂。在氣提過程中，液體與氣泡會交替出現(xiàn)，氣泡在管內的運動會帶動液體連續(xù)上升，直至被提升出管外[18]。當管道中的固體顆粒物受到液體摩擦阻力大于自身重力時，顆粒物就會提升出管外[19]。

1.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)氣力提升工作原理設計了一款旋轉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、旋轉軸、減速電機、齒輪和進氣管組成。圖3是旋轉管道式氣力提升池底吸污裝置試驗裝置。

圖2 氣提吸污裝置系統(tǒng)組成

圖3 試驗裝置實物圖

2 氣力提升系統(tǒng)理論模型建立

2.1 設計參數(shù)

提升管管徑、淹沒率和進氣流量是管道式氣力提升池底吸污裝置的主要設計參數(shù)[20]。參考《給水排水設計手冊(第五冊)》中的公式計算[21]。

(1)

式中：h為提升管淹沒高度，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為提升管設計提升流量，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，可確定進氣流量、淹沒率、提升管管徑等都需通過其他方法確定參數(shù)。

2.2 提升管管徑計算

通過查閱文獻[17]，氣液流型和提升管管徑之間的關系已有學者研究，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)具體實際工況選擇合適的計算模型。谷曉娟[22]將流體流型分為環(huán)狀流、團狀流、氣泡流和塊狀流。氣力提升效率在團狀流的模型中效果最好，根據(jù)團狀流方程計算相應管徑大小。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

公式(7)是氣泡流模型和團狀流模型的分界線公式；公式(8)是團狀流模型和泡沫流模型的分界線公式。根據(jù)上述計算公式，已知氣力提升的液體流量和進氣量就可以計算出提升管的管徑范圍。

2.3 淹沒率計算

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

2.4 進氣量計算

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

(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，提升立管管徑越大，氣力提升高度越低。相關研究表明，氣力提升的效率與管徑相關，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，應考慮工程應用中對氣力提升高度和效率的要求。

3 氣力提升吸污效果試驗

3.1 試驗設計

研究進氣量、提升立管管徑、淹沒率和吸口截表面積4個因素對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系。池底吸污裝置設定啟動時長為2 min，收集2 min內通過提升立管中液體，使用5 L燒杯測量液體體積，計算得出單位時間內提升立管中的液體流量，即氣提流量。進氣流量測定是通過在進氣管上安裝氣體流量計，調節(jié)流量計至設定的進氣流量即可。吸口截表面積通過測量吸污管上吸口尺寸與吸口數(shù)量計算得出。吸口流速通過氣提流量和吸口截表面積計算得出，吸污效率是氣提流量和進氣流量的比值。

3.2 進氣量

風機將壓縮空氣注入提升立管中的體積流量即為進氣量，是管道式氣力提升池底吸污裝置的能量來源。本試驗在淹沒率為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，吸口流速隨著進氣量的增加而增加，在進氣流量為12 m3/h時最大吸口流速1.279 m/s；吸污效率隨著進氣流量增大趨于穩(wěn)定，在進氣流量為10 m3/h時最大吸污效率為15.9%。

圖4 吸口流速和吸污效率與進氣量的關系

3.3 立管管徑

根據(jù)前文的理論計算，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計參數(shù)。本試驗在淹沒率為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在不同進氣流量下的吸口流速，在進氣流量≤7 m3/h時，? 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；進氣流量>7 m3/h時，? 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? 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系

圖6 立管管徑與吸污效率的關系

3.4 淹沒率

本試驗在進氣流量為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率的關系

3.5 吸口截表面積

魚池池底顆粒物主要通過吸口進入提升立管進而排出管外，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計參數(shù)。本試驗在淹沒率為0.778，進氣量為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系

4 討論

4.1 進氣流量對吸污效果影響分析

圖4可以發(fā)現(xiàn)，在低進氣流量時，吸口流速很低，池底顆粒物不能被提上來，只有當進氣流量達到一定值時，顆粒物所受到的摩擦阻力大于其自身重力時才能被提上來，此時的進氣流量稱為臨界進氣流量。當進氣流量小于臨界進氣流量時，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。當進氣流量大于臨界進氣流量時，提升立管中有大氣泡形成，該流型為彈狀流；此時提升立管中的液體會慢慢流出管外，吸口流速也會增大；當進氣流量繼續(xù)增大時，吸口流速增加的幅度會變小，最后維持不變，這時的流型為團狀流[25-28]。

4.2 淹沒率對吸污效果影響分析

圖7可以看出，吸口流速和吸污效率隨著淹沒率的增加也會相應增加。分析原因：一方面當淹沒率增加時，浸沒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；另一方面當淹沒率增加，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相應增加。

4.3 吸口截面積對吸污效果影響分析

當吸口截表面積增大時，吸口流速減小后趨于穩(wěn)定，因為在淹沒率和進氣流量不改變的情況下，提升立管已達到最大的提升能力，吸口流速會趨于穩(wěn)定；吸口截表面積增大時，吸污效率會增大后趨于穩(wěn)定，吸口截面積增大，流體進入吸口的面積增大，進入到提升立管中的流體更多，吸污效率也會增大，受限于淹沒率和進氣流量，吸污效率會趨于穩(wěn)定。

4.4 吸口形狀和位置對吸污效果影響分析

試驗表明，吸口形狀和位置會影響吸污均勻性，后期將進一步優(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。通過查閱相關文獻[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，進氣方式同樣也是主要因素[30]。后期將改變進氣方式，優(yōu)化吸污裝置的排污性能。

5 結論

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運用在水產(chǎn)養(yǎng)殖育苗系統(tǒng)中，解決了育苗過程中池底清污技術空白，大大降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。通過建立氣力提升系統(tǒng)理論模型和氣力提升吸污效果試驗研究，試驗得出在進氣量為6 m3/h、淹沒率為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，在提升立管一側的吸污效果好于遠離提升立管一端。因此需進一步優(yōu)化設計參數(shù)，包括吸口位置和進氣方式等，其他因素對吸污效果的影響需要進行進一步試驗。本研究也為后續(xù)裝備研發(fā)、試驗和推廣應用提供理論指導。

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