探究污水處理用螺旋曝氣多功能試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

葛良武

(合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230009)

1 設(shè)計(jì)目的

通過(guò)設(shè)計(jì)螺旋曝氣多功能裝置，得到影響曝氣泵性能的相關(guān)因素，主要研究轉(zhuǎn)子和定子尺寸以及螺紋參數(shù)對(duì)泵性能的影響，從而達(dá)到提高曝氣設(shè)備性能的目的，為研究新型的污水曝氣裝置提供參考數(shù)據(jù)。

2 新型螺旋曝氣器試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 迷宮螺旋泵

迷宮螺旋泵是新型螺旋曝氣器的核心部件。它的核心組成結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面具有相同尺寸和形狀的螺紋，但是螺紋的方向卻相反。轉(zhuǎn)子通過(guò)旋轉(zhuǎn)作用，將流道內(nèi)的液體帶動(dòng)，液體受到定子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)部螺紋的相互作用，從低壓端被傳送到了高壓端，這就是泵送效應(yīng)。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，對(duì)迷宮螺旋泵進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，并在其密封理論上采用簡(jiǎn)化假設(shè)的方法對(duì)螺旋曝氣裝置內(nèi)中螺旋段對(duì)流體產(chǎn)生的壓力做分析。

為了計(jì)算方便，下面的計(jì)算中將不考慮定子以及轉(zhuǎn)子的曲

在這里，k是揚(yáng)程系數(shù);α是螺紋升角;d是轉(zhuǎn)子的直徑;l是配合螺紋長(zhǎng)度;v是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度;z是螺紋數(shù)目;Q是泵流量;g是重力加速度;S是軸向定子、轉(zhuǎn)子的流通面積和。在式子中，揚(yáng)程系數(shù)的取值與螺紋的幾何、形狀參數(shù)關(guān)系很大，它的取值對(duì)螺旋曝氣裝置的性能有很大的影響。該試驗(yàn)?zāi)軌虼_定螺紋中各個(gè)參數(shù)和k的關(guān)系。率對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響，并假設(shè)定子和轉(zhuǎn)子是理想平板模型，平板以v/2的速度運(yùn)動(dòng)。設(shè)定轉(zhuǎn)子的軸向方向?yàn)閦軸，旋轉(zhuǎn)切向是x軸。假定:通過(guò)轉(zhuǎn)子軸向傳輸?shù)铰菪蔚牧黧w體積為Q;設(shè)定軸向上的流體面積是S，由此可以得到軸向上的流體運(yùn)行速度(平均速度):Q/S;流體的切向速度(圓周速度):－(Q/S)tanα+v/2。螺旋段軸向上的全部蜂窩體所產(chǎn)生的總壓與定子轉(zhuǎn)子和配合段螺紋產(chǎn)生的壓力和相等。若配合螺紋段的蜂窩體總數(shù)是m=zl/tanα，則可以得到計(jì)算揚(yáng)程的公式:

2.2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)原理

據(jù)相關(guān)參考資料可以知道，迷宮螺旋泵曝氣性能明顯和輸送純水的性能不同，螺旋泵的定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的螺紋參數(shù)對(duì)泵的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。設(shè)計(jì)一個(gè)螺旋曝氣試驗(yàn)裝置，能夠方便地更換裝置中的定子和轉(zhuǎn)子，測(cè)定不同尺寸的轉(zhuǎn)子和定子對(duì)曝氣性能的影響。

2.2.1 迷宮螺旋曝氣泵結(jié)構(gòu)

通過(guò)設(shè)置試驗(yàn)用的簡(jiǎn)便裝置開(kāi)展試驗(yàn)，這里設(shè)置的迷宮螺旋曝氣泵中，泵的定子和轉(zhuǎn)子能夠進(jìn)行方便的裝配和拆卸并且泵殼和泵軸也能夠進(jìn)行方便的裝卸，這樣能夠滿足試驗(yàn)要求，隨時(shí)進(jìn)行不同規(guī)格的定子及轉(zhuǎn)子的更換。下圖為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的裝置:

如圖，設(shè)計(jì)中在泵的進(jìn)口吸液管旁邊設(shè)計(jì)了一個(gè)吸氣孔。在吸氣管以及吸液管上都配備了閥門，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門能夠十分便捷的調(diào)節(jié)吸液量以及吸氣量。在吸氣管和吸液管的管路中安裝了流量計(jì)，能夠?qū)Ω髯怨苤械囊后w流量進(jìn)行測(cè)量。變頻電機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)螺旋曝氣泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以人為對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。在螺旋泵的進(jìn)口、中部以及出口全部開(kāi)設(shè)了取壓孔，分別對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行壓力測(cè)定。

在泵出口法蘭處安裝了能夠?qū)Ρ脙?nèi)氣液情況進(jìn)行觀察的管路，方便記錄泵內(nèi)氣體和液體的混合度。為了方便取樣研究，在管路中設(shè)置了取樣孔，這樣能夠隨時(shí)對(duì)混合液體中的含氣量進(jìn)行測(cè)量。

2.2.2 試驗(yàn)流程

設(shè)計(jì)的螺旋曝氣裝置試驗(yàn)工藝流程如下圖所示:

在該流程中，螺旋曝氣泵是主體，在泵體流道上設(shè)置壓力傳感器、吸入流量傳感器以及溶解氧測(cè)量?jī)x等，通過(guò)各個(gè)儀器儀表的測(cè)量，能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝流程參數(shù)的測(cè)定。該裝置的各個(gè)技術(shù)參數(shù)如下:螺旋曝氣泵額定流量3立方米每時(shí);最大污水處理量4立方米每時(shí)。

2.2.3 試驗(yàn)設(shè)備

(1)可更換式氣液兩相流入口接管。此部件是過(guò)流部件的入口段，對(duì)泵內(nèi)部的流廠有很大的影響作用。試驗(yàn)中為了方便更換，該接管設(shè)計(jì)的是螺紋連接。通過(guò)更換入口段可以對(duì)觀測(cè)到流道到氣體入口之間的垂直距離對(duì)曝氣效果的影響。

(2)可更換定子和轉(zhuǎn)子。本試驗(yàn)中定子和轉(zhuǎn)子的配合有效長(zhǎng)度是100毫米。通過(guò)套筒軸和軸肩對(duì)泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行固定，同時(shí)采用泵殼以及排液管軸向壓緊的方式對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)固定。試驗(yàn)中螺紋型線有4種:等邊三角形、直角三角形、梯形以及矩形。通過(guò)對(duì)螺紋型線以及不同型號(hào)的轉(zhuǎn)子和定子進(jìn)行更換，可以達(dá)到測(cè)定螺紋參數(shù)以及定子、轉(zhuǎn)子型號(hào)對(duì)曝氣性能的影響。

(3)并聯(lián)管路。在本試驗(yàn)中采用并聯(lián)管路設(shè)計(jì)，通過(guò)并聯(lián)接入其他的曝氣設(shè)備，研究其他曝氣設(shè)備和螺旋曝氣裝置的曝氣性能的差別。

2.2.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)開(kāi)始前，為了減少氣蝕，快速抽出液體，首先進(jìn)行灌泵。關(guān)閉吸氣管上的閥門，開(kāi)始灌泵，灌泵結(jié)束后開(kāi)啟曝氣泵。隨著泵的轉(zhuǎn)動(dòng)壓力不斷增大，待達(dá)到正常工作壓力時(shí)，打開(kāi)吸氣管路上的閥門，注意要緩慢的旋轉(zhuǎn)閥門，使吸氣量逐漸上升直到最大。當(dāng)泵的進(jìn)口壓力Ps小于氣體的進(jìn)口壓力Pg時(shí)，通過(guò)壓強(qiáng)差就能夠自動(dòng)進(jìn)入泵內(nèi)。因此，當(dāng)Ps＞Pg時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，使Ps＜Pg，可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥，減小液體入口的方法使液體入口的壓力變大，實(shí)現(xiàn)氣體自動(dòng)吸入。

調(diào)節(jié)到泵正常工作狀態(tài)后，泵內(nèi)的定子和轉(zhuǎn)子能夠?qū)M(jìn)入的液體和氣體進(jìn)行強(qiáng)烈的物理攪拌，使氣液充分混合，達(dá)到增溶、增壓的效果，并能夠形成含有小氣泡的氣液混合物。這時(shí)通過(guò)可視管道對(duì)泵內(nèi)的混合物進(jìn)行觀察，記錄氣液混合度。并通過(guò)采樣口取樣，進(jìn)行取樣分析，檢測(cè)液體中氣泡的狀態(tài)。通過(guò)回流泵，混合物回到水箱，在此處的溶解氧測(cè)量?jī)x就會(huì)對(duì)水箱中混合液進(jìn)行含氧量測(cè)量，并記錄。

2.2.5 試驗(yàn)特點(diǎn)

(1)整套曝氣裝置的核心是螺旋曝氣泵。在試驗(yàn)中，通過(guò)更換不同型號(hào)的轉(zhuǎn)子和定子以及跟換4種螺紋參數(shù)，研究不同尺寸的轉(zhuǎn)子和定子以及不同的螺紋參數(shù)對(duì)曝氣泵性能的影響。

(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的螺旋曝氣裝置在試驗(yàn)中具有4個(gè)特點(diǎn)。一，泵內(nèi)氣液混合情況可視。通過(guò)在出口管路段設(shè)置可視管路，能夠直接觀察到泵內(nèi)部的氣液混合情況;二，不同規(guī)格的轉(zhuǎn)子和定子在試驗(yàn)中可以方便更換，吸入管路的端部也可進(jìn)行更換;三，設(shè)計(jì)并聯(lián)管路。通過(guò)接入不同的曝氣設(shè)備能夠研究這種新型的曝氣裝置和其他曝氣設(shè)備之間的差異;四，可以自由調(diào)節(jié)裝置的轉(zhuǎn)速，并能夠在裝置工作情況下進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)壓，這種特點(diǎn)能夠?yàn)檠芯刻峁└鄶?shù)據(jù)，提高試驗(yàn)的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

這種新型的螺旋曝氣裝置還處于試驗(yàn)階段，并沒(méi)有進(jìn)入全面的推廣。隨著科研技術(shù)的不斷發(fā)展，相信這種新型的螺旋曝氣充氧技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的完善，并在水質(zhì)工程中得到推廣。

[1]程旭，劉進(jìn)立等.污水處理用螺旋曝氣多功能試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41(2):29.