底流管直徑對旋流防阻機性能的影響

田金乙，倪龍，趙加寧

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底流管直徑對旋流防阻機性能的影響

田金乙，倪龍，趙加寧

（哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱 150090）

為考察由旋流分離器和引射回流裝置組成的污水旋流防阻機在不同底流管直徑下的分離性能，進行了砂水分離實驗和生活污水除污實驗。實驗結果顯示：連續底流的旋流防阻機與封閉集污槽的旋流分離器相比，前者具有更高的分離效率，且能量損失增加基本可以忽略。相比Kelsall提出的折算分離效率，提出了更加適合旋流防阻機的綜合考慮分離效率和熱泵系統可用水量的綜合分離效率。該旋流防阻機的最優底流管直徑為5～10 mm，即最優底流管直徑與溢流管直徑比值為12.5%～25%。此時，污水旋流防阻機對原生生活污水中小于4 mm污雜物的分離效率為92.6%～94.3%，分流比為1.32%～2.54%。這說明通過旋流分離機制，可以達到污雜物暫離，凈水取熱的條件。另外，分流比與底流管直徑呈正比。

旋流分離器；底流管直徑；連續底流；廢水；回收；多相流

引 言

污水源熱泵作為一種節能裝置在國內外得到了一定規模的應用[1-2]，然而其發展一直受到污水換熱器堵塞和結垢問題的限制。為了從根本上解決這一難題，國內先后出現了許多用于污水換熱器防阻防垢的樣機和專利[3-6]，但大多數的工作原理都是“過濾+反洗”，然而在實際應用中卻出現了一些不可避免的問題，例如過濾網孔越小，反沖洗所需壓力就越大，靜壓損失（即反沖洗的能量損失）也越大。實際上，對于原生污水的污水源熱泵，污水取水量大、污雜物含量高，如10000 m2建筑，其冬季供熱工況下污雜物流量高達76 kg·h-1，而夏季供冷工況下污雜物流量高達115 kg·h-1[5]，常規的過濾裝置很難承擔過大的過濾負荷。

旋流分離器迄今已有一百多年歷史。它具有分離效率高、分流比小、無運動部件等優點[7]，已經廣泛應用于化工[8]、礦業[9]、食品[10]、生物[11]等各個領域的分離作業中，而將旋流分離器用于污水源熱泵的除污，則需要大容量的集污槽、排污操作頻繁，而且排污后的污雜物不易處理。為此提出專門用于污水源熱泵的由旋流分離器和引射回流裝置組成的污水旋流防阻機[12]。事實上，與下端是封閉集污槽的傳統旋流分離器相比，連續的底流還可以提高旋流分離器的分離效率[13]。

為提高旋流分離器的分離效率，拓展應用領域，研究人員對其結構形式[14]、幾何參數[15]、操作參數[16]等不斷優化。其中，底流管直徑或底流管與溢流管直徑的比值，是影響其性能的一個重要參數[17]。目前這些研究主要是針對下端是封閉集污槽的傳統旋流分離器展開的[17-19]。而對連續底流旋流防阻機而言，底流管直徑的影響不得而知。因此，本文主要研究不同底流管直徑下連續底流污水旋流防阻機的分離性能，并與傳統的下端為封閉集污槽的旋流分離器相關研究進行對比。

1 實驗方案

污水旋流防阻機實驗臺（圖1）主要由污水旋流防阻機、污水箱、攪拌器、螺桿泵等組成（表1）。其中，污水旋流防阻機由上部的旋流分離器和下部的由排污管、回流管和排水管組成的引射回流裝置組成。

表1 實驗設備

與傳統的下端為封閉集污槽間歇排污的旋流分離器不同的是，污水旋流防阻機的下端是連續底流，即利用從溢流口流出的污水連續沖走從底流管排出的污雜物。底流口下端是自上而下呈漸擴形的排污管，底流在流經排污管時流速降低、靜壓增大。考慮到溢流流量顯著大于底流流量，且回流管直徑等于排污管最下端口徑，所以回流流速明顯高于排污管出口流速，而回流管靜壓也明顯小于排污管靜壓。因此，在壓差的作用下，便構成了回流污水引射底流污水的條件。另外，排污管45°的傾角也使回流污水和底流污水的流向相似，便于回流污水引射沖走從排污管流出的污雜物。而在實際工程中，從溢流口流出的除污后的污水先送入污水換熱器進行換熱，然后回流至回流管，在引射回流裝置中將從排污管流出的污雜物沖走，起到凈水取熱、連續排污的作用。

實驗中所用測量儀器的參數如表2所示。測定方法為：用1000 ml的塑料量杯取樣，靜置5 min后用塑料量杯讀取水樣體積，然后將水樣緩緩倒入由孔徑為75 μm的軟不銹鋼濾網、布氏漏斗、抽濾瓶、瓶塞、醫用橡膠管和真空泵組成的抽真空過濾系統進行過濾。再將過濾后帶有污雜物的不銹鋼濾網放入培養皿，在電熱鼓風干燥箱中105℃下烘干12 h以上，然后在高精度電子天平中稱重，根據過濾前后質量變化計算出所取水樣中污雜物的質量和濃度。

表2 測試儀表

為考察不同底流管直徑下污水旋流防阻機的分離性能，進行了不同底流管直徑下的砂水分離實驗和生活污水分離實驗。砂水實驗中所用砂水是由7.045 kg、75～250 μm的建筑用砂（堆積密度為1506 kg·m-3）和0.570 m3自來水在污水箱中混合制成的。其中建筑用砂先在烘箱中烘干，再依次用孔徑為75mm和250mm不銹鋼濾網篩分得到。原生生活污水實驗中所用生活污水取自黑龍江省哈爾濱市某住宅小區窨井，該小區雨污合流。實驗前，先用孔徑為4 mm的不銹鋼濾網對原生生活污水進行過濾。實驗所用污雜物包括腐爛的植物葉子（莖）、淤泥、紙、頭發、纖維、糞便等。實驗中底流管直徑為0～25 mm。此外，設定：入口壓力約為0.40 MPa，入口流量約為4 m3·h-1，溢流管直徑為40 mm，溢流管長度為265 mm。

2 分離效率

分離效率為底流中污雜物質量流量與入口污雜物質量流量的百分比，可由式（1）計算得到。

然而，對于連續底流旋流分離器，一些連續相伴隨著離散相進入底流，這樣，總流（即入口流量）被分為底流和溢流兩部分。在這個過程中，旋流防阻機起到了分流器的作用，常用分流比表示旁通流量的大小。分流比為底流體積流量與入口體積流量的比值，利用式（2）計算[13]

對式（1）而言，分流作用的存在會提高分離效率。而且，極端情況下，即旋流分離器僅為一個分流設備而無分離作用時，o=i，由式（1）計算得到，=≠0。因此，在考察分離設備分離性能時，希望考察分離設備的凈分離效果，即扣除死通量造成的分離效果后的凈分離效率。目前應用最廣的公式是Kelsall[20]提出的公式，即式（3）

由式（3）可知，當旋流分離器僅為一個分流設備而無分離作用時，o=i，′=0。但當o=0時，對"0，=1，′=1。而當00，即1時，′≡1，此時其實沒有分離，旋流分流器僅作為一個流通管道，并沒有產出，=1，′=1的計算結果并不合理。

式（3）的推導過程中，為得到分離設備的凈分離效果，除了在底流口分散相計算中扣除分流作用的影響外，在入口流量的計算中也扣除了相當于分流比的流量。考慮到本文設計的污水旋流防阻機主要用作污水源熱泵前處理污水除污，目的是為了回收污水中的低位熱能，需要同時實現較高的分離效率和較低的分流比。對污水旋流防阻機而言，分流會造成可利用的水量減少，從而降低熱交換量。為此，本文提出更加適合污水旋流防阻機的綜合分離效率，″

即

″=-(4)

式（4）的合理性表現為：

（1）當o=i時，=≠0，不合理；此時，′=0，″=0，合理；

（2）當o=0時，對"o，=1，′=1，″=1-；而當o0，1時，′≡1，不合理，而″=0，合理。

對于污水源熱泵而言，″=-反映了兩方面的意義：① 分離效率；② 可利用水量。當較小時，″≈′。

3 結果與討論

3.1 分離效率

圖2顯示了底流管直徑對3種分離效率的影響。由圖2可知，無論是對砂水還是對污水，底流管直徑對3種分離效率的影響均很大。當底流管直徑大于0時，分離效率隨著底流管直徑的增加而緩慢增加，分離效率高且穩定：砂水分離效率為99.96%～100.00%，而污水分離效率為94.32%～97.22%。而當底流管直徑降為0時，分離效率降低很快，尤其是生活污水的分離效率。另外，當底流管直徑相同時，砂水分離效率均高于污水分離效率，這是因為一方面實驗所用砂子的密度比污雜物密度大，易于分離；另一方面密度比砂子密度小的污雜物比砂子更容易發生“溢流跑粗”。“溢流跑粗”即已經被分離的粗/重顆粒在溢流的夾帶作用和顆粒的碰撞作用下隨溢流流出而不是隨底流流出的現象。

總體來說，底流管直徑與分離效率呈正比，而與分離效率隨底流管直徑的變化率呈反比。這說明只要底流管直徑不太小（即≥ 10 mm），分離效率就會高且穩定。相同條件下，本文設計的下端是連續底流的污水旋流防阻機與傳統的下端是封閉的集污槽的旋流分離器相比，分離效率更高。這與Svarovsky[13]的觀點一致。其原因是：引射回流裝置的存在促進了底流污雜物的及時排出，減輕甚至消除了底流中的內部循環流，從而減少了“溢流跑粗”的發生，提高了分離效率。

由于分離效率較高，由圖2可知，無論是污水還是砂水，其折算分離效率與分離效率都非常接近，尤其是砂水。另外，根據折算分離效率的定義可知，污水實驗和砂水實驗中死通量造成的分離效率很小。然而，由圖2可知，在底流管直徑從0逐漸增加到25 mm的過程中，即底流管直徑與溢流管直徑比值從0逐漸增加到62.5%的過程中，砂水分流比從2.08%逐漸增加到了22.07%，而污水分流比也從0逐漸增加到了34.75%。尤其是當底流管直徑為15～25 mm時，砂水分流比較污水分流比增加較快，其對可利用水量的影響不可忽視。折算分離效率′無法反映這種影響。而由圖2可知，本文提出的綜合分離效率″考慮了分流比大小對可利用水量的影響。當且僅當底流管直徑為5～10 mm，即底流管直徑與溢流管直徑比值為12.5%～25%時，綜合分離效率才保持在較高水平，即同時實現了較高的分離效率和較低的分流比。此時，污水分離效率為92.60%～94.33%，分流比僅為1.32%～2.54%，綜合分離效率高達91.28%～91.79%。而當底流管直徑小于5 mm時，雖然分流比很小（0～2.08%），但是分離效率太低，而當底流管直徑為15～25 mm時，雖然分離效率較高，但此時分流比過大。

圖3顯示了入口濃度與溢流濃度隨底流管直徑的變化情況。如圖3所示，當底流管直徑為10～25 mm時，砂水入口濃度和污水入口濃度分別為4.1～5.4 kg·m-3和2.6～3.6 kg·m-3，而砂水溢流濃度和污水溢流濃度分別為0.0003～0.0024 kg·m-3和0.14～0.17 kg·m-3，這說明，當底流管直徑在10～25 mm之間變化時，無論在砂水實驗還是在污水實驗中，污水旋流防阻機對污水和砂水的分離效果都很好，并且此時溢流濃度較平穩，基本不受入口濃度波動的影響。而當底流管直徑為0時，砂水和污水入口濃度均最低，溢流濃度最高。入口濃度最低是因為部分污雜物停留在底部圓錐段中。上述實驗結果再次證明連續底流的污水旋流防阻機與封閉集污槽的旋流分離器相比具有更低的溢流濃度和更高的分離效率。

3.2 壓差和能量損失

本文中的Do和Du均由入口壓力減去另一壓力得到。由于Du的測點位于可更換的底流管下游，所以當底流管直徑為0時，無法測得Du。由圖4可知，無論在砂水實驗中還是在污水實驗中，隨著底流管直徑的增加，Do緩慢增加，Du緩慢下降，但變化均不大。

實際上，對于傳統的固液旋流分離器來講，其能量損失僅用入口和溢流口的壓差Do來表示[7]。但是，對于污水旋流防阻機而言，由于其底流流量不能忽略，且底流動能和溢流動能都可以回收，所以，污水旋流防阻機的能量損失D需要同時考慮溢流和底流兩部分壓降的影響，可以利用式（5）計算得到[7]

D=Do(1-)+Du(5)

利用式（5）計算得到旋流防阻機的能量損失如圖5所示。由圖5可知，隨著底流管直徑的增加，樣機能量損失都緩慢增加。在底流管直徑從0增加到25 mm的過程中，砂水實驗中污水旋流防阻機的能量損失由11.15 kPa逐漸增加到了15.12 kPa，而生活污水實驗中其能量損失由10.76 kPa逐漸增加到了12.05 kPa。可見，污水旋流防阻機的能量損失較小，為10～20 kPa。另外，圖5顯示，在相同條件下，污水實驗中樣機的能量損失比砂水的小。這是由不同種類污水的流變特性和流動特性的不同造成的。

4 結 論

（1）分離效率隨著底流管直徑的增加而增加。當底流管直徑為5～25 mm時，污水旋流防阻機對原生生活污水中粒徑小于4 mm的污雜物的分離效率為94.3%～97.2%，對75～250 μm細砂的分離效率為99.96%～100%，即通過旋流分離機制，可以很好地達到污雜物暫離，凈水取熱的條件。

（2）連續底流的污水旋流防阻機與封閉集污槽的旋流分離器相比，具有更高的分離效率，樣機能量損失略有增加，基本可以忽略。旋流防阻機能量損失隨著底流管直徑增加而緩慢增加，但變化不大（<1.22 kPa），為10～20 kPa。

（3）提出了更加適合污水旋流防阻機的綜合分離效率，該效率考慮了分離效率和分流比的影響。實驗表明，當底流管直徑為5～10 mm，即底流管直徑與溢流管直徑比值為12.5%～25%時，旋流防阻機可以獲得較高的綜合分離效率，即同時具有較高的分離效率和較小的分流比。

符 號 說 明

ci——入口污雜物（或砂子）濃度，kg·m-3 co——溢流污雜物（或砂子）流量，kg·m-3 cu——底流污雜物（或砂子）流量，kg·m-3 E——分離效率，% E′——折算分離效率，% E″——綜合分離效率，% F——分流比，% Dp——污水旋流防阻機的能量損失，kPa Dpo——入口與溢流口的壓差，kPa Dpu——入口與底流口的壓差，kPa Qi——入口污水（或砂水）流量，m3·h-1 Qo——溢流污雜物（或砂子）流量，m3·h-1 Qu——底流污雜物（或砂子）流量，m3·h-1

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Effect of underflow pipe diameter on performance of hydrocyclone anti-blockage device

TIAN Jinyi, NI Long, ZHAO Jianing

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China)

Separation performance of a sewage-hydrocyclone anti-blockage device consisting of a hydrocyclone and an ejector-reflux component was studied on sand-water and domestic sewage with various diameters of underflow pipe. Experimental results demonstrated that the hydrocyclone anti-blockage device with continuous underflow had higher separation efficiency but negligibly higher power consumption than conventional hydrocyclones with a closed “grit pot”. Contrary to the Kelsall’s conversion separation efficiency, a more comprehensive separation efficiency for the hydrocyclone anti-blockage device was proposed to include separation efficiency of the device and amount of available water for heat pump system. Under the optimum diameter of underflow pipe in the range of 5 mm and 10 mm,., the optimum diameter ratio of the underflow pipe to the vortex finder between 12.5% and 25%, the sewage-hydrocyclone anti-blockage device had the separation efficiency of 92.6%—94.3% and the split ratio of 1.32%—2.54% for foulants of sizes < 4 mm in untreated domestic sewage. The split ratio was proportional to the underflow pipe diameter. Therefore, hydrocyclone separation could isolate foulants temporarily, clean water and recycle heat from sewage.

hydrocyclone; underflow pipe diameter; continuous underflow; waste water; recovery; multiphase flow

2016-05-09.

NI Long, nilonggn@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20160622

X 703.3

A

0438—1157（2016）10—4219—06

教育部留學歸國人員科研啟動基金項目（第46批）；建筑安全與環境國家重點實驗室2012年開放課題。

2016-05-09收到初稿，2016-07-18收到修改稿。

聯系人：倪龍。第一作者：田金乙（1987—），男，碩士。

supported by the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars (46th) and the State Education Ministry and the Opening Funds of State Key Laboratory of Building Safety and Built Environment.