“排氣增流”在循環(huán)水管網(wǎng)改造中的分析與應(yīng)用
魏晨澤
摘 要：通過對制氧設(shè)備循環(huán)水排水漏斗溢流現(xiàn)象的理論分析和實(shí)踐研究，提出了“排氣增流”的思路，研究開發(fā)了“排氣緩沖漏斗”，對此問題得以完美解決，保證了工廠設(shè)備的正常運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：循環(huán)回水；排水漏斗；氣液兩相流動(dòng)；排氣緩沖漏斗；矩形薄壁堰
1前言
我公司制氧車間300m3/h制氧機(jī)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)采用的循環(huán)流程如圖1圖示。制氧設(shè)備冷卻循環(huán)回水采用開式（設(shè)備出口設(shè)排水漏斗集水）自流至熱水池，單臺設(shè)備循環(huán)水流量70～100m3/h，循環(huán)回水管管材為DN200鑄鐵管，敷設(shè)坡度8‰。
該系統(tǒng)自投入使用后，在每年夏季設(shè)備運(yùn)行存在問題。當(dāng)循環(huán)水流量調(diào)節(jié)增大時(shí)，從漏斗處發(fā)生大量溢流現(xiàn)象，使排水漏斗后的循環(huán)回水管道中的循環(huán)水流量無法增加，導(dǎo)致制氧設(shè)備冷卻效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，制氧設(shè)備不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的能力，同時(shí)對制氧設(shè)備使用壽命造成不良影響，也給生產(chǎn)運(yùn)行帶來了事故隱患。
 

 

2理論分析
經(jīng)計(jì)算，DN200鑄鐵管道，在坡度8‰時(shí)其可通過流量為144m3/h，應(yīng)完全能夠滿足70～100m3/h的循環(huán)流量，但為何無法滿足使用要求呢？后經(jīng)現(xiàn)場大量觀察發(fā)現(xiàn)，制氧設(shè)備循環(huán)水出口流速較高，在出口排水漏斗內(nèi)混合大量空氣進(jìn)入循環(huán)回水管道（圖2），管道內(nèi)產(chǎn)生“氣液兩相流動(dòng)”，使得管道輸配能力大大降低。
所謂“相”就是通常所說的物質(zhì)的態(tài)，而“兩相流動(dòng)”就是兩種不同的物質(zhì)的流動(dòng)。兩相流動(dòng)與 單相流動(dòng)不同，它的特點(diǎn)首先表現(xiàn)為：除了每種物質(zhì)與管壁之間的相互作用外，還有不同相間的相互作用，包括能量的交換和力的作用。其次，每種兩相流動(dòng)在不同工況下，相間的分布狀況也是各式各樣的，可能是密集的，也可能是分散的，就是密集的與分散的也還有程度的不同，這種運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的差異更加大了兩相流動(dòng)的復(fù)雜性。
當(dāng)氣液混合物在管中作垂直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能有以下四種流動(dòng)模式：(圖3.a）當(dāng)氣液混合物中空氣
含量較少時(shí)，空氣小氣泡夾雜在管道中心部分的液體中向上呈泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（圖3.b）當(dāng)空氣量較多時(shí)，細(xì)小的氣泡匯集成大氣泡，處在管道的中心部分向上呈彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（圖3.c）當(dāng)空氣含量更大時(shí)，彈狀大氣泡匯集成長為大氣柱，仍處在管道的中心部分向上呈柱狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，液體仍在管壁附近流動(dòng)；（圖3.d）當(dāng)空氣含量極大時(shí)，管壁周圍的液柱厚度進(jìn)一步減薄，而成為一層液體膜，其厚度減小到一定程度時(shí)，被撕破而形成細(xì)小的液滴，均勻地分布在空氣中，形成霧狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。這時(shí)由于在氣泡上的浮力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，對氣泡的運(yùn)動(dòng)起了阻礙作用，故氣泡的運(yùn)動(dòng)速度比液體的小。
當(dāng)氣液混合物在水平管道中流動(dòng)時(shí)，若流速較高時(shí)，流動(dòng)模式與垂直管中的情況相似，但由于氣
液重度不同，在浮力作用下，管道中心線以上空氣偏多，形成不對稱的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著流動(dòng)速度的減小，
流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不對稱增加。當(dāng)流速小到一定程度時(shí)，氣液兩相產(chǎn)生分離，空氣在管道上部流動(dòng)，液體在管道
下部流動(dòng)。
綜上所述，無論氣液兩相流動(dòng)在立管中還是在水平管中，也無論是在何種流動(dòng)模式的情況下，均大
大增加了流動(dòng)阻力，降低了管道輸配液體的能力。如能減少或避免管道液體中的空氣存在，必然可大大增加管道的輸配流量，這就是“排氣增流”的思路。
3措施方案
為提高管道的輸配能力，采取方案有：
方案1：將熱水池移至地勢較低處，增加設(shè)備出口至熱水池間的高差，從而增加循環(huán)回水動(dòng)力，起到增加輸配流量的作用；
方案2：增大循環(huán)回水管徑，從而增加管道輸配流量。
方案3：設(shè)計(jì)一種排氣裝置，減少或避免氣體進(jìn)入管道，從而增加管道輸水能力。
方案1及方案2兩種方案的最大缺點(diǎn)是均需增加較多管道及設(shè)施，投資較大，施工工期長，且“氣液兩相流動(dòng)”的流動(dòng)過程是十分復(fù)雜的，理論上雖然提出了一些模型，但在實(shí)用上仍然要依靠試驗(yàn)求得解決，其過程復(fù)雜，管徑較難確定。
方案3如能實(shí)現(xiàn)，可大大減少工程投資，縮短施工工期，降低施工難度，可謂最佳方案。經(jīng)理論計(jì)算和有關(guān)試驗(yàn)，筆者自主設(shè)計(jì)了“排氣緩沖漏斗”，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，完全達(dá)到使用效果。

 

4排氣緩沖漏斗
排氣緩沖漏斗主要分為四個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)：平面緩沖曝氣區(qū)；Ⅱ區(qū)：堰流區(qū)；Ⅲ區(qū)：堰下消能區(qū)；Ⅳ區(qū)：
豎管排氣區(qū)。
Ⅰ區(qū)、平面緩沖曝氣區(qū)：通過加大平面面積，減小流體流速，依靠氣體自身的浮力作用，使得氣體與
液體進(jìn)行初步分離，起到初步排氣的作用；通過積留一定水深的水，對從設(shè)備出口處流出的較高流速的水
進(jìn)行消能，減緩其流速，減小對漏斗底部鋼板的沖刷力，從而延長漏斗的使用壽命；通過側(cè)邊鋼板的高度，
阻擋因后部堰流造成的水流受阻壅高，避免漏斗中水溢流。
Ⅱ區(qū)、堰流區(qū)：通過堰的作用，使堰的上游水流受阻壅高，水流部分動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為勢能，其流速在堰頂部分被有效地降低，使水流的挾氣能力大大降低，從而使氣泡更有利的從水流中溢出。堰采用矩形薄壁堰計(jì)算公式：Q=m0b（2g）0.5H1.5。Q--流量；m0--矩形堰的流量系數(shù)，取值0.40～0.50；b--堰寬；H--堰前水流壅高。
Ⅲ區(qū)、堰下消能區(qū)：經(jīng)過堰流下溢的水流，其勢能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，水流速度較大，為避免較高流速
的流體與空氣再次混合，造成流體重新夾氣，同時(shí)為減小流體對漏斗鋼板的沖刷，延長漏斗使用壽命，該
區(qū)通過底流型銜接方式有控制地發(fā)生水躍消能。
計(jì)算公式：s=1.25（h”c-ht）。s--消能池深度；h”c -- 池后水躍的躍后水深；ht-- 躍前水深 。
L=li+ψlj 。L--消能池長度；li--堰下射流長度；lj --水躍長度；ψ--修正系數(shù)，取值0.75。
Ⅳ區(qū)、豎管排氣區(qū)：利用在垂直管道中氣體與水的密度差，氣體依靠自身的浮力作用向上排出，進(jìn)一步將水中氣體排除；在小流量時(shí)（非滿管流），該區(qū)起到通氣立管的作用，增大管道輸配能力；在大流量時(shí)（滿管流），通過該區(qū)一定的有效水深，進(jìn)一步緩沖堰流后水流的動(dòng)能，避免漏斗發(fā)生溢流。
5應(yīng)用后的效果
該漏斗改造結(jié)束并投入使用后，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，管道實(shí)際輸配流量接近理論輸配流量，未再發(fā)生漏斗溢流現(xiàn)象，完全滿足設(shè)備有關(guān)工藝要求，效果十分滿意，而且大大減少了工程投資，總費(fèi)用不足其他方案費(fèi)用的十分之一，同時(shí)縮短了施工工期，其各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙振興，何建京.水力學(xué).清華大學(xué)出版社,2005
[2] 金建華，王烽.水力學(xué).湖南大學(xué)出版社,2004
 

轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/gongyeshejilw/11321.html