氣提式污水泵無水下轉動部件，具有結構簡單，維護成本低，安全可靠，性能穩定等優點，適用于多種污水提升場所。特別在某些小規模、低揚程、系統復雜的排水工程中采用氣提式污水泵，有其獨特的優勢。氣提泵的幾何形狀簡單，但其性能的理論研究卻較復雜，國內外學者對氣提泵進行了大量研究，發現氣提泵性能主要受其幾何形狀及操作參數影響。其中幾何形狀主要涉及到布氣裝置的尺寸和結構形式。因而近年來，國內外對氣提泵的研究較多集中在布氣裝置的結構形式上，研究主要包括了布氣孔數量、氣孔排列形式、進氣方式等因素對氣提性能的影響。由于布氣裝置的設計對氣提泵的揚水量和整體性能有著重要影響，因此本文綜合前人的研究成果，并結合工程實際所需，對布氣裝置的布氣孔徑和進氣方式進行研究，提出了氣提污水泵布氣裝置的優化設計方法，以期為工程中布氣裝置的設計和應用提供參考。
一、試驗裝置及方法
1.1 試驗裝置
試驗模擬污水提升的工程條件，搭建了大管徑氣提式污水泵站試驗平臺，試驗裝置如圖1所示。
試驗包括供氣、提升、儲水和測試4個系統。其中供氣系統由HC-501S回轉式風機1、風包2、PVC進氣軟管6和布氣裝置8組成。提升系統主要有揚水管9、下降管10和潛水泵11；試驗揚水管采用亞克力透明圓管;儲水系統用于存儲和平衡水量，主要由儲水筒7、平衡水箱12和貯水罐17組成；測試系統采用了氣壓表4、渦街流量計5，電磁流量計15，用于測試氣壓、氣量和水量。
2.2 試驗方法
試驗方法：選定揚水管管徑、揚水管長度(簡稱管長)、淹沒比(m=淹沒深度/管長)等試驗參數的取值，取值范圍見表1。揚水管底部安裝不同的布氣裝置，連續通入不同體積流量的壓縮空氣(簡稱通氣量)，試驗通過風量調節閥3控制通氣量大小，并按3~5m3/h的增量從小到大遞增，同時由渦街流量計5測試每組通氣量。通過電磁流量計15測試每組通氣量對應的氣提液體的體積流量(簡稱揚水量)。
試驗過程：將揚水管9下端插入具有一定深度的被提升液體(清水或污水)儲水筒7內，通過調節揚水管水下淹沒深度來改變淹沒比。回轉式風機1輸出的壓縮空氣進入風包2整流，風量調節閥3調節通氣量穩定，由氣壓表4測定氣壓值，由渦街流量計5測試通氣量，壓縮空氣由進氣管6進入布氣裝置8，穿過其布氣小孔注入揚水管內形成氣水混合液，在揚水管內外密度差的作用下，混合液上升至揚水管頂部流出，落入下降管10進行氣水分離，分離后的液體(清水或污水)進入平衡水箱12，經潛水泵11提升至貯水罐，以形成循環；調節潛水泵出口閘閥14達到平衡水箱內水位穩定，通過出水管13上電磁流量計15測定出水量，作為氣提揚水量。
二、試驗結果及分析
2.1 布氣孔徑的影響
為研究布氣孔徑對氣提性能的影響，設計制作了3種不同布氣孔徑的布氣頭部。根據前人研究發現，氣提泵在試驗條件下適宜的氣泡直徑為1~4mm，故設計布氣孔為圓形小孔，直徑分別為1.5，3.0，4.0mm3種規格。布氣頭選用DN50的不銹鋼管制作，其頂端用不銹鋼板焊接封堵，其頂端面和側面均勻開設等徑布氣小圓孔，其下端連接通氣管道。布氣孔總數保證最小布氣速度不大于10m/s；實測通氣量和布氣速度范圍見表2，布氣頭實物如圖2所示。
在揚水管底部喇叭口內分別安裝3種孔徑的布氣頭，測試其提升清水的揚水量。揚水管管徑DN100，管長5.5m，淹沒比m=0.6時，測試通氣量與揚水量數據，根據不同布氣頭的實測數據組繪制通氣量-揚水量變化曲線如圖3所示。
分析圖3變化曲線和測試數據發現：氣提泵采用3種孔徑布氣頭時，由于其工作原理相同，3種布氣頭的揚水量曲線變化規律一致，即隨著通氣量的增加，揚水量先快速上升達到峰值，后趨于平穩。但采用3種孔徑布氣頭的提升效果卻有所不同：在相同條件下，隨著布氣孔徑的增大，最大揚水量逐漸增加，通氣量-揚水量曲線依次上移。分析原因：一方面，布氣孔徑越小，形成氣泡體積越小，小氣泡在低氣壓下上升時有合并成大氣塞的趨勢，大氣塞占據了揚水管截面面積，阻礙了水的流動。相反，布氣孔徑增大，形成的氣泡體積增大，氣泡浮力作用明顯，升水量增大。另一方面，通氣量一定，氣孔總面積較小時，布氣速度大，氣泡運動速度較快，氣液滑移速度增大，氣泡的運輸能力較低；反之，進氣速度降低，氣液滑移速度降低，氣泡的攜帶能力增大，提升水量增加。因而在圖3中，通氣量相同時，布氣頭孔徑增大揚水量有所上升。表明適當增大布氣頭孔徑和降低布氣速度，有利于提高氣提泵的揚水能力；由試驗結果對比可知布氣孔徑4mm的提升效果較優。
2.2 布氣方式的影響
目前，布氣裝置的安裝方式主要有以下2種：(1)直接將布氣頭部放置于揚水管內，這種方式適合揚水管管徑較大的情況，揚水管管徑較小時，布氣頭很難放入；(2)在揚水管底部安裝喇叭口擴容整流，喇叭口內設置布氣頭部，這種方式適合于各種規格的揚水管。但這兩種安裝方式的布氣方式相同：壓縮空氣經布氣頭底部進入，由其側面和頂面的布氣小孔切割成微小氣泡進入揚水管或喇叭口，并形成氣水混合液而被提升。根據工程實踐和試驗觀察發現，采用上述布氣方式的布氣裝置均存在一些明顯的缺點：若布氣頭直接放入揚水管，占用了揚水管進水斷面積，不僅阻礙揚水管進水，而且影響氣體與水的混合均勻性，導致氣力提升泵的工作效率下降;若布氣頭置于喇叭口內，則存在喇叭口與上部揚水管連接處能量損失較大，喇叭口上部的收束擠壓常常造成氣體反溢和泄漏等問題，降低了氣提效率。
針對上述布氣方式的缺點和不足，課題組對常規布氣方式進行了調整，對常用布氣裝置的結構進行了改造。將喇叭口內設布氣頭由內向外布氣方式，改造為沿揚水管側壁開孔，由外向內布氣。將喇叭口內布氣的裝置設為布氣裝置Ⅰ，其結構如圖4(a)，改造后的裝置設為布氣裝置Ⅱ，其結構如圖4(b)。
布氣裝置Ⅱ的上下連接管與揚水管同徑，可采用螺紋或法蘭與上下揚水管同徑連接，因而可安裝在揚水管任意部位。工作時，壓縮空氣進入外部圓環形整流罩，整流后的壓縮空氣穿過內部圓管壁的布氣小孔，經上連接管進入揚水管，內圓管和上下連接管均與揚水管同徑，因而內圓管為揚水管的延伸，布氣方式可視為沿揚水管側壁布氣。
根據清水試驗得出的4.0mm布氣孔徑提升效果較佳結論，同時考慮到污水中雜質及沉淀物較多，布氣孔徑過大，易落入粗大雜質而堵塞布氣孔，2種布氣裝置的布氣孔徑均采用4.0mm，布氣孔總數均為258個。2種布氣裝置的設計參數見表3。
2.2.1 布氣裝置揚水量對比
為了對比分析2種布氣裝置的優劣性，在揚水管DN100，管長4.0m的揚水管下部分別安裝兩種布氣裝置，淹沒比(m=0.80~0.70)一定時，通入不同通氣量，氣量范圍大致為20.5~106.5m3/h，測試其提升污水的揚水量，并繪制通氣量-揚水量曲線如圖5所示。
對比2種布氣裝置的揚水量發現：在揚水管管徑、管長、淹沒比不變的條件下，二者達到最大揚水量的通氣量相近，均為60~80m3/h達到揚水量峰值，但二者峰值揚水量差異顯著。采用布氣裝置Ⅱ的最大揚水量明顯高于布氣裝置Ⅰ，各管徑和淹沒比下的最大揚水量均有所增長，其最大揚水量及增長率見表4。由表4可知，布氣裝置Ⅱ較布氣裝置Ⅰ的最大揚水量增長率達到25.9%~30.3%。其中淹沒比為0.8時最大揚水量增長最大。
2.2.2 布氣裝置揚水量對比布氣裝置效率對比
為比較2種布氣裝置的效率大小，采用經典的Niklin效率計算公式，對2種布氣裝置的效率進行計算，揚水管DN100，管長4.0m的通氣量-效率曲線如圖6所示。
對比2種布氣裝置的通氣量-效率曲線的變化規律一致：最大提升效率均較靠前，通氣量較小時，提升效率達到最大，此時對應揚水量較低，當達到最大揚水量時效率已有明顯下滑。但是，布氣裝置Ⅱ的提升效率明顯高于裝置Ⅰ，在同一通氣量下，各淹沒比的效率值均有所增長。
綜合2種布氣裝置的揚水量及效率分析可知，氣提泵采用布氣裝置Ⅱ提升能力更佳，即揚水管側壁布氣方式更為合理。主要原因在于：(1)壓縮空氣從布氣裝置Ⅱ的內圓管側壁布氣小孔進入，布氣方向由管壁指向管中心，有壓氣泡將液體推向管中心，降低了液體與管壁間的摩擦損失；(2)布氣裝置內圓管與揚水管同徑，揚水管橫斷面沒有被布氣頭部占用而得到充分利用，氣泡能夠順暢擴散至揚水管內與污水充分混合，減少了氣泡反溢和泄漏量，增大了氣體利用率；(3)由于內圓管與揚水管等徑，氣水混合液能從布氣裝置段向揚水管段平滑過渡，能量損失小，提升效率較高。對于布氣裝置Ⅰ，布氣頭位于喇叭口內部，壓縮空氣由布氣頭內向外布氣，氣泡迅速向四周擴散，將液體擠向四周，增大了氣水混合液與管壁之間摩擦阻力，并且喇叭口上部口徑收束變小，氣體受擠壓易造成反向溢出喇叭口，喇叭口與揚水管變徑連接，造成一定的局部水頭損失，增大了能量消耗，降低了能量利用率。
2.3 布氣速度的影響
由于布氣裝置的布氣孔數量不同，相同通氣量時，布氣速度有所不同。為分析布氣速度對揚水量的影響，選取效率較優的側壁通氣方式下，改變布氣孔數量的2種布氣裝置進行對比分析。兩種布氣裝置的材質、結構及尺寸完全相同(布氣孔徑均為4.0mm)，僅布氣孔數增大一倍，二者的設計參數見表5。
在管徑DN100，管長4.0m的揚水管下部分別安裝2種布氣裝置，選定淹沒比(m=0.80~0.70)，通入不同氣量(20.5~106.5m3/h)，測試二者提升污水的揚水量，并繪制通氣量-揚水量曲線，如圖7所示。
由圖7分析可知，揚水管管徑、管長、淹沒比一定，在較低通氣量時，布氣裝置Ⅲ較布氣裝置Ⅱ的揚水量略有上漲，且布氣裝置Ⅲ較布氣裝置Ⅱ先達到揚水量峰值，布氣裝置Ⅲ的效率較優。在較大通氣量時，揚水量逐漸達到最大，并趨于穩定。之后，二者揚水量相差不大，優勢不明顯。分析原因在于布氣裝置Ⅲ的布氣孔數量增多，進氣面積增大，相同通氣量的條件下，氣泡數量增多，布氣速度降低。氣泡低速條件下，氣液滑移速度降低，氣泡能夠充分與污水混合，增大了氣泡利用率和運輸能力，有利于形成團狀流或團狀-環狀流過渡流態，在此流態下氣提泵的效率較高。當通氣量增大到一定程度，布氣速度超過一定范圍時，氣液滑移速度增大，揚水管內出現環狀流和纖維流，揚水量增長不明顯;隨著空氣流量的增加，從最大效率到最低效率的下降幅度很大。這可以歸因于空氣流量的增加導致了過量的加速損失，同時在立管頂部的空氣空隙率值較大。這導致了立管中更多的摩擦損失，因此泵效率會降低。
從圖7可知，在各個淹沒比下，通氣量超過50~70m3/h時，布氣裝置Ⅲ和裝置Ⅱ的揚水量逐漸拉近，裝置Ⅲ的優勢下降，二者的揚水效率迅速降低。此時，布氣裝置Ⅲ的布氣速度為2.1~3.0m/s，故建議布氣裝置的設計布氣速度不宜過大，以不超過3m/s為宜。
總體而言，在布氣方式相同的前提下，采用增加布氣孔數量即增大布氣面積，降低布氣速度的方法并不能帶來揚水量和效率的大幅提升，僅在較小通氣量范圍，揚水量和效率會有少量提升。
三、結論
(1)適當增大布氣裝置的布氣孔徑，降低進氣速度有利于提高揚水量。
(2)布氣方式對于提高氣提泵整體性能有著重要影響。研究發現，布氣裝置采用揚水管側壁布氣方式優于揚水管中心布氣方式。揚水管側壁布氣方式能有效提高揚水量和提升效率，最大揚水量增長率可達到25.9%~30.2%。
(3)合理的布氣速度能夠改善氣提性能，但不能實現揚水量和效率的大幅度提高。布氣裝置的設計布氣速度不宜過大，以不超過3m/s為宜。( >
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