管道式气力提升池底吸污装置性能研究及试验

黄 达，张宇雷，张海耿，李金刚，高倩倩

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092)

气力提升技术是将压缩空气注入提升立管中，利用管内外的压力差输送液体。气力提升装置无机械传动机构，安装方便、稳定性好[1]。广泛应用于石油开采[2]、深井取水[3]、化工行业、有毒液体输送等领域。在水处理领域中气力提升技术应用较早，如污水处理厂排泥工况常采用气力提升技术[4]。气力提升技术理论和试验研究为管道式气力提升池底吸污装置提供理论基础。裴江红等[5]发现淹没率与气提效率不呈线性关系，进气流量也不是越大越好，存在最优进气流量。陈光国等[1]研究了淹没率、进气流量和流体浓度三个参数对液体提升流量和提升效率的影响。丁海荣等[6]发明脉冲式气提排泥装置，可以用于水处理领域排泥，也可以用于生物池的反硝化回流。王庆松等[7]研发一种污泥气提装置，该装置可以实现自动化排污，且可以控制污泥排放量。当前，影响气力提升技术的主要问题有：排污均匀性较差；排污量和排污效率还需提高。

工厂化循环水苗种繁育过程中水流流速不高，造成粪便残饲在池底堆积，容易滋生大量微生物，进而影响受精卵的孵化进程和苗种健康生长[8]。育苗期间为了保证育苗池清洁需要经常吸污，一般使用虹吸法去除底部污物[9]。该方式需要依靠人工完成，易导致鱼苗应激，水体浑浊，劳动强度大和清污不均匀等。查阅文献可知，国内外针对水下鱼池清刷设备的研究较少。中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所设计了一款水下鱼池清刷机器人，利用内螺旋路径规划算法完成全覆盖清扫任务[10-13]；郭根喜等[14-15]设计了一款深远海网箱养殖网衣清洁机器人，利用高速水流驱动叶轮旋转，在反冲击力的作用下，使固定在工作盘上的清扫刷在网衣表面进行摩擦旋转清洗；杨强等[16]对遥控泳池清洁机工作原理、模型方程以及系统设计提供研究方法。对比传统人工清洁方式和现有的水下清洁装备，水下清洁装备结构较为复杂、设备体积较大，不适用于小型育苗池使用；清洁方式都是利用刷盘清洁，对水体扰动较大，容易造成幼鱼应激反应导致死亡。因此需要研究一款结构简单、体积较小、对幼鱼应激较小的清洁装备。

本研究将气力提升技术与水下清洁装备技术相结合，设计了一款管道式气力提升池底吸污装备。

1 气力提升系统工作原理及系统组成

1.1 工作原理

常规的气力提升装置如图1所示，主要由提升管和进气管组成。

图1 气提装置示意图

提升管一端浸没在液体中，提升管底端连接进气管[17]。气力提升装置的原理是：压缩空气经气管注入提升管中，空气与管中液体冲击后有大量气泡产生，气泡在提升管中做垂直向上运动，气泡上浮中会聚集成与管径相当的气泡时发生破裂。在气提过程中，液体与气泡会交替出现，气泡在管内的运动会带动液体连续上升，直至被提升出管外[18]。当管道中的固体颗粒物受到液体摩擦阻力大于自身重力时，颗粒物就会提升出管外[19]。

1.2 系统组成

根据气力提升工作原理设计了一款旋转管道式气力提升池底吸污装置，如图2所示。该装置由吸污管、提升立管、集水槽、轴承座、旋转轴、减速电机、齿轮和进气管组成。图3是旋转管道式气力提升池底吸污装置试验装置。

图2 气提吸污装置系统组成

图3 试验装置实物图

2 气力提升系统理论模型建立

2.1 设计参数

提升管管径、淹没率和进气流量是管道式气力提升池底吸污装置的主要设计参数[20]。参考《给水排水设计手册(第五册)》中的公式计算[21]。

(1)

式中：h为提升管淹没高度，m；H为提升管提升高度，m；μ为密度系数，一般取值2～2.5。

(2)

式中：Qg为气体流量，L/min；K为安全系数，一般取1.2；Q为提升管设计提升流量，m3/h；γ为效率系数，一般取值0.35～0.45；g为重力加速度，m2/s。

根据上述公式，可确定进气流量、淹没率、提升管管径等都需通过其他方法确定参数。

2.2 提升管管径计算

通过查阅文献[17]，气液流型和提升管管径之间的关系已有学者研究，但是由于不同的工况条件，流体流型也存在差异。因此需要根据具体实际工况选择合适的计算模型。谷晓娟[22]将流体流型分为环状流、团状流、气泡流和块状流。气力提升效率在团状流的模型中效果最好，根据团状流方程计算相应管径大小。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

公式(7)是气泡流模型和团状流模型的分界线公式；公式(8)是团状流模型和泡沫流模型的分界线公式。根据上述计算公式，已知气力提升的液体流量和进气量就可以计算出提升管的管径范围。

2.3 淹没率计算

淹没率是指提升立管浸没在水面以下的高度与提升立管高度的比值。相关研究表明[17]，气力提升装置的提升能力随淹没率的增加而增加。《排水工程(下册)》[21]规定，在一般情况下，淹没率应大于等于0.5。所以，在满足一定的液体提升高度条件下，尽可能增大淹没率，且应大于或等于0.5。

2.4 进气量计算

利用Golan流型分界线方程和Sadek Z.Kassab计算模型联合求解[23]，计算进气量的范围值。

(9)

(10)

式中：K为摩擦参数；s为滑移率；VL为进口处的提升液体流速，m/s；f为摩擦因子。

(11)

(12)

Dare[24]的研究表明，气力提升的提升高度与提升立管管径相关，提升立管管径越大，气力提升高度越低。相关研究表明，气力提升的效率与管径相关，提升立管管径越大，气力提升效率越高。因此在选择提升立管管径时，应考虑工程应用中对气力提升高度和效率的要求。

3 气力提升吸污效果试验

3.1 试验设计

研究进气量、提升立管管径、淹没率和吸口截表面积4个因素对管道式气力提升装置提升能力的影响，即与吸口流速和吸污效率之间的关系。池底吸污装置设定启动时长为2 min，收集2 min内通过提升立管中液体，使用5 L烧杯测量液体体积，计算得出单位时间内提升立管中的液体流量，即气提流量。进气流量测定是通过在进气管上安装气体流量计，调节流量计至设定的进气流量即可。吸口截表面积通过测量吸污管上吸口尺寸与吸口数量计算得出。吸口流速通过气提流量和吸口截表面积计算得出，吸污效率是气提流量和进气流量的比值。

3.2 进气量

风机将压缩空气注入提升立管中的体积流量即为进气量，是管道式气力提升池底吸污装置的能量来源。本试验在淹没率为0.778、提升立管直径为75 mm、吸污管上均匀分布8×Ø 8 mm(表面积为402 mm2)的吸污口的条件下，研究进气量分别在2、4、6、8、10和12 m3/h工况条件下管道式气力提升池底吸污装置吸口流速和吸污效率。图4所示，吸口流速随着进气量的增加而增加，在进气流量为12 m3/h时最大吸口流速1.279 m/s；吸污效率随着进气流量增大趋于稳定，在进气流量为10 m3/h时最大吸污效率为15.9%。

图4 吸口流速和吸污效率与进气量的关系

3.3 立管管径

根据前文的理论计算，可知管径越小，提升高度越高；管径越大，提升效率越高，因此提升立管管径选择是管道式气力提升池底吸污装置的重要设计参数。本试验在淹没率为0.778、吸污管上均布8×Ø 8 mm(表面积为402 mm2)的吸污口的条件下，研究进气量分别在2、4、6、8、10和12 m3/h工况条件下提升立管管径分别为50 mm和75 mm时吸口流速和吸污效率。

图5为立管直径为50 mm和75 mm在不同进气流量下的吸口流速，在进气流量≤7 m3/h时，Ø 50 mm的提升立管吸口流速大于Ø 75 mm提升立管的吸口流速。图6表明，Ø 50 mm的提升立管吸污效率大于Ø 75 mm提升立管的吸污效率；进气流量>7 m3/h时，Ø 75 mm的提升立管吸口流速大于Ø 50 mm提升立管的吸口流速，同时Ø 75 mm的提升立管吸污效率大于Ø 50 mm提升立管的吸污效率。

图5 立管管径与吸口流速的关系

图6 立管管径与吸污效率的关系

3.4 淹没率

本试验在进气流量为6 m3/h，吸污管上均布8×Ø 8 mm(表面积为402 mm2)的吸污口，提升立管管径为Ø 50 mm的条件下，研究淹没率分别在0.333、0.444、0.556、0.667和0.778工况下管道式气力提升池底吸污装置吸口流速和吸污效率。图7表明，在5种工况下，管道式气力提升池底吸污装置吸口流速分别为0.089、0.364、0.549、0.69和0.76 m/s；吸污效率分别为2.2%、8.8%、13.3%、16.5%和18.3%。

图7 吸口流速和吸污效率与淹没率的关系

3.5 吸口截表面积

鱼池池底颗粒物主要通过吸口进入提升立管进而排出管外，所以吸口截表面积也是影响管道式气力提升池底吸污装置的重要设计参数。本试验在淹没率为0.778，进气量为6 m3/h和提升立管管径为Ø 50 mm的条件下，考察吸口截表面积分别为75.4 mm2(6×Ø 4 mm)、226.1 mm2(8×Ø 6 mm)、502.4 mm2(10×Ø 8 mm)、785 mm2(10×Ø 10 mm)和942 mm2(12×Ø 10 mm)工况下管道式气力提升池底吸污装置吸口流速和吸污效率。图8表明，在五种工况下，管道式气力提升池底吸污装置吸口流速分别为1.52 m/s、1.04 m/s、0.88 m/s、0.64 m/s和0.55 m/s；吸污效率分别为5.1%、10.6%、19.9%、22.5%和23.5%。

图8 吸口流速和吸污效率与吸口截表面积的关系

4 讨论

4.1 进气流量对吸污效果影响分析

图4可以发现，在低进气流量时，吸口流速很低，池底颗粒物不能被提上来，只有当进气流量达到一定值时，颗粒物所受到的摩擦阻力大于其自身重力时才能被提上来，此时的进气流量称为临界进气流量。当进气流量小于临界进气流量时，大量聚集的小气泡未能形成大气泡，液体在提升立管中不能流出管外，该流型为气泡流。当进气流量大于临界进气流量时，提升立管中有大气泡形成，该流型为弹状流；此时提升立管中的液体会慢慢流出管外，吸口流速也会增大；当进气流量继续增大时，吸口流速增加的幅度会变小，最后维持不变，这时的流型为团状流[25-28]。

4.2 淹没率对吸污效果影响分析

图7可以看出，吸口流速和吸污效率随着淹没率的增加也会相应增加。分析原因：一方面当淹没率增加时，浸没在液体中提升立管高度增加，在提升立管中的压缩空气与管内流体混合更加均匀，随着气泡上升的流体流量更多；另一方面当淹没率增加，液体的提升高度减小，流出管外的流体所需能量减少，在进气流量不变的情况下，提升流体的能量不变，根据能量守恒原理，流出管外的流体更多，吸口流速和吸污效率也会相应增加。

4.3 吸口截面积对吸污效果影响分析

当吸口截表面积增大时，吸口流速减小后趋于稳定，因为在淹没率和进气流量不改变的情况下，提升立管已达到最大的提升能力，吸口流速会趋于稳定；吸口截表面积增大时，吸污效率会增大后趋于稳定，吸口截面积增大，流体进入吸口的面积增大，进入到提升立管中的流体更多，吸污效率也会增大，受限于淹没率和进气流量，吸污效率会趋于稳定。

4.4 吸口形状和位置对吸污效果影响分析

试验表明，吸口形状和位置会影响吸污均匀性，后期将进一步优化吸污管的吸口形状和位置，提高吸污均匀性和吸污效率。通过查阅相关文献[29]，提升立管中流体流型是影响气力提升装置性能的重要因素，提升立管中的流体流型除了和管径相关，进气方式同样也是主要因素[30]。后期将改变进气方式，优化吸污装置的排污性能。

5 结论

本研究从循环水育苗池底清污需求出发，首次将气力提升技术运用在水产养殖育苗系统中，解决了育苗过程中池底清污技术空白，大大降低劳动强度，提高生产效率。通过建立气力提升系统理论模型和气力提升吸污效果试验研究，试验得出在进气量为6 m3/h、淹没率为0.778、提升立管管径为50 mm和吸口截表面积为226 mm2的工况条件下，管道式气力提升池底吸污装置可以达到最优性能。该池底吸污装备存在吸污不均匀现象，在提升立管一侧的吸污效果好于远离提升立管一端。因此需进一步优化设计参数，包括吸口位置和进气方式等，其他因素对吸污效果的影响需要进行进一步试验。本研究也为后续装备研发、试验和推广应用提供理论指导。

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