新型微氣泡發生裝置設計與曝氣試驗研究

王啟凡，趙志頂，2，王奎升

新型微氣泡發生裝置設計與曝氣試驗研究

王啟凡1，趙志頂1，2，王奎升1

（1．北京化工大學，北京100029；2．中國石油長城鉆井公司，北京100101）

將迷宮螺旋密封的泵送原理應用于微氣泡發生裝置，并對曝氣裝置的轉子螺桿進行分段組合設計。不同螺旋槽參數應用于各分段之中，在不同真空度的條件下對微氣泡發生裝置進行曝氣試驗研究。經驗證，相比于傳統整體式轉子的曝氣性能，分段式組合設計可以提高曝氣效率。

微氣泡發生裝置；螺紋牙型；曝氣；試驗研究

在我國工業與城市的發展進程當中，污水處理技術被廣泛應用于各個領域。為使污水獲得足夠的溶解氧，工業上有生物曝氣、鼓風曝氣以及機械曝氣等方法［1］。本設計在迷宮螺旋曝氣裝置的基礎上將迷宮螺旋密封的泵送原理應用于曝氣設備。在泵送污水的同時進行曝氣循環，達到提升氧含量的效果。北京化工大學從20世紀80年代至今，一直進行迷宮螺旋密封和迷宮螺旋泵的研究，并且做了大量的試驗，得出了迷宮螺旋體的密封特性和泵特性［2］。本文在已知的迷宮螺旋體特性基礎上，進行結構創新設計，進一步研究分段組合式微氣泡發生裝置的曝氣性能，為該裝置工業應用提供依據。

1 微氣泡發生裝置工作原理

迷宮螺旋體的轉子固定于轉軸之上，隨著主軸旋轉，由于黏性和摩擦力的存在，轉子（螺桿）與定子（螺桿襯套）間隙的液體隨著螺紋帶動而形成漩渦。在接觸過程中，轉子與液體發生動量交換。而轉子與定子上設計的螺紋旋向相反，在二者的相互作用下，液體產生軸向反壓，也就是泵送壓力，從而獲得泵送效果［3］（如圖1所示）。迷宮螺旋段揚程與流量之間的關系為［4］

式中：K為揚程系數；D為轉子直徑；Sc為橫截面通道的橫截面積；Z為螺紋頭數；L為螺旋段長度；u為液體流速；α為螺紋與軸線之間的夾角。

泵送壓力產生并維持穩定時，由于出入口兩端壓差的存在，在螺旋配合的液體入口段，減小入口流量可以產生真空度［5］。在液體入口段安裝通氣閥門，開啟通氣閥門，空氣被吸入，與液體進行兩相混輸。轉子與定子的螺紋對液體進行剪切與打碎，從而產生微氣泡，達到曝氣效果。

2 微氣泡發生裝置設計

在曝氣過程中，揚程系數K與螺紋幾何參數關系十分密切，本設計就是為了研究在具有不同K值的螺旋段組合情況下，曝氣性能的變化，從而獲得相對優良的設計結構。

經過對具有代表性的半圓形、梯形、三角形螺紋牙型開展了轉速和主要幾何尺寸相同的情況下牙型對揚程和流量的影響研究，得出結論：壓頭依次是；流量。

螺旋槽各參數的改變能夠引起泵性能的顯著變化，但試驗中研究花費巨大，研究周期長。本文應用不同形狀的螺紋組合，整合不同參數下的流量與揚程，用以對微氣泡發生裝置曝氣性能做試驗研究，在提高流量的同時確保揚程的最優搭配，從而提升曝氣效率。

2．1 結構組成

微氣泡發生裝置結構如圖1所示，其核心裝置是組合式迷宮螺旋曝氣段。該裝置由主軸、螺紋轉子、螺紋定子、機架、法蘭等組成。

圖1　微氣泡發生裝置曝氣結構

2．2 裝置特點

為了方便進行對比，本設計轉子組合使用螺旋升角、槽深、轉子定子之間間隙均相同，只有螺紋形狀不同的轉子單體。同樣，整體式轉子與組合式轉子螺紋參數相同。將螺紋轉子設計成為具有不同揚程參數、不同牙型的組合螺紋段，將其裝配于主軸之上，螺紋組合從左向右依次為半圓形、半圓形、三角形，如圖2所示。

圖2　組合式螺紋轉子

該設計的特點為：

1)對于不同工況時能夠自由組合成為不同型線的轉子，用以配比流量與揚程，達到一泵多用的目的。

2)拆裝方便。轉子由特殊非標雙鍵周向固定于轉軸之上，由鎖緊螺母軸向固定，拆裝只需將鎖緊螺母旋下即可更換轉子單元塊。

3)轉子鍵槽加工時需先將螺紋擬合對中，再進行加工，保證了安裝之后能夠最大限度降低液體與轉子斷面的螺紋摩擦，從而提升泵送效率。

3 曝氣試驗

3．1 試驗流程

為了研究螺紋牙型對微氣泡發生裝置曝氣性能的影響，自主研制了微氣泡發生裝置試驗臺，如圖3。

該試驗臺主要由曝氣部分、動力輸出部分、水箱、流量計、壓力傳感器、轉矩測量儀、溶解氧測量儀等組成。污水曝氣總量上限為4 m3，設計額定流量為3 m3／h，功率為4 k W。壓力變送器量程0～20 MPa，精度為±0．25%。

試驗介質為清水，試驗流程如下：

1)在確保排水口關閉的前提下，將水箱與泵體灌滿。將循環管路閥門打開，關閉氣體入口。

2)用無水亞硫酸鈉對水箱內水體進行過盈除氧。

3)泵體啟動后，設備滿負荷運轉。待設備各參數穩定后，調整泵液體入口閥門，從而調整真空度。

4)在真空度穩定后，開啟氣體入口閥門，微氣泡發生裝置進行吸氣曝氣。每隔30 s記錄1次氧溶量。

圖3　曝氣試驗裝置結構

3．2 試驗結果分析

在螺旋曝氣段滿負荷穩定運轉的前提下，對流量控制閥進行調節，參數穩定時進行記錄。應用Origin軟件對試驗數據進行處理并繪制特性曲線，如圖4。

圖4　螺旋曝氣裝置泵送特性曲線

由圖4可以看出：組合式轉子微氣泡發生裝置的泵送特性揚程曲線符合一般泵送規律，隨著流量的增加，揚程會有所下降；泵效率隨著流量的增加先上升后降低，在1．7 m3／h左右達到最高，約18%。

在得到組合式轉子微氣泡發生裝置的泵特性之后，對其真空性能進行測試，并用Origin軟件對試驗數據進行處理，繪制真空度Ps曲線，如圖5。

圖5　真空度Ps曲線

分析圖5可知：組合式轉子微氣泡發生裝置工作產生的真空度隨著流量的增加呈下降趨勢，且在流量為1．3 m3／h左右時，真空度Ps趨于0。

為對比組合式轉子與整體轉子的曝氣性能，分別測試2種轉子在真空度為6、10 k Pa條件下的曝氣充氧性能，得到曝氣效果對比分析曲線，如圖6所示。

由圖6～7可知：在低真空度6 kPa條件下，組合式螺紋轉子的曝氣率比傳統整體式螺紋轉子的高；在達到相等氧含量（8．0 mg／L）的條件下，組合式螺紋轉子能夠將效率提升近15%；在高真空度10 k Pa的條件下，二者的曝氣效率基本一致。

圖6　真空度6 k Pa曝氣效果對比分析曲線

圖7　真空度10 kPa曝氣效果對比分析曲線

3．3 不同齒形組合曝氣研究

為探究不同轉子組合對曝氣性能的影響，本文將不同轉子組合在相同真空度（6 kPa）下分別進行曝氣試驗研究。具體對比轉子螺紋組合如下（組合齒形順序為液體出口段指向入口端）：

1)組合一：半圓形；半圓形；三角形。

2)組合二：半圓形；三角形；三角形。

3)組合三：三角形；三角形；半圓形。

4)組合四：三角形；半圓形；半圓形。

試驗曝氣效果對比分析如圖8。

圖8　真空度6 kPa各組合轉子曝氣效果對比

由圖8可以看出：不同的組合曝氣效果中，組合一的組合曝氣效率最高，組合二次之，組合三、組合四則更低；曝氣效率差別不大，從原理方面分析不同螺紋齒形組合的轉子差別主要為揚程和流量；揚程影響真空度，進而影響氣體吸入程度；流量間接影響氣液兩相的剪切混合程度；在流量和揚程的協同作用下，曝氣效率隨轉子組合的更改而變化，具體影響規律需要進一步研究與試驗。

4 結論

1)組合式轉子應用靈活。如需調整曝氣性能來應對不同工況，只需將泵體端口拆下即可更換不同參數的螺紋轉子。不同螺紋參數的轉子組合可以產生不同曝氣性能，從而適應相應的介質與曝氣要求。

2)組合式轉子在低真空度的情況下，吸氣曝氣效率能夠比傳統整體轉子高出近15%。

3)組合轉子的曝氣性能不僅由微氣泡發生裝置的泵送性能決定，流量和揚程的協同影響使曝氣性能具有不確定性。隨著轉子螺槽體積增加，曝氣效果會有一定程度的提升，但與此同時泵送揚程會降低，所以綜合曝氣影響因素需要根據具體工況進行分析。

4)試驗過程中，由于水體為閉合水域且水量較小，隨著試驗的進行，水體溫度會上升1～3℃對曝氣效果會有微小影響。且在實際中，污水會含有一定的鹽度，由于鹽度會影響水體張力、飽和溶氧度等特性，對曝氣效果可以有適當提升［7］。具體環境影響因素以及轉子組合特性的深度影響有待進一步研究。

［1］陳家慶．石油石化工業環保技術概論［M］．北京：中國石化出版社，2005：87-90．

［2］田國文，張有忱，黎鏡中．迷宮螺旋泵內部流動的CFD模擬［J］．北京化工大學學報（自然科學版），2007（2）：218-220．

［3］程旭，劉進立，馬潤梅，等．污水處理用螺旋曝氣多功能試驗裝置的設計［J］．石油礦場機械，2012，41（2）：29-32．

［4］馬潤梅，黎鏡中，段成紅．迷宮螺旋泵的設計［J］．流體機械，2002（3）：12-14．

［5］張林．梯形迷宮螺旋泵內部流動的數值模擬［J］．石油機械，2005（10）：20-21．

［6］張培，馬潤梅，黎鏡中．新型節能復合齒型迷宮螺旋泵［J］．化工進展，2009（S1）：356-357．

［7］劉春，張磊，楊景亮，等．微氣泡曝氣中氧傳質特性研究［J］．環境工程學報，2010（3）：585-589．

Experimental Research and Eesign of New Micro Bubble Generation Eevice

WANG Qifan1，ZHAO Zhiding2，WANG Kuisheng1
（1．Beijing Uniuersity of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2．CNPC Greatwall Drilling Company，Beijing 100101，China）

Using the pumping principle of spiral labyrinth seal in the micro bubble generator，and piecewise combination was designed for the rotor of the screw aeration device．In this paper，different screw thread parameters are used in each rotor unit，and the aeration experiment research was taken in different vacuum condition．Verified and compared with the traditional monolithic rotor of the screw，piecewise combination design can improve the aeration efficiency．

micro bubble generator；micro bubble generator；aeration；experimental stud y

TE974

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．019

1001-3482（2015）04-0080-04

2014-10-21

國家自然科學基金資助項目（No．51076007／E060203）；中央基礎研究基金資助項目；北京市與中央高校共建項目

王啟凡（1988-），男，內蒙古錫林郭勒人，碩士研究生，主要從事化工設備設計工作，E-mail：qfwangchina＠gmail．com。