顧劍峰
(上海船舶運輸科學(xué)研究所，上海200135)

　　摘　要：介紹了一種新型潷水器，并對其排水過程的水力模型進(jìn)行了研究，提出了在考慮管道阻力損失的條件下計算潷水器排水流量和排水時間的理論公式，試驗證明這些公式是正確的。
　　關(guān)鍵詞：SBR；潷水器；水力學(xué)模型
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)10-0064-04

　　潷水器是SBR工藝的關(guān)鍵設(shè)備，為適應(yīng)其序批式處理的要求，潷水器必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成對反應(yīng)器內(nèi)澄清水的自流排放。因此，在設(shè)計選型時對潷水器進(jìn)行排水量計算十分重要。

1　新型潷水器介紹

　　該潷水器從功能上可分為兩部分，一是浮筒自平衡系統(tǒng)，其作用是實現(xiàn)潷水口高度隨液位變化的自動調(diào)節(jié)；二是擺動堰管系統(tǒng)，其作用是防止進(jìn)水和曝氣時產(chǎn)生的懸浮污泥進(jìn)入排水管。
　?、俑⊥沧云胶庀到y(tǒng)
　　由浮筒、排水支管、排水總管及回轉(zhuǎn)軸管等部件組成?；剞D(zhuǎn)軸管是一兼具旋轉(zhuǎn)和通導(dǎo)流體作用的復(fù)合機(jī)構(gòu)。排水總管兩端各與一個回轉(zhuǎn)軸管相連，所以排水總管可以自由轉(zhuǎn)動，排水支管通過鉸接連桿與浮筒相連。當(dāng)浮筒隨液面升降而上下浮動時，堰管上的潷水口也隨之同步移動，所以無論液面在什么位置，潷水口總是位于液面下，且與液面的距離基本保持不變，該距離的大小可以通過調(diào)整堰管的旋轉(zhuǎn)角度加以調(diào)節(jié)。
　　②擺動堰管系統(tǒng)
　　包括堰管、回轉(zhuǎn)軸管、減速電機(jī)、同步帶和帶輪、限位開關(guān)等部件。堰管兩端各與一個回轉(zhuǎn)軸管相連，所以堰管可以自由轉(zhuǎn)動，堰管上徑向伸出一段扁平的矩形管口，即潷水口。排水時流體從潷水口進(jìn)入堰管，再經(jīng)排水支管、排水總管流出。堰管的一側(cè)裝有同步帶輪，減速電機(jī)通過同步帶驅(qū)動堰管轉(zhuǎn)動，從而帶動堰管上的潷水口上下擺動(被抬高或者降低)。在需要阻渣的時候?qū)谔щx液面，而在需要排水的時候則將潷水口浸入液面。浮筒上的兩個限位開關(guān)可以控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)。
　　該潷水器具有如下特點：
　?、僮柙Ч煽?。在曝氣、進(jìn)水過程中潷水口可完全離開液面，因而徹底切斷了浮渣進(jìn)入排水管的途徑；
　　②流動損失小。由于沒有閥片等流阻較大的部件，流動通道中的損失僅為沿程損失和彎頭及三通的損失，而流動阻力的減小可大大提高相同口徑管道的自流排水量；
　?、垓?qū)動機(jī)構(gòu)僅需使堰管上下擺動即可，因此電機(jī)功率較低、控制簡單；
　?、芙Y(jié)構(gòu)簡單，易于制造。

2　排水過程的水力學(xué)模型

　　在建立水力學(xué)模型前先做如下基本假定：
　　①水池或容器與排水管徑相比足夠大，排水過程可以按穩(wěn)定流處理；
　?、诳紤]管道內(nèi)的局部損失和沿程損失，并假定他們的計算滿足疊加原則；
　?、鬯鼗蛉萜鞯乃浇孛娣e為常量，不隨高度變化。
　　潷水器在自流狀態(tài)下的排水過程可簡化為如圖1所示的形式，點1為潷水口，液體流速為V₁，點3為排水出口，管徑為D₃，流速為V₃。點1至點3包括了潷水器的管道、彎頭、三通、閥門等所有管件。設(shè)各段管道的管徑、長度和流速分別為Di、Li和Vi，沿程損失系數(shù)為fi，彎頭、三通和閥門的局部損失系數(shù)為Ki。容器的水平截面積為AR，液位(以點3為零點算起的高度)用y來表示。假設(shè)在排水過程中，液位從yA降到y(tǒng)B所需的時間為T，排出的累積流量為∑Q。

　　在排水時，設(shè)液面高度為y時的瞬時流量為Q，經(jīng)過微元時間δt后液面下降了δy，則有：
?　　　　　　　Q·δt=-AR·δy
　　對上式從yA到y(tǒng)B進(jìn)行積分，可得液面從A點降到B點的時間為：

　　因為水池與排水管徑相比足夠大，故液面降低很慢，可按穩(wěn)定流狀態(tài)應(yīng)用伯諾里方程。從自由液面1點到排水口3點應(yīng)用伯諾里方程：

　　　　　　?。╒₁²／2g）+（P1／γ）+Z1=（V₃²／2g）+（P₃／γ）+Z3+∑hf+∑h_e　　(2)
　　總沿程損失∑hf=∑(fi·Li／Di·V_i²／2g)， 由連續(xù)性方程得V_i²·Di=V₃²·D₃，故總沿程損失可寫為：
?　　　　　　∑hf=∑(fi·Li·D₃Di²)·V23/2g?(3)
　　若忽略局部損失之間的相互影響，由疊加原理得總局部損失為：
　　　　　　　∑he=∑Ki·V₃²／2g　　　　　(4)
　　式中∑K_i為管道各處的局部損失折算到出口流速V3時的損失系數(shù)之和。
　　又?　　　Q=（π／4）D₃²·V₃　　(5)
　　將式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)聯(lián)立，考慮到V1=0，P1=P3，y=Z1-Z3，則有：

　　　　V₃=｛(2g·y／［1+∑(fi·L_i·D₃／D_i²)+∑Ki］｝^0.5　　(6)
　　瞬時流量為：?
?　　　Q=｛(π/4)(D₃²·V₃=(π/4)D₃²·[2g·y/[1+∑(f_i·L_i·D₃D_i²)+∑Ki]｝^0.5 (7)
　　將式(7)代入式(1)，積分后可得液位從yA降到y(tǒng)B所需的時間為：

　　因為∑Q=AR(yA-yB)，故從式(8)中求出yB就可得到從液位高度yA開始排水t秒后的累積流量：

3　計算實例

　　潷水器(試驗樣機(jī))的排水管徑為50mm，圖2為樣機(jī)排水管路圖，其簡化圖見圖3。

　　從潷水器入口點1至出口點7處的損失有：矩形管口(點1)、三通(分支點2)、彎頭(點3、3′) 、彎頭(點4，4′)、三通(匯合點5)、閥門(點6)、彎頭(點7)等處的局部水頭損失(損失系數(shù)分別為K1、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇)和2-3 -4-5、2-3′-4′-5′、5-7等直線管段的沿程損失(損失系數(shù)為f)?？紤]到樣機(jī)管路對稱、管徑不變的特點，則式(7)、(8)、(9)有如下結(jié)果：

　　式中D——排水出口管徑?
?　　　L——點2到點5直管段長度之和
?　　　∑K=K″1+K″₂+K₂₅+K₅+K₆+K₇　　　(13)?
　　其中K″₁=K₁·(A₅/A₁)²
?　　　　K″₂=K₂·(A₅/A₂)²
?　　　　K₂₅=1／4(D_5-6／D_2-5) ⁴·(K₃+fL_2-5／D_2-5+K₄)
　　式中D_2-5和D_5-6分別是2-5段和5-6段的管徑，L_2-5是2-5直管段的長度。
　　試驗用水槽的水平截面積(AR)為3.75m²，液位的初始高度為1.63m，結(jié)束高度為0.53m，即yA=1.63m，yB=0.53m。根據(jù)文獻(xiàn)［1］、［2］和［3］提供的阻力損失系數(shù)的數(shù)據(jù)可以得出潷水器的Q、T和∑Q的表達(dá)式：
?　　　　Q=15.786(y)^0.5
?　　　　T=(7.5×3 600/15.786)[(y_A)^0.5-(y_B)^0.5 )?
　　　　　∑Q=3.75［yA-［(yA）^0.5-(15.786t/7.5×3600)²］?
　　表1是樣機(jī)的實測數(shù)據(jù)和理論計算的比較，其中實測值為5次測量的算術(shù)平均值，理論值為按照上述公式得出的計算值。

表1　實測數(shù)據(jù)和理論計算的比較 高度(m) 瞬時流量Q(m³/h) 累積流量∑Q(m³) 排水時間T(s) 實測值 理論值 實測值 理論值 實測值 理論值 1.63 19.99 20.15 0 0 0 0 1.58 19.69 19.84 0.19 0.19 34.8 33.8 1.53 19.38 19.57 0.39 0.69 69.8 68.0 1.48 19.03 19.20 0.58 0.58 105.8 102.9 1.43 18.76 18.88 0.78 0.77 141.8 138.4 1.38 18.42 18.55 0.97 0.96 178.6 174.4 1.33 18.06 18.21 1.17 1.15 216.2 211.2 1.28 17.71 17.86 1.37 1.34 254.6 248.6 1.23 17.36 17.51 1.56 1.53 293.6 286.8 1.18 17.05 17.15 1.76 1.73 333.8 325.7 1.13 16.67 16.78 1.95 1.91 373.8 365.5 1.08 16.30 16.45 2.14 2.10 415.2 406.2 1.03 15.93 16.02 2.34 2.30 458.2 447.8 0.98 15.55 15.63 2.83 2.49 501.4 490.5 0.93 15.13 15.22 2.73 2.68 546.0 534.2 0.88 14.73 14.81 2.92 2.86 591.2 579.2 0.83 14.27 14.38 3.12 3.05 638.4 625.4 0.78 13.87 13.94 3.31 3.24 686.6 673.1 0.73 13.41 13.49 3.50 3.43 735.8 722.3 0.68 12.96 13.02 3.70 3.62 788.0 773.3 0.63 12.50 12.53 3.89 3.80 841.0 826.1 0.58 12.04 12.02 4.09 3.99 897.0 881.1 0.53 11.51 11.49 4.28 4.18 954.6 938.5

　　由表1可知，計算值與實測值的誤差＜2%，這說明計算公式是正確的，可以在工程設(shè)計中使用。
　　自流狀態(tài)下的排水流量是潷水器的主要性能指標(biāo)，對于管徑相同的潷水器，排水量大則經(jīng)濟(jì)性高。因此，潷水器的設(shè)計開發(fā)應(yīng)追求用盡可能小的管徑實現(xiàn)盡可能大的排水量，對于流量＞1000m³/h的大型潷水器更是如此。從式(10)可以看出，增大管徑和減小流動損失系數(shù)都可以增大瞬時流量；從式(11)也可發(fā)現(xiàn)，在容器橫截面不變且液位高度一定時，要想縮短排水時間，可通過增大排水管徑和減小管系流動損失系數(shù)來實現(xiàn)；而當(dāng)管徑及水頭損失一定時，在(yA-yB)不變即累積流量不變的條件下，使(yA-yB)值減小也可縮短排水時間。一般來說當(dāng)其他條件一定時，減小潷水器內(nèi)部管系及整個排水管路的流動損失是工程設(shè)計中需要著重考慮的問題。

4　結(jié)語

　?、僭摑骶哂凶柙Ч煽俊⒘鲃訐p失小、電機(jī)功率較低、控制簡單等優(yōu)點，值得大力推廣。
　?、谠诳紤]管道阻力損失的條件下得出的潷水器排水的瞬時流量、排水時間隨排水液位高度變化的計算公式以及累積流量隨排水時間的計算公式是正確的，為潷水器的設(shè)計和選型提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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　　電　　話：(021)58856638×2678(O)58951507(H)
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　　收稿日期：2002-04-28