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“排氣增流”在循環水管網改造中的分析與應用

所屬欄目:建筑設計論文 發布日期:2011-05-09 17:09 熱度:

  摘要:通過對制氧設備循環水排水漏斗溢流現象的理論分析和實踐研究,提出了“排氣增流”的思路,研究開發了“排氣緩沖漏斗”,對此問題得以完美解決,保證了工廠設備的正常運行。
  關鍵詞:循環回水;排水漏斗;氣液兩相流動;排氣緩沖漏斗;矩形薄壁堰
  1前言
  我公司制氧車間300m3/h制氧機冷卻循環水系統采用的循環流程如圖1圖示。制氧設備冷卻循環回水采用開式(設備出口設排水漏斗集水)自流至熱水池,單臺設備循環水流量70~100m3/h,循環回水管管材為DN200鑄鐵管,敷設坡度8‰。
  該系統自投入使用后,在每年夏季設備運行存在問題。當循環水流量調節增大時,從漏斗處發生大量溢流現象,使排水漏斗后的循環回水管道中的循環水流量無法增加,導致制氧設備冷卻效果達不到設計要求,制氧設備不能充分發揮其應有的能力,同時對制氧設備使用壽命造成不良影響,也給生產運行帶來了事故隱患。
  2理論分析
  經計算,DN200鑄鐵管道,在坡度8‰時其可通過流量為144m3/h,應完全能夠滿足70~100m3/h的循環流量,但為何無法滿足使用要求呢?后經現場大量觀察發現,制氧設備循環水出口流速較高,在出口排水漏斗內混合大量空氣進入循環回水管道(圖2),管道內產生“氣液兩相流動”,使得管道輸配能力大大降低。
  所謂“相”就是通常所說的物質的態,而“兩相流動”就是兩種不同的物質的流動。兩相流動與單相流動不同,它的特點首先表現為:除了每種物質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,這種運動結構的差異更加大了兩相流動的復雜性。
  當氣液混合物在管中作垂直向下運動時,可能有以下四種流動模式:(圖3.a)當氣液混合物中空氣
  含量較少時,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結構;(圖3.b)當空氣量較多時,細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結構;(圖3.c)當空氣含量更大時,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結構,液體仍在管壁附近流動;(圖3.d)當空氣含量極大時,管壁周圍的液柱厚度進一步減薄,而成為一層液體膜,其厚度減小到一定程度時,被撕破而形成細小的液滴,均勻地分布在空氣中,形成霧狀流動結構。這時由于在氣泡上的浮力方向與運動方向相反,對氣泡的運動起了阻礙作用,故氣泡的運動速度比液體的小。
  當氣液混合物在水平管道中流動時,若流速較高時,流動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,形成不對稱的流動結構。隨著流動速度的減小,
  流動結構的不對稱增加。當流速小到一定程度時,氣液兩相產生分離,空氣在管道上部流動,液體在管道
  下部流動。
  綜上所述,無論氣液兩相流動在立管中還是在水平管中,也無論是在何種流動模式的情況下,均大
  大增加了流動阻力,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,增加設備出口至熱水池間的高差,從而增加循環回水動力,起到增加輸配流量的作用;
  方案2:增大循環回水管徑,從而增加管道輸配流量。
  方案3:設計一種排氣裝置,減少或避免氣體進入管道,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是均需增加較多管道及設施,投資較大,施工工期長,且“氣液兩相流動”的流動過程是十分復雜的,理論上雖然提出了一些模型,但在實用上仍然要依靠試驗求得解決,其過程復雜,管徑較難確定。
  方案3如能實現,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。經理論計算和有關試驗,筆者自主設計了“排氣緩沖漏斗”,其結構如圖4所示,完全達到使用效果。
  4排氣緩沖漏斗
  排氣緩沖漏斗主要分為四個區,Ⅰ區:平面緩沖曝氣區;Ⅱ區:堰流區;Ⅲ區:堰下消能區;Ⅳ區:
  豎管排氣區。
  Ⅰ區、平面緩沖曝氣區: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,對從設備出口處流出的較高流速的水
  進行消能,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、堰流區:通過堰的作用,使堰的上游水流受阻壅高,水流部分動能被轉化為勢能,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算公式:Q=m0b(2g)0.5H1.5。Q--流量;m0--矩形堰的流量系數,取值0.40~0.50;b--堰寬;H--堰前水流壅高。
  Ⅲ區、堰下消能區:經過堰流下溢的水流,其勢能又轉化為動能,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,同時為減小流體對漏斗鋼板的沖刷,延長漏斗使用壽命,該
  區通過底流型銜接方式有控制地發生水躍消能。
  計算公式: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,取值0.75。
  Ⅳ區、豎管排氣區: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,進一步將水中氣體排除;在小流量時(非滿管流),該區起到通氣立管的作用,增大管道輸配能力;在大流量時(滿管流),通過該區一定的有效水深,進一步緩沖堰流后水流的動能,避免漏斗發生溢流。

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