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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