新型微气泡发生装置设计与曝气试验研究

王启凡，赵志顶，2，王奎升

新型微气泡发生装置设计与曝气试验研究

王启凡1，赵志顶1，2，王奎升1

（1．北京化工大学，北京100029；2．中国石油长城钻井公司，北京100101）

将迷宫螺旋密封的泵送原理应用于微气泡发生装置，并对曝气装置的转子螺杆进行分段组合设计。不同螺旋槽参数应用于各分段之中，在不同真空度的条件下对微气泡发生装置进行曝气试验研究。经验证，相比于传统整体式转子的曝气性能，分段式组合设计可以提高曝气效率。

微气泡发生装置；螺纹牙型；曝气；试验研究

在我国工业与城市的发展进程当中，污水处理技术被广泛应用于各个领域。为使污水获得足够的溶解氧，工业上有生物曝气、鼓风曝气以及机械曝气等方法［1］。本设计在迷宫螺旋曝气装置的基础上将迷宫螺旋密封的泵送原理应用于曝气设备。在泵送污水的同时进行曝气循环，达到提升氧含量的效果。北京化工大学从20世纪80年代至今，一直进行迷宫螺旋密封和迷宫螺旋泵的研究，并且做了大量的试验，得出了迷宫螺旋体的密封特性和泵特性［2］。本文在已知的迷宫螺旋体特性基础上，进行结构创新设计，进一步研究分段组合式微气泡发生装置的曝气性能，为该装置工业应用提供依据。

1 微气泡发生装置工作原理

迷宫螺旋体的转子固定于转轴之上，随着主轴旋转，由于黏性和摩擦力的存在，转子（螺杆）与定子（螺杆衬套）间隙的液体随着螺纹带动而形成漩涡。在接触过程中，转子与液体发生动量交换。而转子与定子上设计的螺纹旋向相反，在二者的相互作用下，液体产生轴向反压，也就是泵送压力，从而获得泵送效果［3］（如图1所示）。迷宫螺旋段扬程与流量之间的关系为［4］

式中：K为扬程系数；D为转子直径；Sc为横截面通道的横截面积；Z为螺纹头数；L为螺旋段长度；u为液体流速；α为螺纹与轴线之间的夹角。

泵送压力产生并维持稳定时，由于出入口两端压差的存在，在螺旋配合的液体入口段，减小入口流量可以产生真空度［5］。在液体入口段安装通气阀门，开启通气阀门，空气被吸入，与液体进行两相混输。转子与定子的螺纹对液体进行剪切与打碎，从而产生微气泡，达到曝气效果。

2 微气泡发生装置设计

在曝气过程中，扬程系数K与螺纹几何参数关系十分密切，本设计就是为了研究在具有不同K值的螺旋段组合情况下，曝气性能的变化，从而获得相对优良的设计结构。

经过对具有代表性的半圆形、梯形、三角形螺纹牙型开展了转速和主要几何尺寸相同的情况下牙型对扬程和流量的影响研究，得出结论：压头依次是；流量。

螺旋槽各参数的改变能够引起泵性能的显著变化，但试验中研究花费巨大，研究周期长。本文应用不同形状的螺纹组合，整合不同参数下的流量与扬程，用以对微气泡发生装置曝气性能做试验研究，在提高流量的同时确保扬程的最优搭配，从而提升曝气效率。

2．1 结构组成

微气泡发生装置结构如图1所示，其核心装置是组合式迷宫螺旋曝气段。该装置由主轴、螺纹转子、螺纹定子、机架、法兰等组成。

图1　微气泡发生装置曝气结构

2．2 装置特点

为了方便进行对比，本设计转子组合使用螺旋升角、槽深、转子定子之间间隙均相同，只有螺纹形状不同的转子单体。同样，整体式转子与组合式转子螺纹参数相同。将螺纹转子设计成为具有不同扬程参数、不同牙型的组合螺纹段，将其装配于主轴之上，螺纹组合从左向右依次为半圆形、半圆形、三角形，如图2所示。

图2　组合式螺纹转子

该设计的特点为：

1)对于不同工况时能够自由组合成为不同型线的转子，用以配比流量与扬程，达到一泵多用的目的。

2)拆装方便。转子由特殊非标双键周向固定于转轴之上，由锁紧螺母轴向固定，拆装只需将锁紧螺母旋下即可更换转子单元块。

3)转子键槽加工时需先将螺纹拟合对中，再进行加工，保证了安装之后能够最大限度降低液体与转子断面的螺纹摩擦，从而提升泵送效率。

3 曝气试验

3．1 试验流程

为了研究螺纹牙型对微气泡发生装置曝气性能的影响，自主研制了微气泡发生装置试验台，如图3。

该试验台主要由曝气部分、动力输出部分、水箱、流量计、压力传感器、转矩测量仪、溶解氧测量仪等组成。污水曝气总量上限为4 m3，设计额定流量为3 m3／h，功率为4 k W。压力变送器量程0～20 MPa，精度为±0．25%。

试验介质为清水，试验流程如下：

1)在确保排水口关闭的前提下，将水箱与泵体灌满。将循环管路阀门打开，关闭气体入口。

2)用无水亚硫酸钠对水箱内水体进行过盈除氧。

3)泵体启动后，设备满负荷运转。待设备各参数稳定后，调整泵液体入口阀门，从而调整真空度。

4)在真空度稳定后，开启气体入口阀门，微气泡发生装置进行吸气曝气。每隔30 s记录1次氧溶量。

图3　曝气试验装置结构

3．2 试验结果分析

在螺旋曝气段满负荷稳定运转的前提下，对流量控制阀进行调节，参数稳定时进行记录。应用Origin软件对试验数据进行处理并绘制特性曲线，如图4。

图4　螺旋曝气装置泵送特性曲线

由图4可以看出：组合式转子微气泡发生装置的泵送特性扬程曲线符合一般泵送规律，随着流量的增加，扬程会有所下降；泵效率随着流量的增加先上升后降低，在1．7 m3／h左右达到最高，约18%。

在得到组合式转子微气泡发生装置的泵特性之后，对其真空性能进行测试，并用Origin软件对试验数据进行处理，绘制真空度Ps曲线，如图5。

图5　真空度Ps曲线

分析图5可知：组合式转子微气泡发生装置工作产生的真空度随着流量的增加呈下降趋势，且在流量为1．3 m3／h左右时，真空度Ps趋于0。

为对比组合式转子与整体转子的曝气性能，分别测试2种转子在真空度为6、10 k Pa条件下的曝气充氧性能，得到曝气效果对比分析曲线，如图6所示。

由图6～7可知：在低真空度6 kPa条件下，组合式螺纹转子的曝气率比传统整体式螺纹转子的高；在达到相等氧含量（8．0 mg／L）的条件下，组合式螺纹转子能够将效率提升近15%；在高真空度10 k Pa的条件下，二者的曝气效率基本一致。

图6　真空度6 k Pa曝气效果对比分析曲线

图7　真空度10 kPa曝气效果对比分析曲线

3．3 不同齿形组合曝气研究

为探究不同转子组合对曝气性能的影响，本文将不同转子组合在相同真空度（6 kPa）下分别进行曝气试验研究。具体对比转子螺纹组合如下（组合齿形顺序为液体出口段指向入口端）：

1)组合一：半圆形；半圆形；三角形。

2)组合二：半圆形；三角形；三角形。

3)组合三：三角形；三角形；半圆形。

4)组合四：三角形；半圆形；半圆形。

试验曝气效果对比分析如图8。

图8　真空度6 kPa各组合转子曝气效果对比

由图8可以看出：不同的组合曝气效果中，组合一的组合曝气效率最高，组合二次之，组合三、组合四则更低；曝气效率差别不大，从原理方面分析不同螺纹齿形组合的转子差别主要为扬程和流量；扬程影响真空度，进而影响气体吸入程度；流量间接影响气液两相的剪切混合程度；在流量和扬程的协同作用下，曝气效率随转子组合的更改而变化，具体影响规律需要进一步研究与试验。

4 结论

1)组合式转子应用灵活。如需调整曝气性能来应对不同工况，只需将泵体端口拆下即可更换不同参数的螺纹转子。不同螺纹参数的转子组合可以产生不同曝气性能，从而适应相应的介质与曝气要求。

2)组合式转子在低真空度的情况下，吸气曝气效率能够比传统整体转子高出近15%。

3)组合转子的曝气性能不仅由微气泡发生装置的泵送性能决定，流量和扬程的协同影响使曝气性能具有不确定性。随着转子螺槽体积增加，曝气效果会有一定程度的提升，但与此同时泵送扬程会降低，所以综合曝气影响因素需要根据具体工况进行分析。

4)试验过程中，由于水体为闭合水域且水量较小，随着试验的进行，水体温度会上升1～3℃对曝气效果会有微小影响。且在实际中，污水会含有一定的盐度，由于盐度会影响水体张力、饱和溶氧度等特性，对曝气效果可以有适当提升［7］。具体环境影响因素以及转子组合特性的深度影响有待进一步研究。

［1］陈家庆．石油石化工业环保技术概论［M］．北京：中国石化出版社，2005：87-90．

［2］田国文，张有忱，黎镜中．迷宫螺旋泵内部流动的CFD模拟［J］．北京化工大学学报（自然科学版），2007（2）：218-220．

［3］程旭，刘进立，马润梅，等．污水处理用螺旋曝气多功能试验装置的设计［J］．石油矿场机械，2012，41（2）：29-32．

［4］马润梅，黎镜中，段成红．迷宫螺旋泵的设计［J］．流体机械，2002（3）：12-14．

［5］张林．梯形迷宫螺旋泵内部流动的数值模拟［J］．石油机械，2005（10）：20-21．

［6］张培，马润梅，黎镜中．新型节能复合齿型迷宫螺旋泵［J］．化工进展，2009（S1）：356-357．

［7］刘春，张磊，杨景亮，等．微气泡曝气中氧传质特性研究［J］．环境工程学报，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

国家自然科学基金资助项目（No．51076007／E060203）；中央基础研究基金资助项目；北京市与中央高校共建项目

王启凡（1988-），男，内蒙古锡林郭勒人，硕士研究生，主要从事化工设备设计工作，E-mail：qfwangchina＠gmail．com。