王 晨

摘要:文章分析了現(xiàn)有污泥脫水設(shè)備進料管上可能安裝的調(diào)節(jié)閥頻繁堵塞的原因。流體通過閥門時,節(jié)流口形狀的不理想及其位置的偏離,造成流譜急劇彎曲變化,使流動的均勻性和流速的對稱分布受到破壞是堵塞的主要原因。從污介質(zhì)實際情況出發(fā),提出了相應(yīng)的技術(shù)措施,設(shè)計了一種新污泥閥。

關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)閥;流線;流速;粘性底層;紊流核心

中圖分類號:TU992文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0030-04

一、存在的問題

安陽鋼廠用帶式壓濾機對高爐煤氣循環(huán)洗滌水所產(chǎn)污泥進行脫水。由于機寬只有兩米,且此循環(huán)水濃縮倍數(shù)較高,雖pH值在一范圍內(nèi)變化,但仍時而呈酸性,時而呈堿性,因此閥門開大污水溢濺到設(shè)備主支架和軸承內(nèi),都對這些部位造成嚴重腐蝕,即使水體有時呈中性,但因濃縮倍數(shù)高,析出的鹽分以結(jié)垢方式貼附于其上,造成嚴重的垢下腐蝕,且軸承磨損加大; 還由于絮凝劑濃度和污泥品質(zhì)不穩(wěn)定, 導(dǎo)致處理效果有時不理想, 部分污物透過濾網(wǎng)落入集水斗中, 造成排水不暢和污泥外溢泄漏, 所以,其進料管上安裝過的旋塞閥、蝶閥、閘閥這三種手動閥門,均在小開度下工作。使用期間,頻繁發(fā)生閥門堵塞現(xiàn)象,造成藥劑等浪費和設(shè)備的無功磨損,閥門需經(jīng)常操作調(diào)節(jié),其壽命大大縮減,因此常被更換。

二、問題分析

(一)此污泥介質(zhì)概況

高爐煤氣循環(huán)洗滌水污物成分復(fù)雜,不溶解固形物含量高,濁度、色度高,經(jīng)絮凝沉淀濃縮后,此種污泥粘度大、流動阻力大,常為粘塑性非牛頓流體。由于此種污泥的成分、含量和絮凝劑濃度均在變化,使得其粘性及相關(guān)參數(shù)也在改變,所以此種流體流動狀態(tài)應(yīng)屬于非均勻且非恒定流。為了有助于理論分析,先將其視為均勻恒定流。

(二)圓管內(nèi)牛頓、粘塑性流體的流動及實際流速分布、流動特性

牛頓流體流動狀態(tài)有層、紊流兩種。此性質(zhì)對高含水率污泥也適用,實際中,流體在管或渠道內(nèi)流動,層、紊流均可能發(fā)生。其速度分布如圖1所示:

從圖中可看出,層流狀態(tài)下流體中心處即軸心流線上速度最大,越接近邊壁速度越低;紊流狀態(tài)下流體中心處即紊流核心區(qū)軸心流線上速度最大,且兩種狀態(tài)下邊壁處速度均為零。粘性底層的速度分布由邊壁向紊流核心區(qū)逐漸增大,在紊流核心區(qū)的邊界處達到最大。

粘塑性流體在管內(nèi)流動時有一固體核心,在此核心內(nèi)無相對運動,靠近邊壁則有速度梯度,可視為粘塑性流體流動時的粘性底層。如圖2所示:

(三)對三種閥門堵塞原因的初步分析

由于各自的結(jié)構(gòu)和流量特性不同,所以旋塞、蝶、閘閥在操作性、對流體的控制和過流性能等方面都各有所長。全開啟度下,除蝶閥阻擾相對速度較大的主流區(qū)程度深,且過流斷面被閥板分為形狀均非圓形的兩部分外,旋塞閥和閘閥理論認為都能使流體順暢通過,流譜均勻平直無變化。但在小開度下,如圖3所示,這三種閥的節(jié)流口結(jié)構(gòu)形式雖不同,但均偏離原管路中心較遠且其形狀較原上游管路均勻流處過流斷面形狀改變過大,使得此段流譜彎曲波動、疏密程度改變劇烈又嚴重,流動均勻性遭到破壞,流速大小、方向及分布發(fā)生很大變化,這其中包括上游管路內(nèi)均勻流的軸心流線也受很大程度干擾;加上節(jié)流口都對流體產(chǎn)生節(jié)流作用,致使流量減少,上游管路內(nèi)均勻流的流速下降, 且流體在通過節(jié)流口之前的急變流處壓力先稍有上升,這使其流速稍有下降,但緊接著壓力很快下降,流速很快上升,對于旋塞閥、閘閥(圖3 a、b)而言,此處有死水區(qū)和大團旋渦產(chǎn)生,死水區(qū)污物沉積,而旋渦外圍封閉曲線的不規(guī)則,使得旋渦內(nèi)微團線速度差異較大,速度小之處污物易發(fā)生沉積,當死水區(qū)和旋渦區(qū)沉積物足夠大時,受實際流體較大波動的干擾和沖刷等因素的影響,會有大小不等、相對較密實的部分污泥塊被沖掉并帶到形狀不很理想的節(jié)流口,易使其堵塞;對于蝶閥(圖3 c)此時有部分繞流的特征,在閥板上游流線出現(xiàn)分岔點(即駐點),此點流速為零,污物在此處與閥板之間易于沉積,當沉積物體積足夠大時,受實際流體較大波動的干擾和沖刷等因素的影響,可能會出現(xiàn)較大塊或整塊污泥團沿閥板斜面滑向相對靠下游且形狀不很理想的一節(jié)流口,若這時此節(jié)流口被堵塞,流體只能從另一側(cè)節(jié)流口通過,之后的堵塞過程基本類似于前兩者。另外,即便是牛頓流體通過節(jié)流口時,由于節(jié)流口形狀改變過大、不很理想,面積急劇變化、流通面積縮小,流速相對升高,壓力相對下降,易產(chǎn)生阻塞流。所以實際情況便是這三種閥門頻繁堵塞。

三、類似泄空(或稱放空)模擬試驗

(一)試驗前提及概述

由于我所在工作地點通過實際生產(chǎn)已確認旋塞閥和蝶閥用于污泥調(diào)節(jié)不合適,目前只用閘閥,所以此試驗只是通過類似的方法定性模擬閘閥和污泥閥泄空時的過流情況。因我的經(jīng)濟、居住條件及其它因素有限,所以此試驗在家中進行。

(二)試驗器具、理論依據(jù)概述、測試方法過程及結(jié)果

實際生產(chǎn)中,污泥經(jīng)樓頂濃縮罐從底端出口排出,其排泥管與壓濾機進料管均為DN120無縫鋼管,調(diào)節(jié)閥安在立管上,與濃縮罐底端出口高差約4.2m。本類似試驗采用三截兩端平齊,無毛刺,長度為492±1mm,?準50×2mm白色PVC管,實測外徑51mm,壁厚2mm;一端粘接一透明內(nèi)壁光滑平直無褶皺內(nèi)徑52mm,外徑53mm塑料管;將底端用透明塑料板粘牢,并在其上不同位置開不同形狀的小過流口,這是為了模擬閥門在小開度下工作時過流情況。所得試驗用平直管總長為572±1mm。污泥介質(zhì)以當?shù)厮赝辆醋匀欢逊e狀態(tài)下以不同土水體積比例混合制成;其中,以土: 水約為1.5～1.8∶1所混合的很稠的具有明顯粘塑性流體待征的污泥介質(zhì)為模擬高爐全開污泥量很大的情況,以土∶水約為1∶5～4所混合的較稀的仍保有牛頓流體特性的污泥介質(zhì)為模擬高爐全檢修污泥量極少的情況?；旌蠒r撿出其中粒徑相對較大的石塊,只留一部分小砂粒,以此來模擬實際中由于結(jié)垢或較硬積泥塊對過流的影響。

試驗所依理論由流體力學(xué)可知,相同材質(zhì)、內(nèi)壁粗糙度、內(nèi)徑、長度且豎直放置的管子,其內(nèi)裝滿相同流體介質(zhì),雖放空過程中壓力水頭逐漸減小,但初始壓力水頭相等,填裝流體介質(zhì)體積相等,泄空時沿程阻力也相等,所以當?shù)锥诵箍者^流口形狀和位置不同時,即便是相同的過流面積,也會因局部阻力,過流方式等不同,造成流量不等,從而泄空時間各不相等。所以此試驗是以一手按堵住出流口并將管豎直托放平穩(wěn),一手向管內(nèi)裝滿所配污流體介質(zhì),準備就緒,突然放開泄空過流口,另一人同時快速按下秒表,當堵塞或流完時再快速按下秒表,以這種計時的方法測定各自的泄空時間。測試結(jié)果見表1:

從表中可看出:當介質(zhì)為粘塑性流體,模擬污泥閥以中間開圓小孔的泄空方式,所用時間最短,且穩(wěn)定均勻,說明以此方式過流,水力條件好,污介質(zhì)過流速度快且過流能力穩(wěn)定;當圓孔開在貼近管壁一側(cè),泄空時間也穩(wěn)定均勻,但時間加長較明顯,說明其水力條件不是太好;模擬閘閥的單側(cè)彎月形泄空過流口,其時間已明顯加長且極易堵塞很不穩(wěn)定。當流體中雖有污雜物,但仍為牛頓流體時,以中間開圓孔的泄空方式,所用時間依然較短且穩(wěn)定均勻;單側(cè)貼近管壁開圓孔,所用時間較穩(wěn)定均勻但有所加長;單側(cè)彎月形泄空過流口,所用時間變化幅度大,極不穩(wěn)定,當過流面積為第一個的兩倍時,其最短時間也未達到第一個所用時間的一半,況且有時所用時間已超出第一個的最長時間。試驗結(jié)束后通過下端透明管觀察節(jié)流口上游積泥情況:中間開圓孔時,其節(jié)流口上游四周有一圈連續(xù)的積泥且高度基本一致,內(nèi)側(cè)曲面雖不平整完美但基本為沙漏狀;單側(cè)出流的圓孔或彎月形孔,積泥集中在一側(cè)且有一個最高點,此處基本與過流口正對,其余以最高點對稱向兩邊降低。

(三)對此類似模擬試驗的個人見結(jié)

此試驗所配污流體介質(zhì)雖只是實際中連續(xù)變化不定的所有情況中的兩種,但我認為有一定的代表性;對試驗用管的加工和制作雖力求精確,但由于我制作能力、技術(shù)水平有限,仍存在一定誤差,且受其它各種條件限制,所以本試驗有局限性,只是一次定性的有助于分析問題的輔助性試驗,僅供各位讀者、前輩和同行參考。

四、相關(guān)理論依據(jù)、解決方法及設(shè)計方案

(一)理論依據(jù)

根據(jù)牛頓慣性定律可知,物體動靜狀態(tài)下皆有此性質(zhì),流體介質(zhì)也一樣,所以當流體經(jīng)過一段足夠長直的圓管后,已具有一定慣性,理論上可認為其流動狀態(tài)、速度分布等已確立,屬于流體在圓管內(nèi)的流動情況。這之后,當流體通過一調(diào)節(jié)閥,若此閥開度較小,這時會由于節(jié)流口形狀改變過大,流通面積急劇縮小,過流位置偏離原管路中心較遠,且由于慣性的存在,本要以流譜平直、流速分布均勻又對稱的方式順暢通過,卻受很大程度阻礙和干擾,流譜急劇彎曲、疏密程度改變很大,原上游管路均勻流的軸心流線偏離中心較遠、彎曲猛烈,均勻又對稱的流速分布被破壞、發(fā)生劇烈的重新分布,易產(chǎn)生阻塞流。加上流體流經(jīng)不論尺寸為幾形狀為何的物體時,在邊壁處總有無法完全消除的低流速區(qū)或粘性底層,當為牛頓流體,發(fā)生層流或紊流處在水力光滑區(qū)時,邊壁的粗糙度被低流速區(qū)或粘性底層所淹沒,所以較高流速區(qū)或紊流核心基本不受粗糙度阻力影響,但低流速會使污物較易沉積,這會讓過流通道變窄以致過流能力下降,當有部分沉積物受主流擾動或沖刷等影響而脫落時,可能會使下游節(jié)流口發(fā)生堵塞而喪失過流能力;當紊流處于水力粗糙區(qū),邊壁受到?jīng)_刷,粘性底層變薄,污物不易沉積,但粗糙度伸入紊流核心,使其脈動加劇、受阻增大,這也可使過流能力下降;當為粘塑性流體,因其固有的流動特性,使得粘性底層對固體核心的影響基本類似于牛頓流體紊流狀態(tài)下的情況,因此有上、下臨界設(shè)計流速在閥門全開時的相關(guān)文獻參考數(shù)值,但當閥門開度不同時,常難滿足要求。且流體經(jīng)過節(jié)流口前后會發(fā)生旋渦、空化、水錘、死水區(qū)和二次流等水力現(xiàn)象,其中死水區(qū)和旋渦有利于流體中較重雜質(zhì)或污物的沉積,且沉積污物有一定的密實度和穩(wěn)固性,便會在與主流接觸一側(cè)形成一個較為穩(wěn)定的曲面,其形狀依節(jié)流口形狀和偏離管中心位置的不同而不同,這一現(xiàn)象對于污介質(zhì)流體而言不會被完全消除,但可被利用。所以,解決這一問題的方法是:使閥門在調(diào)節(jié)過程中盡量使原管路內(nèi)的軸心流線不偏離中心,讓流體流經(jīng)閥門時,不論閥門開啟度大小,總令最大流速所在流線及其鄰域能從閥門的中間通過;還要盡可能的保證流體流經(jīng)閥門時,節(jié)流口形狀接近圓形這一水力最優(yōu)斷面;并盡量減小主流與閥芯或由閥芯所構(gòu)成過流通道的接觸面積,以便減少與閥芯有關(guān)且會出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對過流能力的影響;并且利用污泥這一實際流體在死水區(qū)和旋渦處沉積有一定密實度和穩(wěn)固性的污物能形成較穩(wěn)定過流接觸曲面這一現(xiàn)象,使得實際流體在通過小開度的此污泥閥節(jié)流口時能在其上游形成自然的同心漸縮流。

(二)過流情況示意圖及相關(guān)初步分析說明

從圖中可看出:當閥門全開(圖4 a),從理論上講流體能順暢通過,流譜均勻平直無變化。小開度下(圖4 b),由于多個閥瓣所圍成的節(jié)流口形狀在任何開度下均接近圓形這一水力最優(yōu)斷面,且其中心與管路中心重合,這可確保節(jié)流口上游管路均勻流處的軸心流線不發(fā)生偏離和彎曲的順暢流過,也可確保其鄰域內(nèi)流譜發(fā)生很小彎曲較順暢的流過;還可使節(jié)流口上下游急變流流場中除軸心流線的其它流線對稱地向中心收縮或以中心放散,形成以軸心流線為對稱軸,分布對稱的急變流流譜,這樣能使主流的波動很小,流動的均勻性雖受一定程度干擾,但并未遭完全破壞,流速的分布仍然保持對稱;其效果應(yīng)是:雖然流通面積急劇縮小,流速升高,壓力下降,但節(jié)流口形狀接近圓形,水力條件較為理想,且過流位置較原管路中心無偏離,所以構(gòu)成阻塞流的條件不完整。再由于閥瓣的阻擋節(jié)流作用,使得節(jié)流口前后的急變流周圍形成難以避免的死水區(qū)和旋渦,此處易沉積污物,但其具有一定的密實度和穩(wěn)固性,尤其在節(jié)流口上游產(chǎn)生沉積物的堆積,形成較穩(wěn)定的過流接觸曲面;當在某一較小開度下,流量穩(wěn)定,主流的波動很小且沖刷也不致將堆積沉積物破壞,此時就會以圖4 c中所示虛線為邊壁,形成自然的同心漸縮流,大大降低了由旋渦產(chǎn)生的不利影響。還由于閥瓣的結(jié)構(gòu)形狀和運動方式,使得主流經(jīng)過節(jié)流口時,與其所接觸的面積很小,從而大大減少了與閥芯有關(guān)且會出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對主流的影響。最終要達到的目的是:此污泥閥在不同開度,不同流量下,均能令實際污介質(zhì)流體順利通過,不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

(三)設(shè)計方案示意圖及動作原理

設(shè)計方案示意圖如圖5所示:

動作原理:蝸桿1受力矩作用,繞軸轉(zhuǎn)動,帶動齒輪塊2,在圖5所示時,做順或逆時針轉(zhuǎn)動,2的轉(zhuǎn)動帶動直齒輪3及在其下端固定的閥瓣4在同一位置,做繞直齒輪3所在柱體軸線的轉(zhuǎn)動;在開啟狀態(tài)下閥瓣4的曲線邊一側(cè)朝向流體,曲線是為了使閥門在動作調(diào)節(jié)時,閥瓣所構(gòu)成的節(jié)流口邊界接近圓形,并且在全開狀態(tài)下,曲邊所構(gòu)成的圓與內(nèi)管5的外徑所在圓,在如圖5所示時,其兩者垂直紙面的投影完全重合,也就是全開狀態(tài)下過流斷面為圓形。另外每一個閥瓣的上、下表面均為光滑的斜面,這是為了讓閥門在動作調(diào)節(jié)時,使閥瓣之間不會出現(xiàn)理論上所講的貫穿現(xiàn)象,即不互相碰撞;并且還可使其與主流的接觸面積大大減小。

此污泥閥已構(gòu)想完畢, 但尚未造出實際物體,對于易堵塞介質(zhì)流體, 目前所采用的辦法是選擇可調(diào)性最佳、最理想的孔形,是在所有開度時,能成為方形或等邊三角形。所以此閥門設(shè)計的過流孔形不僅所有開度時,均接近圓形且位置始終在管路中央,保持不變,因此,此污泥閥的設(shè)計核心思想及初衷應(yīng)是較為合理和正確的,應(yīng)能解決污介質(zhì)流體易在閥門處堵塞這一實際問題;并且此解決方法和設(shè)計方案的合理性和可行性已得到理論上的證明,并注冊了專利,已獲證書。

參考文獻

[1]周光坰,嚴宗毅,許世雄,張克本.流體力學(xué)(上冊)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[2]周光坰,嚴宗毅,許世雄,張克本.流體力學(xué)(下冊)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3]陸培文.調(diào)節(jié)閥實用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[4]李圭白,張杰,蔣展鵬.水質(zhì)工程學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[5]黃儒欽,禹華謙,陳春光,麥繼婷.水力學(xué)教程(第二版)[M].西南交通大學(xué)出版社.

[6]張鴻雁,張志政,王元.流體力學(xué).[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[7]孫慧修,郝以瓊,龍騰銳,顧夏聲.排水工程(上冊)(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[8]張自杰,林榮忱,金儒霖,顧夏聲.排水工程(下冊)(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[9]嚴煦世,范瑾初,許保玖.給水工程(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

作者簡介:王晨(1982-),男,河南蘭考人,河南省安陽鋼鐵集團有限公司助理工程師,研究方向:污泥閥設(shè)計。