包 艷， 徐振揚(yáng)， 林欣然， 王翀霄， 孫 陽,3

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 3.南京水匯能源科技有限公司， 江蘇 南京 211800 )

1 研究背景

我國偏遠(yuǎn)山區(qū)居民的飲水和耕地灌溉困難是一個(gè)典型的低水頭水力能開發(fā)滯后引發(fā)的民生問題[1-4]。這些地區(qū)一般河流在山下，而人和耕地在山上，因而造成水資源豐富卻缺水的狀況。同時(shí)由于村落分散及電網(wǎng)不穩(wěn)定，利用傳統(tǒng)的電泵站很難解決供水問題[5-8]。本文試驗(yàn)的研究對象是一套利用低落差水力能作為動(dòng)力的提水裝置，它可以利用較低的水流落差將水力能轉(zhuǎn)換成氣壓差能，然后將氣壓差能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)提水的功能，從而不需要消耗傳統(tǒng)的汽、柴油或電力資源。將該套裝置命名為高壓氣揚(yáng)水泵，由于它是以一種氣液能量轉(zhuǎn)換的概念設(shè)計(jì)的全新泵水裝置，目前國內(nèi)外相關(guān)研究工作未見開展。裝置所涉及的氣液兩相流相互作用的室內(nèi)試驗(yàn)研究工作雖有部分報(bào)道[9-15]，但試驗(yàn)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)與本裝置所涉及的功能完全不同。此外，由于影響高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率的因素眾多，且這些因素之間也會互相影響，所以須進(jìn)行大量的試驗(yàn)以確定該套裝置與泵水效率相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置

高壓氣揚(yáng)水泵是一種利用高壓氣體實(shí)現(xiàn)提水功能的水泵，圖1給出了試驗(yàn)裝置示意圖，圖中的管道均為PVC材質(zhì)，裝置主要由水源、泵水管、進(jìn)氣管、空氣壓縮機(jī)等幾部分組成。為簡化試驗(yàn)裝置，本試驗(yàn)用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體來模擬從自然界水流中搜集到的高壓氣體。當(dāng)水與進(jìn)氣管輸入的氣體相遇時(shí)，產(chǎn)生氣液兩相流，在壓強(qiáng)差及氣體拖曳力的共同作用下，水源源不斷地被泵送到揚(yáng)程H處，從而實(shí)現(xiàn)泵水的功能。試驗(yàn)涉及到的參數(shù)包括揚(yáng)程H、泵水管直徑D、進(jìn)氣管直徑d和回水高度T。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

3 泵水效率定義

廣義的工作效率是指機(jī)械的輸出功(有用功量)與輸入功(動(dòng)力功量)的百分比，即有用功與總功的比值。針對本試驗(yàn)裝置而言，有用功為液體被抬起一定揚(yáng)程后所具有的勢能，總功為初始狀態(tài)具有一定壓強(qiáng)的氣體發(fā)生等溫膨脹時(shí)所做的功。故高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率值是以百分比表示的水做的功占?xì)怏w等溫膨脹功的比值，以下為推導(dǎo)出的高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率計(jì)算公式：

(1)

式中：η為泵水效率；Wwater為被揚(yáng)起水量的勢能；Wair為高壓氣壓差能，高壓氣在常溫常壓下膨脹作功，逐漸與大氣壓強(qiáng)趨于一致。在自然環(huán)境下，P2為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，kPa；V2為當(dāng)?shù)卮髿鈮合聦?yīng)的氣體體積，m3；P1指高壓氣壓強(qiáng)，kPa；V1指高壓狀態(tài)下的氣體體積，m3。

由公式(1)可知，與泵水效率直接相關(guān)的因素為氣體的壓強(qiáng)、耗氣體積、提水量和揚(yáng)程。而圖1試驗(yàn)裝置中的進(jìn)氣管直徑d、泵水管直徑D、回水高度T等與上述因素之間均有一定的聯(lián)系。高壓氣揚(yáng)水泵裝置不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間相互影響，是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)，因此要獲得高壓氣揚(yáng)水泵泵水效率的最優(yōu)值，需要通過大量的系統(tǒng)性試驗(yàn)探究各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系及其對泵水效率的影響。

4 揚(yáng)程與泵水效率的關(guān)系

圖2、3表示在D=20 mm、T=3 m的條件下，揚(yáng)程H在3～12 m之間變化、進(jìn)氣管直徑d分別為3、4 mm時(shí)的不同揚(yáng)程泵水效率與壓力之間的變化關(guān)系。由圖2、3可以看出，隨著進(jìn)氣壓力的逐漸增加，不同揚(yáng)程的泵水效率均呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢。這是由于壓力繼續(xù)增大后，高壓氣體不能夠被充分利用而產(chǎn)生了部分浪費(fèi)，導(dǎo)致泵水效率逐漸降低。另外，一般當(dāng)壓力值在32～34 kPa之間時(shí)，泵水效率達(dá)到最大值。泵水效率的最大值隨著揚(yáng)程的改變而發(fā)生明顯變化，通過分析可以確定，揚(yáng)程每增大3 m，則泵水效率最大值平均下降約5%。將圖2、3進(jìn)行對比還可以看出，當(dāng)進(jìn)氣管直徑較小時(shí)，泵水效率與壓力的關(guān)系隨著揚(yáng)程的不同而較為散亂；當(dāng)進(jìn)氣管直徑增大之后，不同揚(yáng)程泵水效率隨壓力的變化曲線趨于接近。

圖2 不同揚(yáng)程泵水效率與壓力的關(guān)系(d=3 mm)

圖3 不同揚(yáng)程泵水效率與壓力的關(guān)系(d=4 mm)

5 進(jìn)氣管直徑與泵水效率的關(guān)系

圖4、5表示在T=3 m、H=6 m的條件下，進(jìn)氣管直徑d在3.0～4.5 m之間變化、泵水管直徑D分別為20、25 mm時(shí)的不同進(jìn)氣管直徑泵水效率與壓力之間的變化關(guān)系。由圖4、5可看出，在進(jìn)氣管直徑較小時(shí)，泵水效率與壓力的關(guān)系尚不明顯；當(dāng)進(jìn)氣管直徑增大到一定程度時(shí)，達(dá)到泵水效率峰值所需的壓力值逐漸減小。在峰值右側(cè)的泵水效率下降過程中，進(jìn)氣管直徑越小，下降越緩慢，其原因可能是在較大的壓力條件下(壓力已超過最大泵水效率所需壓力)，進(jìn)氣管直徑大的情況下所輸入的高壓氣體量多于進(jìn)氣管直徑小的情況，導(dǎo)致泵管中大部分空間被氣體占有，使得泵水效率降低的更快。另外，對比圖4和5還發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣管直徑的改變對于泵水效率的最大值影響不大。

圖4 不同進(jìn)氣管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(D=20 mm)

圖5 不同進(jìn)氣管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(D=25 mm)

6 泵水管直徑與泵水效率的關(guān)系

圖6、7分別表示在T=5 m、H=10 m的條件下，泵水管直徑D在16～32 mm之間變化、進(jìn)氣管直徑d分別為4、5 mm時(shí)的不同泵水管直徑對泵水效率與壓力關(guān)系的影響。由圖6、7可以看出，不同泵水管直徑的泵水效率均隨壓力先增大后減小的大體趨勢沒有改變，同時(shí)對泵水效率的峰值影響不大；在峰值右側(cè)的下降區(qū)域中，D較大時(shí)的泵水效率明顯大于D較小時(shí)，如在d=4 mm的試驗(yàn)中，當(dāng)壓力為58 kPa時(shí)，D=16、20、25、32 mm所達(dá)到的泵水效率分別為8.12%、19.35%、33.20%和38.05%；隨著D的增大，達(dá)到最大泵水效率時(shí)對應(yīng)的壓力值也逐漸增大，如在d=4 mm的試驗(yàn)中，D=16、20、25、32 mm時(shí)，達(dá)到最大泵水效率所需壓力分別為50.5、52.0、54.0和57.5 kPa，其原因可能是隨著D增大，若想達(dá)到最大的泵水效率，泵水管中就需要更多的高壓氣體，而在進(jìn)氣管直徑一定的條件下，欲增大高壓氣體的量就需要更大的壓力。另外根據(jù)曲線的變化趨勢還可以發(fā)現(xiàn)D較大時(shí)，泵水效率隨壓力的變化出現(xiàn)多組峰值情況。

圖6 不同泵水管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(d=4 mm)

圖7 不同泵水管直徑泵水效率與壓力的關(guān)系(d=5 mm)

7 結(jié) 論

(1) 總體上看，泵水效率隨壓力的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；泵水效率在減小的過程中，進(jìn)氣管直徑越小，則下降越緩慢。

(2) 泵水管直徑變化時(shí)，泵水管直徑較大情況下的泵水效率明顯大于直徑較小的情況；泵水管直徑越大，達(dá)到最大泵水效率時(shí)對應(yīng)的壓力值也越大。

(3) 在充分的壓力條件下，進(jìn)氣管直徑與泵水效率成反比。為獲得較高且穩(wěn)定的泵水效率，宜采用小直徑進(jìn)氣管。

(4) 當(dāng)所需揚(yáng)程一定時(shí)，回水高度的增加使得回水高度處至進(jìn)氣管處之間的壓差增大，提高了試驗(yàn)裝置的提水能力，故可考慮在實(shí)際工程應(yīng)用中通過提高回水高度充分發(fā)揮該裝置的性能。