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射流曝气器专题:7、吸气量实验

发布时间:2020-04-22 19:44 浏览量:58

射流曝气器吸气量实验

 
根据射流曝气器的安装数量、离心泵的流量与压力便可计算出射流曝气器的喷嘴直径。根据上一章的计算结果可知,喷嘴直径为 9mm。
本实验研究射流曝气器在不同喉嘴距、面积比、喉管长径比等因素对吸气量的影响,验证理论计算结果,同时研究射流曝气器吸气量最大时,对应的最优参数结构。
 

3.1 实验目的

本文对曝气设备研究的主要手段是清水充氧试验,目的是验证理论计算结果, 同时通过测定其吸气量,得出其最优结构参数。每组清水充氧试验的时间较短, 但它却能反映出曝气设备的供气量。这种反馈信息为本研究的设计提供了依据。根据射流曝气器部件及工作原理,选定其主要参数为:(l)喷嘴收缩角;(2)喷嘴与喉管位置关系;(3)喉管长径比;(4)面积比:喷嘴与喉管面积比。
另外,本研究射流曝气器安装数量为 3 个,由于实验室条件约束,本试验只安装一个,主要测试其吸气量大小。
 

3.2 实验器材

3.2.1 设备及主要仪器

(1) 动力设备
本实验采用平顶山煤矿机械厂生产的 BRW 型系列乳化液泵。包括矿用隔爆兼本质安全型自耦减压真空电磁启动器(型号:QJZ-300/380J)、煤矿井下用隔爆型三相异步电动机(型号:YKB2)、及乳化液箱,流量为 200L/min。整套动力装备如图 3.1 所示。

 
 
 
图 3.1  实验动力装置
Fig. 3.1 Experimental power plant

 
(2) 测试仪表
l)进口风速的测定:采用野麦克斯 KANOMAX 2211 室内空气品质测试仪。
2)压力的测定:射流器喷嘴前压力,采用 1.5 级标准压力表,量程 0~1.0MPa。
(3) 实验装置与流程
实验装置及示意流程如图 3.2 所示。
 

 
 
 
 
①—乳化液箱;②—空气品质测试仪;③—射流曝气器;④—压力表;⑤—乳化液泵
图 3.2  实验装置示意图
Fig. 3.2 Experimental schematic diagram
 
 
试验流程说明:连接管路,启动乳化液泵⑤,乳化液箱①中的水经乳化液泵通过射流曝气器③,通过压力表④读数控制工作压力,空气经空气品质测试仪② 计量进入射流器吸入室,然后与工作水流一起进入射流器混合部,再经射流曝气器尾管回到乳化液箱,如此循环,当压力稳定后,开始记录进气风速。
实际装置连接及测量,如图 3.3 所示:
 

 
 

 
 
 
图 3.3  实验装置实物图
Fig. 3.3 Physical maps of experimental device
 
 

3.2.2 实验测试步骤

(1) 按要求连接管路,装好射流曝气器。
(2) 检查管路连接,确定人员到达各自岗位后开泵。
(3) 开启水泵后,调节泵压到 0.3MPa,直至稳定。
(4) 开启水泵后,调节泵压到 0.3MPa,直至稳定。
(5) 当曝气罐表面有气泡出现时,开始计时,测风速时,将进口直径分成10 等分,测试每个等分点的速度,测量各个等分点风速都按照每隔 20s 记录一次, 公测试 10 组数据,取其平均值为该点的风速值。
(6) 调整射流曝气器的相关参数,重复步骤(2)-(5)。
(7) 记录、处理、分析数据。
 

3.3 正交试验结果及分析

射流曝气器的吸气量主要受喉嘴距、面积比、喉管长径比等因素的影响。全面实验工作量大,且要耗费大量人力、物力。因此,本文采用正交试验,从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,既高效率、快速,又经济有效。为了初步确定各因素的取值及其影响吸气量大小的主次关系,设计如下四因素三水平的正交试验,根据第二章中射流曝气器结构参数取值范围,设定各因素的内容及取值见表 3.1。
 
表 3.1 因素水平综合表
Table 3.1 Comprehensive list of factors
 
 
水平
因素 面积比 喉嘴距/mm 喷嘴收缩角/° 喉管长径比
  1 4.8 15 15 6
  2 4.2 13 14 7
  3 3.7 11 13 8

 
取 L9(34)正交表,依据表 3.1 中因素和水平的取值,进行正交试验,正交试验以吸气量大小为指标,本研究直接测定为进口风速数值,风速大小与风量成正比,因此,通过进口风速大小判断选定因素影响程度,结果见表 3.2。
 
表 3.2 吸气量正交试验结果

 
 
Table 3.2 The orthogonal experimental results of inspiratory volume
因素 进口风速/
序号 面积比 喉管长径比 喉嘴距/mm 喷嘴收缩角/° (m·s -1
实验1 4.8 6 15 15 4.84
实验2 4.8 7 13 14 3.47
实验3 4.8 8 11 13 3.57
实验4 4.2 6 11 13 3.60
实验5 4.2 7 15 15 3.19
实验6 4.2 8 13 14 3.61
实验7 3.7 6 15 14 3.72
实验8 3.7 7 13 13 5.12
实验9 3.7 8 11 15 4.13
均值K1 3.960 4.053 4.523 4.053 -
均值K2 3.467 3.927 3.733 3.600 -
均值K3 4.323 3.770 3.493 4.097 -
极差R 0.856 0.283 1.030 0.497 -
 
 
根据正交实验结果和极差分析,可知在选择的影响射流曝气器吸气量的各因素中,其影响程度的大小依次为:喉嘴距>面积比>喷嘴收缩角>喉管长径比, 因此按此顺序分别确定各单个因素对射流曝气器吸气量的影响趋势。同时,初步确定各因子最佳取值为:喉嘴距 15mm,面积比 3.7,喷嘴收缩角 13°,喉管长径比为 6。
 

3.4 单因素实验结果及分析

3.4.1 喉嘴距对吸气量的影响

实验加工的射流曝气器喷嘴直径为 9mm,喷嘴、吸气室以及扩散管之间均采用螺纹连接,调整螺纹距离即可方便调整喉嘴距。调节喉嘴距分别为 5,7,9, 11,13,15,18mm,进行单因素实验,其他条件为喷嘴收缩角 13°,面积比 3.7, 喉管长径比为 6,测定进口风速,因吸气室空气入口气流不均匀,统一以中心点

 
风速为准,比较风速大小,实验结果见图 3.4。
 

 
 
 
图 3.4 喉嘴距对吸气量的影响
Fig. 3.4 The relationship between nozzle-to-throat and inspiratory capacity
 
 
从图 3.4 可以看出,喉嘴距小于 15mm 时,吸气量随着喉嘴距的增加而增加; 喉嘴距大于 15mm 时,吸气量随着喉嘴距的增加反而有所减少,原因是喉嘴距过大后,射流在运动中能量损失也随之增大。说明喉嘴距应取较小距离,但并非越小越好,喉嘴距太小,射流的卷吸作用太小,吸气量变小,一般在 0.8~1.5d1(d喷嘴直径)效果较好。

3.4.2 面积比对吸气量的影响

该处指喷嘴与喉管的面积比。调节面积比分别为 2.5,3.1,3.7,4.2,4.8,5.4, 其他条件为喉嘴距 15mm,喷嘴收缩角 13°,喉管长径比为 6,测定进口风速,实验结果见图 3.5。

 
 
 
图 3.5 面积比对吸气量的影响
Fig. 3.5 The relationship between area ratio and inspiratory capacity
 
 
从图中可以看出,随着面积比的增大,吸气量明显增加。当面积比大于一定数值时,进口风速变化较缓慢。由于面积比大小影响整个结构的其他参数,如喉管直径与长度,面积比增大,相应的射流曝气器的总长度变大,整个结构在现场运行中承载重力变大,易造成断裂等破坏,经综合考虑,选取最佳面积比为 3.7。

 

3.4.3 喷嘴收缩角对吸气量的影响

本文采用适用范围最广的收缩圆锥型喷嘴,调节喷嘴收缩角分别为 12°,13°, 14°,15°,其他条件为喉嘴距 15mm,面积比 3.7,喉管长径比为 6,测定进口风速,实验结果见图 3.6。
 

 
 
 
 
图 3.6 喷嘴收缩角对吸气量的影响
Fig. 3.6 The relationship between nozzle diminishing-angle and inspiratory capacity
 
 
由上图可知,喷嘴收缩角在 13°时,进口风速达到最大,随着角度的增大, 吸气量明显减小。产生这样变化的原因是,对于圆锥形收缩喷嘴,其收缩系数与收缩角度有关,收缩角过小,喷嘴局部阻力损失较大,相应的流量系数变小,对周围空气的卷吸作用减小;收缩角过大,不能对射流进行有力收缩,则沿程阻力较大。实验结果表明:喷嘴收缩角为 13°时,射流曝气器吸气量最大。

3.4.4 喉管长径比对吸气量的影响

调节喉管长径比分别为 4,6,8,10,12 其他条件为喉嘴距 15mm,面积比3.7,喷嘴收缩角 13°,测定进口风速,实验结果见图 3.7。
 

 
 
 
 
图 3.7 喉管长径比对吸气量的影响
Fig. 3.7 The relationship between length diameter ratio and inspiratory capacity

 
由图 3.7 可知,L/D 在 4~8 范围内,进口风速较大。其主要原因是混合管较短时,整个混合管处于射流穿透状态,射流的起始段尚未结束就穿过了混合管, 射流的卷吸作用未被充分利用,形成的空气泡直径也较大。随着混合管长度的增加,射流的卷吸、掺混作用得到充分发挥,然而,当混合管长度达到某一最佳值后再继续增加,吸气量又会降低,这是由于随着混合管长度的增加,虽然仍能充分发挥射流的卷吸、掺混作用,射流的混合损失也保持最小,但必须有一部分能量来克服由于混合管加长而增加的摩擦阻力,因此摩擦损失将逐渐增加。
另外,对于整个浆液处理系统来讲,喉管处的混合并不是最主要的,根据实验结果与实际应用,我们将喉管最佳长径比取为 6。

3.4.5 在最优结构下射流曝气器吸气量大小

通过以上实验和结果分析知道,射流曝气器吸气量受喉嘴距、面积比、喉管长径比等因素的影响,最优参数结构为喉嘴距15mm,喷嘴收缩角13°,面积比3.7, 喉管长径比为6,测试射流曝气器在此结构下的进气口风速,并计算其风量。
借鉴通风系统风速、风量的测定方法[52],选取射流曝气器吸气管进气口为测定断面。本实验进气口是直径为 30mm 的圆形风管,由流体力学可知,气流速度在管道断面上的分布是不均匀的,所以,必须在同一断面上多点测量,然后求出该断面的平均值。参照圆形风管分环数标准,D≤300mm 则将进气管断面划分为两个同心环,具体布置如图 3.8 所示,测风速时,测量每个测试点的速度,同心环上各测点距中心距离按公式(3-1)计算。
 

Ri = R 0
(3-1)

 
式中 R0—断面半径,mm;
Ri—断面中心到第 i 点的距离,mm; i—从断面中心算起的同心环顺序号; n—断面上划分的同心环数量。
平均流速是各测点流速的平均值,即:
= v1  + v2  + ...... + vn  (m/s) (3-2)
n
式中 n—测点数
则进气管风量有:
Q = U · A (m3/s) (3-3)
式中 A—管道断面积,m2
本实验采用 KANOMAX 2211 室内空气品质测试仪直接读取风速,测得 4 个

 
点的风速大小如表 3.3 所示。
 

 
 
 
 
图 3.8  进气口断面测点布置图
Fig.3.8 Measuring points arrangement Diagram of air inlet section
 
 
表 3.3 4 个测试点速度分布
Table 3.3 Points of four wind velocity
 

测试点风速(m/s)

1 2 3 4

 
由公式(3-2)、(3-3)可得风速约 5m/s,单个吸气量为 12.72m3/h,由此可知,在射流曝气器入口流量为,压力 0.3MPa 的条件下,安装三个射流曝气器时, 总流量约为 38m3/h,现场实际脱硫浆液需气量为 22.7m3/h,完全满足设计要求。

3.5 小结

通过以上实验和结果分析知道,射流曝气器吸气量受喉嘴距、面积比、喉管长径比等因素的影响,本章在射流曝气器入口流量为 16m3/h,压力 0.3MPa 的条件下,通过一系列的单因素正交试验得出其最优结构参数:喉嘴距 15mm,喷嘴收缩角 13°,面积比3.7,喉管长径比为 6,单个射流曝气器进口风速为 5m/s,吸气量为 12.72m3/h,现场射流曝气器的安装数量为三个,则吸气总量约为 38m3/h, 满足实际脱硫浆液需气量为 22.7m3/h 的设计要求。

 

4 射流曝气器搅拌效果的数值模拟

 
射流曝气器的安装方式对浆液的氧化起着重要作用。从搅拌的角度看,应尽可能地避免在脱硫浆液罐中出现死角。现场实际测试所得到的结果真实可信,但本实验受到现场模型的限制,试验方法需要耗费大量的人力、物力,且很难得到理想结果。因此,本文采用数值模拟实验得出现场搅拌效果最佳时的安装方式。本研究根据循环浆液泵流量大小及射流曝气器出口流速大小,选择安装 2~3
个射流曝气器,模拟常温(20℃)浆液流处于恒定不可压状态下,浆液罐中的流场状况。只安装一个射流曝气器,难免浆液罐中出现搅拌死角,射流曝气器安装数量过多,其出口流量变小,流速也相应减小,则对浆液罐搅拌提供的动力变小, 搅动范围也随之变小。因此,选定射流曝气器的安装个数分别为 2、3,比较两者的混合搅拌效果。

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