水翼式叶轮搅伴器在机械絮凝池中的应用

水翼式叶轮搅伴器在机械絮凝池中的应用摘要：水翼式(hydrofoil)叶轮搅拌器非常适合于竖直轴机械絮凝池中作为絮凝搅拌器使用，并且与传统的桨板式叶轮搅拌器絮凝效果一样。在介绍搅拌器重要参数的基础上，对水翼式叶轮搅拌器的设计选型进行了探讨，阐述了流量系数法的计算方法和过程，深入剖析了设计中要注意的一些问题，并给出了两个典型的应用实例。关键词：水翼式叶轮搅拌器机械絮凝池排液量流量系数法前言机械絮凝池有水平轴式和竖直轴式搅拌器两种型式。传统的机械絮凝池的搅拌器大多采用桨板式(paddle)叶轮，在20世纪70～80年代国内使用较多，并且有了较系统的池型设计规范和搅拌器设计方法，使用效果也较好。由于竖直轴式搅拌器的驱动装置(如减速箱等)位于池顶，过去的减速箱密封技术不过关，易出现漏油情况；另外，一个桨板就需要配备一套驱动装置等，所以这种机械搅拌器采用得不多。相反，水平轴式机械搅拌器的驱动装置位于池外，一套驱动装置可以串联几组桨板叶轮，所以，这种水平轴式机械搅拌器使用较多。在国外刚好相反，竖直轴絮凝搅拌器以其维护少、操作灵活、较小的水头损失、混合强度易控、效率高及一台絮凝搅拌器失灵对总体影响不大等特点而使用较多[1]，但其叶轮大多采用的是水翼式(hydrofoil)叶轮。80年代后，高效水力絮凝池的研究开发取得了非常好的效果，因此，水力絮凝池因其构造简单，无需其他动力设备，运行管理方便而应用较多。在国外，机械絮凝池应用较多，搅拌器的布置形式也较多。搅拌器叶轮按流态可分为径向流式叶轮和轴向流式叶轮，轴向流式叶轮搅拌器不存在分区循环，单位功率产生的流量大，剪切速率小，且在桨叶附近较大范围内分布均匀，具有较强的最大防脱流能力[2]。水翼式叶轮搅拌器属于轴流式搅拌器的一种，叶轮为翼型叶片，叶片的倾角和叶片的宽度是随其径向位置变化的，如美国Lightnin公司的A305、A310系列，Chemineer公司SC-3和He-3系列。叶轮叶片由钢板按一定规律弯曲制成，不必使用铣或精密浇注等成型工艺，用螺栓固定在轮毂上，易于装配成较大型的叶轮[2]。水翼式叶轮的这种接近等螺距变叶片角的结构特点可提供更大的流量和更小的剪切作用，靠近轮毂的叶片部分比起叶端部分来，叶片角度更陡，叶片宽度更宽。从轮毂至叶端，叶片角逐渐减小，叶宽逐渐变窄。因此，叶轮沿叶片长度上的各点接近等螺距，在整个排液面上产生的流速几乎是均匀的[3]。因此，水翼式叶轮搅拌器特别适合于机械絮凝池中絮凝搅拌器的使用。1水翼式叶轮和桨板式叶轮的比较由于传统的桨板式叶轮转速低，直径较大，造成搅拌机设备造价较高，运行费用也高。新型水翼式叶轮搅拌器的转速可以提高，同样可以取得良好的絮凝效果。根据Oldshue等人的研究[4]，美国Manchester，NewHampshire(新罕布什尔州，曼彻斯特)水厂安装了两种不同的絮凝搅拌器，进行了运行性能测试比较。在四组平行的絮凝沉淀池中安装了16台絮凝搅拌器，絮凝池分为两级，每级设置两台搅拌器。一种类型为悬挂板式(danglingplate)，类似于桨板式叶轮；另一种为水翼式叶轮搅拌器(见图1)，叶轮直径为2．4m，3片式变角叶片。絮凝区分为四组，每组设计流量为0．44m3／s，每组设4台絮凝搅拌器和2块挡板，排液方向为下向流。在四组池中，两组完全设置桨板式搅拌器，一组单独设置水翼式搅拌器，一组为两种搅拌器的组合。对一组桨板式叶轮和一组水翼式叶轮搅拌器的运行效果进行对比，结果表明：桨板式叶轮搅拌器功率为2．2kW，采用涡轮减速器皮带变速驱动，速度范围可在0．5～1．5r／min之间变化；水翼式叶轮搅拌器功率为0．55kW，也是皮带驱动变速调节，但是灵活地采用了重载直角斜齿轮和螺旋伞齿轮组，旋转速度在3．5～11r／min。另外，两种搅拌器的絮凝效果基本没什么区别，但是，水翼式叶轮絮凝搅拌器在投资和运行费用上均具有优势。2搅拌器的几个重要参数2．1搅拌功率搅拌功率按式(1)[3]计算：P＝Np(ref)ρ(N／60)3D5kpgpfp／1000(1)式中P——搅拌功率，kW；Np(ref)——基准条件下的功率准数，基准条件参见文献[3]。对于水翼式叶轮，Np(ref)为0．28～0．30；ρ——流体密度，kg／m3，对于水ρ＝1000kg／m3；N——搅拌叶轮转速，r／min；D——搅拌叶轮直径，m；kp——吸气操作对功率的影响系数。对于絮凝过程，kp＝1；gp——非标准几何尺寸对功率的影响系数；fp——粘度不等于1cP(1cP＝10-3Pa·s)时对功率的影响系数，水在20℃时，fp＝l。2．2泵送流量(叶轮排液量)泵送流量按式(2)[3]计算：Q＝Nq(ref)(N／60)D3kqgqfq(2)式中Q——搅拌产生的排液量，m3／s；Nq(ref)——基准条件下的流量准数，对于水翼式叶轮Nq(ref)为0．56～0．57；kqgqfq——吸气操作、非标准几何尺寸、粘度对排液量的影响系数。对于絮凝过程，物料为低粘度的水，kqgqfq均可取1。2．3Z／Te值池子的形状对搅拌功率有影响。在一定的容积下，存在着一个优化的水深(Z)与池子当量直径(Te)的比值(Z／Te)。当量直径是指某种矩形池与某一圆形池的横断面积相等时该圆形池的直径。如图2所示(瑞典SCABA公司提供)，为维持池中表面某种水体流动，较理想的Z／Te值在80％左右。2．4D／Te值研究表明[3]，在搅拌功率一定时，过程结果是叶轮尺寸和搅拌槽尺寸之比及叶轮型式的函数。一般来说，每种叶轮都有一个最佳的叶片直径(D)与池子直径(当量直径Te)的比值(D／Te)。对于机械絮凝池搅拌器来说，D／Te是非常重要的。水翼式叶轮主要是满足泵送流量Z／Te的要求，在满足絮凝要求的条件下，采用相对大的叶轮直径，相对低的叶轮转速，即增加Lightnin公司通过实践，总结出在一定的池体尺寸下，D／Te存在一个较适宜的范围值，如表1所示。对于一定D／Te的叶轮，其泵送流量系数Qp(pumpingfactor，Flowfactor)与D／Te之间存在一定的函数关系，如图3所示。3水翼式叶轮搅拌器设计选型3．1水翼式叶轮搅拌器的选型方法絮凝搅拌器的选型有制造厂家的快速表格法(Quicktables)和流量系数法(Flowfactor)。按照规范，还要求进行G值(Gfactor)的校核。在快速表格法中厂家提供了已计算好的选择表，如Lightnin公司有应用于方形池中的快速LFD选择表(QuickLFDselection)。表格中列出了边长在8～30ft(2．4～9m)，水深在8～18ft(2．4～5．5m)的组合池体尺寸，对应于每种尺寸的池体列出了所选絮凝器的型号(采用A305水翼式叶轮)、轴功率、叶轮直径、转速(最大输出转速)、边缘线速度VT、G值、排液量Q、D／Te等八项内容。快速表格法可用于初步的方案设计，在详细设计中应进一步采用流量系数法进行优化选型。流量系数法是按照池子的尺寸和形状计算絮凝搅拌器在最大转速(未降速前)下需要的排液量，它既可用于圆形池也可用于矩形池(长宽比最大为1．5：1)。池体的尺寸和Z／Te值用于确定D／Te的范围，然后计算在最大转速时的排液量要求，再根据此排液量要求计算选择合适的絮凝搅拌器。通常，采用该法可选择出好几种方案，最终根据具体的要求可优化选择出一种结果。3．2搅拌器工艺设计选型步骤应用流量系数法进行搅拌器工艺设计选型的步骤如下：(1)确定絮凝池的几何尺寸；(2)计算Z／Te，确定合适的D／Te值，得到合适的搅拌机叶轮直径D；(3)根据D／Te，确定Qp系数；(4)根据Qp确定絮凝条件所需要的排液量Qr；(5)根据转速(一般小于37r／min)和叶轮直径，核算该叶轮产生的排液量Q是否满足Qr要求；否则，调整D重复试算，得到符合要求的几种方案；(6)根据确定的D和N计算搅拌功率；(7)确定电机功率(按电机负荷为70％～85％来考虑)；(8)根据电机功率、搅拌转速和所需的减速比选择减速装置；(9)重复步骤(5)至步骤(8)，将会得到几组参数(直径、转速、功率和减速装置型号)；(10)综合评价搅拌的操作费用和设备费用，选择最优方案。3．3搅拌器选型计算举例应用流量系数法进行搅拌器工艺设计举例如下：已知池体尺寸为4．3m×4．9m，水深为3．35m，如何选择一种絮凝搅拌器?计算步骤如下：(1)计算Te。Te＝＝5．2(m)。(2)计算Z／Te。Z／Te＝3．35／5．2＝0．64。(3)计算池体容积。V＝4．3×4．9×3．35＝70．58(m3)。(4)查找D／Te范围。如表1所示，在Z／Te为0．64时，D／Te为0．30～0．40。(5)确定初始流量系数。如图3，在D／Te＝0．35时，Qp＝0．82。(6)计算叶轮需要的排液量。Q＝QpV＝O．82×70．58＝57．88(m3／min)。(7)核选叶轮。叶轮直径D为(0．3～0．4)Te，即1560～2080mm，试选直径为1829mm的叶轮(参考厂家叶轮系列72in(1in＝25．4mm))，转速19．8r／min计算该叶轮的排液量和搅拌功率。Q＝Np(ref)(N／60)D3kqgqfq＝0．56×(19．8／60)×1．8293×1×1×1＝1．131(m3／s)＝67．84(m3/min)P＝Np(ref)ρ(N／60)3D5kpgpfp／1000＝0．30×1000×(19．8／60)3×1．8295×1×1．1×l／1000＝0．24(kW)(8)校核VT和G(20℃)。VT＝πND／60＝3．14×19．8×1．829／60＝1．9(m／s)满足要求。根据上述计算结果，查找厂家产品规格，可选择Lightnin公司的15Q0．5或45Q0．5絮凝器，叶轮为A305或A310，电机功率为0．37kW，叶轮轴功率为0．22kW，转速19．8r／min，叶轮直径l829mm，叶轮边缘线速度最大为1．9m／s。也可选择Chemineer公司的2GTD-0．5絮凝器，叶轮为HE-3或SC-3。4设计中注意的问题(1)机械絮凝池池体的工艺设计可参照《室外给水设计规范》(GB50013—2006)中的要求进行，絮凝时间采用15～20min，可分为3～4段絮凝区。但是，根据国外一些专利池型的设计和国内外一些应用实例，采用这种新型机械絮凝器，对絮凝池的设计可以做一些改进，如：絮凝时间可以缩短，可以做到6～l0min；絮凝区仅为一档或两档。Degremont和OTV公司结合其专利的设计和试验结果，采用较短的絮凝时间和一档机械絮凝也取得了非常好的效果。(2)絮凝池设计要满足G值要求，但G值是应用于整个絮凝池，表征的是一个平均剪切速率(速度梯度)的概念，它不能反映剪切速率的分布情况。因此，在絮凝池中最重要的要求之一是要减小剪切，即注意叶轮的剪切速率。G值作为复杂混合变量的单一相关参数描述絮凝过于简单化，若作为一设计参数，随着不同池型、不同池体尺寸G值应该有所不同。笔者建议，在水翼式搅拌器的选型计算中，G宜作为一个校核参数。(3)叶轮位置的确定应避免水流的直接侧向冲击，同时叶轮位置距水面必须保持一个叶轮直径(D)以上的距离，即叶轮中心离开池底高度最小为D，叶轮最小淹没深度为0．75D，最大淹没深度为2．75D。(4)搅拌叶轮的排液方向可根据进水方式确定，如果进水孔在底部中心，可采用上排式叶轮型式，其他情况下，叶轮型式可以是下排式，也可以是上排式。为减小搅拌器的水力负荷，一般采用顺水流方式。(5)关于挡板的设置，在圆形池中，沿池周设置三块挡板，挡板宽度为池直径的1／12～1／l0，离开池壁距离为挡板宽度的1／3。对于方形池或矩形池来说可以不设挡板，池子的四个池角已起到相当大的挡板作用。一般来说，由于絮凝池的输入功率不超过25W／m3，即使不采用挡板，这种水翼式搅拌器也可得到良好的上下循环流动和打旋运动的组合作用。当然，设置了挡板后，池内流态将改变成以上下循环流动为主，但池内的总体运动可能会削弱，功率消耗稍有增加，对絮凝条件有所改善。方形池