论文导读:：通过实验数据的测定与分析，对影响气提升效果的几个因素，包括提升高度、空气管出口浸没深度、空气流量等进行了深入研究。结果表明，气提升装置所对应的理论气水比和实际气水比及其相应的修正系数均存在一合理取值范围。所取得的结论进一步证明了所推导的气提升公式存在的合理性。本研究对水处理中气提升装置的设计具有现实指导意义。
论文关键词：气提升，理论气水比，实际气水比，修正系数
1 引言
气提升装置在水处理中应用十分广泛，如在生物脱氮系统中，气提升可代替泵提升进行污泥回流或者硝化液回流，可起到降低能耗的作用。气提升装置的液体流量可通过调节空气管出口气量来控制，因此气提升装置还具有操作简单、布置方便的优点。尽管气提升装置在水处理应用中受到人们的关注，但对其提升效果与影响因素的研究却鲜有报道期刊网。在《气提升理论及公式的探讨[Ⅰ]》中，笔者提出气提升是气体通过膨胀做功将其压能转化为液体的重力势能与动能、同时伴随能量损失的过程实际气水比，并推导出了气水比和液体密度、提升高度、空气管出口浸没深度、提升管出口压力等参数间的定量关系式。当液体为清水时，气提升公式可简化为：
上式中， -修正系数， -提升高度， -浸没深度， -实际气水比， -理论气水比。
由上式可知：修正系数与理论气水比和实际气水比相关，而气水比又受提升高度、空气管出口浸没深度、空气流量等的影响。本文将以上面的公式为基础，通过实验对相关影响因素进行深入研究和验证。
2 实验装置和方法
2.1 实验装置
如图1所示，实验装置由实验水箱、提升管、鼓风机、空气管和计量水箱组成。主要材料及规格见表1。
 表1 实验用主要材料
图1 气提升实验装置示意图
Fig 1 the schematic diagram of
airlift experimental instrument
|
main materials and specification
序号
名称
规格
材质
1
实验水箱
1.0m×1.0m×3.5m
有机玻璃
2
提升管1
DN80，长度可调
有机玻璃
3
提升管2
DN63，直管长1.9m
有机玻璃
4
空气管
DN15
PVC
5
鼓风机
6
计量水箱
直径600mm，高0.5m
有机玻璃
7
流量计
LZB－15，0~10 m3/h
table1 玻璃
8
秒表
备注：提升管1分为5段实际气水比，1m管道2段，0.5m管道2段，弯头高0.2m
2.2 实验方法
采用提升管1进行主体实验：（1）维持提升管位置不变，通过调整水箱内水位改变浸没深度和提升高度；（2）保持提升管位置和水箱内水位不变，通过提升管道的拆取来改变浸没深度；（3）保持浸没深度不变，通过提升管道的拆取来实现提升高度的变化期刊网。空气流量通过调节阀门改变。
采用提升管2对主体实验的结论进行验证。
液体流量的测定：在提升高度、浸没深度和空气流量等参数一定的条件下，通过测定一定时间内的提升液体体积来确定液体流量。
3 实验结果与讨论
3.1 浸没深度对修正系数的影响
浸没深度的变化会影响空气管出口压力（鼓风机的工作压力必须大于浸没深度所对应的压力），浸没深度越大，需要的鼓风机出口压力越大，鼓风机功率也越大，气提升系统输出的能量越多。气提升系统输出的能量以气体膨胀做功的形式展现出来，并成为气提升公式不可或缺的组成部分。由气提升公式可知，浸没深度越小，理论气水比越大。本文通过实验研究了浸没深度对修正系数的影响实际气水比，实验结果如图2、3所示，同时得到了理论气水比及实际气水比与相应修正系数的值，见表2期刊网。
由图可知：在提升高度一定的条件下，浸没深度与修正系数呈反向关系，即随着浸没深度增大，修正系数逐渐减小，且减小的幅度越来越小，当浸没深度大于1.8m时，修正系数稳定在（3，4）范围内。由表可知，当理论气水比为（0.3，0.6），实际气水比为（1，2）时实际气水比，修正系数稳定在（3，4）范围内。
   
表2 浸没深度与修正系数的关系列表
|
实验编号
|
提升高度
|
浸没深度
|
理论气水比
|
实际气水比
|
修正系数
|
|
H(m)
|
h(m)
|
α‘
|
α
|
k
|
|
1
|
0.90
|
2.30
|
0.35
|
1.06
|
3.03
|
|
2
|
0.90
|
1.90
|
0.44
|
1.50
|
3.44
|
|
3
|
0.90
|
1.80
|
0.46
|
1.68
|
3.65
|
|
4
|
0.90
|
1.40
|
0.60
|
3.35
|
5.55
|
|
5
|
1.00
|
2.20
|
0.41
|
1.25
|
3.03
|
|
6
|
1.00
|
1.80
|
0.51
|
1.83
|
3.57
|
|
7
|
1.00
|
1.70
|
0.54
|
2.43
|
4.45
|
|
8
|
1.00
|
1.30
|
0.72
|
6.85
|
9.46
|
3.2 提升高度对修正系数的影响
提升高度的变化不仅与液相重力做功相关，还会引起摩擦阻力的变化，它亦为气提升公式的重要组成部分。由气提升公式可知：随着提升高度增大，理论气水比逐渐增大。本文通过实验研究了提升高度对修正系数的影响，实验结果如图4、5所示，同时得到了理论气水比及实际气水比与相应修正系数的值，见表3。
由图可知，在浸没深度一定的条件下，提升高度与修正系数呈正向关系，即随着提升高度减小，修正系数也逐渐减小，且渐趋稳定，当提升高度在1m以下时实际气水比，修正系数稳定在（3，4）范围内。由表可知，当理论气水比为（0.3，0.6），实际气水比为（1，2）时，修正系数稳定在（3，4）范围内期刊网。
 
  表3 提升高度与修正系数的关系列表
|
实验编号
|
提升高度
|
浸没深度
|
理论气水比
|
实际气水比
|
修正系数
|
|
H(m)
|
h(m)
|
α‘
|
α
|
k
|
|
1
|
0.60
|
1.60
|
0.35
|
1.20
|
3.43
|
|
2
|
1.20
|
1.60
|
0.70
|
5.28
|
7.57
|
|
3
|
0.60
|
1.70
|
0.33
|
1.20
|
3.66
|
|
4
|
1.10
|
1.70
|
0.60
|
2.92
|
4.87
|
|
5
|
1.00
|
1.80
|
0.51
|
1.83
|
3.57
|
|
6
|
1.40
|
1.80
|
0.72
|
5.46
|
7.61
|
|
7
|
0.80
|
1.90
|
0.39
|
1.30
|
3.36
|
|
8
|
0.90
|
1.90
|
0.44
|
1.50
|
3.44
|
3.3 气体流量对修正系数的影响
气体流量对修正系数的影响是通过气水间摩擦阻力及气体做功的有效性来实现的，气体流量不能太大亦不能太小，气体流量太大，可能形成和液体完全分离的单独气流通道，由于该“通道”和大气直接连通，构成一个利于大量气体“逃逸”的低压通道，而这部分“逃逸”的气体在提升管内流动过程中并没有发生膨胀作功实际气水比，于是对于气提升过程这部分气量无效，造成了气体的浪费，实际气水比减小，修正系数会增大；气体流量过小，虽然原则上所有气体都能对液体作功，但由于气相难以均匀分布在液相中，将形成“气跃”现象而非合理的气提升过程，也会造成修正系数增大。相对于一固定的气提升装置，气体流量存在一最佳值，使修正系数最小。本文通过实验研究了气体流量对修正系数的影响，实验结果如图6、7所示。同时，得到了理论气水比及实际气水比与相应修正系数的值，见表4。
实验结果印证了前面的论述，由图可知：在提升高度和浸没深度一定的条件下实际气水比，修正系数随气体流量的增大呈现出先减小后增大的趋势，对于一固定的气提升装置，均对应一最佳气体流量，在该流量附近，其对应的修正系数稳定在（3，4）范围内。由表可知：当理论气水比为（0.3，0.6）时、实际气水比为（1，2），修正系数稳定在（3，4）范围内。
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