“排气增流”在循环水管网改造中的分析与应用
关键词：循环回水；排水漏斗；气液两相流动；排气缓冲漏斗；矩形薄壁堰
1前言
我公司制氧车间300m3/h制氧机冷却循环水系统采用的循环流程如图1图示。制氧设备冷却循环回水采用开式（设备出口设排水漏斗集水）自流至热水池，单台设备循环水流量70～100m3/h，循环回水管管材为DN200铸铁管，敷设坡度8‰。
该系统自投入使用后，在每年夏季设备运行存在问题。当循环水流量调节增大时，从漏斗处发生大量溢流现象，使排水漏斗后的循环回水管道中的循环水流量无法增加，导致制氧设备冷却效果达不到设计要求，制氧设备不能充分发挥其应有的能力，同时对制氧设备使用寿命造成不良影响，也给生产运行带来了事故隐患。
2理论分析
经计算，DN200铸铁管道，在坡度8‰时其可通过流量为144m3/h，应完全能够满足70～100m3/h的循环流量，但为何无法满足使用要求呢？后经现场大量观察发现，制氧设备循环水出口流速较高，在出口排水漏斗内混合大量空气进入循环回水管道（图2），管道内产生“气液两相流动”，使得管道输配能力大大降低。
所谓“相”就是通常所说的物质的态，而“两相流动”就是两种不同的物质的流动。两相流动与单相流动不同，它的特点首先表现为：除了每种物质与管壁之间的相互作用外，还有不同相间的相互作用，包括能量的交换和力的作用。其次，每种两相流动在不同工况下，相间的分布状况也是各式各样的，可能是密集的，也可能是分散的，就是密集的与分散的也还有程度的不同，这种运动结构的差异更加大了两相流动的复杂性。
当气液混合物在管中作垂直向下运动时，可能有以下四种流动模式：(图3.a）当气液混合物中空气
含量较少时，空气小气泡夹杂在管道中心部分的液体中向上呈泡状流动结构；（图3.b）当空气量较多时，细小的气泡汇集成大气泡，处在管道的中心部分向上呈弹状流动结构；（图3.c）当空气含量更大时，弹状大气泡汇集成长为大气柱，仍处在管道的中心部分向上呈柱状流动结构，液体仍在管壁附近流动；（图3.d）当空气含量极大时，管壁周围的液柱厚度进一步减薄，而成为一层液体膜，其厚度减小到一定程度时，被撕破而形成细小的液滴，均匀地分布在空气中，形成雾状流动结构。这时由于在气泡上的浮力方向与运动方向相反，对气泡的运动起了阻碍作用，故气泡的运动速度比液体的小。
当气液混合物在水平管道中流动时，若流速较高时，流动模式与垂直管中的情况相似，但由于气
液重度不同，在浮力作用下，管道中心线以上空气偏多，形成不对称的流动结构。随着流动速度的减小，
流动结构的不对称增加。当流速小到一定程度时，气液两相产生分离，空气在管道上部流动，液体在管道
下部流动。
综上所述，无论气液两相流动在立管中还是在水平管中，也无论是在何种流动模式的情况下，均大
大增加了流动阻力，降低了管道输配液体的能力。如能减少或避免管道液体中的空气存在，必然可大大增加管道的输配流量，这就是“排气增流”的思路。
3措施方案
为提高管道的输配能力，采取方案有：
方案1：将热水池移至地势较低处，增加设备出口至热水池间的高差，从而增加循环回水动力，起到增加输配流量的作用；
方案2：增大循环回水管径，从而增加管道输配流量。
方案3：设计一种排气装置，减少或避免气体进入管道，从而增加管道输水能力。
方案1及方案2两种方案的最大缺点是均需增加较多管道及设施，投资较大，施工工期长，且“气液两相流动”的流动过程是十分复杂的，理论上虽然提出了一些模型，但在实用上仍然要依靠试验求得解决，其过程复杂，管径较难确定。
方案3如能实现，可大大减少工程投资，缩短施工工期，降低施工难度，可谓最佳方案。经理论计算和有关试验，笔者自主设计了“排气缓冲漏斗”，其结构如图4所示，完全达到使用效果。
4排气缓冲漏斗
排气缓冲漏斗主要分为四个区，Ⅰ区：平面缓冲曝气区；Ⅱ区：堰流区；Ⅲ区：堰下消能区；Ⅳ区：
竖管排气区。
Ⅰ区、平面缓冲曝气区：通过加大平面面积，减小流体流速，依靠气体自身的浮力作用，使得气体与
液体进行初步分离，起到初步排气的作用；通过积留一定水深的水，对从设备出口处流出的较高流速的水
进行消能，减缓其流速，减小对漏斗底部钢板的冲刷力，从而延长漏斗的使用寿命；通过侧边钢板的高度，
阻挡因后部堰流造成的水流受阻壅高，避免漏斗中水溢流。
Ⅱ区、堰流区：通过堰的作用，使堰的上游水流受阻壅高，水流部分动能被转化为势能，其流速在堰顶部分被有效地降低，使水流的挟气能力大大降低，从而使气泡更有利的从水流中溢出。堰采用矩形薄壁堰计算公式：Q=m0b（2g）0.5H1.5。Q--流量；m0--矩形堰的流量系数，取值0.40～0.50；b--堰宽；H--堰前水流壅高。
Ⅲ区、堰下消能区：经过堰流下溢的水流，其势能又转化为动能，水流速度较大，为避免较高流速
的流体与空气再次混合，造成流体重新夹气，同时为减小流体对漏斗钢板的冲刷，延长漏斗使用寿命，该
区通过底流型衔接方式有控制地发生水跃消能。
计算公式：s=1.25（h”c-ht）。s--消能池深度；h”c--池后水跃的跃后水深；ht--跃前水深。
L=li+ψlj。L--消能池长度；li--堰下射流长度；lj--水跃长度；ψ--修正系数，取值0.75。
Ⅳ区、竖管排气区：利用在垂直管道中气体与水的密度差，气体依靠自身的浮力作用向上排出，进一步将水中气体排除；在小流量时（非满管流），该区起到通气立管的作用，增大管道输配能力；在大流量时（满管流），通过该区一定的有效水深，进一步缓冲堰流后水流的动能，避免漏斗发生溢流。