一种全自动气液置换变截面虹吸水流发生装置的制作方法

在水处理、供水、管网及水利灌溉、长距离输送工程中，为了节能降耗，人们总希望管道流体在一定的流道形式，壁面粗糙度和水流态一定的条件下，能够降低管道沿程阻力损失，增大流量的目的。但是由于进水口水面的吸气涡旋，导致进入水中的空气增加，另一方面，溶入水中的空气降低了管中的充盈度，不能满足流动降低了流量，另一方面，涡旋使水流在在管中不是直线行进，而是沿螺旋线方向流动，无形中增加了行程(比管道的实际长度长)从而增加了沿程损失。除了对管道本身(如内表面等)加以改进之外减少溶入水中的气体，改善管道内水体的流动品质，才是减少阻力损失，增大流量的主要因素。

二、

背景技术：

天然水体中含气率约2％，即水中溶解性气体20L/m³，当压力降到某一值时会以微气泡形式析出。水流入口处都产生漩涡。漩涡无处不在，是一种非常复杂的流体运动形式，进水口漩涡的危害：1、增加水流阻力，缩减过水面积，减少进水量，降低流量系数，出现吸气漩涡时，可使过流能力减少80％。2、加剧水流脉动产生强烈脉动压力，引起机组或结构物振动。3、降低机组效率，强烈的吸气漩涡可减少机组80％的效率。4、卷吸漂浮物堵塞或损坏设备等。

资料表明，在进水口上方水面都可能发生涡旋，一种是具有大尺度的准稳定性的水面涡旋，一种是小尺度随机出现的水面涡旋从工程观点看，进水口形成的涡旋一般分为自由表面漩涡、水下漩涡和管道螺旋涡三种，其中自由表面漩涡对工程影响最大，为了避免漩涡引起的各种问题，有时不得不在较小流量下进行。根据毕奥一沙伐定律，越靠近漩涡中心，其速度愈高，静压愈低，从而渗入的空气就愈多，不但降低了管道的充盈度，而且螺旋运动增加了行程和沿程阻力损失，漩涡存在紊流加剧，主流与漩涡区不断有质量能量交换，质点间摩擦碰撞消耗大量机械能。

粘性是产生漩涡的根本因素，而具有流速梯度的流场使粘性发挥效应从而形成漩涡运动。漩涡的形成与进口流速尺寸和淹没深度有关。改善进水口的体形结构，减小进水口流速尽可能降低，破坏不利水流流态能有效防止吸气漩涡的产生，双孔进水明显好于单孔进水，进水口上方30°范围内是漩涡易发区域。

水泵进水口存在预旋，吸入管中同样有涡流。泵前吸入管中的有旋的混合涡流，来源于泵叶轮的旋转，其通过液体粘性从泵内传入到吸入管中。其强度随离泵入口距离的增加而减弱，涡流区在离泵入口7倍管径的范围内，直接影响到泵的扬程和流量。泵出口的漩涡进 入下游管道正常管流区，同时进水口的漩涡会造成较强的脉动运动，给水泵的工作状态带来不利，增加振动和噪音。针对正常管流中气体和螺旋漩涡的混合流动，是影响流量和增加压力损失的主要因素。

三、

技术实现要素：

(一)、进水口管束整流器

根据流体力学理论可知：层流阻力小，紊流阻力大，流体流动状态的变化判别准则是雷诺数，根据雷诺数计算公式Re＝VD/γ(V：平均速度，m/s；D：圆管内径m；γ：粘性系数。)雷诺数与流速管径均呈正比，Re小于2320为层流，在2320～13000之间为过渡区，大于13000为湍流。因此，对于既定的流量状态下通过选择合适的流速和管径制成的进水口管束整流器，扩大进水口面积，降低流速对减少涡旋，梳理流态，削弱螺旋线的旋转度，降低整体阻力系数，将明显改善进水口涡旋的产生以及管中液体流动混乱的状态。

1、整流器总长度L大于湍流起始长度即L＝1.25～5.0D，其中进水双曲线口整流口段长度L1为3/8L，管束整流器长度L2＝1/2L。出口双曲线变径管段长度L3＝1/8L。

2、管束整流器

1)、圆管内径d为吸水管直径D的1/4～1/6；

2)、圆管长度L2为整流器长度的1/2L；

3)、圆管数量n＝D²/d²*1.25。

3、进水口整流(稳定段)

1)、符合双曲线函数x·y＝1/8DT²曲线，喉部直径DT＝1.2n1/2·d或DT≈6～8d

2)、变径接头长度L3≈1/8L。

(二)、变截面虹吸管

根据虹吸发生特征必须具备：1、管内持续产生负压；2、管内形成稳定的封闭小柱；3、流速加大。这三方面虹吸水流的特征现象来说，虹吸管内的负压状况可显著提高管内液体的充盈度，满足增大管道过流能力的需要，虹吸水流的良好水流流态和条件，为提高管网过流能力奠定了基础。

1)、虹吸管径：Do＝(0.8～0.92)Q1/2Q：供水流量m³/h；

2)、壁厚：S≥D/130+(1～2)；3)、长度Lo：一般控制在2～10m内。

4)依据变径(截面)双虹吸管易发生虹吸，且虹吸完整充分，持续时间长的特点，确定变径(截面)双虹吸管设计参数，进水管倾角α＝47°弯管部分半径R＝1.0～2.5Do变径比D/Do＝1.2

(5)虹吸管进口与出口高差h＝200～400mm。

(三)、智能型全自动气液交换罐

为确保变径虹吸管在运行中持续负压的存在，避免因管件连接跑冒、滴漏等破坏虹吸水流的正常运行，在变径虹吸管的最高部位安装全自动虹吸排气装置，通过自动化控制屏。确保气液交换缸内的水位缸体直径的1/2以上，启动时DC_1、DC₂打开，DC₃常闭，待管内水体充满后，进入运行状况。运行状况下电动阀DC₃常开，DC_1、DC₂常闭。并智能化循环重复上述过程。保证渗入虹吸中的气体能顺利进入气液交换箱上部，提高管道的充盈度，同时在负压条件下，使溶解于水中的气体析出形成微气泡进入气液交换罐。在源头上保证进入管网中的水流，尽可能降低“气阻”的影响，减少压力损失，提高末端用水点的富裕水头增大供水量。

设计参数：1)气液交换缸容积V＝(2～5倍)1/4πDo²·Lo；2)智能型全自动控制屏

(四)、泵进、出口管道网格整流器为防止水泵叶轮旋转到引发的预涡旋的影响，在水泵进出口均设置管道网格整流器长度L＝250～450mm；D1＝1.25～5.0D；L2＝1.5D；L1＝1/3L2；网格数6～32个，或1/3D。

通过该虹吸流发生装置，在进水源头上削弱了漩涡的影响。改善了流动品质，使其流动较均匀。可使管道水体充盈度达到99％以上。过流能力增加20％以上，压力损失降低15％以上。虹吸流水体输送技术对已有管网的改造和新建管网的设计应用，在节能降耗，维修维护方面都与常规输水系统有着无可比拟的优势，是一种符合循环经济理念的绿色环保技术产品。

四、说明书附图说明

图1为管道进口管束整流器纵断面图(图1a)和A-A剖面图(图1b)。

图2为管道网格整流器断面图(图2a)和A-A剖面图(图2b)。

图3为全自动气液交换器剖面图。

图4虹吸水流加压供水装置系统图。

图5为无动力虹吸水流堤坝输水装置系统图。

运行前，通过智能型全自动气液交换罐，使变径(截面)双虹吸管内充满水体，并处于运行状态。通过管道进水口整流装置1，大规格变径(截面)双虹吸管2及全自动气液交换缸3，共同组成了虹吸流发生装置。

五、具体实施方式

1、应用领域：

1)重力流供水设施、系统新建及改造；

2)压力流供水设施、系统新建及改造；

3)水体溢流、防洪设施建设及改造；

4)符合高程要求的水体取水输送及农业灌溉等。

2、实施方式：

1)进水口管束整流器产品批量加工、销售；

2)全自动气液交换器产品批量加工、销售；

3)变径虹吸管产品批量加工、销售；

4)网格状管道产品批量加工、销售；

5)全套虹吸流发生装置生产、销售；

6)智能型虹吸流供水装置生产、销售。