李宗雨，潘菲，李璐

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基于曝氣原理的風(fēng)能水質(zhì)改善裝置＊

李宗雨，潘菲，李璐

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水質(zhì)問題日益受到人們的關(guān)注，部分城市內(nèi)河、景觀湖等流動性較差的水體存在嚴(yán)重的污染問題。對此，設(shè)計了一種基于曝氣原理的風(fēng)能水質(zhì)改善裝置，利用風(fēng)力提水技術(shù)結(jié)合跌水曝氣、人工水力循環(huán)技術(shù)實現(xiàn)低能耗改善水質(zhì)。無極調(diào)速裝置和偏心調(diào)速裝置保證裝置適用于不同的風(fēng)速風(fēng)向，保證裝置運行效率；新型進出水口改善跌水曝氣與水力循環(huán)方式，提高水質(zhì)改善效果。

低流動水體；風(fēng)力提水；曝氣；改善水質(zhì)

1 作品背景及意義

近年來，地表水體尤其是靜止或流動性差的水體比如城市內(nèi)河、城市景觀湖等，由于匯入污染物總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水環(huán)境容量，許多中小河流水體污染嚴(yán)重，如圖1所示，湖泊水體富營養(yǎng)化加劇。發(fā)臭、渾濁、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)是國內(nèi)很多景觀湖和城市河道的現(xiàn)狀。同時，國內(nèi)污水處理廠、水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘均存在水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重等問題。

圖1 河流水體污染情況

為改善上述場所的水質(zhì)，國內(nèi)大部分地區(qū)采用曝氣方法對水體進行處理?，F(xiàn)有的曝氣裝置存在建設(shè)成本高、動力消耗大、維護成本高等缺點。因此減少動力消耗、提高充氧效率、降低建設(shè)成本不僅是人工曝氣系統(tǒng)廣泛推廣應(yīng)用的前提，也是我國曝氣系統(tǒng)急需做出改善的方面。對此，本作品設(shè)計了一種基于曝氣原理的風(fēng)能水質(zhì)改善裝置。

2 作品方案設(shè)計

本作品利用風(fēng)力提水技術(shù)實現(xiàn)跌水曝氣與水力循環(huán)，達(dá)到改善水質(zhì)的目的。無極調(diào)速裝置通過電動推桿改變不同風(fēng)速下活塞泵的行程，適應(yīng)不同大小的風(fēng)速；偏心調(diào)速裝置保證裝置適用于不同的風(fēng)向，避免裝置因側(cè)風(fēng)過強導(dǎo)致裝置損壞，保證裝置正常運行；新型進水口可以同時吸進深度不同的水體，促進不同水體的流動，改善水體的流動性；出水口的設(shè)計提高了水體與空氣的接觸面積，增加了水體的溶氧量；控制系統(tǒng)利用風(fēng)速傳感器等實現(xiàn)裝置的自動化，可控制性強。

3 作品結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 風(fēng)力提水機的設(shè)計

目前市場上的風(fēng)力提水裝置大部分利用風(fēng)能發(fā)電，進而帶動水泵進行抽水工作。為減少能量相互轉(zhuǎn)化時的損耗、簡化裝置復(fù)雜程度，本項目計劃設(shè)計機械結(jié)構(gòu)利用自然的風(fēng)資源直接帶動水泵來完成提水作業(yè)，裝置主要由扇葉、無級調(diào)速機構(gòu)、固定架及水泵組成。其中，扇葉連接曲軸帶動上連桿上下移動。上連桿帶動無級調(diào)速機構(gòu)繞定點擺動，進而帶動連接在活塞上的下連桿進行抽水作業(yè)。其中活塞泵上設(shè)有進出水連接口，連接本項目所設(shè)計的新型進出水口。

3.1.1 無級調(diào)速機構(gòu)的設(shè)計

傳統(tǒng)多葉輪活塞泵風(fēng)力提水機，風(fēng)輪與活塞泵的扭矩特性差異較大，風(fēng)輪軸輸出扭矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，但活塞泵扭矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此風(fēng)輪與水泵不能在一個風(fēng)速區(qū)間內(nèi)高效匹配，而只能選擇一個工作點實現(xiàn)良好匹配，造成傳統(tǒng)的定行程風(fēng)力提水機設(shè)計的風(fēng)速難以確定。設(shè)計風(fēng)速高，機組啟動困難；設(shè)計風(fēng)速低，系統(tǒng)運行效率低，能量輸出少。同時其只有在設(shè)計好的風(fēng)速段下才有較高的工作效率，無法做到對風(fēng)能的充分利用。因此本項目計劃采用無級調(diào)速的機構(gòu)設(shè)計，通過改變水泵活塞的行程改善裝置的工作效率。無級調(diào)速機構(gòu)如圖2所示。

葉片2在風(fēng)力作用下帶動曲軸1旋轉(zhuǎn)，進而帶動上連桿3進行上下移動。上連桿3上下移動時將帶動一端固定在固定架7上的搖臂進行上下擺動，進而利用泵桿6帶動抽水活塞進行風(fēng)力提水。當(dāng)滑塊5在搖臂4的滑槽中位置不同時，抽水活塞的行程將發(fā)生改變。低風(fēng)速時，滑塊5位于搖臂4的滑槽左側(cè)，抽水活塞的行程減??；高風(fēng)速時，滑塊5位于滑槽右側(cè)，抽水活塞行程增大。

1—曲軸；2—葉片；3—上連桿；4—搖臂；5—滑塊；6—泵桿；7—固定架。

無級調(diào)速機構(gòu)中滑塊5的位置依靠電動推桿進行控制?？刂葡到y(tǒng)對風(fēng)速大小進行檢測，在不同風(fēng)速時控制液壓鎖定改變滑塊5位置。

3.1.2 偏心式調(diào)速機構(gòu)

當(dāng)風(fēng)速突然增大較多時，風(fēng)輪有可能在短時間內(nèi)超速，對裝置造成一定的危害。采用調(diào)速系統(tǒng)可有效減少葉片上的作用力，其可有效保護風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)、延長裝置使用壽命，同時，其還可以用來限制功率，拓寬風(fēng)力提水機對風(fēng)速的利用范圍。

本項目采用偏心式調(diào)速機構(gòu)，即風(fēng)輪機的主軸與風(fēng)輪機機艙座下部垂直轉(zhuǎn)軸不相交。當(dāng)風(fēng)輪機在額定風(fēng)速下運轉(zhuǎn)時，風(fēng)輪由于風(fēng)的作用所受到的正面壓力對機艙座下垂直軸有一個力矩的作用，但由于風(fēng)輪尾舵的定向與平衡作用，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面仍處于迎風(fēng)位置。當(dāng)風(fēng)向不變，風(fēng)速增大時，由于風(fēng)壓面產(chǎn)生的對風(fēng)輪的壓力增強，其對垂直軸的力矩也隨著增大，風(fēng)輪產(chǎn)生偏側(cè)。當(dāng)風(fēng)輪偏側(cè)后，由于風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)面處于非迎風(fēng)位置，風(fēng)輪機的功率及轉(zhuǎn)速均減小。當(dāng)風(fēng)速非常高時，風(fēng)輪機葉片的旋轉(zhuǎn)面將旋轉(zhuǎn)90°，處于與風(fēng)向平行的位置，即處于停的狀態(tài)。

3.2 裝置進出水口的設(shè)計

3.2.1 進出水口設(shè)計目的

進水口的設(shè)計促進水體進行人工水力循環(huán)，出水口改善跌水曝氣的效果。將人工水力循環(huán)技術(shù)與跌水曝氣技術(shù)有機結(jié)合，一方面，強制循環(huán)造成的流動促使水體表面更新，增加了紊動，從而改進了氧的傳遞和擴散，促進了水面復(fù)氧，提高了跌水曝氣充氧效率；另一方面，經(jīng)過跌水復(fù)氧后的水體，在水力循環(huán)作用下不斷地交換、稀釋，使水體自凈能力得以提高。因此兩者的有機結(jié)合可以相互促進彼此的效果，提升裝置對水體的除污凈化效果。

3.2.2 進水口的設(shè)計

進水口為具有一定高度差的小進水口螺旋排列而成。不同深度的水從不同的小進水口流進后匯聚進總進水口，總進水口連接于水泵。通過該進水口可有效促進不同深度水體進行流動，最大限度地促進了人工水力循環(huán)效果。

3.2.3 出水口的設(shè)計

該裝置主要曝氣方式為跌水曝氣。經(jīng)風(fēng)力提水作用后將水提升至一定的高度后經(jīng)過出水口以一定的動能跌落進湖水內(nèi)。為了增大跌水曝氣時的溶氧效果，需要增大水體與空氣的接觸面積。在正常的水幕跌水條件下，跌水曝氣的總傳質(zhì)系數(shù)·值（溶氧能力）隨跌水寬度變寬而增大，說明跌水曝氣的·值隨著跌水寬度的變大增加的絕對值越來越小，因此，盡可能增大跌水寬度有利于增強跌水曝氣的效果。本裝置所設(shè)計的出水口為成環(huán)狀排列的鴨嘴形出水口，通過控制出水口的寬度進而控制跌水寬度。

3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制器主要由風(fēng)速檢測單元、繼電器模塊、液壓鎖模塊和主控單元MCU組成。其中風(fēng)速檢測單元采用RS-FS-NO1三杯型風(fēng)速傳感器，其能夠在滿足誤差要求下，保證足夠靈敏度，并將測得風(fēng)速數(shù)據(jù)傳送至主控單元；繼電器模塊包括電磁閥和電磁開關(guān)，用于保證有無風(fēng)時不同工作模式的切換；電動推桿用以改變柱塞泵的行程，保證無級調(diào)速機構(gòu)的使用。

4 作品創(chuàng)新之處

作品創(chuàng)新之處主要為：①將風(fēng)力提水技術(shù)與跌水曝氣、人工水力循環(huán)技術(shù)有機結(jié)合，降低曝氣能耗的同時提高水體處理的效率；②采用無級調(diào)速的風(fēng)力提水裝置，最大可能地利用了風(fēng)能；③進出水口的優(yōu)化設(shè)計提高了人工水力循環(huán)及跌水曝氣的作用效果。

5 作品應(yīng)用前景

隨著社會的發(fā)展，我國更加注重改善生態(tài)環(huán)境。風(fēng)能曝氣水體改善裝置不僅可以廣泛應(yīng)用于改善城市內(nèi)河及城市景觀湖等流動緩慢的水體，也可以用于我國污水處理廠進行污水處理。其中我國相關(guān)部門規(guī)定污水處理廠對污水進行處理時必須利用曝氣裝置對水體進行處理。此外，我國有大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘，均需要利用曝氣裝置進行水質(zhì)處理。

2095－6835（2019）05－0084－02

TK89

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.084

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（編號：201810497049）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕