双侧吸气射流增氧机的增氧性能试验

2 0 0 8 年 8 月 农 业 机 械 学 报 第 39 卷 第 8 期 双侧吸气射流增氧机的增氧性能试验* 周建来 � 邱白晶 � 郑 � 铭 � � �摘要 � 为研究双侧吸气式增氧机射流器主要结构参数与动力效率的关系,应用正交试验方法,以增氧动力 效率 E 为主要性能指标, 选取位置系数 R、面积比 m、喷嘴收缩角 a、喉管长径比 �为增氧机射流器主要结构参 数,对射流增氧机进行了清水充氧试验。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明: 各主要结构参数影响增氧动力效率 E 的主次排序为位置系数、 面积比、喷嘴收缩角、喉管长径比;最佳结构参数组合为 R = 0, m = 4, a= 30!, �= 10。位置系数与面积比之间存在 比较显著的交互效应,其显著性低于两者独立作用的水平 ,高于喷嘴收缩角与喉管长径比的独立作用水平,其他参 数之间的交互效应不明显。 关键词: 增氧机 � 双侧吸气 � 动力效率 � 结构参数 � 试验 中图分类号: S969� 32+ 1 文献标识码: A Experiment on Dual Laterolog Aspirating Aerator Zhou Jianlai1 � Qiu Baijing2 � Zheng Ming2 (1. H uaihai I nst itute of Technology , L ianyungang 222005, China 2. Jiangsu University , Zhenj iang 212013, China) Abstract Orthogonal experiments w ere carried out to study the oxygen transfer performance of the dual laterolog aspirat ing aerator. T he work has been focused on the improvement of ox ygen�transfer power eff iciency with respect to the varying of the aerator∀ s major structural parameters. Effects of sing le and interact ion among them of the four factors on oxygen�t ransfer pow er ef ficiency w ere investigated respectively. Meanwhile, opt imal combinat ion of the four factors on oxygen�t ransfer power eff iciency w as presented. It show ed an appropriate combination of different factors may improve oxygen�transfer pow er ef ficiency effect ively. T he follow ing summarized the detailed contribut ions that have been made in the research: # Ranking of main structural parameters impact ing pow er eff iciency is as follow s: the location coeff icient , sect ion ratio, nozzle ang le and throat�pipe aspect rat io. ∃ Optimized structural parameters that w ere found in the research are the locat ion coef ficient R = 0; section rat io m = 4; nozzle angle a = 30!; pipe aspect rat io �= 10. % There is signif icantly interactive effect between location coef ficient and section rat io. Key words � Aerator, Dual aspirator, Pow er eff iciency, St ructural parameters, Experiment 收稿日期: 2007�09�14 * 淮海工学院自然科学基金资助项目(项目编号: 2007003) 周建来 � 淮海工学院机械工程系 � 副教授, 222005 � 江苏省连云港市 邱白晶 � 江苏大学农业工程研究院 � 教授, 212013 � 镇江市 郑 � 铭 � 江苏大学生物与环境工程学院 � 教授 � � 引言 增氧设备是养殖业常用设备, 现有的增氧设备 氧转移效率低,动力消耗大[ 1~ 3]。研究开发高效低 能耗的增氧设备成为当前高密度养鱼发展的重要课 题。射流增氧机利用射流曝气机理向水中充氧, 具 有许多独特优点, 除了适合一般养殖场合使用, 还能 解决冰下、深水等一般表面增氧难以解决的问 题[ 2, 4]。射流器增氧性能的研究, 虽然有较多文 献[ 5~ 6]对其进行了分析, 但这方面的研究工作尚不 充分。本文以动力效率为考察目标, 对位置系数 R、喷嘴收缩角 a、面积比 m、喉管长径比 �的影响 关系进行研究。 1 � 试验参数和装置 1�1 � 试验参数和考察指标 影响射流曝气性能的因素有射流器结构参数和 射流曝气器的运行参数, 本试验的射流器,由于内置 了一个内吸气管引起了射流器结构的变化, 因此选 取 4个结构参数作为影响因素[ 5]。 (1) 喉管与环形水流面积比 m (简称面积比) m= �23 �22- ( �1+ 2d ) 2 ( 1) 式中 � �1 & & & 内吸气管直径, mm �2 & & & 喷嘴直径, mm �3 & & & 喉管直径, mm d & & & 内吸气管壁厚, mm 面积比可有多种表达方法,但这里的 m 值对基本性 能方程影响更大。 (2) 内吸气管口与喷嘴出口相对轴向位置系数 R (简称位置系数) 内吸气口在喷嘴内位置包括轴向和径向位置, 本试验仅考察轴向位置。为反映内吸气口沿喷嘴轴 向的相对位置, 规定 R= W Z ( 2) 式中 � W & & & 内吸气管口右端面至喷嘴外出口端 面距离, mm Z & & & 喷嘴出口段轴向长度, mm (3) 喉管长径比 � �= L / �3 ( 3) 式中 � L & & & 喉管段长度, mm (4) 喷嘴收缩角 a(本试验采用半角) 考察指标为理论动力效率 E E= Q c N T ( 4) 其中 NT = HQ 367 200 式中 � E & & & 曝气器在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 测试条件下消耗单位有 用 功 所 传 递 到 水 中 的 氧 量, kg/ ( kW∋h) Q c & & & 吸氧量, mg / ( L∋h) N T & & & 射流曝气器增氧时所消耗理论功率, 即不计管路、风机、电机损失,只考虑 曝气增氧所消耗的有用功, kW∋h H & & & 水泵的扬程, m Q & & & 通过射流曝气器的水流量, m3/ h & & & 水的容积密度, kg/ m3 1�2 � 试验装置 试验装置如图 1~ 3所示。图 1中,水泵从供水 水池吸入清水(自来水) , 经压力表, 送至射流器, 空 气从射流器吸气口被吸入,与工作介质一起进入射 流器混合管、扩散管, 再经尾管将气�液混合物排至 曝气池中,气�液混合物在池中扩散。曝气池中水量 基本保持恒量(增加的水量适时排放) , 如此反复循 环直至清水中溶解氧接近饱和为止。 图 1� 试验装置系统示意图 Fig . 1� Schematic diagram of experimental system 1、8、13.闸阀 � 2.清水泵 � 3.供水水池 � 4、6.进气口 � 5.压力表 7.射流器 � 9.尾管 � 10.溶解氧测试仪 � 11.曝气水池 � 12.尾管 排放口 � 图 2� 双侧吸气式射流器结构示意图 Fig . 2� Structural sketch of dual laterolog aspirating aerator 1.喷嘴 � 2.吸气室 � 3.喉管 � 4.扩散管� 5.尾管 � 6.内吸气管 � 图 3 � 双侧吸气式射流器装配简图 Fig . 3� Assembly drawing of the aerator in experiments 1.调整杆 � 2.手轮 � 3.内吸气管 � 4.外进气口 � 5.喷嘴 � 6.喉 管 � 7.进气口 � 8.叶片 � 9.扩散管 � 10.吸入室 � 2 � 正交试验设计 2�1 � 试验水平 面积比 m 对射流器性能的影响存在最佳值,过 大或过小都将使吸气效果下降[ 6]。试验时, m 在 3~ 6之间选取。内吸气管口在喷嘴内作用是自吸 71第 8 期 � � � � � � � � � � � � � 周建来 等: 双侧吸气射流增氧机的增氧性能试验 气,相当于一个一级进气管,所以内吸气管右端口必 须位于喷嘴内, 否则吸气效果可能较差甚至不吸气; 如果内吸气管右端口突出于喷嘴出口断面之外, 由 于工作水压力有所回升,效果也不好。初步试验表 明, R 的取值范围大于 0�5 时, 内吸气管泄漏工作 水。因此, R 在 0~ 0�5 范围选取。内置的吸气管 减小了射流器的有效过流面积, 因此喷嘴收缩角不 宜过小,确定 a 在 10!~ 30!范围内取值。在试验过 程中发现, a < 15!时动压偏低, 因此把 a 的范围缩 小为 15!~ 30!。短喉管射流器最佳长径比适宜在 6~ 12之间选取[ 4]。 2�2 � 试验方案 试验分两轮进行: 第一轮选取上述 4个主要结 构参数,各安排 4 个水平, 不考虑交互效应, 选用正 交表 L16(45) , 确定各因素对指标影响主次顺序; 在 第一轮试验得出初步结果后, 由于最佳和最差方案 不在第一轮试验范围内, 故安排了第二轮试验,选取 三因素二水平进行试验, 重点考察交互效应, 确定各 因素对指标的影响显著性水平, 找出最优方案。各 因素选取的具体水平值如表 1、2所示。 由第一轮结果分析可知, 长径比 �的变化对指 标影响相对很小, 也 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 它与其他因素组合的交互 表 1� 第一轮试验的因素水平表 Tab. 1 � Factor values of the first�round experiment 水平 � m a/ (! ) R 1 6 3 15 0 2 8 4 20 0. 1 3 10 5 25 0. 2 4 12 6 30 0. 4 表 2� 第二轮试验的因素水平表 Tab. 2 � Factor values of the 2nd�round experiment 水平 R m a/ (! ) � 1 0 4 15 10 2 0. 4 6 30 10 效应较小,故第二轮试验只考虑其他三因素之间的 交互效应,如表2所示。长径比 �的取值是常数(水 平始终为 10) , 根据第一轮试验结果,本轮水平数只 取 2, 分别对应第一轮的最佳组合和最差组合值,选 用正交表 L8(27)。 3 � 试验结果分析 3�1 � 各参数对动力效率 E 的影响 试验结果如表 3所示。 表 3� 各试验因素不同水平时所测得平均动力效率 Tab. 3 � Average data of power efficiency under various factor values kg/ ( kW∋h) 考察指标 R m a/ (!) � 0 0. 1 0. 2 0. 4 3 4 5 6 15 20 25 30 6 8 10 12 平均动力效率 E 2. 5 2. 2 1. 9 1. 4 2. 1 2. 4 1. 9 1. 6 1. 7 1. 9 2. 1 2. 2 1. 96 1. 97 2. 0 1. 95 � � (1)位置系数 R 由试验数据的分析可知:位置系数 R 对动力效 率E 的影响程度居各试验参数之首。从表 3 可以 看出, 随着 R 增大,动力效率 E 减小。R = 0时, 取 得最佳值。当 R< 0 时(即内吸气管口突出于喷嘴 外) ,将反向变化,这种作用相当于一个一级喷嘴的 作用。内吸管的加长( R 减小)还造成射流流量略 有减小。初步试验中,当 R> 0�5时,内吸气管开始 漏水, 内吸气管越短( R 增大) , 工作水从内吸气管 中抽吸空气就越困难,同时,内吸气管口与喷嘴内出 口的距离随 R 的增大而迅速增大, 吸气难度加大, 出现导致停止吸气甚至出现工作水倒流入吸气管中 的现象。因此, 内吸气管管口的最佳位置处于喷嘴 内出口处,即 R= 0为最佳值。 (2) 面积比 m 面积比 m 的数值对动力效率 E 的影响居各试 验参数第二位。随着面积比 m 增加, 动力效率 E 下降,当面积比 m 由 3增加到 4时,动力效率 E 出 现了下降。最佳的面积比 m= 4。 (3)喷嘴收缩角 a 喷嘴收缩角 a 对动力效率 E 的影响居各试验 参数第三位。当收缩角 a 增大时, 动力效率 E 增 加。随喷嘴收缩角增大, 射流器理论功率(或流量) 也减小。例如喷嘴收缩角从 15!增大到 30!, 实际测 量的流量从 14�6 m3/ h 减小到 10�5 m3/ h, 减小了 33% , 动力效率 E 从 1�68 kg/ ( kW∋ h) 提高到 2�22 kg/ ( kW∋h) , 提高了 32%。但是, 收缩角并不 能随意增大, 对于普通射流器, 已有很多研究表 明[ 4, 6] , 其最大角度应在 30!以下。本次试验最佳角 度a = 30!。 (4)喉管长径比 � 喉管长径比 �对动力效率E 的影响最小。随 着喉管长径比 �由 6增加到10,动力效率 E 略有增 加。当喉管长径比 �由 10增加到 12,增氧性能参 数有所下降。 混合管的长度在 �= 6~ 10范围内, 动力效率 72 农 � 业 � 机 � 械 � 学 � 报 � � � � � � � � � � � � � � � � 2 0 0 8 年 E 随着 �的增大而增大。混合管过短, 不能满足射 流破碎长度的要求并造成出口处速度分布不均匀, 扩散管中的损失加大。然而, 当混合管长度达到某 一最佳值后再继续增加, 增氧效果又会降低, 当 � 从 10增大到 12 时, 动力效率有所下降。喉管最佳 长径比 �= 10。 3�2 � 各影响因素的主次顺序及最佳参数组合 � � (1)各影响因素的主次顺序 由表 4知, 在试验所取数值范围内,各因素对增 氧动力效率 E 影响大小的顺序为:位置系数 R、面 积比 m、喷嘴收缩角 a、喉管长径比 �。由第二轮试 验的结果也得出相同的结论,喉管长径比 �的影响 很小,几乎可以忽略不计。 表 4 � 第一轮试验得到的各因素极差 Tab. 4� Range values in first�round experiment 因素 � m a R 极差 0. 05 0. 8 0. 5 1. 1 � � 由于喉管长径比的影响相对较小, 第二轮试验 把它取为定值 10,由表 5可知交互效应的情况。位 置系数 R 与面积比 m 的交互效应显著,位置系数 R 与喷嘴收缩角a、面积比 m 与喷嘴收缩角a 的交 互作用很小,可以忽略。因此,位置系数 R、面积比 m、喷嘴收缩角 a 水平的搭配, 特别是参数位置系 数 R、面积比 m 的搭配很关键。总体分析, 交互效 应的影响不大,与位置系数 R 或面积比 m 的影响 不在同一水平上。 由上述可知,根据增氧动力效率 E 来分析的各 因素的主次顺序是: 位置系数 R、面积比 m、喷嘴收 缩角 a、喉管长径比 �。 表 5� 第二轮试验得到的各因素极差 Tab. 5 � Range values in 2nd� round experiment 因素 R m R ( m a R ( a m ( a 极差 3. 86 3. 08 1. 68 0. 9 0. 9 0. 84 � � (2)最佳工作结构参数 两轮试验的数据分析都说明,最优方案是: R= 0; m= 4; a= 30!; �= 10。在此组合下, 实测的对应增 氧动力效率 E= 3�35 kg/ ( kW∋h)。 4个因素对增氧动力效率的影响存在严格的顺 序,喉管长径比 �在双侧吸气射流器结构中对增氧 性能的影响不敏感;喷嘴收缩角 a 影响关系较为复 杂;面积比 m 和位置系数 R 对射流器性能影响权 重很大, 尤其是位置系数 R 的大小对增氧性能影响 特别敏感,是要首先选择的参数,这也是双侧吸气式 射流器的特点所在。 4 � 结论 (1) 影响增氧动力效率 E 各因素的主次顺序 是:位置系数 R、面积比 m、喷嘴收缩角 a、喉管长 径比 �。 (2) 本试验装置最佳结构参数是: R = 0, m = 4, a = 30!, �= 10。 (3) 位置系数 R 与面积比 m 之间存在比较显 著的交互效应,其显著性低于两者各自独立的作用 水平,高于喷嘴收缩角 a 与喉管长径比�的独立作 用水平,其他参数之间的交互效应不明显。 参 考 文 献 1� 王兴国, 王悦蕾,赵水标. 养殖水体增氧技术及方法探讨[ J] . 浙江海洋学院学报, 2004, 23( 2) : 114~ 117, 125. 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