（流体机械及工程专业论文）户用沼液泵的研究与开发.pdf

一iyllllllllllllll8ltt!18lll115llll!14tlll!19lllll攀 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh o m em e t h a n e - s l u d g ep u m p b y s h e nw e n j i n at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uz a i l u n a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特另i i d h 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：沌交龛日期：汐年占月7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：洌留篮 导师签名：萄i 衔可 日期：年 日期：汐i f 年 乡月7 日 6 月g 日 i 一 硕十学何论文 - - ：= = = = = = = = = = = = ：= ： i ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼舅 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 国内外户用沼液泵研究现状3 1 3 主要研究工作6 第二章固液两相流动理论 o qg oo o 8 2 1 多相流理论的研究与发展8 2 2 多相流模式1 0 2 3 典型两相流模型1 0 2 4 多相流建模方法及选择1 3 第三章沼液泵结构形式与水力设计1 5 3 1 沼液泵结构方案及参数的确定1 5 3 2 叶轮水力设计1 6 3 2 1 叶轮主要尺寸确定1 6 3 2 2 叶轮轴面图绘制1 7 3 2 3 叶轮流道的绘制1 7 3 3 压水室水力设计oq 2 2 3 4 本章小结0 0 000 2 4 第四章沼液泵三维实体造型及网格划分2 5 4 1 泵的三维实体造型概述2 5 4 2 叶轮三维造型2 6 4 3 网格划分2 7 4 3 1 网格的分类2 8 4 3 2 网格划分基本原则2 9 4 3 3 计算域网格的划分3 0 4 4 本章小结3 1 第五章沼液泵内部流场c f d 数值模拟计算o o qo0 00od 3 2 5 1 常用c f d 商用软件概述3 2 5 2 计算模型的确定与数据处理0 0 00 00 0 3 3 5 3 沼液泵全流道定常数值模拟3 4 5 3 1 沼液泵全流场清水介质数值模拟3 4 5 3 2 沼液泵全流场固液两相数值模拟3 8 5 3 3 不同固相体积分数对泵性能影响o b ooq 4 3 户川沼液泵的研究与歼发 5 3 4 不同固相颗粒直径对泵性能影响4 7 5 4 本章小结1 0 i0 0 0 4 8 结论与展望5 0 结论5 0 展望5 1 参考文献5 2 致j 射5 6 附录a 攻读学位期间公开发表的论文5 7 硕十学位论文 摘要 近年来，在国家一系列惠农政策的推动下，农村沼气建设得到了快速发展。但是在 沼气池的使用过程中，由于沼渣沼液中含有残余沼气，致使沼渣沼液难以清除，在农村 废弃沼气池的现象较为普遍。为了解决农村沼气池除渣除液难的问题，本课题结合农户 用电、沼气池结构、容积以及目前沼渣沼液清除的状况研发双流道式户用沼液泵。 本课题以沼液泵作为研究对象，通过对沼液泵全流场水力设计、过流部件三维造型 及c f d 数值模拟，对其性能进行了预测与分析，取得的研究成果如下： 1 根据我国农村地区大力推广的地下式沼气池结构、容积，确定了沼液泵的设计参 数和结构形式。该泵电机置于池面、泵体潜入沼液，电机采用2 2 0 伏交流电动机，沼液 泵重量轻、移动方便、操作简单、安全可靠。 2 流道中线的确定是双流道泵设计的关键技术。本课题比较了两种阿基米德螺旋线 的曲率变化情况，给出了双流道叶轮流道中线方程的选择依据。 3 利用p r o e n g i n e e r 软件良好的三维造型功能，对沼液泵过流部件进行三维造型。 通过编入阿基米德螺旋线公式的方法生成叶轮流道中线，这样生成的流道中线快速、准 确，叶轮的实体造型更加精确。 4 本课题结合分析了流道中线对叶轮造型的影响。在叶轮实体造型过程中，流道断 面在空间中容易相交，导致叶轮流道造型失败。因此，单纯的叶轮平面水力设计不能保 证形成光滑的内流道。此时叶轮的三维实体造型可以对其进行校核。在不能生成光滑的 内流道时，可以依次修改断面空间安放角度、流道过流断面面积变化规律、流道中线方 程，最终得到光滑的叶轮流道。 5 利用c f d 技术对沼液泵在清水、固液两相介质下进行全流场定常数值模拟计算。 为了得到固相颗粒直径、浓度对泵性能的影响规律，对沼液泵在设计工况下分别输送相 同固相浓度、不同颗粒直径和相同颗粒直径、不同固相浓度的固液两相介质进行模拟计 算。通过对内部流场数值模拟结果分析得到了沼液泵在输送两相流介质时的水力性能变 化及流道磨损情况，为进一步深入研究沼液泵奠定了一定理论基础。 6 研究表明，本课题所设计的沼液泵符合给定设计参数及性能的要求；说明沼液泵 的水力设计是合理的；双流道泵作为沼液泵能满足户用沼气池清除沼渣沼液的要求；该 结构形式的沼液泵具有重大的推广价值。 关键词：沼液泵；水力设计；三维造型；固液两相流：数值模拟：性能分析 _ 一 户用沼液泵的研究与开发 曼量曼曼蔓曼曼曼量曼皇皇曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼i i 一 n 量曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼鼍曼曼曼 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er u r a lb i o g a sc o n s t r u c t i o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l yu n d e rt h ee x p a n d i n g o fas e r i e so fb e n e f i tp o l i c i e s h o w e v e r , r e s i d u ef l u i da n ds l u d g ec o n t a i n sr e s i d u a lg a s ， r e s u l t i n gt h a tt h er e s i d u ef l u i da n ds l u d g ec a nn o tb ei m m e d i a t e l yr e m o v e di nt h ep r o c e s so f u s i n gb i o g a sd i g e s t e r s a n db i o g a sd i g e s t e r sa b a n d o n e di nr u r a la r e a si sm o r ec o m m o n p h e n o m e n o n i no r d e rt os o l v et h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fc l e a t i n ga w a yr e s i d u ef l u i da n ds l u d g e ， i nt h i ss u b j e c td o u b l ec h a n n e l t y p es l u r r yp u m po ff a m i l y - s i z ew a sd e s i g n e dc o m b i n i n gw i t h e l e c t r i c i t yf o rr u r a l ，b i o g a sd i g e s t e r ss t r u c t u r e 、v o l u m ea n dt h ec u r r e n ts t a t u so fr e m o v i n g r e s i d u ef l u i da n ds l u d g e i nt h i ss u b j e c t ，s l u r r yp u m pw a ss t u d i e da st h er e s e a r c ho b j e c tb yh y d r a u l i cd e s i g no fi t s w h o l ef l o wf i e l da n df l o wc o m p o n e n t so ft h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n dc f dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n i t sp e r f o r m a n c ew a sp r e d i c t e da n da n a l y s i s e d t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t s o b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h et y p eo fu n d e r g r o u n db i o g a ss t r u c t u r ea n dv o l u m ew h i c hi sp r o m o t e i nc h i n e s er u r a la r e a s ，t h ed e s i g np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r eo ft h es l u r r yp u m pw a sd e t e r m i n e d t h ep u m pm o t o rw a sp l a c e do nt h es u r f a c eo ft h ed i g e s t e r , a n dt h ep u m pb o d ys n e a k e di n t o t h es l u r r y m o t o ri s2 2 0v o l t sa cm o t o r t h es l u r r yp u m pw a so p e r a t e ds i m p l y , s a f e l y , r e l i a b l y a n de a s i l yt om o v ew i t hl i g h tw e i g h t 2 h o wt od e t e r m i n et h ec h a n n e lm i d l i n ew a st h ek e yt e c h n o l o g yi np r o c e s so fd e s i g n i n g d o u b l ec h a n n e lp u m p b yc o m p a t i n gt h ec h a n g eo ft w oa r c h i m e d e ss p i r a lc u r v a t u r e ，s e l e c t i o n r u l e ro fa ne q u a t i o no fp l a nc h a n n e lm i d l i n ew a sg i v e n 3 at h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i df o r m a t i o no ft h es l u r r yp u m pf l o wp a s s a g ec o m p o n e n t sw a s p r e s e n t e db yu s i n gp r o e n g i n e e rs o f t w a r e ，w h i c hh a sag o o dt h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p ef u n c t i o n i tw a sf a s ta n da c c u r a t et og e n e r a t e i m p e l l e rc h a n n e lm i d l i n eb yt h em e t h o do fi n p u t t i n g a r c h i m e d e ss p i r a lf o r m u l a a l s os o l i df o r m a t i o no ft h ei m p e l l e ri sm o r ea c c u r a t et o o 4 i nt h i ss u b j e c t ，t h ei n f l u e n c eo ft h et h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g no ft h ei m p e l l e rw a s a n a l y s e dc o m b i n i n gw i t hc h a n n e lm i d l i n e d u r i n gt h ep r o c e s so fs o l i dm o d e l i n go ft h e i m p e l l e r , f l o wc r o s ss e c t i o n sw e r ee a s yt oi n t e r s e c ti ns p a c e ，l e a d i n gt om o d e l i n gf a i l u r e t h e r e f o r eo n l ys i m p l ep l a n eh y d r a u l i cd e s i g no ft h ei m p e l l e rc a nn o tg u a r a n t e et h ef o r m a t i o n o ft h es m o o t hi n n e rc h a n n e l i nt h i sc a s e t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l i n go ft h ei m p e l l e r c a nc h e c ki t sr a t i o n a l i t y i ft h es m o o t hf l o wc h a n n e lc a l ln o tb eg e n e r a t e d ，t h es p a t i a lp l a c e d a n g l eo fc r o s ss e c t i o n s ，t h ev a r i a t i o nr u l eo ff l o wc h a n n e lc r o s s s e c t i o na r e a ，a n da ne q u a t i o n o fp l a nc h a n n e lm i d l i n es h o u l db em o d i f i e di nt u r n f i n a l l yt h es m o o t hi m p e l l e rc h a n n e lw a s g o t 5 t h es t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ew h o l ef i l e df l o ww a sc a r r i e do u tb yu s i n gc f d 硕十学何论文 t e c h n o l o g y , w h e nt h es l u r r yp u m p w a st r a n s p o r t i n gw a t e ra n ds o l i d - l i q u i dt w o p h a s em e d i u m i no r d e rt oo b t a i n p e r f o r m a n c e o nt h es l u r r yp u m pt h a ts o l i dp a r t i c l e d i a m e t e ra n d c o n c e n t r a t i o na f f e c t e d ，s i m u l a t i o nw a sc a l c u l a t e di nt w oc o n d i t i o n s ：t h es a m et r a n s p o r to f s o l i dc o n c e n t r a t i o nw i t hd i f f e r e n tp a r t i c l ed i a m e t e ra n d t h es a m et r a n s p o r to fp a r t i c l ed i a m e t e r w i t hd i f f e r e n ts o l i dc o n c e n t r a t i o n h y d r a u l i cp r o p e r t i e sc h a n g e sa n dc h a n n e lw e a l o b t a i n e d t h r o u g ht h e i n t e r n a lf l o wp r o c e s s i n ga n da n a l y s i sw i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t s i t a l s o e s t a b l i s h e dt h e o r yb a s ef o rf u r t h e rs t u d yo ft h es l u r r yp u m p s 6 t h es t u d i e ss u g g e s t e dt h a tt h es l u r r yp u m pd e s i g n e di n t h i ss u b j e c tm e tt h eg i v e n d e s i g np a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ；t h eh y d r a u l i cd e s i g no ft h es l u r r yp u m p w a sr e a s o n a b l e ；d o u b l ec h a n n e lp u m pa ss l u r r yp u m p sm e tt h er e q u i r e m e n to fr e m o v i n g r e s i d u ef l u i da n ds l u d g et ot h eh o u s e h o l db i o g a sd i g e s t e r s ；i th a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h e s t r u c t u r eo ft h es l u r r yp u m pt ob ep r o m o t e d k e yw o r d ：s l u r r yp u m p ；h y d r a u l i cd e s i g n ；t h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n ；s o l i d - f l u i df l o w ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o mp e r f o r m a n c ea n a l y s i s i i i 硕十学何论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 农村户用沼气工程是集经济、生态、社会效益于一体的农村基础设施建设工程。发 展农村沼气，对提高农民生活质量、保护农村生态环境、优化农业产业结构、转变农业 增长方式以及推动社会主义新农村建设具有重要意义。 随着农村经济的发展和农民生活水平的不断提高，农村环境问题变得日益突出。首 先，近年来家庭经济的快速发展，使得家庭养殖规模逐步扩大，畜禽类粪便大量堆积却 得不到及时有效地处理，造成农村生产环境和生活环境的严重污染。这也成为近年来疾 病增多、流行性感冒及其它传染性疾病大量流行的主要原因之一。 其次，由于农民积肥方式和积肥习惯的改变，使环境污染状况更趋严重。1 9 8 5 年以 前，农民的积肥方式基本是随时对人畜禽产生的粪便就地掩埋，当用肥或积累到一定程 度时再送到田地里。虽然这种积肥方式费工、费时、肥效低，但对环境造成的污染程度 较小。这以后，随着家庭养殖规模的扩大，工副业所需劳动力的增加，过去的土厕逐渐 被水泥圈厕所代替，积肥方式就变成开口粪坑式积肥，在粪便只有积聚到一定程度或农 闲时再送到田地里。这样人们的劳动强度明显降低了，但人畜粪便得不到及时、彻底、 有效的处理，肥效损失也比较大。尤其每当夏秋季节，由于气温高、易发酵，使得周围 空气十分污浊、难闻，粪蛆遍地，蚊蝇乱飞，直接影响着广大农民群众的身心健康。 最后，农药化肥用量的增加以及不合理滥用农药化肥，再加上农民自我防护意识比 较薄弱，导致土壤、水质、农畜产品、蔬菜果品等受到不同程度的污染，农药中毒事件 也时有发生【1 2 】。而沼渣沼液因其主要生物肥料和生物农药的双重功效，在施用沼肥不会 带来抗性问题，也不会对环境造成类似化肥、农药的污染，而且还有降低硝酸盐在作物 中积累的作用。在国际上被誉为广谱性的厌氧微生物加工剂。 因此，改善农村生活环境、净化农村生活环境成为人们迫切需要解决的问题，也是 社会主义新农村建设的一项主要内容。 沼气技术是对人畜粪便在密闭的沼气池中通过厌氧发酵处理，使之腐熟分解产生可 燃气体( 沼气) 及沼渣、沼液，并对其进行综合利用的一项实用技术【3 ，引。农村沼气在农村 环境卫生及农业生产方面的主要功效有i 别： ( 1 ) 建设农村沼气池可以及时地处理人畜粪便，清除污染源，变废为宝。农户为了 取得沼气发酵的原材料，必然改畜禽放养为圈养，消除了畜禽粪便到处堆积的现象。同 时，实现沼气池、厕所、畜( 禽) 舍相连通，人畜粪便可随时自由流入沼气池，在密闭的 厌氧环境下经过发酵产生沼气。这样不仅减小了由于人畜粪便不能及时彻底地处理而产 生的污染，消除了蚊蝇的滋生地，切断了疾病传播的途径。 ( 2 ) 可以有效地杀灭人畜粪便中的寄生虫卵和致病微生物。人畜粪便在厌氧发酵过 程中，由于存在游离氨及沼气池内温度较高等原因，促使致病微生物和寄生虫卵停止发 户j f j 沼液泵的研究j 开发 育，或被直接杀死，减少了肠道寄生虫病及传染病的发病率。据相关资料显示，常温条 件下在发酵的沼气池中，钩虫卵经过5 0 天死亡率为7 5 ，经过9 3 天全部死亡；蛔虫卵夏 季经过9 0 天死亡7 5 ；伤寒杆菌存活时间仅为3 0 天；福氏痢疾杆菌经3 0 小时后分离呈阴 性，而在一般粪液中可活1 7 天。因此，经过发酵的人畜粪便含有的寄生虫卵和致病微生 物已经很少，有效地降低了传染性疾病爆发的可能性。 ( 3 ) 沼气替代柴、煤、电，可以减少森林的砍伐量，消除燃煤发电产生的大量煤灰 和二氧化碳，减少垃圾处理和对环境的污染破坏，保持生态系统的平衡。一口8 m 3 的沼 气池，可年产沼气4 3 6 m 3 以上，折合标煤3 1 l k g ，可基本满足一个普通家庭( 3 - - 5 口人) 1 年的生活用能，真正地实现了“不见炊烟起，只闻饭菜香”的美好生活场面，沼气被 称为农村的“液化气”。一部分转化为沼气供农户照明做饭，一部分转化为沼渣沼液。 优质肥料，供生产水果、蔬菜、水产养殖，建立可循环的生态农业模式。 ( 4 ) 可为农业提供高效、无公害的有机肥料。在“猪一沼一果( 菜) 三位一体能源 生态模式中以户用沼气池为核心，农户平均喂养2 - - , 3 头猪，- - d 8 m 3 沼气池年产沼肥2 0 t 左右，可供0 2 - - 0 3 3 h m 2 农田施用。猪粪入沼气池后经厌氧发酵消化腐熟，有机物质被 微生物分解比较彻底，这样有效养分释放快、肥效损失低，部分养分从无效或迟效的有 机状态经沼气微生物分解可转变成速效状态，施用后更容易被农作物吸收利用。沼液中 富含多种作物所需的营养物质，非常适合作根外施肥，特别是当农作物进入花期、孕穗 期、灌浆期、果实膨大期，喷施效果更为明显。沼液作为叶面肥可调节作物新陈代谢、 补充营养、促进生长平衡、增强光合作用能力，尤其是施用于果树，有利于花芽分化、 保花保果、果实增重快、光泽度好、成熟一致、品质好等优点。沼渣沼液代替有机肥的 使用，必然会降低化肥、农药的使用量，降低农作物生产成本，降低农作物体内药物的 残留含量，减小农业环境的化学污染。 ( 5 ) 沼渣、沼液的其它用途 沼渣、沼液中含有多种生物活性物质，如氨基酸、微量元素、植物生长刺激素、b 族维生素、某些抗生素等，其中丁酸和植物激素中的赤霉素、吲哚乙酸以及维生素b 1 2 对病菌有明显的抑制作用，氨和铵盐，某些抗生素对作物的虫害有着直接的防治作用。 研究发现沼液对农作物近3 0 种病害具有防治作用，至少有2 0 多种病害的防治效果达到或 超过了现行使用的农药效果，沼液的生物农药特性也日益被揭示和证明在虫害方面，沼 气发酵残余物对1 9 种虫害取得明显的防治效果，对大肠杆菌、副伤寒杆菌和猪丹毒杆菌 等致病菌有显著抑制作用，对十株青霉和曲霉有不同的抑制效果，对1 7 种农作物病原菌 有不同程度的抑制作用。沼液可以用于种子催芽、杀菌和刺激生长作用的处理技术。沼 液浸种后，种子发芽率高、发芽整齐、根系发达、长势旺。该项技术简便、安全、效果 好，在农业上具有极大地推广价值；将沼渣、沼液拌入家畜饲料中，可以起到促进生猪 生长、缩短育肥期，提高饲料转换率，达到增收的目的。此外，沼液可以用于池塘养鱼、 沼渣制作培养料等用途【6 l 。 由此可见，在农村推广沼气技术的重要意义。沼气技术的普及符合我国政府所倡导 的发展生态农业和保护自然环境的方针政策。沼气技术的开发利用不仅解决了农村能源 2 硕十学位论文 问题，还减少了有害气体的排放，减小了对生态环境的污染，并且使农民增产增收，建 立起一个包括自然、经济、社会要素复合在一起的可循环的绿色农业生态系统。 近年来，中央连续出台的四个一号文件都明确要求增加农村户用沼气池的建设投 入，加快发展以沼气为重点的农村清洁能源。在国家一系列惠农政策的推动下，农民群 众建设农村沼气持的热情高涨，目前全国各地共建设农村户用沼气达到4 0 0 0 万户，数量 位居世界第一l ”。但由于配套设施不够完善，每口沼气池在建成使用2 3 年后，由于沼 渣的沉淀和沼液不能及时排除，沼气池的产气量会有非常明显的下降。由于沼气池内的 沼渣一般发酵6 - - 1 2 个月所以到期必须换料，有些沼气池因沼渣沼液清除问题而影响到 沼气池的连续正常使用。此时清渣除液变成沼气池能否继续有效使用的关键。对一家一 户的个体农民来说，沼渣沼液的清除是一件非常困难的事情。沼气池及时出料并经常进 行搅拌是保持长其均衡产气的最基本也是最有效的手段。依照规范沼气池使用的方法， 容积为8m 3 的沼气池每月出液1 2 次，每次出液l o o k g 左右，每年一次集中换料，换料 时，除液除渣量为沼气池总容量的二分之一到三分之二，即起码要出4 - 5m 3 。据农民 反映，他们绝大多数做不到每月出液，而一年换一次料多达到4m 3 。 目前国内还没有企业生产有效的设备帮助偏远地区农民定期清除沼渣沼液。这个问 题不容小视，如果清渣除液问题长期不能解决，沼气池产气率将下降到难以为继的程度， 严重的甚至报废，直接影响到沼气技术在农村的推广以及农村的环境问题，建立绿色生 态农业也将不可能实现【8 ，9 j 。可见，开发一种简单可靠的除渣除液工具对农村沼气池技术 的发展具有重大的现实意义。 1 2 国内外户用沼液泵研究现状 随着能源问题和环境问题的日益突出，沼气技术作为一项处理废弃物并能回收能源 的环境工程技术，在许多国家上受到了越来越多的关注。不论是沼气工程技术、相关扶 持政策还是沼气工程带来的经济、环境和能源效益等方面，一些欧洲国家走在了世界前 列1 1 0 l 。尤其像德国、英国、意大利、西班牙、法国等发达国家，在沼气技术的发展利用、 建造、运行管理等方面的整体水平已进入国际先进行列。沼气技术之所以在这些国家能 够繁荣发展，主要是政府部门的在财政、技术方面提供的大力支持以及农民从中获得的 利益。沼气技术的利用不仅解决了农民居住环境污染问题，还充分利用从废弃物获取新 的能源。沼气发电技术也受到广泛重视和积极推广，沼气发电并网在西欧如德国、丹麦、 奥地利、芬兰、法国、瑞典等一些国家的能源总量中所占的比例为1 0 左右，并一直在 持续增加，沼气技术的应用已经相当成熟。 对于沼气池建成后使用管理方面，每个沼气工程都配有运送沼渣、沼液的罐车。这 些发达国家的沼气工程装备已达到了设计标准化、产品系列化、生产工业化，质量得到 有效控制。工程装备的组装技术也达到模块化、规范化。对于沼气池除沼液沼渣的问题， 他们研究出沼液泵来解决除沼液沼渣难的问题，解决了沼气池除渣除液难的问题，消除 了沼气池使用者的后顾之忧。希望这些国家成功利用沼气技术的经验能为我国沼气工程 的发展方向提供参考和借鉴1 1 l l 。 3 户j h 沼液泵的研究与开发 从收集的文献资料来看，目前我国沼气池清渣除液的方法主要有下面三种方式： ( 1 ) 人工形式 前面所介绍的8m 3 的沼气池每次出液就有1 0 0 k g 左右；每年一次集中换料，起码要 出4 - 5m 3 ，这么多的沼渣沼液靠人工一桶一桶地舀出来，费时费力，还极不卫生。同 时，沼气是多种成分混合的可燃气体，其主要成分是甲烷，其次是二氧化碳。沼气池中 二氧化碳的含量是很高的( 平均含量达n 3 5 7 5 ) 。二氧化碳气体密度比空气大，密封的 沼气池建在地下，空气流通状况不良，虽有进、出料口或揭开活动盖，但如果不采用鼓 风的方法输入空气，二氧化碳无论如何都难于排净的。其次，沼气发酵过程中，由于某 些有机物质在微生物嫌气分解的条件下，也确实能产生一些有毒气体。因此，在沼气池 大换料的时候，农民还得下到出料口池底，这样就会存在一定的安全隐患，有时甚至危 及人们的生命。 ( 2 ) 抽吸式沼气池出料器 抽吸式沼气池出料器利用手压活塞式水压井的工作原理。抽吸式沼气池出料器对沼 气池及时除液除渣，保证换料及时，有利料液搅拌，提高产气率等起到很大作用。但是 该出料器在吸粪引料管( 装在池内) 方面存在一些问题。目前常用的引料管种类主要有： 混凝土管、铸铁管、硬塑料管、玻璃钢管等四种。根据各种沼气池池型的深浅不同，管 子长短不一，一般每根长1 7 m 左右，如果采用混凝土管，制作工艺技术水平要求较高， 还要布筋，否则容易断裂破损，同时较笨重，安装不方便，因管的内径较小( 一般8 1 0 c m ) ，内壁不好粉刷，有时密封性较差，给试压造成困难，造价也比较高，采用其他 三种，引料管较轻便、好安装、密封性能好，对于这种除液除渣的方式也是费时费力的、 不卫生的【1 2 】。 ( 3 ) 沼渣沼液车 沼渣沼液车不仅是进出料设备，同时还是沼渣沼液的转运设备，是实现沼气池除沼 液沼渣的一种最为方便快捷的方式。沼液沼渣车主要为城乡环卫部门抽吸和运送粪便及 其它污水，适用于抽吸粪便，污水、污泥浆和混有较小悬浮杂物的液体，适用于市政环 卫、大中小型工矿企业，小区、学校等。从某种意义上说，沼气服务车的出现，使得农 村沼气池的建设和有效运行成为可能。但问题是，一台沼气服务车价值6 - 7 万，但农 民的购买能力有限，一家一户购买一台明显不可能；并且农村户用沼气池分布范围太广， 农村基层组织经济能力有限，直接出钱购买困难。 目前，根据输送物质的种类，无堵塞泵叶轮的结构形式分为四大类：叶片式( 包括 开式和闭式) 、旋流式、流道式( 包括单流道和双流道) 和螺旋离心式四种。这几种无 堵塞叶轮特性的比较如下： ( 1 ) 开式、半开式叶轮 开式、半开式叶轮( 图1 1 ) 的特点是制造方便，并且当叶轮内造成堵塞时，可以 很容易的清理；但在长期运行中，在介质颗粒的磨蚀下会使叶片与压水室内侧壁的间隙 加大，间隙的加大会破坏叶片上的压差分布，不仅产生大量的旋涡损失，而且会使泵的 轴向力加大，使泵的效率下降。同时，由于间隙加大，叶轮中液体的流动状态的稳定性 4 硕- i ：羊何论文 遭到到破坏，使泵产生振动。从性能上讲，该型式叶轮效率低，最高效率约仅相当于普 通闭式叶轮的9 2 左右，扬程曲线比较平坦。该种型式叶轮不适合输送含大颗粒和长纤 维的介质。 ( 2 ) 闭式叶轮 该型式叶轮的特点是工作效率较高，且长期运行工况比较稳定。应用该型式的叶轮， 泵轴向力较小，且可以在前后盖板上设置副叶片。前盖板上的副叶片不仅可以减小叶轮 进口的旋涡损失，同时降低颗粒对密封环的磨损；后盖板上的副叶片不仅起平衡轴向力 的作用，而且可以防止悬浮性颗粒进入机械密封腔，从而对机械密封起保护作用。但该 型式叶轮无堵性差，易发生缠绕，不适于输送含大颗粒、长纤维等未经处理的污水介质。 图1 1 开式、半开式叶轮 图1 2 旋、流式叶轮 ( 3 ) 旋流式叶轮 采用旋流式叶轮( 图1 2 ) 的泵，由于叶轮部分或全部退缩在压水室后面的泵腔内， 所以无堵塞性能好，颗粒和长纤维介质的通过能力较强。颗粒在叶轮旋转时产生的循环 流的推动下运动，悬浮性颗粒本身不产生能量，只是在流道内和液体交换能量。在流动 过程中，大部分悬浮性颗粒或长纤维不与叶片接触直接从无液腔流出，叶片磨损的情况 较轻，不存在间隙因磨蚀而加大的情况以及在长期运行中不会造成效率严重下降的问 题。该型式叶轮的泵适合于抽送含有大颗粒和长纤维的介质。从性能上讲，虽然该型式 叶轮扬程曲线比较平坦，但是效率较低，仅相当于普通闭式叶轮的7 0 左右。 ( 4 ) 流道式叶轮 流道式叶轮分为单流道式( 图1 3 ) 和双流道式( 图1 4 ) ，该型式叶轮属于无叶片 式叶轮，流道是一个从叶轮进1 3 到出口的一个弯曲的通道，适宜于输送含有大颗粒和长 纤维的介质。从性能上讲，流道式叶轮效率和普通闭式叶轮相差不大，但泵扬程曲线较 为陡降，功率曲线比较平坦，不易产功率过载问题，但该型叶轮的汽蚀性能不如普通闭 式叶轮，适宜用在有压进口的泵上。 图1 3 单流道叶轮图 5 丹形0 钳渺 图1 4 双流道叶轮 户用沼液泵的研究与开发 ( 5 ) 螺旋离心式叶轮 螺旋离心式叶轮( 图1 5 ) 的叶片为扭曲的螺旋叶片，在锥形轮毂体上从吸入口沿 轴向延伸。这种类型的泵兼具有容积泵和离心泵的功能。悬浮性颗粒在叶轮中流动时， 不撞击泵内任何部位，故水力性能好，对输送介质的破坏性小。由于螺旋式推进作用， 悬浮颗粒的通过性强，所以采用该型式叶轮的泵适宜于输送含有大颗粒和长纤维的介 质，以及高浓度的介质，在对输送介质的破坏有严格要求的场合下具有明显的优势。从 性能上来讲，该泵具有陡降的扬程曲线，功率曲线较平坦。 图1 5 螺旋离心式 现将叶轮输送固液两相介质的性能对比如下： 无堵塞性能从高到低依次为：旋流式叶轮、单流道叶轮、双流道叶轮、螺旋式叶轮、 普通叶片式叶轮。 效率从高到低依次为：普通叶片式叶轮、螺旋式叶轮、双流道叶轮、单流道叶轮、 旋流式叶轮。 无损性能从高到低依次为：单流道叶轮、双流道叶轮、螺旋式叶轮、旋流式叶轮、 普通叶片式叶轮。 通过对比可以看出，双流道式叶轮具有流道宽、通过性好、抗堵塞和抗缠绕能力强、 效率高且高效区宽，功率曲线平坦、良好的平衡性和运行平稳性、耐磨损等优点。同时， 叶轮、压水室是无堵塞泵的两大核心部件，其性能的优劣，也就代表泵性能的优劣。无 堵塞泵的抗堵塞性能，效率的高低，以及汽蚀性能，抗磨蚀性能主要是由叶轮和压水室 两大部件来保证1 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 。所以本课题选取沼液泵叶轮形式为双流道叶轮。该泵能够适 用于农村沼气用户沼渣沼液的自吸和运输，也可用于污水、淤泥的吸排运输，具有低扬 程、小流量、无堵塞、耐腐蚀性等特点，这区别与传统设计的低扬程、大流量双流道污 水泵，并且要求适用于个体农民清除沼气池沼渣沼液的工作。可见本课题研发的户用沼 液泵量大面广，具有较高的科研意义和较高的推广价值。 1 3 主要研究工作 为推动农村沼气池技术的发展，解决户用沼气池出料难的问题，设计研发双流道式 户用沼液泵。本课题主要研究户用沼液泵过流部件的结构型式、水力设计、内部流场流 动规律以及泵性能特性等，具体包括以下内容： 1 依据我国农村户用沼气池的结构形式、容积，结合农村供电情况，设计研发户用 6 硕十学何论文 沼液泵，确定泵的结构及设计参数。 一、， 2 依据沼渣沼液的物理特点，查阅大量关于固液两相流理论、无堵塞泵过流部件 结构型式和水力设计等方面的资料，选择沼液泵过流部件的结构型式，并对过流部件进 行水力设计。 3 在叶轮水力设计过程中，讨论不同形式阿基米德螺旋线曲率变化对双流道叶轮流 道的影响。 4 利用p r o e n g i n e c r 三维造型软件对叶轮、压水室等过流部件进行实体造型，并在 该软件环境下对过流部件进行组装、干涉检查。然后，利用i c e m c f d 软件对全流场划 分网格。 5 采用f l u e n t 软件，选用k s 模型，利用s i m p l e 算法，对沼液泵在输送清水、 固液两相等两种不同介质时在o 5 q 、o 8 q 、1 0 q1 2 q 、1 5 q 等不同工况下进行全流 场数值模拟计算，对模拟结果进行处理分析，绘制沼液泵特性曲线图；对沼液泵在不同 介质下的工作特性进行对比分析。 6 对沼液泵在输送相同颗粒直径不同固相体积浓度和相同固相体积浓度不同固体 颗粒直径两种情况下进行数值模拟计算，总结沼液泵随固体颗粒直径、体积浓度变化时 泵性能的变化规律。 7 户用沼液泵的研究与开发 第二章固液两相流动理论 随着沼气工程的迅猛发展，沼气发酵后的残余物资源也越来越丰富。经过沼气发酵 后的有机残渣和废液统称为沼气