武汉大学 周英豪 封闭条件下样装置t型取样器的设计

文章编号封闭条件下取样装置T型取样器的设计周英豪，李永明，张育爱，赵宇翔，陈稳稳（武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉430072）摘要采集样品的代表性和客观性直接影响监测分析结果的可靠性。常规水处理的取样是在敞开的环境下进行，此情况下，一般地取样装置和方法都可以达到理想的效果，最常用的就是取样瓶。然而对于一些人体不能近距离接触的场合，例如高温、高压、剧毒、腐蚀性、放射性等流体，取样工艺环节中遇到了很大困难。本伦论文拟设计一套封闭条件下无需人体近距离接触的取样装置T型取样器，用于上述危险性环境的取样，并用所设计的装置通过定量实验的方式研究和探讨在特殊工艺条件下的最佳取样方法。关键词取样；方法；T型取样器；装置设计DESIGNOFWATERSAMPLER，THETSHAPESAMPLER，INSEALEDCONDITIONZHOUYINGHAO,LIYONGMING,ZHANGYUAI,ZHAOYIXIANG,CHENWENWEN（CIVILENGENEERINGSCHOOL，WUHANUNIVERSITY,WUHAN,CHINA；430072）ABSTRACTTHEREPRESENTATIVEANDTHEOBJECTIVEOFASAMPLEDIRECTLYAFFECTTHERELIABILITYOFTHEMONITORINGRESULTSCONVENTIONALWATERTREATMENTOFSAMPLINGISINTHEOPENENVIRONMENT,INTHECASE，NORMALSAMPLERSANDMETHODSCANACHIEVEIDEALRESULTS,THEMOSTCOMMONDEVICEISTHESAMPLINGBOTTLEHOWEVER,THEREARESOMEBODYFORBIDDENSITUATIONS,SUCHASHIGHTEMPERATURE,HIGHPRESSURE,POISONOUS,CORROSIVEANDRADIOACTIVESAMPLINGPROCESS,WHICHENCOUNTERMANYDIFFICULTIESINWATERSAMPLINGTHISRESEARCHPROJECTTODESIGNASAMPLERTHETSHAPESAMPLER,THATCANACQUIREWATERSAMPLEWITHOUTMANPOWERINTHEFOREGOINGDANGEROUSCIRCUMSTANCESFURTHER,USINGDESIGNEDDEVICETORESEARCHANDDISCUSSABOUTTHEOPTIMALMETHODOFSAMPLINGONTHEFOREGOINGSPECIALPROCESSCONDITIONSBYQUANTITATIVEEXPERIMENTKEYWORDSSAMPLINGMETHODTSHAPESAMPLERDEVICEDESIGN1引言水样采集是国际标准涉足的一个重要领域。众所周知，采集样品的代表性和客观性直接影响监测分析结果的可靠性，因此我们必须提高取样的代表性。新的水处理工艺层出不穷，而其处理效果的评估离不开取样分析。样本是取样分析的基础，样本的典型性是取样合理性的关键问题，取样的合理性又取决于样点时空布置的合理性。当然样点布置、取样频度以及样本数据分析方法均会直接关系到取样及样本分析的成败。标准状况和接近标准状况的液体的样本的采集，常规的取样管取样就可以达到目的，既省时方便，又有一定的可靠性。但对锅炉水取样，由于锅炉内部温度高、压力大，一般地取样方法不易操作；对日益发展的核工业，同样需要取样观测，但核工业水的强辐射性，不允许人体近距离接触，得采用非一般的方法；还有一些剧毒或有强腐蚀性的工业，同样不允许人体直接接触，一般方法不易达到目的。能不能研究并完善一套在密闭系统下，用于人体不易近距离接触的危险性环境（例如高温、高压、剧毒、剧腐蚀、放射性等流体）的取样方法和装置来解决这一问题。该课题希望通过我们的努力研究与探讨，找到一个满意的答案。这就是写这篇论文的目的和动力所在，也是这篇论文要着力研究和探讨的问题。我们所使用的是控制变量的定量研究方法，即通过控制取样器的各个工作条件，得出取样器的最佳工作状态。本文首先论述了取样方法与取样装置的研究现状，然后提出我们所设计的取样器，其中包括取样器的工作原理，取样器的几何结构设计，对取样器进行的实验设计及数据处理方法三部分，最后对所设计的取样器进行总结。2取样装置与方法的研究现状综合近几年国内外的发展，采样还没有完全系统的方法，只是在江河湖海的取样上发展比较成熟，有了一些系统的方法，通常有“平均混合水样”，“平均比例混合水样”或“排放高峰水样”等方法的运用。但在工业上，还没有比较完善的方法，而且在最佳取样方法上尚没有权威结论。值得一提的是，在一些人体不能直接近距离接触的场合，例如高温、高压、剧毒沉淀工艺剧腐蚀、放射性等流体的取样工艺环节还有很大发展空间。由于取样地点的特殊性，工作人员取样时往往需要一些防护措施，有时还要对待取样本做些预处理，这样一来样本的代表性便大打折扣。对于取样装置来说，目前最常用的就是取样瓶，或者大同小异的取样器皿，这些装置都需要人体去直接操作才可完成取样，而对于上文提到的特殊环境，这种简单的取样装置取样的效果显然是不佳的。因此，对于取样器的研究与设计也有待发展。3T型取样器的设计31T型取样器工作原理T型取样器的工作原理主要是利用文丘里效应来抽取液料箱内的液体。取样的时候，储藏罐内的装置保持在原工作状态即可，这样使得待取液体样本始终停留在原来的状态，就能够保证样本的典型性，进而能够更高效地评价样本。文丘理效应原理如下装置输送水样可分为两个过程，即压冲阶段和反吸阶段。冲压阶段时，泵首先将液体抬升至较高处，压冲时T型管由进水口入流，经过取样管出流，液体流回液料箱内，由于T型取样器下端的取样管淹没在液体当中，液体输送出去时，产生文丘里管效应，把取样瓶中的空气带出取样瓶，此时瓶子里逐渐产生真空，此过程如下图311所示。图311冲压阶段FIG311THEPUSHINGPROCESS反吸阶段时，液体回流，再次经过取样管如流，在进水口出流回到液料箱内，此时液体流动的速度相比冲压阶段输送时液体流动的速度较慢，取样瓶因存在真空，就会把T型管中的液体吸入至取样瓶中，完成取样，此过程如右图312所示。当一定的液体流入瓶子，真空被破坏，这时系统会进入下一次取样循环。图312反吸阶段FIG312THESUCKINGPROCESS32T型取样器几何设计根据31节知道，要取得液体样品必须产生所需要的真空。我们设计的T型取样器装置正是根据31节的原理，此装置是通过T型管1中流体高速流动时，产生文丘里效应，将取样管3中的气体带走，从而在取样管3中产生了真空，从而在反吸过程中通过取样管3把液体吸入与取样管连接取样瓶中，从而得到我们所需要的样液。而装置中的连接管2起连接T型管1和取样管3的作用。具体装置图见图321。图321T型取样装置图FIG321DESIGNOFTHETSHAPESAMPLER在结构参数的设计方面，我们为了最大可能的利用最少的实验材料做最多的实验，我们将T型管1与连接管2，连接管2与取样管3之间用螺纹连接，这样我们在做实验的时候通过调节螺纹就可以控制取样管和连接管伸入的长度，从而探究这些结构参数与取样量和取样时间的关系，得到最优的结构参数。下面详细的介绍T型管1、连接管2，、和取样管3各个尺寸参数设计的理论依据，下文未提的尺寸参数都是配合实验室已有的实验装置而设计。T型管1的尺寸设计如图322，为了保持良好的水力状态，T型口取半径为10MM的圆弧，而内壁的表面粗糙度取16。图322T型管的设计FIG322DESIGNOFTHETSHAPEPIPE连接管2的尺寸设计如图323，由于连接管是起连接T型管1和取样管3的作用，同时连接管深入T型管的长度也会对液体的水流状态产生影响，从而最终影响实验结果，故设置结构参数L1，具体参见321T型取样装置图。图323连接管的设计FIG323DESIGNOFTHECONNECTPIPE取样管3的尺寸设计如图324，取样管深入T型管的长度会影响液体过流的面积，影响到流速，也会对液体的水流状态产生影响，从而最终影响实验结果，故设置结构参数为L2，具体参见321T型取样装置图。取样管的管径会影响样液进入取样瓶的速度，这里设计一个因素三水平的实验，同时收缩长度会影响液体的水力条件，而根据王海军的文丘里射流装置的结构和工作原理一文，收缩角度最优值为1215，这里设计取15，根据取样管的壁厚我们可以算出来收缩长度，具体数据参见图324。图324取样管的设计FIG324DESIGNOFTHESIMPLEPIPE33T型取样器实验过程及其数据处理实验装置图如下图331T型取样实验装置图FIG321DESIGNOFTHETSHAPESAMPLER注各参数实际意义P输水压强P1取样器进水口处压强P2取样器出水口处压强Q计量泵输水流量Q0进水口电磁流量计读数L1取样管口距输水管内径上沿的距离L2连接管下沿距输水管内径上沿的距离T取满取样瓶所用的时间另如果有条件，可以测量取样管处压强P3实验组（一）输水压强P对取样的影响试验条件L1125，L25，Q1000，即取样管深入进水管居中位置，连接管上端与T型管上端平齐，输水流量为额定流量。定额值压强P分别取为000、005、010、015、020、030、035、040、045、050（MPA）。控制方法取样管螺纹露出连接管375，连接管上沿与与T型管上端平齐，计量泵控制为额定流量。数据记录分别测出个定额流量下对应压强P下的进水口电磁流量计读数Q0（L/H）、取样器进水口处压强P1、取样器出水口处压强P2、用时T（S）、以及测量取样管处压强P3（PA）。数据处理根据上面测出的试验数据，在试验用标准坐标纸上点绘出来，然后把各点用光滑曲线连接，在曲线上找到P3峰值及T的谷值时的PM值。实验结果通过这个实验，我们就可以得到一个取样时的最佳过水压强，通常，在此尺寸之下，我们原理上采用此值作为取样是压强的控制值QM，但考虑实际工况，可以采用此值附近范围的P值作为取样控制值。实验组（二）送水流量Q对取样的影响试验条件L1125，L25，PPM，即取样管深入进水管居中位置，连接管上端与T型管上端平齐，输水压强为最适宜压强。取计量泵输水量Q分别取为800、850、900、950、1000（L/H）控制方法取样管螺纹露出连接管375，连接管上沿与与T型管上端平齐，泄压阀调节为PM（即实验一中所得到的PM值）。数据记录分别测出个定额流量下对应计量泵输水量Q的进水口电磁流量计读数Q、用时T（S）、以及测量取样管处压强P3（PA）。数据处理根据上面测出的试验数据，在试验用标准坐标纸上点绘出来，然后把各点用光滑曲线连接，在曲线上找到P3峰值及T的谷值时对应的QM值。实验结果通过这个实验，得到一个取样时的最佳流量Q0，在此尺寸之下，原理上采用此值作为取样是流量的控制值QM，但考虑实际工况，可以采用此值附近范围的Q值作为取样控制值。实验组（三）L1对取样的影响实验条件L25，PPM，QQM，即取样管深入进水管居中位置，输水压强为最适宜压强，输水流量为最适宜流量。取因变量为L1分别为00、50、100、125、150、200、250、300、350、400、450（MM）。控制方法连接管上沿与与T型管上端平齐，计量泵调节为QM，泄压阀调节为PM，取样管螺纹露出连接管45L1。数据记录分别记录在不同取样管口距输水管内径上沿的距离L1条件下所测出的用时T（S）、以及测量取样管处压强P3（PA）。数据处理根据上面测出的试验数据，在试验用标准坐标纸上点绘出来，然后把各点用光滑曲线连接，在曲线上找到P3峰值及T的谷值时的相应L1M值。实验结果通过这个实验，得到一个取样时的最佳取样管口距输水管内径上沿的距离。通常，在此尺寸之下，原理上采用此值作为取样时取样管口距输水管内径上沿的距离的控制值L1M，但考虑实际工况，可以采用此值附近范围的L1值作为取样控制值。试验组（四）L2对取样的影响实验条件L1L1X，PPM，QQM，即取样管深入进水管居中位置，输水压强为最适宜压强，输水流量为最适宜流量。取因变量为L2分别为125、100、/50、00、50、100、125、150、200、250、300（MM）。控制方法计量泵调节为QM，泄压阀调节为PM，取样管螺纹露出连接管50L1XL2，连接管露出T型管L25数据记录分别记录在不同连接管下沿距输水管内径上沿的距离L2条件下所测出的用时T（S）、以及测量取样管处压强P3（PA）。数据处理根据上面测出的试验数据，在试验用标准坐标纸上点绘出来，然后把各点用光滑曲线连接，在曲线上找到P3峰值及T的谷值时的相应L2M值。实验结果通过这个实验，得到一个取样时的最佳接管下沿距输水管内径上沿的距离。通常，在此尺寸之下，原理上采用此值作为取样时连接管下沿距输水管内径上沿的距离的控制值L2M，但考虑实际工况，可以采用此值附近范围的L2值作为取样控制值。实验结果分析文章开始就提出，T型取样器主要作为高温与危险环境中密闭条件下的取样设备，其基本要求是密闭，不泄漏。这样，就要求我们需要对取样器的取样情况有一个清晰，精确的把握，当然，这些都是需要通过对T型取样器取样工况影响比较显著的输水压强、取样器进水口处压强、取样器出水口处压强、计量泵输水流量、进水口电磁流量计读数、取样管口距输水管内径上沿的距离、连接管下沿距输水管内径上沿的距离、取满取样瓶所用的时间等参数取一个最佳值来达到以上实验的目的，就是通过实验，逐步确定出以上各项相应的最佳值，从而求出T型取样器的最小工况和相关部件的最佳尺寸，这样，我们就可以根据相应的工况条件如输水压强、输水流量、进水处流速即管道直径等设计出相应的取样器，当然，也可以按照实验所得数据，进行一定的相似放大或缩小来设计出不同配合尺寸的取样器，以供不同工况条件的工业企业选择使用。在上面的实验中，第一个使实验我们使用单变量法求出最佳压强值PM，第二个实验在第一个实验的基础上加上压强PM作为边界条件，从而又确定出最佳流量值QM，第三个实验在第二个基础上加上流量QM作为其边界条件，得到相应条件下的最佳L1M，第四个又在第三个基础上加上L1M作为边界条件，得到最佳的L2M。这样，整个实验中我们都严格按照单变量法进行实验，实验所测出参数及实验导出最佳数据的系统误差及随机误差就可以有效地控制在一个可以接受的最小范围之内，从而使我们整个实验得到的结果具有比较好的真实性和可信度，以此设计出的T型取样器也就可以在相应工况下取得取样的最佳效果，从而使取样更加接近实际样液，得到的数据也更加可信和真实。4结论经过几十年对高温高压条件下取样器的研究，在国外特别是英美等国在该领域的技术已相当成熟，并且其应用领域也从最初的核工业逐步推广到如化工、食品、卫生等领域。国内在该领域的研究从20世纪90年代末才展开，目前虽然已获得一些进展，但总体来说还处于前期探索阶段，大量的工作还有待继续。今后的研究方向将是在理论研究的基础上进行计算机仿真并辅以一定规模的工业实验验证（即小试或中试），进而逐步推广到大工业规模的应用。可以预见，随着核工业迅速发展，对免维修取样技术需求加大，T型取样器技术必将获得更好地发展与应用前景。T型取样器有以下几个优点一是利用样液本身的运动将取样瓶中的部分空气在夹气作用下抽出，从而实现瓶内的真空状态，这样的过程没有机械摩擦，从而也就实现了免维修的第一步；二是取样过程中前面一部分用于实现真空状态的样液将通过联通管道回到母液池内，从而可以节约了宝贵的资源，同时也有显著的经济效益；三是对环境的污染降为零，具有良好的社会效益。四是由于全程没有机械运动部件的摩擦作用，从而就免除了机械磨损，达到免维修的过程，这样就可以将T型取样器用于高温高压等危险的环境当中。输送危险液体时，因为液体的特殊性，需要对液体进行取样监控。五是一般的取样方式是把取样器插入储藏罐，取一条基线在不同深度进行取样。这种方法取样时，必须把泵关闭，否则会造成危险液体泄漏，取样不方便，而且造价高、危险性高。此外，因为关闭了泵，液体在不同深度组成不一，或在不同的部位组成不同，样本不具有典型性。采用T型取样器的取样及输送过程是同时进行的，这使得样本始终保持均匀，且保证样本的典型性和高效评价样本。由于只需替换取样瓶就可完成取样，方便，简单，快捷，效果好，且减少了危险液体泄漏的危险，工作人员健康安全得到保障，相应成本也降低。该装置在原始设计中存在一些不确定因素，但经过进一步的理论计算和仿真模拟以及多次优化，也取得了很大的进展，而接下来需要做的是进行进一步的实验，以验证各项参数的相关关系，从而可以通过拟合和优化取得一系列最优设计参数，根据各种实际情况设计出符合