液下螺旋离心沼液沼渣泵关键技术研究

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液下螺旋离心沼液沼渣泵关键技术研究

摘要：综合利用好沼气池不仅可以节约能源、改善和保护环境，还有节约化肥和农药、提高农作物的产量和质量、促进和带动饲养业的发展等诸多好处。可是在沼气池建成后的使用过程中，沼渣沼液中由于含有少量沼气而导致沼渣沼液难以清除，这会使沼气池的产气量减少，严重时甚至会影响沼气池的正常使用，出现沼气池过早废弃的现象。由此可见，有效及时的清除沼液沼渣成为保证沼气池连续正常使用的关键。为了解决沼气池中沼渣沼液不易清除的问题，设计了液下螺旋离心沼液沼渣泵。螺旋离心泵是一种具有特殊结构的固液两相流泵，这类泵兼具容积泵与离心泵的功能。螺旋离心泵是具有良好的无堵塞、无缠绕性能的杂质泵。

关键词：沼气池；螺旋离心泵；无堵塞；杂质泵

一、课题研究的现状

1、建设沼气池的意义

    随着我国经济的发展、社会的进步，城市居民生活得到进一步的提高，但农村居民生活仍存在很多问题。为全面建设小康社会，社会主义新农村建设显得十分必要。这就要求发展农村生态农业生产方式，改善农村环境，增加农民收入的宏伟目标。其中综合利用沼气池就是改变农村环境的一个重要途径。建设一个沼气池可以使用20年左右，综合利用好沼气池不仅可以节约能源、改善和保护环境，还有节约化肥和农药、提高农作物的产量和质量、促进和带动饲养业的发展等诸多好处。

      能源作为国民经济的基础，对于社会、经济发展和提高人民生活水平极为重要，这已经是一个不争的事实。而能源资源短缺问题决定了可再生能源对中国农村更具特殊意义。随着农村经济的发展，农民生活水平不断地发生着变化，各种生活需求也在不断提高，广大农民迫切需求改变传统的能源利用方式，使用优质燃料。但是我国资源短缺的国情决定了农村地区的能源商品化无论从资源、资金、运输还是环境方面都是无法承受的。尽管煤炭、电力等商品能源在农村的使用迅速增加，但沼气做为一种廉价的能源显然更符合广大农民的需求。沼气最大的一个被农民欢迎的好处是一次投资花钱不多，并且可以长期使用，这一点正好符合农村用秸秆、薪柴做饭取暖不用花钱的习惯。 开展农村沼气建设，将人畜粪便通过厌氧发酵生产沼气，替代煤炭、薪柴和秸秆，既可以解决农村地区的能源短缺问题，也可以满足广大农民对使用优质、清洁能源的需求，极大地减轻了农村妇女的劳动强度。沼气在使用方法上避免了使用秸秆的烟熏火燎和做饭的费时费力等弊端，改善了厨房卫生，节约了做饭时间，而且可以使生产生活垃圾实现资源化利用，清洁了环境，可节省农家柴草在运输、储存等过程中的劳动力消耗，使用沼气节约出来的时间可以用来干更多更有意义的事。

2、课题研究的目的和意义及研究现状

    液下螺旋离心沼液沼渣泵的设计，可以有效地解决沼气池中沼渣沼液不易清除的问题。避免了由于沼渣沼液难以清除，导致沼气池的产气量减少，效率降低，同时也有效地保证了沼气池的连续的、正常的使用。具有良好的无堵塞性能的螺旋离心泵解决了沼渣和沼液不能及时排除的这一难题，避免了沼气池的过早废弃。

沼气工程建设其本身就是一项科技含量比较高的项目，又因其效益显著，能提高农民学科学、用科学的积极性，使他们把精力投入到将实用技术转化为现实生产力的行动中去，增加了农业的科技含量，提高了农民的科技水平，从而能促进农民素质全面提高。

     在农村推广沼气池建设，能解决农民生活所需能源，减少环境污染，提高农民生活质量，还可为农业生产提供有机肥料，推动种植业、畜牧业的发展，促进农业增效、农民增收，是建设资源节约型、环境友好型农业的重要途径。

二、螺旋离心泵的优良性能

与一般的普通杂质泵相比，螺旋离心泵具有以下优点：

1、无堵塞性能好。

从叶轮吸入口到螺旋离心泵出口，所有过流截面的面积均不小于泵吸入口面积，截面无剧变。

2、无损性能好。

固、液两相介质在流道中受均衡的螺旋力作用逐渐向前推进,流动方向无突然变化,因而流动平衡,对输送物料的破坏性小于其它型式的杂质泵。

3、效率高，且高效区宽广。

4、功率曲线平坦。

从性能上来讲，该泵具有陡降的扬程曲线，功率曲线随流量变化不大，功率曲线较平坦，一般无过载问题。

5、泵的吸入性能好。

适宜于输送含有大颗粒和长纤维的介质，以及高浓度、高粘度和含气介质，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。

6、具有优良的抗汽蚀性能。

在其它参数相同的条件下,螺旋式离心泵的汽蚀性能最好,即NPSHr最小.提高了泵的汽蚀性能。

7、磨蚀小，过流部件寿命长。

由于泵内流速低，流速大小与方向的变化趋缓，减小了汽蚀和磨损。因此螺旋式离心泵的使用寿命比其它叶片泵提高几倍。

8、理想的噪声特性。

三、螺旋式离心泵研究方法

总体上，采取数值模拟试验和理论研究相结合的研究方法。

根据沼气池的具体结构形式、容积，结合实际供电情况，确定泵的具体结构及设计参数。根据沼渣沼液的物理化学特性，查阅大量相关资料，对过流部件进行水力设计。利用 Pro/Engineer 三维造型软件对叶轮、压水室等过流部件进行实体造型，然后利用 ICEM-CFD 软件对全流场划分网格。

目前，杂质泵水力设计方法可以归为四类：经验统计速度系数法、速度比设计法、两相畸变速度设计法、两相流流场分析设计法。

1、 经验统计速度系数法

该方法是通过整合国内外大量的实践以及积累的资料，以清水泵的公式为基础，以大量的试验数据和国内外资料为依据而导出的设计方法，公式中引入一些系数来反映桨体的影响。这种方法在理论上还不是很完善，但是实用性很强，在实际设计中应用比较广泛。

2、速度比设计法

对离心泵中的固液两相流应用分离流动模型 ，认为在流遭的不同部位，由于固体颗粒受力不同，固液之间的速度比发生变化，使两相流体的浓度比也随之变化。

3、两相畸变速度设计法

蔡保元教授提出杂质泵的两相流理论和设计方法，被公认为国际杂质泵设计理论上的一大突破。根据两相流设计方法制造两相流泵。他把固体作为水流运动的边界条件，由于固体的影响，使水流的速度场发生某种畸变，根据两相流水流的畸变速度场来设计泵的叶型和流道。

4、两相流流场分析设计法

两相流流场分析设计法主要依靠对泵流道中两栩流的流场的正确分析。这种分析有两种方法，一是利用流动的可视化进行高速摄影，寻找颗粒运动的轨迹，检查与验证设计计算结果，为计算提供某些边界条件，二是利用计算机，对流动轨迹进行计算。

四、设计的核心问题及拟解决的关键性问题

    螺旋式离心泵核心部件是叶轮，和普通离心泵一样,螺旋式离心泵的设计关键也在于叶轮,而叶轮设计的关键在于确定叶轮结构参数与螺旋离心泵性能参数之间的定量关系,这种定量关系的建立需要理论方法与实际经验相结合。

螺旋离心泵叶轮,在轴面图上其前半部分呈螺旋式,后半部分为离心式。前半部分螺旋叶轮外形,一般由圆锥台面、曲面圆台面或者圆柱面构成.叶轮叶片型线为空间曲线,是由动点在圆锥台面上或者曲面圆台面上作螺旋运动.即一方面绕固定轴线等速或者非等速的圆周运动,另一方面又同时沿着母线方向作等速或者非等速直线运动所形成的运动轨迹。螺旋离心泵的主要结构是螺旋离心叶轮,进口部分为螺旋叶片,出口部分为近似混流式叶片.叶轮旋转时,像螺杆一样,产生螺旋推进作用,使混合物沿轴线推进,蜗壳部分的叶轮像一般离心泵那样产生离心作用,把杂物甩出。

拟解决的关键性问题是沼液强制回流搅拌系统的研究。

五、总结与展望

    本次专为沼气池设计的液下螺旋离心沼液沼渣泵，可以有效地解决沼液沼渣清除困难的问题，避免了沼气池的过早废弃。该泵的无堵塞及吸入性能良好，适宜于输送含有大颗粒和长纤维的介质，以及高浓度、高粘度和含气介质，保证了沼气池的连续的、正常的使用。因而具有较高的实用和推广价值。

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学院：能源与动力工程学院

专业：流体机械及工程

姓名：孙雨

学号：122080704019