（市政工程专业论文）竖直输送系统中节能曝气泵的实验研究.pdf

摘要 摘要 随着人们越来越认识到环境的重要性，作为环境保护手段之一的污水厂的建设 快速的被列入到我们的发展规划当中。丽目前在污水厂的建设和运行实践当中，普 遍存在着曝气设备建设复杂，运行、维护费用高的缺点。某些曝气设备虽然操作运 行简单，但动力效率低耗能巨大；而一些动力效率较高的设备，有些需特殊加工技 术，且设备复杂，容易出现故障。这一现象直接制约了污水厂的发展。 论文对水泵输送液体的同时进行了液体充氧曝气的实验研究。实验利用水泵吸 水口处于负压可产生自动抽吸的现象，在水泵输送液体的同时又向其中曝气，实现 了水泵输送液体和曝气的一机多能形式。在输送液体过程中，由于水泵输送介质密 度的变化，电动机一一水泵系统的高效段产生漂移，为适应这一变化，这时调节电 动机的输入电压，从而使电动机一一水泵系统工况连续变化，以使其在较高效率范 围内工作。 实验结果显示，水泵在较小的进气量下，其气水比小于l ：2 4 时，工作较为币 常，出水量随着进气量的增大和电压的降低逐渐减小；当其气水比大于l ：1 6 时， 水泵出水量减小非常快，而且泵壳内会出现嘈杂的声音，当气水比更大的时候，压 力表、真空表和流量随时会出现突然变化的现象，导致水泵断流。但是整个实验 中，未观察到叶轮有气蚀痕迹。 实验大量采集了电动机的输入电压、功率、水泵的流量、扬程等特性参数，利 用o r i g i n 6 1 软件对这些数掘进行处理分析。依据拟合函数曲线得出电动机一一水泵 系统在不同电压、不同进气量下的特性曲线的变化趋势，对系统在高效段内进行分 析比较，得出：当电压在3 0 5 v 3 8 0 v 之间变化时，动力效率可维持在l k 9 0 2 k w h 2 9 5k 9 0 2 k w h 之间。与其它一些曝气设备相比，泵附加曝气装具有很 大的优势。 此系统设备简单，运行可靠，应用在水处理行业中，则可以减小大量人力、物 力的投资。且此系统对周围环境没有污染，可以实现整个系统的自动化。这为设备 的进一步走向生产提供了现实依据。 图2 0 表2 4 参4 6 关键词：离心泵；曝气；调节电压；高效段；动力效率 分类号：t u 9 9 2 3 河北理1 人学硕七学付论文 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e ，p e o p l ek n o wt h ei m p o r t a n c eo f t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，v a s t s c a l ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti st h ef a s te s t a b l i s h e di no n rd e v e l o p m e n tp l a n n i n g a m o n gt h o s e ，t h ed e v i c ew i t hl o we pm ne a s i l yb u tt h ee n e r g yc o n s u n l ei sh i g h , b u tf o r t h ed e v i c ew i t hh i g h e ，。，m a n ya c c e s s o r ys h o u l db em a c h i n e de s p e c i a l l y ，t h ed e v i c ei s c o m p l e x ，a n dm e e tm a l f u n c t i o ne a s i l y a l li na l l ，a l it h ed e v i c eh a si t so w na d v a n t a g e s 1 1 1 ee x p e r i m e n tm a k i n gu s eo ft h en e g a t i v ep r e s s u r ea tt h ep u m pw a t e ri n l e tc a n t r a n s f e rl i q u i d ，a tt h es a l n et i m e ，w h i c hc a na e r a t et ot h el i q u i dw h i c ht r a n s f e r r i n g ，w h i c h r e a l i z e dt h em u l t i f u n c t i o nw i t ho n ed e v i c e w h e nt h ep u m pi sw o r k i n g , n e g a t i v ep r e s s u r e i se x i s t i n ga tt h ew a t e ri n t a k e ，w h i c hc a ni n t a k ea i rf o r mt h ew a t e ri n t a k e , h e r e , t h ed e n s i t y o ft h eg a s - l i q u i dt w op h a s ef l o wi ss m a l lt h ed e n s i t yo ft h el i q u i d t oc o n t r o lt h ei n p u t v o l t a g et om a k et h ep u m p - m o t o rs y s t e mt ow o r ki nt h eh i g h l ya c t i v er a n g e s oi tc a nm a k e t h eo p e r a t i n gm o d eo ft h ep u m p m o t o rs y s t e mg r a d u a l l yc h a n g e t ow o r ki nt h eh i g h l y a c t i v er a n g e s h o wb yt h et e s t i n gr e s u l t , w h e nt h ea i ri n p u ti sl i t t l e ，g a sw a t e rr a t i oi sl e s st h a n1 ：2 4 ， t h ep u m pw o r k i n gn o r m a l l y ，t h eo u t p u tw i l ld e c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h ea u g m e n to f t h ea i r i n p u ta n dt h er e d u c t i o no f t h ev o l t a g e ；w h e ng a sw a t e rr a t i oi sg r e a t e rt h a nl ：1 6 t h eo u t p u t m i n i s hq u i c k l ya n dn o i s yi nt h ep u m pb o d y ，w h e ng a sw a t e rr a t i oi sm o r e ，t h em a n o m e t e r , v a c u u mm e t e ra n do u t p u tw i l lc h a n g es u d d e n l y b u td u r i n gt h ew h o l ee x p e r i m e n t a t i o n , t h e r ei sn ot h ec a s eo f c a v i t a t i o ne r o s i o n a i i o u n to f d a t ao f t h ee x p e r i m e n ta b o u ti n p u tv o l t a g e ，o u t p u t ，a n dd e l i v e r yl i f tn a t u r a l p a r a m e t e ri sc o l l e c t e d ，a n da n a l y s i sb yo r i g i n 6 1 a c c o r d i n gt of l t t i n gc u r v e ，w ec a nd r a w t h ec h a n g et e n d e n c ya b o u tt h ep u m p - m o t o rs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tv o l t a g e a n dd i f f e r e n ta i ri n p u t a n dd oe c o n o m i ca n a l y s i sa n dc o m p a r ea tt h er a n g eo f h i g h l ya c t i v e , w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a t ：w h e nt h ev o l t a g ei sb e t w e e nt h e3 0 5 va n d3 8 0 v ，t h e d y n a m i ce f f i c i e n c yc a l lb eb e t w e e nl k 9 0 2 k w ha n d2 9 5 k 9 0 2 k w h i fc o m p a r e d 、i t l i o t h e ra e r a t i o ne q u i p m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t yh a sg r e a td o m i n a n c e t h ed e v i c ei s s i m p l e n e s s ，o p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y ，i fi tw a su s e dt ow a s t e w a t e r t r e a t m e n t , i tc a nr e d u c ea m o u n to fi n v e s t m e n ta b o u tm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s t h e d e v i c ei sn o td oh a r mt ot h es u r r o u n d i n g s ，c a nb ea u t o m a t i z a t i o n , a n dp r o v i d et h e o r yf o ra n e wt y p eo f a u t o m a t i z a t i o ne n v i r o n m e n t a la e r a t i o nd e v i c e f i g u r e2 0 ，t a b l e2 4 ，r e f e r e n c e4 6 k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ，a e r a t i o n ，r e g u l a t i o nv o l m g e ，h i g h l ya c t i v er a n g e ，d y n a m i c e f f i c e n c y c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t u 9 9 2 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：丝j 塑日期：之互降兰月么妇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 引言 引言 随着经济的快速发展，人口的不断增加，全球性的环境污染越来越成为制约人 类进步，甚至于威胁我们子孙后代的严重问题。为了既满足当代人的需要，又不损 害后代人满足需求能力的发展，人们于二十世纪八十年代提出了可持续发展战略， 这为解决日益困扰我们的环境问题提供了出路。而污水处理技术的不断发展和工程 应用是实现可持续发展战略的重要组成部分之一。但是，在现今污水处理厂的运行 过程中，曝气系统所耗费用过高，直接制约了污水厂的处理能力【l 2 1 。所以，节能曝 气是污水处理行业中的一大技术问题，泵附加曝气装置的实验研究就是在这样的背 景下产生的。本实验研究就是为了降低曝气在污水处理厂中的能耗过高问题。 曝气的主要作用有二：一是充氧，即将空气中的氧( 或纯氧) 转移到液体中以 供活性污泥絮体上或生物膜上的微生物呼吸之需：二是搅拌、混合，即使曝气池内 的混合液处于剧烈的混合状态之中，使活性污泥、溶解氧、污水中的有机物三者充 分接触，同时也起到防止活性污泥在曝气池中沉淀的作用。当前，国内外主要应用 的曝气方式有三种：( 1 ) 鼓风曝气式；( 2 ) 横、纵轴表面曝气式；( 3 ) 并用式。 这些曝气方式已经应用多年，技术成熟，且各有特点1 3 】。但它们都有一共同的缺 点，即建造、维护费用较高，耗能较大。所以，研究一种新型的高效率、低能耗的 曝气设备具有广泛的市场和应用前景。 本实验就是为了适应目前这种节能曝气的研究趋势。它采用了一种新型的设计 理念，即把液体输送和充氧曝气的过程合二为一。这样，既改变了传统意义上水泵 在水处理领域的单一输送液体的工作情况，又实现了水泵集曝气与输送液体的一机 多能形式，尤其针对曝气后二相流密度的改变对水泵工况的影响采用了调节电压的 方法来控制水泵的工作状况，对今后降低能耗、提高水泵曝气、输送液体的能力和 提高整个过程自动化程度提供了一个新的尝试。 实验研究的重要意义： 1 水泵输送液体的过程已经有过大量的研究，但是，利用水泵吸入气、液混 合物，在水泵内部叶轮的强大压力作用下同时进行曝气的研究还很少，有 必要进行实验及理论研究。 2 该项目是利用一机多能的技术理念发展起来，它克服了现有技术中的一些 缺点，而提出了一种叶轮式曝气的新方法。其优点有：( 1 ) 提高了污水处 理中单位能耗的曝气能力和效果；( 2 ) 这种新型曝气设备的建筑面积要远 河北理工大学硕十学位论文 小于传统曝气装置的建筑面积；( 3 ) 减少了曝气配套设施，如：空气管 道、电气设备、机械装置等的占地；( 4 ) 其技术水平高，安全可靠。 3 众所周知，目前曝气装置研究的核心是节能，而本实验的研究改变了污水 处理中传统的曝气方式，可以在很大程度上降低曝气在污水厂中的开支比 例。这一研究成果，不但可使节能环保设备制造业拥有一种全新的发展方 向，还将带动相关产业发展和技术进步。 2 i 文献综述 1 文献综述 1 1 国内外在曝气及电动机调速方面的发展及应用 当水中溶解氧没有达到饱和时，在水和空气接触的过程中，由于分子扩散作 用，空气中的氧气将缓慢地传递到水中去，这一过程我们称为天然曝气，由此可使 水中的溶解氧量不断提高，直至饱和。但在此过程中，氧的传递速率是非常缓慢 的。因此，在污水处理工程中，常常采用人工曝气的方法，这是一种人为的加快气 体向水中传质过程的手段，可以使氧的传递速度大大加快，从而提高充氧的效率 1 6 1 。现在通行的曝气法有：鼓风曝气、机械曝气和两者联合的鼓风一一机械曝气。 鼓风曝气是将由空压机送出的压缩空气通过一系列的管道系统送到安装在曝气池池 底的空气扩散装置( 曝气装置) ，空气从那罩以微小气泡的形式逸出并在混合液 中扩散。使气泡中的氧转移到混合液中去；而气泡在混合液中的强烈扩散、搅动， 使混合液处于剧烈混合、搅拌状态。机械曝气则是利用安装在水面上、下的叶轮高 速转动，剧烈地搅动水面，产生水跃，使液面与空气接触的表面不断更新，从而使 空气中的氧转移到混合液中去。但是在实际工程中，由于这些曝气方法有能源利用 率低，占地面积大、费用高等诸多缺点，这就使得曝气设备和曝气方法的研究有了 很大的发展空间。 1 1 1 国内外在曝气方面的发展及应用 当今，采用曝气方法处理污水已广泛应用于国内外各个领域，各种曝气设备也 在不断涌现 1 国内在曝气方面的发展及应用例 1 ) 目前，国内大多数污水厂采用的是鼓风曝气，此种方法设备操作简单，但占地 面积大，且曝气费用约占污水厂运行经费的一半左右。 2 ) 天津港东突堤生活污水处理厂所采用的是卧轴式转刷曝气机，其充氧量高，耗 电量低，但制作复杂且不能在寒冷地区使用。丹麦克鲁格公司也对转刷曝气进 行了研究，并于1 9 8 7 年应用于邯郸市污水处理厂。 3 ) 哈尔滨汽化厂采用的水力喷射曝气法，设备简单，操作安全，抗负荷冲击能力 强，但工艺较复杂，一次性投入高。 3 河北理工大学硕十学位论文 4 ) 上海禽蛋厂采用的浅层曝气，使用的曝气栅管，氧的传质系数很高，单位时间 内获得较高的吸氧率，风压、耗电量较普通曝气低，但曝气栅管容易被堵塞。 2 国外在曝气方面的发展及应用【5 】。 1 ) 美国新泽西州威柏纳造纸厂采用鼓风一一机械扩散曝气器。 2 ) 联邦德国威尔定根化工厂于1 9 6 5 年开始进行射流曝气的实验。 3 ) 日本最新研制的中空纤维曝气。 4 ) 1 9 7 5 年i ；i 西德k s k 在埃姆里姆的马铃薯淀粉厂建成了世界上第一座处理工业废 水的深井曝气装置。 下表是一些常见的曝气装置的特征、处理流程及优缺点。 表i 各种曝气装置的特点 t a b l elav e d e t yo f a e r a t i o nd e v i c eo f a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e - 4 1 文献综述 1 1 2 国内外在电动机调速方面的发展及应用 通过调节电动机的转速( 大部分利用调频调速) 来调节水泵的输入功率的技术 在国内外有比较成熟的研究。主要成果及应用为： 1 ) 在给水泵站中，依据水源水位调节水泵转速，使其工作在高效段内。 2 ) 在配水泵站，依据用户流量、扬程的变化来控制水泵的转速，调节水泵的输入 功率，使其工作在高效段内。 3 ) 在污水厂的泵站中，依据各个时段内进水流量的变化对水泵进行调速控制，使 其工作在高效段内。 国内外对于常规的曝气设备的性能研究已处于基本成熟的阶段，都有相关资料 参考，未来其主要趋势是研究如何减少曝气设备的投资、提高其工作效率、并使其 产品系列化等方面的问题。在电动机调速方面，现在国内外主要是使用变频调速。 变频调速工作方便、快捷，调速范围大、效率高，但是，此设备价格昂贵，而且维 修费用较高 t j 。 1 1 3 泵附加曝气装置的工作原理及发展方向 水泵工作时，其吸口处于负压状态，此时，由水泵的吸口向水泵中输入空气 ( 或纯氧) ，水泵输送的介质就变为气、液混合物，而气、液两相流的比重要小于 单纯液体。在要求特定几何扬程和某一曝气量的情况下，调节水泵吸入口的进气量 ( 可在水泵的进口处安装一个转子流量计来测量空气的进入量) ，则水泵吸入的 气、液混合物的密度就会有所减小，此时，原有水泵如果按原设计工况继续工作就 会造成能量的浪费，因此需要减少水泵的输入功率。由于异步电动机的转矩与定子 电压的平方成正比，因此，改变异步电动机的定子的电压也就改变了异步电动机的 转矩和机械特性，这可使电动机和其负载实现匹配。因此，为了减少水泵的输入功 率，可以通过调节电动机电压的方式对水泵进行调速控制。在满足需求方对扬程、 曝气量的不同要求的情况下，调速控制可使水泵工况连续变化，系统最大限度地实 现能量供需平衡，减小能量浪费同时为实现自动化控制，可把从水中溶解氧量和 水泵的扬程得到的信号通过一个信号反馈装置与可调变压器相连，从而实时调节电 动机工作电压，使其与此时水泵的负荷相匹配，以达到了节能的目的。 通过查新表明，国内外对泵附加曝气装置的研究与应用还很少，拥有节能功能 的更是没有。由于泵附加曝气装置本身存在很多独特的优点，在水处理领域将有很 5 - 河北理t 大学硕+ 学位论文 广阔的应用前景。要使这种设备更加完善，能广泛的推广应用，其主要发展方向有 以下两个方面： 1 提高曝气后水中的溶解氧。 在不同曝气量下，水泵在其高效段内工作时，水中的溶解氧相对于清水实验时 测得的数值来说是比较低的，所以如何提高实验时水中的溶解氧量是提高整套系统 节能的有效途径。 2 整套系统动力效率的进一步提高与提高单位能耗向水中溶解的氧气量有着密 切的关系。 在进行动力效率分析的时候，对不同曝气量下，向水中溶解l k 9 0 2 时，所需输 送水量所消耗的电动机功率与未进行曝气时所输送同体积的水所消耗的电动机功率 的差值进行分析比较。结果表明，为了进一步提高整套设备的动力效率，需要进一 步缩小输送同体积水时曝气和未曝气两种情况下的电能消耗。 1 2 课题研究的意义及目的 目前，从国内外污水处理行业的发展趋势来看，如何提高曝气设备的动力效率 是一个发展的热点，许多专家都做了大量的研究工作，如：陶士扩散管，其动力效 率为1 6 k 9 0 2 k w h 2 6 k 9 0 2 k w h ；竖管扩散器，其动力效率为2 3 k 9 0 2 k w h 2 6 k 9 0 2 k w h ：固定式钟罩型微孔空气扩散器，其动力效率更是商达3 4 k 9 0 2 k w h 等 9 1 。在石油、化工领域，对于水泵输送气、液混合物的研究也有很大的发展。但 是，对于水泵输送气、液混合物的研究在水处理领域方面还存在空白。 泵附加曝气的装置是基于一机多能的技术理念进行开发研制的。它集输送污水 和曝气于一身，利用水泵在输送液体时，其吸口处产生负压，可进行自动抽吸空 气，使水泵输送的液体与气体在水泵叶轮的高速旋转下进行强烈混合，从而达到向 所输送液体中充氧的目的。水泵在迸气对，其力学特性发生改变，这时，我们可以 通过调节电动机的输入电压的方法来调节水泵的输入功率，从而调节和控制水泵的 扬程和输送污水量，使其能够以较高效率工作，以达到节能的目的。与传统的设备 相比，设备简单，本装置运行费用低，在曝气过程中不会出现堵塞的现象，设备无 须经过特殊加工。 在实验中，要检验、检测和计算以下几方面： 1 检测水泵所能抽吸的最大的空气流量，从而算出水泵在不同电压下输送的 最大气水比； 6 - l 文献综述 2 在实验中，水泵叶轮是否气蚀； 3 曝气的效果及效率； 4 测量并计算整套系统( 电动机一一水泵) 的效率及动力效率。 本实验研究的目的就是研究泵附加曝气装置的动力效率，并同时研发一种一机 多能的污水处理设备。 ，7 - 河北理1 ：大学硕士学位论文 2 实验系统的工作理论与性能测试方法 2 1 曝气系统的技术理论 2 1 1 三相异步电动机的调压原理、工作性能及公式推导 1 实验采用的电动机型号 表示铝导线 广_ 一表示机座号 表示交流异步 j 0 2 l 5 2 4 表示封闭式il 表示极数 表示第二次设计ji 表示铁心 长度顺序号 图1 电动机型号表示方法示意图 f i g 1t h es c h e m a t i cp l a no f e l e c t r i cm a c h i n em o d e ln u m b e r 本实验采用江门电动机厂生产的三相异步电动机，型号为：j o z - 2 1 - 2 。其 基本数据如下所示： 额定电压：3 8 0 v额定功率：1 5 k w 额定频率：5 明z额定转速：2 8 6 0 r m i n 2 三相异步电动机调速的方法i s 9 1 三相异步电动机调速的方法很多，大致可分为以下几种类型： 1 ) 改变转差率调速，包括改变电源电压、绕线式异步电动机转子串电阻等方 法，但用这种方法调速并不节能； 2 ) 改变旋转磁场的同步转速调速，包括改变定子极对数、改变电源频率等方 法； 3 ) 串级调速，这是改变理想空载转速的一种调速方法； 除此之外，利用一些附加机械设备( 例如转差离合器、变速箱等) 调速的方法 也很多。 本实验限于条件约束所采用的调速方法为改变电源电压调速。三相异步电动机 降低电源电压调速的原理是人为地改变电动机的机械特性。这种降压调速方法比较 - 8 一一 2 系统的技术理论与性能测试方法 简单，但是对于一般的鼠笼式异步电动机，降压调速只有很窄的调速范围。而对于 本实验，则为拖动变转矩负载，降压调速基本上能满足要求“o i 3 三相异步电动机工作性能介绍及公式推导 1 ) 三相异步电动机调速的可行性 根据三相异步电动机电磁转矩公式： 肼p u ? 垒 朋= _ = 厂l 一( 1 ) 2 , o f , ，n + ! 三，2 + 肛i + e ，2 ， 式中： 肼一电动机的电磁转矩，n m ； 所厂- 定子相数； ，厂一定子绕组每相电阻，q ； 巧一转子每相电阻的折算值，o ； 柳一定子电抗，o ； 高一转子电抗的折算值，q ； j 一转差率； 石一定子频率。即电源频率，i - i z ： u ，一定子电压，即电源电压，v ； p 一定子极对数，为自然数。 可知，改变定子电压u 可以改变电动机的机械特性，即改变m s 曲线以及它负载 特性的交点，从而改变它与机械负载的机械特性曲线的交点，以实现调速。由公 式： 2 而焘虿也 可知，最大转矩下的临界转差率岛。与电源电压u 无关，因此，交流调压时的一组 机械特性曲线如图2 所剥1 2 1 3 1 。 9 一 河北理工大学硕士学位论文 负袭 圉2 三相异步电动机降压调速 f i g 2t h es t e p - d o w ns p e e dr e g u l a t i o no f t h r t p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r 一般说来，当电动机转速降低时其定子和转子中的电流将显著增加，可能引起 导线过热而烧坏电动机。为此，用于调压调速的电动机其转子绕阻必须有较高的电 阻，或者采用绕线型电动机，在其转子回路中串入适量的电阻或加频敏电阻器，以 限制电动机的电流，使其机械特性变软，来适应调压调速的要求。 但对于带有风机、水泵的电动机来说，因为在风机、水泵类负载中，电动机的 负载转矩 如的表达式为： m = k n 2 ”( 3 ) 又因为转速行，同步转速n m ，与转差率s 的关系式为 疗= ( 1 - $ ) n l ( 4 ) 所以，由( 3 ) 、( 4 ) 两式可得： m t = k n 2 = k o - s ) 2 玛2 ( 5 ) 由此可知，当同步转速降低时电动机的负载转矩 如变小。 而在降压运行过程中，电动机转矩m 与转子电流1 2 、转子电阻飓、转差率s 关 系式为： m ! ! 里( 国 s 。 即电动机的电磁转矩正比于电流的平方。 则可将式( 6 ) 变形为： 厶o c ( 1 一s ) , s , r 2 ( 7 ) 对于负载为风机、水泵的电动机而言，若其在额定电压下运转时，转差率在 1 2 左右，则在调速过程中可能出现的最大电流约比电动机额定电流大2 5 ，此 时，定、转子的铜耗将增加5 6 ，但比恒转矩负载时小得多，又因铁损有所减小， 1 0 ilts 2 系统的技术理论与性能测试方法 所以电动机一般不至于过热而烧毁，故定子调压调速的方法特别适用于风机及水泵 类的机械。 另外，异步电动机稳定运行区域是从同步点到最大电磁转矩那一段，这也保证 了电动机的安全运行f 1 4 ，1 卯。 2 ) 三相异步电动机的特性曲线及公式推导 将式( 2 ) 代入式( 1 ) 可得电动机的最大转矩为： 肘。石鬲而6 u 而7 ( 8 ) 额定转差率： = 竿= 等u u u 酬m n ( 9 )月-j 最大转矩倍数的标准值( 过载倍数) ： x 一= 2 2 = 等( 1 0 ) 额定转矩： 牡- 9 5 5 0 蒿p = 9 5 5 0 x2 8 1 6 0 5 = 5 ( 所) ( 1 1 ) 则最大转矩为： 吖一= k 。x m e = 2 2 x 5 = 1 1 ( - m ) ( 1 2 ) 对应最大转矩的转差率： ：疋+ 厨j ：0 0 4 6 7 e 2 + 历) = 2 1 5 l o - 1 ( 1 3 ) 当转差率为最大转差率时，对应的电动机的转速为： 以= 3 0 0 0 3 0 0 0 x 0 2 1 5 = 2 3 5 5 ( r r a m ) ( 1 4 ) 由于，“g ，+ j ；) ，所以根据方程( 1 ) 、( 2 ) 、( 8 ) ，电动机在额定电压下 的机械特性方程可简化为： 肘：型! 垩坚一( 1 5 ) l 当竖 s j 将( 1 2 ) 的 磊。值代入上一方程，则电动机在额定电压下的转矩方程为： 河北理r = 大学硕士学付论文 m = 五丽+ _ 则，电动机的在额定电压下的机械特性曲线如图3 所示： 电磁转矩 l 0 20 0 60 81 转差率 图3 三相异步电动机特性曲线 f i g 3t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t h et h r e ep h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r 实验所用j 0 2 - 2 1 2 型三相异步电动机所对应的相关参数为： 定子相数：啊= 3 ；定予极对到5 】：p = 2 ；频率：f = 5 0 h z 。 由于本实验采用变电压方式进行调节扭矩控制，所以必须求出变电压下电 动机的转矩方程。经查表可知 = 4 7 7 q 为定子电阻，把其代入公式( 2 ) 、 ( 8 ) 可得： x ，+ = 1 2 0 5 7 ( 1 7 ) 巧= 2 3 ( 1 8 ) 把以上两个数值返代入式( 8 ) ，则有： 肘一= 7 6 x 1 0 。u 2 ( 1 9 ) 再把式( 1 9 ) 代入式( 1 5 ) ，即有电动机在不同电压下的转矩方程： m = _ 等等曼可( 2 0 ) 万丽+ r 一 由以上各式可知，电动机的输入电压的平方和其输出电磁转矩成正比关系 【1 6 tm 。 1 2 2 系统的技术理论与性能测试方法 2 1 2 水泵变速调节工况 1 叶轮相似定律 由于叶轮内部液体流动的复杂性，单凭理论不能准确地算出叶片泵的性能。依 据流体力学理论中的相似理论，并运用实验模拟的手段，可根据水泵叶轮在某一转 速下的已知性能换算出其它转速下的性能。凡两台水泵能满足几何相似和运动相似 的条件，称为工况相似水泵。 几何相似条件： 丢= 去以2 1如。d 2 ， 、 式中： 6 2 、6 2 一分别为实际泵与模型泵叶轮的出口宽度，n l m ； d 2 、d 2 ，一分别为实际泵与模型泵叶轮的外径，姗； a 一任一线性尺寸的比例或模型缩小的比例尺。 运动相似条件： 毒譬：a 旦( 2 2 ) ( d 2 一) 、 式中： n 2 、一。一分别为实际泵与模型泵叶轮的转速，r m i n 。 叶轮相似定律有三个方面： 1 ) 第一相似定律一一确定两台相似工况下运行水泵的流量之间的关系： 蚤卅斋 ( 2 3 ，级( 仉) 。 式中： q 、绒一分别为实际泵与模型泵的流量，m 3 ，h ； 仉、( 仇) 。一分别为实际泵与模型泵的容积效率，m 3 h 。 2 ) 第二相似定律一一确定两台相似工况下运行水泵的扬程之间的关系： 瓦h = 牙击r h n ( 2 4 )以( 2 ) 。 、。 式中： 、日。一分别为实际泵与模型泵的扬程，m ； - 1 3 - 河北理工人学硕士学位论文 仉、( 巩) 。一分别为实际泵与模型泵的水力效率 3 1 第三相似定律一一确定两台相似工况下运行水泵的轴功率之间的关系。 瓦n = 等击老p g ( 2 5 ) 。 n ：( 叩) ，。 、。 式中： 、 0 一分别为实际泵与模型泵的总功率，k w ； r 、一分别为实际泵与模型泵的总效率，k w ； p g 、p 。g 。一分别为实际泵与模型泵的密度与重力加速度的乘积。本 试验中由于曝气量较小，所以可以近似的认为 p 9 2 p 。g 。 实际中，如实际水泵与模型泵的尺寸相差不太大，且工况相似时，可近似的认 为三种局部效率都不随尺寸而变，则相似定律可写为： 昙；碧旦一( 2 6 ) 线 、 导：磐要( 2 7 ) h m n l _ 、1 孚：乓( 2 8 ) 以砖 、。 2 相似定律的特例 把相似定律应用于不同转速的同一台叶轮泵，就可以得到以下公式： _ q ：旦( 2 9 ) 绒 、7 了h ：妥( 3 0 ) h n z _ 、1 百n ：譬( 3 1 ) 以一： 、7 这三个公式表示同一台叶片泵，当转速n 变化时，其它性能参数将按上式比例 关系而变。如果考虑水泵在曝气与未曝气时的情况，可依据水泵变速调节工况原理 的叶轮相似定律，用其来讨论水泵转速产生变化时其与流量、扬程和轴功率之间的 关系1 9 2 0 1 。当调节水泵输入电压使水泵转速发生改变后，通过公式( 2 9 ) 、 1 4 2 系统的技术理论与性能测试方法 ( 3 0 ) 、( 3 1 ) 可知：水泵的转速降低时，其流量、扬程和轴功率也将随之降低； 而水泵的转速升高时，其流量、扬程和轴功率将随之升高。 2 1 3 曝气的原理 1 传质及分子扩散理论 物质从一相传递到另一相的过程称为物质的传递过程，简称传质过程。由于物 质的传递过程是借助于扩散作用从一相传递到另一相的过程，故又称为扩散过程 物质传质过程之所以产生，是由于存在浓度梯度，才会引起物质由高浓度向低浓度 方向迁移，从而产生物质传递。其传递的速率，取决于流体的物理特性和流动状 态。在相际传质过程时，其传质的极限都是以达到相际平衡为度量的。 由于传质过程是由分子的扩散产生的，所以要了解分子的扩散原理。在静止的 或垂直于浓度梯度的方向作滞流流动的流体中，质量传递的机理为分子扩散，传质 过程也就是分子扩散的结果。在湍流流体中，则其传递的机理除了分子扩散外，主 要为涡流扩散，在两者的共同作用下传质，这一过程我们称为对流扩散。 在气相中或液相中物质的扩散，可用费克( f i e k ) 定律来说明。费克定律认 为，物质的扩散速率与该物质的浓度梯度成正比。即： n 。；d a c 旦鲨( 3 2 ) 式中： m 一物质扩散速率，k g h ； d c 一物质的浓度，k g m 3 ： d z 一沿扩散方向的扩散距离，m 5 d 一气相或液相中的扩散系数，m 2 m 5 r 一气体常数； r 一绝对温度，k ； 卯一压力，k g m 2 或p a 。 传质公式为： n a = k a ( 3 3 ) 式中： 一传质推动力； 1 5 河北理工大学硕士学位论文 k 一传质系数。 2 亨利定律( h e n r y sl a w ) 如果气体和液体在一定条件下进行接触，终必达到平衡状态。气体在液体中的 溶解度( 又称饱合度) ，当压强不超过五个大气压时，可认为其与气相的总压强无 关，但其随温度升高而减少。在达到平衡时，被溶解的气体的分压p 与溶液浓度c 之间一般具有函数关系，如p = 厂( c ) 。对于大多数气体来说可以用亨利定律来表 示。 c ：= k ，p ( 3 4 ) 式中： c j 一氧在液体中的溶解度，k m o l m 3 ； e 一溶解度常数； p 一气体中氧的分压，k p a 。 依据气液相中溶质的表示形式不同，亨利定律还可以用以下几种形式表示： 1 1 浓度表示法： 巧= 争( 3 5 ) 式中： 巧一溶质a 在气相中的分压，l 【p a ； q 一这溶质a 在液相中的浓度，k m o f m 3 ： 日一溶解度系数，k m o l m 3 k p a 。 2 ) 摩尔分数法： 少：= m s a r n x ( 3 6 )少2( 3 6 ) 式中： 矿一吸收质a 在气相中的平衡浓度，摩尔分数； 辨一相平衡常数。对于总压强为只的理想气体研：旦。 p ， j 一每干摩尔吸收剂中所含吸收值的摩尔量； 3 1 摩尔比表示法： 1 6 2 系统的技术理论与性能测试方法 下： j = ：= 雨而m x a 两一( 3 7 ) 对于稀溶液，x 。的值很小，0 - m ) x 。一0 ，则可近似表示为： l = g i x a ( 3 8 ) 式中： 匕一每干摩尔惰性气体所含吸收值的摩尔量； j 一每干摩尔吸收剂中所含吸收值的摩尔量； m 一平衡常数。 3 氧传递理论一一双膜理论嘲 双膜理论是由刘易士( l e w i s ) 和惠特曼( w h i t m a n ) 创立的。它的基本论点如 p 界面 液膜 气相主体液相主体 气膜 氧的扩散方向 圈4 双膜理论示意图 f i g 4d o u b l em e m b r a n et h e o r ys c h e m a t i cp l a n 在气，液两相接触的界面两侧存在处于层流状态的气膜和液膜，在其外 侧则分别为气相主体和液相主体，两个主体均处于紊流状态。通常认 为，气体溶于水的过程是经过相当分明的四个阶段的传质过程：第一阶 段是气体通过气相向气一一液交界面推移；第二阶段是气体通过气一一 液交界面的气相一侧的气膜；第三阶段，气体穿过气一一液交界面的液 相一侧的液膜；第四阶段，气体扩散到整个溶液中去 由于气、液两相的主体均处于紊流状态，充分混合，物质浓度基本上是 均匀的，不存在浓度梯度，也不存在传质阻力，气体分子从气相主体传 递到液相主体，传质的阻力主要集中在气、液两层层流膜上。 一t 7 一 河北理工人学硕士学位论文 3 )在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是 氧转移的推动力。 4 )在气体的转移过程中，对于微溶的气体，阻力主要来自液膜，对于易溶 的气体，主要来自气膜，对于中等程度溶解的气体，这两层膜都呈现相 当的阻力，氧由气相主体先后经过气膜、液膜层进入液体主体。由于氧 是难溶于水的气体，实验证明，氧在气相中的扩散系数比在液相中大 1 0 0 倍，所以氧传递的阻力主要来自液膜。 5 )氧的传递过程是稳定的，即通过气膜的通量与通过液膜的通量是相等 的。 6 ) 在相界面处，气液两相达到平衡。 2 2 交流电动机调速工艺特点和离心泵的技术应用 2 2 i 交流电动机调速的应用范围及工艺特点 1 交流电动机调速的应用范围 在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中广泛的应用到电动 机。其中有许多机械为了运行、生产、工艺等方面的要求，需要对其调速运行。例 如：车辆、电梯，机床等等。另一类设备如风机、水泵等为了减少运行损耗，节约 电能也需要调速。 2 常用电动机调速的工艺及其特点 交流电动机的调速方法很多，有调压调速、斩波调速、串电阻调速，串级调 速，滑差离合器调速，变频调运等等。这些调速方法对于电动机的种类和运行方式 各有不相同的要求，它们都有着自身的工艺特点。 1 1 异步电动机的变极调速 变极调速的原理是在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，这样电动 机的同步转速就会发生变化。极对数减少一半，同步转速就提高一倍。我们常用改 变定子绕组的接法来改变极对数，这种电动机也称为多速电动机。其转子均采用鼠 笼式转子，因为它感应的极对数能自动与定子相适应，非常方便。因此变极调速主 要用于鼠笼式异步电动机的调速。 1 8 2 系统的技术理论与性能测试方法 假设电网线电压为u i ，每相绕组中电流“。当接成星形时，每相电压为 u 压，每相电流为，。，所以电动机的输出功率为： b = 3 二专i c o s _ i o ：l ( 3 9 ) 如改成三角形接法后，保持支路电流不变，则每相电压为己怕，每相电流为 2 ，。，假定c o s q 吨和玎，电动机的输出的功率为： = 3 杀2 1 c 撕仍刁( 4 0 ) 两种接法的输出功率之比为： 孚：拿竺竺一( 4 1 ) 3 2 凡c o s 仍r l 这说明由星形接法改成三角形接法后，电动机的转速提高一倍，输出功率也提 高一倍。然而，由于转矩t = 9 5 5 0 1 - ，此接法被用于恒转矩负载调速。 此外，还有星形接法改成三角形接法，此接法改接后输出功率变化很小，转速 提高了，转矩就相应的减小，适用于恒功率负载调速1 2 “2 2 1 。 2 ) 变频调速的原理 变频调速是改变电源频率，从而改变电动机的同步转速，达到调速的目的，如 何取得经济可靠的变频电源是解决异步电动机变频调速的关键问题。由于电力电子 技术和微电子技术的发展，研制出许多频率和电压可调的交流电源。随着技术的进 步，变频电源的体积、质量和价格大幅度下降，变频调速应用日益广泛。额定频率 为基频，变频可以从基频往下调