CN104452944B - 一种真空排水管道的气液两相提升段 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空排水管道的气液两相提升段，包括：具有入口端和出口端的变形段；具有入口端和出口端的上升段；具有入口端和出口端的恢复段；其中，变形段的出口端与上升段的入口端相连通，上升段的出口端与恢复段的入口相连通；所述上升段为倾斜向上设置，任一垂直于上升段中心线的上升段断面的形状完全相同，且从上升段通过的粒径不小于与所述变形段出口端相连接的真空排水管道的真空阀通过的粒径；上升段的周长的平方与面积之比大于4倍圆周率。本方案通过改变变形段与恢复段的结构，实现了200mm以上真空排水管道的高效排污。

Description

一种真空排水管道的气液两相提升段

技术领域

本发明涉及真空排水领域，具体的说，是涉及一种真空排水管道的气液两相提升段。

背景技术

真空排水系统是一种利用真空排水管道中的负压梯度进行污水收集和输送的排水系统。与重力排水或压力排水不同，真空排水管道对污水的输送需要依靠管道中的空气(气相)对污水(液相)的携带作用，单位体积的污水往往需要2～12倍体积的空气。真空排水系统的大部分能耗也用于将这些用来输送污水的空气排出系统。

“锯齿形”纵断面是真空排水管道常见的铺设方式。锯齿形的真空排水管道由若干个以一定坡度(例如0.2％)向下倾斜的“下降段”以及随后的向上倾斜的“提升段”组成。每个提升段由两个45°弯头和一根直短管组成。相比下降段，提升段污水的流动完全依靠快速流动的空气对污水的携带作用，是真空排水管道输送效率的重要影响因素。

提升段污水与气体流动存在多种流型，其中以弹状流(段塞流)对污水的输送效率最高。但由于液体(污水)的表面张力在不同管道管径下的表征程度不同。在小管径(如50mm)下弹状流更容易形成(极端情况如毛细现象)，输送效率较高。随着管径增大，弹状流变得不容易形成，输送效率降低。当管径较大(如300mm)时，气体倾向于穿过(而非携带)污水形成“周围为液体，中间为气体”的环状流。近年来关于气液两相流的研究已经表明：大通道内的气液两相流动不同于常规通道。当通道的水力直径超过一定值时，由于泰勒不稳定性，两相流动过程中弹状气泡无法稳定存在，流型中不会出现弹状流。同时，学者们还提出了区分大通道和常规通道的临界尺寸判别方法。其中，判断是否能够形成弹状流的临界尺寸与通道的水力直径存在关系。需要特别指出的是，在流动介质等其他条件不变的情况下，当通道的水力直径增大时，弹状流变得不易形成，反之更容易形成。

实际上，基于效率等因素考虑，常规真空排水管道的管径一般不大于300mm，否则输送效率会大大低于较小管径(小于200mm)的情况。然而，出于压力损失考虑，一定直径真空排水管道所能输送污水的流量是有限的。例如，我国规范CECS316-2012规定DN250管径的真空排水管道的服务人口最大为3000人。而实际应用中，为了输送更大流量的污水，既有方法是用多根真空排水管道，这需要更多管材、更宽的管沟，最终增加了建设投资和维护费用。

因此，如何设计一种全新的排水管道结构，来提高管径大于200mm的污水管道输送能力，是本领域技术人员函需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种真空排水管道的气液两相提升段。本发明所提供的两项提升段，通过改变变形段与恢复段的结构，实现了200mm以上真空排水管道的高效排污。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种真空排水管道的气液两相提升段，包括：

具有入口端和出口端的变形段；

具有入口端和出口端的上升段；

具有入口端和出口端的恢复段；

其中，变形段的出口端与上升段的入口端相连通，上升段的出口端与恢复段的入口相连通；

所述上升段为倾斜向上设置，任一垂直于上升段中心线的上升段断面的形状完全相同，且从上升段通过的污水中夹带的固体颗粒的粒径不小于与所述变形段入口端相连接的真空排水管道的真空阀通过的污水中夹带的固体颗粒的粒径；上升段周长值的平方与面积值之比大于4倍圆周率。

优选的，所述变形段从入口端到出口端的截面积相同。

优选的，所述恢复段从入口端到出口端的截面积相同。

优选的，所述变形段的入口端与恢复段的出口端的截面完全相同。

优选的，所述变形段的出口端与恢复段的入口端的截面完全相同。

优选的，所述恢复段出口端的底部低于恢复段的入口端的底部0.6*d，d为与恢复段连通的真空排水管道的直径。

本发明的有益效果是：

1、使污水和气体的两相弹状流更容易形成，可提高较大管径(如200mm～300mm)的真空排水管道的输送效率。

2、形成污水和气体的两相弹状流形成的水力条件，扩大了现有真空排水管道的管径使用范围，使更大管径(大于300mm)的真空排水管道的输送效率与较小管径相似。

3、本发明与现有真空排水管道完全兼容，可以方便地与现有管道连接。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的应用状态图；

图3是本发明的一个实施例的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例中过流断面A和G的示意图；

图5是本发明的一个实施例中过流断面B和F的示意图；

图6是本发明的一个实施例中过流断面C、D和E的示意图。

图中，1.变形段，2.上升段，3.恢复段，4.真空排水管道。

具体实施方式：

实施例1:一种真空排水管道的气液两相提升段，包括：

具有入口端和出口端的变形段1；

具有入口端和出口端的上升段2；

具有入口端和出口端的恢复段3；

其中，变形段1的出口端与上升段2的入口端相连通，上升段2的出口端与恢复段3的入口相连通；

所述上升段2为倾斜向上设置，任一垂直于上升段2中心线的上升段断面的形状完全相同，且从上升段2通过的污水中夹带的固体颗粒的粒径不小于与所述变形段1入口端相连接的真空排水管道4的真空阀通过的污水中夹带的固体颗粒的粒径，以保证进入系统的污物不会堵塞；上升段2周长值的平方与面积值之比大于4倍圆周率(即上升段2湿周周长值的平方与湿横截面值之比大于4倍圆周率)。

所述变形段1从入口端到出口端的截面积相同。

所述恢复段3从入口端到出口端的截面积相同。

所述变形段1的入口端与恢复段的出口端的截面完全相同。

所述变形段1的出口端与恢复段的入口端的截面完全相同。

所述恢复段3出口端的底部低于恢复段3的入口端的底部0.6*d，d为与恢复段3连通的真空排水管道4的直径。

本方案中，所述变形段1的过流断面的截面积不减小，而形状逐渐改变，使得：过流断面的湿周逐渐增大、水力直径逐渐减小。在所述变形段1的出口处，过流断面的形状最终变化为与所述上升段2的入口相同的形状(该形状可以为椭圆形、卵形、长圆孔形或其他内部光滑的、通过污水中夹带的固体颗粒的粒径不小于所连接真空排水系统的真空阀通过污水中夹带的固体颗粒的粒径的、周长的平方与面积之比大于4倍圆周率的形状)。

所述恢复段3的入口为和所述上升段2的出口具有相同的形状。在污水流动方向上，所述恢复段3的过流断面的截面积不减小，而形状逐渐改变，使得：过流断面的湿周逐渐减小、水力直径逐渐增大。在所述恢复段3的出口处，过流断面的形状与下游真空排水管道相同大小的圆形。

本发明的工作原理是：在所述变形段1，通过流动方向上过流断面形状的改变，增大过流断面的湿周，减小过流断面的水力直径，形成利于污水和气体的两相弹状流形成的水力条件，达到提高气体在所述上升段2中对污水的提升效率的目的。

如图2所示：为采用本发明所述提升段的锯齿形真空排水管道示意图。本发明与现有真空排水管道完全兼容，可以方便地与现有管道连接。

如图3所示：为本发明的一个实施例的纵断面结构示意图,用于管道直径(记为d)为250mm的真空排水管道。变形段ABC截面的内壁为平滑的曲面，其入口与上游真空排水管道相切，出口与上升段的入口相切。变形段ABC的纵断面上、下壁为平滑曲线，且曲率半径不小于d。恢复段EFG的内壁也为平滑的曲面，其出口与下游真空排水管道4相切，出口与上升段1的出口相切。较佳的选择为，恢复段EFG纵断面的上、下壁为平滑曲线，且曲率半径不小于d。

较佳的选择为，恢复段3末端的底部低于恢复段3起端的底部0.6*d以防止污水回流。

如图4是本实施例中过流断面A和G部分的示意图，过流断面为圆形，直径为250mm，截面积为0.049m²，湿周为0.785m，水力直径为250mm。

图5是本实施例中过流断面B和F的示意图，过流断面为椭圆形，截面积为0.049m²，湿周为0.834m，水力直径为235mm(水力直径＝4*截面面积/湿周长度)。

图6是本实施例中过流断面C、D和E的示意图，过流断面为椭圆形，截面积为0.049m²，湿周为1.072m，水力直径为183mm。这意味着，基于现有气液两相流理论，尽管与所述提升段相连接的真空排水管道的直径为250mm，但从气液两相流形成弹状流的能力方面，所述提升段与直径为183mm的管道近似，而过流面积并不减小。

采用了上述结构后，本方案通过改变变形段与恢复段的结构，实现了200mm以上真空排水管道的高效排污。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种真空排水管道的气液两相提升段，其特征在于，包括：

具有入口端和出口端的变形段；

具有入口端和出口端的上升段；

具有入口端和出口端的恢复段；

其中，变形段的出口端与上升段的入口端相连通，上升段的出口端与恢复段的入口相连通；

所述上升段为倾斜向上设置，任一垂直于上升段中心线的上升段断面的形状完全相同，且从上升段通过的污水中夹带的固体颗粒的粒径不小于与所述变形段入口端相连接的真空排水管道的真空阀通过的污水中夹带的固体颗粒的粒径；上升段周长值的平方与面积值之比大于4倍圆周率；

所述变形段的过流断面的截面积不减小，而形状逐渐改变，使得：过流断面的湿周逐渐增大、水力直径逐渐减小；

所述恢复段的过流断面的截面积不减小，而形状逐渐改变，使得：过流断面的湿周逐渐减小、水力直径逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的真空排水管道的气液两相提升段，其特征在于，所述变形段从入口端到出口端的截面积相同。

3.根据权利要求2所述的真空排水管道的气液两相提升段，其特征在于，所述恢复段从入口端到出口端的截面积相同。

4.根据权利要求2所述的真空排水管道的气液两相提升段，其特征在于，所述变形段的入口端与恢复段的出口端的截面完全相同。

5.根据权利要求3所述的真空排水管道的气液两相提升段，其特征在于，所述变形段的出口端与恢复段的入口端的截面完全相同。

6.根据权利要求1-5任一项所述的真空排水管道的气液两相提升段，其特征在于，所述恢复段出口端的底部低于恢复段的入口端的底部0.6*d，d为与恢复段连通的真空排水管道的直径。