CN105092808B - 长距离输水管道模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离输水管道模拟装置，包括进水、出水水箱和两个水平设置的圆柱形管道内外管，外管内套有内管，外管的两侧分别设置有左侧盖和右侧盖，外管的上端设置有进水口，进水口与水管连接处设置有进水电磁阀；外管的下端设置有出水口，出水口与水管连接处设置有出水电磁阀；外管顶部安装有毕托管；本发明采用正态水力模拟，使模拟水力条件更趋近于实际；内管采用与实际输水管一致的球墨铸铁，模拟实际输水管的管壁状况，易于培养与实际管内壁相似的生物膜；通过调节电机来控制水流流速，通过毕托管随时测得水流流速，设定计时器来控制水力停留时间，模拟不同输水管中原水输配；外管侧盖可拆卸,以方便取附着于内外管内壁的生物膜。
Description
技术领域
本发明属于饮用水处理技术领域，涉及一种长距离原水输送管道的多功能实验模拟系统。
背景技术
含氮污染物是我国地表水源的主要污染物之一。水中含氮污染物组成复杂，有机和无机的氮类化合物在水处理及其输配过程中发生相互转化。
目前国内长距离原水输送和区域供水工程的实施增加了水的输配时间，输配中含氮污染物的转化直接关系到水处理技术效能及其水质安全。原水输配中无机氮和有机氮之间的交互作用必然发生；管网输配水中含氮有机物会影响微生物控制效果；同时，含氮有机物是消毒副产物的重要前体物，在管网余氯作用下存在进一步生成新次级产物的风险。因此，做相应的管内水力、水质模拟试验是探究输水管内含氮污染物转化机制的必要条件，这就需要设计并制作长距离输水管模拟装置。
目前，国内针对原水输送管道的模拟装置很少，并且大多数不能符合输水管距离长、原水的输配时间长等特点，从而不能完全模拟实际输水管中的水力状况、水质变化等条件。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种长距离输水管道模拟装置，以解决现有技术中不能完全模拟实际输水管中的水力状况、水质变化等条件的问题。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种长距离输水管道模拟装置，包括进水水箱、出水水箱和水平设置的圆柱形管道外管、内管，外管内套装有内管，外管的两侧分别设置有左侧盖和右侧盖，且左侧盖和右侧盖可拆卸，外管的上端设置有进水口，进水口通过水管连接有进水水箱，进水口与水管连接处设置有进水电磁阀；外管的下端设置有出水口，出水口通过水管连接有出水水箱，出水口与水管连接处设置有出水电磁阀；外管顶部安装有毕托管，毕托管上设置有压差计。
进一步的，所述左侧盖上穿入有驱动轴，驱动轴依次穿过外管和内管，并在内管中连接有推流器；驱动轴外接电机，电机功率60W，转速为0～600r/min。
进一步的，所述外管和内管为两个同轴的圆柱形管道，且外管和内管之间留有空隙。
进一步的，所述外管的管材为有机玻璃，内管的管材为球墨铸铁，内管两端为空心，并与外管相通。
进一步的，所述外管顶部设有圆孔，毕托管通过圆孔伸入入外管，毕托管伸入端位于外管和内管之间的空隙中；毕托管与圆孔接触处设置有橡胶塞。
进一步的，所述压差计为数字显示压差计。
进一步的，所述进水电磁阀上设置有第一计时器；出水电磁阀上设置有第二计时器，进水口和出水口均采用90°弯管。
进一步的，所述进水口与进水水箱之间的水管上设置有调节阀。
进一步的，所述进水水箱内设置有潜水泵，潜水泵通过水管与进水口相连接。
优选的，所述连接水管为PVC塑料软管。
有益效果：本发明采用正态水力模拟，使模拟装置中的水力条件更趋近于实际输水管中的水力条件；内管采用与实际输水管相一致的球墨铸铁为管材，能完全模拟实际输水管的管壁状况，易于培养与实际管内壁相似度高的生物膜，生物膜附着于内外管内壁上；通过调节电机转速来控制水流流速，并通过毕托管随时测得水流流速，通过设定计时器来控制水力停留时间，能模拟不同水厂的输水管中原水输配；外管左、右侧盖可拆卸，方便在装置运行一定时间后，使用无菌棉签将管内壁上生长成熟的生物膜取出，以作进一步的研究；本发明节约用水和占地面积，降低实验成本；本发明切实模拟实际管道水力条件、水质状况、停留时间，提高了模拟试验的准确性、可靠性，同时取样也更加方便。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
其中，1-外管；2-内管；3-电机；4-推流器；5-潜水泵；6-进水水箱；7-毕托管；8-进水口；9-进水电磁阀；10-第一计时器；11-出水水箱；12-出水口；13-出水电磁阀；14-第二计时器；15-驱动轴；16-压差计；17-调节阀；18-左侧盖；19-右侧盖；20-橡胶塞；21-圆孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种长距离输水管道模拟装置，包括进水水箱、出水水箱和水平设置的圆柱形管道外管、内管，外管1内套装有内管2，外管1的两侧分别设置有左侧盖18和右侧盖19，外管1的上端设置有进水口8，进水口8通过水管连接有进水水箱6，进水口8与水管连接处设置有进水电磁阀9；外管1的下端设置有出水口12，出水口12通过水管连接有出水水箱11，出水口12与水管连接处设置有出水电磁阀13，外管1顶部安装有毕托管7，毕托管7上设置有压差计16；外管1两侧的左侧盖18和右侧盖19可拆卸，方便在本发明运行一定时间后，使用无菌棉签将内外管内壁上生长成熟的生物膜取出，以作进一步的研究。
还包括推流器4和驱动轴15，所述驱动轴15穿过左侧盖18，依次穿入外管1和内管2，驱动轴15于内管2内连接有推流器4，驱动轴15外接电机3。
所述左侧盖18上穿入有驱动轴15，驱动轴15依次穿过外管1和内管2，并在内管2中连接有推流器4；驱动轴15外接电机3，电机3功率60W，转速为0～600r/min。
所述外管1和内管2为两个同轴的圆柱形管道，且外管1和内管2之间留有空隙。
所述外管1的管材为有机玻璃，内管2的管材为球墨铸铁，内管2两端为空心，并与外管1相通，内管2采用与实际输水管相一致的球墨铸铁为管材，能完全模拟实际输水管的管壁状况，易于培养与实际管内壁相似度高的生物膜，生物膜附着于内、外管内壁上。
所述外管1顶部设有圆孔21，毕托管7通过圆孔21伸入入外管1，毕托管7伸入端位于外管1和内管2之间的空隙中；毕托管7与圆孔21接触处设置有橡胶塞20；圆孔21在进水时作为排气口，进行预处理试验时作为加药口，运行时用于安装毕托管7，毕托管7上配有橡胶塞20，通过调节电机转速来控制水流流速，并通过毕托管7随时测得水流流速，通过设定计时器来控制水力停留时间，能模拟不同水厂的输水管中原水输配。
所述压差计16为数字显示压差计。
所述进水电磁阀9上设置有第一计时器10；出水电磁阀13上设置有第二计时器14，进水口8和出水口12均采用90°弯管。
所述进水口8与进水水箱6之间的水管上设置有调节阀17，调节阀17可以控制进水流量。
所述进水水箱6内设置有潜水泵5，潜水泵5通过水管与进水口8相连接。
所述连接水管为PVC塑料软管。
所述进水水箱6和出水水箱11的材质均为有机玻璃。
原水经潜水泵5提升至外管1，进水时打开排气口21进行排气，待内管2和外管1充满原水，将毕托管7安装至外管1上。打开电机3调节推流器4的转速以控制水流流速，水流得以在内管1和外管2之间循环。利用电磁阀13和计时器14控制水力停留时间，在一定的时间后，出水阀门13自动打开，出水排入出水水箱11。
本发明的一种优选方案：外管1管径为400mm，长度为1400mm，内管2管径为200mm，长度为1250mm；内管2左端距外管1左端50mm，内管2右端距外管1右端100mm；驱动轴15依次伸入外管1和内管2，共伸入100mm；推流器4中心距内管2左端50mm，距内管2右端1200mm；电机功率60W，转速为0～600r/min；进水口和出水口，其距离外管壁均为150mm，进水口8和出水口12的内径均为15mm；圆孔21直径为20mm，其圆心距离进水口8外壁为475mm；进水水箱6和出水水箱11长度均为400mm，宽度均为300mm，高度均为500mm。
本发明的设计原理如下：
水力相似原理是水力模拟试验的理论依据，水力模拟可以分为正态模拟和变态模拟。管流的正态模拟就是模型与实际管道的长度和管径采用相同的比尺，而变态模拟即长度与管径采用不同的比尺。
由于本发明可以实现水流的不断循环，即可以模拟任意长度的管道，故采用正态水力模拟。
对于正态水力模拟的水系统来说，主要有以下的相似定律和相似准则：牛顿相似定律；重力相似准则；阻力相似准则；压力相似准则。
实际管道和物理模型的主要物理量之间的关系如表1。
表1
其中，λ为管道原型和物理模型的长度比尺；dM、dP分别为物理模型和管道原型的管径；lM、lP分别为物理模型和管道原型的管长；vM、vP分别为物理模型和管道原型的流速；QM、QP分别为物理模型和管道原型的流量。
实施例1
使用长距离输水管道模拟装置研究预氯化有效氯浓度对原水输配过程中无机氮转化的影响：模拟苏州X水厂的原水输水管，其管径为1.8m，长度为16km，本模拟装置的内管管径为200mm，故长度比尺计算得到模型长度lM＝1.78km，模拟水流流速vM＝0.17m/s，模拟水力停留水力停留时间tM＝175.5min。
实验室配水以模拟原水中无机氮的组份，试验原水水质参数度如表2。
表2
将配制好的原水置于进水水箱，经潜水泵5提升至外管1，打开排气口21进行排气，待内管2和外管1充满原水，将一定浓度的次氯酸钠溶液从加药口21到入内管1和外管2内，本次试验分别取有效氯的浓度为0.5mg/L，1.0mg/L，1.5mg/L，2.0mg/L，加完药后将毕托管7安装至外管1上。打开电机3调节推流器4的转速以控制水流流速，由于毕托管7测得的是外管1中的水流流速，故需要通过外管和内管的横截面面积之比来推算内管2中的水流流速，外管与内管的横截面面积比为3，因此外管中的水流流速应控制为根据毕托管原理，当压差计16显示为1.606Pa时，流速达到要求。原水与药剂得以充分混合，在内管1和外管2之间循环。利用计时器14控制水力停留时间为175.5min，规定时间后出水阀门13自动打开，出水排入出水箱11，取出水样进行各项水质指标的测定。
得到出水中无机氮的组份，如表3。
表3
本发明节约用水和占地面积，降低实验成本；本发明切实模拟实际管道水力条件、水质状况、停留时间，提高了模拟试验的准确性、可靠性，同时取样也更加方便。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种长距离输水管道模拟装置，包括进水水箱、出水水箱和水平设置的圆柱形管道外管、内管，其特征在于：外管(1)内套装有内管(2)，外管(1)的两侧分别设置有左侧盖(18)和右侧盖(19)，外管(1)的上端设置有进水口(8)，进水口(8)通过水管连接有进水水箱(6)，进水口(8)与水管连接处设置有进水电磁阀(9)；外管(1)的下端设置有出水口(12)，出水口(12)通过水管连接有出水水箱(11)，出水口(12)与水管连接处设置有出水电磁阀(13)；外管(1)顶部安装有毕托管(7)，毕托管(7)上设置有压差计(16)；
还包括推流器(4)和驱动轴(15)，所述驱动轴(15)穿过左侧盖(18)，依次穿入外管(1)和内管(2)，驱动轴(15)于内管(2)内连接有推流器(4)，驱动轴(15)外接电机(3)。
2.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述左侧盖(18)上穿入有驱动轴(15)，驱动轴(15)依次穿过外管(1)和内管(2)，并在内管(2)中连接有推流器(4)；驱动轴(15)外接电机(3)，电机(3)功率60W，转速为0～600r/min。
3.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述外管(1)和内管(2)为两个同轴的圆柱形管道，且外管(1)和内管(2)之间留有空隙。
4.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述外管(1)的管材为有机玻璃，内管(2)的管材为球墨铸铁，内管(2)两端为空心，并与外管(1)相通。
5.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述外管(1)顶部设有圆孔(21)，毕托管(7)通过圆孔(21)伸入外管(1)，毕托管(7)伸入端位于外管(1)和内管(2)之间的空隙中；毕托管(7)与圆孔(21)接触处设置有橡胶塞(20)。
6.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述压差计(16)为数字显示压差计。
7.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述进水电磁阀(9)上设置有第一计时器(10)；出水电磁阀(13)上设置有第二计时器(14)，进水口(8)和出水口(12)均采用90°弯管。
8.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述进水口(8)与进水水箱(6)之间的水管上设置有调节阀(17)。
9.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述进水水箱(6)内设置有潜水泵(5)，潜水泵(5)通过水管与进水口(8)相连接。
10.根据权利要求1的长距离输水管道模拟装置，其特征在于：所述连接水管均为PVC塑料软管。
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