CN109210021A - 一种无叶片式水底或其他液体中物料提取装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无叶片式水底或其他液体中物料提取装置及使用方法，其包括液体槽、提取管道、收集装置和气源；液体槽用于装载液体和具有一定粒径的物料；提取管道的第一端部分设置在液体槽内；收集装置包括容器，容器用于承接提取管道的第二端部分流出的液体，容器内具有固液分离装置，容器还与液体槽连接；气源与提取管道连接，且气源用于向提取管道内供应气流，从而在提取管道内形成压差。克服当前无叶片式管道提取系统在大粒径物料、大方量物料和复杂流体中物料的应用瓶颈，将无叶片式管道提取系统向更广的应用范围推广，充分发挥其整体结构形式简单紧凑、效率高、能耗低的优点，从而以更加便宜的价格和更绿色的方式解决广泛存在的清淤问题。

Description

一种无叶片式水底或其他液体中物料提取装置及使用方法

技术领域

本发明涉及液体内部的物料提取领域，例如水底淤积物的清理等领域，尤其涉及一种以高压气体作为动力的，并采用无叶片式管道吸提的方式来提取水下或其他液体中的物料的装置及其使用方法。

背景技术

传统对水中或其他液体内的物料进行提取时，常采用的方法包括管道提取和非管道提取两种方式。其中，管道提取方式常采用的设备是离心叶片泵、活塞泵、隔膜泵、无叶片泵等，非管道提取方式包括铲斗提取、抓斗提取、链斗提取等方式。

采用铲斗、抓斗或链斗等非管道式方式清理提取物料时，存在适用范围窄、效率低、不经济等缺陷。例如水深大于20m的水库和海底，这种方式几乎不适用；而且铲斗、抓斗和链斗本质上都是单斗循环的非连续式工作模式，提取效率低；另外，对于大型工程，如要达到满足工程要求的提取效率，则机械设备将体积庞大，既进一步限制了该种提取方式的适用水域，也使得工程预算昂贵。

管道提取方式则具有设备整体紧凑、易于布置、适用范围广、造价经济等特点，而且管道提取属于连续式的提取方式，通常其工作效率明显高于非管道式提取方式。管道提取方式中的叶片泵、活塞泵、隔膜泵等，由于需要复杂的机构与提取物接触，因此对提取物料颗粒的粒径大小和物料成份有限制，而且在工作过程中，物料容易造成对叶片、活塞腔、隔膜等的磨损、堵塞及损伤等，因此其适用范围也有限。管道提取方式中的无叶片式管道提取方式，由于提取管道的整个路径中无复杂的机械结构，因此大大增加了管道的适用性。不管是采用高压空气的托举原理还是采用伯努利原理，得到的无叶片式管道提取设备均在生产效率和物料适用性方面得到了巨大改善。

对于无叶片式管道提取方式，当前在海洋采矿、煤炭管道运输、湖泊水库清淤等方面均有应用，但这些工程应用中管道的直径一般在200mm以下，这就极大的限制了其对大粒径物料的适用性；而且在管道中不管采用空气的托举原理还是采用伯努利原理，都在提取效率的增长曲线上遇到了水平收敛现象。然而鉴于无叶片管道提取方式表现出的低成本、高效率、强适应性的潜质，特别有必要研究该种提取方式的机理和应用瓶颈，加以解决相应难题，并将其向更加复杂的工程条件推广。

发明内容

基于上述需求，并且相关试验研究设备和试验方法尚存在空缺，本发明的目的是提供一种水底或其他液体中物料提取装置，例如可在模拟不同水深条件下、不同水流流态、不同物料形状和尺寸、以不同气力提升的方式提取水下物料；该装置可以记录水流速度、气体压力、提取的物料质量；最终结果可以用来研究无叶片管道提取方法的提取功率以及模拟清淤过程中遇到的堵管、欠压、水流紊乱等其他难题。

为完成上述的目的，本发明提供了一种无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其包括液体槽、提取管道、收集装置和气源；其中，所述液体槽用于装载液体和具有一定粒径的物料；提取管道包括第一端部分和第二端部分，所述第一端部分设置在所述液体槽内；所述收集装置包括容器，所述容器用于承接所述第二端部分流出的液体，所述容器内具有固液分离装置，所述容器还与液体槽连接；气源与提取管道连接，且气源用于向提取管道内供应气流，从而在提取管道内形成压差。

一个优选的方案是，所述提取管道的管壁上设有若干倾斜向上的通气孔，所述通气孔穿透管壁，所述通气孔在管壁外侧的一端为进气口，在管壁内侧的一端为出气口。

一个优选的方案是，所述通气孔为平直的通气孔，通气孔在管壁外侧的进气口偏向所述提取管道的第一端部分，所述通气孔在管壁内侧的出气口偏向所述提取管道的第二端部分，通气孔的孔洞轴线方向与提取管道的轴线延伸方向形成小于90度的锐角。

一个优选的方案是，所述通气孔的孔洞轴线方向与提取管道的轴线延伸方向的夹角小于或等于15°；所述通气孔沿着所述提取管道的圆周对称设置多个；采用外套管的方式将通气孔所在位置处的提取管道进行封闭，在外套管内壁和所述提取管道外壁之间形成空腔，空腔作为气室；在所述外套管的管壁上设置进气口，进气口作为与所述气源连接的接口；所述提取管道在所述通气孔所在位置为硬质管，为了便于设置通气孔，该处管壁厚度大于6mm；所述提取管道在所述第一端部分，由于第一端部分需要放入液体槽内，并起到物料提取时的进料口的作用，因此提取管道的第一端部分为硬质材料制作的管道；所述提取管道的第一端部分为金属材料，所述提取管道的其余管段为柔性软管，且不易产生消减通径的弯折。

一个优选的方案是，所述提取管道的伸入液体槽的进料口为喇叭口或直筒口；并且，对于黏度小于0.95 mPa·s的流体采用直筒口，对于黏度大于0.95mPa·s的流体采用喇叭口。

一个优选的方案是，所述提取管道上还包括第二流量计、第二压力表，第二流量计用于测量提取管道内的液体流量，第二压力表用于测定提取管道内的液体压力值；气源通过导气管、外套管和法兰与提取管道连接，法兰与所述外套管上的进气口连接；另外，导气管包括第一流量计、第一压力表和截止阀，第一流量计用于测量导气管内的气体的流量，第一压力表用于显示导气管内的气体的气压，截止阀用于控制导气管内气体的流量。

一个优选的方案是，所述收集装置为一容器，该容器顶面敞口，容器包括底壁和侧壁，为了便于观察试验，所述收集装置的侧壁采用透明材料制作；所述固液分离装置为带孔隔筛，底壁上具有重量检测单元，侧壁上具有开口，开口与液体槽通过导水管连接，在开口与带孔隔筛之间设置有斜置的挡水板，挡水板用于把带孔隔筛分离的液体引流至开口。

为了使本发明提供的装置发挥预期作用，本发明还提供该装置的使用方法。

无叶片式水底或其他液体中物料提取装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 在所述液体槽内放入需要用所述提取管道提取的物料，并在所述液体槽内注入液体，将所述提取管道上的外套管管壁上的进气口与所述气源相连接，然后将所述提取管道的进料口放置于在待提取物料内或紧贴物料表面；

S2. 开启所述气源向所述提取管道内供气，在所述提取管道内形成压差，在压差的作用下，所述提取管道将物料和液体输送到所述收集装置中；

S3. 物料和液体在收集装置中发生固液分离得到固体物料和液体，分离出的液体重新流入所述液体槽内；

S4. 收集分离得到的固体物料，对其称重和测量，记录重量、粒径和物料形状参数；

S5. 根据测量结果对物料提取的提取功率、单位产能、单位能耗进行评价分析。

一个优选的方案是，在S2中，液体为透明液体或不透明的液体，在透明液体中添加荧光粉或光学示踪剂剂，以记录过程中的流场状态；或者在不透明的液体中添加磁粉或其它对电磁波有影响的粉末，采用探地雷达或其它非接触式探测器观察记录使用过程中的流场状态。

本发明的有益效果为：本发明为一种无叶片式水底或其他液体中物料提取装置。本装置可以用来研究气力提升方法的提取功率、单位产能、单位能耗等以及模拟其他清淤过程中遇到的难题。例如可用于研究在静水条件下，利用气泵在恒定压力下提升时，物料的存在对水流流速、水压变化的影响；可用于研究物料在恒定压力提升条件下的物料提升规律；可通过试验分析在何种气压下单位时间内物料提升效率最高；可用于研究在恒定压力提升条件下，利用气泵提升物料时，提取管道进口形式、提取管道物料进口断面与物料表层距离对提取效率的影响等。而且本套试验装置所模拟的物料提取原理，对所提取物料的损害小，且提取效率高，相较于已有的叶片泵而言可以避免对叶片的损伤和堵塞，对物料的提取比链斗、铲斗、抓斗等提取方式更为方便快捷，且可以测定对不同粒径物料的提取效率及所需能耗。同时，本发明的测定装置各部分拆装方便，操作简单，便于操作。

鉴于本发明的有益之处，有望通过本发明提供的装置和使用方法，研究克服当前无叶片式管道提取系统在大粒径物料、大方量物料和复杂流体中物料的应用瓶颈，将无叶片式管道提取系统向更广的应用范围推广，充分发挥其整体结构形式简单紧凑、效率高、能耗低的优点，从而以更加便宜的价格和更绿色的方式解决我国广泛存在的清淤问题。例如我国西南山区的大渡河，由于沿岸社会的发展，需要在河道内进行清淤，以加深水道和改善水流流态。然而大渡河位于高山峡谷之中，不仅大型设备无法进入，而且其淤积的物料方量巨大，物料尺寸也多在200mm以上。当前国内外尚无有效设备可以对其进行清淤。通过本发明提供的试验装置，可以模拟大渡河的大粒径物料等工况，并且可以研究无叶片式管道提取系统对大渡河工况的适用性，进一步的可根据试验结果对当前设备提出研发建议，研发后的设备仍然可以利用该套试验设备进行试验模拟。总之该套试验设备有望对特殊条件下的清淤做出较大贡献。

附图说明

图1是本发明的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置的整体结构示意图。

图2是本发明的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置的局部放大示意图。

附图标记说明

1、气源；2、第一压力表；3、截止阀；4、第一流量计；5、第二压力表；6、导水管；7、固液分离装置；8、容器；9、重量检测单元；10、阀门；11、进气口；12、提取管道；13、外套管；14、进料口；15、法兰；16、液体槽；17、导气管；18、通气孔；19、挡水板；20、外套管套住提取管道体的部分；23、第一端部分；24、第二端部分；40、第二流量计；300、收集装置。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例提供的一种水底物料提取装置，包括气源1、第一压力表2、截止阀3、第一流量计4、导气管17、进气口11。

气源1用于产生气体，其包括空气压缩机、压缩灌装气体等。第一压力表2、截止阀3和第一流量计4依次设置在导气管17上，第一压力表2用于显示导气管17内的气压，使气源1能够稳定提供气压，截止阀3用于控制导气管17内的气体流量，调节单位时间通过的气体流量为设定值，第一流量计4用于观察并记录导气管17内的气体流量。在外套管13上设置有进气口11。导气管17的一端与气源1连接，另一端与进气口11连接，外套管13套设在提取管道12外，且外套管13的两端被法兰15密封，且法兰15与提取管道12密封连接。外套管13用于束缚气源1提供的气体，在外套管13与提取管道12之间的内部空间内形成高气压环境。

该装置还包括第二压力表5、进料口14、提取管道12、第二流量计40、通气孔18、外套管套住管体的部分20、外套管13和法兰15。进料口14位于提取管道12的末端，且进料口14伸入液体槽16内。优选的，液体槽16内的放置的液体为水，由于水的黏度小于0.95mPa·s，所以进料口14设置为直筒口，直筒口的设置便于水在压差作用下形成稳定的放射状流线，使物料高效进入提取管道12内。提取管道12的第二端部分24置于收集装置300的内部或上方，便于向收集装置300内输送物料和水。第二压力表5用于测定并记录提取管道12内的水压数值，同时可用于观察物料的存在对水流压力的影响。第二流量计40用于观察并记录提取管道12内的流量。如图2所示，通气孔18分布在外套管套住提取管道的部分20上，且通气孔18是倾斜向上的，通气孔18的延伸方向与提取管道12的延伸方向（本实施例中的竖直方向）的夹角小于或等于15°（本实施例中该夹角为10°），使得在提取管道12内部形成上升气流，更能有效的和快速的在提取管道12内部形成压差。

收集装置300包括导水管6、固液分离装置7、容器8、重量检测单元9、阀门10和挡水板19。导水管6用于连接容器8和液体槽16，导水管6的一端通过阀门10与容器8相连，另一端与液体槽16连接。优选的，导水管6采用内衬钢丝的PVC软管。固液分离装置7用于将提取管道12输送的物料和水分离开，优选的，固液分离装置7为带孔隔筛。挡水板19倾斜设置在容器8的内部，挡水板19的一端与固液分离装置7的一端抵接，另一端与容器8的开口301抵接，挡水板19用于将提取并分离的水通过导水管6引导流入液体槽16以形成水循环。容器8包括底壁和侧壁，开口301设置在侧壁上。重量检测单元9设置在容器8的底壁上，其用于称量分离出的物料的重量。

液体槽16用于盛放水和大粒径的物料。在本发明中，液体槽16也可以理解为工作地点，例如江河湖海等地方。

下面以具体实施方式来说明本发明的水底物料提取试验模拟装置的试验操作方法。

由于本实施例的操作是在具体试验下完成的，因此液体槽16内盛放物料的厚度需满足试验条件，即不影响试验进行，在设定时间内有足够的物料被提取，不会发生无物料提取中断的现象，尽量减小对提取效率的误差影响。

进料口14与液体槽16内物料表层的距离与物料的粒径、气源中的气压大小有关，因此需根据试验确定最优距离范围。

首先打开气源1进行供气，使气体进入提取管道12与外套管13之间的内部空间，待气压稳定后控制截止阀3和第一压力表2，以此控制供气量及供气气压。气源1打开开始供气后，因外套管套住提取管道的部分20内设置了倾斜向上的通气孔18，且通气孔的直径小，约为进气口11直径的十分之一，因此高压气体通过通气孔18进入提取管道12受阻，这样就会形成提取管道12与外套管13之间的内部空间内的气压大于提取管道12内部的气压的情况，保证持续不断的有稳定的高压气体沿着通气孔18进入到提取管道12内部，由于通气孔18与提取管道12呈锐角22，进入提取管道12的气流高速向提取管道12的第二端部分24流去，因此就会在第一端部分23与第二端部分24之间形成内压差，从而使得进料口14的位置带动物料向上移动。

优选的，进料口14与竖直方向夹角为90º，进料口14的形状为直筒口，因为长期承担进料整流作用与物料间的磨损较大，需要经常更换，因此进料口14可以为单独一个部件，进料口14的顶端与提取管道12的第一端部分23连接。外套管13上下两端的法兰15距离进料口14顶部20cm，提取管道12在液体槽16内竖直方向长度为110cm，水平方向长度为150cm，在容器8上方竖直方向长度为30cm，提取管道12内径60mm，外径70mm。在内压差作用下，物料与水自进料口14进入，自容器8上方流出，水平管道处的第二流量计40和第二压力表5可以测定水平管道流量与压力的大小。

气源1连接在导气管17末端提供高压气体，优选的，在本次试验中，气源1采用的是氮气瓶。第一压力表2可用来显示导气管17内的气压，使得显示导气管17中的气压达到设定值，截止阀3和第一流量计4用于调节单位时间的供气量，优选的，导气管17内径15mm，外径20mm，气体流经导气管，自进气口11处流入外套管13与提取管道12之间的内部空间。外套管13上下设有法兰15，优选的，法兰内径为70mm，外径为110mm，外套管13长为200mm。在外套管套住提取管道体的部分20上设有若干倾斜向上的进通气孔18，通过在外套管13与提取管道12之间的内部空间内形成高压气，使高压气由进通气孔18进入提取管道12以形成负压来提取物料。

容器8内设有固液分离装置7，优选的，在本试验中固液分离装置为带孔隔板，该隔板孔径可根据物料粒径大小选择，提取的水流与物料在带孔隔板处分离，水流流入下层，经挡水板19流入导水管6，最终流入液体槽16形成循环。导水管6上设有阀门10，阀门10来控制水流流动。阀门10关闭时，可测得单位时间内的物料与水的提取量，阀门10开启，带孔隔板分离出的水流全部汇入液体槽16后，利用重量检测单元9可测得单位时间内的物料提取量。

下面以一个具体的试验方案的实施，介绍该套试验设备的使用方法。本次试验是为了测得在恒定压力静水条件下提升大粒径物料时所需的气压范围和临界不淤流速范围，具体操作如下。

筛取7.5~15mm、15~22.5mm、22.5~30mm、30~37.5mm、37.5~45mm等粒径的物料，将其清洗干净并按照1:1:1:1：1的比例分别称取其一定重量的料。

将7.5~15mm的物料置于液体槽16底部，然后在液体槽16中充满三分之二的水（提取管道12距液体槽16底部5cm）；

第一压力表2选择0~1.6MPa范围；

试验前关闭导水管6上的阀门10，保证能够称取所提取的物料与水的总重量m（料+水）；

打开氮气瓶（即气源）开始供气，使气体通过通气孔18进入提取管道12，调节第一压力表2，观察物料提取状态，记录物料能够被提取的初始气压值，通过观察和调节第一流量计4和截止阀3调节第一压力表2，记录物料在间歇性推移时的临界气压值，气压稳定后开始计时，同时记录提取管道12中所示第二流量计5与第二压力表40读数；

经过时间t后，停止供气，记录物料在间歇性推移状态下提取的物料与水的总重量m（料+水）；

打开阀门10，待水流入液体槽后，称取所提取物料的重量m（料）；

计算在间歇性推移状态下的平均最大水流流速v1；

将带孔隔板上的物料清理干净，重复上述的操作，记录物料在保持静止时的最大气压值与提取管道12中所示第二流量计40与第二流量表5的读数；

经时间t后，停止供气，记录物料在保持静止状态下提取的水与物料的总重量m’（料+水）；

打开阀门10，待水流入液体槽后，称取所提取物料的重量m’（料）;

计算物料在保持静止状态下的水流流速v0；

重复上述步骤的操作，将提取物料的粒径分别改为15~22.5mm、22.5~30mm、30~37.5mm、37.5~45mm等。

以上试验可得出在不同粒径范围下的物料在3种状态下运动的气压范围与不淤临界流速（即不阻塞提取管道的情况下，提取管道中物料的流速）。

本发明可用于设计模拟多种试验，可用来研究无叶片式的管道提升系统的提升功率、试用条件、对大粒径等复杂工况的适用条件等清淤过程中遇到的难题。例如可用于研究在静水条件下，在何种气压下物料的提取效率最高；研究物料在提升时对应的气压范围及不淤临界流速；研究在物料提升时，物料的存在对水流流速、水压的影响；研究物料在恒定压力条件下的物料提升规律；研究物料进管口的水流形态等。

本发明为水下提取物料提供新的试验模拟方法。以上所述仅为本发明的较佳实施例，不能用以限定本发明可实施的范围，凡本技术领域的人士所明显可作的变化与修饰，皆应视为不悖离本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其特征在于，包括液体槽、提取管道、收集装置和气源；

其中，所述液体槽用于装载液体和具有一定粒径的物料；

提取管道包括第一端部分和第二端部分，所述第一端部分设置在所述液体槽内；

所述收集装置包括容器，所述容器用于承接所述第二端部分流出的液体，所述容器内具有固液分离装置，所述容器还与液体槽连接；

气源与提取管道连接，且气源用于向提取管道内供应气流，从而在提取管道内形成压差。

2.根据权利要求1所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其特征在于，所述提取管道的管壁上设有若干倾斜向上的通气孔，所述通气孔穿透管壁，所述通气孔在管壁外侧的一端为进气口，在管壁内侧的一端为出气口。

3.根据权利要求2所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其特征在于，

所述通气孔为平直的通气孔，通气孔的孔洞轴线方向与提取管道的轴线延伸方向形成小于90度的锐角。

4.根据权利要求3所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其特征在于，所述通气孔的孔洞轴线方向与提取管道的轴线延伸方向的夹角小于或等于15°；

所述通气孔沿着所述提取管道的圆周对称设置多个；

采用外套管的方式将通气孔所在位置处的提取管道进行封闭，在外套管内壁和所述提取管道外壁之间形成空腔，空腔作为气室；

在所述外套管的管壁上设置进气口，进气口作为与所述气源连接的接口；

所述提取管道在所述通气孔所在位置为硬质管，该处管壁厚度大于6mm；

所述提取管道在所述第一端部分为硬质材料制作的管道；

所述提取管道的进料口为金属材料。

5.根据权利要求1所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其特征在于，所述提取管道的伸入液体槽的进料口为喇叭口或直筒口；并且，对于黏度小于0.95 mPa·s的流体采用直筒口，对于黏度大于0.95mPa·s的流体采用喇叭口。

6.根据权利要求1所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其特征在于，

所述提取管道上还包括第二流量计、第二压力表，第二流量计用于测量提取管道内的液体流量，第二压力表用于测定提取管道内的液体压力值；

气源通过导气管、外套管和法兰与提取管道连接，法兰与所述外套管上的进气口连接；

另外，导气管包括第一流量计、第一压力表和截止阀，第一流量计用于测量导气管内的气体的流量，第一压力表用于显示导气管内的气体的气压，截止阀用于控制导气管内气体的流量。

7.根据权利要求1所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置，其特征在于，

所述收集装置为一容器，该容器顶面敞口，容器包括底壁和侧壁，所述收集装置的侧壁采用透明材料制作；

所述固液分离装置为带孔隔筛，底壁上具有重量检测单元，侧壁上具有开口，开口与液体槽通过导水管连接，在开口与带孔隔筛之间设置有斜置的挡水板，挡水板用于把带孔隔筛分离的液体引流至开口。

8.根据权利要求1所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 在所述液体槽内放入需要用所述提取管道提取的物料，并在所述液体槽内注入液体，将所述提取管道上的外套管管壁上的进气口与所述气源相连接，然后将所述提取管道的进料口放置于在待提取物料内或紧贴物料表面；

S2. 开启所述气源向所述提取管道内供气，在所述提取管道内形成压差，在压差的作用下，所述提取管道将物料和液体输送到所述收集装置中；

S3. 物料和液体在收集装置中发生固液分离得到固体物料和液体，分离出的液体重新流入所述液体槽内；

S4. 收集分离得到的固体物料，对固体物料称重和测量，记录重量、粒径和物料形状参数；

S5. 根据测量结果对物料提取的提取功率、单位产能、单位能耗进行评价分析。

9.根据权利要求8所述的无叶片式水底或其他液体中物料提取装置的使用方法，其特征在于，

在S2中，液体为透明液体或不透明的液体，在透明液体中添加荧光粉或光学示踪剂剂，以记录过程中的流场状态；或者在不透明的液体中添加磁粉或其它对电磁波有影响的粉末，采用探地雷达或其它非接触式探测器观察记录使用过程中的流场状态。