CC BY
15
УДК 630.456 Доц. Л.1. Челядин1, канд. техн. наук;
1 2
доц. В.П. Лкафт , канд. техн. наук; мол. наук. ствроб. В.Л. Челядин
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ КОНСТРУКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТ1В ТОНКОШАРОВОГО В1ДСТ1ЙНИКА НА ЕФЕКТИВН1СТЬ 1ХНЬО1 РОБОТИ ТА ЕКОБЕЗПЕКУ ОБ'СКТА
Наведено кшькють неналежно очищених стiчних вод, яю скидаються у воднi ресурси ^чки, ставки, озера) Укра'ни та впливають на екологiчну безпеку об'eктiв. Розглянуто теоретичнi засади процесу очищення спчних вод у тонкошаровому вщ-стшнику. Виведено формулу, яка вказуе на вплив конструктивних елементiв вщ-стшника, зокрема кута нахилу похилих площин, на ефективнiсть процесу вiддiлення мехашчних домiшок. Запропоновано через вирахування штегрального показника екодопчно'' безпеки об'екта визначати ефектившсть запровадження нового облад-нання, установки чи ново'' вдосконалено'' технологи водоочищення.
Assoc. prof. L.I. Chelyadyn1; assoc. prof. V.P. Lisafin1;
junior research officer V.L. Chelyadyn2
Structural elements influence research of slim layer stock on efficiency of their work and ecosafety of object
The amount of the not enough cleared flow waters which brush off in the water resources (rivers, rates, lakes) of Ukraine and influence on ecological safety of objects is resulted. Theoretical principles of process of cleaning of flow waters are considered in slim layer stock. A formula which specifies on influence of structural elements of stock is shown out, in particular angle of slope of ramps, on efficiency of process of separation of mechanical admixtures. It is suggested through deduction of integral index of ecological safety of object to determine efficiency of introduction of new equipment, setting or new improved technology of water cleaning.
Еколопчна ситуащя в Укра'ш та шших державах ближнього заруб1ж-жя формувалася протягом тривалого перюду, яка пов'язана з концентращею ресурсомютких та енергомютких технологш перероблення природних ресур-Ыв. Як наслщок, це призвело до значно'' деградаци довкшля - надм1рного забруднення поверхневих i шдземних вод, атмосфери i земель, що впливае на зменшення народжуванос^ та збшьшення смертнос^ народу Укра'ни. Про-тирiччя мiж природним середовищем та промисловим виробництвом форму-валися з початку виникнення виробництва, оскшьки за своею сутшстю воно бшьш вщчужене вщ природних процесiв.
Сучасний стан природних ресурЫв i навколишнього середовища зу-мовлений забрудненням повiтря, води i грунту, збiднюеться ландшафтне i бь ологiчне рiзноманiття, що негативно впливае на живi органiзми i людей.
Прюритети економiчного розвитку i техшчного прогресу потрiбно оцi-нювати з урахуванням стану екологiчноi безпеки. Усунення ще'' небезпеки мож-ливе через перегляд наявних методiв природокористування, докоршно перебу-дувати виробничо-господарську дiяльнiсть i системи природокористування на нових засадах, яю грунтуються на досягненнi компромюу мiж соцiальними i
1 1вано-Франшвський нац1ональний техн1чний ун1верситет нафти i газу (Ivano-Frankovsk national technical university of oil and gas)
2 Прикарпатський нацюнальний унiверситет iменi Василя Стефаника, м. Iвано-Франкiвськ (Pricarpathian national university named after V. Stefanyk)
економiчними потребами сусшльства та можливостями бiосфери задовольняти 1х без загрози для нормального функцiонування природних екосистем.
Протягом тривалого часу шдприемства та життедiяльшсть людини спричиняють утворення значно! кiлькостi с^чних вод, що показано в табл. 1 на основi даних [1], як забрудненi шкiдливими компонентами i поступають в рiчки, а вони е для бiльшостi населення джерелом питно! води.
Табл. 1. К1льк1сть cmi4Hux вод в Укрш'ш та деяких областях
Протягом Об'ем спчних вод, млн м3
2001-2005 рр. Всього Середнш за рш
Украша 56365,0 9394,0
Днiпропетровська 8710,0 1451,0
Донецька обл. 10178,0 1696,3
Закарпатська. 312,9 52,2
Запорiзька. 7143,0 1190,5
Львiвська обл. 1759,0 293,2
1в-Франк. обл. 558,0 93,0
Тернопiльська 374,0 62,3
3
У водн1 ресурси област1 в 2007 р. скинуто близько 90 млн.м стшних вод [2], а саме: КП 1вано-Франювськ водоекотехпром" (м. 1вано-Франювськ)
33
скинуто 14,45 млн м ; ВАТ "Нафтох1м1к Прикарпаття" - 4.414 млн м ; ВАТ
33
"Шшряник" м. Болех1в - 0,151 млн м ; Снятинський водоканал - 0,112 млн м ; НГВУ "Долинанафтогаз" - 0,102 млн м ; КП "Галичводоканал" м. Галич -0,077 млн м3; КП " Тлумачводоканал " м. Тлумач - 0,066 млн м3; КП "Брош-н1в-Осада" селищно! ради смт. Брошшв - 0,103 млн м ; ТОВ "Свгг шк1ри"
33
м. Болех1в - 0,026 млн м ; ТОВ "Уншлит" смт. Вигода - 0,944 млн м та 1н.
Табл. 2. Основш водокористувачi-забруднювачi водних o6'eKmie у 1вано-Франк1вськ'1й oбласmi (за галузями економ'иш)_
№ з\п Назва шдприемства Характеристика i % до загального скиду в област Галузь
1 КП "1вано-Франк1вськ-водоекотехпром" забрудненi, що становить 21,57 % комунальна
2 ДП " Калшний завод" ВАТ "Орiана" м. Калуш без будь-якого очищення, становлять 0,3 % хiмiчна
3 ВАТ "Нафтохiмiк Прикарпаття" м. Надвiрна об'ем забруднених вод, становить 6,3 % нафтохiмiчна
4 ТзОВ "Унiплит" с-ще Вигода Долинського району зворотт води, становлять 1,22 % до загальних скидiв по областi лiсова i деревообробна
5 ВАТ "Шшряник" Скиди забруднених зворотних вод становили 0,53 % шюрообробна
6 КП "Водоканал" м. Снятин Скиди забруднених зворотних вод становили 0,52 % комунальна
7 КП Броштв-Осадсько! селищно! ради забруднет, становили 0,51 % комунальна
З метою забезпечення ращонального використання i охорони водних об'екпв, запоб1гання та попередження забруднень водних ресурЫв на вказа-
них вище шдприемствах е установки з очищення ст1чних вод, як1 охоплюють р1зш методи очищення: мехашчт, ф1зико-х1м1чш, бюлопчш та ш.
Забруднення водних ресурЫв ст1чними водами шдприемств вплива-ють на пдросферний чинник еколопчно! безпеки об'екта, а тому виникае потреба шдвищення ефективност роботи установок водоочищення методом удосконалення водоочисного обладнання. Еколопчна ощнка промислового виробництва базуеться на кшькосп використано! природно! сировини для ви-робництва продукци та характеру 1 об'ему вщход1в, що утворюються. Шд-приемства (об'екти) у сво!й д1яльност1 використовують водш ресурси, що призводить до утворення спчних вод, як забруднеш р1зними компонентами.
Мехашчт методи очищення ст1чно! води - потр1бний елемент будь-яко! схеми очищення, оскшьки вони е першими спорудами для видшення основно! маси не розчинних забруднень. Головне призначення споруд мехашч-ного очищення - шдготовка ст1чно! води для наступно! стадп водоочищення, оскшьки !хня робота впливае на ефектившсть процеЫв, що вщбуваються в осв1тлювачах, окислювальних блоках, апаратах для ущшьнення та зневоднен-ня осад1в, дозуючих та шших пристро!в.
З метою роздшення та вщдшення нерозчинних домшок, що знахо-дяться у завислому сташ або у вигляд1 емульсш, широко застосовують вщ-стшники. У деяких випадках !хня частка у каштальних вкладеннях в очисш споруди становить приблизно половину. На сьогодш можна видшити два ос-новних напрямки вдосконалення !хшх конструкцш - шдвищення усталеност потоку { вщстш у тонкому шарь Якщо перший напрям традицшно пов'язаний 1з вдосконаленням традицшних конструкцш вщстшниюв, то другий - це створення принципово нових споруд - тонкошарових вщстшниюв [3]. 1хня роздшьна здатшсть при видшенш тонкодисперсних домшок у багато раз1в перевищуе роздшьну здатшсть горизонтальних, вертикальних та рад1альних вщстшниюв. Так вщстшники мають ще низку переваг перед традицшними -мал1 габарити, що дае змогу розташовувати !х у закритих примщеннях (це, своею чергою, шдвищуе ефектившсть !хньо! роботи через високу { стабшьну температуру), простота будови, недефщитшсть матер1ал1в, транспортабель-шсть та ш. Пор1вняно 1з центрифугами, пдроциклонами, сепараторами вони дешевш1, не потребують великих затрат енерги.
Технолопя очищення ст1чно! води спираеться на теоретичш розроб-лення в галуз1 загально! пдромехашки. В основному - це питання руху час-тинок у в'язкому середовищь Перш1 дослщження у цш галуз1 - роботи I. Ньютона. Класичну задачу про повшьне обтжання кул1 розв'язав Д.Г. Стокс (так звана задача Стокса).
В щеальнш рщит коефщент опору не залежить вщ розм1р1в тша, швидкост { густини рщини. У в'язкому середовишд - роздшення суспензи вщбуваеться за рахунок р1знищ густин тша { рщини, на ефектившсть видь лення забруднень впливають розм1ри частинок { в'язюсть рщини. Р1вняння
вшьного руху кул1 у нескшченному в'язкому середовищд мае вигляд [4]
Ио(1)
де: g - прискорення вшьного падiння; р - густина частинки; рр - густина
рщини; Л - дiаметр частинки; / - коефiцiент динамiчноl в,язкостi рiдини.
За позитивного значення рiзницi густин (р- рр) >0 частинки осщають,
за вщ'емного - спливають. Варто заува-жити, що рiвняння (1) справедливе за умов, що частинка - поодинока куля, яка рухаеться у нескшченному в'язкому сере-довишд у ламiнарному режимi обтiкання. Фактичш виробничi умови сильно вiдрiз-няються вiд зазначених, тому вводять поправки на концентращю частинок та 1'хнш вплив одна на одну [5].
Розглянемо рух поодиноко! кулi у похилому канал^ утворений двома пластинами (рис. 1).
Рух кулi зумовлений дiею таких сил силою тяжшня:
О пЛ3 ;
О = рg~г; 6
пдростатичною пiдйомною силою (архiмедовою силою)
пЛ3
Рис. 1. Схема ди сил на кулю, що рухаеться мiж двома пластинами
(2)
Р
Рр g-
(3)
силою опору рщини
^ = СхРр
пЛ1 Ж2
4 2g
де: сх - безрозмiрний коефiцiент лобового опору;
(4)
Ж - швидюсть руху рщи-
ни.
Запишемо умову рiвноваги дiючих на кулю сил (куля перестае рухати-ся у висхщному потоцi рiдини). Для цього спроектуемо дiючi сили на верти-кальну вiсь
Р + ^ Бта-О = 0, (5)
де а - кут нахилу пластин до горизонту.
З урахуванням рiвнянь (3.2) - (3.4) останне рiвняння набуде вигляду
' пЛ3 рg—-
\ 6
рpg-
пЛ3
= схрр'
пЛ2 Ж2
~4 2^"
^та .
Або пiсля математичних перетворень
Л ч Ж7
3 g2 (р-Рр ) = схРр—
^та.
(6)
(7)
Коефщент лобового опору кулi за ламiнарного режиму обтiкання об-числюють як [1]
- .21
Сх - ^
де Яе - число Рейнольдса.
Останне можна визначити через пдравл1чний рад1ус перер1зу [2]
Ш
(8)
Яе:
V
(9)
де: Я - пдравл1чний рад1ус; V - коефщент кшематично! в'язкост рщини. Для перер1зу прямокутно! форми
НЪ
Я
2(Н+Ъ)'
(10)
де: Н - висота перер1зу в площиш, перпендикулярны напряму руху потоку; Ъ - ширина перер1зу.
З урахуванням р1внянь (9) та (10) р1вняння (8) набуде вигляду
Сх -
= 48v(Н+Ъ)
ЖНЪ
Шдставляючи значення сх в р1вняння (7), отримаемо
4 К \ ж 11уРр (Н + Ъ) .
-Я 2 (Р-Рр)- Ж-Т1- 811
НЪ
81па.
або
2
Р-1
Рр ,
ш 36v(Н + Ъ) .
- Ж-^-81па
НЪ
(11)
(12) (13)
Останне р1вняння може бути використано для розв'язку декшькох ш-женерних задач:
• • • о • о
• за заданих геометричних розмгр1в перер1зу потоку можна знаити доцшьнии кут нахилу пластин до горизонту а, за якого частника забруднення певного розм1ру буде вид1лятися у в1дст1йнику;
• за заданого кута а можна визначити дощльну швидюсть руху потоку або його витрату, за якого буде видтятися частинка забруднення;
• за задано! витрати 1 вщомого кута а можна тдабрати геометричт розм1ри тонкошарового ввдстшника для вндiлеиия частинок певно! дисперсность
Якщо розв'язати рiвняння (13) вщносно кута нахилу пластин до горизонту а, то можна знайти його мшмальне значення, за якого частинка заданого розмiру буде видшятися у вщстшнику
а - агс81и
ф 2НЪ
'р- 1
Рр
v
у
36Wv(Н + Ъ)
(14)
У виборi висоти перерiзу потрiбно враховувати товщину шару осаду, який сповзае по пластинах вщстшника тд дiею грав^ацшних сил. Ця товщи-на визначаеться реолопчними властивостями осаду i кута нахилу а. Товщи-на шару структуризованих осадiв (гiдроокиси металiв, осади бiологiчного по-ходження) бшьше, нiж у неструктуризованих.
Враховуючи хвилеподiбний характер сповзання осаду [3, 4], висота каналу повинна бути дещо бшьшою вщ максимально! товщини осаду, яка у створi хвилi досягае 6 мм для неструктуризованих осадiв, а у структуризова-них у 2,5-3,0 рази бшьше [3]. Тому в рiвняння (14) введемо поправку на висо-ту шару осаду к0
а = агс81и
dg 2(к - И0)Ь
Р 1Л
Рр
36Жу(И - к0 + Ь)
(15)
Аналiз останнього рiвняння дае змогу визначити вплив геометричних розмiрiв перерiзу та шших чинникiв на ефективнiсть роботи вщстшника.
Наприклад, знайдемо мiнiмальний кут нахилу пластин за таких умов:
Вих1дн1 дат
Густина ст1чно1 води, кг/м3 1000
Густина частинок, кг/м3 2500
Ширина ком1рки, м 0,4
Висотаком1рки по нормал1, м 0,025
Висота осаду, м 0,005
В'язшсть ст1чно! води, м2/с 2,00Е-06
Екв1валентний д1аметр частинок, м 0,00001
Швидшсть руху р1дини, м/с 0,45
Розрахунков1 величини
Фактична висота ком1рки, м 0,02
Пдравл1чний рад1ус, м 0,0095
Число Рейнольдса 2142,8571
Коеф1ц1ент лобового опору 0,0112 0,0112
Синус альфа 0,848642857
Кут альфа, рад 1,013414338
Кут альфа, град 58,094
Розв'язок рiвняння (15) дае вiдповiдь а =58 о. При цьому переконуемо-ся, що рух рщини мiж пластинами ламшарний (число Яе = 2143).
За заданого кута а рiвняння (13) може бути використане для знахо-
дження сшввщношення х:
к - к0 Ь
, при цьому прийнятi параметри будуть об-
меженi максимальною швидкiстю руху потоку.
На основi наведених вище теоретичних, а практичних дослщжень, опублжованих в [6, 7], розроблено новi конструктивнi елементи тонкошарового вщстшника [8] - пристрiй для змши кута нахилу похилих площин, яю випробуванi в експериментальних випробуваннях з використанням концентратора КР-1 [9] для визначення органiчних речовин на входi у вiдстiйник i шсля нього.
Таким чином, внаслiдок розроблення нового обладнання, вщповщно, ступiнь очищення стних вод пiдвишиться, а значить еколопчна безпека об'екта пiдвишиться, оскшьки iнтегральний показник екологiчноl безпеки (1ПЕБО), який розрахований за формулою, наведеною в [10], пiдвишуеться на 2,3 бала. Крiм цього, новий тонкошаровий вiдстiйник може бути викорис-
таний в установщ з перероблення шламу, що також приведе до тдвищення 1ПЕБО.
Наведенi результати i розрахунки шдтверджують, що пiдвишення сту-пеня очищення с^чних вод з одночасним переробленням шламiв водоочи-щення, приведе до тдвищення показника еколопчно! безпеки об'екта на 57 балiв.
Лггература
1. Статистичний зб. мДовкiлля Украши". - К., 2006. - С. 48-138.
2. Регюнальна доповщь "Про стан навколишнього природного середовища в 1вано-Франкiвськiй обласп за 2007 р.", 1вано-Франювськ, 2008. - 178.
3. Проектирование тонкослойных отстойников / М.В. Демура. - К. : Вид-во "Буд1ве-льник", 1981-52 с.
4. Гидравлика : учебн. пособ. [для вузов] / Е.З. Рабинович. - М. : Изд-во "Недра", 1980. - 278 с.
5. Механика жидкости / Д. Дейли, Д. Харлеман. - М. : Изд-во "Енергия", 1971. - 324 с.
6. Сапаров А. Ультразвуков! засоби енергоощадливосп та охорони водного басейну / А. Сапаров, О. Гащенко, I. Тихонова, I. Ефремов // 1-ий Мжнародний конгрес. Захист навколишнього середовища. Енергоощадтсть. Збалансоване природокористування. - Льв1в 28-29 травня 2009. - Льв1в : Вид-во НУ "Льв1вська пол^ехшка" 2009. - С. 51-52.
7. Челядин Л.1. Дослщження попередньо! очистки спчних вод НПЗ / Челядин Л.1., Дро-гомирецький Я.М., Челядин В. Л. // Нафтова 1 газова промисловють. - 2003. - № 1. - С. 62-64.
8. Челядин Л.1. Дослщження очистки пластових вод вщ сульфщних сполук / Челядин Л.1. // Розвщка 1 розроблення нафтових 1 газових родовищ, 2001. - Т.3, № 8. - С. 142-145.
9. Тонкошаровий вщстшник для очистки вод Пат.^(Украша) № 5740, В 0Ш25/00 / Челядин Л.1., Лйоцький М.В., Челядин В.Л., Ружицький Б.Й. (Украша). Опубл. 15.03.05. Бюл. № 3, 2005. - 3 с.
10. Челядин Л.1. Чинники 1 ризики забруднення довкшля та !х вплив на показник еко-лопчно! безпеки об'екта / Челядин Л.1., Григорчак Л.1., Челядин В.Л. // Науковий вюник 1Ф-НТУНГ. - 2009. - № 1. - С. 45-50.
УДК 630.*36(100) Асист. Н.В. Шевченко - НЛТУ Укршни, м. nwis
МЕТОДИКА ВИБОРУ ОПТИМАЛЬНИХ ПАРАМЕТР1В ДВИГУНА ТА МЕХАН1ЧНО1 ТРАНСМ1С11 Л1СОВОЗНОГО
АВТОМОБ1ЛЯ
Наведено методику, яку можна рекомендувати для розв'язування задач багаток-ритерiальноi багатопараметрично'1' оптимiзащi, що виникають на рiзних рiвнях досль дження люовозних автомобiлiв з метою покращення 1'хшх тягово-швидкiсних влас-тивостей та тдвищення паливно'1' економiчностi.
Assist. N.V. Shevchenko - NUFWT of Ukraine, L'viv
Method of choice of optimum parameters of engine and mechanical transmission of wood-transport car
In the article the resulted method, which can be recommended for untiing of tasks of optimization with many parameters and criteria, that arise up on the different levels of research of wood-transport cars with the purpose of improvement of them hauling-speed properties and increase of fuel economy.
Паливна економ1чшсть i швидкюш властивосп люовозного автомобшя залежать вщ правильного вибору параметрiв двигуна i трансмiсii. Якщо за кри-
