CC BY
58
УДК 628.0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО АЭРАТОРА
В.Д.Казаков1, А. Г. Полканов2, М.М.Ратинер3, М.Ю.Толстой4
1,4Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Администрация Иркутского района, 664001, г. Иркутск, ул. Рабочего Штаба, 17. 3Фирма Ability Computers & Software Industries, ул. Атцфира, 17, Тель-Авив, 67779.
Рассматривается моделирование гидродинамических процессов с использованием программных методов расчета геометрических и гидродинамических параметров вращающегося пневмогидравлического аэратора. Программа и экспериментальные данные позволяют рассчитать скорость вращения пневмогидравлического аэратора и получить визуальную картину распространения пузырей воздуха в сооружении - флотаторе. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: методы очистки природных и сточных вод; технологические схемы и конструкции используемых сооружений, установок, аппаратов и механизмов; гидравлические закономерности, определяющие эффективность работы водопроводных и канализационных сооружений и устройств; технологии и аппараты физико-механической, физико-химической, химической, биохимической, химико-металлургической переработки и обогащения полезных ископаемых.
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDIES OF THE ROTATING PNEUMOHYDRAULIC AERATOR V.D. Kazakov, A.G. Polkanov, M.M. Ratiner, M.Y. Tolstoy
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074. Administration of Irkutsk region, 17 Rabochiy Shtab St., Irkutsk, 664001. Ability Computers & Software Industries, 17 Atzfire St., Tel Aviv, 67779.
The authors consider the modeling of hydrodynamical processes with the application of software-based methods to calculate geometrical and hydrodynamical parameters of the rotating pneumohydraulic aerator. The program and experimental data enable to calculate the rotation speed of the pneumohydraulic aerator and obtain a visual picture of air bubble distribution within the flotator. 6 figures. 1 table. 7 sources.
Key words: treatment methods of sewage and natural waters; flowsheets and designs of the installations, apparatuses and mechanisms under exploitation; hydraulic regularities determining the efficiency of waterworks and sewage facilities; technologies and apparatuses of physical and mechanical, physical and chemical, chemical, biochemical, chemical and metallurgical treatment and concentration of minerals.
На современном этапе развития науки и техники все более важной становится проблема рационального использования природных ресурсов. Решение этой проблемы в таких направлениях, как очистка природных и сточных вод, наиболее полная переработка минерального сырья, связано с созданием новых технологий, модернизацией оборудования, повышением
эффективности действующих устройств и технологических процессов. Исследование работы существующих систем аэрации на сооружениях флотации и биологической очистки сточных вод показало, что наиболее важным фактором технологического процесса является способ подачи газовой фазы в сооружение и гидродинамика взаимодействия этой фазы с мине-
1Казаков Вячеслав Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, проректор по экономике, тел.: (3952)405030. Kazakov Vyacheslav Dmitrievich, a pro-rector on economics of Irkutsk State Technical University, a candidate of physical and mathematical sciences, tel.: (3952)405030.
2Полканов Алексей Геннадьевич, начальник управления жилищно-коммунального хозяйства, транспорта и связи Администрации Иркутского района.
Polkanov Aleksey Gennadjevich, the head of the department of housing and communal services, transport and communications of the Administration of Irkutsk region.
3Ратинер Михаил Моисеевич, кандидат технических наук, руководитель проекта. Ratiner Mihail Moiseevich, a candidate of technical sciences, the project director.
4Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и охраны воздушного бассейна, тел.: (3952)405609.
Tolstoy Mihail Yurjevich, a candidate of technical sciences, the head of the Chair of Heat and Gas supply, Ventilation and Air Basin Protection, tel.: (3952)405609.
ральным сырьем или взвешенными частицами загрязнений сточных вод [1 - 5]. Наиболее часто используемым режимом, обеспечивающим контакт газообразной и твердой фаз, считается режим перемешивания, который требует значительных энергозатрат и не во всех случаях является выгодным [6]. Применение новых устройств аэрации, например, пневмогидравличе-ских аэраторов струйного типа, способных за счет энергии струи создать эффект вращения, то есть перемешивания среды без применения электродвигателей, является, на наш взгляд, достаточно перспективным в процессах флотации и очистки сточных вод. В связи с тем, что эти устройства появились недавно, режимы их работы, расчет основных характеристик и рабочих параметров требуют детального изучения. Одним из методов исследования аэрирующих устройств является моделирование гидродинамических процессов, позволяющих описать физическую картину динамики газожидкостных потоков и рассчитать основные параметры исследуемого движения. В настоящей работе рассматривается вращающаяся аэрирующая система двух пневмогидравлических горизонтально расположенных аэраторов.
Предлагаемая система аэрации состоит из подающих трубопроводов и закреплённых на их концах двух аэраторов. Выходящая из каждого аэратора струя создаёт реактивную тягу и заставляет всю систему вращаться вокруг своей вертикальной оси (рис.1) [3,5].
2
Рис. 1. Система вращающихся аэраторов: 1 - подающие трубопроводы; 2 - пневмогидравли-ческий аэратор; 3 - струя пузырьков воздуха
Предполагается, что посредством вращения двух аэраторов можно получить не просто два восходящих потока, а накладывающиеся друг на друга два винтообразных шлейфа, поднимающихся вдоль цилиндрической поверхности, образованной радиусом вращения аэратора. Возможность получения такой системы траекторий увеличивает площадь контакта фаз, газосодержание и соответственно повышает концентрацию насыщения жидкости кислородом.
Для автоматизации расчетов и наглядности исследования была применена следующая модель расчета траектории всплывающих пузырьков. Исходные величины для расчета: Кь - начальный радиус пу-
зырька; Н - глубина погружения аэратора; Q - расход газа в аэраторе; д - расход воды в аэраторе; С - диаметр сопла; рг - плотность газа; р1 - плотность жидкости; п-динамическая вязкость жидкости.
При расчете были приняты следующие допущения. Жидкость считается неподвижной, то есть движение жидкости (на участке подъема пузырька) не оказывает существенного влияния на траекторию пузырька. Силами поверхностного натяжения (Лапласовыми) можно пренебречь, так как они существенны при радиусах пузырьков порядка 0.001мм. Также можно пренебречь взаимодействием пузырьков друг с другом -введение его в расчет траектории одиночного пузырька не вносит ничего существенного.
Принимаем, что угловая скорость вращения пнев-могидравлического аэратора зависит от радиуса вращения, выходной скорости аэрируемой струи, плотности жидкости и подчиняется известному закону
а = — • /(а), где а - сводный параметр, учитываю-
К
щий давление в системе и другие параметры (вязкость жидкости, материал аэратора, глубину погружения и т.д.). Данный параметр определялся в каждом конкретном случае эмпирически. На рис. 2 приведены модельные параметры расчета частоты вращения аэраторов в зависимости от давления в системе при прочих равных условиях.
Вращение системы аэраторов в жидкости создаёт развитую зону аэрации, образованную сложными закрученными струйными потоками. Чтобы понять траекторию выходящих из аэраторов газожидкостных потоков, рассмотрим для начала чисто механическую задачу. Представим для простоты вращающиеся аэраторы в виде двух одинаковых цилиндров, на концах которых расположены точечные источники аэрации (см. рис. 1).
Описание движения пузырька и численный расчет проводились следующим образом. Весь временной интервал движения пузырька делится на отрезки величиной М. На каждом отрезке результирующую силу считаем постоянной. Тогда ускорение пузырька находится из уравнения сЫ Сг
= F,
total >
где ть - масса пузырька, и соответственно скорость для расчета на следующем отрезке равна
,п+1 = уп мг.
расходами
Сг У п+1
Начальная скорость определяется Q, д и величиной С.
Результирующая сила складывается из двух составляющих - силы Архимеда и силы гидродинамического сопротивления
Рма1 = ^а + ^Б .
Parameters
Condition Configuration View
Air consumption (mA3/h)
4.5000
Water consumption i Q ^^ (mA3/h)
Angular velocity (cyde/min)
11,58
Radius of a bubble (rm)
Density liquid phase (Ьд/тЛ3)
0.003000
00,000000
Cancel
a)
Parameters
Condition Configuration | View
Air consumption ,. ._„„„„„ 111.500000
(rmA3/h)
Water consumption (mA3/h)
Radius of a bubble (rm)
Density liquid phase (kg/mA3)
Angular velocity (cycle/min)
0,832000
0,003000
Cancel
б)
Parameters
Condition Configuration View
Air consumption
(mA3/h)
Water consumption (rnA3/h)
Radius of a bubble
(m)
Density liquid phase (kg/rn-"*3)
13,500000
Angular velocity (cycle/min)
39,000000
0.001000
Save
OK
Cancel
в)
Рис.2. Результат расчета вращающегося пневмогидравлического аэратора при давлении: а - 0,1 МПа; б - 0,3 МПа; в - 0,5 МПа
Рис. 3. Вращающийся пневмогидравлический аэратор. Экспериментальная модель
Сила Архимеда имеет вид
Ра = р-Р1)' уъ • ё , где Уъ - объем пузырька.
Сила сопротивления зависит от скорости пузырька. На участке движения с высокой скоростью - при образовании пузырьков на выходе из газожидкостной струи - сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости и ее составляющие равны
р? = -1 ^'Ип{Ух }• СЭ ■ Р1 • Яъ ■ М • Ух
рУ = -1 ^»К }- Св ■ Рг ■ яь • М • Уу ,
= - -2 } СЭ - Рг ЯЪ • М • уг
где Св и 0.4 - эмпирический коэффициент сопротивления.
На участке подъема пузырьков сила сопротивления пропорциональна скорости движения:
Рв =-6-} -ж-ц- Яъ -У , где э1дп - сигнатура; п - динамическая вязкость жидкости; V - вектор скорости пузырька; - радиус пузырька.
Относительное изменение объема пузырька при подъеме равно относительному изменению давления внутри пузырька, то есть отношению гидростатического давления Ар к атмосферному давлению Р :
AVb Vh
Ap
Т
Pi 'g -h P
Используем полученные зависимости и введем их основные значения в параметры программы Microsoft Studio 2005 для формирования файла Value.par, в котором будут записаны данные геометрических и гидродинамических характеристик аэратора. Программа позволила получить визуальную картину распространения пузырей воздуха в исследуемом сооружении - флотаторе.
На рис. 2 приведена программа ввода гидродинамических параметров. Расход воздуха для аэрации жидкости: Air consumption (mA3/h) вводится в соответствующее поле с размерностью м3/ч. Расход жидкости: Water consumption (mA3/h) с размерностью м3/ч вводится в ячейку для жидкости. И необходимый диаметр получаемых пузырей: Radius of a bubble (m) с
Кадр 9 Кадр 10
Рис.4. Кадры съемки вращения пневмогидравлического аэратора за один оборот
размерностью в метрах вводится в ячейку для диаметра пузырей в метрах. Имеется окно ввода плотности жидкости - density liquid phase (kg/mA3) в кг/м3. Также имеется окно расчета скорости вращения - Angular velocity (cycle/min) - с размерностью в об./мин.
В целях экспериментальной проверки предложенной математической модели был изготовлен вращающийся пневмогидравлический аэратор, имеющий следующие характеристики: длина плеча до насадки 0, 4 м; диаметр патрубка для подачи жидкости 10 мм; зазор для подачи воздуха 3 мм; диаметр сменяемой насадки 3 мм. Экспериментальная модель приведена на рис.3.
При проведении эксперимента фиксировались следующие значения: номер опыта; время проведения эксперимента t, мин; количество сопел; параметры сопла: длина, мм, ширина, мм, высота, мм, радиус закругления, мм, площадь поперечного сечения, мм2; объём аэрируемой жидкости V, л; точка измерения; количество сульфита натрия m, г; объём ресивера v, наполняемый водой, л; солесодержание S=m/v, г/л; мощность двигателя компрессора N, кВт; расход воды по водосчётчику Ож, л: в начале эксперимента, в конце эксперимента; суммарный объём аэрируемой жидкости Vж=V+Qж; расход воздуха по ротаметру Ог, л; давление в ресивере р, нач./кон., МПа; концентрация растворённого кислорода по оксиметру, мг/л; С1 в начале эксперимента, С2 в конце эксперимента; температура воздуха Тг, оС; температура воды Тж, оС; текущее атмосферное давление Ра, мм.рт.ст.; давление насыщенного водяного пара Р при текущей тем-
пературе жидкости, мм.рт.ст. (справочные данные); предел насыщения воды кислородом при давлении 760 мм рт. ст., текущих температуре жидкости и соле-содержании Сб(760)=(475-26,5*8)/(33,5+Тж), мг/л; предел насыщения воды кислородом при текущем давлении С$=С$(760)*(Ра-Р)/(760-р), мг/л; объёмный коэффициент массопередачи кислорода к=2,303*[!д(СБ-С1)-!д(С$-С2)*60/^2^1); окислительная способность ОС=к*СБ*Уж, г О2/ч; средняя окислительная способность (в данной точке), с; средняя окислительная способность (общая); эффективность, г О2/кВт*ч; средняя эффективность (в данной точке); средняя эффективность (общая); соотношение газ - жидкость Ог:Ож; среднее соотношение газ - жидкость (в данной точке); среднее соотношение газ - жидкость (общее); скорость вращения, об/мин. Расчетные и экспериментальные характеристики частоты вращения аэратора приведены в таблице.
Параметры
расчетные экспериментальные
ы, об/мин Давление, МПа ы, об/мин Давление, МПа
11,58 0,1 12 0,1
30,83 0,3 31 0,3
39 0,5 38 0,5
Эксперимент проводился на модели вращающегося аэратора. Скорость определялась экспериментально по секундомеру, включая видеосъемку. Раскладка
по кадрам изображения вращения приведена на рис. 4. Результаты экспериментов представлены на рис.5.
40
.2 35 -
'S 30 -
/г* ■
к 20 ■
5 15 -
= 10
Н
о 0 Л
0,1
И 0,3 Давление, МПа
Рис. 5. Сравнение теоретических и экспериментальных данных скорости вращения аэраторов:---"
линия теоретических данных;----------линия экспериментальных данных
Онг
Рис.6. Визуальная картина подъема пузырей и вращения аэраторов из программы расчета
Результаты расчета программы были выведены для визуального сравнения и представлены на рис. 6.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Предложенная модель расчета вращения аэратора и подъема пузырей воздуха в сооружении флотации или очистки сточных вод показала результаты, хорошо коррелирующие с экспериментальными данными.
2. Применение данной модели и разработанной программы позволит подбирать режимы вращения аэрирующего устройства, определять основные гидродинамические характеристики при проектировании различных флотационных и очистных сооружений.
3. На основе предложенной модели расчета определена угловая скорость вращения пневмогидравли-ческого аэратора, что позволяет с определенной долей достоверности рассчитывать параметры перемешивания в жидкой среде.
Библиографический список
1. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. М.: Стройиздат, 1986. 136 с.
2. Казаков В.Д., Леонов С.Б., Толстой М.Ю. Динамика газожидкостных аэраторов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1998. 184 с.
3. Воронов Ю.В., Казаков В.Д., Толстой М.Ю. Струйная аэрация: научное издание. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. 216 с.
4. Вращающийся пневмогидравлический аэратор / Бело-окая Н.В. [и др.] // Мат-лы 8-го Международного конгресса "Вода: экология и технология" ЭКВАТЭК-2008 [электронный ресурс]. М.: ЗАО "Фирма СИБИКО Интернэшнл", 2008. 5 с.
5. Толстой М.Ю. Моделирование работы вращающегося пневмогидравлического аэратора // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. М.: МГСУ, 2008. № 3. С. 142-145.
6. Мещеряков Н.Ф. Кондиционирующие и флотационные аппараты и машины. М.: Недра, 1990. 237с.
7. Патент № 2339467. Аэрирующее устройство / Казаков В.Д., Толстой М.Ю., Паутов М.И., Белоокая Н.В., Толстая Е.М.; опубл. 27.11.2007 г. БИ № 33. 7 с.
УДК 699.86
ЭФФЕКТИВНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЗАБАЙКАЛЬЯ
Н.П.Коновалов1, Т.И.Рубашкина2
1Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Забайкальский институт железнодорожного транспорта, 672040, г.Чита, ул. Магистральная, 11.
Анализируется сравнительная эффективность и экономическая целесообразность тепловой защиты трехслойных наружных ограждающих конструкций с эффективными теплоизоляционными материалами в качестве среднего слоя в эксплуатационных условиях климата г. Читы. Ил. 3. Табл. 1.
Ключевые слова: тепловой влажностный режим зданий; тепломассообмен в ограждениях; климатические воздействия; разработка расчетных характеристик.
Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, тел. (3952)405177. Konovalov Nikolay Petrovich, a doctor of technical sciences, a professor, the head of the Chair of Physics, tel.: (3952)405177.
2Рубашкина Татьяна Ивановна, начальник научно-исследовательской части, тел.: (3022)413393, e-mail: [email protected] Rubashkina Tatjana Ivanovna, the head of the science and research department, tel.: (3022)413393, e-mail: [email protected]
