CC BY
21
УДК 628.3
ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО ЖИВОМУ СЕЧЕНИЮ ПЕРФОРИРОВАННОГО ФИЛЬТРА С ДВОЙНОЙ ЗАГРУЗКОЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
В. Е. Саитов, д-р техн. наук, доцент; А. Б. Котюков, соискатель, ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока, ул. Ленина, 166 а, Киров, Россия, 610007, E-mail: vicsait-valita@e-kirov.ru. lifeae@yandex.ru
Аннотация. Исследования по вопросу совершенствования эффективности работы щелевого фильтра, применяемого для очистки воды на животноводческих комплексах, проводились в лабораториях ПГТУ (Пермского государственного технического университета) и Пермской ГСХА. Предложен способ устранения неравномерности распределения расхода жидкости по высоте загрузки щелевого фильтра с помощью неравномерной перфорации центральной приемной трубы с двойной загрузкой. В предложенной конструкции фильтра имеются две емкости (загрузки) из одного вида материала объемом 0,116 м3 каждая, что позволяет повысить расход воды через фильтр до 11 м3/ч. Центральная труба. в отличие от щелевого фильтра. выполнена с круглыми отверстиями. Количество указанных круглых отверстий различно по высоте данной трубы. В нижней части фильтра количество отверстий меньше, чем в более верхних частях; их количество увеличивается от низа к верху трубы. Центральная труба разделена на четыре условные зоны (по высоте) с различным суммарным количеством отверстий (отверстия одинакового диаметра) в каждой; то есть каждая зона имеет свое отличное по величине живое сечение потока. Модели фильтров выполнялись из материала УВС и активированной углеродной ткани АУТ. В установке использовался милливольтметр с максимальной измеряемой величиной напряжения 1,5В и ценой деления 0,01В. В качестве шагового реохорда была применена полоска материала УВС. Источником питания являлся блок питания постоянного тока с диапазонами установки: напряжение от 0 до 127В, силы тока от 0 до 999мА. Точность установки напряжения 0,1В, силы тока 1мА. Соединительные провода в установке медные. Модель выполнена с линейным масштабом 2. Проведенные исследования методом электрогидродинамических аналогий распределения жидкости по живому сечению разработанного фильтра подтвердили равномерность распределения расхода по высоте его загрузки, обусловливающая повышение качества очистки воды от различных загрязнений.
Ключевые слова: питьевая вода, водоисточники, качество воды, сельское хозяйство, животноводство, фильтры для очистки воды, модернизация фильтров очистки воды.
Введение. Вода является главным источником жизни на земле и играет важную роль в жизнедеятельности человека. Одним из наиболее крупных потребителей воды является сельское хозяйство, и, в частности, животноводство. Потребности животноводства в воде в десятки раз превышают потребности населения. Животноводческие предприятия и населенные пункты, как правило, стремятся снабжать водой из одного источника. В соответствии с этим качество воды должно удовлетворять всем требованиям, которые предъявляются к воде, предназначенной для хозяйственно-питьевых нужд [1, 2, 3].
К питьевой воде для сельскохозяйственных животных предъявляются такие же высокие санитарно-гигиенические требования, как
и для человека. Питьевая вода в системе водоснабжения животноводческих ферм должна быть чистой, прозрачной, иметь приятный вкус, температуру 280...287 К, оптимальный химический состав примесей, не содержать патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов [4, 5, 6, 7].
Одним из путей выполнения данных требований является создание и совершенствование систем очистки воды животноводческих комплексов как одного из основных вероятных источников попадания различных загрязнений человеку с продуктами питания. Одним из основных способов осуществления указанных мероприятий в животноводческих комплексах является применение фильтров. Установлено, что в животноводческих комплексах
наиболее распространены фильтры с нижним подводом и отводом среды, которые имеют центральную приемную трубу с щелевыми отверстиями. Площадь указанных отверстий не изменяется по высоте фильтра. Поэтому существует неравномерность распределения расхода воды в данной конструкции фильтра по высоте загрузки. Расход в верхней части фильтра меньше, чем в нижней части. Это приводит к снижению эффективности очистки воды фильтром. Данное обстоятельство обу-
словливает поиск путей совершенствования эффективности работы щелевого фильтра [8].
Методика. Предложен способ устранения неравномерности распределения расхода жидкости по высоте загрузки щелевого фильтра с помощью неравномерной перфорации центральной приемной трубы. Для увеличения производительности фильтр имеет двойную загрузку. Конструкция фильтра перфорированного с двойной загрузкой для очистки воды представлена на рисунке 1 [9].
Рис. 1. Конструктивная схема фильтра перфорированного с двойной загрузкой для очистки воды:
1 - патрубок подачи очищаемой жидкости; 2 - центральная отводящая труба с перфорацией в виде круглых отверстий; 3 - слой (в виде кольца) из материала УВС или ВИОН; 4 - прижимной фланец; 5 - патрубок
отвода очищенной жидкости; 6 - входное отделение; 7 - выходное отделение; 8 - отверстие; 9 - гайка;-(а, в) -
направление движения жидкости через фильтр
В предложенной конструкции фильтра имеются две емкости (загрузки) из одного вида материала объемом 0,116 м3 каждая, что позволяет повысить расход воды через фильтр до 11 м3/ч. Центральная труба в отличие от щелевого фильтра выполнена с круглыми отверстиями. Количество указанных круглых отверстий различно по высоте данной трубы. В нижней части фильтра количество отверстий меньше, чем в более верхних частях; их количество увеличивается от низа к верху трубы. Центральная труба разделена на четы-
ре условные зоны (по высоте) с различным суммарным количеством отверстий (отверстия одинакового диаметра) в каждой; то есть каждая зона имеет свое отличное по величине живое сечение потока.
Для проведения исследований перфорированного фильтра с двойной загрузкой для очистки воды был использован метод электрогидродинамических аналогий. Исследовательская установка с плоской моделью фильтра представлена на рисунке 2 [10, 11, 12, 13].
Рис. 2. Исследовательская установка с плоской моделью фильтра:
1 - реохорд-полоска УВС; 2 - блок питания постоянного тока Б5-49; 3 - ручка-щуп металлический; 4 - гальванометр; 5 - модель; 6 - медный провод
Модели фильтров выполнялись из материала УВС и активированной углеродной ткани АУТ. В установке использовался милливольтметр с максимальной измеряемой величиной напряжения 1,5 В и ценой деления 0,01 В. В качестве шагового реохорда была применена полоска материала УВС. Источником питания являлся блок питания постоянного тока с диапазонами установки: напряжение от 0 до 127 В, сила тока от 0 до 999 мА. Точность установки напряжения 0,1 В, силы тока -1 мА. Соединительные провода в установке медные. Модель выполнена с линейным масштабом 2.
Результаты. Потери напора в загрузке из углеродного волокнистого сорбента (УВС) щелевого фильтра определяются по формуле [14]:
(1)
Ак
загрузкииз УВС
у2 • К кА
Тогда из формулы (1) следует, что линии равного потенциала и соответствуют линиям пьезометрического напора к. В результате этого для точек 1 и 2, 3 и 4, 6 и 5, 7 и 8 (рисунок 3) соответственно выполняются равенства:
62-1(3-4,6-5,7-8;
1 _ 1
~:2 2 а2(3,6,7) ®1(4,5,8
(2)
2 g
' + 62-1(3-4,6-5,7-8) •
а1(4,5,8) + а2(3,6,7)
АНи2-1(и3-4,и6-5,и7-8) _ 0;
• К л,
тг _ 62-1(3-4,6-5,7-8) ;
У2-1(3-4,6-5,7-8) _
^2-1(3-4,6-5,7-8)
а
2-1(3-4,6-5,7-8
а.
15
(3)
(4)
где 1п - длина фильтровального патрона (пути фильтрации в загрузке фильтра), 1п = 0,122 м; Кф - коэффициент фильтрации, м/с; У2 - средняя скорость в загрузке щелевого фильтра, выражающая по формуле У2 = = 62/^2, м/с, где 62 - расход через фильтр, 62 = 1,3910-3 м3/с;
ю2 - площадь, через которую проходит фильтруемый поток; принята площадь условного цилиндра, поверхность которого проходит через середину пути фильтрования, ш2 = 0,338 м .
где шс - площадь живого сечения фильтра на расстоянии Яс = 30+110 = 140 мм от его вертикальной оси, м2;
ю2-ц3-4, 6-5, 7-8) - суммарная площадь живого сечения отверстий в трубе от сечения 2-2(3-3, 6-6, 7-7) до сечения 1-1(4-4, 5-5, 8-8), м2; ^1(4, 5, 8), ®2(3, 6, 7), - площадь в точках 1 (4, 5, 8), 2 (3, 6, 7), через которую проходит фильтруемый поток, м2;
62-1(3-4, 6-7, 7-8) - суммарный расход жидкости через отверстия в трубе от сечения 2-2(3-3, 6-6, 7-7) до сечения 1-1(4-4, 5-5, 8-8), м3. Л#п2-1(п3-4, п 6-5, п 7-8) - суммарная величина пьезометрического напора в трубе от сечения 2-2(3-3, 6-6, 7-7) до сечения 1-1(4-4, 5-5, 8-8), м.
а б
Рис. 3. Эпюра равных напоров (а) и эпюра распределения расхода жидкости по живому сечению (б) в модели перфорированного фильтра с двойной загрузкой для очистки воды
I
2
Путем решения уравнения (2) находятся, соответственно, величины Q2.\, б3-4, б6-7 и Q^.8. Для решения данного уравнения определяются величины ДН„2-1, АИп3-4, АИп 6-5 и АИп 7-8.
По линиям равного напора (рисунок 3, а), построенным по полученным экспериментальным данным при плотности загрузки р = 0,083 г/см3, определяется величина пьезометрического напора (в долях Н) в точках 5, 10, 12, 4, 7, 11, 13 и 6 путем интерполяции между соседними линиями равного напора: Н5 = 0,309Н, Н10 = 0,309Н, Н12 = 0,309Н, Н4 = 0,315Н, Н7 = 0,992Н, Нп = 0,992Н, Н13 = 0,992Н и Нб = 0,998Н.
При этом разность напоров в точках 7 и 5 равна ДНп7-5 = Н7 - Н5 = 0,683Н, в точках11 и 10 - АНп11-10 = Н11 - Н10 = 0,683Н, в точках 13 и 12 ДНп13-12 = Н13 - Н12 = 0,683Н, а в точках 6 и 4 равна ДНп6-4 = Н6 - Н4 = 0,683Н.
Таким образом, следует, что ДНп7-5 = = АНп11_10 = АНп13_12 = АНп6-4. Это обусловливает равномерность распределения расхода жидкости по высоте загрузки перфорированного фильтра с двойной загрузкой.
Так как в модели фильтра ш5 = «10 = ю12 = = ю4, ш7 = иП = ю13 = ш6, то из равенства (2)
следует что 0,_5 = Q11_10 = 013_12 = 0б-4 . Следовательно, эпюра распределения расхода по живому сечению фильтра имеет равномерный вид, представленный на рисунке 3, б. Экспериментально полученные эпюры расходов подтвердили, что благодаря конструкции перфорированного фильтра с двойной загрузкой решается проблема неравномерности распределения расхода по высоте загрузки фильтра щелевого с двойной загрузкой.
Выводы. 1.Эпюры, полученные опытами, подтвердили равенство расходов очищаемой жидкости в верхней и нижней частях фильтра с двойной загрузкой за счет изменения гидравлических сопротивлений, создаваемых специальной перфорацией центральной трубы.
2.За счет равномерного распределения очищаемой жидкости по высоте загрузки разработанного фильтра будет увеличиваться технологическая надежность процесса очистки воды до санитарно-гигиенических норм для животноводческих комплексов.
Литература
1. ГОСТ Р 51232-98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества. М .: Госстандарт России, 1998. 21 с.
2. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М. : Минздрав России, 2002. - 62 с.
3. Хайруллин А. Н. Основные проблемы молочного животноводства России // The Dairynews [Электронный ресурс]. URL: http://www.dairynews.ru / dairyfarm /osnovnye-problemy-molochnogo-zhivotnovodstva-rossi.html (дата обращения: 14.06.2014).
4. Саитов В. Е., Котюков А. Б. Анализ существующих загрязнений в источниках водоснабжения животноводства // Состояние и перспективы развития АПК Центрального Нечерноземья: сб. материалов Междунар.й заочной науч.-практич. конф., посвященной 120-летию создания ФГБНУ Смоленской ГОСХОС. Стодолище: ФГБНУ Смоленская ГОСХОС, 2016. С. 273-277.
5. Саитов В. Е., Котюков А. Б. Санитарно-гигиенические требования к питьевой воде для животноводческих ферм // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 6 (часть 5). С. 830-833.
6. Саитов В. Е., Котюков А. Б. Способы и применяемые материалы для очистки воды на животноводческих комплексах // Научное обеспечение устойчивого развития АПК в современных условиях: Материалы всероссийской науч.-практич. конф., посвященной 80-летию Нижегородского НИИСХ. Нижний Новгород, 2016. С. 232-235.
7. Яблонский П. М. И снова о воде [Электронный ресурс]. URL: http://web-fermer.ru/publ/veterinarija/ptica/i_snova_o_vode/63-1-0-1312 (дата обращения: 14.06.2014).
8. Совершенствование конструкций фильтров для очистки воды в животноводческих комплексах / В.Е. Саитов, П.А. Савиных, А.Б. Котюков, В. Романюк, М. Лукажук // Проблемы интенсификации животноводства с учетом охраны окружающей среды и производства альтернативных источников энергии, в том числе биогаза : монография под науч. ред. проф. докт. Вацлава Романюка. Фаленты-Варшава, 2016. С. 187-194.
9. Пат. 55635 Российская Федерация, МПК В0Ш 25/26. Фильтр / Котюков А. Б., Симонова Р. Н.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет». № 2006107586/22; заявл. 10.03.06; опубл. 27.08.2006, Бюл. № 24. 8 с.
10. Котюков А. Б. Применение материалов УВС и АУТ для создания моделей метода ЭГДА // Вестник Урал. гос. техн. ун-та - УГТУ. Строительство и образование: Сб. научн. тр. Вып. 7. Екатеринбург, 2004. С. 275-276.
11. Саитов В. Е., Котюков А. Б. Определение электрического сопротивления различных материалов для создания модели фильтра для очистки воды методом электрогидродинамических аналогий // Современные тенденции развития науки и технологий: периодический науч. сб. по материалам XVIII Международной заочной научно-практической конференции. Белгород, 2016. № 9-1. С. 57-59.
12. Скрипченко Г.Б. Структура углеродных волокон // Химические волокна. - 1991. - № 3. - С. 26.
13. Saitov V. E., Kotyukov A. B. Requirements for materials to create an effective model filters for cleaning water by electrohydrodynamic analogy // International Journal оf Applied аМ Fundamental Research. 2016. № 2. URL: www.science-sd. com/464-25111 (accessed 06.10.2016).
14. Штеренлихт Д. В. Гидравлика : учебник для вузов. М. : Энергоатомиздат, 1984. 640 с.
RESEARCH ON LIQUID DISTRIBUTION ON THE QUICK CROSS-SECTION OF THE PERFORATED FILTER WITH A DUAL BOOT FOR WATER PURIFICATION
V. E. Saitov, Dr. Tech. Sci., Associate Professor
A. B. Kotyukov, Degree Seeker
Agricultural Research Institute of the North-East
166a, Lenina St., Kirov, 610007 Russia
E-mail: vicsait-valita@e-kirov.ru, lifeae@yandex.ru
ABSTRACT
The research on the problem of improving the efficiency of operation of crevice filter, applied for water purification at livestock breeding complexes was carried out at the laboratories of Perm State Technical University and Perm State Agricultural Academy. A method of eliminating unevenness of water consumption distribution according to the height of loading of the crevice filter by means of non-uniform perforation of the central reception pipe with dual boot was proposed. The proposed filter construction has two reservoirs (loadings) of one and the same material category of the volume of 0.116 cubic meter each that allows increasing the water consumption through the filter up to llcubic meter per hour. The central pipe unlike the crevice filter is made with round openings. The amount of the round openings mentioned above is different according to the height of this pipe. The number of openings in the lower part of the filter is less than the one in the higher parts; their number increases from bottom of the pipe to its top. The central pipe is divided into four conventional zones (according to the height) with various summary amount of openings (these of the same diameter) in each; that is, every zone has its specific in its value the quick cross-section of the flow. Filter modifications had been made of the carbon fiber sorbents (CFS) material and an activated carbon fiber ACF. For installation there had been used a voltmeter with maximum measured voltage of 1.5 v and the scale division of 0.01 B. The strip of CFS material had been applied as the step rheochord. The power supply of current with the certain range of setting: the voltage from 0 to 127 V, the amperage from 0 to 999 mA was employed as a source of supply. The precision of voltage setting was 0.1 V, amperage - 1 mA. Connecting wires were made of copper. The modification was implemented with linear scale X L = 2. The research that was carried out by the method of electrohydrodynamic analogues of liquid distribution on the quick cross-section of the implemented filter confirmed the uniformity of consumption distribution according to the height of its loading, conditioning the improvement of the quality of water purification from various contaminants.
Key words: drinking water, water sources, water quality, agriculture, livestock, water purification filters, modernization of water purification filters.
References
1. GOST R 51232-98. Voda pit'evaya. Obshchie trebovaniya k organizatsii i metodam kontrolya kachestva (GOST 51232-98. Drinking water. General requirements for the organization and methods of quality control), Moscow, Gos-standart Rossii, 1998, 21 p.
2. SanPiN 2.1.4.1074-01. Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody tsentralizovannykh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva (SanPin 2.1.4.1074-01. Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control), Moscow, Minzdrav Rossii, 2002, 62 p.
3. Khairullin A. N. Osnovnye problemy molochnogo zhivotnovodstva Rossii (Main problems of dairy cattle breeding Russia), The Dairynews [Elektronnyi resurs], URL: http://www.dairynews.ru / dairyfarm /osnovnye-problemy-molochnogo-zhivotnovodstva-rossi.html (data ob-rashcheniya: 14.06.2014).
4. Saitov V. E., Kotyukov A. B. Analiz sushchestvuyushchikh zagryaznenii v istochnikakh vodosnabzheniya zhivotnovodstva (Analysis of existing pollution in the livestock water sources), Sostoyanie i perspektivy razvitiya APK Tsen-tral'nogo Nechernozem'ya, sb. materialov Mezhdunar.i zaochnoi nauch.-praktich. konf., posvyashchennoi 120-letiyu soz-daniya FGBNU Smolenskoi GOSKhOS, Stodolishche, FGBNU Smo-lenskaya GOSKhOS, 2016, pp. 273-277.
5. Saitov V. E., Kotyukov A. B. Sanitarno-gigienicheskie trebovaniya k pit'evoi vode dlya zhivotnovodcheskikh ferm (Sanitation requirements for drinking water for livestock farms), Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovanii, 2016, No. 6 (chast' 5), pp. 830-833.
6. Saitov V. E., Kotyukov A. B. Sposoby i primenyaemye materialy dlya ochistki vody na zhivotnovodcheskikh kompleksakh (The methods and materials used for water purification in the cattle-breeding complexes), Nauchnoe obespech-enie ustoichivogo razvitiya APK v sovremennykh usloviyakh, Materialy vserossiiskoi nauch.-praktich. konf., posvyashchen-noi 80-letiyu Nizhegorodskogo NIISKh, Nizhnii Novgorod, 2016, pp. 232-235.
7. Yablonskii P. M. I snova o vode (And again on the water), [Elektronnyi resurs] URL: http://web-fermer.ru/publ/veterinarija/ptica/i_snova_o_vode/63-1-0-1312 (data obrashcheniya: 14.06.2014).
8. Saitov V.E., Savinykh P.A., Kotyukov A.B., Romanyuk V., Lukazhuk M. Sovershenstvovanie konstruktsii fil'trov dlya ochistki vody v zhivotnovodcheskikh kompleksakh (Improving filter designs for water purification in cattle-breeding complexes), Problemy intensifikatsii zhivotnovodstva s uchetom okhrany okruzhayushchei sredy i proizvodstva al'terna-tivnykh istochnikov energii, v tom chisle biogaza, monografiya pod nauch. red. prof. dokt. Vatslava Romanyuka, Falenty-Varshava, 2016, pp. 187-194.
9. Pat. 55635 Rossiiskaya Federatsiya, MPK V01D 25/26. Fil'tr (Filter), Kotyukov A. B., Simonova R. N., zayavitel' i patentoobladatel' Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovaniya «Permskii gosu-darstvennyi tekhnicheskii universitet», No. 2006107586/22, zayavl. 10.03.06, opubl. 27.08.2006, Byul. No. 24, 8 p.
10. Kotyukov A. B. Primenenie materialov UVS i AUT dlya sozdaniya modelei metoda EGDA (The use of hydrocarbon materials and OUT to create models of the method of EGDA), Vestnik Ural. gos. tekhn. un-ta - UGTU, Stroitel'stvo i obrazovanie, Sb. nauchn. tr., Vyp. 7, Ekaterinburg, 2004, pp. 275-276.
11. Saitov V. E., Kotyukov A. B. Opredelenie elektricheskogo soprotivleniya razlichnykh materialov dlya sozdaniya modeli fil'tra dlya ochistki vody metodom elektrogidrodinamicheskikh analogii (), Sovremennye tendentsii razvitiya nauki i tekhnologii, periodicheskii nauch. sb. po materialam XVIII Mezhdunarodnoi zaochnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, Belgorod, 2016, No. 9-1, pp. 57-59.
12. Skripchenko G.B. Struktura uglerodnykh volokon (Determination of the electrical resistance of different materials to create a water filter models by electrohydrodynamic analogy), Khimicheskie volokna, 1991, No. 3, P. 26.
13. Saitov V. E., Kotyukov A. B. Requirements for materials to create an effective model filters for cleaning water by electrohydrodynamic analogy, International Journal of Applied and Fundamental Research, 2016, No. 2, URL: www.science-sd.com/464-25111 (accessed 06.10.2016).
14. Shterenlikht D. V. Gidravlika (Hydraulics), uchebnik dlya vuzov, Moscow, Energoatomizdat, 1984, 640 p.
