Оптимизация фильтрующих загрузок зернистых фильтров Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

F(A)

Рисунок 4 - Влияние предельной насыщенности порового пространства отложениями на величину F(A).

Список использованной литературы:

1. Абдурасулов, И. Водообеспечение и очистка сточных вод Кыргызской Республики. ДСП [Текст] / И. Абдрасулов. - Бишкек: Илим, 1994. - 449 с.;

2. Минц, Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды [Текст] / - М.: Стройиздат, 1964. -155 с.

3. Орлов, В. О. Интенсификация работы водоочистных сооружений [Текст] / В. О. Орлов, Б. И. Шевчук. -Киев: Будивельник, 1989. - 125 с.

© Тагибаев Д.Д., Мамбетова Р.Ш., Абдурасулов И.. 2016

УДК 628.161

Д.Д.Тагибаев

старший преподаватель Южно-казахстанского государственного университета, г.Алматы, Республика Казахстан e-mail: dd_tagibaev@mail. ru Р.Ш.Мамбетова старший преподаватель Кыргызско-Российского Славянского университета г.Бишкек, Кыргызская Республика e -mail: mambetova-r@mail. ru И.Абдурасулов д.т.н., профессор кафедры г.Бишкек, Кыргызская Республика e -mail: ilimidin@mail. ru

ОПТИМИЗАЦИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЗАГРУЗОК ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ

Аннотация

В статье приводятся экспериментальные данные по изучению динамики процесса кольматации зернистых фильтров, предлагается формула, позволяющая более точно проводить расчеты по оптимизации загрузок фильтровальных сооружений.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

Ключевые слова

Зернистый фильтр, процесс кольматации, концентрация взвеси, гидравлический уклон, прирост потери напора.

Изучение действительного характера изменения геометрической структуры пористой среды при ее заилении имеет принципиальное значение для понимания механизма фильтрационного процесса, обуславливающего изменение задерживающей способности фильтров при кольматации.

Проведенные измерения объема поровых отложений при заилении фильтра показали, что полная кольматация пор никогда не достигается, и величина предельной насыщенности остается значительно меньше 1, в наших опытах эта величина находилась в пределах от 0,45 до 0,75. При таком значении предельной насыщенности истинная скорость фильтрования увеличивается только в 2-4 раза, т.е. она вполне соизмерима со скоростью течения потока в незаиленном фильтрующем слое. Этот результат опровергает предположение о том, что механизм изменения задерживающей способности фильтров при кольматации связан только с увеличением истинной скорости фильтрации. Фактическое снижение доли свободного объема и увеличение истинной скорости оказалось значительно меньше, чем это должно было бы быть согласно "геометрической" теории.

Таким образом, проведенные прямые измерения геометрических характеристик зернистой пористой среды при кольматации опровергают основные положения "геометрической" концепции механизма фильтрационного процесса. В то же время они не противоречат "гидродинамической" теории, а полученные опытные данные по характеру изменения свободного объема пор и удельной поверхности поровых каналов находятся в полном соответствии с этой теорией.

Согласно теории фильтрования малоконцентрированных суспензий в однородном по крупности зерен фильтрующем слое при постоянной концентрации суспензии, поступающей на фильтр, и постоянной скорости фильтрации продолжительность фильтрования до момента, когда относительная концентрация суспензии на выходе из слоя становится равной некоторой определенной величине С/Со = 1, где С -полученная концентрация взвесей, а Со - исходная концентрация взвесей, линейно зависит от толщины слоя. Это означает, что мгновенное относительное значение С/Со перемещается по толщине фильтрующего слоя с определенной постоянной скоростью.

Указанное положение, сформулированное Д.М.Минцем [1,2] подтверждено многочисленными экспериментами других авторов, как отечественных [3, 4, 5], так и зарубежных [6]. Из теории фильтрования [7] следует, что скорость перемещения мгновенной концентрации "n" зависит от значения С/Со. Когда последнее отвечает требованиям стандарта качества воды, скорость перемещения соответствует скорости проникновения загрязнений вглубь загрузки и численно равна параметру фильтрования "а/b".

Однотипность дифференциальных уравнений, описывающих изменение мгновенной концентрации суспензии и мгновенной плотности насыщения позволяет предположить, что и относительные значения i/io , где i гидравлический уклон в процессе фильтрования, а io начальный гидравлический уклон, перемещаются по толщине фильтрующего слоя с постоянной скоростью, также как и относительные значения концентрации С/Со. Иными словами, продолжительность фильтрования до момента, когда степень кольматации загрузки в данном сечении достигнет некоторой определенной величины, должна линейно зависеть от расстояния до данного сечения.

В свою очередь степень кольматации или насыщенность порового пространства отложениями определяет значение гидравлического уклона. Следовательно, можно ожидать, что мгновенные значения гидравлических уклонов, как и мгновенные значения концентраций, перемещаются по толщине фильтрующего слоя с постоянной скоростью. Линии равных гидравлических уклонов в этом случае будут представлены в координатах x-t прямыми.

Значения входящей в зависимость функции F(A) ранее были определены только теоретически и до недавнего времени не имели экспериментального подтверждения. Это объяснялось отсутствием методов определения величины А, непосредственно в толще зернистой фильтрующей среды, не нарушавших структуры малопрочных поровых отложений. Вместе с тем, расчеты темпа прироста потери напора

показывают, что при малых значениях F(А) (менее 1,5) получаются весьма значительные расхождения в расчетных и экспериментальных данных (рисунок 1).

С целью экспериментальной проверки значений функции F(А) были проведены специальные опыты, в которых одновременно с прямым определением значений предельной насыщенности порового пространства по вышеупомянутой методике осуществлялось технологическое моделирование процесса очистки воды фильтрованием с определением расчетных теоретических значений функции F(А) [8].

Опыты проводились на искусственно приготовленных суспензиях глины и торфяной вытяжки, на речной воде с введением коагулянта - сернокислого алюминия.

h/t, м/ч 0.18 -

Рисунок 1 - Влияние скорости фильтрации при определении темпа прироста потери напора. Значения F(A) при h/t = 0.1 м/ч и v = 7 м/ч равны: а - 0.8; б - 1.6; в - 3.3; г - 9.0.

Полученные данные представлены на графике (рисунок 2). Здесь по оси ординат отложены значения предельной насыщенности, определенные путем непосредственного измерения, а по оси абсцисс -вычисленные значения F(A) по результатам измерения темпа прироста потери напора и определения параметров фильтрования а/Ь, Ь и Ь по методике технологического моделирования.

Сравнение полученных данных с теоретической кривой показывает, что все экспериментальные точки ложатся выше теоретической кривой, т.е. одним и тем же значениям F(А) соответствуют большие значения А, определенные экспериментально.

•

• / * *••

• /• / • 4

г 3 V / /

/ / // f /

//

/

1

О 2 4 б 8 10 12 14 16 р(А)

Рисунок 2 - Теоретические и экспериментальные значения функции F(A): 1 - теоретические значения; 2 -по формуле 7, при у = 1.35; 3 - по формуле 8; 4 - экспериментальные данные.

Очевидно, причина подобного различия состоит в том, что действительная картина распределения гидравлических уклонов по высоте фильтрующего слоя несколько отличается от теоретической.

На рисунке 2 представлен характерный график распределения гидравлических уклонов по толщине фильтрующей загрузки в процессе заиления однородной фильтрующей среды. Суммарный прирост потери напора в каждый момент времени равен площади фигуры, ограниченной осью ординат, кривой гидравлического уклона и линией начального гидравлического уклона Ь. Ограничим эту площадь криволинейной трапецией, одно из оснований которой примем равным так называемому расчетному гидравлическому уклону, который соответствует предельному насыщению зернистой пористой среды отложениями.

Так как зона, в которой фактический гидравлический уклон может быть больше расчетного: ^расч, ограничивается всегда очень тонким верхним слоем загрузки, такое ограничение по нашим данным дает ошибку в определении прироста потери напора, которая обычно не превышает 3-5% и ею можно пренебречь. Определим площадь прямолинейной трапеции Ь, ipacч, А, В. Она равна:

где: t - время фильтрования;

iрасч- скорость продвижения в глубь фильтрующей среды сечения с расчетным гидравлическим уклоном

Ь - начальный гидравлический уклон.

Площадь криволинейной трапеции, т.е. прирост потери напора равен:

где: Н - прирост потери напора; у - отношение площади криволинейной трапеции к площади прямолинейной.

Обозначим через отношение ирасч /а/Ь и выразим ipaсч через предельную насыщенность А согласно формулы Д.М.Минца для изменения гидравлического уклона:

Рисунок 3 - Расчетная схема распределения гидравлических уклонов по глубине фильтрующей среды в процессе ее заиления

(1)

(2)

Тогда имеем:

ipac4 i0 i0

fi л

расч --1

V io

/

После подстановки в выражение (2) получаем:

= i

1

1

(1 - A)

-1

H = i0-(1 + ß)- у

b

2

(1 - A)3

-1

x t

(4)

(5)

Обычно значение в <1. Пренебрегая значением в, получим формулу для расчета темпа прироста потери напора:

h

■ = i

b

1

2 У1 (1 - A)3

Л"

-1

(6)

Сопоставление полученной зависимости с теоретической формулой свидетельствует об их общей структуре. Темп прироста потери напора определяется одними и теми же параметрами. Если в формуле (6) в квадратных скобках обозначить:

1

2У

1

(1 - A)3

-1

= F * (A),

(7)

то значения F* (А) практически совпадают со значениями функции F(А) в теоретической формуле при у=1,35 (рисунок 2).

Однако, при указанном значении у соответствующая кривая изменения гидравлического уклона по толщине фильтрующей загрузки приближается к АВ (рисунок 3), что не отвечает опытным данным.

С целью выяснения реальной картины распределения гидравлических уклонов по высоте загрузки в процессе фильтрования были поставлены специальные опыты на фильтровальной колонке, оборудованной большим числом пьезометрических датчиков по высоте загрузки. Так как отложение осадка, а следовательно, и рост гидравлического сопротивления фильтрующей среды происходит в большей степени в первых по движению суспензии слоях фильтрующего материала, в этих слоях пьезометры были установлены более часто, чем на остальной высоте загрузки. Фильтровальная колонка была загружена однородным кварцевым песком dэкв= 1,09 мм. Общая высота фильтрующего слоя составила 1,8 м. Полученные характерные экспериментальные графики изменения гидравлических уклонов по высоте загрузки показывают, что площадь реальной криволинейной трапеции составляет 0,24-0,35 от площади прямолинейной трапеции и в среднем величина может быть принята равной 0,3.

Представленные на рисунке 2 результаты экспериментального определения F(А) также хорошо совпадают с выведенной формулой (6) при значении у = 0,3.

Таким образом, рекомендуемая формула для определения темпа прироста потери напора при заилении однородной зернистой загрузки имеет вид:

h тс a

— = 0,15i0 — t 0 b

1

(1 - A)3

или

-1

h- = io-F * (A). t b

(8)

(9)

Для определения возможных расхождений при расчетах по формуле (8) были вычислены значения темпа прироста потери напора при изменении крупности зерен загрузки и скорости фильтрации. Были приняты следующие исходные значения переменных при v = 7 м/ч, d = 1,0 мм, io= 0,3, h/t = 0,1 м/ч. Расчеты были проведены для четырех значений F(A) в исходном случае: 0,8; 1,6; 3,3; 9,0, что соответствует следующим четырем теоретическим значениям величины предельной насыщенности: 0,2; 0,3; 0,42 и 0,6. Значения параметров a/b, i0 и А при изменении крупности зерен загрузки и скорости фильтрования определялись по известным теоретическим зависимостям.

Полученные расчетные данные при изменении крупности зерен загрузки представлены в таблице 1.

Из представленной таблицы видно, что при пересчете влияния крупности зерен загрузки на темп

1

a

t

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

прироста потери напора по обеим формулам получаются близкие результаты и расхождение не превышает 13, 6%.

Расчеты влияния изменения скорости фильтрации на величину темпа прироста потери напора показывают, что при больших значениях функции F(A) (3,0-9,0) по обеим формулам также получаются сопоставимые результаты (расхождения находятся в пределах 10%). Однако при малых значениях функции F(A) получается существенная разница в расчетных данных. Так, при значении функции F(A)=0,8 получаются резко различные результаты, при этом ошибка может достигать 100%.

Таким образом, предлагаемая формула (8) позволяет более точно проводить расчеты по оптимизации загрузок фильтровальных сооружений.

Таблица 1

Значения темпа прироста потерь напора при изменении диаметра зерен загрузки

Диаметр зерен, Номер расчетн. Темп прироста потерь напора

мм формул А = 0,2 А = 0,3 А = 0,42 А = 0,6

1 0,1 0,1 0,1 0,1

9 0,1 0,1 0,1 0,1

1 0,55 0,45 0,405 0,38

9 0,475 0,436 0,42 0,43

1 0,05 0,037 0.041 0,042

9 0,05 0,037 0,04 0,0435

Список использованной литературы:

1. Абдурасулов, И. Моделирование технологического процесса очистки воды фильтрованием [Текст] / И. Абдурасулов, Д.Д. Тагибаев, Р.Ш. Мамбетова // Наука и новые технологии №4, - Бишкек, 2013. - С.31-33.

2. Минц, Д.М. Кинетика фильтрации малоконцентрированных водных суспензий на водоочистных фильтрах [Текст] /Д.М.Минц // ДАН, т.8, №2, 1951.

3. Апельцина, Е.И. Повышение эффективности коагулирования путем интенсификации процесса смешения реагентов с водой [Текст] / Е.И.Апельцина, Ю.И.Вейцер, Л.П.Рыбакова // Сб. научных трудов АКХ, Вып.177, 1980.

4. Аюкаев, Р.И. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды [Текст] / Р.И.Аюкаев, В.З.Мельцер // Справочное пособие. Л., Стройиздат, 1985. (авторские 60 стр.).

5. Вейцер, Ю.И. Осаждение коагулируемых суспензий [Текст] / Ю. И. Вейцер, З. Я. Колобова // Водоснабжение: науч.труды АКХ № 1, Ь., 1960. - 55-57с.

6. Mackrle V. The Theory of Rapid Filtration. Intemati-onal Water Supply Congress, Barcelona, 1966.

7. Минц, Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды [Текст] / Д.М.Минц // М.: Стройиздат, 1964. -155 с.

8. Мельцер, В.З. К расчету темпа прироста потери напора на водоочистных фильтрах [Текст] / В.З. Мельцер // Научные труды АКХ, вып.141 "Методы и средства улучшения качества питьевой воды и обработки осадков водопроводных станций. М., 1977г.

© Тагибаев Д.Д., Мамбетова Р.Ш., Абдурасулов И., 2016

УДК 621.391

Танаева Елена Геннадьевна

аспирант 2 курса, радиотехнический факультет, ФГБОУ ВПО «ПГТУ», г. Йошкар-Ола, РФ E-mail: [email protected]

АЛГОРИТМ ОБНАРУЖЕНИЯ СОСУДОВ СЕТЧАТКИ НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ ГЛАЗНОГО ДНА

Аннотация

Предложен алгоритм обнаружения сосудов сетчатки на изображениях глазного дна в основе которого