2436

ENGINEERING SYSTEMS

Список литературы

1. Алексеев Е.В. Основы технологии очистки сточных вод флотацией /

Е.В. Алексеев. – М.: АСВ, 2009. – 136 с.

2.Андреев, С.Ю. Теоретический анализ свойств динамической двухфазной дисперсионной смеси «вода – воздух» / С.Ю. Андреев, М.И. Яхкинд, Н.Н. Ласьков, В.А. Князев // Региональная архитектура и строительство. – 2021. – №4. – С. 128–136.

3.Симаков, Н.Н. Расчет обтекания и сопротивления шара в ламинарном сильно турбулентном потоках / Н.Н. Симаков // Журнал технической физики. – 2013. – Т.83,

№4. – С. 16–20.

References

1.Alekseev, E.V. Fundamentals of wastewater treatment technology by flotation / E.V. Alekseev. – M.: DIA, 2009 – 136 р.

2.Andreev, S.Yu. Theoretical analysis of the properties of a dynamic two-phase

dispersion mixture «water – air» / S.Yu. Andreev, M.I. Yakhkind, N.N. Laskov, V.A. Knyazev // Regional architecture and construction. – 2021. – No. 4. – P. 128–136.

3. Simakov, N.N. Calculation of the flow and resistance of the ball in laminar highly turbulent flows / N.N. Simakov // Journal of Technological Physics. – 2013. – Vol.83, No. 4 – P. 16–20.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ВИХРЕВОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО АЭРАТОРА

С.Ю. Андреев, А.И. Шеин, Н.Е. Курносов, Д.П. Алексеев

Приведены результаты экспериментальных исследований процесса работы вихревого гидравлического аэратора. Показано, что наибольшая энергетическая эффективность аэратора Эа=1,51 кгО2/кВт·ч достигается при величине давления на входе в аэратор Ра=0,2 МПа, величины коэффициента эжекции воздуха и коэффициента использования кислорода воздуха при этом имеют значения KЭ=0,77, Ku=0,10. Установлено, что вихревой гидравлический аэратор является эффективным устройством, позволяющим получать мелкодисперсную водовоздушную смесь, содержащую пузырьки воздуха диаметром dП=0,057–0,123 мм и имеющую величину коэффициента газонасыщения φ=0,011–0,068. Новая конструкция вихревого гидравлического аэратора может быть использована в технологических процессах биологической и флотационной очистки сточных вод.

Ключевые слова: вихревой аэратор; эжекция воздуха; окислительная способность; коэффициент массопередачи; энергетическая эффективность; коэффициент газонаполнения

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE PROCESS OF OPERATION

OF A HYDRAULIC AERATOR VORTEX

S.Yu. Andreev, A.I. Shein, N.E. Kurnosov, D.P. Alekseev

The results of experimental studies of the operation of a vortex hydraulic aerator are presented. It is shown that the highest energy efficiency of the aerator Ea =1.51 kgO2 / kWh is achieved when the pressure at the entrance to the aerator Pa = 0.2 MPa, the values of the air ejection coefficient and the air oxygen utilization coefficient have the values of KE =0.77, Ku=0.10. It is established that the vortex hydraulic aerator is an effective device that allows to obtain a finely dispersed water-air

ENGINEERING SYSTEMS

mixture containing air bubbles with a diameter dP = 0.057 – 0.123 mm and having a gas saturation coefficient value φ = 0.011 – 0.068. The new design of the vortex hydraulic aerator can be used in technological processes of biological and flotation wastewater treatment.

Keywords: vortex aerator; air ejection; oxidizing ability; mass transfer coefficient; energy efficiency; gas filling coefficient

Внастоящее время в практике очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод широкое распространение получила технология аэробного биохимического окисления содержащихся в них органических загрязнений микроорганизмами активного ила аэротенков. Аэротенки представляют собой емкостные сооружения, оборудованные системой аэрации, предназначенной для обеспечения микроорганизмов активным кислородом воздуха и перемешивания обрабатываемых сточных вод

сактивным илом [1, 2].

Втехнологических процессах биохимической очистки небольших расходов сточных вод хорошо себя зарекомендовали гидравлические аэрационные системы [3].

Принцип действия гидравлического аэратора основан на вовлечении в аэрационный объем атмосферного воздуха рециркуляционным потоком очищаемых сточных вод, перекачиваемых насосом.

Сотрудниками Пензенского государственного университета была разработана новая конструкция вихревого гидродинамического аэратора [4], схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема вихревого гидравлического аэратора:

1 – корпус аэратора; 2 – тангенциальный патрубок для подачи воды; 3 – патрубок для вывода водовоздушной смеси; 4 – патрубок для эжектирования воздуха

К цилиндрической камере корпуса вихревого аэратора 1 тангенциально присоединен патрубок 2 для подачи воды. При поступлении в корпус аэратора 1 по танген-

циально присоединённому к нему патрубку 2 элементарного объема жидкости WЖ , м3, массой mЖ WЖ , кг (где ρ – плотность жидкости, кг/м3), поток жидкости

приобретает вращательно-поступательное движение и перемещается в пристеночной области от одного торца к другому торцу корпуса аэратора, где он меняет направление своего движения и двигается в приосевой области по направлению к патрубку 3. Поскольку величины моментов количества движения элементарного объема жидкости в пристеночной области MС и вихревой области M0 равны друг другу, то можно записать:

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

где ЖR – величина окружной (тангенциальной) скорости потока жидкости на входе в корпус аэратора, м/с; Жr – величина окружной (тангенциальной) скорости потока жидкости на расстоянии r0 от оси симметрии корпуса аэратора, м/с; I – циркуляция

скорости вихревой трубки, м2/с.

Таким образом, тангенциальный ввод жидкости в корпус аэратора позволяет получить «тангенциальную» закрутку потока в приосевой области аэратора с постоянной величиной циркуляции скорости I, что обеспечивает создание разряжения и эжектирования воздуха из атмосферы по патрубку 3. Экспериментальные исследования вихревого гидравлического аэратора проводились на лабораторном испытательном стенде, схема которого представлена на рис. 2. Общий вид работающего вихревого гидравлического аэратора представлен на рис. 3.

Рис. 2. Схема лабораторного испытательного стенда:

1 – вихревой гидравлический аэратор; 2 – аэрационный бассейн; 3 – центробежный насос; 4 – частотный преобразователь; 5 – ЭВМ; 6 – датчик температуры; 7 – датчик растворенного кислорода; 8 – ротаметр; 9 – манометр; 10 – расходомер жидкости

ENGINEERING SYSTEMS

Рис. 3. Общий вид работающего вихревого гидравлического аэратора

Лабораторный стенд включает в себя следующее оборудование: емкость с прозрачными стенками объемом V=0,1 м3 (аэрационный бассейн) 1, на дне которой закреплен вихревой гидравлический аэратор 2, центробежный насос 3, перекачивающий рециркуляционный поток аэрируемой воды из аэрационного бассейна во входной патрубок аэратора, датчик температуры 6 (ДТС035-50МВ3.80) и датчик концентрации кислорода 7 (OxyScan Light), показания с которых отображались на дисплее и сохранялись в памяти ЭВМ 5. Рабочие характеристики центробежного насоса 3 (расход-напор) изменялись с помощью частотного преобразователя 4. Расход воздуха, эжектируемого вихревым гидравлическим аэратором, контролировался ротаметром 8 (Bronkhorst EL-FLOW Select M423-19-00V). Уровень давления и расход рецирку-

ляционного потока, подаваемого центробежным насосом в вихревой гидравлический аэратор, контролировался датчиком давления 9 (ПД100-ДИ10-10.И.110) и расходомером жидкости 10 (СГВ 15). Режим работы вихревого гидравлического аэратора фиксировали видеокамерой 11.

В первой серии экспериментов проводились исследования зависимости концентрации кислорода в аэрационном бассейне от продолжительности процесса аэрации T при расходе перекачиваемой воды QЖ=0,00054 м3/с и давлении на входе в аэратор Pа=0,8 МПа. Полученные результаты представлены в виде графика, изображенного на рис. 4.

Величина объемного коэффициента массопередачи вихревого гидравлического аэратора KW, с-1, определялась по методике переменного дефицита кислорода по уравнению

где T – продолжение процесса аэрации, с; CH, C0 и CT – соответственно: концентрация насыщения воды кислородом воздуха, концентрация кислорода в аэрационном бассейне в начальный момент аэрации и через T секунд процесса аэрации, мг/л. При

температуре воды t = 19 °C величина концентрации насыщения имеет значение

CH= 9,21 мг/л (г/м3).

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Рис. 4. Зависимость величины концентрации растворенного в воде аэрационного бассейна кислорода Ct, мг/л, от продолжительности процесса аэрации T, сек

Проведенные экспериментальные исследования показали, что величина объемного коэффициента вихревого гидравлического аэратора имеет значение KW=0,018 с-1=65 ч-1.

Основными технологическими характеристиками вихревого гидравлического аэратора наряду с объемным коэффициентом массопередачи KW, с-1, являются: окислительная способность устройства ОС, кг/с (кг/ч); коэффициент эжекции KЭ; коэффициент использования кислорода воздуха KU; энергоэффективность устройства

Эa, кгО2/кВт·ч.

Окислительную способность аэратора принято определять на водопроводной обескислороженной воде, используя формулу

Величина коэффициента эжекции гидравлических аэраторов определяется как отношение объемного расхода подсасываемого (эжектируемого) воздуха Qв, м3/ч, к объемному расходу перекачиваемой насосом жидкости Qв, м3/ч:

Величина использования кислорода воздуха определяется как отношение окислительной способности аэратора ОС, кг/ч, к массе кислорода, содержащегося в прошедшем через аэратор атмосферном воздухе Qтв, кг/ч.

где Скв=0,3 кг/м3 – концентрация кислорода в атмосферном воздухе.

Окислительная способность вихревого гидравлического аэратора может быть также определена по формуле

ENGINEERING SYSTEMS

Величина энергетической эффективности вихревого гидравлического аэратора рассчитывается как отношение окислительной способности устройства ОС к потребляемой аэратором мощности N:

В табл. 1 приведены значения расходов рециркуляционных потоков воды, перекачиваемой центробежным насосом QЖ, м3/с, и воздуха, подсасываемого вихревым гидродинамическим аэратором QВ, м3/с, при давлении Pа, МПа, а также величин коэффициентов эжекции вихревого гидравлического аэратора KЭ, рассчитанных по формуле (7), величин окислительной способности вихревого гидравлического аэратора ОС, кг/ч, рассчитанных по формуле (9), и величин энергетической эффективности вихревого гидравлического аэратора Эa, кгО2/кВт·ч, рассчитанных по формуле (10).

Т а б л и ц а 1 Технические характеристики вихревого гидродинамического аэратора

Во второй серии экспериментов проводились исследования зависимостей изменения характеристик водовоздушной смеси, образующейся в вихревом гидравлическом аэраторе при величине коэффициента эжекции КЭ=0,05, от величины давления на входе в аэратор Pа.

Общий вид водовоздушной смеси, образованной в вихревом гидродинамическом аэраторе при величине давления на входе Pа=0,8 МПа, представлен на рис. 5.

Водовоздушная смесь с выхода вихревого гидродинамического аэратора отбиралась в лабораторный мерный цилиндр, и проводилось определение величины коэффициента газонаполнения φ по формуле

где WСМ – объем водовоздушной смеси, м3; WЖ – объем занимаемой жидкости после выделения из нее пузырьков воздуха, м3.

Значение величины коэффициента кинетической вязкости водовоздушной смеси вычисляется по формуле

где γж – величина коэффициента кинематической вязкости воды, γж=1,01·10-6 м2/с.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Рис. 5. Общий вид водовоздушной смеси, образованной в вихревом гидродинамическом аэраторе при величине давления на входе Pа=0,8 МПа

Измерялась скорость движения раздела фаз «водовоздушная смесь – жидкость» в мерном цилиндре υП, м/с, и по формуле Стокса вычислялась величина эквивалентного диаметра пузырька воздуха в водовоздушной смеси:

где ρ=998,2 кг/м3 и ρв=1,2 кг/м3 – соответственно плотность воды и плотность воздуха. В табл. 2 приведены технологические характеристики водовоздушной смеси, обра-

зующейся на выходе из вихревого аэратора.

Т а б л и ц а 2 Технологические характеристики водовоздушной смеси, образующейся на выходе

из вихревого гидродинамического аэратора

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Масса элементарного объема жидкости, перемешиваемой пузырьком воздуха диаметром dП, при этом будет иметь величину

Величина энергии силы поверхностного натяжения пузырька воздуха может быть определена как

1/5

K 128

где гд – коэффициент, зависящий от гидродинамических условий, при

которых осуществляется процесс диспергирования водовоздушной смеси. В соответствии с рекомендациями [5] Kгд=3/2.