Экспериментальное исследование водоструйного аэратора
Аннотация
Статья посвящена изучению технологических параметров водоструйного аэратора, применяемого для насыщения воды кислородом на очистных сооружениях. В статье описаны методы исследования, в частности рассмотрена возможность использования компьютерного моделирования для исследования водоструйных аэраторов с помощью программного комплекса ANSYS 11.
Ключевые слова: Водоструйный аэратор, очистные сооружения, компьютерное моделирование, струйная аэрация.Ключевые слова:
05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
Экспериментальное исследование водоструйного аэратора состояло из испытаний в лабораторных условиях, обработки опытных данных, построений линий тока движения воды с помощью программного обеспечения ANSYS.
Цель исследования:
1) оптимизация параметров насыщения кислорода с помощью водоструйного аэратора;
2) построение компьютерной модели с линиями тока, характеризующими движение воды при заданных рабочих параметрах.
В лабораторных условиях была разработана установка водоструйного аэратора, рис.1. Планирование опыта и обработка опытных данных осуществлялась по методике активного эксперимента.
Установка водоструйного аэратора, см. рис.1 включает: 1. резервуар V =0,2 м3; 2. погружной насос, Н=1,8м, Q=0,33л/с, N=25Вт, установленный внутрь водоаэрационной колонны; 3. водоаэрационная колонна, переменного диаметра, 4. распределительная чаша.
Погружной насос создает турбулизацию потока в водоаэрационной колонне. Образуется барботирование и захват кислорода в верхней части колонны. При изливе воды из колонны в водоаэрационную чашу происходит захват воздуха. В распределительной чаши образуется гидравлический прыжок и перелив в резервуар, способствующий насыщению кислорода.
Параметр оптимизации – скорость насыщения кислородом;
Рис1. Принципиальная схема установки водоструйного аэратора
Таблица 1. Факторы варьирования для струйной аэрации
Фактор |
Наименование |
Уровни варьирования |
Интервал варьиров. |
||
- |
0 |
+ |
|||
Х1 |
Диаметр чаши, мм |
240 |
275 |
310 |
35 |
Х2 |
Высота борта стенок чаши, мм |
10 |
20 |
30 |
10 |
Х3 |
Высота чаши над поверхностью воды, мм |
20 |
30 |
40 |
10 |
Х4 |
Длина патрубка, мм |
0 |
20 |
40 |
20 |
Х5 |
Количество патрубков |
1 |
2,5 |
4 |
1,5 |
Таблица 2 Матрица планирования дробного факторного эксперимента типа 25-2
№ |
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Х4 |
Х5 |
У1 |
У2 |
Уср |
(Уср-У1)2 |
Урасч |
(Уср-Урасч)2 |
|
1 |
9 |
- |
+ |
- |
+ |
+ |
0,306 |
0,352 |
0,329 |
0,001 |
0,433 |
0,011 |
2 |
10 |
+ |
- |
+ |
- |
- |
0,312 |
0,454 |
0,383 |
0,005 |
0,413 |
0,001 |
3 |
11 |
- |
- |
+ |
- |
+ |
0,380 |
0,354 |
0,367 |
0,000 |
0,414 |
0,002 |
4 |
12 |
+ |
+ |
- |
+ |
- |
0,476 |
0,478 |
0,477 |
0,000 |
0,430 |
0,002 |
5 |
13 |
- |
+ |
- |
- |
+ |
0,548 |
0,490 |
0,519 |
0,001 |
0,395 |
0,015 |
6 |
14 |
+ |
- |
+ |
+ |
- |
0,532 |
0,433 |
0,483 |
0,002 |
0,451 |
0,001 |
7 |
15 |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
0,476 |
0,482 |
0,479 |
0,000 |
0,454 |
0,001 |
8 |
16 |
+ |
+ |
- |
- |
- |
0,347 |
0,345 |
0,346 |
0,000 |
0,392 |
0,002 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑3,383 |
∑0,009 |
|
∑0,035 |
Хi – факторы процесса
Уi- опытные данные, время насыщения кислорода, с.
Скорость насыщения кислорода определяли по формуле:
, мгО2/л/
С(О2) - предельная концентрация кислорода 5 мгО2/л.
С учетом критерия Кохрена, Cтьюдента, Фишера получено интерполяционное уравнение процесса:
Где YРАСЧ – время насыщения, мин;
Х4 – длина патрубка, мм.
Значимый фактор Х4 –длина патрубка;
При переходе от кодированных факторов к натуральным получено уравнение описания скорости насыщения кислородом в зависимости от длины патрубка:
Где V– скорость насыщения, м/с
L- длина патрубка, мм
Рис.2 График скорости насыщения от длины патрубка
Таким образом, установлено, что скорость насыщения кислородом с помощью струйного аэратора в наибольшей степени зависит от длины патрубка.
Построение линий тока движения воды при работе водоструйного аэратора проводилось с помощью программного комплекса ANSYS11. Для решения задачи использовались следующие продукты ANSYS 11: ICEM CFD, CFX, PrepPost. Модель водоструйного аэратора, дает наглядное описание движения воды с кривыми линиями токов к патрубкам со значениями скоростей, см.рис.2
Параметры оптимизации:
1.линии тока – достаточная или недостаточная заполненность, образование пустых мест в резервуаре;
2. средняя скорость V линии тока, м/с.
Таблица 3. Факторы варьирования
Фактор |
Наименование |
Уровни варьирования |
Интервал варьиров. |
||
- |
0 |
+ |
|||
Х1 |
Диаметр сечения входа воды в резервуар, мм |
240 |
275 |
310 |
35 |
Х2 |
Количество патрубков, шт, |
1 |
2,5 |
4 |
1,5 |
Х3 |
Длина патрубка, см |
2 |
5 |
8 |
3 |
Примечание факторы Х2 Высота борта стенок чаши и Х3 Высота чаши над поверхностью воды исключены по программным требованиям.
Таблица 4. Матрица планирования полного факторного эксперимента типа 23 и результаты эксперимента
№ |
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Опытные данные |
|
L |
V1 |
||||
1 |
- |
+ |
+ |
достаточно |
1,730 |
2 |
+ |
- |
- |
недостаточно |
- |
3 |
- |
- |
+ |
достаточно |
1,757 |
4 |
+ |
+ |
- |
недостаточно |
- |
5 |
- |
- |
- |
недостаточно |
- |
6 |
+ |
- |
+ |
достаточно |
2,258 |
7 |
- |
+ |
- |
недостаточно |
- |
8 |
+ |
+ |
+ |
достаточно |
2,282 |
Опыты, в которых линии тока не заполнили весь резервуар, были исключены из дальнейшего расчета. Для оставшихся опытов были определены средние значения скорости м/с2.
Согласно полученным значениям наибольшая скорость составляет 2,282 м/с2 в опыте №8 при максимальных заданных значения факторов варьирования: Х1- диаметр сечения 310 мм, Х2 – длина патрубка 40 мм, Х3- количество патрубков 4шт.
Рис.3 Линии тока водоструйного аэратора со следующими параметрами:
Х1- диаметр сечения 310 мм, Х2 – длина патрубка 40 мм, Х3- количество патрубков 4 шт.
ВЫВОДЫ
1. Разработаны модели аэраторов водоструйного типа.
2. Оптимизация параметров насыщения кислорода с помощью струйной аэрации показала, что процесс насыщения кислорода в большей степени зависит от длины патрубков.
Определено, что основным фактором насыщения воды кислородом является длина патрубка.
3.Получено уравнение описания скорости насыщения кислородом в зависимости от длины патрубка:
V = 0,4+ 0,001L
Где V – скорость насыщения,
L-длина патрубка.
4. Построены линии токов с помощью программного оборудования ANSYS 11 движения воды к патрубкам. Получены значения скорости движения воды при различных рабочих параметров аэратора.
Литература
1. Ахназарова С.Л. Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М. «Высшая школа» 1978.-365с.
2. Повышение эффективности струйной аэрации естественных водоемов и биологических прудов. Диссертация. Помогаева В.В. М. 2009 г.
3. Аэратор водосливной типа ВАр, Технические условия ТУ 4859-002-48268309-2003, от 01.07.2003г. ОКП 485913. ГР. Ж21. Регистрационный номер № 007660, от 02.07.2003г. Госстандарт России, ФГУ РЦСМ
4. Попкович Г.С., Репин Г.Н. Системы аэрации сточных вод. -М:Стройиздат,1986.-136с.:ил.