Экспериментальное исследование водоструйного аэратора

Аннотация

Н.С. Серпокрылов, А.А. Бондарчук, И.В. Новосельцева, Н.Н. Куля

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

Таблица 2 Матрица планирования дробного факторного эксперимента типа 2^5-2

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

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

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.