Центрифугуючий пристрій для видалення з води завислих речовин

Размещено на http://www.allbest.ru/

харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

УДК 628.16

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Центрифугуючий пристрій для видалення з води завислих речовин

Спеціальність 05.23.04 - водопостачання, каналізація

Скорик Анна Леонідівна

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Карагяур Андрій Степанович, доцент кафедри водопостачання, каналізації і гідравліки Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ткачук Олександр Андрійович, завідувач кафедри міського будівництва і господарства Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне)

кандидат технічних наук, доцент Благодарна Галина Іванівна, доцент кафедри водопостачання, водовідведення та очистки вод Харківської національної академії міського господарства

Захист відбудеться "19" січня 2011 р. об 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: вул. Сумська, 40, м. Харків, 61002.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: вул. Сумська, 40, м. Харків, 61002.

Автореферат розісланий "10" грудня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент О.В. Гвоздецький.

Вступ

Актуальність роботи. В умовах високого рівня забруднення поверхневих джерел, невідповідності якості більшості підземних вод вимогам до питної води через підвищений вміст заліза, а також при надзвичайних ситуаціях, наприклад, повені, коли джерела водопостачання можуть бути забруднені, актуальною є розробка компактних установок для тонкого очищення води до питної якості. Особливо дана проблема актуальна при водопостачанні малих населених пунктів.

Однією із сучасних технологій видалення з води дрібнодисперсних і колоїдних забруднень є системи низьконапірної мембранної мікро- або ультрафільтрації. Розмір пор мембрани і низький робочий тиск забезпечують високу якість очищеної води при відносно невеликих експлуатаційних витратах. При цьому затримується більша частина колоїдів і бактерій, не змінюється сольовий склад води, виключається первинне хлорування, не потрібно введення реагентів. Але основним недоліком даного методу очищення є залежність продуктивності та робочого тиску пристрою від якості вихідної води, а також складність експлуатації, що обмежує його застосування.

Тому для попереднього освітлення води перед її подачею на мембранні модулі перспективним напрямком є застосування освітлюючих центрифугуючих пристроїв.

Центрифуги знайшли широке застосування в хімічній, харчовій, фармацевтичній та інших галузях, але для освітлення води з невеликим вмістом завислих речовин вони в системах водопостачання не застосовувалися через високі експлуатаційні витрати при використанні центрифуг існуючих конструкцій.

У сучасних умовах все більшого значення набуває величина витрат, пов'язаних з обраною технологією освітлення води, вартістю будівництва та експлуатацією відповідних споруд.

Тому обґрунтування такої конструкції освітлюючої центрифуги, при якій забезпечується необхідна якість очищення води при мінімальних експлуатаційних витратах, є актуальним і дає можливість для створення компактних, високоефективних, надійних в експлуатації та енергоекономних споруд для очищення води.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана відповідно до плану Міністерства освіти і науки України «Розробка технологій та нових економічних у будівництві компактних споруд для очистки поверхнево-зливового стоку урбанізованих територій» (№ держреєстрації 0109U000271).

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування раціональних технологічних та конструктивних параметрів освітлюючого центрифугуючого пристрою, що забезпечують необхідний ефект очищення води від завислих речовин при мінімальних енергетичних витратах.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- виконати аналіз існуючих пристроїв і методів для освітлення води, оцінити можливість їх застосування в якості компактних і ефективних пристроїв попереднього очищення;

- розробити математичну модель процесу видалення з води завислих речовин у центрифугуючому пристрої;

- вивчити вплив технологічних та конструктивних параметрів центрифугуючого пристрою на ефективність його роботи;

- визначити раціональні технологічні та конструктивні параметри центрифугуючого пристрою, при яких забезпечується необхідний ефект очищення при мінімальній питомій потужності;

- провести експериментальні дослідження осадження зависі в центрифугуючому пристрої для перевірки достовірності результатів теоретичних досліджень;

- виконати техніко-економічне обґрунтування застосування освітлюючих центрифуг розробленої конструкції як пристроїв попереднього очищення при послідовному освітленні води в центрифугах та установках мембранної фільтрації.

Об'єкт дослідження - процес видалення з води завислих речовин у полі відцентрових сил.

Предмет дослідження - технологічні та конструктивні параметри освітлюючого центрифугуючого пристрою.

Методи досліджень - теоретичні дослідження процесу видалення з води завислих речовин у центрифугуючому пристрої засновані на числовому рішенні системи вихідних рівнянь за допомогою розробленої комп'ютерної програми; експериментальні дослідження виконані в лабораторних умовах на модельних суспензіях, у тому числі з використанням річкового осаду, взятого з ковша водозабору; вміст завислих речовин і розподіл часток по гідравлічній крупності в воді, що досліджувалася, визначались за стандартними методиками; для визначення достовірності результатів теоретичних досліджень застосовані методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблено математичну модель процесу видалення з води завислих речовин в освітлюючій центрифузі, що враховує вплив на ефект очищення та потужність пристрою технологічних та конструктивних параметрів, у тому числі, конструктивних рішень підведення та відведення води, що освітлюється, способу організації потоку води в секціях центрифуги, а також змив часток, які осіли, з поверхні осадження;

- визначені та науково обґрунтовані раціональні технологічні та конструктивні параметри освітлюючого центрифугуючого пристрою, що забезпечують необхідний ефект очищення від завислих речовин при мінімальних енергетичних витратах.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі наукового аналізу, теоретичних та експериментальних досліджень удосконалено конструкцію освітлюючої центрифуги для ефективного видалення з води завислих речовин, обґрунтовано підібрані її раціональні технологічні та конструктивні параметри.

Розроблені рішення дозволяють створити компактні ефективні пристрої попереднього очищення води перед подачею на установки мікро- або ультрафільтрації, що в три рази скорочує енергетичні витрати, скорочує капітальні та експлуатаційні витрати та підвищує надійність системи водопідготовки.

Результати проведених досліджень і розроблених рекомендацій прийняті до впровадження в КП «ВТП «Вода» м. Харкова і використовуються в розробках інституту ВАТ «Харківський Водоканалпроект».

Особистий внесок автора. Наукові результати, які викладені в дисертації, отримані особисто автором на підставі теоретичних і експериментальних досліджень по видаленню з води завислих речовин у центрифугуючому пристрої.

Автор брав участь у проектуванні та виготовленні експериментальної установки, а також організації і проведенні експериментальних досліджень, виборі методів дослідження.

Автором особисто розроблена математична модель процесу видалення з води завислих речовин у центрифугуючому пристрої, за допомогою якої автор провів теоретичні дослідження, спрямовані на обґрунтування раціональних технологічних і конструктивних параметрів пристрою. Розроблена методика по визначенню раціональних параметрів, виконане зіставлення теоретичних і експериментальних даних.

Апробація роботи. Основні результати та головні положення дисертації доповідалися на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (2008-2010 р. р.); міжнародній науковій конференції: «Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд» (м. Харків, 2009 р.); міжнародній науково-технічній конференції: «Актуальні проблеми водного господарства та природокористування» (м. Рівне, 2009 р.); міжнародних науково-практичних конференціях: «Екологія, енерго- ресурсозбереження, охорона довкілля та здоров'я людини, утилізація відходів» (м. Щолкіне, АР Крим, 2009 р.), «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» (м. Миргород, 2009 р.), «Сучасні проблеми охорони довкілля та раціонального використання ресурсів у водному господарстві» (м. Миргород, 2010 р.), «Вода, екологія, суспільство» (м. Харків, 2010 р.), «Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення» (м. Алушта, АР Крим, 2009 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 друкованих праць, у тому числі 6 - у спеціалізованих видавництвах, регламентованих ВАК України, 1 патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 179 найменувань, 5 додатків і вміщує 41 рисунок та 6 таблиць по тексту, усього 139 сторінок.

Основний зміст роботи

У першому розділі виконано огляд стану питання очищення води від завислих речовин. Проведено огляд найбільш відомих методів і споруд, що використовуються для освітлення води, та відмічені основні їх недоліки та переваги. Відмічено також, що сучасним напрямком очищення води від завислих та колоїдних речовин є мембранна фільтрація. Показано, що не зважаючи на значні переваги, даний метод також має недоліки, головні з яких - залежність продуктивності та робочого тиску мембранних установок від якості вихідної води. Тому даний метод очистки води має значні перспективи при використанні компактних, високоефективних, енергоекономних пристроїв попереднього очищення.

У якості компактних, ефективних та надійних в експлуатації пристроїв для освітлення води від завислих речовин пропонуються освітлюючі центрифуги. В центрифугах за рахунок значної швидкості обертання можливе створення відцентрових сил, які у багато разів перевищують відцентрові сили в гідроциклонах та силу тяжіння у відстійниках.

Показано, що центрифуги існуючих конструкцій показали свою ефективність при освітленні води та у зв'язку з високою вартістю та складністю в експлуатації не знайшли широкого застосування. Тому було встановлено, що для досягнення високого ефекту освітлення води в центрифугах при мінімальних енерговитратах пристрою необхідно обґрунтовано вибирати конструктивні та технологічні параметри. Було відзначено також, що перспективними для видалення завислих речовин є трубчасті центрифуги, в яких діаметр набагато менший за довжину ротора, а спіралевидні та циліндричні вставки збільшують продуктивність пристрою та покращують ефект очистки.

Значний вклад у розвиток теорії центрифугування, а також конструювання центрифугуючих пристроїв внесли такі вчені та інженери, як Агранонік Р.Я., Біркган Ю.Б., Гольдін Є.М., Епоян С.М., Ільїн М.І., Знаменський Г.М., Романков П.Г., Соколов В.І., Томбаєв Н.І., Туровський І.С., Шкоропад Д.Є. та ін. Питаннями теоретичного обґрунтування існуючих методів видалення завислих речовин та розробкою споруд для освітлення води займались Піскунов П.І., Турчінович В.Т., Демура М.В., Пономарьов В.Г., Кедров Ю.В., Апєльцин І.Е, Мінц Д.М. та ін. У розвиток мембранних технологій внесли вклад Мулдер М., Пєрвов А.Г., Десятов А.Г та ін.

Показана актуальність удосконалення освітлюючого центрифугуючого пристрою та вибір таких його параметрів, при яких забезпечується необхідний ступінь очистки води при мінімальних енергетичних витратах.

У другому розділі представлено розроблену математичну модель процесу видалення з води завислих речовин в освітлюючій центрифузі, що дозволяє визначити ефект освітлення та потужність пристрою залежно від його технологічних і конструктивних параметрів.

Під конструктивними параметрами маються на увазі розміри центрифугуючого пристрою: зовнішній радіус R, робоча висота Н, кількість секцій k, ширина секцій r, конструктивні умови підведення та відведення води, що очищається; під технологічними - продуктивність пристрою Q, кутова швидкість (або частота обертання), організація (розподіл) потоку в секціях.

Для визначення ефекту освітлення води в центрифугуючому пристрої необхідно знати залежність цього параметру від гідравлічної крупності часток суспензії для конкретної води, що очищається, Э=f(u). Ці залежності можуть бути отримані на основі експериментальних досліджень із седиментації суспензій у спокої.

Розрахункова гідравлічна крупність односекційної центрифуги із припущення про рівномірний розподіл швидкості в роторі дорівнює (1):

. (1)

При освітленні води в центрифузі витрати енергії пов'язані з розкручуванням води, що надходить на очищення. Корисна потужність односекційного центрифугуючого пристрою визначається за залежністю (2):

. (2)

Вплив конструктивних умов підведення та відведення води, що освітлюється, на кінематичну структуру потоку у роторі центрифуги та, відповідно, на розрахункову гідравлічну крупність, враховано за допомогою рівняння переносу кількості руху (3), рівняння нерозривності потоку (4), і рівняння (5), що описує траєкторію частки суспензії, записаних у циліндричній системі координат і приведених до безрозмірного виду:

(3)

(4)

. (5)

де - безрозмірна сила тиску; - число Рейнольдса; - середня швидкість руху води у роторі.

Граничні умови: на стінках складові швидкості дорівнюють нулю; на вході та виході з робочої частини ротора радіальна швидкість дорівнює нулю, а поздовжня швидкість - значенням відповідно до умов підведення та відведення води.

Рівняння (3)-(5) вирішуються числовим способом за допомогою методу поздовжньо-поперечної прогонки.

У певному діапазоні значень технологічних параметрів відбувається змив часток осаду з поверхні осадження в роторі освітлюючої центрифуги, що значно впливає на ефект очищення. Вплив цього явища описується залежностями (6-10), де враховується доля часток суспензії, що повертаються до потоку:

1) u_кр1, u_кр2 u_розр

Э_змив = Э(u_розр) - Е(u_кр2) + Е(u_кр1), (6)

де Э(u_розр) - ефект освітлення, що визначається без урахування змиву часток, що осіли; - інтегральне розподілення часток зависі у вихідній воді за гідравлічною крупністю;

2) u_кр1, u_кр2 < u_розр

Э_змив = Э(u_розр) - Е₁(u_кр2) + Е₁(u_кр1), (7)

де Е₁(u) - інтегральне розподілення часток зависі, що осіли, у вихідній воді з гідравлічною крупністю меншою розрахункової u_розр.

; (8)

, (9)

3) u_кр1 > u_розр, u_кр2 < u_розр

Э_змив = Э(u_розр) - Е(u_розр) + Е(u_кр1) + Е₁(u_розр) - Е₁(u_кр2). (10)

Діапазон часток, що змиваються, тобто значення критичних діаметрів і, відповідно, гідравлічної крупності (u_кр1, u_кр2), визначаються за допомогою формули Стокса та рівняння балансу сил (11), які діють на частку суспензії, що осіла на поверхні осадження:

, (11)

де - динамічна в'язкість; - коефіцієнт пропорційності; k - коефіцієнт адгезії; f - коефіцієнт тертя частки о стінку; d - діаметр частки зависі; - різниця щільностей рідини та частки зависі; V_d/2 = f(Q) - швидкість потоку на відстані d/2 від стінки ротору.

На частку суспензії, що осіла, діють сили інерції, ваги, адгезії, стоксового опору, підйомна сила, сила тертя.

Енергетично більш вигідно застосовувати центрифуги для більш тонкого очищення та з невеликою продуктивністю. Але при значних витратах води, що очищується, не завжди технологічно зручно використовувати велику кількість центрифуг малої продуктивності, до того ж це може привести до збільшення сумарної вартості установки. Підвищити продуктивність пристрою, не збільшуючи його розміри в цілому, можна шляхом секціонування простору ротора центрифуги за допомогою циліндричних вставок.

У цьому випадку можливі такі основні варіанти організації потоку між циліндричними вставками:

1) якість води на виході з кожної секції однакова u_i = const;

2) середня швидкість руху води в кожній секції однакова v_i = const;

3) продуктивність кожної секції однакова Q_i = const.

Для цих випадків були виведені розрахункові залежності (12-20) для ефекту освітлення й потужності освітлюючої центрифуги:

1) u_i = const

продуктивність (якщо задана розрахункова гідравлічна крупність):

; (12)

потужність:

; (13)

розрахункова гідравлічна крупність та ефект освітлення (якщо задана продуктивність):

(14)

де i - номер секції (нумерація починається від зовнішньої секції); k - кількість секцій; ;

2) v_i = const

продуктивність i-ої секції:

; (15)

розрахункова гідравлічна крупність для i-ої секції:

; (16)

ефект освітлення центрифуги в цілому:

; (17)

потужність:

; (18)

3) Q_i = const

продуктивність i-ої секції: ;

розрахункова гідравлічна крупність для i-ої секції:

; (19)

ефект освітлення центрифуги в цілому: ;

потужність:

. (20)

У третьому розділі за допомогою розробленої математичної моделі процесу видалення з води завислих речовин в освітлюючій центрифузі були проведені дослідження впливу технологічних і конструктивних параметрів пристрою на ефективність його роботи.

Енергетично більш вигідними є центрифуги з невеликими значеннями частоти обертання і радіусу та, відповідно, невеликої продуктивності. Однак зниження частоти обертання з метою зменшення питомої потужності обмежено через змив часток суспензії, що осіли, з поверхні осадження. Тому енергетично вигідно застосовувати центрифуги з параметрами, значення яких близькі до критичних, тому що, наприклад, при заниженій, у порівнянні із критичною, частоті обертання різко зменшується ефект очищення за рахунок змиву часток, що вже осіли, а при завищеній - різко росте питома потужність та, відповідно, енергетичні витрати. Тому критичні параметри є раціональними. центрифугуючий очищення технологічний

Визначення раціональних значень засновано на рівнянні балансу сил (11), які діють на частку суспензії, що осіла на поверхні осадження. Критерієм початку змиву часток, що осіли, є така комбінація технологічних і конструктивних параметрів, при якій це рівняння має один корінь.

Визначити критичні параметри центрифугуючого пристрою можна, користуючись наступним алгоритмом:

1) задаючись зовнішнім радіусом пристрою, відстанню між секціями та необхідним ефектом очищення, визначається продуктивність і середня швидкість потоку в першій секції V_ср;

2) обчислюється критичне значення числа Фруда та, відповідно, кутової швидкості:

,

де V_пов - швидкість потоку води біля поверхні осадження; а - коефіцієнт, який залежить від ширини секції та кількості вузлів у кінцево-різницевій сітці, що застосовується для числового визначення поля швидкостей.

3) величина зовнішнього радіуса коректується доти, доки значення питомої потужності не буде мінімальним.

Проведені дослідження показали, що умови підведення та відведення води більше впливають на швидкість біля поверхні осадження та, відповідно, на змив часток, що осіли, чим на значення розрахункової гідравлічної крупності. Тому для зменшення змиву часток, що осіли, підведення та відведення води слід здійснювати через отвори, розташовані біля внутрішньої стінки секції, ширина яких дорівнює приблизно третині ширини секції (рис. 1).

Рис. 1. Схема вдосконаленого центрифугуючого пристрою.

Вивчення впливу організації потоку в секціях центрифуги на ефект освітлення та питому потужність пристрою показало, що:

1) змив часток зависі, що осіли, значно погіршує ефект освітлення у центрифугуючому пристрої (рис. 2), тому конструктивні та технологічні параметри цього пристрою мають бути такими, щоб запобігти змиву часток;

2) потік у центрифугуючому пристрої слід організовувати за умови однакової якості води на виході з кожної секції, тому що при цьому центрифуга матиме найбільшу критичну продуктивність (рис. 2), тобто продуктивність, при якій починається змив часток, що осіли.

Щоб у кожній секції відбувалося рівномірне очищення відповідно до умови u_i = const, кількість отворів n_i, через які підводиться та відводиться вода, для і-ої секції з урахуванням площі секції повинна відповідати умові:

Рис. 2. Залежність ефекту освітлення води від продуктивності та способу організації потоку в секціях центрифуги з циліндричними вставками: 1 - Э(Q) без урахування змиву часток, що осіли; 2 - Э(Q) з урахуванням змиву часток, що осіли, при u_i=const; 3 - Э(Q) з урахуванням змиву часток, що осіли при v_i=const; 4 - Э(Q) з урахуванням змиву часток, що осіли, при Q_i=const.

Видаляти осад з ротора центрифуги пропонується за допомогою вимкнення пристрою: при зникненні сили інерції накопичений у роторі осад змивається потоком води, що продовжує надходити до центрифуги.

Вплив технологічних та конструктивних параметрів центрифугуючого пристрою на процес видалення осаду вивчено за допомогою рівняння балансу сил, які діють на окрему частку суспензії, що осіла на циліндричній стінці ротора, у момент вимикання пристрою.

Проведені дослідження показали, що видалення осаду у внутрішніх секціях центрифуги відбувається гірше, ніж у зовнішніх (рис. 3).

Рис. 3. Залежності критичного діаметру часток зависі і продуктивності пристрою від номеру та кількості секцій

Так як ці секції ненабагато збільшують продуктивність пристрою (рис. 3), тому при проектуванні центрифуги необхідно приймати кількість секцій, що приблизно дорівнює 3/4 від максимального.

Іншим, більш ефективним способом видалення осаду без збільшення витрати води на промивку є збільшення швидкості потоку води біля поверхні осадження. Одним з можливих варіантів забезпечення цього є зміна умов підведення та відведення води під час видалення осаду з пристрою таким чином, щоб вихідна вода подавалася по всій ширині секції. При цьому середня швидкість потоку буде однаковою в усіх секціях. Але даний спосіб вимагає конструктивного ускладнення пристрою; тобто, при роботі центрифуги в режимі освітлення диски з отворами, що розподіляють потік по секціях, мають бути притиснуті до циліндричних вставок, а при роботі в режимі видалення осаду - відтиснуті від них.

Також були проведені експериментальні дослідження, які показали, що час ефективної роботи центрифугуючого пристрою (тобто час між вимиканням пристрою для видалення осаду) складає на менше години.

У четвертому розділі описується проведення експериментальних досліджень, метою яких була перевірка адекватності розробленої математичної моделі процесу видалення з води завислих речовин у центрифузі, а також перевірка достовірності результатів теоретичних досліджень по визначенню раціональних технологічних та конструктивних параметрів пристрою.

Схема експериментальної установки представлена на рис. 4.

У процесі проведення експериментальних досліджень використовувалися різні тонкодисперсні суспензії, у тому числі річковий осад з мулових відкладень, відібраний з ковша водозабору ВУВГ «Донець» КП «ВТП «Вода» м. Харкова.

Експериментальні дослідження складалися із двох серій. Спочатку вони проводилися на експериментальній установці, в якій вода у робочу зону центрифуги подавалася по всій ширині робочого простору. Потім для перевірки рекомендацій з удосконалення умов підведення та відведення води у робочу зону центрифугуючого пристрою, спрямованого на зменшення швидкості біля поверхні осадження з метою запобігання змиву часток і поліпшення якості очищення, конструкція експериментальної установки була змінена. Так, у верхній частині центрифугуючого пристрою перед крильчаткою (5) був установлений диск (18) (рис. 4) з отворами (19), діаметр яких дорівнює приблизно третині ширини робочої зони (секції).

На рис. 5 представлені результати зіставлення теоретичних та експериментальних даних із застосуванням методики, що враховує змив часток суспензії з поверхні осадження.

На рис. 6 для порівняння представлені експериментальні дані освітлення води в центрифугуючому пристрої, отримані до й після вдосконалення конструкції експериментальної установки. Ці дані показують поліпшення ефекту освітлення води при вдосконаленні експериментальної установки відповідно до розроблених рекомендацій.

Рис. 4. Схема експериментальної установки: 1 - зовнішня труба (корпус); 2 - внутрішня труба (вісь); 3 - перехід; 4 - отвори для подачі та відведення води; 5 - крильчатка; 6 - циліндрична вставка; 7 - підшипниковий пристрій; 8 - нерухомий корпус установки; 9 - електродриль; 10 - ремінь, 11 - пристрій переливу; 12 - пристрій для прийому очищеної води; 13 - вентиль; 14 - бак вихідної води; 15 - бак із замутнювачем; 16 - шланг для відбору проби вихідної води; 17 - електромагнітний спідометр; 18 - диск із отворами; 19 - отвори для підведення води у робочу зону центрифугуючого пристрою.

Рис. 5. Зіставлення теоретичних і експериментальних даних: 1 - теоретичні значення; 2, 4 - відповідно, експериментальні значення до та після вдосконалення конструкції експериментальної установки, при режимі без змиву часток; 3, 5 - відповідно, експериментальні значення до та після вдосконалення конструкції експериментальної установки при режимі зі змивом часток.

Рис. 6. Порівняння експериментальних даних до та після вдосконалення конструкції експериментальної установки: 1 - теоретичні значення, розраховані без урахування змиву часток суспензії, що осіли; 2, 4 - відповідно, експериментальні значення до та після вдосконалення конструкції експериментальної установки, при режимі без змиву часток; 3, 5 - відповідно, експериментальні значення до та після вдосконалення конструкції експериментальної установки при режимі зі змивом часток.

Таким чином, достовірність математичної моделі процесу видалення з води завислих речовин у центрифугуючому пристрої, яка враховує змив часток, що осіли, з поверхні осадження, а також перевага розроблених конструктивних рішень підтверджується задовільною збіжністю теоретичних та експериментальних даних.

У п'ятому розділі наведене порівняння освітлюючих центрифуг з існуючими спорудами для освітлення води, а також дана техніко-економічна оцінка застосування освітлюючих центрифуг як пристроїв попереднього очищення води перед подачею на ультрафільтраційні установки.

Проведене порівняння споруд для видалення з води завислих речовин з урахуванням продуктивності, розмірів, ступеня очищення та споживаної потужності показало високу ефективність застосування освітлюючих центрифуг; техніко-економічний ефект тільки за рахунок скорочення експлуатаційних витрат залежно від якості вихідної води становить 20-50 грн/рік на 1 м³/доб продуктивності очисних споруд.

Застосування освітлюючих центрифуг як пристроїв попереднього очищення води перед установками мембранної ультрафільтрації дозволяє зменшити витрати на електроенергію мінімум у три рази.

Загальні висновки

1. Виконаний аналіз існуючих пристроїв і методів видалення з води завислих речовин показав, що відсутні компактні, ефективні, надійні та енергоекономні пристрої попереднього очищення води перед мікро- або ультрафільтрацією, що обмежує застосування перспективного мембранного методу очищення води.

2. Розроблено математичну модель процесу видалення з води завислих речовин в освітлюючій центрифузі, що дозволяє визначити ефект освітлення та потужність пристрою залежно від його технологічних і конструктивних параметрів.

3. Розроблено методику розрахунку критичних значень технологічних і конструктивних параметрів центрифугуючого пристрою, що дозволяє визначити їх раціональні значення, при яких забезпечується необхідний ефект очищення при мінімальній питомій потужності.

4. Обґрунтовано конструктивні умови підведення та відведення води з робочої зони центрифугуючого пристрою, при яких зменшується змив часток зависі, що осіли на поверхні осадження, та не відбувається погіршення якості вже освітленої води.

5. Доведено, що найбільш раціональним варіантом при забезпеченні максимальної продуктивності при мінімальній кількості центрифугуючих пристроїв є варіант організації потоку в секціях центрифуги, при якому якість води на виході з кожної секції однакова.

6. Експериментальними дослідженнями підтверджено високу ефективність очищення води від завислих речовин у центрифугуючому пристрої, достовірність розробленої математичної моделі та отриманих за її допомогою результатів.

7. На підставі проведених досліджень розроблено рекомендації з видалення осаду з центрифугуючого пристрою та визначено час його ефективної роботи.

8. Результати проведених досліджень і розроблених рекомендацій прийняті до впровадження в КП «ВТП «Вода» м. Харкова і використовуються в розробках інституту ВАТ «Харківський Водоканалпроект». Застосування освітлюючих центрифуг як пристроїв попереднього очищення перед мембранною ультрафільтрацією дозволить зменшити витрати на електроенергію мінімум у три рази.

Список опублікованих праць

1. Карагяур А.С. Теоретические предпосылки применения центробежных сил для осветления природной воды / А.С. Карагяур, А.Л. Скорик // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2008. - Вип. 46. - С. 176-180. (Автором вивчено вплив конструктивних та технологічних параметрів односекційної освітлюючої центрифуги на ефект очистки та потужність пристрою).

2. Карагяур А.С. Применение центрифугирующих устройств с цилиндрическими вставками для осветления воды / А.С. Карагяур, А.И. Рязанцев, А.Л. Скорик // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2008. - Вип. 48 - С. 206-209. (Автором проаналізовано вплив кількості секцій та відстані між ними на потужність та продуктивність центрифугуючого пристрою з циліндричними вставками).

3. Скорик А.Л. Экспериментальные исследования осветления воды в поле центробежных сил / А.Л. Скорик. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2008. - Вип. 49 - С. 203-208.

4. Карагяур А.С. Организация потока в осветляющих центрифугах с цилиндрическими вставками / А.С. Карагяур, А.Л. Скорик // Науково-технічний збірник: «Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки». - К.: КНУБА. - 2009. - Вип. 12 - С. 158-164. (Автором досліджено вплив способу організації потоку води в секціях освітлюючої центрифуги на продуктивність та потужність пристрою).

5. Эпоян С.М. Определение рациональных параметров центрифугирующего устройства для осветления воды / С.М. Эпоян, А.С. Карагяур, А.Л. Скорик, Н.Ю. Гаврилова // Коммунальное хозяйство городов. Научн. техн. сб. ХНАГХ. - К.: Техніка, 2010. - Вып. 93. - С. 239-243. (Автором розроблено методику для визначення раціональних конструктивних та технологічних параметрів освітлюючої центрифуги).

6. Карагяур А.С. Совместное применение центрифугирующих устройств и мембранной фильтрации для осветления воды / А.С. Карагяур, А.Л. Скорик, Н.Ю. Гаврилова // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2010. - Вип. 57. - С. 410-415. (Автором досліджено вплив глибини очистки води на першому ступені (в освітлюючій центрифузі) на питому потужність пристрою).

7. Скорик А.Л. Особенности осветления воды в центрифугирующих устройствах / А.Л. Скорик // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2010. - Вип. 57. - С. 416-421.

8. Карагяур А.С. Влияние смывания осевших частиц с поверхности ротора центрифуги на эффект осветления воды / А.С. Карагяур, А.Л. Скорик // Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод: міжнар. наук.-практ. конф., 6-10 квітня 2009 р. м. Миргород. - К.: Товариство „Знання” України. - 2009. - Т1. - С. 74-76. (Автором виконано зіставлення даних теоретичних і експериментальних досліджень, що підтверджують достовірність залежностей, які враховують вплив змиву часток, що осіли, з поверхні осадження в роторі центрифуги на ефект освітлення води).

9. Карагяур А.С. Влияние конструктивных условий подвода и отвода осветляемой воды на эффективность очистки в центрифугирующем устройстве / А.С. Карагяур, А.Л. Скорик // Экология, энерго- ресурсосбережение, охрана окружающей среды и здоровье человека, утилизация отходов: сб. научн. статей XVII междунар. науч.-практ. конф. (УкрГНТЦ «Энергосталь»), 1-5 июня 2009г. г. Щелкино, АР Крым. - Харьков: «Издательство САГА», 2009. - Т.2. - С. 291-295. (Автором за допомогою розробленої математичної моделі вивчено вплив умов підводу та відводу води, що освітлюється, на ефективність очистки в центрифугуючому пристрої).

10. Эпоян С.М. Влияние параметров центрифугирующего устройства на смыв осевших частиц с поверхности осаждения / С.М. Эпоян, А.С. Карагяур, А.Л. Скорик // Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення: зб. наук. статей V міжнар. наук.-практ. конф., 7-11 вересня 2009 р. м. Алушта, АР Крим: в 2 т. - УкрНДІЕП. - Харьков: Райдер, 2009. - Т.2. - С. 66-70. (Автором вивчено вплив умов підводу та відводу води, що освітлюється у центрифугуючому пристрої, а також способу організації потоку на ефект освітлення води з урахуванням змиву часток зависі, що осіли).

11. Эпоян С.М. Применение центрифугирующих устройств для осветления воды / С.М.Эпоян, А.С.Карагяур, А.Л.Скорик // Актуальні проблеми водного господарства та природокористування. Ефективні технології водопостачання та водовідведення: III міжнар. наук.-техн. конф., 22-23 жовтня 2009 р., матер. - Рівне: НУВГП, - 2009. - С. 60-71. (Автором сформульовані рекомендації, яких необхідно дотримуватися при проектуванні освітлюючих центрифуг).

12. Эпоян С.М. Удаление осадка из осветляющих центрифуг / С.М. Эпоян, А.С. Карагяур, А.Л. Скорик // Сучасні проблеми охорони довкілля та раціонального використання ресурсів у водному господарстві: міжнар. наук.-практ. конф., 13-17 квітня 2010р. м. Миргород. - К.: Товариство „Знання” України. - 2010. - С. 51-54. (Автором вивчено плив конструктивних і технологічних параметрів центрифугуючого пристрою на процес видалення осаду з ротору центрифуги).

13. Эпоян С.М. Эффективная предочистка в поле центробежных сил. Центрифугирующее устройство для удаления из воды взвешенных веществ / С.М. Эпоян, А.С. Карагяур, А.Л. Скорик // Вода magazine. Водопользование. Водоснабжение. Водоотведение. - 2010. - № 8 (36) Август. - С. 32 - 33. (Автором обґрунтована ефективність використання центрифугуючого пристрою для освітлення води).

14. Пат. 92417 Україна, МВК В 04 В 1/06. Центрифугуючий пристрій для очистки від завислих речовин / Карагяур А.С., Скорик А.Л.; заявник та патентовласник Харківський держ. техн. ун-т будівництва та архітектури. - № а 2009 06122 ; заявл. 15.06.09; опубл. 25.10.10, Бюл. №20, 2010 р. (Автором запропоновані такі конструктивні умови підведення та відведення рідини, що очищається, при яких швидкість біля поверхні осадження мінімальна, що дозволяє уникнути змиву осаду при даних продуктивності та частоті обертання, а також забезпечити рівномірне очищення в секціях, утворених циліндричними вставками).

Анотація

Скорик А.Л. Центрифугуючий пристрій для видалення з води завислих речовин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2010.

У роботі отримані наступні результати: обґрунтована ефективність застосування освітлюючих центрифуг для видалення з води завислих речовин; розроблено математичну модель процесу видалення з води завислих речовин в освітлюючій центрифузі, що враховує вплив на ефект очищення та потужність пристрою технологічних та конструктивних параметрів, у тому числі, конструктивних рішень підведення та відведення води, що освітлюється, способу організації потоку води в секціях центрифуги, а також змив часток зависі, що осіли, з поверхні осадження; розроблено рекомендації з визначення раціональних технологічних та конструктивних параметрів освітлюючого центрифугуючого пристрою, що забезпечують необхідний ефект очищення від завислих речовин при мінімальних енергетичних витратах. Достовірність результатів теоретичних досліджень підтверджена задовільною збіжністю з експериментальними даними. Результати проведених досліджень і розроблених рекомендацій прийняті до впровадження в КП «ВТП «Вода» м. Харкова і використовуються в розробках інституту ВАТ «Харківський Водоканалпроект».

Ключові слова: освітлююча центрифуга, гідравлічна крупність, технологічні та конструктивні параметри, завислі речовини, ефект очищення, потужність пристрою.

Аннотация

Скорик А.Л. Центрифугирующее устройство для удаления из воды взвешенных веществ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04. - водоснабжение, канализация. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи - созданию компактных высокоэффективных устройств для очистки воды от взвешенных веществ. На основании аналитического обзора существующих сооружений для очистки воды от взвешенных веществ показана целесообразность применения осветляющих центрифуг для безреагентного удаления тонкодисперсной взвеси: создаваемые в этом устройстве центробежные силы значительно превосходят силу тяжести в отстойниках и центробежные силы в гидроциклонах, что способствует эффективному разделению фаз и определяет компактность сооружения. Показана перспективность применения осветляющих центрифуг в качестве устройств предочистки перед установками мембранной ультрафильтрации. Отмечено, что актуальными являются исследования, направленные на обоснование рациональных технологических и конструктивных параметров устройства, обеспечивающих необходимый эффект осветления при минимальных энергетических затратах. Секционирование пространства ротора центрифуги цилиндрическими вставками способствует повышению эффективности очистки.

Разработана математическая модель процесса удаления из воды взвешенных веществ в осветляющей центрифуге, учитывающая влияние на эффект очистки и мощность устройства технологических и конструктивных параметров, в том числе конструктивных решений подвода и отвода осветляемой воды, способа организации потока воды в секциях центрифуги, а также смыва осевших частиц с поверхности осаждения. Под конструктивными параметрами подразумеваются размеры центрифугирующего устройства: внешний радиус, рабочая высота, количество секций, ширина секций, конструктивные условия подвода и отвода очищаемой воды; под технологическими - производительность устройства, угловая скорость (или частота вращения), организация потока в секциях.

С помощью разработанной математической модели проведены исследования, которые показали, что смыв осевших частиц взвеси с поверхности осаждения значительно снижает эффект осветления в центрифугирующем устройстве; рациональными являются значения технологических и конструктивных параметров центрифугирующего устройства близкие к критическим, т.е. таким, при которых начинается смыв осевших частиц взвеси с поверхности осаждения. Разработаны конструктивные решения подвода и отвода осветляемой воды, позволяющие снизить скорость потока у поверхности осаждения и, соответственно, уменьшить смыв осевших частиц. При этом нет необходимости сокращать производительность устройства или увеличивать частоту вращения.

Проведенные исследования также показали, что наиболее рациональным вариантом при обеспечении максимальной производительности при минимальном количестве центрифугирующих устройств является вариант организации потока в секциях центрифуги, при котором качество воды на выходе из каждой секции одинаково. Изучено влияние параметров центрифугирующего устройства на процесс удаления осадка из секций, которые позволили разработать рекомендации по удалению осадка и определить время эффективной работы центрифуги. Осадок из секций центрифуги предлагается удалять путем периодического выключения устройства: при исчезновении центробежной силы осадок смывается потоком воды, продолжающей поступать в центрифугу.

Адекватность разработанной математической модели процесса удаления из воды взвешенных веществ в центрифугирующем устройстве, а также достоверность результатов теоретических исследований по определению рациональных технологических и конструктивных параметров устройства проверены путем сопоставления с данными экспериментальных исследований. Для этого была разработана конструкция экспериментальной установки, а также методика проведения эксперимента, проведены экспериментальные исследования на различных тонкодисперсных суспензиях, которые подтвердили высокую эффективность очистки воды от взвешенных веществ в центрифугирующем устройстве. Достоверность результатов проведенных исследований и разработанных рекомендаций подтверждается сходимостью теоретических данных с данными, полученными в результате эксперимента.

Выполненное сравнение сооружений для удаления из воды взвешенных веществ с учетом производительности, размеров, степени очистки и потребляемой мощности показало высокую эффективность применения осветляющих центрифуг; технико-экономический эффект только за счет сокращения эксплуатационных затрат (применение безреагентной очистки) в зависимости от качества исходной воды составляет 20-50 грн/год на 1 м³/сут производительности очистных сооружений.

Применение осветляющих центрифуг в качестве устройств предочистки перед установками мембранной ультрафильтрации позволяет уменьшить затраты на электроэнергию минимум в три раза.

Результаты проведенных исследований и разработанные рекомендации приняты к внедрению в КП «ПТП «Вода» г. Харькова и используются в разработках института ОАО «Харьковский Водоканалпроект».

Ключевые слова: осветляющая центрифуга, гидравлическая крупность, технологические и конструктивные параметры, взвешенные вещества, эффект очистки, мощность устройства.

Resume

Skoryk A.L. Centrifuge device for removing suspended solid from water. - Manuscript.

The thesis is submitted to obtain the Candidate of science degree technical (Ph.D), on speciality 05.23.04. - water supply, sewerage. - Kharkov state technical university of construction and architecture, Kharkov, 2010.

In work the following results were received: The efficiency of application of clarifying centrifuges for removal from water of the suspended solid is proved; mathematical model of the process of removing suspended solid from water in clarifying centrifuge, taking into account the effect of cleaning and power of device of technological and constructive parameters, the constructive decisions of submission and removal of clarified water, the way of water flow in sections centrifuge and washed particles stuck that settled from the surface deposition; the recommendations for determination of reasonable technological and constructive parameters of clarifying centrifuge device which provide the necessary effect of suspended solid removal with minimal energy costs are developed. Reliability of the results of theoretical studies confirmed satisfactory convergence with experimental data. Research results and developed recommendations adopted for implementation in ME "VTP "Voda" of Kharkov-city and used in the development of the institute OJSC "Kharkiv Vodokanalproekt".

Key words: clarifying centrifuge, settling velocity, technological and constructive parameters, suspended solid, effect of cleaning, power of device.

Размещено на Allbest.ru