Пористі конструкції водопровідних споруд, гідравлічний розрахунок, оптимізація

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність роботи. В умовах дефіциту поверхневих вод і погіршення їхніх якісних показників однієї з найбільш пріоритетних завдань держави є забезпечення населених пунктів високоякісною питною водою (Закон України “Про питну воду й питне водопостачання”). Це вимагає вдосконалювання систем водопостачання, підвищення ефективності й надійності їхньої роботи, які досягаються шляхом застосування новітніх енергозберігаючих технологій, матеріалів і конструкцій у комплексі водопровідних споруд. Найважливішим елементом цього комплексу є водозабірні й очисні споруди, від нормальної роботи яких залежить якість поданої води споживачам й економічні показники системи водопостачання.

Існуючі водозабірні споруди не завжди забезпечують свої захисні функції, у результаті чого в систему попадають різні наноси, сміття, шуга, молодь риби й т.п. Це, у свою чергу, збільшує грязьове навантаження на очисні споруди, знижує ефективність їхньої роботи, погіршує якість очищеної води.

У технологічних схемах водопровідних очисних споруд, що забезпечують господарсько-питне водопостачання населених пунктів, обов'язковим елементом є швидкі фільтри, робота яких значною мірою визначає якість води, корисну продуктивність станції й економічні її показники. Одними з основних конструктивних елементів швидких водоочисних фільтрів є дренажно-розподільні системи й пристрої відводу промивної води. Незадовільна робота дренажів приводить до нерівномірного розподілу по площі потоків промивної води, у результаті чого фільтруюче завантаження погано промивається, виникають зони нагромадження забруднень, погіршуються параметри фільтрування, якість фільтрату.

Більшість з існуючих систем відводу промивної води (горизонтальні жолоби, водозливи й т.п.) також мають ряд недоліків: нерівномірний відвід води при промиванні, винос завантаження, значна висота шару води, що залишається у фільтрі після промивання. Це приводить до погіршення якості фільтрату на початку фільтроциклу. Неповне видалення забрудненої води при промиванні приводить до систематичного нагромадження забруднень на поверхні фільтруючого шару. При цьому скорочується фільтроцикл, збільшуються витрати води на власні потреби очисної станції й, відповідно, витрати, пов'язані з подачею додаткового обсягу води (електроенергія, реагенти й т.п.).

Удосконалення конструктивних параметрів дренажно-розподільних систем, застосування пористих матеріалів у пристроях відводу промивної води зі швидких фільтрів, розробка методик їхнього гідравлічного розрахунку й оптимізації, багато в чому дозволять вирішити поставлені проблеми.

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні й розробці нових і більш досконалих пористих конструкцій споруд водопостачання, у тому числі дренажно-розподільних і відвідних систем фільтрів, методів гідравлічного розрахунку для забезпечення їх ефективної і надійної роботи.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні завдання:

· провести теоретичне й експериментальне обґрунтування доцільності застосування пористих конструкцій на водопровідних спорудах;

· вивчити та проаналізувати відомі конструкції дренажів і систем відводу промивної води зі швидких фільтрів, виявити їх основні недоліки та запропонувати рішення для підвищення їх ефективності і надійності;

· на основі теоретичного аналізу розробити нові конструкції дренажно-розподільних і відвідних систем у фільтрувальних спорудах;

· використовуючи основні існуючі моделі руху рідини в збірно-розподільних системах зі змінною витратою по довжині, побудувати більш надійну і загальну математичну модель руху рідини з мінімальним числом спрощень;

· побудувати математичні моделі полімербетонного дренажу з розподільними лотками змінного перетину й пористих трубчастих пристроїв для відводу промивної води, що працюють в умовах безнапірного й напірного режимів зі змінною витратою по довжині;

· розробити більш досконалі і надійні методи розрахунку трубчастих збірно-розподільних систем, а також відкритих потоків правильної й довільної форм поперечного перерізу;

· провести оцінку і порівняння результатів розрахунку пористих труб з дослідними даними;

· створити надійні методи по вибору технологічних та конструктивних параметрів полімербетонного дренажу й пористих труб відводу промивної води;

· провести дослідно-виробничу апробацію розроблених конструкцій і розрахункових рекомендацій;

· підготувати пропозиції для проектування, монтажу й експлуатації трубчастих відвідних систем.

1. Аналіз відомих конструкцій, застосовуваних у збірно-розподільних системах водопровідних споруд

Ці системи безпосередньо не беруть участь у процесах очищення води, однак від їхньої роботи істотно залежить ефективність очищення. Збір і розподіл води у водопровідних спорудах можуть здійснюватися переливними лотками, перфорованими збірниками, сітчастими й пористими конструкціями. При достатній простоті й низькій вартості переливні конструкції не завжди забезпечують необхідну рівномірність збору або розподілу води через складність забезпечення горизонтальності верхніх крайок переливів. Перфоровані збірники (розподільники) при правильному їхньому розрахунку й високій якості виготовлення забезпечують задовільну рівномірність розподілу (збору) води. Однак такі системи мають принциповий недолік - роздача (збір) тут дискретна. Тому в проміжках між отворами (особливо при великому їхньому кроці) можуть з'явитися зони, у яких швидкості руху води значно менші (“мертві” зони), що негативно позначається на роботі споруд. Крім того, високі швидкості входу (виходу) води впливають на транзитний потік, збільшуючи опір його руху, і погіршують рівномірність збору (роздачі).

Пористі й сітчасті конструкції забезпечують безперервну роздачу або збір води. Вони широко використовуються на водопровідних очисних спорудах - це барабанні сітки й мікрофільтри, пористі дренажі й системи відводу промивної води зі швидких водоочисних фільтрів. Порівняння сітчастих і пористих конструкцій показало, що сітчасті пристрої мають ряд недоліків, головними з яких є: висока ймовірність механічного заклинювання прохідних отворів сітки частками піску або забрудненнями, викликана пружною деформацією дроту, з якої виготовлена сітка; прорив сітки через нагромадження великої кількості забруднень на її поверхні; дорожнеча металевих сіток.

У практиці очищення природних вод і водопідготовки широке застосування знайшли швидкі відкриті й напірні фільтри. Важливими елементами цих споруд є дренажно-розподільні системи й пристрої відводу промивної води, від надійної роботи яких багато в чому залежить ефективність і собівартість очищення води. Сформульовані вимоги, що пред'являють до цих систем. Показано, що найпоширеніші сучасні конструкції дренажів і відводу промивної води багато в чому не відповідають цим вимогам - не забезпечується задане поле швидкостей при промиванні й фільтруванні, рівномірність збору промивної води, відбувається віднесення фільтруючого матеріалу й т.п. Проведена порівняльна оцінка пористих дренажів швидких фільтрів. Багаторічний досвід експлуатації полімербетонного дренажу ОДАБА у швидких і напірних фільтрах показав надійну роботу, однак одним з його основних недоліків є недостатньо рівномірний розподіл промивної води по довжині пористого лотка.

Відомі пористі відвідні конструкції частково вирішують поставлені задачі, однак, як показали дослідження, вони можуть бути істотно вдосконалені. Перспективним матеріалом, використовуваним у пористих конструкціях водопровідних споруд, є пористий полімербетон, що володіє: високою стійкістю до агресивного впливу води, обробленої реагентами; низьким гідравлічним опором; стійкістю до біологічного обростання.

Розроблені нові пристрої для збору й відводу промивної води з відкритих швидких фільтрів, що представляють собою пористі труби, виконані з пористого полімербетону, а також три варіанти конструкцій для напірних фільтрів. Обґрунтовано доцільність застосування труб і показані їхні переваги в порівнянні з плоскими пористими конструкціями. Пропоновані конструкції можуть бути реалізовані як у новому будівництві, так і при реконструкції існуючих споруд. Вони застосовні для будь-яких фільтруючих матеріалів, а також будь-яких способів промивань, у т.ч. і водоповітряної без небезпеки виносу завантаження.

Система відводу промивної води з фільтра за допомогою пористих труб при правильному підборі складу полімербетону дозволяє істотно знизити винос фільтруючого завантаження. При цьому повністю видаляються затримані фільтром забруднення, а також дрібні пилоподібні частинки завантаження, що утворяться в результаті стирання. При необхідності можна збільшити інтенсивність промивання. Використання цих конструкцій дозволяє поліпшити технологію очищення води у швидких фільтрах. Так, з'являється можливість використовування легких завантажень (керамзит, антрацит) при водоповітряному промиванні.

Проведено теоретичний аналіз причин нерівномірності розподілу промивної води по площі фільтра. У полімербетонному дренажі для зниження нерівномірності розподілу води, запропоновано пористий лоток виконувати змінного перерізу з ухилом дна убік збірного каналу. Це дозволить вирівняти поле тисків по довжині лотка й поліпшити рівномірність роздачі води. Встановлено, що одним з головних питань, які виникають при розгляді можливості застосування пористих пристроїв на водопровідних спорудах, є їх кольматація суспензією й зернами піску. Цими задачами займалися Е.В. Венеціанов, М.М. Верігін, С.В. Ізбаш, Д.М. Мінц, О.Я. Олійник, В.Л. Поляков, О.М. Патрашев, А.М. Тугай, Ю.М. Шехтман та ін. Виконано порівняння діаметра порових каналів пористого полімербетону та розміру комірок сітки, що забезпечують непроникання часток завантаження крупністю 0,5 мм, (мінімальна крупність завантаження, яка найбільш часто використовується у фільтрувальних спорудах). Зроблено припущення про те, що діаметр пор заповнювача, який не допускає проникнення часток завантаження, може бути більше їх крупності, а розміри комірок сітки, у відповідності з БНіП, повинні бути менше їх крупності. Крім того, у сітчастих конструкціях через пружну деформацію дроту, що утворює сітку, ступінь кольматації, ймовірно, буде більшою. Однак це припущення вимагає експериментального підтвердження.

2. Критичний аналіз теоретичних досліджень і методів розрахунку збірно-розподільних перфорованих трубопроводів і відкритих каналів зі змінною витратою по довжині

Для подальшої розробки математичних моделей роботи пористих розподільних систем розглянуто два основних рівняння руху рідини зі змінною витратою по довжині - рівняння Г.О. Петрова та В.В. Дільмана, у яких використаний мінімум допущень, а результати перевірені експериментально.

Рівняння Г.О. Петрова, отримане з рівняння кількості руху:

або, оскільки:

(1)

Рівняння, отримане В.В. Дільманом та ін., що базується на рівнянні енергії, має вигляд:

(2)

де бо - коефіцієнт Бусінеска; Q - витрата; V - швидкість потоку; Р - п'єзометричний тиск у трубі; Z - відмітка осі труби; if - гідравлічний похил (похил тертя); Vr - радіальна швидкість потоку, що відокремлюється; л - коефіцієнт Дарсі; и - відношення проекції швидкості потоку, що приєднується (відокремлюється) на напрямок основного потоку до швидкості основного потоку. Як показали дослідження А. І. Єгорова при роздачі потоку затопленими патрубками при довжині, більшої 1,36 калібру отвору, струмені, що витікають, перпендикулярні основному потоку. Тому величина и може дорівнювати нулю. Аналогічне припущення прийняте й у даній роботі, оскільки відношення товщини пористої перегородки до діаметра порового каналу значно більше.

Проведено аналіз і зіставлення рівнянь (1) і (2) для збірних пористих труб, що працюють у напірному й безнапірному режимах. Показано, що методика, заснована на рівнянні енергії, краще відповідає дослідницьким даним, ніж при використанні рівняння кількості руху.

Розглянуто роботу розподільників з дискретною роздачею. Відзначено, що існуючі методи розрахунку з дискретною роздачею засновані на закономірностях безперервної роздачі з введенням коефіцієнтів, що залежать від числа отворів, а також на припущенні про сталість коефіцієнта Дарсі.

Розглянуто основні принципи розрахунку збірно-розподільних систем з використанням ПЕОМ на прикладі трубопроводів з безперервною та дискретною зміною витрат. Основні рівняння для розрахунку - це рівняння руху рідини в трубі, балансу витрати, а також припливу (відтоку) через стінку труби. Ці рівняння в кінцево-різницевій формі можна записати у вигляді функцій.

Рівняння руху:

(3)

де Дh - перепад рівнів (тисків) у трубі на ділянці довжиною Дx; Q - витрата потоку в трубі на відстані х від початку; w - площа живого перерізу потоку, змінна по довжині у випадку безнапірного руху й постійна при напірному потоці.

Рівняння балансу:

(4)

де q - приплив (відтік) на одиницю довжини потоку (знак у цьому рівнянні визначається залежно від режиму роботи трубопроводу - збір або роздача).

Рівняння припливу (відтоку):

(5)

де h, H- рівень (тиск) усередині та зовні труби.

На підставі рівнянь (3)-(5) розроблені методики покрокового та покроково-ітераційного розрахунку збірно-розподільних систем, які реалізовані за допомогою ПЕОМ із використанням стандартної програми Microsoft Excel. Створені методики чисельного розрахунку використані й для рішення класичних задач гідравліки - визначення критичної та нормальної глибини потоку в трубах і відкритих потоках правильної та довільної форм поперечного перерізу.

3. Створення математичної моделі роботи пористої труби в умовах безнапірного й напірного руху рідини та інженерної методики її розрахунку

Розглянуто пористу трубу постійним радіусом R, що прокладена з похилом i0 по ходу руху потоку усередині труби. Глибина цього потоку (h) змінюється по довжині, рівень води зовні труби (Н) - постійний. Вода проникає крізь пористі стінки труби як в області нижче рівня води в трубі (z ? h), де питомий приплив - q1, так і в області над рівнем води в трубі - приплив q2.

Математична модель роботи пористої труби визначається основними рівняннями:

1) припливом води крізь стінки,

2) руху рідини усередині труби,

3) рівняння балансу.

Складність опису роботи пористої труби обумовлена тим, що витрата рідини крізь стінки труби залежить від глибини шару води в трубі (h), обумовленого рівнянням руху усередині труби. Аналогічно, закон зміни глибини h(x) визначається, зокрема, закономірностями припливу.

Втрати напору при припливі води крізь стінку пористої труби в даній роботі описані одночленною степеневою формулою, більш зручною для інженерних розрахунків, і обґрунтованою експериментально:

, (6)

де Дh - втрата напору в пористій перегородці, см; дп - товщина перегородки, см; х - кінематична в'язкість води, см2/с; Vf - швидкість фільтрування, см/с; С - коефіцієнт, що залежить від гранулометричного складу заповнювача полімербетону і ступеня щільності його укладання (у випадку фільтрування забрудненої води коефіцієнт С враховує також кольматацію пор зваженими частками); n - показник ступеня, який можна приймати рівним 1,67 (при числах Рейнольдса Re=15-200). Формула (6) дійсна при русі води через плоску пористу перегородку. При припливі води крізь циліндричну стінку повинна бути врахована поправка на кривизну стінки. Цей поправочний коефіцієнт був отриманий, виходячи із припущення, що вода крізь стінку пористої труби рухається радіально.

Приплив води на одиницю довжини пористої труби q визначається як добуток швидкості фільтрування V на довжину бічної поверхні труби S. Однак, як видно з рис. 1, напір, під яким відбувається вхід води в трубу, по висоті змінний (при Z > h). Отже, буде змінюватися й швидкість фільтрування. Тому необхідно перейти до диференціальних співвідношень:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

де V (z) обчислюється з формули (6), у якій втрата напору величина змінна по висоті і визначається як різниця тисків поза трубою та усередині її:

Таким чином, при z ? h втрата напору та швидкість фільтрування постійні, а при z > h - втрата напору та швидкість зменшуються по висоті.

. (8)

Пошук емпіричних коефіцієнтів a3, б і в був зроблений методом найменших квадратів з використанням множинної регресії. В результаті були знайдені всі емпіричні коефіцієнти й отримана формула,

, (9)

Для припливу через стінку пористої труби при напірному русі рідини отримано:

(10)

Як основне рівняння руху рідини зі змінною по шляху витратою використовується рівняння (2), яке при и=0 приймає вигляд:

(11)

Крайовими умовами для рівняння (11) є: при x=0 (початок труби) Q=0; при х=L (на виході із труби) Q =Qо, h=hо. (12)

Кінцева витрата Qо задана необхідною витратою збірної труби, а п'єзометричний тиск наприкінці (hо) визначається пропускною здатністю відвідної системи при витраті Qо. Таким чином, система рівнянь (9) - (11) із крайовими умовами (12) можна вважати математичною моделлю роботи пористої труби.

Для рішення отриманої системи рівнянь в дисертації використана покроково-ітераційна методика розрахунку, що з досить високою точністю дозволяє одержати необхідні гідравлічні параметри пористої труби - приплив, рівень води усередині й зовні труби і т.п.

Отримана математична модель пористої безнапірної труби та розроблений метод чисельної реалізації дозволили аналізувати її роботу залежно від основних параметрів труби і потоку. Розрахунки проводилися для збірної системи реальних розмірів, що відповідає параметрам пористої труби швидких фільтрів Інгулецьких водоочисних споруд м. Миколаєва. Як вихідні параметри у всіх випадках приймалися величини: глибина потоку зовні труби - Н, глибина потоку в трубі в початковому перерізі - hн, нерівномірність збору промивної води в, обумовлена як відношення припливу на початку труби до середнього припливу - в = qн/qср. Вивчався вплив на вихідні параметри наступних факторів, що варіювались у межах: крок рахунку Дх/Lтр=0,01-0,2; шорсткість внутрішньої поверхні n1=0,012-0,016; коефіцієнт С=2-6; похил труби io=0-0.03; радіус труби R=17-25 cм; температура води tо=0-25оС. Встановлено, що в дослідженому діапазоні крок рахунку, шорсткість внутрішньої поверхні та температура води незначно впливають на вихідні параметри труби. Похил труби мало впливає на глибину Н зовні труби, однак помітно впливає на глибину усередині труби h і на нерівномірність збору води в. Радіус труби значно впливає на всі параметри роботи збірної труби. При цьому зі збільшенням радіуса труби глибини усередині й зовні знижуються, а нерівномірність прагне до 1,0.

При рості коефіцієнта С величина Н, збільшується, а значення в росте (в>1), тобто збір води стає більше рівномірним. Це цілком відповідає фізичним уявленням про процес.

4. Розробка математичної моделі роботи полімербетонного дренажу

Схема швидкого фільтра з пористим дренажем лоткового типу (найпоширеніший варіант) наведена на рис. 3. Дренаж складається з опорних стінок, що утворюють лотки, які перекриті полімербетонними плитами. На вході в лотки є патрубки, опір яких забезпечує необхідну витрату на початку кожного лотка.

Одним з недоліків у роботі полімербетонного дренажу лоткового типу є можлива недостатня рівномірність розподілу промивної води по довжині розподільного лотка. Якщо в збірному каналі рівномірність роздачі води по лотках забезпечується патрубками великого опору з діафрагмами, то в самих лотках через різницю тисків на початку та кінці потоку і порівняно невеликого опору дренажних плит може виникати деяка нерівномірність. Для усунення цього недоліку запропоновано пористий розподільний лоток змінного перетину з похилом дна io убік збірного каналу.

Промивна вода уздовж лотка рухається з безперервною зміною витрати по довжині, а в бічному каналі - з дискретною зміною витратою від патрубка до патрубка. Відомі методи розрахунку таких дренажів засновані на ряді спрощень і допущень, необхідність введення яких обумовлена прагненням знизити трудомісткість розрахунків, які раніше, як правило, виконувалися вручну. Математично робота дренажу описується за допомогою трьох основних рівнянь: руху потоку в лотку (каналі), рівняння відтоку й рівняння балансу. Як показав аналіз, виконаний у розділі 2, для опису руху потоку доцільно використати рівняння п'єзометричної лінії, отриманої на основі рівняння енергії (2). Це рівняння, записане у кінцево- різницевій формі має вигляд:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

(13)

де Дh - перепад напорів у межах ділянки довжиною Дx; бк - коефіцієнт Коріоліса; ДV2- різниця квадратів швидкостей на початку та кінці ділянки; if - гідравлічний похил (похил тертя). Гідравлічний похил визначається за допомогою коефіцієнта Дарсі, що обчислюється по формулі А. Д. Альтшуля, у яку введено коефіцієнт, який враховує форму поперечного перерізу потоку (для круглої труби цей коефіцієнт дорівнює 1,0). Для опису витікання води з лотка (каналу) використовуються степеневі рівняння.

При русі рідини через пористу стінку можна скористатися рівнянням (6). Для випадку дискретної роздачі, коли вода витікає через патрубки, витрата визначається за стандартною формулою:

hп= Sпq2, (14)

де Sп - опір патрубка.

Замикає систему рівняння балансу:

ДQ= qДх. (15)

Отримані рівняння вирішуються при крайових умовах:

x=0, Q=Qло для лотка або Q=Qр для каналу; х = хк, Q=0 (16)

(хк - довжина лотка або каналу).

Система рівнянь (6), (13)-(15) із крайовими умовами (16) є математичною моделлю пористого полімербетонного дренажу. Ця модель була реалізована за допомогою спеціально розробленої програми додатку Microsoft Excel. При цьому для спрощення рішення ця крайова задача була зведена до значно більш простоі відомої задачі Коші. Для цього на початку потоку для роздачі води лотком задавалось наближене значення напору, що дозволяло коректувати крайову умову наприкінці потоку (Q=0). Процедура ця була автоматизована застосуванням макросів. Розрахунки виконували покроково-ітераційним методом. Аналогічно робили розрахунок для каналу, однак тут рахунок починався з кінця каналу, а оскільки роздача тут дискретна, використовувся покроковий метод (ітерації тут не потрібні). Створена методика розрахунку дренажу, дозволяє робити розрахунок лотка, каналу, патрубків і загальної нерівномірності опору дренажу.

За допомогою отриманої математичної моделі та розроблених методів розрахунку було зроблено чисельне дослідження моделі на фільтрі реальних розмірів.

Вивчався вплив на напір на початку лотка Hлo і нерівномірність розподілу витрат по довжині лотка наступних параметрів: відносного кроку рахунку Дx/xк =0,01-0,1; шорсткості n1 = 0-6 мм; коефіцієнта С =0,5-2,0; інтенсивності промивання Vпр= 12-18 л/(с• м2); похилу дна лотка io = 0 - 0,07.

Як показали розрахунки, крок рахунку при Дx/xк?0,1 практично не впливає на результати, аналогічні результати були отримані і при варіюванні шорсткості (n1?6мм) та інтенсивності промивання.

Збільшення коефіцієнта С, що відповідає росту опору дренажних пористих плит, приводить до невеликого росту напору на початку лотка, а також до прагнення в до 1,0 (роздача більше рівномірна), що цілком відповідає фізичним уявленням про процес.

5. Експериментальні дослідження, проведені в лабораторних умовах, і результати дослідів

Експериментальне вивчення руху рідини через пористий полімербетон було розділено на чотири основних етапи:

1) дослідження гідравлічних характеристик пористого полімербетону на невеликих зразках і вибір залежності втрат напору від швидкості фільтрування;

2) порівняльна оцінка ступеня кольматації пористого полімербетону і сітки з піском в умовах псевдозрідженого шару;

3) дослідження закономірностей руху рідини в пористій трубі з метою вибору основного рівняння руху;

4) вивчення закономірностей збору й відводу води пористою полімербетонною трубою для перевірки математичної моделі та методики розрахунку.

У першій серії дослідів, проведених на лабораторній установці №1, у напірному режимі одержували гідравлічні характеристики пористих полімербетонних зразків, крупність заповнювача яких варіювалася від 2,5 до 10 мм. Швидкість фільтрування змінювали від 3 до 25 см/с, що відповідало діапазону чисел Рейнольдса Re = 100 - 1400. Було проведено зіставлення двох залежностей втрат напору від швидкості фільтрування - двочленної та одночленної степеневої. Остання формула є більше зручною при виконанні інженерних розрахунків, тому що тут при постійному показнику ступеня при Vf (див. (6)) необхідно визначати тільки один коефіцієнт на відміну від двочленної формули, де невідомими є два коефіцієнти. Обробка отриманих даних дозволила встановити, що в досліджуваному діапазоні залежність втрат напору від швидкості фільтрування цілком задовільно описується степеневою формулою (6) при показнику ступеня n=1,67. Визначені також коефіцієнти гідравлічного опору С у залежності від крупності зерен заповнювача. Відносне середньоквадратичне відхилення дослідних даних від формули (6) не перевищує 2%.

Ступінь кольматації пористого полімербетону і сітки піском досліджували на лабораторній установці №2, що складається із труби діаметром 50 мм, висотою 300 мм. Установка була завантажена кварцевим піском крупністю 0,5-1,6 мм, у нижній її частині змонтований дренажний диск із пористого полімербетону. Бічна поверхня установки обладнана оглядовим вікном зі склом для спостереження за рівнем завантаження. Подача води здійснювалася знизу-вверх з інтенсивністю 15 л/(с•м2), при цьому завантаження зважувалося і випробовуваний зразок повністю перебував у зваженому шарі. Відвід води здійснювався через зразки на дрібне сито, що дозволяло контролювати кількість піску, що пройшло крізь них. Випробовувані зразки виготовляли в металевій обоймі діаметром 40 мм, довжиною 50 мм у двох варіантах: у першому - з пористого полімербетону крупністю заповнювача 3 - 5 мм, товщиною 25 мм, у другому - з металевої сітки з розмірами комірок 0,45 мм, товщиною дроту 0,16 мм. Розміри комірок і товщина дроту визначена шляхом сканування зображення сітки й наступної обробки. Швидкість фільтрування води через зразки підтримувалася в діапазоні 2,7 - 3,0 см/с.

Завданням наступної серії дослідів було лабораторне дослідження руху рідини в пористій трубі і зіставлення його з результатами розрахунків, виконаних з використанням рівнянь кількості руху (1) і енергії (2). Експерименти проводили на лабораторній установці №3, що представляє собою бак висотою 2 м, діаметром 1,2 м, у якому була встановлена пориста полімербетонна труба зовнішнім діаметром 150 мм, довжиною 1000 мм, товщиною стінки 20 мм, крупністю заповнювача 3-5 мм. У трубі з кроком 200 мм були встановлені 5 п'єзометрів для виміру глибини потоку по довжині усередині труби. У процесі експериментів міняли загальну витрату, похил труби (io=0 - 0,02) і рівень води на виході із труби. Результати розрахунків і дослідні дані по глибині води в трубі для витрати 6,8 л/с та похилу 0,02 наведені на рис.6.

Суцільна лінія на цьому рисунку відповідає рівнянню (1) (розрахунок 0), а пунктирна - рівнянню (2) (розрахунок 1). Тут видно, що п'єзометрична лінія по другому рівнянню лежить

набагато ближче до дослідних даних, ніж по рівнянню (1). Аналогічні дані отримані і в інших дослідах.

Вивчення закономірностей збору й відводу води пористою полімербетонною трубою проводили також на лабораторній установці №3. У процесі експериментів визначали глибину потоку води усередині пористої труби та шар води зовні залежно від величини поданої витрати і

похилу труби та порівнювали з результатами розрахунку. Розрахунки виконувалися покроково-ітераційним способом за методикою, одержаною на основі рівнянні руху (2).

6. Питання можливої оптимізації по вибору параметрів пористих конструкцій відводу промивної води і полімербетонного дренажу швидких фільтрів

Задачі вибору типу конструкцій вирішуються шляхом техніко-економічного розрахунку. Існують різні підходи до економічної оцінки прийнятих технічних рішень - визначення витрат реального циклу, максимуму чистого дисконтованого доходу або інтегрального ефекту, що враховують інфляційні процеси, а також методика, заснована на визначенні мінімальної наведеної вартості. Проведено зіставлення методик і встановлено, що влаштування пористих конструкцій у швидких фільтрах відбувається, як правило, шляхом реконструкції діючих споруд протягом короткого терміну. Отже, інфляція коштів і фінансовий ризик від інвестицій у даний проект протягом строку реконструкції будуть незначні. Таким чином, у даній роботі для оптимізації пористих відвідних систем може бути використана методика, заснована на визначенні приведеної вартості:

П = Ен Кс+Э, (17)

де П - приведені затрати, грн/рік; Ен - нормативний коефіцієнт ефективності капіталовкладень, прийнятий рівним 0,15 (для об'єктів нової техніки), рік-1; Кс- вартість капіталовкладень, грн; Э - експлуатаційні затрати, грн/рік.

Основними задачами проектування пористої відвідної системи є визначення діаметра (dтр) і кроку пористих труб (Sтр). При збільшенні діаметра труб росте їхня вартість (більша витрата полімербетону), однак при цьому шар води у фільтрі при промиванні знижується. Оскільки надзавантажувальний шар води наприкінці промивання скидається, то зменшуються експлуатаційні затрати, пов'язані із забором цієї води із джерела, її багаторазовим перекачуванням (насоси першого підйому, промивні насоси й насоси обороту промивної води) і обробкою реагентами. Отже, наведені витрати можуть мати мінімум по діаметру. При збільшенні кроку труб зменшується їхнє число та знижуються будівельні затрати. Однак витрата води в кожній трубі збільшується, що приводить до підвищення рівня води у фільтрі і росту експлуатаційних затрат. Тому може існувати оптимум приведених затрат і по кроку труб.

Таким чином, функція мети - приведені затрати - можуть мати мінімум, як по діаметру, так і по кроку труб. При оптимізації конструкції повинні бути враховані обмеження, найважливішим з яких є відстань між трубами. При занадто великій відстані між трубами збільшується довжина шляху, через який проходить частка суспензії і це може подовжити промивання. У діючому БНіП відстань між осями горизонтальних жолобів регламентовано 2,2м. Це обмеження використовується і для пористих труб в даній роботі.

Вартість капіталовкладень розраховується, виходячи з обсягу й вартості матеріалу, необхідного для виготовлення пористих труб (в даному випадку - полімербетону - ас). Експлуатаційні затрати включають затрати: на електроенергію Ээ (перекачування промивної води насосами першого підйому, промивними насосами та насосами обороту промивної води, якщо вони передбачені технологічною схемою); вартість реагентів Ер на подачу і обробку обсягу води у фільтрі висотою шара Н; вартості забору води із джерела Эз; відрахування на амортизацію вa і поліпшення основних фондів вф. Після перетворень отримана формула для визначення наведених затрат, віднесеної до 1 м2 площі фільтра (грн/м2):

П/= 0,785(d22-d21)ас/Sтр(Е+вa+вф) +Н(Ээ+Ер+Эз)Nф 365. (18)

Розроблено програму техніко-економічного розрахунку (ТЕР) оптимальних параметрів пористих відвідних труб по наведеній вартості, що реалізована за допомогою ПЕОМ.

У цьому ж розділі приводиться техніко-економічне порівняння двох типів конструкцій відводу промивної води - пористі труби та пористі жолоби прямокутної форми поперечного перерізу. Аналіз розрахунку питомої наведеної вартості розглянутих систем, виконаного за вихідним даними Інгулецької очисної станції м. Миколаєва, показав, що пористі труби забезпечують найменші витрати, тому що мають більшу пропускну здатність, ніж жолоба. Приводяться рекомендації з оптимальних параметрів пористих труб для станцій очищення води, побудованих за типовими проектами продуктивністю від 5 до 100 тис. м3/доб.

Задача проектування полімербетонного дренажу - оптимізаційна задача, функцією мети якої також є питомі приведені затрати. Аналіз показав, що приведені затрати залежать від великої кількості факторів, але лише три з них проектувальник може варіювати (висота лотка - вл, його похил - io і втрата напору в патрубках на вході в лоток - h). У зв'язку зі складністю й трудомісткістю задачі через велику кількість можливих варіантів (трьох факторів), була почата спроба пошуку оптимальних рішень, використовуючи математичний апарат планування експериментів. При цьому під “експериментом” розумівся результат чисельного розрахунку. Для оптимізації був використаний нелінійний план В3 (15-ти крапковий 3-х факторний план), реалізований за допомогою програми “COMPEX”, розробленої на кафедрі ПАТСМ Одеської державної академії будівництва і архітектури. Всі фактори варіювалися на трьох рівнях: -1, 0, +1. Початкова регресійна модель мала вигляд:

Y=bo+b1X1+b2X2+ b3X3+b11X12+ b22X22+ b33X32+b12X1X2+ b13X1X3+ b23X2X3, (19)

де X1 - висота лотка, що варіювалась в межах 35±5см; X2- похил дна лотка (0,025±0,025); X3- втрата напору у патрубку (200±100см).

Вихідні дані (параметри, що не варіювалися) узяті з типових проектів станцій очищення води серії 901-3, продуктивністю 5, 8, 12, 20, 32, 50, 100 і 200 тис. м3/доб. Отримані дані показали, що мінімальні значення наведених затрат для перших двох факторів досягаються при мінімальних значеннях Х1 і Х2 (висоти лотка та похилу його дна). Оптимальні втрати напору у патрубку (Х3) для станцій продуктивністю 5, 8, 12, 20 й 50тис. м3/доб -1,0м, а для інших продуктивностей - 2,4-2,6м. При цьому залежність П(Х3) дуже полога. Як показав аналіз, при зміні вихідних значень вартісних показників (електроенергії, бетону і т.п.) оптимальні значення факторів міняються і цілком можливі варіанти, при яких оптимальне значення похилу дна лотка io>0.

7. Апробація пористих труб для відводу промивної води у виробничих умовах

Випробування були проведені на діючих водопровідних спорудах третього блоку швидких фільтрів Інгулецької очисної станції м. Миколаєва в найгірших умовах з погляду можливої кольматації пористих полімербетонних конструкцій - це водоповітряне промивання. Швидкі фільтри - прямокутні в плані, розмірами 8,7х4,6м, корисною площею 40,4 м2 кожний. Дренаж виконаний з пористих полімербетонних плит, покладених на стінки каналів, завантаження - кварцовий пісок Глуховецького кар'єру крупністю 0,5 - 3 мм, висотою шара 1,5 м. Швидкість фільтрування 6 - 7 м/год, тривалість фільтроциклу залежно від якості сирої води коливається в межах від 24 до 48 годин. Промивна вода видаляється за допомогою піскоуловлюючого жолоба конструкції АКГ у збірний канал.

В процесі експлуатації швидких фільтрів при промиванні відбувався значний винос фільтруючого завантаження (зменшення шару до 15 см у рік) і відвід промивної води із площі фільтра здійснювався нерівномірно через негоризонтальність верхньої крайки.

В 1991 р. у швидкому фільтрі №2 була змонтована пориста конструкція відводу промивної води у вигляді полімербетонних труб діаметром по 400 мм, довжиною 4.5 м кожна і похилою пористою стінкою (рис.10). Оцінку ефективності його роботи вели шляхом порівняння з роботою сусіднього фільтра.

У процесі експлуатації спостерігали за швидкістю фільтрування до і після промивання, режимом і якістю промивання, кількістю залишкових забруднень, висотою шару завантаження. Положення рівня води у фільтрі при промиванні відповідає результатам розрахунку, виконаного за методикою, наведеною в розд.3.

Спостереження за роботою швидкого фільтра показали, що в процесі експлуатації протягом більше одного року зміна рівня фільтруючого завантаження не перевищила 2 - 3 см. На сусідньому фільтрі рівень завантаження зменшився в середньому на 14-15 см. У процесі виробничих випробувань було також встановлено, що за рахунок кращого відводу промивної води із площі фільтра загальний час промивання його скоротився приблизно на 2 - 3 хв., що привело до зниження витрати на власні потреби очисної станції. Крім цього, швидкість фільтрування зросла в середньому на 0,7 м/год, що привело до збільшення корисної продуктивності фільтра на 8%. Річний економічний ефект від впровадження пористих труб на швидкому фільтрі склав 1,69 тис. грн на 1 м2 корисної площі фільтра.

З 1991 р. по 2001 р. були демонтовані існуючі системи відводу промивної води на інших швидких фільтрах третьої черги та встановлені пористі конструкції. Загальна площа реконструйованих фільтрів третього блоку склала 560 м2.

В 2002 р. на одному швидкому фільтрі другого блоку Інгулецьких очисних споруд були змонтовані 6 пористих труб (по 3 у кожному осередку) для відводу промивної води діаметром 400 мм, довжиною по 4 м кожна в місцях розташування жолобів. Труби виконані з пористого полімербетону крупністю 3-7 мм і розташовані з похилом 0,02 убік збірного каналу. Ефективність його роботи оцінювали порівнянням з роботою сусіднього фільтра.

Спостереження за роботою швидкого фільтра показали, що в процесі експлуатації протягом 1 року зміна рівня фільтруючого завантаження не відбулася. Контроль стану завантаження фільтра показав, що поверхня її рівна, западин і тріщин не виявлено, грязьових скупчень у просторі між пористими трубами не виявлено, що свідчить про добру якість промивання.

У процесі виробничих випробувань було також встановлено, що за рахунок кращого відводу промивної води із площі фільтра загальний час промивання фільтра скоротився приблизно на 2 хв. і становить 6 хв., що привело до зниження витрати води на власні потреби очисної станції.

Промислова апробація пористих систем відводу води з напірних фільтрів була проведена на Одеському лікеро-горілчаному заводі (ОЛГЗ) в 1992 р. та в Одеській національній морській академії (ОНМА) в 1997 р. Блок із чотирьох напірних фільтрів ОЛГЗ відповідно до технологічної схеми призначений для пом'якшення води. Фільтри діаметром 1 м кожний завантажені катіонітом КУ-2-8 крупністю 0,5-1,2 мм. Відвід промивної води виконаний у вигляді центральної труби із чотирма перфорованими поліетиленовими променями діаметром 35 мм, у кожному з яких є 16 отворів діаметром по 10 мм, розташованих по бічним утворюючим. Промені закріплені до центральної труби та стін фільтра. Крім того, відвідна система служить для подачі води на фільтрування, а також розчину солі на регенерацію. У процесі обстеження було встановлено, що у фільтрах відбувається значне віднесення дорогого фільтруючого матеріалу КУ-2-8 - всі комунікації фільтрів були заблоковані завантаженням, що привело до їхньої повної зупинки. Для запобігання виносу матеріалу завантаження на поліетиленові промені були наформовані пористі полімербетонні оболонки із заповнювачем крупністю 3-5 мм, товщиною 25 мм. В результаті спостережень за роботою напірних фільтрів протягом одного року встановлено, що виносу іонообмінного завантаження не відбувалося. Економічний ефект за рахунок зменшення виносу іонообмінного завантаження в напірних фільтрах склав приблизно 950 грн/м2.

Блок з восьми напірних фільтрів ОНМА призначений для водопідготовки плавального басейну. Фільтри діаметром 1,5 м завантажені кварцовим піском крупністю 0,5 - 1,7 мм. Відвід промивної води здійснювався за допомогою 12 сталевих перфорованих труб діаметром 50 мм, підключених до центрального збірника. Промивання фільтрів здійснювалося зворотним струмом води від водопровідної мережі з інтенсивністю 14 - 15 л/(с•м2). У процесі обстеження було встановлено, що при промиванні відбувався значний винос завантаження - щорічне довантаження фільтруючого матеріалу становило приблизно 20 см.

В 1997 році був зроблений демонтаж існуючої системи відводу промивної води і її заміна на пористу конструкцію. У верхній частині напірного фільтра були встановлені 12 радіальних пористих труб зовнішнім діаметром 100 мм, виконаних з полімербетону крупністю 3-5 мм, товщиною 25 мм із каркасом з вініпластових перфорованих труб діаметром 50 мм. Спостереження за роботою фільтрів протягом двох років показало їх надійну роботу, довантаження фільтруючого матеріалу не здійснювалося.

Отримані позитивні результати промислової апробації та масштабного впровадження пористих трубчастих конструкцій відводу промивної води зі швидких фільтрів дозволили розробити “Рекомендації із проектування, будівництву й монтажу пористих систем відводу промивної води з фільтрів”, наведені в додатку 1 дисертації. Для впровадження пористих відвідних систем і вдосконаленої конструкції полімербетонного дренажу в проектну практику розроблені програми гідравлічного розрахунку й оптимізації їхніх конструктивних параметрів, які передані в проектний інститут “Одесакомунпроект” (м.Одеса). Результати проведених досліджень включені в курс лекцій по дисципліні “Інтенсифікація водопровідних споруд” і навчальний посібник “Очищення природних вод”, призначений для студентів, що навчаються за фахом “Водопостачання і водовідведення”.

Висновки

полімербетонний фільтрувальний дренажний трубчастий

1. Вирішено важливу народногосподарську проблему підвищення ефективності й надійності роботи водопровідних споруд, які використовуються для очищення природних вод, шляхом розробки нових й удосконалених пористих конструкцій, у тому числі дренажно-розподільних і відвідних систем водоочисних фільтрів, методів гідравлічного розрахунку й оптимізації.

2. Проведено критичний аналіз існуючих сітчастих установок і пористих конструкцій, найбільш широко застосовуваних у водопостачанні й меліорації, на базі якого дано теоретичне обґрунтування переваг пористих конструкцій, яке підтверджено експериментально.

3. На підставі узагальнення теоретичних та експериментальних даних запропоновані нові конструкції для водопровідних споруд:

· пористі труби для відводу промивної води зі швидких фільтрів;

· пористі труби для відводу води з напірних фільтрів;

· лотковий пористий дренаж змінного перетину по довжині.

4. Показано, що застосування пористих труб у конструкціях відкритих і напірних фільтрів дозволяє поліпшити відвід забрудненої води при промиванні, значно скоротити віднесення фільтруючого матеріалу, зменшити витрати на подачу промивної води й підвищити надійність роботи. Крім того, з'являється й ряд технологічних переваг - можливість підвищення інтенсивності промивання, застосування легких (у т.ч. двошарових) завантажень при водоповітряному промиванні без небезпеки їхнього віднесення.

5. Встановлено, що конструкція лотка змінного перетину в дренажно-розподільних системах швидких фільтрів дозволяє вирівняти поле швидкостей при промиванні, знизити нерівномірність розподілу потоку промивної води й скоротити експлуатаційні витрати.

6. Проведено узагальнення і аналіз існуючих теоретичних рішень та методів розрахунку збірно-розподільних систем водопровідних споруд, які працюють зі змінною витратою по шляху, на підставі чого зроблено вибір основного рівняння руху рідини, необхідного для створення математичних моделей.

7. Розроблені математичні моделі роботи пористої труби в умовах безнапірного і напірного руху рідини, а також полімербетонного дренажу, які засновані на використанні рівнянь руху рідини зі змінною по довжині витратою в умовах фільтрації через пористу стінку.

8. На базі отриманих моделей виконані чисельні дослідження роботи відвідних і дренажно-розподільних систем водоочисних фільтрів, які показали повну їхню відповідність фізичним уявленням про процеси.

9. На підставі теоретичних досліджень розроблені достовірні й надійні інженерні методи розрахунку пористих збірно-розподільних пристроїв, які засновані на покроково-ітераційному рахунку з використанням ПЕОМ, що дозволяють з високою точністю визначати їх гідравлічні та конструктивні параметри. Крім того, методика дає можливість розраховувати напірні трубопроводи та відкриті канали постійного або змінного перерізу з безперервною або дискретною змінною витрати по довжині, а також вирішувати класичні задачі гідравліки - визначення критичної й нормальної глибини в трубах і відкритих потоках правильної та довільної форм поперечного перерізу.

10. Проведено експериментальні дослідження роботи пористої труби в умовах напірного і безнапірного руху рідини, які підтвердили достовірність математичних моделей і методів їх гідравлічного розрахунку.

11. Виконано теоретичне обґрунтування й розроблена методика пошуку оптимальних конструктивних параметрів пористих труб для відводу промивної води та полімербетонного дренажу, з використанням методів чисельного моделювання і планування експериментів.

12. Результати теоретичних і лабораторних досліджень пористих відвідних систем апробовані на діючих швидких фільтрах водопровідних споруд м. Миколаєва. Фільтри показали надійну роботу на протязі тривалого часу експлуатації: зменшились винос матеріалу завантаження з 15 см до 2-3 см за рік і тривалість промивання фільтра на 2-3 хв, швидкість фільтрування зросла в середньому на 0,7 м/год, що привело до збільшення корисної продуктивності фільтра на 8%. Економічний ефект склав 1,69 тис. грн. на 1 м2 корисної площі фільтра. Пористі відвідні конструкції впроваджені на 15 швидких фільтрів загальною площею 610 м2 (їх сумарна продуктивність - складає десь 100 тис. м3/доб).

13. Промислова апробація пористих конструкцій відводу промивної води з напірних фільтрів водопідготовки дозволила значно скоротити винос дорогого фільтруючого матеріалу. Розрахунковий річний економічний ефект за рахунок цього склав близько 950 грн/м2.

14. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень розроблені “Рекомендації із проектування, будівництва й монтажу пористих систем відводу промивної води з фільтрів”, а також комп'ютерні програми розрахунку, які передані в проектний інститут “Одесакомунпроект” для використання в проектній практиці.

Література

1. Прогульный В.И. Работа пористой трубы в условиях безнапорного режима. //Науковий вісник будівництва. -Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2005. - Вип. 33. - С.170-175.

2. Прогульный В.И. Выбор уравнения движения жидкости в пористой проницаемой трубе. //Гідромеліорація та гідротехн. будівництво. -Рівно: НУВГП. -2005. - Вип. 30. - С.95-100.

3. Прогульный В.И. Учет кривизны стенки при сборе (распределении) воды пористой трубой. //Вісник ОДАБА. - Одесса: “Внешрекламсервис”. - 2005. -Вип.17. - С.227-230.

4. Прогульный В.И. Математическая модель сборной пористой напорной трубы. //Вісник ДонНАБА. „Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві”. - Макіївка: ДонНАБА. -2005. -Вип.6 (54). - С.8-14.

5. Прогульный В.И. Исследования работы пористой трубы на математической модели. //Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2006. -Вип.36. - С.90-95.

6. Прогульний В.Й. Проектування пористих труб для відводу промивної води зі швидких фільтрів. //Науково-технічний збірник „Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки”. - К.: КНУБА. - 2006. - Вип. 7. - С.51-55.

7. Прогульный В.И. Математическая модель пористого дренажа водоочистных фильтров. //Вісник ДонНАБА. „Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві”. - Макіївка: ДонНАБА. -2006. -Вип. 2 (58). - С.60-63.

8. Прогульный В.И. Исследования кольматации пористого полимербетона песком. //Вісник ОДАБА. - Одеса: Місто майстрів. - 2006. -Вип.23. - С.261-265.

Размещено на Allbest.ru