Ресурсосберегающая система очистки технической и оборотной воды от механических и техногенных примесей

В.П. Харитонов, канд. физ.-мат. наук;

В.В. Белоусов, магистр

НИПКИ ''Параметр'', ДГМИ, г. Алчевск

Проблема рационального использования и сохранения водных ресурсов является весьма актуальной. Однако вопреки логике в настоящее время около 50% сточных вод в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве сбрасывается в открытые водоемы с повышенным содержанием не только взвешенных веществ (более 12 мг/л), но и других загрязнителей (нефтепродукты, азот, фосфор и т.п.). Из них 88% сбросов приходится на горно-металлургическую и химическую промышленность [1]. Однако имеются значительные резервы экономии воды как за счет внедрения новых систем оборотного и повторно-последовательного водоснабжения, так и за счет использования динамических систем очистки нового поколения.

В работе [2] предложена высокоэффективная система двухстадийной очистки жидких сред, основными составляющими которой являются центробежно-гравитационный очиститель (ЦГО) и саморегенерирующийся гидромеханический фильтр (ФГМ). Определяющим фактором при двухстадийной очистке жидкостей в оборотных системах являются их надежность и эффективность.

В работах, посвященных расчетам поля скоростей в ЦГО и фильтрах типа ФГМ, обычно рассматриваются течения между двумя коаксиальными поверхностями с учетом отсоса жидкости через одну из них, что, естественно, значительно сужает область применения полученных результатов. В настоящей работе, применительно к ЦГО, рассмотрены задачи о стационарном закрученном движении несущего потока загрязненной жидкости и движении частиц в потоке в кольцевой области, когда обе стенки проницаемы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Расчетная область течения несущего потока загрязненной жидкости

Здесь, как и в работе [2], массовые силы и вязкость учитываются только при рассмотрении силового взаимодействия системы ''жидкость-частицы''. При этом исходные уравнения для определения поля скоростей несущего потока и траекторий движения твердых частиц в потоке, в цилиндрической системе координат (z, ?, r) запишутся [2,3]:

для несущего потока:

, (1)

, ;(2)

для частиц примесей:

, (3)

, (4)

, (5)

, , , (6)

где - векторы скоростей несущего потока и частиц примесей; - проекции скоростей несущего потока и частиц примесей; - плотности жидкости и частиц; ? - коэффициент закрутки потока; m - масса частицы; d - диаметр частицы; - коэффициент сопротивления для частицы; - угловая скорость закрутки потока; - ускорение силы тяжести.

Рассмотрим решение уравнения (1) при граничных условиях:

, , (7)

, , (8)

где - радиусы проницаемых цилиндров (классификаторов); - расходы через внутренний и внешний проницаемые цилиндры; - общий расход несущего потока; - коэффициенты проницаемости потока.

Введем далее новую функцию

(9)

и подставим ее в исходное уравнение (1) и граничные условия (7), (8). В результате получим следующую краевую задачу:

, (10)

, , (11)

, . (12)

Будем искать решение уравнения (10) в виде ряда

. (13)

Подставляя (13) в (10) и приравнивая коэффициенты при , для определения функции получим уравнение вида

, (14)

где:

. (15)

Решение уравнений при 0 имеет вид [4]

. (16)

Для определения используем граничные условия (12), из которых, после разложения их правых частей в ряды Фурье по функциям синуса, получим:

, (17)

, (18)

где

, . (19)

Возвращаясь к с учетом (9), (13), (16) и (2) имеем:

, (20)

, (21)

. (22)

Для нахождения поля скоростей частиц примесей и траекторий их движения на основе уравнений (3)-(6) и соотношений (20)-(22) составлена программа их численного решения (рисунок 2).

Отметим, что на эффективность разделения фаз потока "жидкость - частицы" в ЦГО особое влияние оказывают плотность частиц, их размер, скорость закрутки потока и геометрические параметры проточной части.

Полученные результаты численно-аналитического решения позволяют рассчитать пространственное поле скоростей несущего потока и движения частиц примесей в потоке. Это дает возможность использовать их в качестве основы для оптимизации конструктивных и гидродинамических параметров систем нового поколения двухстадийной очистки высокозагрязненных жидких сред.

Рисунок 2 - Траектории движения частиц различной крупности

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Уберман В.И. Эффективность государственного регулирования качества вод в Украине // Труды конференции «Экология и здоровье человека».- Т. - 3. Харьков. - 2001.- С. 506-516.

2. Рагулина Т.В., Харитонов В.П. Высокопроизводительные системы очистки жидких сред в горно-металлургических переделах. Зб. наукових праць Національної гірничої академії України. - Дніпропетровськ: Видавництво "Навчальна книга",2002. - №13. - Т.3 -С.85-88.

3. Мочалин Е.В., Бревнов А.А. Исследование влияния закрутки потока на движение взвешенных частиц в рабочих полостях устройств очистки жидких сред. Сб. научных трудов/ Окружающая среда - человек, ресурсосбережение. - Алчевск: ДГМИ.-1999. - Т. 1,Вып. 2. - С. 20-26.

4. Камкэ Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. - М.: Наука, 1965. - 703 с.