Применение вихревых систем аэрации жидкости при решении проблемы подготовки питьевой воды объектов загородной недвижимости

РАЗДЕЛ 2 МОДЕЛИ, СИСТЕМЫ, МЕХАНИЗМЫ В ТЕХНИКЕ

УДК 628.16

ПРИМЕНЕНИЕ ВИХРЕВЫХ СИСТЕМ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ ПРИ РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ОБЪЕКТОВ ЗАГОРОДНОЙ НЕДВИЖИМОСТИ

Д. П. Алексеев, Н. Е. Курносов, А. А. Николотов, А. М. Холоднев

В статье представлен новый способ очистки воды на основе процессов в вихревых жидкостно-газовых потоках. Проанализированы основные проблемы, возникающие при очистке воды существующими способами. Приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия жидкости и газа под действием вихревого эффекта.

This paper presents a new method of water treatment processes on the basis of the vortex liquid-gas _ flows. Analyzed the main problems associated with existing water treatment methods. The results of experimental studies of the interaction of liquid and gas under the influence of the vortex effect are given.

Каждый владелец загородной недвижимости сталкивается с проблемой водоснабжения. Наилучшим решением может быть бурение индивидуальной скважины, однако это сопряжено с рядом трудностей, главной из которых является выбор системы водоснабжения.

Система водоснабжения загородного дома в современном понимании представляет собой совокупность инженерных сооружений, обеспечивающих забор, подготовку и распределение воды на объекте, и включает в себя:

- насосное оборудование для подъема воды из скважины;

- трубопроводы с различными фитингами и кранами;

- оборудование для поддержания давления;

- оборудование для очистки воды.

Особое внимание следует уделить системам очистки воды, так как вода из артезианских источников характеризуется значительным содержанием железа, различных минеральных солей, а также наличием микроорганизмов, придающих ей неприятные запахи и привкусы, ухудшающих качество воды и препятствующих использованию ее для питьевых целей [1].

Схемы обработки подземных вод для хозяйственно-питьевых водопроводов включают сооружения для обеззараживания и установки для умягчения и обезжелезивания воды.

Специальной операцией по уничтожению содержащихся в воде бактерий и микроорганизмов является обеззараживание воды.

Наиболее распространенным обеззараживающим агентом является хлор либо его соединения. Недостатками этого способа обеззараживания является

способность хлора вступать в реакцию с органическими веществами и образовывать побочные, токсичные для человека вещества [2]. Кроме того, перевозки на значительные расстояния и постоянное хранение больших количеств жидкого хлора служат источником экологической опасности, поэтому данный способ очистки воды в условиях индивидуального дома не пригоден.

Альтернативным методом обеззараживания является озонирование, отличающееся более высокой эффективностью, а также отсутствием побочных хлорорганических продуктов. Однако озон - токсичное вещество, опасное для здоровья человека. В связи с этим в озонаторных установках должны быть приняты все меры по предотвращению возможности проникновения озона в помещение. Кроме того, воздух, забираемый для производства озона, должен быть очищен от пыли, а также осушен. Наличие влаги в используемом воздухе вызывает увеличение расхода энергии, затрачиваемой на получение озона.

Уничтожение бактерий, находящихся в воде, может быть достигнуто путем обработки воды ультрафиолетовыми лучами. Стоимость обеззараживания воды бактерицидными лучами не превышает стоимости хлорирования. К недостаткам метода следует отнести отсутствие простых и надежных способов контроля за эффектом обеззараживания и невозможность использования метода для обеззараживания вод, отличающихся повышенной мутностью и цветностью [1].

Железо в подземных водах чаще всего встречается в виде растворенного двухвалентного железа.

Для обезжелезивания подземных вод чаще всего применяют аэрацию воды без добавления реагентов. Согласно данным НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды, обезжелезивание фильтрованием с аэрацией может применяться для подземных вод при общем содержании железа до 10 мг/л. Кроме того, при помощи аэрации воды обычно удаляются свободная углекислота и сероводород, поскольку парциальное давление этих газов в атмосферном воздухе близко к нулю [2].

В настоящее время применяются различные системы аэрации жидкости, которые в зависимости от способа подачи воздуха можно разделить на пневматические, механические, комбинированные и струйные.

Самыми распространенными являются пневматические системы аэрации, представленные в виде перфорированных трубопроводов, фильтроносных пластин и т.д. Однако для работы таких систем требуются значительные энергозатраты, связанные с поддержанием необходимого напора в пневмомагистралях. Кроме того, степень использования кислорода воздуха в таких системах редко приближается к величине 10 %, рекомендованной СниП [3]. С учетом существующей стоимости энергоносителей насыщение водной среды кислородом путем подачи сжатого воздуха становится очень энергоемким и дорогостоящим способом.

Принцип действия механических систем аэрации основан на вовлечении атмосферного воздуха вращающимися частями ротора. Однако такие системы имеют невысокую производительность по кислороду, поэтому в сооружениях биологической очистки сточных вод может потребоваться большое их количество, что отрицательно сказывается на энергетических показателях и ведет к усложнению конструкции сооружения [4].

В последние годы внимание многих ученых привлекли струйные (эжекторные) системы аэрации. Принцип действия таких систем основан

на использовании кинетической энергии истекающей струи жидкости из сопла аэратора, создающей разрежение в корпусе устройства, что вызывает эжекцию атмосферного воздуха [5].

Изучая способы интенсификации процессов очистки артезианских вод в лаборатории «Вихревые процессы и технологии» Пензенского государственного университета, сотрудники проводят исследования по возможности применения вихревых систем аэрации жидкости.

Предлагаемая технология насыщения жидкости кислородом основана на струйно-вихревом способе с применением эжекторной аэрации, что открывает новые возможности интенсификации процессов очистки воды.

Для проведения исследований подготовлен лабораторный стенд (рис. 1), состоящий из следующего оборудования: вихревой гидроактиватор (1), установленный на штативе в емкости (2); центробежный насос высокого давления (3) для нагнетания жидкости в камеру гидроактиватора; частотный преобразователь (4), предназначенный для изменения частоты вращения вала электродвигателя; фоторегистрирующая аппаратура (5); расходомер (6) для измерения количества проходящего газа в единицу времени, установленный на эжектирующем патрубке; манометр (7); датчики растворенного кислорода (8) и температуры (9); ноутбук (10) для отображения и сохранения всех параметров; запорная арматура (11).

ИПЕ

“ Частотный преобразователь

Рис. 1. Схема лабораторного испытательного стенда:

1 - вихревой гидроактиватор; 2 - емкость V = 100 л; 3 - центробежный насос высокого давления; 4 - частотный преобразователь; 5 - фоторегистрирующая аппаратура;

6 - расходомер; 7 - манометр; 8 - датчики растворенного кислорода;

9 - датчик температуры; 10 - ноутбук; 11 - запорная арматура

Работа установки заключается в многократном прокачивании жидкой среды по замкнутому контуру. Насос подает жидкость под давлением от 0,1 до 0,8 МПа в гидроактиватор, где при вихревом движении этой жидкости происходит эжектирование атмосферного воздуха. При этом ведется регистрация следующих параметров: давление жидкости на входе в гидроактиватор; количество эжектируемого воздуха в единицу времени; количество растворенного кислорода в жидкости; температура жидкости. Фотографическая аппаратура установлена у прозрачной стенки емкости с целью регистрации наиболее важных моментов эксперимента.

Основной задачей проведения исследований явилось получение максимального значения коэффициента эжекции в зависимости от динамических параметров течения жидкости и газа и геометрических размеров элементов гидроактиватора, который выражается отношением объема эжектируемого воздуха к объему подаваемой жидкости:

Уа

П. = — .

уж у Я

При построении модели процесса в качестве переменных были приняты следующие факторы: а?эж - диаметр эжектирующего патрубка, мм; 1кам - длина вихревой камеры, мм; Р - давление жидкости, МПа.

Для удобства обработки экспериментальных данных введен геометрический фактор А, который характеризует отношение диаметра выходного патрубка к диаметру эжектирующего патрубка, т.е. А = йвых/йэж.

На рис. 2 представлена зависимость пэж от давления подаваемой жидкости. Одним из определяющих факторов, влияющих на пэж, является длина вихревой камеры /кам. Максимальная эжектирующая способность гидроактиватора достигается при /кам = 30 мм, при увеличении или уменьшении этого параметра пэж падает. Это объясняется тем, что при данном значении /кам вихревой поток имеет максимально возможную закрутку, а следовательно, взаимодействие между жидкостным и газовым потоком наиболее интенсивно. При увеличении длинны вихревой камеры вихревой поток постепенно теряет закрутку, что приводит к уменьшению скорости и, соответственно, к снижению пэж, при уменьшении длинны вихревой поток не успевает набрать необходимой скорости, что также приводит к снижению пэж.

Изучение зависимости коэффициента эжекции от динамических параметров течения жидкости и газа и геометрических размеров элементов гидроактиватора дало возможность получить оптимальные динамические параметры струйного течения жидкости и газа в канале гидроактиватора. Полученные данные позволили определить наилучший режим работы гидроактиватора, при котором достигается максимальная эффективность аэрации.

Струйно-вихревой способ насыщения жидкости кислородом с применением эжекторной аэрации позволяет отказаться от использования сложных и дорогостоящих систем аэрации, а также позволяет производить аэрацию на небольших, местных очистных сооружениях. Использование вихревых устройств для насыщения жидкости кислородом при обезжелезивании подземных вод позволит поддерживать в очищаемой воде концентрацию растворенною кислорода 8-10 мг/л, вместо обычно принятой концентрации в 1,5-2 мг/л.

Рис. 2. График зависимости коэффициента эжекции от давления подаваемой жидкости:

1 ^ 4ам = 20 мм; 2 - /кам = 30 мм; 3 - /кам = 40 мм; 4 - А = 1,6 мм; 5 - А = 2,5 мм; 6 - А = 5 мм

Другой особенностью разрабатываемых устройств является возможность получения высокоинтенсивных режимов кавитации. Проведенные исследования показали, что в воде, подвергнутой кавитационному воздействию, погибает до 97 % микроорганизмов и бактерий. Ряд ученых утверждает, что основной причиной возникновения такого разрушительного явления, как кавитация, являются не пузырьки воздуха, находящиеся в воде, а микроорганизмы, являющиеся ядрами развития процесса кавитационного разрыва воды. Кроме того, установлено, что кавитация, развивающаяся на организмах, проходит значительно интенсивнее, чем кавитация, развивающаяся на воздушных пузырьках [6].

Таким образом, по сравнению с существующими техническими решениями разработанная технология подготовки питьевой воды имеет ряд преимуществ:

- снижение энергозатрат на очистку подземных вод (20-30 %);

- снижение капитальных затрат, связанных с приобретением энергоемкого оборудования для нагнетания воздуха;

- снижение эксплуатационных затрат;

- высокая эффективность аэрации при обезжелезивании жидкости;

- применение данной технологии при обеззараживании подземных вод, что позволит отказаться от использования химических обеззараживающих агентов;

- высокое качество очистки воды.

Одним из немаловажных достоинств разработанных устройств является их многоцелевое назначение, что позволяет им найти применение в разных отраслях промышленности:

- при подготовке питьевой и технической воды;

- при биологической очистке сточных вод;

- в процессах брожения при производстве напитков и продуктов питания;

- для ингаляции и приема ванн;

- для улучшения среды обитания и повышения продуктивности рыб в прудах и бассейнах.

На данный момент невозможно оценить всю глубину перспективности разработок на основе вихревых технологий. Вихревые технологии открывают новые, ранее неизвестные и неиспользуемые возможности для эффективного решения многих частных вопросов.

Список литературы

1. Абрамов, Н. Н. Водоснабжение : учеб. для вузов / Н. Н. Абрамов. - Изд. 2-е, пере-раб. и доп. - М. : Стройиздат, 1974. - 22 с.

2. Журба, М. Г. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений : учеб. пособие / М. Г. Журба, Л. И. Соколов, Ж. М. Говорова. - Изд. 2-е, перераб. и доп. -М. : А СВ, 2004. - 214 с.

3. Багнюк, В. В. Обоснование параметров устройства для аэрации вод, включая сточные, на основе виброструйного эффекта : дис. ... канд. техн. наук: 03.00.16 / Багнюк В. В. - М., 2003. - 212 с.

4. Воронов, В. Ю. Струйная аэрация / В. Ю. Воронов, В. Д. Казаков, М. Ю. Толстой. -М. : Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2007. - 47 с.

5. Попкович, Г. С. Системы аэрации сточных вод / Г. С. Попкович, Б. Н. Репин. -М. : Стройиздат, 1986. - 136 с.

6. Пат. 2046880 Российская Федерация, МПК6 Е 02В 8/08. Способ защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах и устройство для его осуществления / А. С. Лашков, К. И. Кириллова ; заяв. и патентообл. Лаш-ков А. С. - № 5005379/23 ; заявл. 26.09.1991 ; опубл. 27.10.1995, Бюл. № 23. - 1 с.

УДК 621.391

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ ОСНОВНОГО ТОНА РЕЧЕВОГО СИГНАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА МНОЖЕСТВЕННОЙ ДЕКОМПОЗИЦИИ НА ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЫ

А. К. Алимурадов, А. Ю. Тычков, П. П. Чураков

Представлен алгоритм обнаружения и определения информативного параметра речевого сигнала - частоты основного тона. Предлагаемый алгоритм обеспечивает выполнение таких функций, как множественная декомпозиция на эмпирические моды исходного сигнала, обработка и анализ отдельных эмпирических мод, обнаружение информативных составляющих отдельных эмпирических мод и вывод частоты основного тона речевого сигнала.

This article presents the algorithm of detection and determination of informative parameter of a speech signal - frequencies of the main tone. Offered algorithm