Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ECOLOGICAL CONSTRUCTION OF FACILITIES IN WATER BODIES ON THE BASIS OF WAVE FLOW AERATOR

Kuznetsova Yu.A. 1 Rzhepkin A.Yu. 1
1 Volga State University of Technology
Design of the water aeration device, working under wind waves on the water body surface, is suggested. To evaluate the effectiveness of the proposed device, a computable model of processes occurring in the aerator is built and implemented in MathCAD. The program allows to determine the dissolved air volume in the device tube, the air pressure change in the aerator body, the wave propagation velocity in the aerator tube, the air volume displaced during the device operation. For the selected parameters, the air volume displaced during the random period of the device operation is calculated, depending on the oscillation frequency and hydraulic impact processes. On the basis of Streeter-Phelps equations, an oxygen balance model in the presence of contamination is built in MathCAD. Dependence of oxygen concentration on time for the accepted conditionally initial parameters is obtained. The program allows to perform the calculation for specific parameter values derived from in-situ measurements.
ecology of water bodies
liquid aeration
oxygen balance
diffusion of oxygen into liquid
wave aerator

Одним из направлений совершенствования систем инженерно-экологического обустройства поверхностных водоемов и водотоков является создание эффективных, автономных и недорогих средств аэрации жидкости [3, 4, 6]. При попадании загрязнения в водоток начинается процесс его окисления, на что затрачивается растворенный в воде кислород. В результате концентрация кислорода в воде может значительно понизиться, что приводит к эвтрофированию водного объекта. Аэрация водоемов ускоряет окислительные процессы, тем самым способствуя их очищению.

В одномерном приближении процессы, формирующие кислородный баланс в реке при наличии органических загрязнений, описываются дифференциальными уравнениями [2]:

;

,

где – площадь поперечного сечения русла, м2; – расход воды, м3/с; – коэффициент скорости биохимического окисления загрязнения,1/c; – коэффициент скорости реаэрации, 1/c; – коэффициент продольной диффузии, м2/с; – биохимическое потребление растворенного кислорода, кг/м3; – концентрация растворенного кислорода, кг/м3; – концентрация растворенного кислорода выше створа выброса загрязнения, кг/м3.

Для ряда практических задач можно предположить, что формирование качества воды не зависит от конвективного переноса и диффузии вещества, тогда процесс кислородного баланса в реке при наличии загрязнения описывается дифференциальными уравнениями Стритера – Фелпса [5]:

где , – дефицит и концентрация кислорода, кг/м3; – коэффициент скорости биохимического окисления загрязнения, 1/c; – коэффициент скорости реаэрации, 1/c.

Величины коэффициентов и можно определить по данным натурных исследований или по эмпирическим зависимостям из уравнения Г. В. Стритера [2, 5] следует:

, где – начальная концентрация загрязняющего вещества, кг/м3; – концентрация того же вещества через время (сут), кг/м3.

Коэффициент скорости реаэрации характеризует скорость поступления кислорода из атмосферы при постоянной температуре. Этот процесс протекает до полного насыщения воды кислородом в пределах его растворимости при данных значениях температуры и давления.

Шедшилл, Элмор, Букингем [5] предложили определять коэффициент реаэрации по зависимости:

,

где – средняя скорость потока, м/с; – средняя глубина русла, м.

Анализ процесса диффузии кислорода в жидкость

Математическая модель изменения концентрации кислорода в воде при наличии загрязнений построена на основе уравнений Стритера – Фелпса [5] и балансового подхода Дж. Форрестера и реализована в программной среде MathCAD (рис. 2).

Рис. 2. Программа и результаты расчета зависимости концентрации кислорода от времени

В приведенном расчете приняты следующие значения исходных параметров:

- текущее время с;

- период определения БПК сут;

- продольный коэффициент турбулентной диффузии м2/с;

- средняя глубина потока м;

- продольная скорость водного потока м/с;

- фоновая концентрация загрязнения водного объекта кг/м3;

- концентрация загрязнения в створе выброса загрязнения кг/м3.

При необходимости расчет может быть выполнен для конкретных значений параметров, полученных в результате натурных измерений.

Конструкция устройства для аэрации вод

Предлагаемая конструкция (рис. 1) представляет собой поверхностный аэратор, работающий по принципу поршневого насоса, в качестве вытеснителя в котором выступает свободная поверхность жидкости, изменяющая свое положение за счет ветровых волн на поверхности водоема или водотока. В качестве корпуса может использоваться пластиковая бутыль, к которой присоединяется трубка для отвода и воздушный клапан для забора воздуха [1].

Рис. 1. Принцип работы волнового аэратора [1]:

а – фаза вытеснения воздуха из корпуса; б – фаза заполнения корпуса воздухом;

1 – клапан; 2 – корпус; 3 – трубка; 4 – груз

Работоспособность устройства была проверена в ходе лабораторных экспериментов в гидравлическом лотке лаборатории гидротехнических сооружений ФГОУ ВПО «ПГТУ». Результаты измерения концентрации кислорода при работе устройства хорошо согласуются с данными расчетов эффективности работы устройства представленными ниже.

Оценка эффективности работы предлагаемого устройства

Для расчета параметров аэраторов построена модель, использующая теорию возникновения гидроударных процессов в трубопроводе, при периодическом изменении давления в воздушной полости на одном из его концов [7].

Ниже приведена программа расчета параметров аэратора в программной среде MathCAD. Особенностью составленной в среде MathCAD программы расчета является возможность подбора материала трубки (вариант_1 – полиэтилен; вариант_2 – винипласт; вариант_3 – стеклопласт; вариант_4 – резина) с автоматическим вычислением модуля упругости, коэффициента Пуассона и плотности. Выбор материала осуществляется присвоением соответствующему материалу значения равного единице. При отсутствии варианта в качестве материала программой автоматически выбирается вариант_1 – полиэтилен.

Модуль упругости материала плавника, Па,

Коэффициент Пуассона,

Плотность материала, кг/м3,

В расчетах в среде MathCAD приняты следующие исходные данные:

- ускорение свободного падения м/с2;

- диаметр трубки м;

- толщина стенок трубки м;

- длина трубки м;

- площадь сечения трубки м2;

- изменение объема бутыли при волновых колебаниях м3;

- коэффициент растворимости воздуха при нормальных условиях ;

- плотность воды при температуре 20?С кг/м3;

- плотность воздуха при температуре 20?С кг/м3;

- скорость звука в воздухе м/c;

- давление насыщающих паров при температуре 20 град Па;

- модуль упругости жидкости Па;

- частота колебаний бутыли 1/с;

- период работы аэратора мин.

Далее приводятся результаты расчета, полученные для волнового аэратора с полиэтиленовой трубкой (вариант_1).

Скорость водо-воздушной смеси в трубке м/с.

Объем воды в трубке м3.

Объем растворенного воздуха в трубке м3.

Плотность водо-воздушной смеси кг/м3.

Напор насыщающих паров при температуре 20?С м.

Изменение давления воздуха в бутыли при изотермическом законе

м.

Изменение напора воздуха в бутыли при изотермическом законе

м.

Напор в трубке с учетом противодавления водяных паров , м.

Модуль упругости смеси , Па.

Скорость распространения по трубке волн изменения давления

м/с

Отношение модуля упругости смеси к модулю упругости материала трубки

Скорость ударной волны в трубке, м/с.

Повышение напора в первой фазе колебания бутыли (прямой гидравлический удар)

м.

Ударный параметр трубки .

Через время после уменьшения объема воздуха в трубке с возникает волна понижения напора , определяемая с учетом потерь напора в трубке, м.

Распространение этой волны вызовет образование в трубке скорости движения воды в обратном направлении м/с.

Падение напора м.

Волна понижения давления больше исходного напора в трубке , поэтому в трубке произойдет разрыв потока и установится напор

м.

Число выбросов воздуха за период работы аэратора .

Объем вытесняемого воздуха за период работы аэратора

м3.

Выводы

1. Для оценки потребности в кислороде и вычисления количества аэраторов заданной производительности построена математическая модель кислородного баланса при наличии загрязнения на основе уравнений Стритера – Фелпса. Реализация модели в среде MathCAD позволяет оценить величину и скорость биохимического потребления растворенного кислорода в зависимости от времени действия загрязнения.

2. Разработана конструкция устройства для аэрации вод на основе утилизации полиэтиленовых бутылей, включающая корпус, трубку для подачи воздуха, воздушный клапан, удерживающий груз, работающая под действием ветровых волн на поверхности водоема.

3. Построена и реализована в среде MathCAD модель процессов, происходящих в аэраторе, включающая выбор параметров материала трубки, ее геометрических характеристик и режима работы бутыли при волновых воздействиях. Вычислены объем растворенного воздуха, изменение давления воздуха в бутыли при изотермическом процессе, давление в газоотводной трубке с учетом противодавления насыщенных водяных паров, скорость распространения волн давления и скорость ударной волны.

4. Для оценки эффективности работы предлагаемого устройства вычислен объем вытесняемого воздуха за произвольный период работы аэратора в зависимости от частоты колебаний и влияния гидроударных процессов.

Рецензенты:

Полянин И.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой транспортно-технологических машин, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

Царев Е.М., д.т.н., профессор, профессор кафедры технологии и оборудования лесопромышленных производств ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.