Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1 Сравнительный анализ существующих систем аэрации природных и сточных вод 9
1.2 Обзор работ по применению струйных аэраторов для насыщения воды кислородом воздуха 20
1.3 Методы расчета конструктивных и технологических параметров струйных аэраторов 26
1.4 Массоперенос кислорода в струйных аэраторах 36
Глава 2. Теоретическое исследование гидродинамики двухфазного потока и массопередачи кислорода при струйном аэрировании жидкости 48
2 1 Расчет скоростей течения жидкости в зоне действия поверхностного струйного аэратора 48
2.2 Теоретическое определение эжектирующей способности линейных струйных аэраторов 57
2.3 Расчет окислительной способности поверхностных струйных аэраторов 66
2.4 Расчет эффективности распыливающей струйной аэрации... 71
Глава 3 Экспериментальные установки, методика проведения эксперимента и обработки опытных данных 81
3.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента для определения поправочных коэффициентов 81
3.2 Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента для определения эффективности струйной аэрации 83
3.3 Оценка измерения погрешностей 89
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 94
4.1 Определение поправочных коэффициентов 94
4.2 Опытные зависимости окислительной способности аэратора от конструктивных параметров 99
4.2.1 Скорость насыщения воды кислородом при применении щелевого насадка Д 00
4.2.2 Скорость насыщения воды кислородом при аэрации одинарной струей 104
4.2.3 Скорость насыщения воды кислородом при применении многоструйного насадка 107
4.3 Опытные зависимости окислительной способности аэратора от режимных и средообразующих параметров 110
4.3.1 Влияние высоты расположения насадка над поверхностью воды насадка на эффективность работы аэратора 111
4.3.2 Влияние температуры аэрируемой воды на эффективность работы аэратора 114
4.3.3 Влияние режима истечения на эффективность работы аэратора 117
Глава 5 Промышленное применение струйных аэраторов и пути улучшения их работы 121
5.1 Применение струйных аэраторов в технологических схемах очистки воды, различной по химическому составу 121
5.1.1 Аэрирование участка Воронежского водохранилища . 122
5.1.2 Аэрирование участка реки Тихая Сосна в Белгородской области 128
5.1.3 Повышение эффективности струйной аэрации биологических прудов 131
5.2 Расчет струйных аэраторов 138
5.3 Технико-экономическое обоснование внедрения диссертационной работы 134
Общие выводы 146
Библиографический список использованной литературы 149
Приложения 167
- Обзор работ по применению струйных аэраторов для насыщения воды кислородом воздуха
- Теоретическое определение эжектирующей способности линейных струйных аэраторов
- Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента для определения эффективности струйной аэрации
- Опытные зависимости окислительной способности аэратора от конструктивных параметров
Введение к работе
Вопросы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в настоящее время имеют исключительно важное значение. В охране водоемов от загрязнения важная роль принадлежит очистке сточных вод в искусственно созданных условиях и в первую очередь биохимическим методом. При этом значительная доля эксплуатационных затрат приходится на принудительную аэрацию сточных вод, как наиболее энергоемкий процесс. Вместе с тем в составе современной очистной станции система аэрации продолжает оставаться весьма сложным, недостаточно надежным и сравнительно слабо изученным элементом. Применяемая в настоящее время пневматическая система аэрации с воздуходувными станциями отличается высокой стоимостью, а механическая и пневмомеханическая системы обладают крайне низкой надежностью работы, сложной конструкцией рабочих органов, требуют применения электродвигателей с регулируемой частотой вращения или достаточно надежных редукторов и мотор-редукторов. Струйная система аэрации обладает рядом преимуществ: высокая надежность, относительно малые габаритные размеры, простота конструкции, отсутствие движущихся частей, небольшая стоимость и другие. Однако эффективность действия применяемых струйных аэраторов обычно не превышает 1 кЮ2 на 1 кВт.ч затраченной энергии, заметно уступая эффективности не только пневмомеханическим, но и механическим аэраторам. Низкая эффективность и малая изученность работы струйной системы аэрации сдерживает широкое внедрение её для насыщения атмосферным кислородом на станциях водоподготовки питьевой воды и очистки сточных вод, а также для оздоровления водоемов и водотоков.
Вместе с тем экономное расходование энергетических ресурсов, внедрение энергосберегающих технологий, возрастающий дефицит площадей пригодных для строительства очистных сооружений, усиление требований к компактности систем и сооружений при одновременном снижении их материалоемкости требуют усовершенствования существующих и освоения новых видов технологического оборудования, применяемого в сооружениях кондиционирования питьевой и
6 очистке сточной воды. Поэтому задача создания недорогих, надежных
аэрирующих устройств, обеспечивающих заданный эффект очистки при
минимальных затратах, является чрезвычайно важной и актуальной.
Цель и задачи работы. Целью работы является анализ физических процессов и перемешивания воды при струйной системе аэрации для разработки методики расчета и обоснования оптимальных геометрических размеров и технологических параметров высокоэффективных и экономичных струйных аэрирующих устройств. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
рассмотреть физическую картину водовоздушного потока при аэрировании объема воды свободнопадающими и фонтанными струями;
исследовать теоретически и изучить опытным путем процесс массопереноса атмосферного кислорода в жидкость и закономерности переноса растворенного кислорода в водной среде;
экспериментально исследовать зависимость основных параметров струйной системы аэрации от геометрических размеров и режимов работы аэрирующих устройств;
разработать рекомендации по расчету и проектированию струйных аэраторов и необходимого оборудования для насыщения атмосферным кислородом природных вод и биологических прудов;
дать технико-экономическую оценку применения струйных аэраторов и заключение о диапазоне их применения.
Объект исследования. Устройства для струйной аэрации воды.
Предмет исследования. Гидравлические и массообменные характеристики струйных аэраторов и аэрационных систем, методом математического моделирования и инженерного расчета этих систем.
Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, а также обобщение опытных данных различных авторов, базирующиеся на теории подобия и размерностей. Экспериментальные исследования проводились на моделях и полноразмерных
7 опытно-промышленных образцах струйных аэраторов различной геометрической
конфигурации и в широком диапазоне режимов их работы. Экспериментальные
материалы использовались для получения расчетных формул. Полученные
теоретические и эмпирические формулы сопоставлялись с опытными данными.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые получено теоретическое решение задачи определения расхода воздуха, инжектируемого свободнопадающими и фонтанными струями;
на основе полуэмпирической теории переноса вещества, с учетом подвижности контакта фаз, получены зависимости для расчета коэффициента массопереноса атмосферного кислорода в воду при струйной аэрации;
на основе анализа структуры двухфазных затопленных струй разработана схема расчета зоны действия струйных аэраторов;
сформулированы основные принципы конструирования струйных аэрирующих устройств универсального назначения.
Практическая значимость работы состоит:
в определении основных конструктивных и технологических параметров струйной аэрации, обеспечивающих повышение эффекта захвата и растворения атмосферного кислорода в воде;
в разработке методики расчета и рекомендаций по проектированию струйных аэраторов и необходимого оборудования для насыщения атмосферным кислородом природных и сточных вод.
Внедрение результатов* исследований. Выявленные расчетным путем и подтвержденные экспериментально закономерности гидромеханических и массообменных процессов в струйной системе аэрации* позволили разработать ряд промышленных конструкций струйных аэраторов, нашедших применение на станциях водоподготовки питьевой воды, а также для оздоровления водоемов и водотоков. Промышленные образцы струйных аэраторов внедрены на станции аэрации МУП «Водоканал Воронежа», на водопроводных очистных сооружениях; г. Щигры Курской области для обезжелезивания воды, а также для оздоровления
8 Воронежского водохранилища и улучшения качества воды в реке Тихая сосна г.
Бирючи Белгородской области.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты работы докладывались автором на первой международной научно-практической конференции «Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ» (Воронеж, 2003 г.), на международной школе-конференции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2005г.), на III Межрегиональной научно-практической конференции «Экология и рациональное природопользование» (Воронеж, 2007г.), на ежегодных научных конференциях «Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения» (Воронеж, 2002-2009г.г.).
Основные тезисы были изложены на научно-практической конференции посвященной 70-летию ФГУП «НИИ ВОДГЕО» «Водоснабжение, водоотведение, гидротехника, инженерная гидрогеология» (Москва 2004г.).
Задачи работы:
обоснование областей использования струйной системы аэрации;
результаты теоретических и экспериментальных исследований гидромеханических и массообменных процессов работы струйных аэраторов;
расчетные зависимости, технологические параметры и методика инженерного расчета струйных аэраторов;
рекомендации по проектированию и технико-экономической оценке применения струйных аэраторов для насыщения атмосферным кислородом естественных водоемов и биологических прудов.
Обзор работ по применению струйных аэраторов для насыщения воды кислородом воздуха
В отечественной и зарубежной литературе приводятся примеры использования струйных аппаратов для насыщения атмосферным кислородом природных и сточных вод, а также для аэрации водоемов и водотоков [23, 30, 78, 111, 115, 130, 141] и другие, в которых показана целесообразность применения струйной системы аэрации.
Струйные аэраторы, обеспечивающие диспергирование атмосферного воздуха за счет эжектирования его падающей струей аэрируемой жидкости, реализованы в шахтном аэраторе [121, 145, 150], который представляет собой коническую или цилиндрическую трубу высотой 3-8 м, расположенную над уровнем воды в резервуаре. Циркулирующая рабочая жидкость подается в верхнюю часть трубы, переливается через водосливное устройство и стекает по стенкам трубы вниз, захватывая воздух, диспергируя его и увлекая в аэрируемый резервуар. Такие аэраторы, разработанные фирмой «Wagner-Biro AG», нашли применение в Германии на станции биологической очистки1 городских сточных вод [169, 176, 179]. Под аэротенки на станции использованы круглые в плане резервуары метантенков объемом 465 м при расходе сточных вод 8000 м /сут. Система струйной аэрации шахтного типа укомплектована из трех параллельно работающих насосов и трех аэраторов. Каждый насос имеет мощность 34 кВт, производительность 1235 м /ч с напором 6,3 м вод.ст. В работе находятся два насоса, общей производительностью 2220 м/ч, что обеспечивает почти 6 кратную рециркуляцию. При неполной биологической очистке (эффективность по БПК составляет 85-88 %) окислительная мощность аэротенка достигает 4,7 кгСЬ/м сут, нагрузка на ил - 1,35 г/г сут. Удельный расход энергии составил 0,78 кВтч/кгБПК.
В работе [145] приведены результаты промышленных испытаний систем струйной аэрации шахтного типа на окситенке диаметром 9м очистных сооружений Щекинского п/о «Азот». Целью исследования было испытание струйной системы аэраторов шахтного типа, использующих для аэрации атмосферный воздух и технический кислород. Исследован вопрос параметров при различных диаметрах конической насадки струйного аэратора (90 и 120 мм), определена производительность по кислороду и расходные характеристики жидкости и газа.
Сравнительные промышленные испытания показали, что струйные системы аэрации шахтного типа конкурируют и даже превосходят механическую аэрацию. Установлено, что энергозатраты для струйной аэрации на 20% выше, чем для механической аэрации. Эти исследования показали, что струйные аэраторы шахтного типа позволяют создавать высокую турбулизацию потоков в резервуаре, тем самым увеличить массообмен аэрируемой иловой смеси а также получить высокую эффективность использования газа, сохраняя низкие энергозатраты.
Разновидностью струйных аэраторов с падающей струей являются аэраторы «Кольцевое сопло», нашедшее применение в России и Германии на шпалопропиточных заводах [155, 100]. Объемный коэффициент эжекции равен 1,5-2,0, то есть один объем воды захватывает 1,5-2,0 объема воздуха. Объем водо-воздушной смеси больше объема поступающей воды на 40-50%. По мнению разработчиков, степень использования кислорода воздуха достигает 11-12%.
Для очистных канализационных сооружений Ростовским ГПИ «Водоканалпроект» был разработан и испытан аэратор водоструйного типа [69]. Очищаемая вода, рециркулнрующий активный ил или их смесь подаются насосом по колонне подачи воды в распределительную камеру аэратора. Из камеры через приемный конус рабочая жидкость поступает в колонну водовоздушной смеси. При асимметричной подаче жидкости к приемному конусу в нем образуется неразвитая воронка, через которую происходит захват воздуха из атмосферу в колонну. При этом на 1 м поданной жидкости в колонну вовлекается до 3 м воздуха. Образованию развитой воронки с вращением жидкости, которая приводит к снижению эффективности аэрации, препятствует установка регулирования взаимного положения конуса и воздушной трубы.
По данным [69], при достаточно больших расходах рабочей жидкости, что соответствует Re 4 J04, газовая фаза диспергируется в жидкой фазе в виде мелких пузырьков, то есть имеет место эмульсионный режим течения. Растворение кислорода происходит, как в колонне, так и в самом аэрационном сооружении.
По удельным затратам энергии на растворение кислорода указанный тип аэрации равноценен пневматической мелкопузьтрчатой аэрации. Применение таких аэраторов целесообразно при очистке высококонцентрированных сточных вод. По рекомендации разработчиков такие аэраторы можно применять вместо пневматических на станциях аэрации производительностью до 10тыс.м3/сут, а также при аэрации воды в биологических прудах.
В КуАИ разработаны различные вихревые струйные аэрационные установки, позволяющие проводить аэрацию водоемов и водотоков различного назначения, в том числе и весьма крупных [30]. Наряду с прямоструйными аэраторами, названными «Стрела», разработан ряд конструкций вихревых струйных аэраторов, названных «Циклон» [31, 130]. Аэратор состоит из вихревой камеры, входного тангенциального сопла, камеры смешения и патрубка, инжектирующего поток воздуха. При работе аэратора вода под давлением подается через тангенциальное сопло в вихревую камеру, закручивается в ней с образованием центральной вакуумной зоны. В эту зону через патрубок эжектируется атмосферный воздух и диспергируется в камере смешения с образованием водовоздушной смеси. Такие аэраторы значительно компактнее прямоструйных и позволяют интенсифицировать захват и растворение воздуха в воде. В работе [130] установлено, что основной механизм эжектирования воздуха в вихревой струйный аэратор является прецессирующий вторичный поток, обеспечивающий интенсивный процесс подготовки водовоздушной эмульсии. Особенностями созданных аэраторов является высокая степень мобильности, малые габаритные размеры, независимость от источника энергии, возможности использования типового оборудования и другие [130].
Теоретическое определение эжектирующей способности линейных струйных аэраторов
Как видно из формул (2.25) и (2.29), степень аэрации потока, насыщение жидкости растворенным кислородом и перемешивающая способность зависят от коэффициента эжекции воздуха К, поэтому анализ условий поступления воздуха в струю и его количественная оценка имеет практическое значение. Движение воздуха и его поступление в струю обуславливают силы вязкостного трения на границе раздела сред вода-воздух, вызывающие образование пограничного воздушного слоя (спутного воздушного потока). Скорость движения воздуха в плоскости живого сечения струи неодинакова и подчиняется сложным зависимостям, однако можно допустить, что на границе раздела сред скорость воздуха Umax равна средней скорости жидкости на выходе из насадка он. Кинематическая вязкость воздуха в 10-15 раз больше вязкости воды, поэтому, несмотря на турбулентный характер движения воды в струе, в спутном воздушном слое в определенных пределах будет иметь место ламинарный режим движения. Толщина пограничного воздушного слоя 5 может быть принята по данным Г. Шлихтинга [149] для ламинарного пограничного слоя: и для турбулентного пограничного слоя [149] В этих формулах / - длина участка взаимодействия воды и воздуха (высота расположения насадка над свободной поверхностью воды в резервуаре); Re = тах - число Рейнольдса, определенное по длине воздушного потока; Umca — К наибольшая скорость движения воздуха, равная скорости жидкости на свободной поверхности струи.
Как известно, [149] переход течения в пограничном слое из ламинарного в турбулентный сильно зависит от степени возмущения внешнего течения, и для плоской пластины критическое число Рейнольдса для точки перехода составляет Кее =3-105 ч-З-Ю6 [149]. Принимая нижнюю границу критического числа Рейнольдса для точки перехода Ret, = 3 105, что соответствует критическому числу Рейнольдса, вычисленному по толщине пограничного слоя 740, можно заметить, что при определенных соотношениях скорости жидкости, вытекающей из насадка, и высоты расположения сопла над поверхностью воды в резервуаре будет иметь место как ламинарный, так и турбулентный характер течения спутного потока воздуха. Г Граница перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный при критическом числе (ЯеД -Ъ-W и кинематической вязкости воздуха при температуре 20С v =1,57-10"5 м2/с показана на рис. 2.3. Как видно из рисунка, при работе струйного аэратора эжектируемый поток воздуха может иметь как ламинарный, так и турбулентный режимы движения, поэтому рассмотрим эти виды движения отдельно. Распределение скоростей воздуха по толщине пограничного слоя при ламинарном режиме течения можно получить, полагая поперечные составляющие скорости равными нулю (слоистое течение). Схема развития пограничного воздушного слоя, эжектируемого внешней поверхностью сплошной водяной струи, представлена на рис.2.4. Уравнение Новье-Стокса для плоского слоистого течения вдоль оси х можно записать в виде [149]: где — - изменение давления по оси движения; jur - динамическая вязкость дх воздуха; U - составляющая скорости движения воздуха вдоль оси х.
Для установившегося плоского течения [5, 149]: Решая уравнение (2.33) при граничных условиях: Формула (2.35) соответствует распределению скоростей при ламинарном течении жидкости между двумя параллельными плоскими слоями, из которых одна неподвижна, а другая движется со скоростью Umax. Распределение скоростей в пограничном слое аффинно при различных значениях 8 [149]. Исходя из принятых предпосылок и допущений, объемный расход воздуха, эжектируемый сплошной водяной струей, вытекающей из насадка радиусом г„, составит: В случае больших скоростей движущейся водяной струи будет развиваться турбулентный пограничный слой, толщина которого может быть определена по формуле (2.31). Приняв в этом случае степенной закон распределения скоростей по толщине воздушного слоя в соответствии с уравнением: где показатель степени и согласно теории турбулентности пограничного слоя изменяется в зависимости от числа Рейнольдса от 1/6 до 1/10. Количество воздуха, увлекаемого водяной струей, можно найти из выражения: После интегрирования это выражение можно привести к виду При »=/ уравнения (2.38) и (2.39) автоматически превращаются в уравнения (2.35) и (2.36). Приняв показатель степени п=1/7 (закон Прандтля-Кармана), получим:
Результаты расчета по этим формулам приведены в табл. 1.2. прил. I. Зависимость коэффициента эжекции от числа Фруда представлена на рис. 1.1. прил. I для ламинарного режима движения и рис. 1.2. прил. I для турбулентного. На рисунках указаны области определения коэффициента эжекции воздуха в струю для различных скоростей истечения жидкости. При турбулентном режиме движения спутного потока воздуха коэффициент эжекции в 5-10 раз больше, чем при ламинарном, при одних и тех же скоростях и диаметре насадка. Учитывая, что при входе струи жидкости в аэрируемый объем происходит срыв части эжектируемого воздуха, и не все его количество переносится вглубь аэрируемого объема в уравнения (2.37) и (2.40) следует внести некоторые поправочные коэффициенты Сл и Ст, которые должны быть меньше единицы. Тогда получим
Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента для определения эффективности струйной аэрации
В задачи экспериментального исследования входило определение концентраций растворенного кислорода в воде при различных условиях аэрирования с целью подтверждения выводов полученных при теоретическом рассмотрении вопроса, а также уточнения коэффициентов полученных критериальным уравнением при определении безразмерного-среднего диаметра капель и константы распределения. При экспериментальном исследовании изучалась возможность применения струйных аэраторов при доочистке сточных вод на городских станциях аэрации, улучшении качества питьевых и, природных вод.
В качестве экспериментальной установки применялся аэрационный резервуар с обескислороженной водой размером 0,225 х 0,5 х 1,2 м, насосная установка и различные насадки, расположенные на подающем патрубке. Для обеспечения необходимого напора использовался насос марки PFN 350 (Qmax=350 л/ч, Нтах=70 см) с электродвигателем мощностью 4,5 Вт.
Концентрация растворенного в воде кислорода фиксировалась электрохимическим анализатором АПК AT 7645, который снабжен выносным датчиком, позволяющим снимать показания в любой, точке аэрационного резервуара (рис.3.2). Преимущество этого прибора заключается в том, что он может измерять не только содержание кислорода в воде, но и температуру воды. Для определения кислорода в АНКАТ 7645, используется амперометрический метод, с применением электрохимической ячейки, катод которой поляризуется внешним источником напряжения. Чувствительным элементом является щелочной гальванический элемент с кислородной деполяризацией, который состоит из химически инертного металлического катода, свинцового анода и раствора «КОН», используемого в качестве электролита. Электрохимическая система измерительного устройства изолирована от внешней среды полимерной мембраной. При подаче к электродам электрохимической ячейки поляризационного напряжения катод поляризуется и продифундированный через мембрану кислород, восстанавливается на катоде. При восстановлении кислорода на катоде гальванического элемента во внешней цепи возникает ток, величина которого пропорциональна концентрации кислорода в анализируемой среде. Возникающий при этом ток деполяризации является функцией парциального давления кислорода и зависит от следующих факторов: 1. барометрического давления; 2. температуры анализируемой воды, воздействие которой приводит к изменению растворимости кислорода в воде и изменению тока деполяризации за счет изменения скорости диффузии кислорода через мембрану; 3. состав воды: рН, солевое содержание, присутствие мешающих газов. Мешающие вещества приводят к погрешности измерений, поэтому необходимо их удаление из анализируемой пробы. Определение окислительной способности и эффективности работы аэратора производилось в стандартных условиях, то есть при полностью обескислороженной воде и нормальном давлении. Для обескислороживания воды применялся сульфит натрия (Na2S03), который потребляет растворенный в воде кислород, окисляясь до сульфата (Na2S04):
В целях ускорения реакции в качестве катализатора вводятся ионы кобальта в количестве 1 мг/л (Со2+ в виде СоСЬ или CoS04) или меди (Сіґ+ в виде C11SO4). Кобальт обеспечивает более сильный катализ, чем медь и дает лучшую воспроизводимость результатов. При концентрациях кобальта выше 2 10" моль/л образуется осадок, и скорость перестает быть пропорциональной количеству вводимого катализатора.
При проведении эксперимента использовались различные насадки, позволяющие создать разнообразные виды струй: 1. Одиночная вертикальная струя, полученная насадком в виде усеченного конуса №1 (рис.3.3 а). 2. Совокупность 12-ти струй расположенных по окружности и одной в центре, имеющая вид классического двухъярусного распылителя, создается насадком №2 (рис.3.3 б). 3. Пленочные струи и купола, образованные насадком №3 (рис.3.3 в). Высота струй измерялась линейкой с ценой деления 1 мм. Увеличивать или уменьшать их высоту можно при регулировании напора насосом. Так как используемый насос марки PFN 350 (рис.3.4) имеет постоянную мощность и не предназначен для корректировки его постоянных характеристик, то изменение высоты струй достигалось или наращиванием подающего патрубка, или увеличением местных сопротивлений на всасывающем патрубке. Схема экспериментальной установки №2 для определения степени насыщения кислорода при струйной аэрации показана на (рис.3.4).
Опытные зависимости окислительной способности аэратора от конструктивных параметров
Главными конструктивными параметрами являются геометрические размеры и форма насадка. Из всего множества насадков [61, 89, 126, 152], эксперименты проводились с тремя основными видами: щелевые, конусные одноструйные и многоструйные! Изучение влияния типа насадка на скорость насыщения воды кислородом проводилось на экспериментальной установке (рис.3.4) насадками № 1,2,3, (рис.3.2).
При истечении жидкости из насадка № 3 (рис 3.2 в), который в своей конструкции имеет регулируемое щелевое отверстие расположенное по кругу, жидкость выходит в виде тонкой пленки, распадающейся на капли. С помощью насадка такого вида можно получать несколько видов струй, для чего уменьшается или увеличивается щелевое отверстие и напор у насадка. Можно выделить три основных типа: правильная полусфера (рис 4.9), усеченная полусфера (рис 4.10.) и полусфера, сходящаяся у насадка (рис 4.11).
При использовании щелевого насадка, работающего полным сечением вода распыливается тонкой плёнкой в виде правильной полусферы. Радиус разбрызгивания зависит от размера насадка. Изменение давления перед насадком, увеличивает или уменьшает радиус разбрызгивания и изменяет конфигурацию выходящих струй. При точном регулировании напора пленка жидкости входит в воду, не распадаясь на отдельные струи и капли.
Попадая в воду пленка жидкости захватывает воздух, увлекая его вниз и разбивая на пузырьки. Происходит интенсивное перемешивание воды в зоне аэрирования. При образовании небольшого числа капель и пузырьков интенсивный массообмен происходит на поверхности пленки жидкости. При таком аэрировании отчетливо видны движения пузырьков вниз, их равновесное состояние и спиралевидное движение вверх. Как правило, пузырьки образуются одинакового размера диаметром 1-1,5 мм. Скорость насыщения воды кислородом показана на рис. 4.12 и достигает максимального значения при данной температуры через 4 часа.
При использовании щелевого насадка, работающего уменьшенным сечением (рис 4.10.), истечение воды происходит в виде усеченной полусферы. Вода, выходя из щелевого отверстия, распыливается в виде пленки, распадающейся на струи и капли. Образуются капли большого размера с небольшой скоростью движения. Радиус разбрызгивания зависит также от размера насадка и напора. При увеличении давления перед насадком, увеличивается радиус разбрызгивания и изменяется вид струи. Она выходит из насадка горизонтально, кромка струи загибается вверх. Капли, отрываясь от кромки, движутся сначала вверх, а затем вниз, с большей скоростью, по сравнению с точным регулированием напора.
Распадаясь на отдельные струи и капли, жидкость входит в воду, происходит интенсивное перемешивание воды и воздуха. Образуется значительное количество пузырьков воздуха от 1мм до 20 мм в диаметре, что обусловлено различным диаметром капель, ниспадающих с пленки жидкости. Проникновение кислорода происходит как в глубинные слои жидкости, так и в верхние. Интенсивный массообмен происходит как на поверхности пленки, так и при образовании капель и пузырьков. Скорость насыщения воды кислородом показана на рис. 4.12. Максимальное значение не было достигнуто даже при 6 часовой работе аэратора, в условиях постоянного потребления кислорода применение такого насадка может иметь весьма ограниченный характер.
При использовании щелевого насадка работающего не полным сечением, истечение воды происходит в. виде усеченной полу сферы, сходящейся у основания, смещенной в одну сторону (рис. 4.11).. Жидкость разбрызгивается-частично в виде пленки, распадающейся на отдельные струи и капли. Радиус разбрызгивания не зависит от размера насадка. При увеличении напора меняется вид струи, она может не сходиться у насадка, а распадаться на стадии образования полусферы.
Аэрирование таким насадком напоминает капельное. Количество и размер пузырьков зависит от скорости истечения жидкости. Струи имеют небольшой радиус разбрызгивания, захватывают пузырьки воздуха и увлекают их в воду непосредственно около насадка. Массообмен происходит как» при образовании капель и пузырьков, так и на поверхности пленки. При таком аэрировании отчетливо видны движения пузырьков вниз, их равновесное состояние и спиралевидное движение вверх. Как правило, пузырьки образуются одинакового размера диаметром 1-1,5 мм. Скорость насыщения воды кислородом небольшая, в процессе экспериментов максимальное значение не было, достигнуто (рис. 4.12).
Эксперименты по насыщению воды кислородам проводились при нормальном атмосферном давлении и температуре воды 20С. Начальная концентрация кислорода в воде составляла СК0,2 мг/л. Максимальное насыщение кислородом воды Cs=9,l мг/л, не было достигнуто даже через 4-7 часов работы аэратора, что говорит о небольшой эффективности таких струй. Эффективность пленочной аэрации показана на рис. 4.13. При пленочном насыщении, с увеличением радиуса разбрызгивания увеличивается эффективность аэрации. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании щелевого насадка работающего полным свечением, при работе которого истечение жидкости происходит в виде полусферы.
Опыты показали, что насыщение воды кислородом воздуха при пленочном истечении воды из насадка имеет локальный характер. При этом происходит глубокое проникновение пузырьков воздуха в нижние слои воды, то есть происходит насыщение и нижних и верхних слоев воды.
