Исследование струйно-вихревых аэраторов для насыщения атмосферным кислородом воды в природных водоемах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Тарабрин, Олег Аркадьевич

• Тарабрин, Олег Аркадьевич
• 1978

Оглавление диссертации Тарабрин, Олег Аркадьевич

В в е д е н и е.

ГЛАВА. I. Современное состояние проблемы создания эффективных устройств для насыщения атмосферным кислородом воды в природных водоемах. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. Теоретическое исследование процессов образования водовоздушной эмульсии в струйно-вшфевом эжекторе.

2.1. Физическая модель нестационарного взаимодействия потоков жидкости с окружавдей средой.

2.2. Вывод основных расчетных уравнений для определения интенсивности насыщения воды атмосферным кислородом при работе струйно-вихревого а эраэд^.

ГЛАВА 3. ЭкепериментальноеТУсследование струйновихревых аэрационных установок.

3.1. Задачи экспериментального исследования. Испытательные стенды. Методика и оценка точности измерений.

3.2. Результаты экспериментального исследования элементов струйно-вихревых аэраторов, опытно-промышленных образцов и их анализ.

ГЛАВА 4. Опыт промышленного применения струйновихревых аэраторов. Рекомендации по проектированию аэраторов.

4.1. Промышленные варианты разработанных в ЕуАИ струйно-вихревых аэраторов. Анализ результатов их опытной эксплуатации на водоемах.

4.2. Основные принципы выбора базового промышленного оборудования. Рекомендации к проектированию аэраторов в соответствии с условиями эксплуатации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование струйно-вихревых аэраторов для насыщения атмосферным кислородом воды в природных водоемах»

Непрерывно углубляющийся процесс индустриализации общественного производства приводит ко все более усиливающемуся загрязнению окружающей среды.

Принимая меры для ускорения научно-технического прогресса, - говорил Генеральный секретарь ЦК КПСС, Председатель Президиума Верховного Совета Союза ССР товарищ Л.И.Брежнев, -необходимо сделать все, чтобы он сочетался с хозяйским отношением к природным ресурсам, не служил источником опасного загрязнения воздуха и воды, истощения земли", Сегодня проблема охраны водных ресурсов стала глобальной, она оказывает влияние на все области жизни, волнует ученых, общественность и население многих стран мира, требует совместной согласованной работы.

Принятый Верховным Советом СССР закон об основах водного законодательства Союза ССР и союзных республик, постановления ЦК ЕПСС и Совета Министров СССР об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов предъявляют высокие требования по сохранению чистоты естественных и искусственных водоемов.

Общие запасы пресных поверхностных вод СССР равны приблизительно 45 тыс.км3. Они заключены, в основном, в реках, водохранилищах, озерах, ледниках и болотах. В СССР имеется около 200 ООО рек с годовым стоком около 4 тыс.км3, что составляет 10 процентов запасов водных ресурсов СССР (около 12 процентов суммарного мирового речного стока), 270 тысяч озер и несколько десятков крупных водохранилищ. Однако запасы пригодной для использования воды продолжают непрерывно сшфащаться в результате быстрого роста ее потребления. Круг водопотребителей очень широк - это коммунально-бытовые организации, сельское хозяйство, промышленность, энергетика и транспорт.

По имеющимся данным [32] объем воды, используемой в народном хозяйстве, вырос с 45 млрд.м3 в 1913 году до 260 млрд.м3 в 1970 году, а к 1985 году мировая потребность в пресной воде увеличится на 40 процентов. Например, в США к 1980 году должно произойти удвоение этих потребностей (968 мад.м3, против 533 млрд.м3 в I960 году).

В связи с этим особое внимание должно уделяться кругу мероприятий, имеющих целью более рациональное использование водных ресурсов и охрану их от загрязнения.

В Советском Союзе проводится большая работа по улучшению использования воды. Строятся водоочистные сооружения на предприятиях химической, деревообрабатывающей, пищевой и других видов промышленности, внедряются замкнутые циклы использования воды.

Однако, несмотря на принятие самых эффективных мер, темпы роста недопотребления промышленными объектами и населением страны опережают темпы строительства водоохранных сооружений и в ряде случаев очистные сооружения не в состоянии обеспечивать необходимую степень очистки.

Одной из важнейших задач, которые приходится решать при разработке водоохранных мероприятий, является проблема обеспечения нормального кислородного режима водоемов. В результате выноса в водоемы органических веществ происходит резкое снижение растворенного в воде кислорода. Минимальная концентрация (от 2-3 мг/л и менее) наблвдается обычно в непроточных водоемах, особенно в зимний период, когда ледовый покров препятствует свободному доступу воздуха к воде. Низкое содержание кислорода периодически отмечается да же на таких крупных реках, как Дон, Урал, Печора, Воронеж, Обь [60].

От недостатка кислорода в водоемах гибнут сотни тысяч центнеров рыбы, в том числе, маточное поголовье и многочисленное потомство - основа будущих уловов [19].

Кроме того, замедляются процессы самоочищения воды, и в водоемах развивается нежелательная микрофлора. Дня восстановления концентрации растворенного в воде кислорода применяется искусственная аэрация с помощью технических средств. Аэрация способствует усилению процессов минерализации органических загрязнений, интенсифицирует самоочищение, улучшает качество воды, предотвращает гибель рыбы.

Искусственное насыщение воды в водоемах кислородом воздуха применяется как за рубежом, например, в США (реки Делавер, Паесик и др.), ФРГ (озеро Бальденей), Англии (р.Темза), ЧССР (река Малый Дунай), Швеции, так и у вас в стране -на реке Дон, Цимлянском водохранилище, на малых реках республик Прибалтики [52] . Для этих целей, как правило, используются аэрационные устройства, которые применяются в очистных сооружениях при биологической очистке. Специальных устройств для аэрации воды в естественных и искусственных водоемах, отличающихся универсальностью применения, надежностью в работе -нет.

В этой связи проблема разработки современных технических средств для проведения аэрации представляет собой научно-техническую задачу, имеющую большое народнохозяйственное значение.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Тарабрин, Олег Аркадьевич

ШВА У. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что основой механизма эжектирования воздуха в разработанном вихревом эжекторе является прецессирую-щий вторичный поток, обеспечивающий также интенсивное перемешивание воздуха с водой.

2. Проведен математический анализ гидравлических процессов в вихревой камере эжектора, в результате которого обоснована модель течения закрученных потоков в пристеночном слое, газожидкостном слое и прецессирущем центральном аде. Доказана формальная аналогия особенности течения центрального дцра как гибкого вала, вращающегося в гидродинамической среде.

3. Полузмпирическим методом установлено незначительное влияние наличия пузырьков воздуха в струе, при коэффициенте эжекции порядка единицы, на закономерность течения затопленной струи. В частности коэффициент структуры струи по данным автора составляет а = 0,101, а по известной теории Г.Н.Абрамовича для затопленной однофазной струи составляет а= 0,0707.

4. Проведен анализ процесса движения и растворения пузырьков воздуха на базе разработанной полуэмпирической теории и даны соответствующие формулы и методика расчета.

5. Экспериментально установлены демпфирующие свойства газожидкостного потока, находящегося мевду двумя интенсивно вращающимися потоками жидкости, понижающие частоту прецессии центрального ядра по сравнению с известной схемой течения закрученных потоков жидкости в вихревой камере.

Уточнена методика расчета газожидкостных потоков по сравнению с идеализированной расчетной схемой. Получено значение коэффициента массообмена с учетом гидродинамической структуры потоков внутри камеры смешения эжектора и на выходе из него на основе измерения осредненннх и пульсационных скоростей с помощью термоанемометра.

6. Разработан метод геометрического моделирования струй-но-вихревого водовоздушного эжектора» который послужил основой для выбора оптимальных рабочих параметров. Геометрические размеры из условия max находятся в пределах для вихревого водовоздушного эжектора: L = 2-3; А = 1,5-3; Re= 1,2 -1,5*10®; для струйного водовоздушного эжектора: L = 6-7;

F = 2,5-3; рабочее давление & Р = 1,5-2 кг/см.

7. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований гидравлических процессов в камере смешения водовоздушного эжектора предложена принципиально новая схема про-мышленных образцов струйной системы аэрации на базе струйно-вихревых водовоздушных эжекторов (а.с. Л 506357, № 535060).

3. Разработаны и внедрены в промышленность Министерства рыбного хозяйства РСФСР в широком диапазоне мощностей Сот 10 до 150 квт ) для водоемов различных глубин и площадей. Аэра-ционные устройства в настоящее время внедрены и работают в хозяйствах Волгоградрыбпрома, Кубаньрыбпрома, Челябинскрыбпрома и Куйбышеврыбпрома. Экономический эффект от использования внедренных аэраторов в перечисленных объединениях составляет 541 тыс. 809 руб. Общий экономический эффект от внедрения запланированных Минрыбхозом РСФСР аэраторов составил более I млн.981 тыс.350 руб. (табл.4.2).

Экономический эффект от внедрения аэрационных устройств разработанных в Куйбышевском авиационнном институте паименование ор-: ганизаций внед- : ривших аэраторы ; • • • наименование аэрационных устройств • • • • ♦ • • • • • количество аэраторов предполагаемое к внедрению (шт) :ожидаемый :количество :экономичес:внедренных :кий эффект:аэраторов :от внедрена (шт.) :(тыс.руб) : :экономич. :эффект от :внедренн. :аэраторов : (тыс.руб) : год : внедрения • • • •

Волгоградрыб- : пром" Циклон - I Циклон - 2 40 290 40 290

Минрыбхоз РСФСР : Стрела -4/50 50 830.75 5 83.075 1974

Кубаньрыбпром" Минрыбхоз РСФСР Стрела- 66П 10 170 2 34 1975

Куйбышеврыбпром" Минрыбхоз РСФСР Циклон - Зм Стрела - 4м Стрела - 4В Пиклон - 2А 5 59 29 2 454.6 2 I I I 112.734 1976

Челябинскрыбпром" Стрела ц, Минрыбхоз РСФСР 300 236 28 22 1977

Утверж прорек профе

Итого : 4 оьъеди нения 9 типоразмеров 495

1981,35

80

541,809 4 года

Список литературы диссертационного исследования Тарабрин, Олег Аркадьевич, 1978 год

1. АБРАМОВИЧ Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., Огиз, 1953.

2. АБРАМОВИЧ Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. Госэиергоиздат, М.-Л., 1948.

3. АБРАМОВИЧ Г.Н. Теория турбулентных струй. Физматгиз, I960.

4. АБРАМОВИЧ Г.Н., КРАШЕНИННИКОВ С.Ю., СЕКУЦЦОВ А.Н. Турбулентные течения при взаимодействии объемных сил и неавтомодель-ности. М., "Машиностроение", 1975.

5. АБРАМОВИЧ Г.Н., КРАШЕНИННИКОВ С.Ю., СЕКУВДОВ А.Н., СМИРНО-ВА И.П. Турбулентное смешение газовых струй. М., "Наука"» 1974.

6. Авторские свидетельства: # 1382279, 1971 г.; Jfc 1465299, 1971 г.; И 1055648, 1972 г.; Л 8322557, 1972 г.; & 9III5I, 1967 г.; № 130668, 1968 г.? Л I09I080, 1966 г. и т.п. (Способы очистки воды).

7. АКСЕНОВ А.Ф. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости. М., "Транспорт", 1965.

8. АЛАБИН М.А., РОЙТМАЯ А. Б. Корреляционно-регрессионный анализ статистических данных в двигателестроенни. М., "Машиностроение" , 1974, 124 е.

9. АЛЬТШУЛЬ А.Д. Гидравлика и аэродинамика. М., 1975.

10. АУНШШ11 Э.А., ВИТОЛС О.Я., РЕЙЗИНЬШ Р.Э., СКИРКЯВИЧУС А. Л. Применение механических аэраторов для усиления самоочищения рек. Материалы симпозиума по современным проблемам самоочищения и регулирования качества воды. Таллин» 1972.

11. АХМЩОВ Р.Б. Аэродинамика замученной струи. М., "Энергия", 1977, 240 с.

12. БЗТЧЕЛОР Дж. Введение в динамику жидкости. М., "Мир", 1973.

13. БОЛОТИН В. В. Неконсервативные задачи теории упругой устойчивости. М., 1961.

14. БРКДИЮУ П. Введение в турбулентность и ее измерения. М., "Шр", 1974, 278 е.

15. БОРОДИН В.А., ДИТЯКИН Ю.Ф., КЛЯЧКО Л.А., ЯГОДИН В.И. Распиливание жидкостей. М., "Машиностроение", 1967.

16. ВЕВДЕЛЬ E.G. Теория вероятностей. М., "Наука", 1969,576с.

17. Вопросы водной токсикологии. Сборник статей. М., "Наука", 1970.

18. ГОЛЬДШЖ М.А., ЛЕОНТЬЕВ А.К., ДАЛЕЕВ И.И. Аэродинамика вюфевой камеры. "Теплоэнергетика" , # 2, 1961.

19. ГУСЕВ А.Г. Загрязнение рыбохозяйственных водоемов СССР сточными водами и ущерб, наносимый ими рыбной промышленности. М., 1957.

20. ДЕЙЧ М.Е. Техническая газодинамика. М., "Энергия", 1974, 592 с.

21. ДОЛИН П. И., БРУСНЕЦОМ С.А. Радиационная очистка сточных вод от органических загрязнений. Институт электрохимии АН СССР, ж."Водоснабжение и сантехника", № 5, 1973.

22. ДОРОФЕЕВ Б.А. Промышленные испытания агрегата для аэрации воды в заморных озерах, ж. "Рыболовство и рыбоводство",12, 1972.

23. ЕВЙЛЕВИЧ М.А., БРАЧИНСКИЙ Л.Н., НРЙЦКЕР Б.С., ШРАЕР М.Я. Аэрационное оборудование для биологической очистки сточных вод в аэротенкнх. М., 1969.

24. ЕВЙЯЕВИЧ М.А., НИКИФОРОВ М.И., ОВСЯНИКОВ В.Т. Вторичная аэрация сточных вод целлвдозно-бумажной промышленности. М., изд. ШНИШШЗИлеспрома, 1969.

25. ЗАЙДЕЛЬ А.Н. 0®ибки измерений физических величин. Л.»1. Наука", 1974, 107 с.

26. ЗАХАРОВ Ю.Г. Измерение средних и пульсационных скоростей воздушного потока при помощи термоанемометра. М., Труды ЦАГИ, В 599, 1947, 26 с.

27. КАРЕЛИН Я.А., ЖУКОВ В.Н., РЕПИН Б.Н. Очистка производственных сточных вод в аэротенках. М., Стройиздат, 1973, с.52-66.

28. КАРЕЛИН Я.А., ЖУКОВ Д.Д,, ЖУРОВ В.Н. Системы механической аэрации при очистке сточных вод в аэротенках. Известия высших учебных заведений. "Строительство и архитектура". Изд. НИСИ им.В.В.Куйбышева, Новосибирск, & 5, 1967.

29. КЙЯСБЕШШ А.Ш., ПЕРЕЛЬШТЕЙН М.Е. Вихревые счетчики-расходомеры. М., "Машиностроение", 1974.

30. КЛЕПИКОВ Н.П., СОКОЛОВ С.Н. Анализ и планирование экспериментов методом максимума правдоподобия. М., "Наука", 1964, 184 с.

31. КУЛЬСКИЙ Л.А. Теоретическое обоснование технологии очистки воды. Киев, "Наукова думка", 1968.

32. КУЛЬСКИЙ Л.А. и др. Проблема чистой воды. Киев, "Наукова думка", 1974, 229 с.

33. ЩАТЕШЗЕ С.С., СТЫРИКОБИЧ М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М., "Энергия", 1976.

34. ЛУКАЧЕВ В.П., КШШ Ю.А., ХАРАЕРИН О.А. Устройство для аэрации воды в водоемах. А.с. jfe 535060.

35. ЛУКАЧЕВ В.П., КНЫШ Ю.А., ТАРАБРИН О.А. Устройство для аэрации воды в водоемах. А.с. Jfe 506357.

36. ЛУКАЧЕВ С. В. Автореферат диссертации "Применение закрученных потоков в элементах двигателей летательных аппаратов", 1975.

37. Материалы конференции "Охрана водных ресурсов и очистка сточных вод", Бороне», 1966.

38. МЕРКИН Д. Р. Введение в теорию устойчивости движения. М., "Наука", 1971.

39. МЕРКУЛОВ А.П. Вихревой эффект и его применение в технике.

40. Министерство здравоохранения УССР, Академия наук УССР. Методические рекомендации по применению аэрационных установок на малых водоемах с целью улучшения воды и предотвращения ее цветения. Киев, 1974.

41. Новосибирское отделение ГОСНИИОРХ. Заморные явления в озерах и меры их предупреждения. Новосибирское книжное издательство, 1959.

42. ОРЛОВСКИЙ З.А., ОВСЯННИКОВ В.Г. Всесоюзный научно-исследовательский институт ВОДГЕО. Отчет по теме: "Исследование процессов насыщения кислородом воздуха сточных вод после биохимической ©чистки перед спуском их в водоем", 1969.

43. Отчет по научно-исследовательской работе "Применение кави-тационных аэраторов в биологических прудах очистки сточных вод целлшозно-бумажной промышленности". ИХДАНДат ССР, Рига, 1967.44. "Охрана водоемов и методы очистки воды". Киев, 1962.

44. ПАУШЕШН Я.М. Химический состав и свойства реактивных теплив. Изд. АН СССР, Москва, 1958. ^

45. ПОВХ И.Л. и др. Система турбулентности. Донецк, 1975, вып.I, 9 с.

46. ПРИВОЛЬНЕЕ Т.И. Борьба с заморами рыб при помощи аэрации воды. Информационный листок ВНИОРХ, & 5, Ленинград, 1955.

47. РЕЙЗИНШ Р.Э. Применение кавитационных аэраторов для устранения дефицита кислорода б водоемах различного назначения. Всесоюзная научно-техническая конференция по охране поверхностных и подземных вод от загрязнения. Таллин» 19-22 сентября 1967.

48. РЕЗНИКОВ М. Авиационные ракетные топлива и смазочные материалы. Воениздат Министерства ©бороны СССР» М.» I960.

49. РОДЗЙДЛЕР И.Д., ЗОТОВ В.М. Доочистка сточных, вод предприятий нефтехимической промышленности в биологических прудах. £. "Водоснабжение и сантехника" , I 7, 1972.

50. Сборник статей "Биохимическая очистка сточных вод предприятиями химической промышленности". Госстройиздат, 1962.

51. СКИРКЯВИЧУС А. Л. Исследование основных способов искусственной аэрации для сохранения чистоты рек. Автореферат диссертации» 1973.

52. ТАРАБРИН О.А.» ЛУКАЧЕВ В.П.» КНЫШ Ю.А. Особенности работы вихревого генератора звука в среде несжимаемой жидкости. Сборник трудов НуАЙ, 1974.

53. ТАРАБРИН О.А., ФИЛИППОВ B.C. и др. Экспериментальное исследование проблемы применения вихревых гидродинамических излучателей звука в рыбозаградительных устройствах. Сборник научных трудов КуАИ, 1975.

54. ТАРАБРИН О.А., ЛУКАЧЕВ В.П., КНЫШ Ю.А. Вихревой аэратор для насыщения воды атмосферным кислородом. Республиканская научно-техническая конференция. Ленинград» 1975.

55. ТАРАБРИН О.А.» РЫЖОВ И.Ф., ФШШШПОВ B.C. Исследование вихревого аэратора. Сборник научных трудов КуАИ, 1975.

56. Турбулентное смешение газовых струй,под редакцией Г.Н.Абрамовича» М., "Наука"» 1974.

57. ХИНЦЕ И.О. Турбулентность, ее механизм и теория. М.»1. Физматгиз", 1963, 680 с.

58. ХОЛЩЕВНИКОВ К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М., "Шшиностроение", 1970.

59. ШЛЕТ Г.И. Заморы, их причины, последствия и меры предупреждения. 1963.

60. ЧЕРНЯВСКИЙ Г.Г. Аэрация малых водотоков механическими аэраторами поверхностно-глубинного действия. Автореферат диссертации, 1974.

61. ЯВОРСКИЙ В.П. Исследование эжекторной аэрации для биохимической очиетки сточных вод. Автореферат диссертации, 1971.

62. Beatmon PW. Сог-tecAons foziheof ЛтВсеп^ Temperaiute ^ti-fi on Hoiu/Lie M2afc/*tQm enif in JncompxersL ^our

63. Si- Fot^man f. U&ez -бигёибгп+е <$±tctA&yc/ss&tei-Cjncj fitch. /931. aU.