Підвищення ефективності вентиляції колекторів систем водовідведення

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми.

Результати аналізу експлуатації систем водовідведення показують, що процеси, які відбуваються при транспортуванні стічної рідини, сприяють газовиділенням, що викликають руйнування підсводного простору колекторів. Ступінь руйнування пов'язаний з гідродинамічними характеристиками потоку, дифузійними процесами, властивостями стічної рідини і біохімічними реакціями, що відбуваються в ній, аеродинамікою течії повітря у підсводному просторі, інтенсивністю вентиляційних процесів. Крім того, суміші водню і метану при з'єднанні з киснем повітря у певній концентрації є вибухонебезпечними.

Розробка нових систем водовідведення і реконструкція існуючих вимагають науково-обґрунтованих методик розрахунку вентиляційних процесів колекторів. Робота колекторів з використанням повітрообміну, вузлів підключення дюкеру пов'язана з видаленням забрудненого повітря, що може бути забезпечено створенням нових, оригінальних конструкцій підключення до колектора. Існуючі моделі і методики розрахунку вентиляції базуються в основному на результатах чисельних, часто не пов'язаних між собою, експериментів.

Виходячи з вищевикладеного, актуальною є задача підвищення ефективності вентиляції колекторів при спільному русі газів і рідини.

Вирішення цієї задачі можливе тільки на підставі комплексних теоретичних і експериментальних досліджень аерогідродинамічних характеристик течії рідини в колекторі і газу у підсводному просторі, розробці адекватних математичних моделей, що вірогідно відбивають фізичні процеси їхньої взаємодії.

Метою роботи є теоретичне та експериментальне обґрунтування методів підвищення ефективності вентиляції колекторів систем водовідведення в напрямку забезпечення екологічної безпеки їхньої експлуатації, визначення шляхів антикорозійного захисту колекторів.

Задачі дослідження:

· визначити зв'язок між витратою газу і рідини у підсводному просторі колектора; установити фактори, що впливають на інтенсивність вентиляції;

· обґрунтувати використання к-e і тришарової моделей турбулентності в розрахунках вентиляції колекторів;

· розробити математичні моделі вентиляційного процесу і процесу дифузії примісного газу в колекторах водовідведення;

· провести експериментальні дослідження впливу технологічних параметрів процесу і конструктивних характеристик колекторів на витрату вентиляційного повітря;

· розробити інженерні методики розрахунку вентиляційного процесу в системах водовідведення і визначення довжини ділянки колектора, що потребує антикорозійний захист;

· розробити методи і засоби підвищення екологічної безпеки колекторів і зниження витрат на антикорозійний захист.

1. Розгорнутий огляд стану проблеми в емпіричному, теоретичному і практичному аспектах

Дано детальний огляд і аналіз робіт, присвячених розрахунку і проектуванню вентиляції систем водовідведення, математичному моделюванню характеристик потоків рідини в колекторах і газу у підсводному просторі, методів розрахунку захоплювальної здатності потоку рідини.

Відзначається, що великий обсяг в області досліджень і розробок методик розрахунку вентиляційних процесів виконується в Україні, різними організаціями країн СНД, організаціями країн далекого зарубіжжя.

Ця проблематика широко представлена в роботах учених як в галузі гідроаеродинаміки (М.А. Великанов, М.Г. Гайфутдінов, О.В. Голубєва, Р.В. Гольштейн, В.А. Городцов, І.Е. Ідельчик, І.І. Леви, Л.Г. Лойцянський, А.О. Коваленко, Ф.В. Недопьокін., І.Л. Повх, Рауз Х., Н.Я. Фабрикант, Л.Г. Хачатурян, А.А. Худенко, Р.Р. Чугаев, О.М. Яхно та інші), так і галузі проектування і розрахунку систем вентиляції, водопостачання і водовідведення (Ф.А. Абрамов, М.І. Олексієв, В.І. Бабушкін, В.Н. Богословський, В.М. Васильєв, О.Т. Возняк, В.Ф. Губар, Г.Я. Дрозд, П.Л. Зінич, Ф.М. Іванов, В.М. Качан, Ю.Я. Кувшинов, Б.Ф. Лямаев, Н.Н. Лапшев, В.Ф. Пашков, О.Ф. Редько, В.Б. Скрипников, І.С. Старцев, В.І. Соколов, А.Ф. Строй, В.Н. Талієв, А. Я. Ткачук, Є.П. Уваров, В.Н. Ужов та інші).

Розглянуто і проаналізовано математичні моделі розрахунку аерогідродинамічних характеристик потоків рідини в колекторах і газу у підсводному просторі, методики розрахунку захопливої здатності поверхні потоку рідини, конструкції ежекційних пристроїв систем водовідведення. Відзначається, що існуючі моделі і методики базуються в основному на результатах багатьох експериментів і являють собою емпіричні залежності. Ця обставина утрудняє узагальнення результатів, визначення способів аерогідродинамічного удосконалювання окремих елементів і процесу вентиляції в цілому, аналіз шляхів підвищення надійності та економічності окремих пристроїв.

При аналізі теоретичних досліджень вентиляційних процесів показано, що в переважній більшості робіт використовуються спрощені методики, засновані на експериментальних даних і ряді допущень, правомірність яких для складних інженерних споруджень багатоцільового призначення, що являють собою системи водовідведення, не підтверджена, тому в ряді випадків розрахункові і дослідні характеристики значно різняться. Зокрема, це відноситься до розрахунку захоплювальної здатності поверхні рідини, що базується на підставі рівнянь Навьє-Стокса, які застосовуються для ламінарної течії рідини і газу.

На підставі виконаного огляду теоретичних і експериментальних робіт, які висвітлюють питання систем водовідведення і математичного моделювання аерогідродинамічних і дифузійних процесів, що проходять у них, сформульовані мета і конкретні задачі дослідження, приведені на початку реферату.

2. Розробка математичних моделей течій рідини і газу в колекторах систем водовідведення, що є підставою для розрахунку вентиляції, дифузійних процесів, алгоритмів і програм їхньої реалізації

Базовими рівняннями, що описують стаціонарну турбулентну течію рідини вдовж осі х зі швидкістю u без урахування масових сил у колекторах водовідведення, є тривимірні рівняння Рейнольдса (1) і рівняння нерозривності. Замикається система рівняннями однієї з моделей турбулентної в'язкості (2). У роботі при рішенні рівнянь використані дві моделі - k-e і тришарова. Використання першої для рішення подібних задач обґрунтовано за допомогою методу розмірностей. Рівняння мають вигляд:

(1)

(2)

(3)

де: k - кінетична енергія турбулентності; e - швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності; Сv=0,09; sk=1,0; se=1,3; С1=1,43; С2=1,92; С3=0,25 - емпіричні константи; n, nв - кінематична та турбулентна (вихрова) в'язкості.

Для досягнення замкнутості і повноти системи рівнянь при течії рідини в колекторі адаптована тришарова модель турбулентної течії з кусочно-лінійним розподілом вихрової в'язкості.

Характер руху повітря в колекторах водовідведення та ефективність вентиляційного процесу залежить від двох основних факторів: температурних характеристик повітря і захоплювальної здатності рідини. З огляду на недостатню вивченість другого фактора, нами розглянуті питання формування вільної поверхні рідини і її вплив на витрату газу у підсводному просторі колектора.

Передбачається, що стисливість і в'язкість рідини не грають істотної ролі, тому процес описується рівняннями нестаціонарної течії ідеальної нестисливої рідини.

Якщо рівняння вільної поверхні:

, (4)

Якщо глибина потоку набагато більше амплітуди хвилі, форма вільної поверхні має вигляд:

z = (E1 sins t + E2 coss t) (B1 cosk x + B2 sink x), (5)

де:

(6)

Таким чином, при зазначених допущеннях профіль хвилі в колекторі описується сумою чотирьох гармонійних членів.

Витрата повітря у підсводному просторі, викликана нерівномірністю профілю вільної поверхні рідини:

Обстеження каналізаційних мереж і аналіз статистичних даних про руйнування підсводної частини безнапірних каналізаційних колекторів свідчить про те, що руйнування конструкцій в основному відбуваються під впливом газо-біологічної корозії. Концентрація газів у підсводному просторі залежить від таких факторів, як конструктивні особливості колекторів, хімічний склад стоків і інтенсивність процесу вентиляції.

У зв'язку з цим визначена довжина зон поширення корозійної поразки в самопливних колекторах, що вимагають обов'язкового антикорозійного захисту.

Отримана залежність дозволяє розрахувати зміну концентрації різних газів по довжині колектора, довжину зон, небезпечних для перебування персоналу з урахуванням ГДК токсичних газів і визначити умови виникнення вибухонебезпечних концентрацій сумішей водню і метану з киснем повітря.

3. Аналіз методів моделювання процесів вентиляції систем водовідведення

Наведено характеристика об'єктів і методів дослідження аерогідродинамічних характеристик потоків газу і рідини в колекторах і методика визначення адекватності математичних моделей.

Спроектовано і виготовлено стенд, обрана контрольно-вимірювальна апаратура, визначені чисельні значення похибок вимірюваних величин.

Розроблено ортогональні плани проведення експериментів.

4. Алгоритм на основі кінцево-різницевого маршового методу для чисельного моделювання турбулентних течій

При якому параметри потоку визначаються в кожному наступному перетині в напрямку від вхідної ділянки. Кожен вузол пронумерований: і=1, N, так що вузлові і= N відповідає стінка каналу. Основна ідея алгоритму розрахунку осьової швидкості в (i + 1) перетині полягає у визначенні для i-го перетину складової рівняння руху.

На стінці каналу враховувалася гранична умова "прилипання" середовища.

Проведені серії експериментів з різними геометричними і аерогідродинамічними параметрами потоків газу і рідини показали, що запропоновані математичні моделі адекватно описують їхні характеристики в досліджуваному діапазоні зміни параметрів. Це дає підставу для використання моделей з метою подальшого дослідження і розробки інженерної методики розрахунку процесу вентиляції колекторів систем водовідведення.

При експериментальних дослідженнях використано розроблений план експерименту. В якості параметрів, що варіюються, обрані відносний ступінь заповнення колектора, діаметр колектора і середня швидкість рідини в колекторі. Особливістю плану є те, що в якості однієї з перемінних (діаметр колектора) обрана її абсолютна величина. Це пояснюється тим, що хвильові явища на поверхні потоку залежать від абсолютної глибини потоку. Для визначення витрати повітря у підколекторному просторі за рахунок захоплювальної здатності рідини, яка складає частину загальної витрати, що приймають участь у вентиляції, використано план другого порядку, тому що попередньо проведені експерименти показали нелінійний характер залежності витрати газу від визначальних параметрів. Експериментальні дані, поряд з даними, отриманими на моделі, дозволили знайти залежність витрати повітря від геометричних параметрів колектора і швидкості течії рідини. Залежність представлена у виді полінома:

Qг.рас.= 0,54 - 0,36 D - 0,054 Uж - 0,58 ( )2 + 0,28D2 + 0,015(Uж )2 + 0,11 D - 0,0182Uж + 0,09 D Uж, (7)

де: `h - ступінь заповнення колектора рідиною; D - гідравлічний діаметр колектора (м), Uж - середня швидкість рідини в колекторі (м/с).

Перевірка значимості коефіцієнтів з урахуванням однорідності дисперсії за критерієм Кохрена показала, що всі коефіцієнти значимі.

Довірчі інтервали для кожного коефіцієнта рівняння (16) визначались за формулою:

, (8)

де: t - табличне значення критерію Ст'юдента при рівні значимості 0,05; s{bj}- квадратична похибка кожного коефіцієнта регресії.

Запропонована залежність (16) справедлива в діапазоні зміни діаметра колектора від 0,3 до 0,7 м, ступеня заповнення від 0,2 до 0,8 і середньої швидкості рідини від 1 до 3 м/с (розрахункове значення критерію Фішера дорівнює 1,2, табличне - 2,1, що підтверджує адекватність отриманої залежності при довірчій вірогідності 0,95). Обраний діапазон зміни параметрів є типовим для колекторів систем водовідведення комунального господарства.

Аналіз апроксимаційної моделі показує, що зі збільшенням діаметру колектора D і середньої швидкості рідини збільшується витрата газу. Усередині області зміни параметрів функція має максимум (рис. 3), положення якого мало залежить від швидкості рідини та діаметру колектора і знаходиться у діапазоні `h = 0,46-0,49.

5. Програми розрахунку параметрів газу і рідини

На основі алгоритму кінцево-різницевого маршового методу побудована методика чисельного інтегрування рівнянь на базі k-? і тришарової моделей. Відповідно до алгоритму в середовищі пакета прикладних програм MATLAB for Windows побудоване програмне забезпечення ("Fluid", "Gas 1", "Gas 2").

На підставі ряду чисельних експериментів і дослідних даних отримана наступна апроксимаційна залежність зміни відносної середньої концентрації газу, що виділився з рідини, по довжині колектору:

(9)

де: `l = z/dг - відносна довжина колектора; dг - гідравлічний діаметр повітряної частини колектора; v - швидкість газу в підколекторному просторі; k - дослідний коефіцієнт.

Чисельне значення коефіцієнта k залежить від типу перешкоди в колекторі, що викликає інтенсифікацію виділення газу.

Чисельне значення коефіцієнта k розраховано в роботі на основі дослідних даних (так для сполучення трубопроводів з формуванням помірних вихрових течій значення k складає 8,3).

У порядку практичної реалізації теоретичних і експериментальних досліджень розроблено конструкцію трубчастого каналізаційного перепаду, (патент України №2001117730 від 20.05.2002), який має хвильову поверхню внутрішньої стінки, що збільшує його ежекційну здатність на 50-80%, і, таким чином, підвищити ефективність вентиляційного процесу у підсводному просторі колекторів.

Програми розрахунку вентиляційного процесу та "Методичні вказівки до розрахунку довжини ділянки колектора з антикорозійним захистом систем водовідведення" впроваджені при проектуванні та реконструкції системи водовідведення енергоблоку №6 ОП "ЗАЕС" (Запорізька атомна електростанція) і в розробках науково-дослідних організацій (ДонДНД ПТІБВ, НПП "АтомЕнергоСпецЗахист").

У додатку наведені тексти програм по чисельному моделюванню характеристик турбулентних потоків рідини і газу ("Fluid", "Gas1", "Gas2"), "Методичні рекомендації до розрахунку довжини ділянки колектора з антикорозійним захистом систем водовідведення" і акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

1. Теоретично обґрунтовано та експериментально доведено вплив захоплювальної здатності поверхні рідини, який інтенсифікує процес вентиляції у підсводному просторі колекторів до 30% середньої витрати повітря, що дозволило розробити методи підвищення ефективності вентиляції.

2. При математичному моделюванні процесів вентиляції у колекторах водовідведення з використанням тришарової і k-e моделей турбулентності, обґрунтованої з використанням ПІ - теореми, встановлені аеродинамічні параметри потоків, які визначають повітрообмін у підколекторному просторі.

3. Для розрахунку концентрації примісного газу у залежності від часу і довжини колектора розроблена математична модель дифузійного процесу у підсводному просторі колектора, що враховує властивості газів і геометрію каналу, яка визначає характер зміни концентрації вибухонебезпечних газів.

4. Експериментальні дослідження виконано за допомогою методів планування експерименту, підтвердили адекватність математичних моделей реальним умовам експлуатації колекторів при довірчій вірогідності 0,95, що дало можливість використовувати їх для розрахунку характеристик вентиляційного процесу.

5. Розроблений на основі математичних моделей пакет прикладних програм ("Fluid", "Gas 1", "Gas 2") дозволило розрахувати повітрообмін у підколекторному просторі систем водовідведення.

6. Запропоновано інженерні методики розрахунку вентиляційного процесу в системах водовідведення, довжини ділянки колектора, що вимагає антикорозійний захист, і конструкція трубчастого каналізаційного перепаду з поліпшеної в 1,8-2 рази ежекційною здатністю, яка захищена патентом України (№2001117730 від 20.05.2002 г).

7. Розроблені методики розрахунку розглянуті і схвалені Донбаським державними науково-дослідним і проектно-технологічним інститутом будівельного виробництва Держбуду України і знайшли реалізацію в його проектах і впровадженнях. Програми та алгоритми передані в НПП „АтомЕнергоСпецЗахист” м. Київ, (економічний ефект склав 25000 грн). Матеріали роботи були використані при модернізації систем вентиляції колекторів водовідведення енергоблоку №6 ОП "ЗАЕС" (Запорізька атомна електростанція з економічним ефектом більш 50000 грн.).

вентиляційний інженерний колектор підсводний

Література

1. Гусенцова Я.А. Вентиляция подсводного пространства коллекторов водоотведения. // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДонДАБА. - 2001.- №6 (31). - С. 10-13.

2. Дрозд Г.Я., Гусенцова Я.А. К вопросу свободной поверхности потока жидкости в устройствах водоотведения // Вісн. Східноукр. держ. ун-ту. - 2002.- №2 (48). - С.194 - 198.

3. Дрозд Г.Я., Сытниченко Н.В., Гусенцова Я.А. необходимости совершенствования строительных норм и правил // Водоснабжение и санитарная техника. - М.: Росэкострой.- 2002.- №1. - С. 18-20.

4. Губарь В.Ф., Гусенцова Я.А. Моделирование вентиляции систем водоотведения. // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДонДАБА. - 2002.- №4 (35). - С. 3-6.

5. Гусенцова Я.А. О длине участка коллектора с антикоррозионной защитой. // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДонДАБА. - 2001.- №6 (31). - С. 77-79.

6. Дрозд Г.Я., Гусенцова Я.А. Диффузионные процессы в коллекторах водоотведения. // Коммунальное хозяйство городов. - Київ: Техніка, 2002, Випуск 38. - С. 133 - 136.

Размещено на Allbest.ru