Пористі конструкції водопровідних споруд, гідравлічний розрахунок, оптимізація

Спостереження за роботою швидкого фільтра показали, що в процесі експлуатації протягом 1 року зміна рівня фільтруючого завантаження не відбулася. Контроль стану завантаження фільтра показав, що поверхня її рівна, западин і тріщин не виявлено, грязьових скупчень у просторі між пористими трубами не виявлено, що свідчить про добру якість промивання.

У процесі виробничих випробувань було також встановлено, що за рахунок кращого відводу промивної води із площі фільтра загальний час промивання фільтра скоротився приблизно на 2 хв. і становить 6 хв., що привело до зниження витрати води на власні потреби очисної станції.

Промислова апробація пористих систем відводу води з напірних фільтрів була проведена на Одеському лікеро-горілчаному заводі (ОЛГЗ) в 1992 р. та в Одеській національній морській академії (ОНМА) в 1997 р. Блок із чотирьох напірних фільтрів ОЛГЗ відповідно до технологічної схеми призначений для пом'якшення води. Фільтри діаметром 1 м кожний завантажені катіонітом КУ-2-8 крупністю 0,5-1,2 мм. Відвід промивної води виконаний у вигляді центральної труби із чотирма перфорованими поліетиленовими променями діаметром 35 мм, у кожному з яких є 16 отворів діаметром по 10 мм, розташованих по бічним утворюючим. Промені закріплені до центральної труби та стін фільтра. Крім того, відвідна система служить для подачі води на фільтрування, а також розчину солі на регенерацію. У процесі обстеження було встановлено, що у фільтрах відбувається значне віднесення дорогого фільтруючого матеріалу КУ-2-8 - всі комунікації фільтрів були заблоковані завантаженням, що привело до їхньої повної зупинки. Для запобігання виносу матеріалу завантаження на поліетиленові промені були наформовані пористі полімербетонні оболонки із заповнювачем крупністю 3-5 мм, товщиною 25 мм. В результаті спостережень за роботою напірних фільтрів протягом одного року встановлено, що виносу іонообмінного завантаження не відбувалося. Економічний ефект за рахунок зменшення виносу іонообмінного завантаження в напірних фільтрах склав приблизно 950 грн/м2.

Блок з восьми напірних фільтрів ОНМА призначений для водопідготовки плавального басейну. Фільтри діаметром 1,5 м завантажені кварцовим піском крупністю 0,5 - 1,7 мм. Відвід промивної води здійснювався за допомогою 12 сталевих перфорованих труб діаметром 50 мм, підключених до центрального збірника. Промивання фільтрів здійснювалося зворотним струмом води від водопровідної мережі з інтенсивністю 14 - 15 л/(с•м2). У процесі обстеження було встановлено, що при промиванні відбувався значний винос завантаження - щорічне довантаження фільтруючого матеріалу становило приблизно 20 см.

В 1997 році був зроблений демонтаж існуючої системи відводу промивної води і її заміна на пористу конструкцію. У верхній частині напірного фільтра були встановлені 12 радіальних пористих труб зовнішнім діаметром 100 мм, виконаних з полімербетону крупністю 3-5 мм, товщиною 25 мм із каркасом з вініпластових перфорованих труб діаметром 50 мм. Спостереження за роботою фільтрів протягом двох років показало їх надійну роботу, довантаження фільтруючого матеріалу не здійснювалося.

Отримані позитивні результати промислової апробації та масштабного впровадження пористих трубчастих конструкцій відводу промивної води зі швидких фільтрів дозволили розробити “Рекомендації із проектування, будівництву й монтажу пористих систем відводу промивної води з фільтрів”, наведені в додатку 1 дисертації. Для впровадження пористих відвідних систем і вдосконаленої конструкції полімербетонного дренажу в проектну практику розроблені програми гідравлічного розрахунку й оптимізації їхніх конструктивних параметрів, які передані в проектний інститут “Одесакомунпроект” (м.Одеса). Результати проведених досліджень включені в курс лекцій по дисципліні “Інтенсифікація водопровідних споруд” і навчальний посібник “Очищення природних вод”, призначений для студентів, що навчаються за фахом “Водопостачання і водовідведення”.

Основні висновки

1. Вирішено важливу народногосподарську проблему підвищення ефективності й надійності роботи водопровідних споруд, які використовуються для очищення природних вод, шляхом розробки нових й удосконалених пористих конструкцій, у тому числі дренажно-розподільних і відвідних систем водоочисних фільтрів, методів гідравлічного розрахунку й оптимізації.

2. Проведено критичний аналіз існуючих сітчастих установок і пористих конструкцій, найбільш широко застосовуваних у водопостачанні й меліорації, на базі якого дано теоретичне обґрунтування переваг пористих конструкцій, яке підтверджено експериментально.

3. На підставі узагальнення теоретичних та експериментальних даних запропоновані нові конструкції для водопровідних споруд:

· пористі труби для відводу промивної води зі швидких фільтрів;

· пористі труби для відводу води з напірних фільтрів;

· лотковий пористий дренаж змінного перетину по довжині.

4. Показано, що застосування пористих труб у конструкціях відкритих і напірних фільтрів дозволяє поліпшити відвід забрудненої води при промиванні, значно скоротити віднесення фільтруючого матеріалу, зменшити витрати на подачу промивної води й підвищити надійність роботи. Крім того, з'являється й ряд технологічних переваг - можливість підвищення інтенсивності промивання, застосування легких (у т.ч. двошарових) завантажень при водоповітряному промиванні без небезпеки їхнього віднесення.

5. Встановлено, що конструкція лотка змінного перетину в дренажно-розподільних системах швидких фільтрів дозволяє вирівняти поле швидкостей при промиванні, знизити нерівномірність розподілу потоку промивної води й скоротити експлуатаційні витрати.

6. Проведено узагальнення і аналіз існуючих теоретичних рішень та методів розрахунку збірно-розподільних систем водопровідних споруд, які працюють зі змінною витратою по шляху, на підставі чого зроблено вибір основного рівняння руху рідини, необхідного для створення математичних моделей.

7. Розроблені математичні моделі роботи пористої труби в умовах безнапірного і напірного руху рідини, а також полімербетонного дренажу, які засновані на використанні рівнянь руху рідини зі змінною по довжині витратою в умовах фільтрації через пористу стінку.

8. На базі отриманих моделей виконані чисельні дослідження роботи відвідних і дренажно-розподільних систем водоочисних фільтрів, які показали повну їхню відповідність фізичним уявленням про процеси.

9. На підставі теоретичних досліджень розроблені достовірні й надійні інженерні методи розрахунку пористих збірно-розподільних пристроїв, які засновані на покроково-ітераційному рахунку з використанням ПЕОМ, що дозволяють з високою точністю визначати їх гідравлічні та конструктивні параметри. Крім того, методика дає можливість розраховувати напірні трубопроводи та відкриті канали постійного або змінного перерізу з безперервною або дискретною змінною витрати по довжині, а також вирішувати класичні задачі гідравліки - визначення критичної й нормальної глибини в трубах і відкритих потоках правильної та довільної форм поперечного перерізу.

10. Проведено експериментальні дослідження роботи пористої труби в умовах напірного і безнапірного руху рідини, які підтвердили достовірність математичних моделей і методів їх гідравлічного розрахунку.

11. Виконано теоретичне обґрунтування й розроблена методика пошуку оптимальних конструктивних параметрів пористих труб для відводу промивної води та полімербетонного дренажу, з використанням методів чисельного моделювання і планування експериментів.

12. Результати теоретичних і лабораторних досліджень пористих відвідних систем апробовані на діючих швидких фільтрах водопровідних споруд м. Миколаєва. Фільтри показали надійну роботу на протязі тривалого часу експлуатації: зменшились винос матеріалу завантаження з 15 см до 2-3 см за рік і тривалість промивання фільтра на 2-3 хв, швидкість фільтрування зросла в середньому на 0,7 м/год, що привело до збільшення корисної продуктивності фільтра на 8%. Економічний ефект склав 1,69 тис. грн. на 1 м2 корисної площі фільтра. Пористі відвідні конструкції впроваджені на 15 швидких фільтрів загальною площею 610 м2 (їх сумарна продуктивність - складає десь 100 тис. м3/доб).

13. Промислова апробація пористих конструкцій відводу промивної води з напірних фільтрів водопідготовки дозволила значно скоротити винос дорогого фільтруючого матеріалу. Розрахунковий річний економічний ефект за рахунок цього склав близько 950 грн/м2.

14. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень розроблені “Рекомендації із проектування, будівництва й монтажу пористих систем відводу промивної води з фільтрів”, а також комп'ютерні програми розрахунку, які передані в проектний інститут “Одесакомунпроект” для використання в проектній практиці.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Прогульный В.И. Работа пористой трубы в условиях безнапорного режима. //Науковий вісник будівництва. -Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2005. - Вип. 33. - С.170-175.

2. Прогульный В.И. Выбор уравнения движения жидкости в пористой проницаемой трубе. //Гідромеліорація та гідротехн. будівництво. -Рівно: НУВГП. -2005. - Вип. 30. - С.95-100.

3. Прогульный В.И. Учет кривизны стенки при сборе (распределении) воды пористой трубой. //Вісник ОДАБА. - Одесса: “Внешрекламсервис”. - 2005. -Вип.17. - С.227-230.

4. Прогульный В.И. Математическая модель сборной пористой напорной трубы. //Вісник ДонНАБА. „Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві”. - Макіївка: ДонНАБА. -2005. -Вип.6 (54). - С.8-14.

5. Прогульный В.И. Исследования работы пористой трубы на математической модели. //Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2006. -Вип.36. - С.90-95.

6. Прогульний В.Й. Проектування пористих труб для відводу промивної води зі швидких фільтрів. //Науково-технічний збірник „Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки”. - К.: КНУБА. - 2006. - Вип. 7. - С.51-55.

7. Прогульный В.И. Математическая модель пористого дренажа водоочистных фильтров. //Вісник ДонНАБА. „Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві”. - Макіївка: ДонНАБА. -2006. -Вип. 2 (58). - С.60-63.

8. Прогульный В.И. Исследования кольматации пористого полимербетона песком. //Вісник ОДАБА. - Одеса: Місто майстрів. - 2006. -Вип.23. - С.261-265.

9. Прогульный В.И. Методика расчета пористого полимербетонного дренажа скорых фильтров с использованием ПЭВМ //Вісник ОДАБА. - Одесса: Внешрекламсервис. -2006. -Вип.24. - С.206-211.

10. Прогульный В.И. Исследование работы пористого дренажа водоочистных фильтров на математической модели. //Вісник ДонНАБА. „Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві”. -Макіївка: ДонНАБА. -Вип. 5 (61). -2006. - С.194-197.

11. Прогульный В.И. Экспериментальная апробация математической модели пористой трубы. //Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2006. - Вип.37. - С.192-196.

12. Прогульный В.И. Оптимизация пористых систем отвода промывной воды из скорых фильтров. //Коммунальное хозяйство городов. Научно-техн. сб. ХНАГХ. -К.: Техника. -2006. - Вип.72. - С. 147-150.

13. Прогульный В.И., Тельпис В.С. Скорый фильтр с пористыми отводными трубами. //Коммунальное хозяйство городов. Научно-техн. сб. ХНАГХ. -К.: Техника. -2002. -Вип.45. - С.159-164.

14. Прогульный В.И., Тельпис В.С. Выбор варианта пористых конструкций отвода промывной воды из фильтровальных сооружений. //Науковий вісник будівництва. -Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. -2003. -Вип.22. - С.128-132.

15. Прогульный В.И., Тельпис В.С. Закономерности притока воды через пористую трубу //Вісник ОДАБА. - Одесса: Астропринт. - 2003. -Вип. 11. - С.160-165.

16. Грабовский П.А., Прогульный В.И., Тельпис В.С. Методика расчета пористых труб для отведения промывной воды из водоочистных фильтров. //Коммунальное хозяйство городов. Научно-техн. сб. ХНАГХ. -К.: Техника. -2003. -Вип. 53. - С. 41-48.

17. Грабовский П.А., Ларкина Г.М., Прогульный В.И. и др. Интенсификация фильтровальных сооружений путем использования пористых конструкций. //Вісник ОДАБА. - Одесса: Астропринт. -2003. -Вип. 11. - С.124-130.

18. Грабовский П.А., Прогульный В.И., Грачев И.А. Пошагово-итерационные методы расчета систем распределения и сбора воды. //Вісник НУВГП. - Рівно: -2005. - Вип. 4. -Ч.1(32). - С.158 -163.

19. Грабовський П.О., Прогульний В.Й., Грачов І.А. Розрахунок критичної глибини потоку з використанням ПЕОМ. //Науково-технічний збірник „Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки” - К.: КНУБА. - 2005.- Вип. 5. С.113-119.

20. Грабовский П.А., Прогульный В.И., Антонюк Н.Р. Оптимизация конструкции пористого полимербетонного дренажа с использованием ПЭВМ. //Вісник ОДАБА. - Одесса: Внешрекламсервис. -2005. - Вип. 19. - С.181-185.

21. Прогульный В.И., Коренская Е.В. Сравнение пористых и сетчатых конструкций водопроводных сооружений. //Вісник ОДАБА. - Одесса: Внешрекламсервис. -2006. -Вип. 22. -С.233-238.

22. Грабовський П.О., Прогульний В.Й., Грачов І.А. Розрахунок нормальної глибини потоку з використанням ПЕОМ. //Науково-технічний збірник „Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки” - К.: КНУБА. - 2006. - Вип. 6. - С.118-123.

23. Грабовский П.А., Прогульный В.И. Пористые системы для отвода воды //Тезисы докл. международн. сем. “Анализ и оптимизация грубогетерогенных комопзиционных материалов” - Одесса. -1993. - С.12-13.

24. Грабовский П.А., Прогульный В.И. Пористый отвод промывной воды как средство интенсификации водоочистных фильтров //Тезисы докладов международной научн.-техн. конф. “Питьевая вода-94” - Одесса. -1994. - С.8-10.

25. Грабовский П.А., Ларкина Г.М., Прогульный В.И., Карпов И.П., Триль А.А. Напорный фильтр ОГАСА. //Сб. материалов IV международной научно-технической конференции “Питьевая вода-98” - Одесса. -1998. - С. 80-85.

26. Грабовський П.О., Ларкіна Г.М, Прогульний В.Й., Карпов І.П., Тріль О.А. Порівняльний аналіз дренажів водоочисних фільтрів. - //Ринок інсталяційний -№11. -2000. - С. 28-29.

27. Прогульный В.И., Тельпис В.С. Скорый фильтр с пористыми устройствами для отвода промывной воды. //Тезисы научно-техн. конференции “Актуальные проблемы строительства и благоустройства территорий”, - Кишинев, 2002. - С. 243-248.

28. Грабовський П.О., Ларкіна Г.М., Прогульний В.Й. Очищення природних вод. Навчальний посібник. - Одеса. ОДАБА. - 2003. - 262 с.

29. Грабовский П.А., Прогульный В.И. Численные методы решения задач движения жидкости в водоснабжении и водоотведении. //Тезисы докладов VI международного конгресса “Вода: экология и технология” (ЭКВАТЭК -2004). -М. -2004. - C. 577-578.

30. Прогульный В.И. Разработка математической модели трубопровода с проницаемыми стенками. //Матеріали науково-практич. конференції „Сучасні проблеми охорони довкілля, рац. використання водн. ресурсів, очистки природ. та стічних вод”. - К: Знання. -2005. - С. 101-104.

31. Прогульный В.И. Пористые конструкции для водопроводных сооружений. //Зб. допов. Міжнар. конгр. „Екологія, технол., економіка, водопостачання, каналізація (ЕТЕВК - 2005). -Ялта. -2005. - С. 269-272.

32. Патент України на корисну модель №19279.МПК Е03Б 3/00 /Пристрій для збору і відведення промивної води зі швидких фільтрів /Грабовський П.О., Прогульний В.Й. Завл. 29.05.2006; Опубл. 15.12.2006, Бюл. №12, 2006р.

33. Патент України на корисну модель №19278. /Дренажно-розподільний пристрій швидких фільтрів / Грабовський П.О., Прогульний В.Й. Завл. 29.05.2006; Опубл. 15.12.2006, Бюл. №12, 2006р.

Анотація

Прогульний В.Й. Пористі конструкції водопровідних споруд, гідравлічний розрахунок, оптимізація. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація. - Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, Харків, 2007.

Дисертація присвячена науковому обґрунтуванню й розробці нових більш надійних і достовірних математичних моделей та методів розрахунку збірно-розподільних систем водопровідних споруд.

Запропоновано нові пористі конструкції відводу промивної води зі швидких фільтрів і лотковий полімербетонний дренаж перемінного перерізу по довжині, які дозволяють підвищити ефективність і надійність роботи фільтрувальних споруд.

На підставі аналізу основних існуючих положень про рух рідини в збірно-розподільних системах з перемінною витратою по довжині побудовані математичні моделі полімербетонного дренажу і пористих труб, що працюють в умовах напірного і безнапірного режимів.

Розроблено більш досконалі методики їх розрахунку і можливої оптимізації конструктивних параметрів, основані на покроково-ітераційному методу з використанням ПЕОМ.

Лабораторна і промислова апробація пористих труб відводу промивної води зі швидких відкритих і напірних фільтрів підтвердили вірогідність математичних моделей і методик розрахунку. Розроблені конструкції відводу промивної води, починаючи з 1991 р., впроваджені на 15 швидких фільтрах Ингулецької очисної станції м. Миколаєва загальною площею близько 610 м2. Економічний ефект склав 1,69 тис. грн. на 1 м2 корисній площі фільтра. Промислова апробація пористих труб у напірних фільтрах водопідготовки (м. Одеса) показала надійну їхню роботу протягом тривалого строку експлуатації. Винос фільтруючого матеріалу не спостерігався.

Ключові слова: швидкий фільтр, дренаж, розподільний лоток, відвід промивної води, пористі труби, рух з перемінною витратою, математичні моделі, методика розрахунку, оптимізація.

Аннотация

Прогульный В.И. Пористые конструкции водопроводных сооружений, гидравлический расчет, оптимизация. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.04 -водоснабжение, канализация. - Харьковский технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена актуальной проблеме повышения эффективности и надежности работы фильтровальных сооружений путем усовершенствования конструктивных параметров дренажно-распределительных и отводных систем, разработки методик их гидравлического расчета и оптимизации.

Научно обоснована целесообразность применения пористых конструкций для водопроводных сооружений.

Предложены новые устройства для отвода промывной воды из скорых открытых и напорных фильтров - пористые трубы, позволяющие значительно сократить унос фильтрующего материала при промывке, улучшить сбор и отвод загрязненной воды, уменьшить затраты на подачу промывной воды, использовать водовоздушную промывку фильтров в сочетании с легкими фильтрующими материалами.

Для уменьшения неравномерности распределения воды при промывке фильтра предложено пористый лоток выполнять переменного сечения с уклоном дна в сторону сборного канала.

Проведенный анализ известных исследований, связанных с описанием работы сборно-распределительных систем, в которых жидкость движется с переменным расходом по длине, показал, что для решения этих задач авторами использовался ряд допущений - задавался закон изменения притока (оттока) постоянным, пренебрегались потери напора на трение по длине и т.п.

В настоящей работе созданы математические модели работы полимербетонного дренажа и пористых труб для безнапорного и напорного режимов, в которых эти предположения не использовались.

Разработаны инженерные методики и программы их гидравлического расчета, основанные на пошагово-итерационном счете с использованием ПЭВМ. Методики позволяют рассчитывать напорные трубопроводы или открытые каналы постоянного или переменного сечения с непрерывным или дискретным изменением расхода по длине, а также решать классические задачи гидравлики-определения критической и нормальной глубины в трубах и открытых потоках правильной и произвольной форм поперечного сечения.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели и методов расчета пористых труб. Расхождения опытных данных и результатов расчета, выполненных на базе математической модели пошагово-итерационным способом, не превышают 3%. Созданы программы технико-экономического расчета поиска оптимальных конструктивных параметров пористых труб для отвода промывной воды (шага, диаметра) и полимербетонного дренажа (высоты лотка, уклона дна, потерь напора в патрубках), сочетающие численное моделирование и планирование экспериментов.

С помощью разработанных методик расчетов определены оптимальные параметры пористых отводных труб и дренажа для существующего типоразмерного ряда проектов водопроводных очистных сооружений производительностью 5, 8, 12,5, 20, 32, 50 и 100 тыс. м3/сут.

Разработанные конструкции отвода промывной воды, начиная с 1991 г., внедрены на 15 скорых фильтрах Ингулецкой очистной станции г. Николаева общей площадью около 610 м2. Наблюдения в течение длительного срока показали хорошую их работу: унос загрузки сократился с 15 см до 2-3 см в год, продолжительность промывки фильтра уменьшилась на 2-3 мин, скорость фильтрования возросла в среднем на 0,7 м/ч, что привело к увеличению полезной производительности фильтра на 8%. Экономический эффект составил 1,69 тыс. грн. на 1 м2 полезной площади фильтра. Была разработана и внедрена пористая конструкция отвода промывной воды из напорных ионообменных фильтров (г. Одесса) в которой на полиэтиленовые перфорированные лучи были надеты оболочки, изготовленные из пористого полимербетона крупностью 3-5 мм, толщиной слоя 20 мм. Наблюдения за работой пористых конструкций отвода промывной воды из напорных фильтров в течение одного года показали, что уноса загрузки не происходило, а кольматация их была минимальной. Расчетный экономический эффект только из-за уменьшения уноса катионита составил 950 грн/м2 в год.

Пористые полимербетонные трубы для отвода промывной воды с винипластовым перфорированным каркасом, установленные в напорных фильтрах водоподготовки плавательного бассейна (г. Одесса), показали хорошую работу в течение всего периода наблюдения. Унос фильтрующего материала не наблюдался.

Разработаны рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации трубчатых отводных систем.

Ключевые слова: скорый фильтр, дренаж, распределительный лоток, отвод промывной воды, пористые трубы, движение с переменным расходом, математические модели, методика расчета, оптимизация.

The summary

Progulny V.I. Porous Design of Water Constructions, Hydraulic calculation, Optimization. - the Manuscript.

The dissertation on competition for a scientific degree of Dr. Sci. Tech., specialty 05.23.04 - water supply, sewage system. - the Kharkov technical university of building and architecture, Kharkov, 2007.

The dissertation is devoted to a scientific substantiation and development of new more reliable and authentic mathematical models and calculation methods of gathering - distributive systems in water constructions. New porous backwash removal designs of rapid filters and tray polymer concrete drainage with variable section on length which allow raising efficiency and reliability of filter work are offered.

Mathematical models of polymer concrete drainage and porous pipes which work in conditions pressure and gravity modes are constructed by use of the analysis of fundamental regulations about liquid movement in gathering - distributive systems with the variable charge on length. More advanced techniques of their calculation and the design data optimization, based on the step-by-step method and use of iterations on personal computers are developed. Laboratory and industrial approbation of porous pipe backwash removal systems of open and pressure rapid filters have confirmed reliability of mathematical models and design procedures.

Keywords: the rapid filter, a drainage, a distributive tray, backwash removal systems, porous pipes, movement with the variable charge, mathematical models, a design procedure, optimization.

Размещено на Allbest.ru