ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ТЕЛЬПІС ВАСИЛЬ СТЕПАНОВИЧ

УДК 628. 16. 067

ВІДВЕДЕННЯ ПРОМИВНОЇ ВОДИ ІЗ ШВИДКИХ ФІЛЬТРІВ ПОРИСТИМИ ТРУБАМИ

Спеціальність 05.23.04 –водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва і архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник -

Офіційні опоненти:

Захист відбудеться 11.06.2008 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.03 в Одеській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ОДАБА за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 4.

Автореферат розісланий 06.05. 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент В.М. Пивонос

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одержання води високої якості є однією з найважливіших проблем не тільки для України, але й для усього світу. Право на забезпечення питною водою, якість якої відповідає державним стандартам, закріплено Законом України "Про питну воду і питне водопостачання". В усьому світі вимоги до якості питної води постійно зростають. Україна, вставши на шлях інтеграції в Європейське співтовариство, також прагне гармонізувати свої нормативні документи в області питного водопостачання з аналогічними актами, що діють у європейських країнах.

На водоочисних станціях фільтри - найбільш дорогі і складні споруди, від яких залежить не тільки якість води, але й економічні показники очищення. На роботу фільтрів істотно впливає один з його конструктивних елементів - система відведення промивної води.

Основними недоліками відомих конструкцій є нерівномірне відведення води при промиванні, віднесення завантаження, велика висота шару води, який залишається у фільтрі після промивання, що приводить до погіршення якості фільтрату на початку фільтроциклу. Неповне відведення промивної води приводить до того, що забруднення, винесені з завантаження при її регенерації, залишаються у фільтрі й створюють кірку забруднень, що скорочує фільтроцикл і приводить до збільшення об’єму води, затрачуваної на власні нестатки очисної станції, що визначає й екологічні аспекти проблеми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота зв'язана з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки, визначеними в Законі України "Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки", п.3 "Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток" і п.6 " Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі ". Крім того, робота виконувалася відповідно до плану науково - дослідних робіт Одеської державної академії будівництва і архітектури "Пористі конструкції для водопровідних очисних споруд " (держ. реєстрація № 0104 U 007334).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування і розробка нових і більш досконалих пористих конструкцій відвідних систем швидких фільтрів, що потребувало рішення наступних задач:

· обґрунтування доцільності використання пористих трубчастих конструкцій для відведення промивної води;

· на підставі теоретичного аналізу розробка нових конструкцій відвідних систем швидких фільтрів;

· створення наближених математичних моделей роботи пористих збірних труб для безнапірного і напірного режимів, що працюють з перемінним перетину по довжині та розробка інженерних методик їх розрахунку;

· проведення лабораторних та промислових досліджень пористих труб для перевірки математичних моделей і методик розрахунку;

· техніко-економічні дослідження пористих відвідних конструкцій для вибору основних розмірів пористих труб;

· апробація розроблених конструкцій відведення промивної води у виробничих умовах;

· розробка рекомендацій з проектування, монтажу й експлуатації трубчастих відвідних систем.

Об'єкт дослідження - системи відведення промивної води із швидких водоочисних фільтрів і фільтрів водопiдготовки.

Предмет дослідження - конструкції пористих трубчастих відвідних систем і методи їх гідравлічного розрахунку.

Методи досліджень. Поставлені задачі вирішувалися методами математичного моделювання процесів руху рідини в пористій трубі і фільтрування її через пористу стінку. Експериментальні дослідження використовувалися для перевірки отриманих математичних моделей і розроблених методів розрахунку. Надійність результатів досліджень перевірялася методами математичної статистики шляхом зіставлення з результатами лабораторних експериментів і натурних спостережень.

Наукова новизна отриманих результатів:

· Виконано наукове обґрунтування використання пористих конструкцій для відведення промивної води із швидких фільтрів.

· Розроблено наближену математичну модель роботи пористої збірної труби, що включає опис руху рідини в трубі з перемінною по довжині витратою і фільтрування через пористу стінку.

· Отримана модель була апроксимована емпіричною залежністю, достовірність якої була перевірена зіставленням з результатами чисельного інтегрування, що дозволило одержати наближені інженерні методи розрахунку конструкцій.

· Розроблено методику визначення оптимальних розмірів пористих труб.

Практичне значення отриманих результатів.

· Розроблено нові більш досконалі конструкції пористих відвідних систем для відкритих і напірних фільтрів.

· Створено методику інженерного розрахунку пористих систем для відведення промивної води.

· Розроблено рекомендації з проектування, монтажу й експлуатації трубчатих відвідних систем.

· Розроблена й апробована у виробничих умовах технологія виготовлення і монтажу пористих труб для відкритих і напірних фільтрів.

· Пористі напірні труби для відведення промивної води впроваджені на 15 швидких фільтрах Інгулецьких очисних споруд м. Миколаєва. У частині фільтрів пористі труби працюють разом з пористою стінкою, а в частині фільтрів самостійно. В результаті впровадження скоротилося віднесення завантаження, покращився відвід води з фільтра, ліквідовані грязьові скупчення на поверхні завантаження, скоротилися витрати промивної води. За рахунок цього корисна продуктивність фільтрів збільшена на 8%. Економічний ефект склав 68,1тис. грн. або 1,69 тис. грн. на 1 м2 корисної площі фільтра.

· Впровадження пористих труб для відводу промивної води з напірних фільтрів водопідготовки дозволило різко скоротити віднесення дорогого іонообмінного завантаження. Одна з розроблених конструкцій відвідних систем впроваджена в напірних фільтрах Одеського лікеро-горілчаного заводу. Як показали спостереження, в результаті різко скоротилося віднесення дорогого іонообмінного завантаження. Орієнтований річний економічний ефект склав близько 950 грн. на 1 м2 площі фільтра.

Особистий внесок автора полягає в розробці пористих трубчастих конструкцій для відведення промивної води з фільтрів, створенні наближеної математичної моделі роботи пористої збірної труби, в конструюванні, налагодженні лабораторної установки; проведенні експериментів і їхній обробці, в розробці методики визначення оптимальних розмірів пористих труб, у створенні інженерних методів розрахунку конструкцій, організації виробничого впровадження й апробації розроблених конструкцій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і головні положення дисертації доповідалися автором на міжнародних науково-технічних конференціях "Вода, екологія, суспільство " (Харків, 2002г), ХНАМГ і "Реформування водопровідно-каналізаційного господарства" (Одеса - 2003г), а також науково-технічних конференціях в ОДАБА, м. Одеса (2004, 2005, 2006, 2007р.р.).

Публікації. Основний зміст дисертації представлений у 6 друкованих працях, з яких 3 у спеціалізованих виданнях, отримано патент України на пристрій для збору і відведення промивної води із швидких фільтрів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 120 найменувань, 2 додатків і містить 136 сторінок основного тексту, 11 таблиць, 67 малюнків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтовується актуальність теми, показана її наукова новизна, сформульовані цілі і задачі досліджень, показаний зв'язок з іншими науковими програмами і планами.

У першому розділі «Системи відведення промивної води» розглянуті існуючі системи відводу промивної води зі швидких фільтрів. Проведено критичний аналіз як найпоширеніших конструкцій (відкриті жолоби напівкруглого або п’ятикутного перетину), так і удосконалених конструкцій. Показано, що традиційні конструкції мають ряд недоліків: віднесення фільтруючого матеріалу, нерівномірність відведення води, виникнення струмистих потоків і фонтанів завантаження біля жолобів, що збільшує небезпеку віднесення завантаження і підвищення вимог до якості будівельно-монтажних робіт при установці жолобів. Удосконалені конструкції також залишили невирішеними ряд проблем.

Показано перспективність використання пористих систем відведення промивної води. Підставою для такого висновку є те, що пористий полімербетон широко застосовується для виготовлення безгравійних дренажів швидких фільтрів.

Багаторічний досвід експлуатації дозволив установити, що полімербетон має достатню міцність і стійкість до агресивного впливу води, обробленої реагентами; відсутня просочуваність фільтруючого матеріалу крізь дренаж; немає прогресуючого приросту опору дренажу за період експлуатації.

Аналіз показав, що в процесі роботи пористої перегородки, через яку рухається забруднена вода, опір її росте до визначеної межі, після чого настає стабілізація. Можливість використання пористого полімербетона (ППБ) для відведення промивної води була підтверджена теоретично, а також у лабораторних і виробничих умовах.

Були відомі кілька конструкцій відвідних систем з пористим полімербетоном, що з 1987 р. успішно експлуатуються на Інгулецьких водоочисних спорудах м. Миколаєва, де використовуються водоповітряне промивання загрузки - найбільш несприятлива з погляду відведення води. У результаті експлуатації таких систем річне віднесення завантаження скоротилося з 15 до 2 %, витрати промивної води зменшилися на 10 %, а корисна продуктивність фільтрів була збільшена на 8%.

Показана доцільність вивчення можливості використання пористих трубчастих конструкцій, оскільки: *

труби мають набагато більшу несучу здатність у порівнянні з плоскими конструкціями, що дозволить зменшити їхню товщину, витрату полімербетону і, отже, вартість конструкції;*

попередні оцінки показали, що при використанні пористих труб може бути зменшена висота шару води у фільтрі при промиванні, що знизить витрати промивної води і собівартість експлуатації;*

пориста труба має більшу надійність з погляду віднесення загрузки - вона, на відміну від відомих конструкцій пористого відводу води, закрита з усіх боків.

У дисертації розроблені конструкції трубчастих відвідних систем для відкритих і напірних фільтрів.

Для розробки методики розрахунку пористих труб для відведення промивної води з фільтрів проведений аналіз закономірностей руху рідини в пористих відвідних системах. При відведенні промивної води системою пористих жолобів вода рухається нерівномірно зі зміною витрат по шляху. Проаналізовані рівняння, отримані Г.А.Петровим і Д. М. Мінцем. Показано, що застосування методик, розроблених на основі цих рівнянь для розрахунку відкритих пористих жолобів, неприпустимо для пористих труб, оскільки деякі допущення, використані при висновку співвідношень для прямокутних жолобів, тут незастосовні. Тому необхідно розробити математичну модель роботи пористої збірної труби і на її основі - інженерну методику розрахунку.

Сформульовано задачі подальших досліджень: розробка математичної моделі руху рідини в пористих трубах при безнапірному і напірному режимах та створення інженерних методик їх розрахунку; проведення лабораторних та промислових досліджень для перевірки математичної моделі і методик інженерного розрахунку пористих труб; створення надійних методів по вибору технологічних та конструктивних параметрів пористих відвідних труб та розробка рекомендацій для їх проектування.

Другий розділ «Аналіз закономірностей руху рідини в пористих трубах» присвячений розробці математичної моделі збірної пористої труби і створенню інженерної методики її розрахунку. Математична модель роботи пористої труби визначається двома основними рівняннями:

1) руху рідини усередині труби,

2) руху рідини через стінки труби.

Складність опису роботи пористої труби обумовлена тим, що витрати рідини через стінки труби залежать від глибини шару води в трубі (h), яка визначається рівнянням руху усередині труби. Аналогічно, закон зміни глибини h(x) визначається, зокрема, закономірностями притоку.

Вода в пористій трубі рухається c перемінною витратою по довжині. Цією задачею займалися багато вчених - В.М. Маккавеєв, І.В. Мещерський, М.Г. Малишевський, Я.Т. Ненько, І.М. Коновалів, В.В. Смислов, О.І.Єгоров, Г.О. Петров, Д.М. Мінц, П.О. Грабовський, В.Й. Прогульний, О.А. Василенко, А.М. Кравчук та багато інших .

З наявних описів такого руху обране рівняння, отримане Г.О. Петровим, оскільки при його висновку використаний мінімум допущень, а висновки перевірені експериментально. Для випадку притоку через пористу трубу з досить великою товщиною стінки рівняння Г.О. Петрова спрощується -

, (1)

де б - коефіцієнт Бусинеска; V - швидкість потоку; Р – п’єзометричний тиск в трубі; iF - гідравлічний ухил (ухил тертя); h = Z+P/г – п’єзометричний тиск у трубі; Z - відмітка осі труби.

Нижче приведені способи наближеного інтегрування рівняння (1). При цьому для розрахунку безнапірних труб зневажаємо втратами напору на тертя по довжині, оскільки, як показали оцінки, при можливих для промивних трубопроводів витратах і розмірах ці втрати мало впливають на остаточні результати. Однак при цьому істотно спрощується методика розрахунків. У випадку напірних труб, як це буде показано нижче, у такому припущенні немає потреби.

Для безнапірного руху рівняння (1) у повних диференціалах записується у вигляді :

(2)

де Q, щ - витрата і площа поперечного перерізу потоку на відстані X від його початку; i0 - ухил труби; g - прискорення вільного падіння.

Крайовими умовами для рівняння (1) є :

(3)

В інтегральній формі рівняння (2) приймає вид -

(4)

де - - постійна інтегрування.

Щоб проінтегрувати рівняння (4), необхідно мати залежність площі перетину потоку щ від його глибини h . Інтеграл у правій частині (4) - це обсяг рідини в трубі від початкового перетину до перетину Х. Цей обсяг може бути обчислений приблизно по середньому перетину потоку щср, тобто

Для обчислення щср також необхідна залежність щ(h). Як показав аналіз і проведені розрахунки, залежність щ(h) може бути з достатньою точністю описана степеневою функцією

, (5)

де в і к - емпіричні коефіцієнти, що обчислюються методом найменших квадратів; =w/R2, = h /R - безрозмірні площа потоку і його глибина.

Задовільна апроксимація формули (5) досягається при використанні двох степеневих кривих:*

при h?R - в1=1,68, до к1 = 1,47 - максимальне відхилення Д розрахункових даних від формули (5) не перевищує 3,9%, а відносне середньоквадратичне відхилення - у =0,037;*

при h>R - в1=1.64, до к1 = 0,95 (Д = 4.2%, у =0,026).

Тоді

Введемо коефіцієнт Кh=h1/hк, що визначає співвідношення глибин потоку на початку і кінці . Тоді скориставшись другою крайовою умовою (3) маємо

, (6)

У цьому рівнянні коефіцієнт Кh є функцією двох безрозмірних параметрів. Перший з них А1 - це відношення подвоєного швидкісного напору наприкінці потоку до його глибини (число Фруда), а другий параметр А2 визначає геометрію потоку:

Тоді рівняння (6) можна представити у вигляді, зручному для ітераційних розрахунків:

(7)

Глибина наприкінці потоку (на виході з труби) приймається як рівна критичній глибині, або вона задається, якщо вихід труби затоплений. Для рішення рівняння (7) у дисертації приведені номограми, що дозволяють визначити А1,А2 и Кh.

Для випадку напірного руху рівняння (2) приймає вид

(8)

Оскільки в цьому випадку площа перетину потоку дорівнює площі труби, рішення задачі істотно спрощується і з'являється можливість врахувати втрати напору на тертя по довжині потоку. Тиск усередині труби може бути визначено, виходячи з рівняння (8), що у кінцево-різничній формі для початкового і вихідного перетину труби має вигляд -

, (9)

де Qo - розрахункова витрата наприкінці труби; if - гідравлічний ухил, обчислений по середній витраті в трубі (Qср=Qо/2).

Втрати напору при припливі води через стінку пористої труби в дійсній роботі описані одночленною степеневою формулою, більш зручної для інженерних розрахунків -

(10)

де Дh - втрата напору в пористій перегородці, см; д - товщина перегородки, см; х - кінематична в'язкість води, см2/с; Vf - швидкість фільтрування, см/с;

С – коефіцієнт, що залежить від гранулометричного складу заповнювача полімербетону і щільності його укладання (у випадку фільтрування забрудненої води він враховує кольматацію пір зваженими частками); n - показник ступеня, що можна приймати рівним 1,67.

Формула (10) дійсна при русі води через плоску пористу перегородку. При припливі води через циліндричну стінку повинно бути введено виправлення, що враховує кривизну стінки. Цей поправочний коефіцієнт(Kд) був отриманий, виходячи з припущення, що вода крізь стінку пористої труби рухається радіально. Тоді втрата напору в стінці труби визначається співвідношеннями –

,

де ho - втрата напору в "розгорнутій" плоскій стінці, довжина якої дорівнює периметру труби, підрахованому по внутрішньому радіусі R; д/R - відносна товщина стінки. Приплив води на одиницю довжини пористої труби q визначається як добуток швидкості фільтрування V на довжину бічної поверхні труби S . Однак, як видно з рис.1, напір, під яким відбувається потрапляння води в трубу, при Z > h по висоті перемінний.

Отже, буде змінюватися і швидкість фільтрування. Тому необхідно перейти до диференціальних співвідношень:

де V (z) обчислюється по формулі (10), у якій втрата напору - величина перемінна по висоті і визначається, як різниця тисків поза трубою й усередині неї :

Таким чином, при z ? h втрата напору і швидкість фільтрування постійні, а при z > h - втрата напору і швидкість зменшуються по висоті. В результаті були отримані залежності для припливу води в безнапірну трубу в інтегральній формі.

Чисельне інтегрування виконане за допомогою ПЕОМ при варіюванні відносної глибини потоку усередині труби від 0 до 2,0 і зовні від 0 до 4,0.

Щоб спростити наступні розрахунки, доцільно одержати приближені аналітичні залежності, що зв'язують приплив, внутрішню і зовнішню глибину. Як показав аналіз, таку залежність доцільно шукати у формі

, (11)

де б і в - емпіричні коефіцієнти, що залежать від глибини потоку в трубі. Розрахунок цих коефіцієнтів вироблявся методом найменших квадратів. У результаті були отримані формули

, (12)

.

Коефіцієнти кореляції для залежностей (12) виявилися досить високими - відповідно 0,998 і 0,973. Таким чином, відносний приплив може бути обчислений по формулі -

(13)

Якщо ж приплив і заповнення труби відомі, то можна визначити відносну глибину потоку зовні труби:

(14)

Для розрахунку напірних труб використовувалося вираження

,

де середнє значення п’єзометричного напору в трубі (hc) обчислювалося по формулі -

hc = ho + Дh1 /2,

Дh1 - перепад напорів у трубі, що враховує втрати на тертя по довжині (формула (9)).

Розроблено методику розрахунку динаміки спорожнювання фільтра наприкінці промивки. Витрати наприкінці пористої труби Qк і рівень води у фільтрі Н зв'язані з відношенням

(15)

де F - площа зони, що обслуговується одною трубою - F=LS; L і S - довжина і крок труб; t - час.

Рівняння (15) вирішується при початкових умовах: t = 0 Н=Но, Qk=Qko, (тут Qko і Но - розрахункова промивна витрата і рівень води при ції витраті). Получити просту аналітичну залежність для динаміки зменшення рівня води у фільтрі тут не вдалося. Тому довелося вдатися до покрокового встановлення часу спорожнювання фільтра.

На основі отриманих співвідношень розроблені методики гідравлічного розрахунку безнапірних і пористих напірних труб, проілюстровані прикладами. Ці методики базуються на використанні номограм. Крім цього розроблена методика розрахунків за допомогою ПЕОМ. Виконаний також приклад динаміки спорожнювання фільтра наприкінці промивання.

У третьому розділі «Лабораторні дослідження й результати експериментів» приведені результати експериментів, проведених у лабораторних умовах. Експериментальне вивчення руху рідини через пористий полімербетон було розділено на два основних етапи: 1)дослідження гідравлічних характеристик пористого полімербетона на невеликих зразках; 2)вивчення закономірностей збору і відведення води пористою полімербетонною трубою, перевірка наближеної математичної моделі роботи пористої збірної труби і методик розрахунку, розроблених у розділі 2.

Схема експериментальної установки для перевірки математичної моделі роботи пористої труби приведена на рис.2.

Установка являє собою бак 1 висотою 2 м, діаметром 1,2 м, у якому була встановлена пориста полімербетонна труба 2 зовнішнім діаметром 150 мм, довжиною 1000 мм, товщиною стінки 20 мм, крупністю заповнювача 3 - 5мм. Пориста труба з однієї сторони з'єднувалася за допомогою фланця з відвідної трубою 3 діаметром 120 мм, а з іншої сторони торець труби був закритий заглушкою. У трубі з кроком 200 мм були встановлені 5 п’єзометрів 4 для виміру глибини потоку по довжині, показання яких виводилися на щит 5. Бак постачений трубопроводом, що підводить воду 6 з витратоміром 7 і вентилем 8, п’єзометричною трубкою 9 для виміру рівня води в ньому. Вода з пористої труби відводилася трубопроводом 3 у проміжну ємність 10, відкіля насосом 11 знову подавалася на установку.

У процесі досліджень варіювали витрати води й ухил пористої труби (і =0 - 0,02). Для забезпечення напірного режиму руху рідини в пористій трубі прикривали заслінку на трубопроводі 3. Усього на цій установці було проведено 3 серії з 45 досвідів. На рис. 3 показаний один із графіків зміни шару води в трубі.

Зіставлення опитних (крапки) і розрахункових (пряма лінія) глибин потоку зовні труби показало, що ці дані відрізняються незначно - на 10-12мм. Аналогічні результати були отримані і при напірному русі води в пористій трубі. Це дозволяє зробити висновок, що розроблена математична модель роботи пористої труби в безнапірному і напірному режимах і наближена методика розрахунку є достовірними, і можуть бути використані для інженерних розрахунків.

У четвертому розділі «Оптимізація конструкції системи відведення промивної води» розглянуті питання оптимального конструювання системи відводу промивної води.

Задачею проектування пористої відвідної системи є визначення діаметру і кроку труб, що забезпечують мінімум функції мети - приведені витрати. При зменшенні діаметру труб або збільшення їхнього кроку росте висота шару води у фільтрі при промиванні (Н). В результаті збільшується обсяг промивної води, тому що весь обсяг над завантажувальної води на початку промивання відводиться з фільтра. Тому при визначенні експлуатаційних витрат враховуються витрати на цей обсяг (вартість реагентів для обробки цієї води та її перекачування). Для зменшення висоти шару Н необхідно збільшувати діаметр труб або їхнє число. При цьому будуть зменшуватися експлуатаційні витрати, але буде рости будівельна вартість конструкцій. Звідси випливає можливість існування оптимальних розмірів і числа конструкцій, що забезпечуватимуть мінімальні значення приведених витрат.

Приведена вартість конструкції пористих труб для відведення промивної води визначалася по загальноприйнятій формулі:

П = ЕК+Э, (16)

де П - приведені витрати, грн../рік; Е - коефіцієнт ефективності капіталовкладень, прийнятий рівним 0.15 (як об'єкт нової техніки); K - вартість капіталовкладень, грн; Э - експлуатаційні витрати, грн/рік.

Вартість капіталовкладень розраховувалася, виходячи з обсягу і вартості матеріалу, необхідного для виготовлення пористих труб (у даному випадку полімербетону). В експлуатаційні витрати включені витрати на електроенергію (Ээ), вартість реагентів (Ер), на подачу й обробку обсягу води у фільтрі висотою шару Н, вартість забору води з джерела (Эз) і скидання промивних вод (Эс). Крім цього, враховані відрахування на амортизацію вa і поліпшення основних фондів вф.

Після перетворень отримана формула для питомих приведених витрат, віднесених до 1 м2 площі фільтра (грн/м2):

П/ ?= 0,785(d22–d21)ас/S(Е+вa+вф)+Н(Ээ+Эр+Эз+Эс)Nф 365. (17)

де d1 і d2 - внутрішній і зовнішній діаметр труби, м; ас - вартість 1 м3 пористого полімербетону з урахуванням виготовлення і монтажу; Nф - число промивань фільтра в добу (середнє за рік).

У дисертації приводиться методика розрахунку питомих приведених витрат, обумовлених по формулі (17) в залежності від діаметру і кроку труб, відповідно з якої був зроблений розрахунок для фільтрів другого блоку Інгулецької водопровідної станції м. Миколаєва.

На рис. 4. представлено залежність питомих приведених витрат від кроку пористих труб при різних їхніх діаметрах.

З графіка видно, що при діаметрі труб 200 мм режим руху напірний, шар води великий, а приведені витрати високі. Для інших діаметрів є чітко виражені мінімуми приведених витрат, при цьому величини П/ мало відрізняються друг від друга. Вертикальною пунктирною лінією показана верхня границя припустимих значень S = 2,2м, рекомендована БНіП для промивних жолобів.

Приводиться техніко-економічне порівняння двох типів конструкцій відводу промивної води - пористі труби і пористі жолоби прямокутної форми

поперечного перерізу. Розрахунок питомої приведеної вартості розглянутих систем (по вихідним даним Інгулецької очисної станції м. Миколаєва), показав, що пористі труби забезпечують найменші витрати.

Отримано рекомендації з оптимальних параметрів пористих відвідних труб для станцій очищення води, побудованих по типових проектах станцій продуктивністю від 5 до 100 тис. м3/доб.

Розділ п'ятий «Промислове впровадження й апробація пористих труб для відведення промивної води».

Впровадження пористих труб здійснено на діючих водопровідних спорудах третього блоку швидких фільтрів Інгулецької очисної станції. Дослідження проведені в найгірших умовах з погляду можливої кольматації пористих полімербетонних конструкцій - це водоповітряна промивка.

Обстеження швидких фільтрів показало, що при промиванні відбувається значне віднесення фільтруючого завантаження (до 15 см на рік) і відведення промивної води з площі фільтра здійснюється нерівномірно через негоризонтальність верхньої крайки.

Розроблені конструкції відводу промивної води, починаючи з 1991 р., впроваджені на 15 швидких фільтрах загальною площею близько 610 м2 Інгулецької очисної станції (м. Миколаїв). Ефективність роботи реконструйованих фільтрів оцінювали шляхом порівняння з роботою сусідніх фільтрів (із традиційною відвідною системою).

Систематичні спостереження динаміки кольматації показали, що коефіцієнт гідравлічного опору пористих труб спочатку росте, а потім після 100-120 доби стабілізується. Відповідно мінявся і рівень води у фільтрі при промиванні. Положення цього рівня відповідає результатам розрахунку, виконаного по розробленій наближеній методиці. Зменшилося віднесення завантаження, скоротилася 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 68,1 тис. грн. або 1,69 тис. грн на 1 м2 корисній площі фільтра.

З 1991 р. по 2001 р. були демонтовані існуючі системи відведення промивної води на інших швидких фільтрах 3-ї черги і встановлені пористі конструкції. Таким чином, загальна площа реконструйованих фільтрів склала 610 м2.

Промислова апробація пористих систем відведення води з напірних фільтрів була проведена на Одеському лікеро-горілчаному заводі (ОЛГЗ) у 1992 р.

Блок з чотирьох напірних фільтрів ОЛГЗ відповідно до технологічної схеми призначений для зм'якшення води. Фільтри діаметром 1 м кожний завантажені катіонітом КУ-2 крупністю 0,5-1,2 мм. Відведення промивної води виконано у виді центральної труби з 6 перфорованими поліетиленовими променями діаметром 35 мм, у кожнім з яких мається 16 отворів діаметром по 10 мм, розташованих по бічним утворюючим. Промені закріплені до центральної труби і стін фільтра. Крім того, відвідна система служить для подачі води на фільтрування, а також розчину солі на регенерацію.

У процесі експлуатації спостерігалося значне віднесення дорогого фільтруючого матеріалу КУ-2. Для запобігання віднесення завантаження на поліетиленові промені були надягнуті пористі полімербетоні оболонки крупністю наповнювачі 3-5 мм, товщиною 2 мм.

В результаті спостережень за роботою напірних фільтрів протягом одного року встановлено, що віднесення іонообмінного завантаження не відбувалося .

Розрахунковий економічний ефект за рахунок зменшення віднесення катіоніта склав приблизно 950 грн/ м2 у рік.

ВИСНОВКИ

1. Наведено нове рішення наукової задачі підвищення ефективності й надійності роботи фільтрувальних споруд для очищення води господарсько-питного та промислового водопостачання шляхом удосконалення систем відведення промивної води.

2. Проведено критичний аналіз існуючих відвідних конструкцій швидких фільтрів, на підставі якого обґрунтована доцільність використання пористих систем.

3. Запропоновано нові конструкції пористих трубчастих пристроїв відведення води з відкритих і напірних фільтрів.

4. Розроблено наближену математичну модель роботи пористої труби, що базується на використанні рівняння руху потоку з перемінною витратою усередині труби, і рівнянні припливу води через пористу стінку, що залежить від рівня (тиску ) у трубі і висоти шаруючи води зовні. У результаті ряду допущень отримані наближені інженерні методики розрахунку пористих відвідних труб для відкритих і напірних фільтрів.

5. Експериментальні дослідження роботи пористої труби в умовах напірного та безнапірного режимів показали достовірність створеної математичної моделі і наближених методів її інженерного розрахунку.

6. Обґрунтовано і розроблено методику пошуку оптимальних розмірів пористих труб шляхом мінімізації приведених витрат. Для зниження трудомісткості описаних розрахунків складена програма у стандартному додатку Mіcrosoft Excel. За допомогою розроблених методик розрахунків визначені оптимальні діаметри і крок пористих відвідних труб для існуючого ряду типових проектів продуктивністю 5, 8, 12,5, 20, 32, 50 і 100 тис. м3/добу.

7. 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).

8. Промислова апробація пористих конструкцій відведення 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.

9. На підставі проведених досліджень розроблені «Рекомендації з проектування, будівництва й монтажу пористих систем відведення промивної води з фільтрів».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Прогульный В.И., Тельпис В.С. Скорый фильтр с пористыми отводными конструкциями// ХНАГХ, научно- техн. сб. «Коммунальное хозяйство городов», №45, -К, -2002 г. -С. 159-164. (Особистий внесок автора: наведено опис пористих пристроїв відведення промивної води із швидких фільтрів, обґрунтовано використання нових конструкцій).

2. Прогульный В.И., Тельпис В.С. Скорый фильтр с пористыми устройствами для отвода промывной воды. Техн. университет Молдовы, научно-техн. конференция «Актуальные проблемы строительства территорий», (14-15 ноября), -Кишинев, -2002. -С.243-248. (Особистий внесок автора: проведен критичний аналіз існуючих конструкцій відведення промивної води).

3. Прогульный В.И. , Тельпис В.С. Выбор варианта пористых конструкций отвода промывной воды из фильтровальных сооружений.//ХНАСА, научно - техн. сб. «Коммунальное хозяйство городов», №53, -К., -2003 г. -С. 41-48.

(Особистий внесок автора: отримана залежність для визначення приведеної вартості пористих труб та проведені чисельні дослідження).

4. Прогульный В.И. , Тельпис В.С. Закономерности притока воды через пористую трубу // Вісник ОДАБА, №11 – Одесса: «Астропринт». -2003 г. - С.160-165. (Особистий внесок автора: проведені чисельні дослідження для апробації наближеної інженерної методики розрахунку).

5. Грабовский П.А., Ларкина Г.М., Прогульный В.И., Тельпис В.С. Интенсификация фильтровальных сооружений путем использования пористых конструкций // Вісник ОДАБА, №11 - Одесса: «Астропринт». -2003 г. - С. 124-130. (Особистий внесок автора: проведен аналіз роботи пористих труб відведення промивної води).

6. 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., Тельпіс В.С. Завл. 29.05.2006; Опубл. 15.12.2006, Бюл. №12, 2006р.

(Особистий внесок автора: розробка конструкції).

АНОТАЦІЯ

Тельпіс В.С. Відведення промивної води зі швидких фільтрів пористими трубами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація, - Одеська державна академія будівництва і архітектури, Одеса, 2008р.

Дисертація присвячена актуальній проблемі підвищення ефективності роботи швидких фільтрів шляхом удосконалювання системи відведення промивної води.

Показана доцільність вивчення можливості використання пористих трубчастих конструкцій для відведення промивної води із швидких фільтрів, на підставі якої розроблено нові конструкції.

Розроблено наближені математичні моделі роботи пористої збірної труби для безнапірного і напірного режимів, що працюють з перемінним притоком по довжині. Це дозволило створити наближені інженерні методики їх гідравлічного розрахунку

Лабораторні дослідження пористих труб в умовах напірного і безнапірного режимів підтвердили, що розроблені наближені математичні моделі їх роботи та методики розрахунку є достовірними.

Промислова апробація пористих труб на 15 діючих швидких фільтрах Інгулецьких водопровідних очисних споруд м. Миколаєва показала ефективну їх роботу протягом тривалого часу. Економічний ефект від впровадження склав 1,69 тис. грн. на 1 м2 корисної площі фільтра.

Виробничі впровадження пористих відвідних конструкцій у напірних фільтрах водопідготовки (м. Одеса) підвищили надійність їхньої роботи: значно зменшився виніс фільтруючого матеріалу при промиванні.

Ключові слова: швидкий фільтр, відведення промивної води, пористі труби, рух з перемінною витратою, методика проектування.

АННОТАЦИЯ

Тельпис В.С. Отвод промывной воды из скорых фильтров пористыми трубами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 –водоснабжение, канализация. – Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2008г.

Диссертация посвящена актуальной проблеме повышения эффективности работы скорых фильтров путем усовершенствования системы отвода промывной воды.

Показана целесообразность изучения возможности использования пористых трубчатых конструкций для отвода промывной воды из скорых фильтров, поскольку трубы обладают намного большей несущей способностью по сравнению с плоскими конструкциями, что позволит уменьшить их толщину, расход полимербетона и, следовательно, стоимость конструкции.

Кроме того, предварительные оценки показали, что при использовании пористых труб может быть уменьшена высота слоя воды в фильтре при промывке, что снизит расход промывной воды и себестоимость эксплуатации. И, наконец, пористая труба будет обладать большей надежностью с точки зрения уноса загрузки – она, в отличие от известных конструкций пористого отвод воды, закрыта со всех сторон.

Разработаны приближенные математические модели работы пористых сборных труб для безнапорного и напорного режимов, работающих с переменным притоком по длине. Это позволило создать инженерные методики расчета систем отвода промывной воды из пористых труб.

На экспериментальной установке в лабораторных условиях проверена адекватность математической модели и методик расчета пористых труб.

Разработаны конструкции пористого трубчатого отвода воды из открытых и напорных фильтров.

Проведены технико-экономические исследования пористых отводных конструкций для выбора основных размеров пористых труб. Для доказательства экономических преимуществ пористых труб перед пористыми желобами была разработана методика оптимизации размеров этих желобов. Выполненные расчеты показали, что пористые трубы обеспечивают значительно меньшие минимальные значения приведенной стоимости по сравнению с желобами (соответственно 35 и 78,5 грн/м2).

С помощью разработанных методик расчетов определен оптимальный диаметр и шаг пористых отводных труб для существующего типоразмерного ряда проектов производительностью 5, 8, 12,5, 20, 32, 50 и 100 тыс. м3/сут.

Пористые трубы для отвода промывной воды внедрены на 15 действующих скорых фильтрах с водовоздушной промывкой Ингулецких водопроводных очистных сооружений г. Николаева общей площадью около 610 м2.

Эффективность работы реконструированных фильтров оценивали путем сравнения с работой соседних фильтров (с традиционной отводной системой).

Систематические наблюдения динамики кольматации показали, что коэффициент гидравлического сопротивления пористых труб вначале растет, а затем после 100-120 суток стабилизируется. Соответственно менялся и уровень воды в фильтре при промывке. Положение этого уровня соответствует результатам расчета, выполненного по разработанной приближенной методике. Уменьшился унос загрузки – 2-3 см в год в фильтре №2 по сравнению с 15 см в фильтре №3. Сократилась продолжительность промывки фильтра 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 68,1 тыс. грн. или 1,69 тыс. грн на 1 м2 полезной площади фильтра.

Пористые конструкции для отвода промывной воды были также успешно внедрены на 4 напорных ионообменных фильтрах Одесского ликероводочного завода. Здесь пористые полимербетонные трубы толщиной слоя 20 мм и крупностью заполнителя 3-5 мм были надеты на каркас, выполненный из полиэтиленовых перфорированных лучей.

Эксплуатация фильтров в течение длительного времени (более 14 лет) показала аффективную и надежную работу пористых устройств - уноса дорогостоящей ионообменной загрузки не происходило, а кольматация их была минимальной. Расчетный экономический эффект только из-за уменьшения уноса загрузки составил примерно 950 грн/м2 в год.

Для практического применения пористых конструкций отвода воды из фильтровальных сооружений разработаны рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации этих систем.

Ключевые слова: скорый фильтр, отвод промывной воды, пористые трубы, движение с переменным расходом, методика проектирования.

THE SUMMARY

Telpis V.S. The Porous Pipe Backwash Removal System of Rapid Filters. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand. Sci. Tech. speciality 05.23.04 - water supply, the water drain, - the Odessa State Academy of Building and Architecture, Odessa, 2008г.

The dissertation is devoted to an actual problem of increase of an overall performance of rapid filters by perfection of a backwash removal system.

It is shown expediency to investigate use of porous backwash removal designs of rapid filters on the basis of which new designs are developed.

The approximated mathematical models of a porous gathering pipe in conditions pressure and gravity modes which work with the variable charge longwise are developed. It has allowed creating the approached engineering techniques of their hydraulic calculation.

Laboratory researches of porous pipes in conditions pressure and gravity modes have confirmed that the developed approximated mathematical models of their work and