ПОМОГАЕВА Валентина Васильевна Специальность 05.23.04 – Водоснабжение, канализация,
реклама
На правах рукописи ПОМОГАЕВА Валентина Васильевна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРУЙНОЙ АЭРАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОЕМОВ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДОВ Специальность 05.23.04 – Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2009 2 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежском государственном архитектурно-строительном университете Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Щербаков Владимир Иванович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Волшаник Валерий Валентинович кандидат технических наук Данилович Дмитрий Александрович Ведущее предприятие: ОАО Воронежский проектный институт «Гипропром» Защита диссертации состоится «___» ____________ 2009 г. в ауд. №_______ в «___» часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д.26 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета. Автореферат разослан «____» ____________ 2009г. Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В.А. 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Вопросы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в настоящее время имеют исключительно важное значение. В охране водоемов от загрязнения важная роль принадлежит очистке сточных вод в искусственно созданных условиях и в первую очередь биохимическим методом. При этом значительная доля эксплуатационных затрат приходится на принудительную аэрацию сточных вод, как наиболее энергоемкий процесс. Вместе с тем в составе современной очистной станции система аэрации продолжает оставаться весьма сложным, недостаточно надежным и сравнительно слабо изученным элементом. Применяемая в настоящее время пневматическая система аэрации с воздуходувными станциями отличается высокой стоимостью, а механическая и пневмомеханическая системы обладают крайне низкой надежностью работы, сложной конструкцией рабочих органов, требуют применения электродвигателей с регулируемой частотой вращения или достаточно надежных редукторов и мотор-редукторов. Струйная система аэрации обладает рядом преимуществ: высокая надежность, относительно малые габаритные размеры, простота конструкции, отсутствие движущихся частей, небольшая стоимость и другие. Однако эффективность действия применяемых струйных аэраторов обычно не превышает 1 кгО2 на 1 кВт.ч затраченной энергии, заметно уступая эффективности не только пневмомеханическим, но и механическим аэраторам. Низкая эффективность и малая изученность работы струйной системы аэрации сдерживает широкое внедрение её для насыщения атмосферным кислородом на станциях водоподготовки питьевой воды и очистки сточных вод, а также для оздоровления водоемов и водотоков. Вместе с тем экономное расходование энергетических ресурсов, внедрение энергосберегающих технологий, возрастающий дефицит площадей пригодных для строительства очистных сооружений, усиление требований к компактности систем и сооружений при одновременном снижении их материалоемкости требуют усовершенствования существующих и освоения новых видов технологического оборудования, применяемого в сооружениях кондиционирования питьевой и очистке сточной воды. Поэтому задача создания недорогих, надежных аэрирующих устройств, обеспечивающих заданный эффект очистки при минимальных затратах, является чрезвычайно важной и актуальной. Автор выражает искреннею благодарность за научную, практическую и консультативную помощь к.т.н. проф. Е.В.Дроздову. Цель и задачи работы. Целью работы является анализ физических процессов и перемешивания воды при струйной системе аэрации для разработки методики расчета и обоснования оптимальных геометрических размеров и технологических параметров высокоэффективных и экономичных струйных аэрирующих устройств. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи: рассмотреть физическую картину водовоздушного потока при аэрировании объема воды свободнопадающими и фонтанными струями; исследовать теоретически и изучить опытным путем процесс массопереноса атмосферного кислорода в жидкость и закономерности переноса растворенного кислорода в водной среде; 4 экспериментально исследовать зависимость основных параметров струйной системы аэрации от геометрических размеров и режимов работы аэрирующих устройств; разработать рекомендации по расчету и проектированию струйных аэраторов и необходимого оборудования для насыщения атмосферным кислородом природных вод и биологических прудов; дать технико-экономическую оценку применения струйных аэраторов и заключение о диапазоне их применения. Объект исследования. Устройства для струйной аэрации воды. Предмет исследования. Гидравлические и массообменные характеристики струйных аэраторов и аэрационных систем, методом математического моделирования и инженерного расчета этих систем. Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, а также обобщение опытных данных различных авторов, базирующиеся на теории подобия и размерностей. Экспериментальные исследования проводились на моделях и полноразмерных опытно-промышленных образцах струйных аэраторов различной геометрической конфигурации и в широком диапазоне режимов их работы. Экспериментальные материалы использовались для получения расчетных формул. Полученные теоретические и эмпирические формулы сопоставлялись с опытными данными. Научная новизна работы состоит в следующем: впервые получено теоретическое решение задачи определения расхода воздуха, инжектируемого свободнопадающими и фонтанными струями; на основе полуэмпирической теории переноса вещества, с учетом подвижности контакта фаз, получены зависимости для расчета коэффициента массопереноса атмосферного кислорода в воду при струйной аэрации; на основе анализа структуры двухфазных затопленных струй разработана схема расчета зоны действия струйных аэраторов; сформулированы основные принципы конструирования струйных аэрирующих устройств универсального назначения. Практическая значимость работы состоит: в определении основных конструктивных и технологических параметров струйной аэрации, обеспечивающих повышение эффекта захвата и растворения атмосферного кислорода в воде; в разработке методики расчета и рекомендаций по проектированию струйных аэраторов и необходимого оборудования для насыщения атмосферным кислородом природных и сточных вод. Внедрение результатов исследований. Выявленные расчетным путем и подтвержденные экспериментально закономерности гидромеханических и массообменных процессов в струйной системе аэрации позволили разработать ряд промышленных конструкций струйных аэраторов, нашедших применение на станциях водоподготовки питьевой воды, а также для оздоровления водоемов и водотоков. Промышленные образцы струйных аэраторов внедрены на станции аэрации МУП «Водоканал Воронежа», а также для оздоровления Воронежского водохранилища и улучшения качества воды в реке Тихая сосна г. Бирючи Белгородской области. 5 Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты работы докладывались автором на первой международной научно-практической конференции «Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ» (Воронеж, 2003г.), на международной школе-конференции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2005г.), на III Межрегиональной научнопрактической конференции «Экология и рациональное природопользование» (Воронеж, 2007г.), на ежегодных научных конференциях «Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения» (Воронеж, 2002-2009г.г.). Основные тезисы были изложены на научно-практической конференции посвященной 70-летию ФГУП «НИИ ВОДГЕО» «Водоснабжение, водоотведение, гидротехника, инженерная гидрогеология» (Москва 2004г.). На защиту выносятся следующие основные положения диссертации: обоснование областей использования струйной системы аэрации; результаты теоретических и экспериментальных исследований гидромеханических и массообменных процессов работы струйных аэраторов; расчетные зависимости, технологические параметры и методика инженерного расчета струйных аэраторов; рекомендации по проектированию и технико-экономической оценке применения струйных аэраторов для насыщения атмосферным кислородом природных вод и биологических прудов. Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, списка литературы из 179 наименований из них 20 зарубежных источников. Общий объем диссертационной работы: 148 страниц машинописного текста, 3 таблицы, 57 рисунков, 3 фотографии, приложения в виде таблиц и справок о внедрении. Во введении обоснована актуальность научно-технической проблемы повышения эффективности применения струйных аэраторов для улучшения качества природных вод и биологических прудов. Сформулированы цель работы и основные задачи исследований, направленные на ее достижение, отмечены научная новизна и практическая значимость. В первой главе приводится сравнительный анализ существующих систем аэрации естественных водоемов и биологических прудов. Рассмотрены методы расчета конструктивных и технологических параметров струйных аэраторов, а так же закономерности массопередачи кислорода в воду. Работы отечественных и зарубежных исследователей показывают целесообразность применения струйных систем аэрации для насыщения очищаемой воды кислородом воздуха. Большой вклад в развитие аэрационных систем внесли отечественные ученые: Воронов Ю.В., Яковлев С.В., Попкович Г.С., Репин Б.Н., Базякина Н.А., Брагинский Л.Н., Евилевич М.А., Жуков А.И., Карелин Я.А., Корольков К.Н., Мишуков В.Г., Постников И.С., Скирдов И.В., Строганов С.Н., Швецов В.Н., Шифрин С.М. и другие. Из зарубежных ученых можно отметить работы А. Калински, В. Экенфелдера, Г. Ляйстнера и Г. Муллера, Е. Вилински и других. Проведенный анализ современного состояния вопроса по использованию струйных аэраторов для насыщения атмосферным кислородом природных и 6 сточных вод показал, что в настоящее время наряду с пневматическими и механическими системами находит применение струйная система аэрации, обладающая рядом положительных свойств. Однако применяемые в настоящее время расчетные формулы для оценки работы струйных аэраторов не позволяют с достаточной точностью определять основные показатели работы этих аппаратов, выбрать оптимальные конструктивные и режимные параметры проектируемых аэрационных установок и наметить способы повышения их эффективности. Анализ различных моделей массопередачи кислорода в воду, показал, что эффективность струйных аэраторов существенно зависит от перемешивающей способности затопленных водовоздушных струй, распространяющихся в аэрируемом объеме. Вместе с тем, перемешивающаяся способность струйных аэраторов мало изучена, что не позволяет определять их окислительную способность расчетным путем. Влияние конструктивных и режимных параметров на показатели их работы мало изучены, поэтому назначение геометрических размеров в настоящее время производится опытным путем, что не позволяет улучшать конструкцию аэраторов и широко внедрять их в практику подготовки питьевой и очистки сточной воды. Мало исследованы возможности применения фонтанных струй для искусственной аэрации водоемов и водотоков. В то же время, разработка современных технических средств для аэрации рек, озер и водохранилищ представляет собой научно-техническую проблему, имеющую большое народнохозяйственное значение. На основе проведенного анализа, установлено, что перспективным направлением исследования является анализ физических процессов и перемешивания воды при струйной системе аэрации для разработки методики расчета и обоснования оптимальных геометрических размеров и технологических параметров. Практический интерес представляет разработка высокоэффективных и экономичных струйных аэрирующих устройств. Вторая глава посвящена теоретическому исследованию гидродинамики потоков и массопередачи кислорода при струйном аэрировании. На основе имеющихся литературных данных и проведенных исследований была разработана математическая модель для теоретической оценки эффективности работы и перемешивающей способности поверхностной струйной аэрации. Согласно этой модели при падении турбулентной струи на свободную поверхность жидкости в резервуаре происходит разрушение эжектируемого воздуха с образованием пузырей, движущихся вниз в виде конического двухфазного факела На некоторой глубине zmax скорость всплывания газовых пузырей превышает скорость нисходящего потока жидкости, и пузыри движутся вверх, пронизывая цилиндрическую область с основанием равным основанию факела- конуса (рис.1) Для нахождения распределения скорости движения U и воздухосодержания в водовоздушном потоке, образованным компактным источником небольших размеров с начальным импульсом J0 и объёмным расходом воздуха Qв, использован экспоненциальный закон, отражённый формулами: 7 U U 0 exp ( η 2 ) , ( 1) где U0 – продольная скорость на оси струи; r/az - безразмерная координата; а – экспериментальная константа. 0 exp( 2 ) . ( 2) где 0 - коэффициент воздухосодержания на оси струи; - численный коэффициент, характеризующий различие профилей скорости и воздухосодержания. Решение поставленной задачи строится на следующих предположениях. 1.Изменение импульса dJ водовоздушного потока между поперечными сечениями на уровнях z и z+dz равно подъмной силе dP пузырьков воздуха в струе: dJ=-dP. 2.Массовое количество воздуха, проводимое водовоздушным потоком через произвольное поперечное сечение струи в единицу времени, равно массовому расходу подсасываемого воздуха. Рис.1. Схема развития пограничного воздушного слоя и распространения водовоздушной струи в аэрируемом объеме. В результате совместного решения уравнений изменения секундного импульса водовоздушного потока, приращения подъемной силы пузырьков и уравнения расхода получены значения скорости U0 и воздухосодержания 0 на оси водовоздушной струи, при 0,8 и а 0,2 . 3 4 J0 gQ 27 в , U 03 z z ж 3 1 Qв 3 . 0 3 1 0 , 1 z J0 0 ,278z 9 ,14 10 3 z 5 gQв ж (3) (4) В частном случае, при отсутствии начального импульса J0=0 и направлении оси z вертикально вверх полученные уравнения превращаются в уравнения для расчета скорости и воздухонасыщения в вертикальной водяной струе, увлекаемой пузырьками воздуха: gQв , z 4,78 Qв 3 0 . 1 0,1z gz 5 U 0 33 (5) (6) 8 Из формулы (3) можно получить значение максимальной глубины распространения водовоздушной струи, при U0=0. Fr (7) . z max 1,45d н К Q υ2 Здесь Fr - число Фруда для струи на выходе из насадка; К в gdн Qн коэффициент эжекции воздуха в струю, где Qн - объёмный расход воды через насадок. Критическая глубина, на которой объемный расход в водовоздушной струе достигает максимального значения, определяется из уравнения объемного расхода в dQ Fr поперечном сечении двухфазной струи и условия . 0 ; z кр 1,12d н К dz Полученные формулы позволяют определить вертикальную составляющую скорости и коэффициент воздухосодержания в любой точке водовоздушной струи, а также расход воды увлекаемой водовоздушной струей, и оценить перемешивающую способность поверхностного струйного аэратора. Проведенный анализ эжектирующей способности свободнопадающей струи показал, что подсос в струю атмосферного воздуха может происходить как при наличии турбулентного, так и ламинарного пограничного слоя, развивающегося на границе раздела водяной струи и воздуха. Установлена граница перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, которая зависит от скорости истечения струи и высоты расположения насадка над поверхностью воды в резервуаре. В результате решения уравнения Навье-Стокса, для установившегося плоского течения в пограничном слое при степенном законе распределения скоростей по толщине воздушного пограничного слоя определен объемный расход воздуха, эжектируемый сплошной водяной струей, вытекающей из насадка радиусом rн со скоростью Umax: 2 1 Qв U maxrн 1 (8) , (n 1) ( n 2 ) r н где - толщина пограничного слоя; n - показатель степенного закона распределения скоростей. При ламинарном пограничном слое Re e U maxl / в 3 10 5 при n=1 и коэффициент эжекции рекомендуется определять по формуле: 1 1 , (9) rн 3 rн а при турбулентном пограничном слое при n=1/7 (закон Прандтля-Кармана) К л Сл К Т СТ 1,75 1 0,467 . (10) rн rн Толщина ламинарного пограничного слоя определяется из соотношения 5 0,37 , а турбулентного – . Коэффициенты С Л и СТ учитывают срыв l l 5 Ree Ree части эжектируемого воздуха при входе струи жидкости в аэрируемый объем, 9 зависят от начального импульса струи или числа Фруда и определяются из сопоставления расчетных и опытных данных. Анализ уравнения (8) позволяет сделать вывод, что важным параметром, оказывающим влияние на величину подсасываемого воздуха Qв, является периметр струи 2rн , увеличение которого позволяет увеличить расход эжектируемого воздуха. С этой целью целесообразно использование струйных аэраторов с насадком кольцевого сечения. При этом струя жидкости по мере движения будет вовлекать воздух как наружной, так и внутренней поверхностью. Для определения расхода воздуха, вовлекаемого внутренней поверхностью, рассмотрена эжектирующая способность струи жидкости, формируемой кольцевым насадком наружным радиусом rн и внутренним радиусом rв. Коэффициент эжекции внутренней поверхности струи с учетом введения поправочных коэффициентов С Л и СТ при этом равен: при ламинарном пограничном слое: л rв ; К л С1 л rв л 1 л 1 ; rн2 3 rв (11) л rв ; rв2 1 л ; К л С2 л 2 1 rн 3 rв (12) при турбулентном пограничном слое: Т rв ; К Т 1,75С1Т rв Т rн2 Т rв ; rв2 КТ 1,75С2Т 2 rн Т rв Т 1 rв 1 0,467 Т rв r 1 1 в Т ; 1,143 (13) Т2 0,533 2 rв r 1 1 в Т 2 ,143 (14) . Проведенный анализ полученных формул показал, что эффективность работы и перемешивающая способность поверхностных струйных аэраторов зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются диаметр насадка и расстояние его от поверхности воды, скорость истечения струи и количество подсасываемого воздуха. Для расчета окислительной способности предложен способ определения объема зоны действия струйных аэраторов и распределения скоростей течения жидкости в этой зоне. На основе теоретических зависимостей между средним диаметром пузырьков dп в зоне аэрации, диссипацией энергии в турбулентном потоке, величины воздухосодержания , скорости всплытия пузырьков п и объема активно аэрируемой зоны Vсм получена замкнутая система уравнений, позволяющая определить средний диаметр воздушных пузырьков, образующихся в активной зоне аэрации. Проведено сравнение расчетного значения объемного коэффициента массопереноса КLa определенного по различным формулам. Для поверхностной струйной аэрации при определении КLa рекомендуется использовать критериальное уравнение: Sh (2 0,6 Re 0, 5 Sc 0 , 33 )6 , (15) 10 где Sh K La d п2 / D , Sc / D -критерии Шервуда и Шмидта для жидкой фазы; D – коэффициент диффузии вещества в жидкой фазе. Рис.2. Зависимость эффективности аэрации от давления, развиваемого насосом 1- d к =0,1мм; 2- d к =1мм; 3- d к =5мм. Решение дифференциального уравнения движения капли воды в воздухе при работе распыливающей струйной аэрации позволили разработать метод расчета процесса массообмена при аэрировании фонтанными струями. Эффективность распыливающей струйной аэрации повышается с уменьшением давления, развиваемого насосом, и крупности распыливания (рис. 2). Как видно из рисунка при давлении Р<0,04 МПа и крупности капель dк<1мм распыливающая струйная аэрация становится сопоставима с другими методами аэрирования воды. В третьей главе приводится описание экспериментальных установок, методики проведения эксперимента и обработки опытных данных, для определения эффективности работы и перемешивающей способности поверхностных струйных аэраторов. В качестве экспериментальной установки применялся резервуар, насосная установка, счетчик воды, различные насадки (5мм, 10мм, 20мм), позволяющие создать одиночную вертикальную струю, направленную вниз. Определялась, глубина проникновения основной массы пузырьков в воду, радиус действия насадка, а также расход воды через насадок. При определении концентраций растворенного кислорода в воде, в качестве экспериментальной установки применялся аэрационный резервуар с обескислороженной водой, насосная установка и различные насадки (конусные, пленочные кольцевые, 13 сопловый насадок), расположенные на подающем патрубке. Концентрация растворенного в воде кислорода фиксировалась электрохимическим анализатором АНКАТ 7645, который снабжен выносным датчиком, позволяющим снимать показания в любой точке аэрационного резервуара. Работоспособность аэрационного устройства оценивалась двумя основными техническими параметрами: окислительной способностью, и эффективностью аэрации. 11 Окислительная способность определялась по методике переменного дефицита кислорода. По концентрации растворенного кислорода в воде объемный коэффициент массопередачи вычислялся по формуле: К La 2,303lgCs C1 lgCs C2 60 , t2 t1 (16) где Сs – концентрация насыщения воды кислородом в условиях проведения эксперимента, для данной температуры, мг/л; С1 ,С2- концентрация кислорода в начале и в конце опыта, мг/л; t1, t2 – время начала и конца опытов, мин. Окислительная способность аэратора, кг/ч, определялась по формуле: (17) ОС К La Cs V , где V – объем аэрируемого пространства или резервуара, л; Эффективность аэрации: Э ОС , N (18) где N –мощность (нетто), потребляемая аэратором, кВт. В четвертой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению поправочных коэффициентов для уточнения расчета коэффициента эжекции. В результате определения поправочных коэффициентов СЛ и СТ, для более точного теоретического расчета коэффициента эжекции, были получены следующие результаты: значения поправочного коэффициента для ламинарного режима движения в широком диапазоне чисел Фруда изменяется от 0,1 до 1,8; для турбулентного режима движения спутного потока воздуха – от 1,9 до 4 (рис. 3). В обоих случаях идет плавное увеличение коэффициента с увеличением скорости истечения. Рис.3. Зависимость коэффициента С от геометрических параметров аэратора: 1 - при турбулентном режиме движения спутного потока воздуха; 2 - при ламинарном режиме движения спутного потока воздуха в широком диапазоне изменения числа Фруда. При увеличении скорости истечения жидкости, а также при увеличении расстояния насадка от поверхности воды коэффициент эжекции увеличивается как при ламинарном, так и турбулентном пограничном слое спутного воздушного потока. При увеличении высоты струи наблюдается уменьшение коэффициента эжекции после перехода через оптимальное расстояние над поверхностью воды насадка (рис 4). Теоретические расчеты позволяют определить максимальное расстояние расположения высоты насадка над поверхностью воды, для достижения наибольшей эффективности аэрирования. 12 Рис.4. Зависимость коэффициента эжекции от высоты расположения насадка над поверхностью воды: 1 - rн = 0,025 м; 2 - rн = 0,05 м; 3 - rн = 0,1 м; 4 - rн = 0,2 м. Исследование аэрирования жидкости фонтанными струями с применением различных видов насадков показало, что использование щелевых насадков малоэффективно и может иметь ограниченную область применения, в основном в качестве декоративных фонтанов для насыщения воды искусственных водоемов, прудов, а также в качестве упрощенной аэрации при обезжелезивании воды. Преимущество заключается в том, что пузырьки глубоко проникают в воду, насыщая нижние слои воды. Одноструйный насадок может широко применяться, но эффективность насыщения кислородом воды незначительна, при небольших напорах. С увеличением затрат на электроэнергию, увеличивается и эффективность аэрирования, что является нецелесообразным. Самым эффективным оказался многоструйный насадок, который может применяться в различных областях водного хозяйства. При использовании такого насадка максимальное значение насыщения воды кислородом было достигнуто через 1 час работы, при полностью обескислороженной воде (рис. 5). Рис. 5. Скорость насыщения воды кислородом при струйной аэрации 1-13-ти сопловой насадок, 2 – конусный насадок, 3 – щелевой насадок. Рис. 6.Зависимость эффективности аэрации от высоты струй. Влияние высоты струи на скорость насыщения жидкости кислородом воздуха показана на рис. 6. Эффективность аэрации многоструйными насадками, даже при небольшой высоте струй 0,45-0,5 м, достигает 2(кг.О2)/(кВт.ч) что сопоставимо с механической, пневмомеханической и некоторыми видами пневматической аэрации. 13 В пятой главе дано обоснование применения струйных аэраторов для насыщения воды кислородом воздуха с целью улучшения геоэкологической обстановки эвтрофированных водоемов, для увлажнения воздуха и сорбции вредных веществ в воздушной среде, очистке воды в системах водоснабжения и биологических прудах. На основе теоретических и практических исследований приведена методика расчета струйных аэраторов, для широкого применения при проектировании таких аппаратов в системах водоснабжения и водоотведения. Проведенные исследования позволили разработать ряд новых конструкций поверхностных аэраторов с целью интенсификации процесса захвата и растворения атмосферного воздуха в воде. Проведен теоретический анализ эффективности различных конструкций аэрации Воронежского водохранилища. Для обеспечения необходимого кислородного режима водохранилища запроектирована и построена станция искусственной аэрации воды атмосферным воздухом. В летний период эта станция обеспечивает насыщение воды кислородом воздуха, за счет поверхностной струйной аэрации. По разработанной методике была рассчитана и запроектирована аэрационная фонтанная установка, которая прошла опытно-промышленные испытания и внедрена для улучшения качества воды в реке Тихая Сосна г. Бирючи Белгородской области. Результаты эксплуатации разработанных аэрационных устройств позволили установить их технические характеристики, эффективность работы и определить области их использования. Общие выводы Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы: 1. Анализ состояния вопроса по использованию струйных аэраторов для насыщения атмосферным кислородом природных вод и биологических прудов, а также обзор имеющихся теоретических и практических исследований по эффективности работы и массопереносу в струйных аэраторах показал, что в настоящее время, наряду с пневматическими и механическими системами аэрации, достаточно широкое применение находит струйная система аэрации, обладающая рядом положительных свойств. Из всего многообразия струйных аэраторов наибольшее применение находят поверхностные струйные аэраторы, а также фонтанные струи. 2. Применяемые в настоящее время расчетные формулы для оценки работы струйных аэраторов не позволяют с достаточной точностью определять основные показатели работы этих аппаратов, выбрать оптимальные конструктивные и режимные параметры проектируемых аэрационных установок и наметить способы повышения их эффективности. Это не позволяет улучшить конструкцию этих аэраторов и широко внедрять их в практику подготовки питьевой и очистки сточной воды. 3.В результате изучения физических процессов движения струи воды и спутного потока воздуха, а также формирования водовоздушного факела в аэрируемом объеме разработана математическая модель для теоретической оценки эффективности работы и перемешивающей способности поверхностной струйной аэрации, позволяющая определить вертикальную составляющую скоростей и 14 коэффициент воздухонасыщения в любой точке водовоздушной струи, а также расход воды, увлекаемой водовоздушной струей. 4.Проведенный анализ эжектирующей способности свободнопадающей струи показал, что подсос в струю атмосферного воздуха может происходить как при наличие турбулентного, так и ламинарного пограничного слоя, развивающегося на границе раздела водяной струи и воздуха. Установлена граница перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, которая зависит от скорости истечения струи и высоты расположения насадка над поверхностью воды. 5.В результате решения уравнения Навье-Стокса для установившегося плоского течения при степенном законе распределения скоростей по толщине воздушного пограничного слоя определен объемный расход воздуха, эжектируемый водяной струей, вытекающей из цилиндрического и кольцевого насадка. Получены структурные формулы для определения коэффициента эжекции атмосферного воздуха при работе струйной аэрации. 6.Разработан метод расчета процесса массообмена при аэрировании фонтанными струями. Показано, что эффективность распыливающей струйной аэрации повышается с уменьшением давления, развиваемого насосом, и крупности распыливания. Установлена граница оптимального применения распыливающей струйной аэрации. 7.Экспериментальные исследования эжектирующей способности поверхностной струйной аэрации в широком диапазоне изменения основных конструктивных и режимных параметров позволили получить экспериментальные значения коэффициента эжекции. На основе этих экспериментов получены поправочные коэффициенты для расчетных формул. 8.Установлено, что эффективность работы и перемешивающая способность поверхностных струйных аэраторов зависит от диаметра насадка и расстояния его от поверхности воды, скорости истечения струи и количества подсасываемого воздуха. 9.Экспериментально исследованы массообменные характеристики при аэрировании фонтанными струями. Установлены области применения различных видов насадков. Рзработан метод расчета основных показателей работы фонтанных аэрирующих устройств, позволяющий обеспечить не только эффективное насыщение воды атмосферным кислородом, но и создать архитектурнооформленные композиции водного ландшафта. 10.Показана целесообразность использования фонтанных струй для искусственной аэрации водоемов и водотоков. Применение струйных аэраторов экономически обосновано для небольших объемов воды, особенно для насыщения кислородом воздуха природной воды эвтрофированных водоемов и биологических прудов. 11.Отдельные теоретические положения работы внедрены в учебный процесс, для гидравлических расчетов эжектирующей способности аэраторов, в проектные организации для упрощения принятия решений по проектам аэирования. Промышленные образцы струйных аэраторов внедрены на станциях аэрации МУП «Водоканал Воронежа», а также для оздоровления Воронежского водохранилища и улучшения качества воды в реке Тихая сосна г. Бирючи Белгородской области. 15 Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора: 1. Помогаева В.В. Гидравлика и архитектура воронежских фонтанов [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков // Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГАСУ, 2002. - С. 42-47. 2. Помогаева В.В. Расчет скорости движения и дробления воздушных пузырьков в проточной части вихревого аэратора [Текст] / В.В. Помогаева, Е.В. Дроздов // Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГАСУ, 2003. - С. 93-96. 3. Помогаева В.В. Анализ существующих методов гидравлического расчета струйного истечения жидкости через насадки [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов // Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГАСУ, 2003. - С. 96-99. 4. Помогаева, В.В. Искусственная аэрация водохранилищ фонтанными струями [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов // Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ: материалы первой международной научнопрактической конференции. - Воронеж, 2003. - С. 144-148. 5. Помогаева, В.В. Изменение качества водоемов при антропогенной нагрузке и искусственной аэрации их фонтанными струями / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов [Текст] // Водоснабжение, водоотведение, гидротехника, инженерная гидрогеология: сб. тезисов докладов к науч.о-практич. конф.и посвященной 70летию ФГУП «НИИ ВОДГЕО». - Москва, 2004. – С. 23-24. 6. Помогаева, В.В. Закономерности распространения вовдовоздушной струи в объеме аэрируемой жидкости [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов // Вестник Воронежского государственного технического университета Воронеж: ВГТУ, том 2, № 6, 2006. - С. 128-132*. 7. Помогаева, В.В. Рациональное использование энергоресурсов на водоподъемных станциях [Текст] / В.В. Помогаева, И.Ю. Пурусова // Электротехнические комплексы и системы управления - Воронеж: ВГТУ, № 1, 2006. - С. 62-63. 8. Помогаева, В.В. Применение струйных аэраторов для улучшения качества природной среды [Текст] / В.В. Помогаева, И.Ю. Пурусова // Электротехнические комплексы и системы управления - Воронеж: ВГТУ, № 2, 2006. - С. 48-50. 9. Помогаева В.В. Сравнительная оценка эффективности применение различных систем искусственной аэрации для улучшения качества воды [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов // Экология и рациональное природопользование: материалы III межрегиональной научно-практической конференции. - Воронеж, 2007. - С. 71-73. 10. Помогаева В.В. Теоретическое определение эжектирующей способности струйных аэраторов при истечении жидкости из кольцевого насадка [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов // Вестник Воронежского государственного технического университета - Воронеж: ВГТУ, том 2, № 8, 2007. С. 128-130. 16 11. Помогаева В.В. Город в каменных джунглях [Текст] / В.В. Помогаева, О.В. Помогаева // Бумеранг – Воронеж. - № 9 (288) – 2007. –С. 3. 12. Помогаева В.В. Увеличение рекреационного потенциала парков города Воронежа [Текст] / В.В. Помогаева, О.В. Помогаева //Экология и рациональное природопользование: Материалы межрегиональной научно-практической конференции. - Воронеж: ООО «Кривичи». – 2007. –С. 139-140. 13. Помогаева, В.В. Расчет эффективности распыливающей струйной аэрации [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов // Высокие технологии в экологии: материалы 12-й межрегиональной научно-практической конференции. Воронеж, 2009. - С. 63-68. 14. Помогаева, В.В. Опытные зависимости окислительной способности аэратора от конструктивных параметров [Текст] / В.В. Помогаева, В.И. Щербаков, Е.В. Дроздов // Вестник научных трудов РААСН – Тамбов ТГТУ, 2009. - С. 274-280. 15. Помогаева, В.В. Методы улучшения качества воды эвтофированных водоемов Текст] / В.В. Помогаева // Высокие технологии в экологии: материалы 12-й межрегиональной научно-практической конференции. - Воронеж, 2009. - С. 90-94. *- публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
