автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета и конструкций проточных частей лопастных фильтрующих центрифуг для разделения сточных вод животноводческих комплексов

. Б ОД 1 4 ДЕК 1998

На правах рукописи

Кусакина Светлана Александровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И КОНСТРУКЦИЙ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ЛОПАСТНЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕНТРИФУГ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

05.23.04 — водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза - 1998

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете и Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Л.И.Высоцкий;

доктор технических наук, профессор Б.М.Гришин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

В.Г.Пономарев; кандидат технических наук, доцент М.Я. Кордон

Ведущая организация — НИИ Химмаш (г. Москва)

Защита состоится 23 декабря 1998 г. в 14-00 ч. на заседании диссертационного Совета К 064.73.02 при Пензенской государственной архитектурно-строительной академии (440028, г.Пенза, ул.Г.Титова, 28).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенской

ГАСА.

Автореферат разослан 1998

г,

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук

В. А. Саранцев

ВВЕДЕНИЕ

В сельскохозяйственном производстве наиболее опасными источниками загрязнений открытых водоемов являются животноводческие фермы и комплексы. Актуальной задачей охраны окружающей среды является усовершенствование существующих способов обработки и утилизации навоза с целями уменьшения загрязнения водных источников, а также — максимального использования удобрительных свойств навоза.

Согласно нормативным требованиям, животноводческие стоки перед их использованием в качестве удобрения должны подвергаться разделению на твердую и жидкую фракции с последующей обработкой каждой из них. Твердая фракция после биотермической обработки всегда используется только в качестве сухого удобрения, а жидкая фракция применяется для полива сельскохозяйственных культур, или, при отсутствии орошаемых земель, обрабатывается на сооружениях механической и биологической очистки. На сооружениях биологической очистки жидкая фракция частично теряет свою удобрительную ценность. Поэтому более полное извлечение твердых примесей из исходных стоков, а также получаемой жидкой фракции с целью последующего их использования в качестве сухого удобрения представляет собой важную задачу механической очистки.

Настоящая диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, направленным на усовершенствование работы высокопроизводительных лопастных фильтрующих центрифуг, предназначенных для глубокой механической очистки животноводческих стоков.

Целью данной работы является улучшение эффективности механической очистки животноводческих стоков путем разработки тео-

ретических основ расчета и конструкции проточных частей лопастных фильтрующих роторов и создания на этой основе высокопроизводительных и энергосберегающих центрифуг, предназначенных для использования на очистных сооружениях животноводческих комплексов.

Поставленная цель в диссертационной работе была достигнута путем последовательного решения следующих основных задач: обобщение современной информации по проблемам механической очистки животноводческих стоков; определение основных факторов, влияющих на процессы центрифугирования стоков; теоретическое обоснование и разработка конструкций входных устройств, а также создание методик совместного расчета всех элементов проточных частей роторов лопастных центрифуг, обеспечивающих получение требуемых характеристик конечных продуктов разделения при минимальных энергозатратах; установление экспериментальным путем основных эмпирических зависимостей процесса центрифугирования; разработка методик, блок-схем и программ расчета рабочих элементов лопастных центрифуг; использование полученных результатов при создании новых эффективных конструкций лопастных центрифуг, а также определение области применения этих аппаратов; определение технико-экономической эффективности от применения лопастных фильтрующих центрифуг при переработке животноводческих стоков.

Научная новизна диссертации заключается в теоретическом обосновании и разработке конструкций входных устройств роторов лопастных центрифуг, обеспечивающих наилучший гидравлический режим процесса центрифугирования, что позволяет получить необходимое качество механической очистки стоков при минимальных энергозатратах, а также в создании методик совместного расчета всех элементов проточных частей лопастных центрифуг с инерционной выгрузкой продуктов разделения.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе предложенной теории, экспериментальных исследований и разработанных методов расчета созданы высокопроизводительные и технологически эффективные лопастные центрифуги, используемые в энергосберегающих схемах глубокой механической очистки животноводческих стоков.

Реализация основных результатов. Создание новых моделей центрифуг, их расчет и конструирование, а также внедрение в производство осуществлялось с учетом результатов НИР, проведенных при непосредственном участии автора.

Методы расчета проточных частей центробежных аппаратов использованы при разработке центрифуги ФВИ-711К-05, а также установок механической очистки животноводческих стоков на базе лопастных центрифуг, изготавливаемых на АО "Пензхиммаш". Оборудование, входящее в состав установок механической очистки животноводческих стоков защищено тремя авторскими свидетельствами на изобретения.

Разработан пакет программ для расчета входных устройств и проточных частей фильтрующих центрифуг применительно к процессам разделения сточных вод животноводческих комплексов, а также построены полиграммы для определения параметров основных элементов входных устройств лопастных центрифуг.

Годовой экономический эффект от внедрения установок для механической очистки животноводческих стоков составил в среднем 460 тыс. руб. (в ценах на 01.01.91 г.).

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях и совещаниях:

— на региональной конференции "Экологические проблемы Волги" (г. Саратов, 1989 г.);

— на Всероссийском семинаре по переработке и использованию животноводческих стоков в сельском хозяйстве (г. Москва, 1993 г.);

— на научно-технических конференциях Пензенской ГАСА (1995 и 1997 гг.).

По теме диссертации опубликовано 9 статей, получено 3 Авторских свидетельства на изобретения.

Диссертация состоит из пяти глав (50 иллюстраций, 14 таблиц, библиография 91 наименование) и пяти приложешш.

1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИЛЬТРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРЕРАБОТКИ

ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ. ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕНТРИФУГ

В настоящее время наиболее широкое применение на очистных сооружениях животноводческих комплексов получили следующие технологии:

— разделегаге жидкого навоза и стоков на твердую и жидкую фракции с целью последующего их использования в качестве органических удобрений;

— разделение жидкого навоза и стоков с полной или частичной биологической обработкой жидкой фракции.

Согласно агротехническим требованиям влажность твердой фракции после разделения не должна превышать 75 %, а в жидкой фракции содержание растворенных примесей и взвешенных веществ должно быть минимальным.

Для разделения сточных вод используются седиментационные и фильтрующие устройства. В качестве седиментаторов нашли применение отстойники различных типов, многоярусные гидроциклоны и осади-тельные центрифуги. Вследствие небольшой разницы плотностей твердой и жидкой фаз животноводческих стоков седиментационное обору-

дование работает недостаточно эффективно. Фильтрующие устройства, используемые в цехах разделения на животноводческих комплексах, позволяют получать твердую фракцию с минимальной влажностью (XV'= 65...75 %) для использования ее после биотермической обработки в качестве ценного удобрения.

Для получения твердой фракции (осадка) с требуемой влажностью используются следующие фильтрующие устройства: шнековые и поршневые прессы, фильтрующие центрифуги и вакуум-фильтры. Величины потребляемой удельной энергии на разделение единицы объема исходного стока для этих устройств находятся в пределах 1,5...2,3 МДж/м3.

Сравнительный анализ по удельным энергетическим и приведенным затратам, а также по эффекту осветления жидкой фракции позволил сделать вывод, что наиболее перспективными устройствами для разделения сточных вод животноводческих комплексов являются не-прерывнодействующие лопастные фильтрующие центрифуги, позволяющие получать твердую фракцию влажностью ТУ = 63...72 % при удельных энергозатратах 1,9...2,2 МДж/м3 и эффекте осветления 55...60 %.

Основы теоретического исследования фильтрующих центрифуг заложены в трудах В.И.Соколова, Е.М.Гольдина, Д.Е.Шкоропада, А.В.Шлау, М.И.Илыша и других отечественных и зарубежных авторов. Общий анализ современных методов расчета центрифуг показывает, что они практически не рассматривают движение двухфазной системы "жидкость — твердые частицы", какой является разделяемый продукт. Упрощенное представление о движущемся по фильтрующему ситу продукте как о системе изолированных материальных точек приводит к тому, что формулы расчета входных устройств и фильтрующих поверхностей роторов центрифуг имеют, как правило, чисто геометрический или кинематический смысл, не отражающий физической сущности процесса разделения, и, следовательно, не позволяют точно определять

наивыгоднейшие профили проточных частей центрифуг, параметры продуктов разделения, а также производительность центробежных аппаратов. Основными проблемами при механической очистке в лопастных центрифугах являются обеспечение равномерного и безударного распределения разделяемого продукта по высоте фильтрующего ротора, и, следовательно, увеличения степени обезвоживания получаемых осадков при высоком эффекте осветления жидкой фракции (фильтрата), а также теоретическое обоснование технических решений, позволяющих интенсифицировать процесс центрифугирования. Для решения этих проблем необходимо создать методики совместного расчета всех элементов проточных частей роторов лопастных центрифуг с учетом комплекса взаимосвязанных реологических характеристик: концентрации взвешенных веществ, плотности, вязкости — для исходных стоков (или фильтрата) пористости, проницаемости, фильтрационных характеристик, объемной деформации, коэффициентов трения — для осадков (твердой фракции).

Разработка теоретических основ процесса разделения суспензий и осадков в центробежном поле, конструкций входных устройств, а также методов совместного расчета проточных частей лопастных фильтрующих центрифуг с учетом основных реологических характеристик разделяемых продуктов, позволяет решить ряд важных задач при создании высокопроизводительных и эффективных аппаратов такого типа, составляющих основу энергосберегающих схем механической очистки животноводческих стоков.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ РАЗДЕЛЯЕМОГО ПРОДУКТА В РОТОРЕ ЛОПАСТНОЙ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЦЕНТРИФУГИ

Для определения профилей проточных частей роторов лопастных центрифуг, обеспечивающих требуемое качество разделения сточных

вод при минимальных энергозатратах, требуется разработка методов совместного расчета входных устройств и фильтрующих сит лопастей.

Значительное влияние на качество разделения оказывает равномерность распределения разделяемого продукта по всей высоте рабочей поверхности фильтрующих лопастей. Теоретически были исследованы распределительные устройства цилиндрической и конической форм, снабжение входными щелями переменной ширины (рис. 1).

Расход стока, поступающего из распределительного устройства на элемент лопасти высотой йг при высоте г , определялся по формуле:

йц = К^со2^2 - г02) + 2-г?)-йг, (1)

где кс — коэффициент неравномерности подачи, кЕ = Кго); о> — угловая скорость вращения ротора; ¡л — коэффициент расхода щели; 5 — ширина щели; гр — радиус распределительного устройства (радиус входа на направляющи! элемент); г0 — координата свободной поверхности на высоте гр; Ь — высота лопасти; £ — ускорение свободного падения.

Суммарный расход, поступающий на все лопасти:

0о=1р? = 20д. (2)

»= 1 О »=1

где С л — расход суспензии, поступающий на одну лопасть; п — количество лопастей в роторе.

Выражение под корнем в формуле (1) является количественной характеристикой давления потока р, разделяемого продукта на радиусе распределительного устройства в .тюбом рассматриваемом сечении г}У.

Теоретическими расчетами определено, что наиболее равномерного распределения давлений и расходов разделяемого стока по высоте фильтрующих лопастей можно добиться, применяя распределительное устройство в виде усеченного конуса, снабженного входными щелями, ширина которых увеличивается по высоте ротора (рис. 1,6). Угол на-

НН \ ¿н^

Рис. 1. Эпюры давлений и удельных расходов на высоте щелей в распределительных устройствах цилиндрической (а) и конической (6) форм: 1 — крышка распределительного устройства; 2 — щель; 3 -лопасть; 4 — свободная поверхность; 5 — днище ротора; 6 — распределительное устройство; 7 — направляющий элемент

клона конуса распределительного устройства к днищу ротора определяется по формуле:

ap=*paretg—(3) g

где kv — коэффициент, kv ~ f(oi); грв — радиус распределительного устройства на уровне крышки ротора, при этом ширина щели в каждом расчетном сечении гр = const., проходящего через середину рассматриваемого элементарного участка распределительного устройства высотой Аг, находится по соотношению:

5 =-, , \ (4)

+ р)

где Ад — расход стока через участок высотой Аг;

Ад = ■—, (5)

т*

тп — число участков высотой Аг, на которые разбивается входная щель.

В диссертации была разработана программа расчета на ЭВМ определения ширины щели в коническом распределительном устройстве лопастной фильтрующей центрифуги.

В случае, когда ширина входной щели задается из конструктивных соображений (например, при разделении животноводческих стоков минимальная ширина щели 6mm = 0,005 м), возникает необходимость определения требуемой высоты лопасти (или распределительного устройства), которая вычисляется по формуле:

¿> = £¿2,, (6)

1= 1

где тъя — номер участка высотой Аг (считая от днища ротора), при ко-

тором достигается условие:

г

i» 1 V Ряс

<Е, (7)

где §„ р, — соответственно коэффициент неравномерности подачи, ширина щели и давление в середине ¿-го участка распределительного устройства высотой Аг,, е — заранее заданная малая величина, рж — плотность жидкой фазы разделяемого стока.

В диссертации на основе вычислений по заданным программам были разработаны диаграммы для определения параметров входных щелей, а также высоты ротора при различных условиях центрифугирования.

Сточная жидкость (суспензия), равномерно распределяясь по высоте ротора в распределительном устройстве, попадает на направляющие элементы каждой лопасти и далее на фильтрующие сита лопастей. В первой половине лопасти (зоне центробежной фильтрации) ставится задача определения давлений жидкой фазы суспензии на поверхность осадка и последующего расчета скоростей фильтрации в определенных сечениях, при этом вначале задается очертание свободной поверхности потока в виде системы дифференциальных уравнений.

При заданном очертании свободной поверхности определяются градиенты давлений в рассматриваемых сечениях потока, движущегося по рабочей поверхности центробежного аппарата. Для системы криволинейных координат у,{г ~ 1, 2, 3) получено следующее выражение:

где V — средняя скорость потока в рассматриваемом сечении; Ф — потенциал поля массовых сил; I, — коэффициенты Л яме; х,п — орты касательной и главной нормали выбранной линии тока; е — орты криволинейных координат; г — радиус кривизны выбранной поверхностной линии тока; <р — коэффициент скорости.

дР _ I дФ Г а ( »М

| аЦх, еу.) + I, -у-соёУ) Н, (8)

Давление на дно определяется интегрированием выражения (8):

/>c = Po + i^-dA, (9)

Îd'J.

где pQ — давление на свободной поверхности; h— толщина потока в рассматриваемом сечении (по координате у).

Толщина потока суспензии в рассматриваемом сечении определяется из уравнения неразрывности с учетом расхода взвешенных частиц.

В диссертационной работе была рассмотрена задача о движении слоя осадка вдоль фильтрующего сита, которая сводится к нахождению такого профиля поверхности ротора, при котором скорость движения осадка была бы либо постоянной и небольшой, либо все время уменьшалась (например, с постоянным отрицательным приращением) от начального значения при входе на лопасть до нуля на выходе из ротора. Все это ведет к увеличешго времени пребывания продукта на рабочей поверхности и меньшей его влажности на выходе.

Скорость движения слоя осадка в рассматриваемом сечении при известном очертании профиля фильтрующего сита лопасти ротора определяется по формуле:

тл

= + -----------, (Ю)

'о

где т\ос — скорость осадка в начальном сечении выделенного отсека длиной (¿в (рис.. 2); т0 — массовый расход осадка в начале отсека; т

п

— массовый расход осадка в конце отсека; У^ ¿11и — проекция векторов

всех внешних сил, действующих на выделенный отсек в направлении движения слоя осадка.

В начальном сечении ротора принимается г.>0 о(Г = иж ог, где последняя величина определяется экспериментально, исходя из условий входа разделяемого продукта на фильтрующую поверхность, которые, в свою

Рис. 2. Схема к определению скорости движения осадка вдоль фильтрующей поверхности в зоне центробежной фильтрации

очередь, зависят от режима разделения, геометрических параметров распределительного устройства и криволинейных направляющих элементов. Для распределительного устройства конической формы длина направляющего элемента минимальна на крышке ротора 5,™ = 10... 15 мм и максимальна на днище причем величина

зависит от высоты ротора и угла наклона конуса распределительного устройства (см. рис. 1, б).

Скорость выхода потока суспензии с направляющего элемента на сито лопасти (рис. 3) определяется из уравнения Берну л ли для сечений 1-1 и 2-2:

где ь? — скорость входа потока из распределительного устройства на направляющий элемент; со — угловая скорость вращения ротора; гп, и гл — соответственно радиусы распределительного устройства и началь-

ного участка лопасти в рассматриваемом горизонтальном сечении; <р коэффициент скорости:

* = !-(! <12)

(гя2-г„л 7 1 ^

Гр 5„ .) и+с

. <13)

где Я — длина направляющего элемента, 0 < 5 < 5, (рис. 4); п, т, р — показатели степени; с — концентрация взвеси.

/

Рис. 3. Схема движения потока суспензии по направляющему элементу: 1 — распределительное устройство; 2 — входная щель; 3 — поток суспензии; 4 — направляющий элемент; 5 -фильтрующее сито; 6 — корпус лопасти

Радиус. гг7 определяется с достаточной точностью определяется Гв2 = Гг) +г„^4зт10я-(1-соя@и)г , (14)

где ги — радиус кривизны направляющего элемента, гхв = 0,05...0,15 м; 0, — центральный угол (см. рис. 3).

Расчетами на ЭВМ установлено, что при соотношении

с г. \ >=1

> 0,45...0,5,

пш„

где к. — коэффициент (см. формулу (18)), п — число расчетных отсеков, т„ — массовый расход осадка в начале лопасти; время пребывания осадка в зоне центробежной фильтрации становится незначительным, что приводит к повышенной влажности осадка на сходе с лопасти.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ И ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ В ЛОПАСТНОЙ ЦЕНТРИФУГЕ

Для анализа эффективности очистки животноводческих стоков, а также свойств исходных стоков и продуктов разделения был проведен ряд экспериментов на лопастной фильтрующей центрифуге ФВИ-501К-01 с диаметром ротора 500 мм и фильтрующем одометре. В процессе экспериментов по стандартным методикам определялись следующие параметры: концентрация сухого вещества БПК и ХПК(для исходных стоков и жидкой фракции); а также влажность (для осадков и твердой фракции). Исследования влияния формы распределительного элемента и входных щелей на равномерность подачи разделяемых стоков по высоте фильтрующих лопастей проводились на центрифуге ФВИ-501К-01 при значениях со = 100...130 1/с и различных величинах расхода Q и влажности Wt исходного стока. В экспериментах использовались три варианта конфигураций распределительного устройства и входных щелей (рис. 4).

Конфигурация № 3 распределительного устройства и входных щелей была рассчитана по разработанной автором методике для ротора высотой 120 мм и со = 100 1/с при Q = 5-10"4 м3/с и VF, = 91 %.

у/ иг. мз

Рис. 4. Варианты конфигураций распределительного устройства и входных щелей в экспериментальных исследованиях начального участка лопасти

На рис. 5 представлены графики изменения расходов фильтрата <2ф по высоте начального участка лопасти длиной 28 мм.

Из графиков видно, что наиболее равномерное распределение по высоте лопасти достигается для конфигурации № 3 при угле наклона конуса ар = 85° и входной щели, ширина которой плавно увеличивается по оси 7.. Данный способ распределения суспензии е роторе лопастной центрифуги разработан автором и защищен а.с. № 1703181. Дальнейшие расчеты с использованием полученных выше экспериментальных данных показали также, что при высоте лопасти от 300 мм и выше целесообразно уменьшение угла наклона конуса ар до 80°.

Исследования скорости движения слоя осадка по ротору центрифуги и условий выхода разделяемого продукта со сферической вставки на фильтрующую поверхность были осуществлены на установке, представляющей собой модификацию фильтрующего одометра. Установка состояла из ротора с чашками для сбора фильтрата и каретки, вращаю-

10"м3/с 0.7 г

О,В

Ц5

0,4

0.31

___—о

КГ------ г--—1 ''

1 г* Г" ___—О ^ —----^

^ /.___^ I " ---------1 —--

1 ^ / Т ---- г—---4

о-вариант "1 Ь.-2&ариант у □ -ЗЬариант J при у*.-86у.

---- ГЙЕг] при в -Збаршзш ^ при V*

/I

ш

IV

у

мни

Рис. 5. Графики изменения расходов фильтрата по высоте начального участка лопасти центрифуги при различных вариантах конфигураций распределительного устройства и входной щели

щейся вместе с ротором с одинаковой угловой скоростью да. В каретке устанавливались симметрично два фильтрующих сита (плоских и криволинейных), каждое из которых зажималось с боков двумя пластинами. Угол наклона сит относительно оси вращения каретки в разных опытах изменялся. Исследуемая суспензия с заданной концентрацией взвеси (8 — 12 %) и расходом подавались на днище каретки, а затем поступал! на сферические вставки (направляющие элементы) и далее на фильтрующие поверхности. В процессе экспериментов замеря-

лись расход фильтрата, толщина слоя осадка (суспензии) в различных сечениях и скорость осадка. Скорость поступления с, суспензии со сферической вставки на фильтрующую поверхность по результатам экспериментов была определена следующими эмпирическими зависимостями:

(16)

ФР - o,s

/ ч \»i

v

(17)

5В ) U + 0,0 icJ

где фр — коэффициент скорости; v0 — скорость потока суспензии в начальном сечении сферической вставки (радиус г„); г, — радиус схода суспензии со сферической вставки; s, — длина вставки; с — концентрация взвешенных веществ в суспензии, %', ml - 1,35...1,45; nl = 1,16...1,23.

В экспериментах по определению скорости движения осадка по фильтрующей поверхности начальная влажность органического осадка составляла Wt = 83 % при расходе на одно сито Q, = 0,5-10"4 м3/с. Скорость входа осадка на сферическую вставку (направляющий элемент) равнялась v0= 0,2,..0,6 м/с при угловой скорости го = 100 1/с. В расчетах скорости движения осадка для начального сечения фильтрующего сита принималось условие:

»«,« = K-Vv (18)

где — скорость осадка (суспензии) в конечном сечении направляющего элемента; vt<K — скорость осадка в начальном сечении фильтрующего сита; k7 — коэффициент торможения, к, = 0,27...0,28.

Измерения скорости движения слоя осадка производились в трех расчетных сечениях zp = const. Экспериментальные значения скорости движения осадка vm сравнивались с расчетными данными, полученными по формуле (10), и разработанной автором методике совместного расчета элементов проточной части центрифуги, при этом расхождение результатов не превышало в среднем 2,5...3 %. части центрифуги.

Для определения расчетным путем параметров осадка, движущегося по рабочей поверхности ротора центрифуги, были исследованы закономерности центробежного отжима при помощи модифицированного фильтрующего одометра.

В результате анализа экспериментальных данных были получены следующие эмпирические зависимости, характеризующие процесс центробежного отжима:

(19)

^ - (20)

где и07Ж — скорость центробежного отжима, м/с; ТС7^ — предельная влажность осадка животноводческих стоков, которую можно достичь центрифугированием; XV^ = 57 %; Фср — потенциал центробежного поля, определяемый для центра массы слоя осадка; /гос — средняя за время А£ толщина осадка; коэффициенты А", и К7 равны: для осадка свиного навоза К, = 1,74; К2 - 308,7; для осадка навоза КРС К1 = 1,58; К2 = 302,4. С целью проверки корректности разработанных автором методик совместного расчета всех элементов проточных частей лопастных центрифуг, а также, определения оптимальных условий центрифугирования фактических значений фильтрационных расходов, показателей качества фильтрата и влажности получаемого осадка (твердой фракции) были проведены эксперименты на центрифуге ФВИ-501К-01. Частота враще-Ш1я ротора была равна 1250 об/мин, что соответствовало оптимальному при разделении животноводческих стоков фактору разделения Р^™ = 300...330. В качестве исходного продукта использовался свиной навоз с влажностью И/ = 92 % и IV, = 97 БПКИЛ, = 22...48 г/л и ХПК - 27...56 г/л. Процесс разделения осуществлялся как на открытых фильтрующих лопастях, так и с использованием прижимных пла-

стин. Фильтрационные расходы и параметры осадка замерялись на пяти расчетных участках (сечениях) при различных конфигурациях сит лопастей.

Эксперименты показали, что при использовании прижимных пластин фильтрационные расходы возрастают в среднем на 8... 10 % при незначительном ухудшении качества фильтрата (с X ПК - 12,3... 14,0 г/л до ХПК = 13,1... 14,6 г/л, что позволяет говорить о целесообразности использования прижимных пластин при центрифугировании животноводческих стоков.

На входных участках после распределительного устройства устанавливались два типа направляющих элементов различной длины, обеспечивающие при постоянном начальном расходе различные скорости поступления исходного продукта на лопасти (у, = 1,5...2,84 м/с). Общая длина каждой лопасти при этом не изменялась вследствие вариаций угла наклона относительно радиуса вращения. Данные испытаний показали, что при большой скорости поступления навоза на лопасти (о, > 2,6 м/с) процесс разделения происходит недостаточно интенсивно и осадок на выходе из ротора имеет повышенную влажность

> 75 %). Это также подтверждено данными расчета на ЭВМ по разработанным автором методикам, которые показали расхождение с экспериментальными данными по значению \УК в среднем на 0,4. ..0,5 %.

Применение прижимных пластин интенсифицирует процесс обезвоживания осадка и уменьшает его конечную влажность на 3...4 %, однако при больших значениях с\ даже это конструктивное дополнение не обеспечивает требуемую степень обезвоживания осадка.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОВМЕСТНОГО РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ЛОПАСТНЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕНТРИФУГ. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ АППАРАТОВ

Экспериментальные данные, касающиеся исследований условий входа разделяемого продукта на лопасти центрифуги, а также изменения реологических характеристик исходных стоков и осадков в центробежном поле, совместно с теоретическими расчетами послужили основой для разработки методик расчета проточных частей лопастных центрифуг. Расчет фильтрующей центрифуги заключается в отыскании оптимальных профилей поверхностей входного устройства и фильтрующих лопастей, обеспечивающих устойчивый процесс разделения по всей высоте ротора и необходимое время пребывания осадка в центрифуге. Исходным! данными для расчета фильтрующих центрифуг являются расход разделяемого продукта (суспензии), его эффективная вязкость, концентрация твердых частиц, а также характеристики осадка разделяемого продукта: проницаемость, данные по параметрам центробежного отжима, коэффициенты трения по фильтрующему ситу ротора. Кроме того, задаются количество лопастей и размеры ротора. Диаметр распределительного устройства на уровне крышки ротора должен быть не менее диаметра подающей трубы (питателя). Угол наклона конуса распределительного устройства к днищу ротора, а также профили входных щелей определяются расчетом на ЭВМ по разработанной программе для заданных значений расхода разделяемого продукта.

Расчет профиля фильтрующего с-ита каждой лопасти ведется с использованием уравнений энергии, свободной поверхности (связанной граничными условиями с шириной входной щели в каждом расчетном горизонтальном сечении), неразрывности двухфазного потока жидкости и осадка, а также количества движения сплошной среды. Весь расчет

рабочей поверхности ротора центрифуги сводится к ряду взаимосвязанных итерационных процессов.

Из-за большого количества вариантов задача совместного расчета профилей входных устройств и рабочих поверхностей фильтрующих сит решается с помощью ЭВМ. В диссертацют приведена блок-схема расчета проточной части лопастной фильтрующей центрифуги.

Ряд профилей входных устройств и фильтрующих сит лопастей, определенный с помощью разработанной автором методики, был проверен при экспериментальных исследованиях центрифуги ФВИ-501К-01. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных для используемых профилей проточной части центрифуги показали высокий процент совпадения по величинам влажности и скорости осадка в расчетных сечениях, интенсивности центробежного отжима и расходом фильтрата. Разработанные методы расчета проточных частей лопастных центрифуг были использованы при конструировании центрифуг ФВИ-7ИК-05, испытания которых проводились на очистных сооружениях свинокомплексов и ферм крупного рогатого скота (КРС).

Механическая очистка сточных вод комплекса КРС АОЗТ "Нелазское" (Череповецкий район, Вологодская область) осуществлялась на установке, включающей устройства предварительного обезвоживания осадка и лопастную центрифугу ФВИ-711К-05 с диаметром ротора 710 мм. В роторе было установлено 12 лопастей с прижимными пластинами высотой 250 мм каждая. Производительность центрифуги по предварительно обезвоженным стокам влажностью 90...94 % составляла до 50 м3/ч. При испытаниях в центрифуге использовались распределительные устройства, выполненные по двум вариантам. По первому варианту использовалось распределительное устройство цилиндрического типа диаметром 240 мм, имеющее входные щели постоянной ширины, равной 30 мм. По второму варианту применялось коническое распределительное устройство с диаметром в нижней части 200 мм и углом на-

клона образующей конуса 79°. Ширина входных щелей была рассчитана по разработанной программе и составляла 21 мм в нижней части распределительного конуса и 39 мм в верхней части. Распределительное устройство было снабжено криволинейными направляющими элементами, обеспечивающими безударный вход потока на лопасти. Сравнительный анализ работы центрифуги с различными типами входных устройств показал, что при производительности 38...45 м3/ч по исходному стоку при втором варианте влажность обезвоженного осадка снижалась в среднем на 2...3 % по сравнению с первым вариантом (IV£ = 68,3...75,5 % против ^ = 70,3...78,5 %) при неизменном качестве фильтрата (содержание сухого вещества при обоих вариантах составляло 10,7...14,3 г/л).

Промышленные испытания лопастной центрифуги при механической очистке свиных стоков были осуществлены на очистных сооружениях Панкратовской СОФ (Пензенская область). Центрифуга ФВИ-711К-05 входила в состав установки совместно с напорной ловушкой и центробежным сгустителем. В центрифуге были установлены 12 лопастей высотой 300 мм с прижимными пластинами и коническое распределительное устройство с углом наклона образующей к днищу ротора 80° и нижним диаметром 220 мм. Ширина входных щелей, определенная по расчетам, составляла 22 мм в нижней части и 43 мм в верхней части ротора. Распределительное устройство было, так же как и на комплексе КРС, снабжено криволинейными направляющими элементами. Расход предварительно обезвоженного стока влажностью 90...92 % составлял 46,8...68,4 м3/ч. Влажность обезвоженного осадка была равна 66,5...73,3 % при концентрации сухого вещества в фильтрате 11,8...13,1 г/'л. Полученные данные испытаний сравнивались с результатами расчета на ЭВМ лопастей данного типа центрифуги и показали расхождение по полученной влажности обезвоженного осадка в среднем на 0,4...0,47 %. Удельная энергоемкость процесса разделения на цен-

трифуге составила 1,3.. Л,4 МДж на 1 м3 разделяемого стока. В диссертации была определена зависимость влажности обезвоженного осадка от производительности центрифуги ФВИ-711К-05.

По результатам испытаний и производственной эксплуаташш на животноводческих комплексах центрифуга ФВИ-711К-05 была рекомендована для серийного производства. Годовой экономическш! эффект от внедрения лопастных фильтрующих центрифуг в составе установок для механической очистки сточных вод свинокомплексов и ферм КРС составил 460 тыс. рублей (в ценах на 01.01.91 г.).

ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния практики механической очистки животноводческих стоков выявил проблему создания высокопроизводительных и энергосберегающих установок, позволяющих в максимальной степени извлекать из перерабатываемых стоков ценные компоненты и одновременно снижать неблагоприятное воздействие продуктов разделения на окружающую среду.

2. Сравнение энергетических затрат при удалении различных видов влаги из сточных вод показало целесообразность использования высокопроизводительных непрерывнодействующих лопастных фильтрующих центрифуг для разделения навозных стоков.

3. Использование теоретических основ механики сплошных сред при изучении процесса центробежного разделения животноводческих стоков позволяет точно рассчитать профили проточных частей лопастных центрифуг, обеспечивающие их наиболее экономичную работу.

4. Теоретически исследован процесс движения разделяемых суспензий во входных устройствах лопастной центрифуги, обосновано применение определенных форм и размеров распределительных уст-

ройств, входных щелей и направляющих элементов для обеспечения равномерного и безударного входа суспензий на лопасти центрифуги.

5. Разработанный метод расчета входных устройств позволяет наиболее точно определить начальные условия процесса разделения в роторе центрифуги, и следовательно, оптимизировать дальнейший расчет фильтрующих лопастей.

6. Разработанный метод расчета профилей фильтрующих сит лопастей совместно с методом расчета входных устройств позволяет получить оптимальное сочетание размеров и конфигураций всех элементов проточной части лопастной центрифуги, что обеспечивает ее малую металлоемкость и экономичность в работе.

7. Проведенные экспериментальные исследования и полученные эмпирические зависимости изменения важнейших реологических характеристик навозных стоков и осадков дают возможность провести все расчеты проточных частей лопастной центрифуги на ЭВМ.

8. Производственные испытания лопастных центрифуг на очистных сооружениях животноводческих комплексов подтвердили высокую эффективность использования роторов с расчетными профилями входных устройств и фильтрующих сит лопастей для обеспечения требуемой влажности обезвоженного осадка, а также позволили определить области производительности центрифуг по исходным стокам.

9. Разработки автора реализованы на очистных сооружениях сточных вод свинооткормочной фабрики (1 установка) и комплекса КРС (2 установки). Годовой экономический эффект от внедрения лопастных центрифуг на очистных сооружениях составляет 460 тыс. рублей (в ценах на 01.01.91 г.).

СВИДЕТЕЛЬСТВО

О ПЕРЕМЕНЕ ФАМИЛИИ, ИМЕНИ, ОТЧЕСТВА

8К Гражданина) С^? '

■:• I >■ < ■■:• • ••••••;•••••.•: фамилия. : < > :■•■: ,■■:■

Ж

ж

родившийся(аяся)

| totcto рождения

« ^

ймя. огчесгво

rii: у У '

¿переменил(г) фамилию, 4МЯ, ОТЧССТВО НЗ I I. ' I I '' .11 ': 11 i i 11] . i.' 111 'i. ' ■ _ ^йрчем в v ire регистрации актов о перемене; фамилий;!чимени;| ¡Отчества, i

Ж

^амес4ц*, XУ> . числа Ж произвел запись за № , ^

; Месгто pi грации

ЖЖЖ.. .......

выдачи

■■"■•Z^rnE^BCSe

□КТЯЕРЬЬкМИ D+A ■

Ж

и местонахождение органа ЗАГС*: : Ц j {: мЦЧ- [b/iU ■ V..........................Л9.г. w

гЦий отЭелол (бюро) 1 w

fB ГражЗаНСКОГО «1 СТОЯНИЯ. -гТI;i :;:■■]', ■;•■■; ;->!:■■■ (

SC ГО СОСТОЯНИЯ fVktiiMtr^ivirijtiiil^'iiiw.^if.jtini'.;

9W W0 ЬЖЕ Я? 250726 ^

П - ■ ■'":: - / = ■ |; - ;i^n| : M 4 M И;И »^ ffi

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Высоцкий Л.И., Илясов Г.А., Бойцова С.А. Технологические схемы разделения стоков свинокомплексов с целью использования для орошения // Совершенствование природоохрашшх мероприятий. Материалы регион, конф. ,/ ПВВКИУ. - Пермь, 1988. - С. 25...26.

З.Высоцкий Л.И.. Гришин Б.М., Илясов Г.А., Бойцов А.И., Бойцова С.А. Использование лопастных фильтрующих центрифуг при обработке животноводческих стоков // Экологические проблемы Волги. Материалы регион, конф. — Саратов, 1989. — С. 41...42.

3.Гришин Б.М., Бойцова С.А., Илясов Г.А., Наумов A.A. Расчет профиля лопасти фильтрующей центрифуги // Межвуз. научн. сб. / СПИ. - Саратов, 1989. - С. 49...54.

4. Бойцов А.И., Гришин Б.М., Илясов Г.А., Бойцова С.А. Определение скоростей фильтрации в зоне центробежного отжима на лопасти фильтрующей центрифуги // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов, 1990. - С. 89...98.

5. Бойцов А.И., Гришин Б.М., Илясов Г.А., Бойцова С.А. Экспериментальные исследования фильтрующей центрифуги с прижимными пластинами на лопастях // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов,

1991. - С. 51...59.

6. Илясов Г.А., Гришин Б.М., Бойцова С.А. Расчет входных устройств лопастных центрифуг // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов,

1992. - С. 86...91.

7. Гришин Б.М., Бойцова С.А. Исследование условий входа разделяемого продукта на лопасти фильтрующей центрифуги // Известия ВУЗов. Строительство. - 1995. - № 9. - С. 76...80.

8. Гришин Б.М., Бойцова С.А. Промышленные экспериментальные исследования лопастной фильтрующей центрифуги // Материалы XXVIII научно-технич. конф. Пенз. ГАСИ. - Пенза, 1995. - С. 168.

9. Гришин Б.М., Бойцова С.А., Тихонов A.A. Экспериментальные исследования кинетики отжима осадков животноводческих стоков // Материалы XXIX научно-технич. конф. Пенз. ГАСА. — Пенза, 1997. - С. 31.

10.Высоцкий Л.И., Бойцова С.А. и др. Центрифуга. A.c. 1588441 СССР // Открытия. Изобретения. - 1990. - № 32.

П.Высоцкий Л.И., Илясов Г.А., Бойцова С.А., Гришин Б.М. Лопасть фильтрующей центрифуги. A.c. 1738372 СССР //Открытия. Изобретения. - 1992. - № 21.

12.Бойцова С.А., Гришин Б.М., Высоцкий Л.И. Способ распределения суспензии в роторе лопастной фильтрующей центрифуги. A.c. 1703181 СССР //Открытия. Изобретения. — 1992. — № 1.

Куеакина Светлана Александровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И КОНСТРУКЦИЙ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ЛОПАСТНЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕНТРИФУГ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Лицензия ЛР № 020454 от 25.04.97. Подписано к печати 11,11,98. Бумага офсетная. Формат 60x80 1/16, Печать офсетная. Объем 1 печ. л Тираж 100 экз. Заказ № 488. Бесплачно

Издательство

Пензенской государственной архитектурно-строительной академии Отпечатано в цехе оперативной полиграфии ПГАСА. 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, 28

05.23.04 — водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат