авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Разработка методов расчёта, проектирования и эксплуатации отстойников и систем инженерной защиты водных объектов от стока, образованного при таянии загрязнённого

-- [ Страница 2 ] --

Перейдя от временной координаты «t» к пространственной «», разделив обе части уравнения (7) на скорость , после интегрирования при начальных значениях =0, W=W0 получаем уравнение изменения слоя заиления по длине отстойника на определенный момент времени: (9)

где - равновесный слой заиления отстойника с учётом поступления наносов во входной створ.

Для нахождения параметров W0, , µ1WH-N необходимо экспериментальные значения слоя заиления через определённый промежуток длины отстойника нанести на график с ординатой и абсциссой W..

Для нахождения W0 нужно задаться сначала значением W0 близким к нулю, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике линейной зависимости от W.

Продолжив эту прямую до пересечения с осью абсцисс и осью ординат, на оси ординат получим отрезок, численно равный , а на оси абсцисс отрезок, равный Wст. Зная длину отрезка можно найти µ1WH-N:,

где м – длина отрезка, отсекаемого на оси ординат.

Предложенную выше модель можно использовать для определения изменения объёма заиления по длине отстойника на определенный момент времени, заменив параметр W(слой заиления) на Y(объем заиления):

(10)

Используя изложенную выше методику, на основании экспериментальных данных (в данном случае данные по заилению 1-й секции горизонтального отстойника, принимающего технологическую воду цементного предприятия, находящегося в г.Фокино Брянской области), определены следующие параметры модели (рис. 2 а):

Y0 =7 м3, Yст=50 м3, =0,42, µ1YH-N = 0,15 1/м, Q=0,2 м3/с

Экспериментальные данные и рассчитанные по уравнению (10) нанесены на график (рис. 2 б). Согласие результатов расчета и экспериментальных данных дает все основания для практического использования математической модели при прогнозировании заиления отстойников, выбора путей повышения их производительности и определения оптимальной длины сооружений в зависимости от поступающего расхода (мутности), определения объёма заиления, подлежащего изъятию из отстойника.

 а б а) График линейной зависимости-27

а б

Рис.2. а) График линейной зависимости (Y)

б)График кривой, описывающей заиление отстойника в г.Фокино Брянской области;

Представленная модель проверена на экспериментальных данных по заилению горизонтальных отстойников, полученных Хачатряном А.Г., Шапиро Х.Ш., Шаровой З.И. (1966); Ибад-Заде Ю.А., Нуриевым Ч.Г. (1972), Фазыловым А.Р. (1987). Получена хорошая сходимость.

Длина отстойника согласно уравнению (10): (11), где .

Предлагается принимать, что период снеготаяния составляет 12 дней и делится на 4 периода по аналогу суточного хода расходов воды, измеренных на Нижнедевицкой стоковой станции (Шамов Г.И, 1979). Каждый день периода снеготаяния при определённой обеспеченности характеризуется своим расходом и мутностью.

Поэтому, имея расчётные длины по уравнению (11), получая 12 величин, оптимальных для каждого дня снеготаяния, сделав сливную перегородку, передвигаемую по длине отстойника, можно подстроиться под постоянно меняющуюся мутность периода снеготаяния и полнее использовать допустимые пределы загрязнения водоприёмника.

Определение объёма заиления, подлежащего изъятию из отстойника.

Уравнение (10) даёт в общем случае S-образную кривую нарастания объёма заиления по длине отстойника. В конце отстойника объём заиления приближается к стационарному состоянию , если это позволяет длина отстойника, кинетическая кривая снова становиться пологой. Таким образом, изымаемый объём наносов (V) должен располагаться между начальным Yнач и конечным участком Yk. Если принять за производительность отстойника «q»- количество наносов, изымаемое с единицы длины рабочего объема отстойника (Vр), то ;. Тогда (12). Оптимальная длина рабочей части отстойника: (13). Отсюда, (14) где , ,, .

Для нахождения значений Yнач и Yk воспользуемся методом неопределённых множителей Лагранжа. Составляем функцию Лагранжа с ограничением (), выбранным в результате анализа экспериментальных данных об изменении объёмов заиления по длине горизонтальных отстойников:

Производим дифференцирование (условие дифференцируемости функции: ), получаем систему уравнений, приравниваем их к нулю и находим: =0.185, 0.815. Т.е. Yнач=0.185, а Yk=0.815. В этом случае величина фактора Х=0.212, т.е. 85 % от максимально возможного Х=0.25 и производительность отстойника практически целиком зависит от , 1Yн-N.. Ограничение может быть скорректировано в процессе эксплуатации, и тогда точка оптимума передвинется по прямой . Графическое исполнение расчётов представлено на рисунке 3. Схематизация процесса заиления отстойника с выделением участка, с которого необходимо осуществлять изъятие ила – на рисунке 4.

 Графическое исполнение расчётов по-51

Рис. 3. Графическое исполнение расчётов по методу Лагранжа

 Рис 4.Схематизация процесса заиления-52

Рис 4.Схематизация процесса заиления отстойника с выделением участка, с которого необходимо осуществлять изъятие ила.

Исследования снежного покрова проводились на территории, прилегающей к предприятию «Мальцовский портландцемент» (г. Фокино, Брянская область).

Рис.5. Схема изменения концентрации пыли по длине воздушного потока

Составляем уравнение баланса пыли на участке d по направлению ветра для точечного источника выбросов (рис.5).

Массовый расход пыли в начальном сечении участка: Wн= (г/c), где q – количество выбрасываемого из трубы газа в единицу времени (м3/с) с концентрацией (г/м3).

В конце участка d массовый расход пыли составит: W= (г/с)

Расход осевшей пыли Z на площади Вd(м2): Z= (г/с), где - скорость осаждения фракций пыли (м/с).

Уравнение баланса массы пыли имеет вид:

=

Концентрация не осевшей пыли в столбе воздуха в пределах пылевого факела пропорциональна весу пыли, которая может осесть на 1 см2 поверхности снежного покрова W: , где k – коэффициент разбавления.

Сначала оседает крупная пыль, к центру факела доля мелких фракций возрастает, и средневзвешенная скорость осаждения растёт пропорционально осреднённому по ширине сечения весу пыли Z/B: ,где k1 – коэффициент пропорциональности.

Уравнение баланса примет вид: .

Дифференцируем выражение : .

Получаем уравнение баланса в виде: .

Поскольку количество выбрасываемого из трубы газа в единицу времени есть величина постоянная, окончательно запишем (15)

Или (15*), где 1 – скоростной коэффициент, равный .

Таким образом, уравнения 15 и 15* описывают взаимодействие двух компонентов системы Z и W. Обозначим равновесную массу пыли в снеге через Z при .

С учётом вторичного подъёма взвешенной пыли уравнение (1) примет вид:

С учётом выражения при условии стационарности процесса

() запишем уравнение баланса массы пыли: (16)

Интегрирование уравнения (16) при начальных значениях =0, Z = Z0

приводит к аналитическому выражению, описывающему кривые изменения массы

пыли в снеге на единичной площади на любом удалении от источника загрязнения:

. (17)

Для нахождения параметров Z0, Z, 1Wн необходимо экспериментальные данные по массе загрязнений в снеге нанести на график, по ординате которого откладывать значения , а по абсциссе Z, тогда прямая отсечет на оси ординат отрезок, равный , а на оси абсцисс отрезок, равный Z.

Зная длину отрезка , можно найти 1 Wн : , где µ – отрезок, отсекаемый на оси ординат. Для нахождения Z0 нужно задаться сначала значением Z0 близким к нулю, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике линейной зависимости от Z.

Используя изложенную выше методику определения параметров модели, экспериментальные точки, полученные в результате исследования снежного покрова северо-западного направления от предприятия «Мальцовский портландцемент» от 16.02.06 г., нанесены на график (рис.6б), спрямлены при Z0= 6 мг / см2 и найдены значения: Z= 34,5 мг/см2, =0,63, 1Wн = 0,0025 1/м. Для сравнения рассчитанные по

уравнению и экспериментальные данные нанесены на график (рис. 6а).

Согласие результатов расчёта и эксперимента даёт все основы для практического использования модели. Предложенная модель позволяет получить достоверную информацию о загрязнении снежного покрова на определённой водосборной территории и прогнозировать мутность талого стока, поступающего в водные объекты.

.  а б а) График изменения-81 а б а) График изменения-82

а б

Рис. 6. а) График изменения концентрации пыли в снеге. б) График зависимости (Z)

В результате исследования талого стока была выявлена связь рН и СО2, которую можно использовать для интенсификации процессов самоочищения воды – осаждения и сорбции – в целях улучшения качества талого стока, поступающего с водосборной территории (рис 7а). Для этих целей построена модель изменения концентрации углекислого газа по длине водотока за счет процесса массопередачи:

(18) Или ,

где - концентрация растворённого углекислого газа до момента изменения его концентрации в газовой фазе, С*- равновесная концентрация СО2 после изменения состава газовой фазы, - объёмный коэффициент массопередачи СО2, 1/час.

В соответствии с уравнением (4), величина коэффициента массопередачи

численно равна тангенсу угла наклона прямой, построенной по экспериментальным

данным в координатах: , (рис.7б).

Таким образом, анализируя уравнения (18), можно установить, что регулирование содержания СО2 в организованном поверхностном стоке можно осуществить изменением объемного коэффициента массопередачи диоксида углерода, достигаемым изменением гидродинамической обстановки, т.е. увеличением скорости потока и перемешиванием жидкости при перепадах уровней воды каналов.

 а б а)Изменение концентрации-92

а б

Рис.7. а)Изменение концентрации свободной СО2 по длине ручья в районе поселка

Толмачево г.Брянска. б)График, позволяющий определить объёмный

коэффициент массопередачи.

Таким образом, анализируя уравнения (18), можно установить, что регулирование содержания СО2 в организованном поверхностном стоке можно осуществить изменением объемного коэффициента массопередачи диоксида углерода, достигаемым изменением гидродинамической обстановки, т.е. увеличением скорости потока и перемешиванием жидкости при перепадах уровней воды каналов.

В пятой главе изложены методы оптимизации основных конструктивных параметров и работы горизонтального отстойника в зависимости от расхода с помощью метода неопределённых множителей Лагранжа.

Для аналитического решения задачи оптимизации ширины водосливного фронта и глубины воды на водосливе, считая сливную перегородку прямоугольным водосливом с тонкой стенкой, получаем необходимое условие для задачи минимизации целевой функции L=f (Х1, Х2)=2 Х1+ Х2 при условии Q=mХ2Х1. Функция Лагранжа: Lmin=2 Х1+ Х2+ (mХ2Х1- Q),

где L- смоченный периметр, м; Х1- глубина воды на водосливе, м; Х2- ширина водосливного фронта, м; Q - расход водослива, м3/c; m-коэффициент расхода, равный m= =0,970,435=0,42, где – коэффициент вертикального сжатия, - коэффициент скорости.

В качестве примера применения вышеуказанного метода определяем глубину воды на водосливе и ширину водосливного фронта шахты отстойника, который может принимать талую воду с водосборной территории юго-восточной окраины г.Фокино Брянской области (отстойник №1). В результате расчётов для 12 дней периода снеготаяния получаем степенные зависимости ширины водосливного фронта и глубины воды над ней от расходов воды: Х2=0.9235 и Х1=0.7072 соответственно

(рис 8б).

Для аналитического решения задачи оптимизации главных конструктивных параметров отстойника - ширины и глубины - получаем необходимое условие для минимизации целевой функции f(Н, В)= 2 Н+ В при условии S= Н В.

Функция Лагранжа: Zmin=2 Н+ В + (Н В S)= 2 Н+ В+ (Н В –Q/v),

где Z- смоченный периметр отстойника, м; Н- глубина, м; В- ширина отстойника, м;

S- площадь поперечного сечения отстойника, м2; Q – расход воды, м3/c; v- скорость течения потока, м/c.

Для того чтобы посмотреть как работает предложенный метод определения оптимальных параметров отстойника - ширины и глубины, определим их значения для отстойника №1. Расчёты расходов талой воды с данной водосборной территории произведём при вероятности превышения 1, 10, 50, 95 % для всего периода снеготаяния. Применив метод неопределённых множителей Лагранжа для каждого из 12 дней, получаем, что зависимость площади поперечного сечения отстойника от его глубины при любых вероятностях превышения описывается в общем случае степенной функцией S=2,0091Н1,9957 при величине достоверности аппроксимации R=0,9999. Кроме этого, при небольшом изменении глубины отстойника, площадь поперечного сечения отстойника значительно увеличивается (рис. 8а).

 а б а) График зависимости площади-97  а б а) График зависимости площади-98

а б

Рис. 8. а) График зависимости площади поперечного сечения отстойника от его глубины при разных обеспеченностях. б) График зависимости ширины водосливного фронта (Х2) и глубины воды на водосливе (Х1) от расходов воды.

Для снижения капитальных затрат на строительство отстойника можно взять конструктивные параметры сооружения, полученные при расчёте для дня со средним расходом. А для обеспечения максимальной экологической безопасности при пропуске максимальных расходов воды, можно воспользоваться шандорами вместо сливной горизонтальной стенки, которые можно передвигать для увеличения сливного фронта.

Рассмотрены методы повышения эффективности эксплуатации горизонтального отстойника.

Из уравнения (14) следует, что производительность отстойника в цикличес-ком режиме работы тем больше, чем больше мутность потока на входе в отстойник и пропорциональный ей максимально возможный объём заиления , коэффициент полноты осаждения , а так же максимальная удельная скорость осаждения наносов µ1YH-N. При фиксированных значениях этих параметров, максимальная производительность отстойника определяется оптимальным значением фактора Х, зависящим от соотношения Yнач и Yk, которое меняется при изменении времени цикла между чистками отстойника и в зависимости от длины отстойника.

Величина полноты осаждения полностью зависит от условий осаждения, т.е. от температуры воды, pH, гидродинамики. Параметры и определяют только величину стационарного объёма заиления в конце отстойника. Но длина, на которой достигается стационарный объём заиления, зависит только от величины параметра

µ1YH-N, характеризующего предельно возможную интенсивность осаждения наносов в конкретных условиях. Значение этого фактора связано и с мутностью и расходом входящего потока воды, и с особенностями фракционного состава наносов, и с условиями осаждения.

Проведённые опыты по исследованию влияния входящей (начальной) мутности на эффект осветления показали, что прослеживается логарифмическая зависимость эффекта осветления воды (Э) от входящей мутности (рвх) воды, содержащей цементную пыль и продукты разрушения асфальтового покрытия: Э=7,3644ln(рвх)+ 81.36 при R2=0.9481 и Э=8.7402ln(рвх)+ 82.214 при R2=0.9017 соответственно (рис. 9а).

Если в процессе эксплуатации установлено, что коэффициент полноты осаждения мал, то первым этапом оптимизации должен быть поиск оптимальных физико-химических условий: гидродинамики и рН.

Исследования влияния рН воды на изменение процента осаждения цементной пыли и продуктов разрушения асфальтового покрытия по отношению к входящей мутности показали, что наиболее оптимальное значение равно 7 (рис. 9б).

 а б а) График кривой, описывающей-103 а б а) График кривой, описывающей-104

а б

Рис.9. а) График кривой, описывающей изменение эффекта осветления в зависимости от входящей мутности воды, содержащей цементную пыль. б) График кривой, описывающей изменение эффекта осветления в зависимости от входящей мутности воды, содержащей цементную пыль

Предлагается регулировать рН воды, очищаемой в горизонтальных отстойниках, используя взаимосвязь между концентрацией растворенного СО2, концентрацией гидрокарбонатного иона (HСO) и величиной водородного показателя:



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.