Повышение степени аэрации жидкости за счет применения кольцевых водовоздушных форсунок

В основе работы струйных аэраторов лежит подача свободных струй и капель жидкости сквозь воздушную среду, где жидкость увлекает с собой газовую фазу, захватывая ее своей поверхностью. Как показали исследования, степень аэрации жидкости струями, подаваемыми через кольцевую водовоздушную форсунку, существенно выше, чем при использовании струй, подаваемых через сопло традиционной конструкции. Степень аэрации жидкости увеличивается при увеличении длины водяной струи, входящей под поверхность жидкости. Для обеспечения эффективного аэрирования объема пульпы мелкодисперсными пузырьками воздуха целесообразно использовать специально разработанные кольцевые водовоздушные форсунки.

Аэрация играет важную роль в подготовке питьевой воды, флотационной очистке сточных вод, во флотационном разделении полезных ископаемых и, являясь базисным процессом многих технологий, в значительной мере влияет на эффективность, надежность и стоимость последних.

Существующие методы аэрации основаны на принципах диспергации воды в воздухе или воздуха в воде и осуществляются при помощи аэраторов барботажного, разбрызгивающего и каскадного типов.

Анализ существующих классификаций аэрационных систем показывает, что разные авторы классифицируют аэрационные устройства по различным признакам. Чаще всего это конструктивные признаки, способ ввода энергии в систему и способ подачи и распределения воздуха (кислорода) в воде.

Различают следующие системы аэрации [1]:
- пневматическую;
- механическую;
- смешанную или комбинированную.

Некоторые исследователи выделяют отдельную группу гидравлических или струйных аэраторов.

Гидравлическое аэрирование при помощи эжекторных устройств основано на использовании энергии жидкости, движущейся с большой скоростью через сопло, имеющее определенную форму и размеры, с целью получения перепада давления, создающего эжекцию газовой или жидкой фазы. Помимо эжекторных аэраторов к гидравлическому типу следует отнести аэраторы гидроциклонного типа. Принцип действия циклонного аэратора аналогичен принципу действия центробежных распылительных форсунок [2].

По мнению ряда исследователей (Н.Ф. Мещеряков и др.), более перспективными аэраторами являются устройства, осуществляющие аэрацию поверхностными струями и пневмогидравлическими способами. Принцип работы аэраторов с помощью поверхностных струй заключается в подаче жидкости в виде струй и капель в воздушную среду, где жидкость увлекает с собой газовую фазу, захватывая ее своей поверхностью [3].

 Методика эксперимента

Исследования аэрации струи в зависимости от конструктивных особенностей и размеров форсунок и насадок (сопел), а также расходов модельной жидкости, давления и других гидравлических параметров проводились на лабораторном стенде. В качестве модельной жидкости использовалась водопроводная вода.

На рис. 1 представлена схема водовоздушной форсунки, разработанной в БНТУ.

Вода, поступающая в форсунку через штуцер под давлением, заполняет внутренний объем между корпусом и днищем и выходит через кольцевой зазор между внутренней поверхностью отверстия в крышке и наружной поверхностью трубки, выполненной в днище. Размеры трубки таковы, что ее торец не доходит до торца отверстия в корпусе на 0,5 мм.

Благодаря своей конструкции разработанная форсунка может быть погружена под уровень жидкости для создания аэрации за счет подсасывания воздуха. Воздух подсасывается в струю воды за счет создаваемой ею эжекции при выходе потока из кольцевого зазора в отверстии корпуса. Подсос воздуха происходит вне зависимости от того, погружена ли форсунка под уровень жидкости, или расположена над ее поверхностью. Конструкция форсунки позволяет изменять количество подсасываемого струей воздуха. Для этого достаточно закрыть отверстие трубы, и поступление воздуха во внутреннюю полость кольцевой струи прекращается.

Кроме водовоздушной форсунки в экспериментах использовались также сопла (насадки) разного диаметра, которые создавали обычные струи, увлекающие с собой воздух при вхождении их под уровень находящейся в масштабной модели жидкости. Струя, входящая в жидкость, увлекает с собой достаточно большое количество воздуха и осуществляет аэрацию жидкости, создавая в объеме воды большое количество мелкодисперсных пузырьков.

На рис. 2а представлена схема сопла с диаметром выходного отверстия 5 мм и на рис. 2б - схема насадки с диаметром отверстия 8 мм для осуществления процесса аэрации водяной струи воздухом.

Расход воды определялся объемным способом с использованием мерной емкости и секундомера. Расход аэрированного струей воздуха определялся методом вытеснения пузырьками аэрированного воздуха воды из прозрачной мерной емкости, перевернутой кверху дном и предварительно заполненной водой [4].

Измерения расхода воды и воздуха на каждом режиме проводились не менее трех раз.

Результаты экспериментов

Основным направлением данной работы являлась отработка технологического процесса аэрации жидкости без использования механических роторов и сжатого воздуха. Единственным способом подачи воздуха в жидкость является использование струй жидкости.

Задачей разработки являлось создание форсунки и сопла, а также отработка режимов, при которых в объеме жидкости создается максимальное количество мелкодисперсных пузырьков.

Одним из важнейших параметров разрабатываемого способа флотации является соотношение расходов воздуха, подаваемого под уровень, и воды, которая этот воздух транспортирует.

На рис. 3 представлены графические зависимости расхода аэрируемого воздуха от расхода воды, подаваемой через водовоздушную форсунку.

Кривая 1 соответствует изменению расхода воздуха для случая, когда форсунка расположена под уровнем поверхности воды. При таком варианте работы форсунки весь воздух, поступающий в жидкость, подсасывается через воздухозаборное (осевое) отверстие форсунки. В ходе выполнения экспериментов расход воды через форсунку Qж изменялся от 80,6 до 179,5 см3/сек. При этом расход воздуха, подсасываемого в жидкость Qв, колебался в пределах от 33,8 до 97,5 см3/с.

Кривая 2 соответствует параметрам, полученным для форсунки, у которой отверстие для подсоса воздуха открыто. При этом форсунка располагалась над уровнем поверхности воды, длина струи L составляла 2 см.

Расход воды через форсунку Qж изменялся в пределах от 57,3 до 167,1 см3/сек. Расход воздуха Qв при этом изменялся от 33,9 до 190,2 см3/сек.

Анализ опытных данных показывает, что в случае расположения форсунки над уровнем воды аэрация струи существенно возрастает. Так, при расходе воды Qж = 112,8 см3/сек. для форсунки, погруженной под уровень, расход воздуха Qв составляет 70,6 см3/сек. (рис. 3, кривая 1), а для форсунки, расположенной над уровнем воды при расходе воды Qж = 114,9 см3/сек., расход воздуха Qв составляет 142,6 см3/сек., т.е. практически в два раза выше (рис. 3, кривая 2).

Кривая 3 соответствует изменению расхода воздуха для случая, когда форсунка расположена над водой, длина струи L = 2 см, но отверстие для подсоса воздуха закрыто. Сравнение данных показывает, что максимальную аэрацию обеспечивает форсунка, расположенная над поверхностью воды при открытом отверстии для подсоса воздуха (рис. 3, кривая 2). В случае закрытия отверстия для подсоса воздуха степень аэрации струи значительно понижается, однако расход воздуха все-таки остается выше, чем в случае погружения форсунки под уровень (рис. 3, кривая 1).

Кривая 4 соответствует расходу воздуха, подсасываемого форсункой через отверстие для подсоса воздуха, т.е. разности между расходом воздуха при открытом отверстии для подсоса воздуха (кривая 2) и расходом воздуха при закрытом отверстии для подсоса воздуха (кривая 3).

Анализ полученных результатов показывает, что расход воздуха при открытом отверстии для подсоса воздуха (кривая 2) существенно выше, чем в случае закрытия этого отверстия (кривая 3). Таким образом, кривая 3 соответствует расходу воздуха, аэрированного только лишь наружной поверхностью струи, а кривая 2 соответствует расходу, аэрированному как внешней, так и внутренней поверхностями кольцевой струи.

На рис. 4 представлены зависимости расхода воздуха от расхода воды для водовоздушной форсунки при закрытом отверстии для подсоса воздуха и разной длине струй.

Кривая 1 соответствует длине струи L = 2 см, кривая 2 длине струи L = 10 см, кривая 3 - длине струи L = 21см и кривая 4 - длине струи L = 40 см.

 Анализ опытных данных показывает, что при прочих равных условиях длина струи существенно влияет на расход воздуха, аэрированного струей. По мере увеличения длины струи увеличивается и расход воздуха, аэрированного струей даже при закрытом отверстии для подсоса воздуха. В данном случае аэрация воздуха осуществляется только лишь наружной поверхностью струи.

На рис. 5 представлены зависимости соотношения расходов аэрированного воздуха и подаваемой в форсунку воды Qв/Qж (коэффициента эжекции) в зависимости от расхода воды через форсунку.

Кривая 1 соответствует изменению соотношения воздух - вода для форсунки, погруженной под уровень жидкости, кривая 2 - зависимость соотношения воздух - вода для открытого отверстия в форсунке для подсоса воздуха и длины струи L = 2 см, кривая 3 - зависимость соотношения воздух - вода для закрытого отверстия для подсоса воздуха и длины струи L = 2 см.

Анализ опытных данных показывает, что величина соотношения расходов воздуха и воды Qв/Qж в зависимости от расхода воды через форсунку изменяется по экстремальной зависимости. Максимального значения величина соотношения достигает при открытом отверстии для подсоса воздуха и расходе воды через форсунку Qж = 110 - 130 см3/сек. Увеличение расхода воды сверх оптимального значения приводит к снижению величины соотношения воздух - вода.

На рис. 6 представлены зависимости соотношения расходов воздуха и воды Qв/Qж в зависимости от расхода воды и длины струи для форсунки при закрытом отверстии для подсоса воздуха.

Кривая 1 соответствует изменению соотношения воздух - вода для длины струи L = 2 см, кривая 2 - для длины струи L = 10 см, кривая 3 - для длины струи L = 21 см, кривая 4 - для длины струи L = 40 см. Анализ опытных данных показывает, что увеличение длины струи приводит к существенному возрастанию величины соотношения расходов воздуха и воды Qв/Qж, и минимальная величина соотношения наблюдается для длины струи L = 2 см, а максимальная - для длины струи L = 40 см.

На рис. 7 приведены результаты исследований параметров процесса аэрации воздуха струями, подаваемыми через сопло диаметром d = 5 мм при разных длинах струй.

Анализ опытных данных показывает, что для струй диаметром d = 5 мм с увеличением их длины расход воздуха при прочих равных условиях возрастает и в связи с этим возрастает соотношение воздух - вода Qв/Qж. Однако при всем этом параметры, создаваемые струей, подаваемой через сопло, значительно ниже, чем те, которые удается получить при использовании водовоздушной форсунки.

Анализ опытных данных показывает, что по мере роста длины струи увеличивается расход аэрированного воздуха. Влияет также на увеличение расхода воздуха и увеличение расхода воды через форсунку.

На рис. 8 представлены зависимости соотношения расходов воздуха и воды Qв/Qж от расхода воды через сопло d = 5 мм.

Кривая 1 соответствует результатам, полученным для длины струи L = 2 см, кривая 2 - для струи, длина которой L = 10 см, кривая 3 - для струи длиной L = 23 см, кривая 4 - для струи длиной L = 35 см, кривая 5 - для струи длиной L = 60 см, кривая 6 - для струи длиной L = 80 см.

 На рис. 9 представлена графическая зависимость соотношения расходов воздуха и воды Qв/Qж от расхода воды через сопло d = 8 мм.

Кривая 1 соответствует результатам, полученным для длины струи L = 3 см, кривая 2 - для струи, длиной L= 10 см, кривая 3 - для струи длиной L = 20 см, кривая 4 - для струи длиной L = 31 см, кривая 5 - для струи длиной L = 66 см.

Анализ полученных результатов показывает, что так же, как и в случае подачи струи через сопло с диаметром отверстия d = 5 мм, для струи диаметром d = 8 мм расход воздуха и соотношение расходов воздуха и воды при увеличении длины струи возрастают. Однако для струи диаметром d = 8 мм это возрастание более существенное. Так, при расходе воды через сопло диаметром d = 5 мм длине струи L = 10 см и расходе воды Q = 229,5 см3/сек. соотношение расходов воды и воздуха составляет Qв/Qж = 0,243. Для тех же условий у струи с диаметром d = 8 мм соотношение расходов воздуха и воды составляет Qв/Qж = 0,475, т. е. практически в два раза выше.

Таким образом, установлено, что при увеличении диаметра струи количество аэрированного воздуха вначале несколько выше (при одинаковых расходах и длинах струй), а затем по мере увеличения длины струи это соотношение выравнивается и становится меньше, чем для струи меньшего диаметра.

Выводы

Исследована возможность использования водяных струй для насыщения объема жидкости пузырьками воздуха, аэрируемого поверхностью струи. Разработана конструкция кольцевой водовоздушной форсунки, обеспечивающей эффективную аэрацию жидкости.

Установлено, что степень аэрации жидкости струями, подаваемыми через кольцевую водовоздушную форсунку, существенно выше, чем при использовании струй, подаваемых через сопло традиционной конструкции. Степень аэрации жидкости увеличивается при увеличении длины водяной струи, входящей под поверхность жидкости.

Исследована возможность использования струи жидкости, подаваемой через сопло под уровень жидкости, для обеспечения аэрации пульпы воздухом. Изучалось влияние различных параметров струи, в частности ее диаметра, длины, расхода воды, давления на степень аэрации жидкости. Исследования проводились с использованием сопел, создающих струи диаметром d = 5 мм и d = 8 мм.

Установлено, что при вхождении струи жидкости под уровень струя увлекает с собой воздух, который создает в объеме гидравлической модели большое количество мелкодисперсных пузырей воздуха. Количество аэрированного струей воздуха зависит от расхода воды, диаметра струи и ее длины. Увеличение длины струи приводит к возрастанию количества аэрированного струей воздуха.

Приведенные исследования показали, что для обеспечения эффективного аэрирования объема пульпы мелкодисперсными пузырьками воздуха целесообразно использовать разработанные в БНТУ кольцевые водовоздушные форсунки, оптимизировав их конструкцию и конструктивные параметры.

Литература:
1. Самохвалова, А.И. Применение струйных аэраторов при очистке сточной воды / А.И. Самохвалова, И.А. Шеренков // Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natu- ral/Nvb/2009_53/samoxvalova.pdf. - Дата доступа: 09.03.2011.
2. Воронов, Ю.В. Струйная аэрация / Ю.В. Новиков, В.Д. Казаков, М.Ю. Толстой. - М: Изд-во АСВ, 2007. - 216 с.
3. Мещеряков, Н.Ф. Кондиционирующие и флотационные аппараты и машины / Н.Ф. Мещеряков. - М.: Недра, 1990. - 237 с.
4. Ледян, Ю.П. Перспективы использования струйной аэрации для флотационной очистки промышленных стоков / Ю.П. Ледян, М.К. Щербакова // Вода Magazine. - Москва, 2011. - № 4. - С. 50 - 54.

Журнал «Вода Magazine», №3 (55), 2012 г.