Μέγεθος σωματιδίων έναντι Αποδοτικότητας καθίζησης κεκλιμένου σωλήνα: Προσομοίωση CFD Βρίσκει το όριο των 80 μm

Γνωρίζετε ότι ένας κατακάτης σωλήνων αφαιρεί τα αιωρούμενα στερεά. Αλλά ξέρετε ποια μεγέθη αφαιρεί πραγματικά το - και ποια μεγέθη περνούν ανεξάρτητα από το πόσο καλά είναι σχεδιασμένο το ρεζερβουάρ; Χρησιμοποιώντας την προσομοίωση CFD ενός πραγματικού μετρητή 1.000 m³/d-ρεύματος κατακάθισης σωλήνων με κλίση στην επαρχία Anhui, οι ερευνητές μοντελοποίησαν τη συμπεριφορά των σωματιδίων από30 έως 120 μmυπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Το αποτέλεσμα είναι ένα σαφές όριο: κάτω από 80 μm, το μέγεθος των σωματιδίων δεν έχει σημασία για την αφαίρεση. Πάνω από 80 μm, η απόδοση απογειώνεται. Εάν το πηκτικό σας δεν παράγει κροκίδες πάνω από αυτό το όριο, οι κεκλιμένοι σωλήνες σας δεν κάνουν αυτό που πληρώσατε.

ΓΙΑΤΙ CFD - ΚΑΙ ΓΙΑΤΙ ΑΥΤΟ ΤΟ TANK

Οι περισσότερες μελέτες σε επικλινείς αγωγούς σωλήνων επικεντρώνονται σε μοτίβα ροής - βελτιστοποιώντας τις διαστάσεις της δεξαμενής, μειώνοντας τις νεκρές ζώνες, εξομαλύνοντας την κατανομή της ταχύτητας. Λίγοι έχουν κάνει την ερώτηση που έχει μεγαλύτερη σημασία για την ποιότητα των λυμάτων:Δεδομένης μιας συγκεκριμένης κατανομής μεγέθους σωματιδίων, τι αφαιρείται στην πραγματικότητα;Επειδή τα σωματίδια διαφορετικών διαμέτρων έχουν διαφορετικές ταχύτητες καθίζησης, η κατανομή μεγέθους σωματιδίων των εισερχόμενων αιωρούμενων στερεών ελέγχει άμεσα την απόδοση καθίζησης που μπορεί να επιτύχει η δεξαμενή.

Για να απαντήσουν σε αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τοπρότυπο k-ε μοντέλο αναταράξεων(για το πεδίο ροής) σε συνδυασμό με τοΠολυφασικό μοντέλο μείγματος(για τη συμπεριφορά δύο φάσεων στερεού-υγρού) - ένας καλός συνδυασμός- κατάλληλος για την προσομοίωση της τυρβώδους ροής με σωματίδια- μέσα σε έναν καθιζητή σωλήνα λειτουργίας.

Η δοκιμαστική θήκη ήταν ένας πραγματικός μετρητής-καθιζητής σωλήνων με κλίση σε ένα υδραγωγείο στην επαρχία Anhui, με τις ακόλουθες παραμέτρους σχεδίασης και λειτουργίας:

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ 1: ΠΟΥ ΣΥΓΚΕΝΤΡΟΥΝΤΑΙ ΤΑ ΣΩΜΑΤίδια - ΚΑΙ ΓΙΑΤΙ ΕΧΕΙ ΣΗΜΑΣΙΑ

Προσομοιώθηκαν πέντε διάμετροι σωματιδίων:30, 50, 80, 100 και 120 μm. Για το καθένα, η κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων στερεών εξετάστηκε σχεδιάζοντας το μέσο κλάσμα όγκου σε διατομές- σε διαφορετικά ύψη (Εικόνα 2).

Τρία μοτίβα προκύπτουν από τα προφίλ συγκέντρωσης:

1. Όλα τα μεγέθη σωματιδίων ακολουθούν την ίδια γενική τάση.Το συνολικό σχήμα της καμπύλης συγκέντρωσης-έναντι-ύψους είναι παρόμοιο ανεξάρτητα από τη διάμετρο. Η φυσική της δεξαμενής - της δομής τεσσάρων- ζωνών, της διαδρομής ροής, του μοτίβου αναταράξεων - επιβάλλει ένα κοινό προφίλ συγκέντρωσης.

2. Στην είσοδο του σωλήνα (~1,5 m ύψος), η συγκέντρωση αυξάνεται απότομα για μεγαλύτερα σωματίδια.Αυτή είναι η ζώνη μετάβασης όπου η ροή εισέρχεται στους κεκλιμένους σωλήνες. Ο στροβιλισμός και η ανάμειξη δημιουργούν μια περιοχή υψηλής-συγκέντρωσης που προάγει την επαφή και την κροκίδωση των σωματιδίων - ένα θετικό αποτέλεσμα για το διαχωρισμό στερεού-υγρού. Όσο μεγαλύτερα είναι τα σωματίδια που εισέρχονται σε αυτή τη ζώνη, τόσο πιο έντονη είναι η ακίδα συγκέντρωσης.

3. Στον πυθμένα της δεξαμενής και στη διατομή-απόβλητου, το μέγεθος των σωματιδίων οδηγεί το αποτέλεσμα.Κοντά στη ζώνη λάσπης, το μέσο κλάσμα όγκου αυξάνεται με το μέγεθος σωματιδίων - περισσότερα μεγάλα σωματίδια να κατακάθονται και να συσσωρεύονται εκεί που πρέπει. Στη διατομή εκροής-το μέσο κλάσμα όγκουμειώνεταικαθώς αυξάνεται το μέγεθος των σωματιδίων - διαφεύγουν λιγότερα μεγάλα σωματίδια. Η συσχέτιση είναι σαφής:μεγαλύτερα σωματίδια → καθιζάνουν περισσότερα → καθαρότερα λύματα.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ 2: ΤΟ ΟΡΙΟ 80 μm

Η απόδοση αφαίρεσης η ορίζεται ως:

όπου Γ_{είσοδος}είναι η εισερχόμενη συγκέντρωση SS (kg/m³) και C_έξοδοςείναι η συγκέντρωση SS των εκροών (kg/m³).

Το Σχήμα 3 δείχνει τη σχέση μεταξύ της αποτελεσματικότητας απομάκρυνσης και της διαμέτρου των σωματιδίων υπό τις δεδομένες συνθήκες εισροής (295 mg/L SS, 1.050 kg/m3 πυκνότητα, ιξώδες 0,02001 Pa·s). Η καμπύλη δεν είναι γραμμική - έχει ευδιάκριτο γόνατο.

Τα δεδομένα αποκαλύπτουν δύο καθεστώτα:

Ο λόγος είναι υδραυλικός: τα σωματίδια κάτω των 80 μm έχουν ταχύτητες καθίζησης αρκετά χαμηλές ώστε η ανοδική ροή στους σωλήνες να μπορεί να τις πραγματοποιήσει, ανεξάρτητα από το πόσο καλά είναι σχεδιασμένη η δεξαμενή. Πάνω από 80 μm, η ταχύτητα καθίζησης ξεπερνά την ανοδική ταχύτητα κατά ένα διευρυνόμενο περιθώριο και η αφαίρεση γίνεται αποτελεσματική. Το όριο των 80 μm είναι συγκεκριμένο για τη γεωμετρία και τις συνθήκες λειτουργίας αυτής της δεξαμενής (διάμετρος σωλήνα 40 mm, κλίση 60 μοιρών, ταχύτητα εισόδου 0,1 m/s) - αλλά η αρχή ισχύει ευρέως:κάθε κατακάθιστος σωλήνων έχει ένα κρίσιμο μέγεθος σωματιδίων κάτω από το οποίο η αφαίρεση είναι κακή και αυτό το μέγεθος καθορίζεται από την ανοδική ταχύτητα στους σωλήνες.

ΤΙ ΣΗΜΑΙΝΕΙ ΑΥΤΟ ΓΙΑ ΤΟ ΦΥΤΟ ΣΑΣ

1. Η δόση του πηκτικού έχει στόχο και είναι 80 μm.Ο σκοπός της πήξης και της κροκίδωσης - πέρα ​​από την εξουδετέρωση του φορτίου και τα σωματίδια γεφύρωσης - είναι να αναπτυχθούν κροκίδες πέρα ​​από το κρίσιμο μέγεθος όπου ο κατακάτης σωλήνα μπορεί να τα συλλάβει. Η δοκιμή σε βάζο θα πρέπει να επιβεβαιώσει ότι οι σχηματισμένες κροκίδες σας υπερβαίνουν την οριακή διάμετρο για τη συγκεκριμένη γεωμετρία της δεξαμενής σας.

2. Εάν η εκροή σας είναι θολή και το μέγεθος της κροκίδωσης είναι κάτω από το όριο, οι σωλήνες δεν είναι το πρόβλημα - το στάδιο κροκίδωσης είναι.Η προσθήκη περισσότερων σωλήνων ή η μείωση της ανοδικής ταχύτητας θα βοηθήσει οριακά. Αλλά η πραγματική λύση είναι ανάντη: καλύτερη κροκίδωση για την παραγωγή μεγαλύτερων, πυκνότερων σωματιδίων που μπορούν να συλλάβουν οι υπάρχοντες σωλήνες.

3. Το κρίσιμο μέγεθος είναι το συγκεκριμένο δοχείο-.Αυτή η προσομοίωση βρήκε 80 μm για έναν σωλήνα 40 mm στις 60 μοίρες με ταχύτητα εισόδου 0,1 m/s. Μια μικρότερη διάμετρος σωλήνα, μια πιο επίπεδη γωνία ή μια χαμηλότερη ταχύτητα προς τα πάνω θα μετατοπίσει το κατώφλι προς τα κάτω - που σημαίνει ότι τα μικρότερα σωματίδια γίνονται αφαιρούμενα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η γεωμετρία των σωλήνων και η υδραυλική φόρτιση δεν είναι απλώς παράμετροι σχεδιασμού. καθορίζουν απευθείας το ελάχιστο μέγεθος σωματιδίων που μπορεί να αντέξει ο οικιστής σας.

4. Η προσομοίωση CFD είναι ένα πρακτικό εργαλείο σχεδιασμού, όχι μια ακαδημαϊκή άσκηση.Ο συνδυασμός μοντέλου k{0}}ε + Μείγματος που χρησιμοποιείται εδώ μπορεί να προβλέψει, για οποιαδήποτε γεωμετρία και συνθήκες λειτουργίας δεξαμενής, την καμπύλη απόδοσης μεγέθους σωματιδίων-απομάκρυνσης. Πριν από την κατασκευή ή τη μετασκευή, η προσομοίωση μπορεί να απαντήσει στο ερώτημα ότι οι εμπειρικοί κανόνες σχεδιασμού δεν μπορούν:θα αφαιρέσει αυτή η δεξαμενή τα σωματίδια στο ακατέργαστο νερό μου;