Aerační struktury používané při čištění vody vyžadují optimalizaci technologického procesu na základě charakteristik tvorby a rozložení vzduchových hmot v proudění úpravny vody. Voda se v úpravnách vody používá jako transportní proudění, takže tato okolnost umožňuje jako dodatečný faktor využít zákony hydrodynamiky proudění, kdy vzduchové bubliny vznášejí. Článek představuje fyzikální principy vznášení vzduchových bublin během aerace. Teoreticky je zdůvodněno vznášení vzduchových bublin ve statických kapalných podmínkách a dynamických podmínkách proudění. Je získána teoretická závislost, která je zaměřena na normalizaci nestability aeračních struktur a stanovení optimálních podmínek technologického procesu.
Klíčová slovaprovzdušňování, vzduchová bublina, dynamická viskozita, rychlost proudění, fázové rozhraní, rozdělení rychlosti.
UDC 628.16. Číslo vědecké specializace: 05.23.04.
Teoretické studie pohybu vzduchových bublin v proudu vody během aerace
VB Vikulina, PhD, docentka; LV Inesina, studentka bakalářského studia, Moskevská státní univerzita stavebního inženýrství (MGSU)
Provzdušňovací zařízení používaná při úpravě vody vyžadují optimalizaci technologického procesu na základě tvorby a rozložení vzduchových hmot v proudění úpravny vody. Voda se v úpravnách vody používá jako transportní proudění, takže tato okolnost umožňuje využít zákony hydrodynamiky proudění při výstupu vzduchových bublin jako další faktor. Jsou uvedeny fyzikální principy výstupu vzduchových bublin během provzdušňování. Teoreticky je zdůvodněn výstup vzduchových bublin za statických podmínek proudění a za dynamických podmínek proudění. Získaná teoretická závislost je zaměřena na normalizaci nestability provozu provzdušňovacích zařízení a stanovení optimálních procesních podmínek.
Klíčová slovaprovzdušňování, vzduchová bublina, dynamická viskozita, průtok, fázové rozhraní, rozdělení rychlosti.
Aerační struktury používané při čištění vody vyžadují optimalizaci technologického procesu na základě charakteristik tvorby a rozložení vzduchových hmot v proudění úpravny vody. Voda se v úpravnách vody používá jako transportní proudění, takže tato okolnost umožňuje jako dodatečný faktor využít zákony hydrodynamiky proudění, kdy vzduchové bubliny vznášejí. Článek představuje fyzikální principy vznášení vzduchových bublin během aerace. Teoreticky je zdůvodněno vznášení vzduchových bublin ve statických kapalných podmínkách a dynamických podmínkách proudění. Je získána teoretická závislost, která je zaměřena na normalizaci nestability aeračních struktur a stanovení optimálních podmínek technologického procesu.
Pohyb proudění v úpravnách vody s provzdušňováním (například provzdušňovací nádrž, aerofiltr, provzdušňovaný lapač písku) vytváří technologický prvek. Hlavním procesem ve fyzikálním chápání provzdušňování je pohyb vzduchových bublin zdola nahoru. Uvažujme vznik vzduchové bubliny v kapalině, která je v klidu.
Předpokládejme, že vzduchová bublina v kapalině má tvar koule [1].
Na stoupající bublinu působí tři síly: gravitace Fт, Archimédova síla Fа a síla odporu Fc (Obr. 1). V projekci na svislou osu OY výtah Fп je rovný:
Síly se vyjadřují v newtonech (N).
Uvažujme působení sil během rovnoměrného pohybu bubliny ve vodě.
Archimédova síla (vztlaková síla) způsobuje, že se bublina pohybuje vzhůru, zatímco se průměr bubliny zvětšuje a dosahuje svého maxima na hladině vody.
Stokesova síla (třecí síla) při pohybu bubliny působí v opačném směru než Archimédova síla a směřuje shora dolů.
Gravitační síla působí za podmínek zrychlení v důsledku gravitace a je směrována shora dolů.
Stokesova síla vzniká v důsledku interakce kapaliny s bublinou a je rovna třecí síle, k jejímu překonání je třeba vynaložit práci.
Rozdíl v energii mezi dvěma stavy bublin před a po práci je práce jako přebytečná volná energie. Z hydrostatického hlediska je dodatečná potenciální energie ekvivalentní dynamickému tlaku.
Za podmínky stlačitelnosti vzduchu a při pohybu bubliny směrem nahoru se vnější tlak na stěny bubliny bude měnit s výškou a průměr bubliny se bude zvětšovat. Rozpínání vzduchu v bublině může probíhat buď izotermicky, nebo adiabaticky. Protože velikost bubliny je určena podmínkami hydrostatiky a Stokesovou silou, předpokládáme, že rozpínání vzduchu v bublině je izotermické, takže velikost bubliny musí být dostatečně malá.
Zapišme si podmínku pro izotermický děj během vertikálního výstupu vzduchové bubliny:
kde p — tlak kapaliny, Pa; V — objem kapaliny, m³.
Jestliže p — atmosférický tlak [Pa], poté tlak v hloubce h [m] v kapalině s hustotou ρ [kg/m³] bude rovno (p +ρgh) kde g — gravitační zrychlení, g = 9,81 m/s2; ρ je hustota kapaliny, kg/m³; h — hloubka, m.
Podle zákona izotermické roztažnosti bubliny (2) v hloubce vrstvy kapaliny najdeme poloměr bubliny:
kde r — poloměr bubliny na hladině vody, mm.
Bublina se pohybuje rychlostí v v kapalině charakterizované dynamickou viskozitou [Pa s]. Pohyb sférické bubliny v kapalině, která je považována za spojité médium a jejíž rozměry (bublina) výrazně převyšují rozměry molekul média, je popsán Stokesovou rovnicí pro viskózní odpor:
kde Fc — Stokesova síla, Pa; m — dynamická viskozita, Pa s nebo N s/m²; v — rychlost výstupu bubliny, m/s.
Archimédova síla Fа (zdvihová síla bubliny) se určí z výrazu
a je rovna Stokesově síle.
Gravitační síla se rovná:
kde m — hmotnost bubliny, kg.
Gravitační síla závisí na geometrických rozměrech bubliny. Tato síla je extrémně malá ve srovnání se silami působícími na vzduchovou bublinu ve vodě, proto lze hodnotu gravitační síly zanedbat.
Rychlost výstupu bubliny se určí pomocí rovnice:
Od kulovitého tvaru přejdeme ke změně tvaru bubliny [2, 3].
Bublina se pohybuje, když stoupá k hladině vody. V tomto případě vzduchová bublina nabývá kulovitého tvaru v důsledku působení sil povrchového napětí.
Kromě toho změny tlaků médií (vnitřních i vnějších) bubliny vedou k deformaci jejího povrchu, což přispívá k kmitání bubliny.
U jedné stoupající bubliny vzniká na fázovém rozhraní tlakový rozdíl Δ.р, popsaný rovnicí:
kde р1 и р2 — tlak dvou fází v hloubce, Pa; σ1,2 — povrchové napětí na rozhraní dvou fází, N/m; Rк — poloměr zakřivení povrchu uvažované bubliny, m.
V důsledku zvětšení objemu a změny tvaru bubliny vznikají její oscilační pohyby. Předpokládá se, že trajektorie výstupu bubliny se posouvá vzhledem k vertikále a má vlnový charakter (obr. 2).
Nyní jsou známy všechny veličiny, které určují Stokesovu sílu, což umožňuje vypočítat práci vykonanou stoupající bublinou.
Jako osu zvolíme svislý směr bubliny Oy.
Zvětšení velikosti a změna tvaru bubliny se přenáší na okolní kapalinu. Vzniká tak celková práce dA a nárůst volné energie v závislosti na silách působících na bublinu (obr. 1).
Proto se zvyšuje volná energie du z hlediska jedné bubliny je určena rovností:
kde du и dA jsou vyjádřeny v joulech (J).
Použitím výrazů pro Stokesovu sílu (9), poloměr bubliny (4) a rychlost výstupu bubliny (3) ve vzorci (7) získáme následující výsledek:
Pro výpočet volné energie bublin zavádíme distribuční funkci f (r), což je hustota pravděpodobnosti detekce bubliny o velikosti v jednotkovém objemu mezi bublinami s poloměry r a (r + dr).
Počet bublin takových rozměrů v objemu dV budou rovné f(r)drdV, takže jejich příspěvek k volné energii bude zapsán jako:
Vzpomínka na to V = 4/3(πr 3) a integrací přes všechny možné velikosti bublin dostaneme:
kde r_ 03 je průměrná hodnota třetí mocniny poloměru bubliny na hladině kapaliny, mm³; počet bublin na jednotku objemu kapaliny, ks.
Termodynamický vztah parametrů systému určuje tlak p v systému jako derivaci volné energie vzhledem k objemu. Přetlak kapaliny pak bude:
Uvažujme vznik vzduchové bubliny v proudění kapaliny v laminárním režimu proudění.
Obr. 3 znázorňuje diagram vlivu proudění kapaliny na vertikální výstup vzduchové bubliny. Vlivem rozdělení rychlosti proudění v = f(h) se bublina posune od svislé osy Oy. Podle základních zákonů hydrodynamiky závisí rozdělení rychlosti na kinetické energii proudění [3, 4]. Rozložení rychlosti závisí na odporu mezi vrstvami kapaliny během pohybu napříč průřezem proudění.
Spodní vrstvy proudění kladou odpor vůči pohybu v důsledku drsnosti dna a pohyb horní vrstvy se na fázovém rozhraní voda-vzduch zpomaluje.
Označme vzdálenost od osy [mm] Oy dokud se na hladinu kapaliny neobjeví bublina, a poté b [mm] vzdálenost od osy Oy dokud se bublina nevynoří a není maximálně posunuta ve směru pohybu kapaliny.
Rozdíl mezi a a b stoupající bubliny závisí na rychlosti proudění. Výraz (14) se pak zapíše jako
Získaná matematická závislost umožňuje přesnější realizaci numerických experimentů v určité fázi návrhu aeračních struktur systémů úpravy vody.
Tyto akce jsou zaměřeny na normalizaci nestability provozu provzdušňovacích konstrukcí a stanovení optimálních podmínek technologického procesu.
Závěry
1. Byla provedena analýza vlivu fyzikálních faktorů na pohyb vzduchové bubliny ve vodě, založená na izotermickém procesu.
2. Je získána rovnice, která poskytuje termodynamický vztah pro určení tlaku v systému jako derivace volné energie v proudění vody s ohledem na hydrodynamické odchylky.
3. Použití získaného výrazu umožňuje zvýšit účinnost procesu čištění vody pomocí aerace.
- Landau L. D., Lifšic E. M. Hydrodynamika. 5. vydání, stereotyp. — M.: Fizmatlit, 2001.736. XNUMX s.
- Frank-Kamenetsky D. A. Základy makrokinetiky. Difúze a přenos tepla v chemické kinetice: učebnice-monografie. 4. vydání. – Dolgoprudnyj: ID “Intelekt”, 2008.408. XNUMX s.
- Kiselev P. G. Hydraulika: Základy mechaniky tekutin. Učebnice. – M.: Energie, 1980.360. XNUMX s.
- Vikulin P. D., Vikulina V. B. Hydraulika a aerodynamika systémů zásobování vodou a kanalizace. – M.: Vydavatelství MISI-MGSU, 2018.396. XNUMX s.
Dobrý den, mám dotaz. Neví někdo, jaký je důvod a jestli má smysl se tím trápit? 200 litrů ryb je slušných, měním vodu týdně – 60 litrů ustálené vody po dobu XNUMX hodin. Po tomto postupu je vše v akváriu, včetně některých ryb, pokryto malými vzduchovými bublinkami. Pak časem zmizí.
Co by to znamenalo?
Starcomputer
16.12.2008, 10: 07
Plyny rozpuštěné ve vodě se uvolňují. Mám to samé. Pro mě to nic není.
16.12.2008, 10: 42
Má smysl se tím znepokojovat?
16.12.2008, 13: 22
Děkuji vám!
22.12.2008, 13: 51
Proč každý den měnit tolik vody?
22.12.2008, 15: 45
To je překlep. Už jsem to opravil v prvním příspěvku. Správný postup je číst si to každý týden.
03.01.2009, 23: 36
60 litrů z 200? Páni. Rozmazlujete své obyvatele.
Co se mě týče, nemusíte to nechat usadit, můžete to prostě nalít z kohoutku (no, spousta lidí to dělá, včetně mě – nalévám až 100 litrů z 300)
A pokud se o akvárium takto pečlivě staráte, pak má smysl přejít na režim 30 litrů dvakrát týdně. Bude to lepší pro akvárium i jednodušší pro vás.
Obecný názor je, že je lepší to dělat častěji v menších objemech než méně často, ale ve větších objemech.
tj. výměna 120 litrů každé 2 týdny nebude správná.
a ještě jednou – není třeba se tomu bránit.
a ohledně bublin.
Podívejte se na rostliny. Začnou při výměně vody „bublat“? Pokud listy začnou vypouštět drobné bublinky, berte to jako vděčnost za čistou vodu.
Fly, s tím naprosto souhlasím. Lepší 30 litrů dvakrát týdně. Můj názor je, že se tak méně narušuje biorovnováha akvária.
a zůstatek bytu. V zavedeném systému je možné změnit 150 z 200. A na průtoku akva dokonale žijí 2 objemy denně. Ale tady je pointa jiná.
Někde potřebujete mít 60 litrů. A tak (no, pokud to chcete usadit) nalijte v pondělí 20-30 litrů do nádob, ve středu nalijte do akvária a znovu usaďte do soboty a neděle. A nahradit 60 litrů na litr je trochu moc. Samozřejmě je to pro majitele plus, ale více neznamená vždy lépe.
Aqua je téměř vždy považována za „hrubou“. Podle vnějšího objemu. Bez skla, zeminy a dekorací jich nebude více než 170. To je více než 35 %. Pro mě až příliš.
Ano, těchto 60 kg je stále třeba zvednout do výšky 1,5 metru.
Hadice z kohoutku je mnohem kompaktnější. Vejde se do skříňky.
Používám jednu hadici na napouštění i vypouštění. Přitáhl jsem si ji k sobě a do toalety. (Na vývod filtru jsem dal hadici – výtok je spolehlivější). Vypustil jsem 20-30% vody. Konec jsem našrouboval na vývod sprchy, smíchal horkou + studenou = teplou vodu a dal do sklenice.
Používám jednu hadici na napouštění i vypouštění. Přitáhl jsem si ji k sobě a do toalety. (Na vývod filtru jsem dal hadici – výtok je spolehlivější). Vypustil jsem 20-30% vody. Konec jsem našrouboval na vývod sprchy, smíchal horkou + studenou = teplou vodu a dal do sklenice.
+1
Ale z každého pravidla existují výjimky. Jednou jsem zaplatil za své sebevědomí, z technických důvodů nám na jeden den vypnuli vodu, po zapnutí byla voda velmi plynatá, vezmete ji do rukou a je bílá jako mléko. Tomuto faktu jsem nevěnoval pozornost, vypustil jsem 25% vody v akváriu, začal ji měnit a po 5 minutách celé akvárium vypadalo jako sklenice šampaňského, 15 minut po výměně se začaly botie a křížence cítit špatně, zatímco jsem je chytal a přenášel do akvária s krevetami, přišel jsem o dvě ryby :(.
To je tak poučný příběh, teď vždycky zkontroluji vodu v kohoutku, než ji vypustím.
P.S. Akvárium bublalo ještě dva dny, terčovci a křídlovci všechno přežili bez přesazování.
Za 5 minut celá voda vypadala jako sklenice šampaňského. Stala se tam stejná chyba, no díky Bohu, že to nikdo neudělal. Všiml jsem si, že je lepší brát vodu z kohoutku večer, když jsem ji ráno měnil, občas jsem si všiml “nervozity” v chování ryb po výměně. Asi se do vody přes noc dostane ze starých trubek spousta haraburdí.
Měli jsme případ, kdy jsme po výměně přišli o akvárium.
To znamená, že uhynulo obrovské množství trávy. Ale voda ten den nevypadala ani nechutnala jinak. A to je bohužel nepředvídatelné. A usazování problém nevyřeší a nikdo před každou výměnou nedělá komplexní testy. Bohužel si tuto loterii nehrajeme z vlastní vůle.
A suplování nikdy nedělám ráno. Obvykle je to v sobotu nebo neděli večer, nebo v obzvlášť rušný den, ale téměř vždycky večer.
„protože podle Sheng Shui je voda večer nabita energií slunce“ , ale ve skutečnosti ráno prostě není čas.
vBulletin verze 3.8.7, © 2000-2025, Jelsoft Enterprises Ltd.
Překlad: © Vitaliy Stopchansky, 2004-2010
