Уменьшение отложений в водопроводных и канализационных сетях

Водные объекты, наряду с водопроводными и канализационными сетями, составляют неделимую систему. Отложения и обрастания в звеньях таких систем происходят постоянно. Это связано как с процессами, происходящими в материале поверхности трубопроводов, так и водной среде [1÷5].

Химический и физический состав воды, характер ее движения внутри трубы оказывают существенное влияние на процессы формирования отложений. При этом меняются геометрические характеристики внутренней части трубы, уменьшается средний диаметр, изменяется гидравлическое сопротивление.

Медленное течение воды в трубопроводе является причиной выделения из нее грубодисперсных примесей и образования донных отложений. Наслоения из органики подвержены процессам гниения и приводят к качественному изменению воды, усиливают коррозию в трубах.

Типичным неорганическим отложением является гидроксид железа. Его появлению способствует высокое содержание железа в воде. Наслоения данного вида со временем отвердевают под действием всевозможных выпадающих в осадок примесей воды.

Если в трубопроводе движется вода, имеющая положительный индекс насыщения, то может выделяться и наслаиваться на внутреннюю поверхность карбонат кальция. Работа систем водяного охлаждения связана с накипными отложениями. Они образуются на поверхности теплообмена. При нагреве воды происходит смещение в правую сторону равновесия реакции

2НСО 3 - → СО 3 + СО 2 + Н 2 О.

При этом теряется растворенная углекислота и образуется СаСО 3 , что вызвается присутствием в жидкости ионов кальция. Основной составляющей накипи является карбонат кальция, совместно с которым к поверхности труб прилипают взвешенные вещества. Тем самым существенно увеличивается суммарная масса отложений.

Комплекс мер по предотвращению процессов образования отложений составляют: регулирование скорости вертикального движения взвешенных в воде примесей, противокоррозионные мероприятия, предварительная подготовка воды, включающая в себя ее обезжелези-вание.Образование биологических обрастаний связано с микроорганизмами, попадающими в трубопроводы вместе с водой из поверхностного водного объекта.

Особенно быстро обрастания проходят при наличии питательных веществ, подходящей температуры, в среде фосфорных соединений, при перманганатной окисляемости воды выше 4^6 мгО 2 /л.

Очищенные сточные воды чаще всего имеют повышенный процент солесодержания, различного рада специфические примеси. Сточные воды городских канализационны обладают повышенной биогенностью, связанной с присутствием примесей из органики, соединений азота и фосфора. Сточные воды могут отличаться повышенным содержанием хлоридов и сульфатов, высокой концентрацией кальция и магния.

Наличие биологических обрастаний на-рушет технологический процесс в трубопроводных системах, уменьшает интенсивность теплообмена в охладительных системах. Для борьбы с биологическими обрастаниями используют различные реагенты, как правило включающие в себя соединения хлора, специальные краски.

Решение уравнений, описывающих математическую модель [6] с использованными параметрами показывает меньшее количество отложений в трубе с турбулизаторами. Это обусловлено тем, что в более сильно турбули-зованном потоке, с одной стороны, большее число кристаллов уносится за счет их слияния и укрупнения в размерах, а с другой стороны, более высокий уровень динамических напряжений понижает вероятность прикрепления оседающей частицы на стенке. Эта картина соответствует современным представлениям о механизме формирования осадка и подтверждает адекватность модели в целом. Кроме того, согласование расчетных значений и экспериментальных данных по толщине осадка подтверждает адекватную настройку параметров модели.

В соответствии с математической моделью и результатами экспериментов [6] зависимость скорости роста слоя осадка от касательного напряжения на стенках трубы может быть записана:

W = W ₀ ⋅ exp( -α ₁ ⋅τ _w ),              (1)

где: W – скорость роста слоя осадка на стенке трубы при данном значении τ _w , мм/год; τ _w – касательное напряжение на стенке, Па; W 0 – скорость роста слоя осадка на стенке трубы при τ _w = 0 , мм/год; α 1 – эмпирическая константа, зависящая от жидкости и условий течения, м²/Н.

Касательное напряжение на стенке трубы связано с коэффициентом гидравлических потерь λ на трение по длине трубопровода [7]:

τ w = 0,125 ⋅λ⋅ρ⋅ V ²,                 (2)

где: V – средняя (по расходу) скорость жидко- сти в трубе, м/с; ρ – плотность жидкости, кг/м3.

Как правило, при отложении осадка при турбулентном режиме течения, трубы можно считать гидравлически гладкими, поэтому коэффициентом гидравлических потерь найдем по формуле Блазиуса [7]:

λ= 0,316 ⋅ Re ^{- 0,25}, Re = V ⋅ D / ν , (3) где: Re – число Рейнольдса; D – внутренний диаметр трубы, м; ν – коэффициент кинематической вязкости жидкости, м²/с.

Подставляя (3) в (2), получим

τ = 0,0395 ⋅ Re ^{- 0,25} ⋅ρ⋅ V ² = ...

• ^{w ,}                                   .           (4)

... = 0,0395 ⋅ ( ρ⋅ν ²/ D ² ) ⋅ Re^1,75

Преобразуем (1) с учетом (4):

w = W / W ₀ ⋅ exp( -α ⋅ Re^1,75) ,

α= 0,0395 ⋅α ₁ ⋅ρ⋅ν ²/ D ². (5)

На рис. 1 представлена зависимость безразмерной скорости роста отложений от числа Рейнольдса при различных значениях α . Заметим, что величина α является безразмерной.

Рисунок 1 – Зависимость безразмерной скорости роста отложений от числа Рейнольдса : 1 – 10 ¹⁰ · α = 0,3; 2 – 0,5; 3 – 0,7; 4 – 1,0

Дифференциальное уравнение динамики внутреннего диаметра трубы: dD=-2⋅W0⋅exp(-α⋅Re1,75), D(0)=D0, (6) dT где: D0 – начальный диаметр трубы, м; T – время эксплуатации трубопровода, годы. Введем безразмерные переменные диаметра трубы и времени:

δ= ^D , D 0

_t = 2 ⋅ W 0 ⋅ T 1000 ⋅ D ₀

.

Тогда задача Коши в безразмерной форме будет иметь вид:

• ^d δ=- exp( -α⋅ Re( δ )^1,75), δ (0) = 1. (8) dt

Чтобы задача Коши была замкнутой, из формулы Дарси-Вейсбаха [7]

h λ V ² I = ^L = ⋅

LD 2 g

получим, с учетом (3), зависимость числа Рей- нольдса от текущего относительного диаметра трубопровода:

Re( 6 ) = 2,87 • ( I - B -6 3 ) 4/7 ,

B = g - D ₀³/ v ², I = H / L .         (10)

Пусть для определенности начальный внутренний диаметр трубы D 0 = 0,18 м; длина трубопровода L = 1500 м; напор и подача насоса H = 12,5 м; Q 0 = 100 м³/час. Используется центробежный фекальный насос СМ150-125-315а, гидравлические характеристики которого представлены на рис. 2 [8].

Рисунок 4 – Зависимость числа Рейнольдса от безразмерного времени : 1 – 10 ¹⁰ · α = 0,5; 2 – 1,0; 3 – 1,5; 4 – 2,0

Рисунок 2 – Гидравлические характеристики центробежных, фекальных насосов

СМ150-125-315 [5]

Численное решение задачи Коши (8) при нескольких значениях α представлено на рис. 3; видно, что изменение величины α мало влияет на уменьшение относительного диаметра трубы. Это является следствием слабой зависимости от α числа Рейнольдса (см. рис. 4). В дальнейших расчетах полагаем α = 10¹⁰.

Как показано на рис. 5, изменение диаметра трубопровода по времени существенно зависит от величины W 0 .

Рисунок 3 – Зависимость относительного диаметра трубы от безразмерного времени : 1 – 10 ¹⁰ · α = 0,5; 2 – 1,0; 3 – 1,5; 4 – 2,0

Рисунок 5 – Изменение диаметра трубы по времени при α = 10 ¹⁰ : 1 – W 0 = 2 мм/год; 2 – 3 мм/год; 3 – 4 мм/год; 4 – 5 мм/год

В соответствии с гидравлической характеристикой насоса СМ150-125-315а (см. рис.2), рабочий интервал подачи от 60 до 150 м3/час. По рис. 6 можно определить, через сколько лет эксплуатации рабочая точка насосной установки будет ниже 60 м3/час.

Тогда коэффициент полезного действия насоса упадет, расходы на перекачку необходимых объемов жидкости значительно увеличатся. При W₀ = 2 мм/год это произойдет через 8,5 лет, а при W 0 = 5 мм/год – через 3,5 года. Период технического обслуживания трубопроводной системы одним из современных методов (см., например, [9]) должен быть меньше найденного времени.

Рисунок 6 – Изменение расхода жидкости по времени при α = 10 ¹⁰ : 1 – W ₀ = 2 мм/год; 2 – 3 мм/год; 3 – 4 мм/год; 4 – 5 мм/год