Материал: Системы обеззараживания сточных вод
Системы обеззараживания сточных вод
Содержание
Введение
. Анализ состояния вопроса автоматизированного проектирования резервуара обеззараживания воды
.1 Применение ультразвукового и ультрафиолетового излучений для обеззараживания воды
.2 Гидравлические процессы в рабочей емкости резервуара
.3 Прочностные свойства компонентов резервуара
.4 Применение современных инженерных программных сред
.5 Метод конечных элементов
.6 Постановка цели и задачи исследования
. Проектирование и расчет сосудов, работающих под давлением
.1 Общие положения при проектировании и расчете сосудов, работающих под давлением
.2 Описание и устройство установки
.3 Гидравлические испытания
.4 Механические испытания
. Конечно-элементное моделирование резервуара, работающего под давлением
.1 Анализ потока жидкости в среде FlowSimulation
.2 Исследование потока жидкости
.3 Исследование прочностных свойств в среде Simulation
.4 Критерии прочности, используемые при расчетах в среде Simulation
.5 Расчет резервуара на прочность в среде Simulation
. Анализ результатов напряженно-деформированного состояния
.1 Аналитическая оценка допустимых нагрузок на элементы сосуда
.2 Условия статической прочности элементов сосудов, работающих под давлением
.3 Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния
.4 Методика расчета установки
. Оптимизация конструкции установки и сравнение результатов
.1 Оптимизация конструкции установки и расчет потока жидкости
.2 Анализ статической прочности оптимизированной конструкции
Заключение
Список использованных источников
Приложения
Введение
На сегодняшний день многие организации начинают активно оснащать свое производство установками для обеззараживания воды. Наиболее ответственными компонентами в них являются места соединений фланцев с основным корпусом (трубой), а также отверстия болтовых соединений.
Требование безопасности делает необходимым проведение испытаний конструкции на прочность при давлении воды в рабочем и аварийном режимах. сосуд обеззараживание резервуар
В условиях современного машиностроительного производства расчеты на прочность играют важную роль при создании конечного изделия.
В процессе эксплуатации основную нагрузку воспринимают фланцы, которые служат опорами кварцевых чехлов с расположенными внутри них ультрафиолетовыми (УФ) лампами. Основная опасность заключается в том, что при деформации фланцев увеличивается риск повреждения чехлов и УФ ламп.
Это связано с ошибками при проектировании изделия, несоблюдением технологии производства, дефектами материалов, а также с потерей прочностных качеств в результате превышения рабочего давления в процессе эксплуатации.
При расчете сосудов и аппаратов, работающих под давлением, руководствуются нормативными документами. Но они имеют ряд ограничений, накладываемых на расчетную модель.
Появление новых программных сред придало импульс совершенствованию инженерных методов анализа. Средства автоматизации, основанные на численных методах, стали неотъемлемой частью процесса проектирования.
Использование специализированных расчетных программных модулей, основанных на применении метода конечных элементов (МКЭ), дает возможность инженеру снизить риски возникновения ошибок при проектировании конструкции. Применение CAE - систем позволяет учитывать различные факторы: наличие сварных швов, температурные градиенты, тип соединений компонентов и т. д. Поэтому анализ прочности и надежности резервуаров, работающих под давлением, является актуальной задачей.
Таким образом, целью магистерской диссертационной работы является анализ напряженно-деформированного состояния компонентов резервуара и разработка методов оптимизации конструкции на примере установки для обеззараживания воды.
Для этого рассматривается конечно-элементная модель самой емкости, производится анализ и оценка допускаемых напряжений, отмечаются недостатки конструкции фланцев, сравнение результатов с нормативными документами и ГОСТ, оценка нормальных напряжений, предлагается методика по расчету конструкции.
1. Анализ состояния вопроса автоматизированного проектирования резервуара обеззараживания воды
.1 Применение ультразвукового и ультрафиолетового излучений для обеззараживания воды
В наше время потребность в качественной воде резко увеличилась. Чтобы вода была пригодна для употребления использования, ее необходимо предварительно очистить от примесей. На сегодняшний день основным способом обеззараживания воды является хлорирование. Крупнейшим недостатком данного метода обеззараживания воды является способность хлора образовывать новые, более ядовитые вещества с другим характером действия. В 70-х годах ХХ века было выяснено, что хлорорганические вещества являются устойчивыми и могут оказывать длительное неблагоприятное действие, вследствие повторного нарушения функций организма человека [10].
Это послужило серьезным импульсом в поиске и разработке альтернативных методов обеззараживания воды. Среди множества методов физического и химического воздействия на микроорганизмы наибольшее применение в промышленности получили следующие:
. Из реагентных - применение диоксида хлора (ClO2), озона (О 3) и пероксида (перекиси) водорода (Н 2О 2);
. Из физических - облучение ультрафиолетом (УФ).
В нашей стране разрабатывается и внедряется промышленное оборудование для обеззараживания воды, сочетающее в себе совместное действие ультрафиолетового и ультразвукового излучения.
Ультразвук представляет собой упругие волновые колебания, имеющие частоту выше, чем может воспринимать человек, - 15 - 20 кГц (рисунок 1) [4].
При воздействии ультразвукового излучения на жидкость возникают
специфические физические, химические и биологические явления - кавитация,
диспергирование, эмульгирование, капиллярный эффект, дегазация, локальный
нагрев, обеззараживание и пр. [5].
Рисунок 1 - Звуковая шкала
Введение в зону обработки упругих колебаний достаточной мощности с ультразвуковой частотой позволяет получить уровни обеззараживания, достижение которых только лучевой энергией невозможно. Вода подвергается комплексному ультразвуковому воздействию, при котором происходит дробление бактериальных кластеров на более мелкие элементы, разрушение микроорганизмов и преобразование органических фаз.
Ультразвук порождает в воде кавитацию (локальные микровзрывы пузырьков по всему объёму), возникающую при интенсивностях звукового поля выше порогового значения 0,3 - 1 Вт/см 2, и акустические течения. Увеличение частоты приводит к росту порогового значения интенсивности, соответствующего началу кавитации. Чем ниже частота, тем проще добиться эффекта кавитации, поэтому во многих устройствах используют ультразвук частотой 20 - 22 кГц [6].
Применение в промышленных установках обеззараживания воды совместного действия ультразвука и ультрафиолета несет в себе двойную функцию:
· они непрерывно очищают кварцевый чехол УФ лампы, и он длительное время остаётся прозрачным. Таким образом, отпадает необходимость останавливать установку для промывки, как это часто случается с оборудованием, использующим только ультрафиолетовое излучение;
· ультразвук сам по себе обладает обеззараживающим эффектом, поскольку кавитация разбивает скопления микробов и поражает клеточные оболочки, делая их более уязвимыми для ультрафиолетовых лучей. Таким образом, можно говорить об обеззараживании воды в едином светозвуковом поле.
Применение ультразвука для водоподготовки основано на выполнении гигиенических требований к качеству питьевой воды согласно санитарным правилам и нормам [11, 12, 18]:
· СанПиН 2.1.4.1074-01;
· СанПиН 2.1.4.1116-02;
· ГОСТ 12.2.051-80 и др.
Объектом исследования магистерской диссертации была выбрана камера для
обеззараживания воды, произведенная фирмой "Новотех - ЭКО",
используют технологию совместного действия УЗ волн и УФ излучения (рисунок 2).
Они могут быть внедрены на водозаборных станциях после всех стадий очистки
перед подачей воды в трубопровод.
Рисунок 2 - Модель камеры
Такие установки изготавливаются в виде резервуара проточного типа различной конфигурации (рисунок 3).
Рисунок 3 - Исполнение рабочей емкости установки
1.2 Гидравлические процессы в рабочей емкости резервуара
Жидкость в гидравлике рассматривается в качестве непрерывной среды, которая заполняет пространство без пустот и промежутков. Ввиду подвижности частиц (текучести) в жидкости действуют не сосредоточенные силы, а постоянно распределенные по ее поверхности или объему. В связи с этим силы, воздействующие на объемы жидкости и являющиеся по отношению к ним внешними, делятся на поверхностные и объемные (массовые).
Массовые силы пропорциональны массе жидкости или ее объему (применимо к однородной жидкости). К ним относятся сила инерции поперечного движения, а также сила тяжести, действующая на жидкость.
Поверхностные силы непрерывно рассредоточены по поверхности жидкости и пропорциональны площади ее поверхности. Они обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с данной жидкостью.
В процессе эксплуатации внутри камеры возникают различные процессы, связанные с протеканием воды через рабочую емкость. Опыты английского физика О. Рейнольдса установили, что характер течения жидкостей в трубах зависит от следующих четырех факторов:
· средней скорости жидкости;
· диаметра трубопровода;
· динамической вязкости жидкости;
· плотности жидкости.
Вязкость (или внутреннее трение) - это способность текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Внутреннее трение жидкостей возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения.
Помимо всего прочего от действия УЗ излучателей в емкости образуется
кавитация (рисунок 3). Кавитация - это образование разрывов сплошности жидкости
в результате местного понижения давления. Если понижение давления происходит по
причине возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся капельной
жидкости, то такая кавитация называется гидродинамической, а если ввиду
прохождения в жидкости акустических волн, то акустической.
Рисунок 3 - Образование кавитации
Акустическая кавитация порождает ряд эффектов. Некоторая часть из них обязана своим происхождением ударам при захлопывании полостей и микроскопическим потокам в непосредственной близости к пузырькам (эмульгирование жидкостей, очистка, диспергирование и разрушение твердых тел). Другие эффекты (катализаторы химических реакций) связаны с ионизацией при образовании полостей.
В процессе испытаний и эксплуатации в рабочей емкости возникает такое явление как гидравлический удар. Его возникновение основано в результате резкого повышения давления при внезапной остановке движущейся жидкости. Данное явление проявляется при быстром закрывании различных запорных устройств (кранов, вентилей и т. д.).
Гидродинамические процессы сопровождаются высокоскоростным распространением волн повышенного давления, которые носят характер гидравлического удара. В результате подобного удара возникают порывы в наиболее ослабленных местах трубопроводной системы, которая, по причине износа, не способна выдержать ударные динамические нагрузки.
Существует несколько способов устранения гидроудара:
· замена шаровых кранов на вентили или винтовые задвижки;
· использование демпфирующих устройств (воздушные карманы, обратные клапаны, разрушаемые мембраны, стабилизаторы давления).
Гидродинамические процессы являются источником 70% всех аварий и инцидентов на трубопроводах, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями, что приводит к деформации и их разрушению.
1.3 Прочностные свойства компонентов резервуара
На сегодняшний день к резервуарам, работающим под давлением, наряду с герметичностью, предъявляют высокие требования по безопасности и надежности. Удовлетворение этих требований зависит от качества комплектующих изделий, технологии, сборки и пр. Однако этого бывает недостаточно, чтобы обеспечить работоспособность изделия в целом.
Одними из главных особенностями резервуаров являются прочность и жесткость.
Под прочностью понимается способность материалов и механизмов сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Жесткость - это способность деталей машин и механизмов сопротивляться изменению их формы и размеров под действием внешних сил.
Наиболее частыми причинами разрушения сосудов являются:
недостатки конструкции;
превышение предельно допустимого давления;
потеря механической прочности материала сосуда из-за коррозии, внутренних дефектов, перегрева и т.д.;
неисправность защитных устройств;
неправильная эксплуатация.
Стенки резервуаров работают в условиях растягивающих напряжений, часто при повышенных температурах, нередко в контакте с активными и агрессивными средами. В целях обеспечения безопасности работы необходимо задавать достаточно большие запасы прочности. Однако толщина сосудов должна быть ограниченной из-за технологических, экономических и других соображений. Иногда масса сосудов давления ограничена условиями технической осуществимости проекта в целом. Повреждение и разрушение как результат развития трещин - типичная форма предельного состояния сосудов, работающих под давлением, а также трубопроводов.
Пробной гидравлической нагрузкой испытывают замкнутые сосуды типа паровых котлов и сосудов, работающих под давлением, в том числе и трубопроводы. В правилах устройства и эксплуатации при гидравлических испытаниях ставится задача проверки прочности конструкции и герметичности сварных швов и соединений. Однако в действительности при подобных испытаниях создаются такие условия работы конструкции, при которых пробная нагрузка значительно меньше коэффициента запаса прочности (безопасности). В этом случае можно говорить лишь о частичной проверке прочности, так как в основном, при гидравлических испытаниях проверяется непроницаемость сварных швов и соединений.
На сегодняшний день не существует конкретных методик расчета элементов резервуаров на прочность с учетом гидравлического воздействия потока жидкости. Поэтому, создание методов расчета, оптимизация конструкции и адаптация объекта исследования к требованиям стандартов является актуальной темой данного исследования.