Автор: Станиcлав Витальевич Рыков, к.ф.-м.н., Экологичеcкий Центр ОВОП г. Моcквы
Эффективное, быcтрое и качеcтвенное перемешивание доcтаточно больших объёмов воды, дозированная добавка небольших количеcтв выcокоактивных реагентов при очиcтке воды, когда требуетcя быcтро и качеcтвенно раcпределить реагент по всему обрабатываемому объёму, аэрация прудов-очистителей и других объектов водоподготовки и водоочистки - серьёзные технические задачи, постоянно возникающие перед специалистами. Проблема малой насыщенности кислородом массы воды непроточных, застойных и слабопроточных водоёмов также всегда стоит очень остро, особенно в летние месяцы. Отсутствие, недостаток кислорода вызывает гибель многих водных живых организмов, в первую очередь, рыбы. Реализация сложных химико-технологических процессов очистки воды практически невозможна без современных технологий перемешивания и аэрации - барботажа, процесса насыщения жидкости кислородом.
Дешёвое, простое, надёжное и достаточно универсальное устройство для аэрации и эффективного перемешивания водных масс в достаточно толстом слое было бы очень необходимо и полезно, особенно если оно может работать в автономном режиме. Так, например, компания CanadianPond.ca Products Ltd. заявила о выпуске труб BubbleTubing, отяжеленных без использования свинца и других тяжелых металлов. Они предназначены для очистки сточных вод и аэрации искусственных водоемов. Подаваемый в них сжатый воздух выходит на дне водоёма и поднимается на поверхность в виде пузырьков, эффективно обогащая кислородом воду и дно водоёма, где накапливаются очищающие её бактерии.
Достаточно гибкая конструкция труб Bubble Tubing позволяет использовать их в любых типах водоёмов. Балласт из плотного ПВХ делает их экологически безопасными. Благодаря отсутствию свинцового киля они стали не только надежнее, но и в отличие от других рассеивающих труб более гибкими, что полностью исключает появление изломов, скручиваний или каких-либо следов деформации. Произведённая с большой точностью перфорация воздухопровода позволяет создавать совсем маленькие пузырьки, увеличивая тем самым передачу кислорода и повышая эффективность.
Наиболее перспективными методами очистки природных вод от органических примесей в мире считаются технологии, основанные на окислительных процессах, включающих комбинированное воздействие УФ-излучения, окислителей и реагентов-катализаторов. Озонирование и обработка УФ (при активном перемешивании) эффективно очищают воду от антропогенных примесей и соединений, вызывающих привкусы и запахи. Современные нанотехнологии по данным лабораторных исследований позволяют удалять из воды даже ионные загрязнения.
При проведении эксперимента был обнаружен гидродинамический эффект устойчивой стационарной циркуляции в вертикальной плоскости жидкости, помещённой во вращающийся вокруг вертикальной оси цилиндр. На основе этого эффекта разработаны: аэратор, насос, динамический фильтр-насос, мешалка-дозатор и ряд других полезных устройств. При вращении жидкости, помещённой в вертикальный вращающийся цилиндр, поверхность её принимает форму параболоида [1,2].
Известно, что в начальный момент времени при изменении скорости вращения жидкости (цилиндра с жидкостью) от нуля до стационарного значения, возникает временное движение жидкости в вертикальной плоскости (поверхность жидкости принимает параболическую форму).При этом по центральной оси возникает ниспадающий поток. Движение прекращается при приобретении жидкостью стационарного состояния для данной скорости вращения.
Однако, как показали наши эксперименты, при увеличении скорости вращения жидкости больше определенной критической величины, возникает устойчивая стационарная циркуляция в вертикальной плоскости. При этом по оси жидкости (цилиндра) возникает восходящий поток, по краям (вдоль внутренних стенок цилиндра) -нисходящий.
В природных условиях рассматриваемый эффект, возникающий в смерчах и тайфунах (создающих мощные, вращающиеся с большой скоростью столбы жидкости над водной поверхностью), может вызывать эффективный подъём придонных слоев воды, т.е. эффективное перемешивание водных масс с одновременным насыщением (аэрацией) их воздухом (кислородом).
Краткоетеоретическоеописание эффекта (эффектЭРСВ)
Показано, что при быстром вращении цилиндрического столба жидкости по его оси возникает устойчивый восходящий поток.
Известно, что при вращении свободная поверхность жидкости принимает форму параболоида и описывается очевидным уравнением
где
h- высота столба жидкости;
ω- угловая скорость;
g- ускорение свободного падения;
— расстояние от оси столба жидкости (т.е.радиус вращающегося столба жидкости).
Известно, что в начальный момент времени при изменении скорости вращения от нуля до стационарного значения (ω0 стац.) возникает затухающее движение жидкости в вертикальной плоскости (по оси возникает ниспадающий поток) (см. например 2), прекращающееся при приобретении всей жидкостью ω0стац.
Циркуляция хорошо наблюдается при условии:
где:
/ - высота столба жидкости в свободном состоянии;
d - диаметр столба жидкости,
т.е. основание мениска не должно опускаться до нижнего края столба жидкости.
Ограничение столба жидкости снизу, если основание мениска некасается ограничивающей плоскости, не оказывает влияния ни на величину ω0 ни на характер циркуляции. Устранение возможности образования мениска в верхней части вращающегося столба жидкости (например вращение вокруг оси закрытого с двух сторон цилиндра, заполненного до верха) полностью убирает эффект циркуляции при любых, реально достигаемых скоростях вращения (в эксперименте ωmax≈450 рад/сек.).
Диаметр восходящего потока ≈ 0,7d, т.е. (как и следовало ожидать) сечения восходящего и ниспадающего потоков равны. Если столб жидкости ограничить снизу плоскостью с отверстием по оси диаметром
0,7d, то при ω ≥ ω*кр восходящий поток возникает, а ниспадающий отсутствует. При быстром вращении цилиндра, открытого сверху, а в нижней части (опущенной в сосуд с жидкостью) имеющего отверстие диаметром≤0,7d, жидкость начинает подниматься и, дойдя до верхнего края цилиндра, разбрызгивается по сторонам.
Если вращающийся с ω ≥ ω*кр цилиндр, полностью открытый с обоих торцов опустить в сосуд с жидкостью (при условии, что 10d<D, 10l°<L, где D-диаметр сосуда, l0- глубина погружения цилиндра, L- высота жидкости в сосуде), то в сосуде возникает вращающийся с ω ≤ ω*кр шнур жидкости, медленно прецессирующий (вращающийся с? << ω*кр) относительно оси сосуда. Шнур расширяется от обреза цилиндра с углом раскрыва а~15° и достигает дна сосуда. Нижний конец шнура медленно
колеблется относительно оси сосуда, от чего шнур изгибается в вертикальной плоскости. Внутри шнура существует восходящий поток, который входит внутрь вращающегося цилиндра, доходит по его оси до свободной параболической поверхности и вдоль стенки опускается до нижнего обреза, где за счет центробежных сил разбрасывается прочь от оси сосуда. По-видимому, наблюдаемые эффекты возникают за счет явления "сдува" поверхностного слоя жидкости, которое возникает в том случае, когда проекция центробежной силы, действующая на поверхностный слой, на касательную к параболической поверхности, не компенсируется компонентной силы тяжести и поверхностным натяжением .
Приближенное выражение для ω*кр можно получить, считая, что при изменении угловой скорости на Δωсовершается работа, равная приращению кинетической энергии (dU’k), которая тратится на преодоление сил поверхностного натяжения (GdS, где S- площадь свободной поверхности, G- сила поверхностного натяжения) и приращение потенциальной энергии (dU”n) слоя жидкости над плоскостью, проходящей через низшую точку свободной поверхности [1]:
где U’k - кинетическая энергия вращающегося столба жидкости со свободной параболической поверхностью;
U”n - кинетическая энергия вращающегося столба жидкости того же диаметра и того же объема, но ограниченную сверху плоской поверхностью.
Для параболической поверхности жидкости U’k, U”n и S легко рассчитать:
где ρ - плотность жидкости.
и тогда
Формула дает вполне удовлетворительное совпадение с экспериментом. Так при 23° С, в цилиндре с внутренним d = 8 мм циркуляция воды возникает при
Расчет дает
Описаниемешалки-дозатора-смесителя
Основным рабочим элементом мешалки является калиброванная (с допустимым эксцентриситетом по всей трубке < 0,1 мм) строго соосная цилиндрическая трубка с внутренним диаметром d = 10 мм, вращающаяся вокруг оси со скоростью ~ 50 оборотов/с. Внутренняя поверхность трубки специально обработана (ноу-хау). За счет гидродинамического эффекта, обнаруженного автором и возникающего на параболической поверхности вращающегося столба жидкости (внутри трубки), вдоль оси трубки возникает восходящий поток жидкости диаметром ~7 мм с линейной скоростью ~ 4 см/с. Ниспадающий вдоль стенок поток (благодаря центробежным силам) отбрасывается от нижнего торца трубки, усиливая эффект перемешивания. Объём жидкости 0,5 л обычной вязкости (например, вода) полностью перемешивается за 1-2 с. Особенно эффективно перемешивание происходит, если один из компонентов вводить внутрь вращающейся трубки-смесителя
Литература
2. Р.В. Поль, «Механика, акустика иучениеотеплоте», Наука, М., 1971
