Hydraulika urządzeń uzdatniania wody - ebook

Zestawienie zastosowanych symboli

A – pole powierzchni (np. przekroju czynnego)

b – szerokość przelewu

C – stężenie (koncentracja) gazu lub ziaren w wodzie (np. C_(m), C_(v)), bezwymiarowe

d – średnica ziaren

d, D – średnica rury

e – energia jednostkowa, gęstość energii lub grubość ściany rury

E – energia strumienia

F – siła

F – wymiar wielkości siły, np. = F

g – przyspieszenie grawitacyjne

G – siła ciężkości lub ciężarowe natężenie przepływu

h – wysokość strat hydraulicznych lub wysokość strumienia nad przelewem

H – napór hydrauliczny lub wysokość (np. ssania, tłoczenia, podnoszenia (pompowania))

H_(u) – użyteczna wysokość podnoszenia pompy

k – chropowatość bezwzględna wewnętrznych ścian rury

l – długość geometryczna

L – długość obliczeniowa, określona wzorem: L = l + l_(z)

L – wymiar wielkości liniowej, np. = L

m – masowa ilość płynu

n – częstotliwość obrotów (szybkość obrotowa), np. wirnika pompy

N – moc lub liczba określonych elementów składowych

p – ciśnienie bezwzględne

P – moc

Q – objętościowe natężenie przepływu lub wydajność; definiowane jako ∆V/∆t

R – punkt roboczy pompy

Re – liczba Reynoldsa, bezwymiarowa

R_(h) – promień hydrauliczny strumienia

t – czas

T – wymiar czasu, np. = T

U – obwód zwilżony przekroju poprzecznego

V – objętość (np. V_(u) – pojemność użytkowa (regulacyjna) zbiornika)

w – prędkość średnia w przekroju poprzecznym strumienia, definiowana jako Q/A , lub wzniesienie korony przelewu nad dnem kanału przed przelewem

z – rzędna

ε – chropowatość względna ścian rury, definiowana wzorem ε = k/D, bezwymiarowa, lub powierzchniowa koncentracja pęcherzyków gazu w przekroju strumienia w rurze, bezwymiarowa

γ – ciężar właściwy

φ – współczynnik prędkości strumienia w otworze lub nad przelewem, bezwymiarowy

λ – współczynnik liniowych oporów hydraulicznych, bezwymiarowy

µ – dynamiczny współczynnik lepkości lub współczynnik przepływu przez przelew, bezwymiarowy

ν – kinematyczny współczynnik lepkości

ρ – gęstość masy

η – współczynnik sprawności (pompy lub podnośnika), bezwymiarowy

Ψ – względne zanurzenie komory iniekcji powietrza w podnośniku (wg wzoru 7.63), wielkość bezwymiarowa, lub współczynnik przewężenia strumienia nad przelewem lub w otworze, bezwymiarowy

ζ – współczynnik lokalnych oporów hydraulicznych, bezwymiarowy

Wskaźniki dolne

a – wielkość absolutna, bezwzględna (np. p_(a))

b – barometryczny, atmosferyczny (np. p_(b))

c – wielkość ciężarowa/wielkość całkowita/wielkość odnosząca się do fazy ciekłej

d – wielkość odnosząca się do zwierciadła dolnego (np. z_(d))/wielkość dynamiczna (np. z_(d))

f – wielkość odnosząca się do filtrowania lub filtra (np. h_(f), k_(f), l_(f))

g – wielkość geometryczna (np. H_(g))/wielkość odnosząca się do zwierciadła górnego (np. z_(g))/wielkość odnosząca się do gazu (fazy rozproszonej)

h – wielkość pozioma (horyzontalna) (np. F_(h))

i – indeks oznaczający numer godziny w dobie (i = 1, 2, …, 24)/dotyczący przekroju iniekcji powietrza do podnośnika

k – indeks oznaczający parametr końcowy

l – indeks oznaczający wielkość liniową

m – wielkość masowa (np. Q_(m))/wielkość miejscowa (lokalna)/wielkość odnosząca się do mieszaniny (np. Q_(m), w_(m), ρ_(m))

max – wielkość maksymalna

min – wielkość minimalna

n – wielkość odpowiadająca warunkom normalnym (np. p_(n), Q_(n))

o – wielkość początkowa/wielkość spoczynkowa (hydrostatyczna)/wielkość odnosząca się do przekroju początkowego

p – wielkość odnosząca się do pomp/pompowania (np. Q_(p))

r – wielkość odnosząca się do stabilizowanego rozbioru wody z j-tych węzłów sieci (np. Q_(r) ≡ Σq_(j))

s – wielkość odnosząca się do króćca ssawnego pompy (np. H_(s))/wielkość stracona (np. h_(s))/wielkość odnosząca się do wody surowej

sr – wielkość średnia (np. w_(sr), p_(sr))

t – wielkość odnosząca się do króćca tłocznego pompy (np. H_(t))

u – indeks oznaczający tzw. wielkość użyteczną (np. H_(u), V_(u))/wielkość dotycząca układu

v – podciśnienie (ciśnienie wakuometryczne, np. p_(v))/wielkość odnosząca się do objętości (np. C_(v))

w – wielkość odnosząca się do wody (fazy ciągłej)/indeks odnoszący się do fazy wodnej (np. Q_(w))

z – wielkość odnosząca się do wielkości zastępczej (np. l_(z)) lub do zawiesin

∞ – parametr przepływu niezakłóconego

1 – wielkość na początku (np. w przekroju początkowym rurociągu)

2 – wielkość na końcu (np. w przekroju końcowym rurociągu)

Ważniejsze symbole matematyczne, logiczne i skróty

|a| – wartość bezwzględna wielkości a

– wymiar wielkości a (np. patrz wzór (5.25))

∆x – skończony przyrost lub spadek wielkości x (np. ∆H_(k) – spadek naporu hydraulicznego w k-tym przewodzie)

dx – różniczka x, nieskończenie mała zmiana wielkości x

∞ – symbol nieskończoności

a → b – wielkość a dąży do wielkości b

≡ – identyczny/tożsamy/równy na mocy definicji

∧ – koniunkcja (i) (a ∧ b oznacza „a i b”)

∈ – przynależność ( a ∈ A oznacza, że element a należy do zbioru A)

÷ – od do, włącznie

≈ – równy z przybliżeniu

const – wielkość stała (w czasie)

idem – wielkość jednakowa (wszędzie taka sama)

var – wielkość zmienna

dim – wymiar (łac. dimensio)1. WPROWADZENIE

Obowiązkiem nauczyciela jest… wyłożyć rzecz prosto i jasno.

Uważam za ciężki zarzut, gdy mi ktoś powie, że mnie nie zrozumiał.

Jednak, aby myśl przeszła z umysłu piszącego lub mówiącego

do umysłu czytającego lub słuchającego,

musi być dokonana pewna praca, ale myślę, że jest lepiej,

gdy ją wykona piszący lub mówiący.

Władysław Tatarkiewicz

Głównym przedmiotem książki będzie hydraulika ciśnieniowych układów urządzeń uzdatniania wody, współdziałających z urządzeniami ujęcia wody podziemnej oraz z wyrównawczym zbiornikiem zasilającym sieć wodociągową. Oznacza to, że – zgodnie z definicją dyscypliny nauki pod nazwą hydraulika – będą analizowane fizyczne warunki przepływu wody i powietrza w określonych urządzeniach oraz budowane uproszczone modele fizyczne i matematyczne tych warunków, z zastosowaniem empirycznych metod hydrauliki, umożliwiające formułowanie odpowiednich zadań obliczeniowych doboru takich agregatów pompowych ujęcia wody, które będą zapewniać wymagane warunki przepływu przez urządzenia uzdatniania wody oraz wymagane warunki wprowadzania uzdatnionej wody do sieci, dla zmiennych w czasie rozbiorów wody.

Będą uwzględniane warunki bezreagentowych i reagentowych technologii uzdatniania wody w złożach filtracyjnych. W związku z tym zostaną przedstawione:

• opis budowy i zasad działania wybranych rodzajów układów urządzeń uzdatniania wody;

• analiza fizycznych warunków działania wybranych rodzajów instalacji uzdatniania wody oraz opracowanie analizy porównawczej ich własności przepływowych;

• sformułowanie zadań hydraulicznego obliczania i opis metod ich rozwiązywania, uzupełniony opisem algorytmów obliczania symulacji warunków działania rozważanego układu;

• ogólny opis metod regulacji i automatycznego sterowania rozważanych układów;

• opis budowy, zasad działania oraz analiza i ocena własności hydraulicznych upowszechnianej modyfikacji układu hydrauliczno-technologicznego;

w rozdziałach 4 i 5. Natomiast w rozdziałach 2 i 3 kolejno zostaną przedstawione wybrane zagadnienia szczegółowe, które występują w rozważanych układach:

• podstawowe prawa aeracji wody i przegląd konstrukcji aeratorów;

• opis budowy, zasad dziania i własności hydraulicznych jednostkowych (elementów) urządzeń technicznych do uzdatniania wody – zawężony do uzdatniania wód podziemnych i do zastosowania urządzeń ciśnieniowych wraz z wyposażeniem – oraz

• opis budowy i wyposażenia instalacji sprężonego powietrza, koniecznego w rozważanych układach urządzeń do uzdatniania wody.

Filtry ciśnieniowe, które będą analizowane w książce, zaliczane są do filtrów klasycznych (tradycyjnych, powszechnie stosowanych). Natomiast w rozdziale 6 zostaną przedstawione: budowa, zasady działania i analiza hydraulicznych warunków działania dwóch rodzajów nowoczesnych filtrów bezzaworowych – z ciągłą regeneracją złoża filtracyjnego i sterowanych układem lewarów – cechujących się wysokim stopniem innowacyjności budowy i zasad działania. Uzasadnieniem opracowania problematyki tych filtrów są ich wzrastające zastosowania do budowy stacji uzdatniania wody oraz wysokie wartości edukacyjne.

Sformułowanie tytułu książki oraz określenie jej przedmiotu i zakresu wymaga rozróżnienia podstawowych pojęć (terminów).

Urządzenie techniczne jest ogólną nazwą dowolnego zespołu elementów technicznych do wykonywania określonych czynności lub zadań; może nim być maszyna, aparat, przyrząd, konstrukcja, budowla, instalacja hydrauliczna, dowolnie złożony układ wodociągowy itp. Przykładem jest ujęcie wody podziemnej, rozumiane jako zespół takich elementów technicznych, jak: rura osłonowa studni, filtr studzienny oraz pompa głębinowa z przewodem tłocznym. Innym przykładem może być filtr do uzdatniania wody. Elementy składowe urządzenia technicznego nie zawsze oddziałują na siebie tak, jak w układzie.

Element jest to najprostsza część składowa bardziej złożonej całości, nazywanej obiektem lub urządzeniem technicznym, np. maszyny, układu uzdatniania wody, układu pompowego lub sieci wodociągowej. W opisie obiektu (urządzenia technicznego), dokonywanym z punktu widzenia określonego celu, nie zakłada się podziału tego urządzenia na części składowe (np. agregat pompowy w układzie pompowym). W zależności od charakteru badania rozpatrywany obiekt może być podzielony na wiele części, z których każda stanowi odpowiedni jego element.

Szczególnym przypadkiem urządzeń są instalacje, rozumiane jako zespół dowolnej liczby przewodów (np. rur, kabli) i osprzętu (np. armatury, wyłączników); w związku z tym wyróżnia się instalacje hydrauliczne i elektryczne. Instalacja hydrauliczna jest to zespół połączonych ze sobą przewodów rurowych, wyposażony w różnorodną armaturę i osprzęt (urządzenia kontrolno-pomiarowe, np. manometry, przepływomierze, wodomierze, urządzenia automatycznego sterowania), współdziałający z agregatami pompowymi oraz zbiornikami akumulacyjnymi lub ciśnieniowymi. Instalacje hydrauliczne służą do transportu cieczy lub gazów.

W wielu dziedzinach techniki, m.in. w technice wodociągowej, występują złożone instalacje hydrauliczne, składające się z dowolnej liczby przewodów. Połączenia co najmniej trzech przewodów nazywane są węzłami. W zależności od geometrycznej struktury połączeń wyróżnia się następujące rodzaje układów przewodów: połączone szeregowo, połączone równolegle, rozgałęzione, jedno- lub wielopierścieniowe. Przykładem może być instalacja hydrauliczno-technologiczna uzdatniania wody.

Układ jest to zbiór części (elementów) powiązanych funkcjonalnie i wzajemnie na siebie oddziałujących, co oznacza, że układ jest to zespół współdziałających elementów tworzących łącznie urządzenie techniczne (lub koncepcję techniczną), który spełnia określone zadanie. Przykładem układu może być ujęcie wody podziemnej, pompownia oraz sieć wodociągowa. Warunki układu spełnia instalacja hydrauliczno-technologiczna uzdatniania wody.

Zasilanie układu może być trojakiego rodzaju:

• grawitacyjne ze zbiornika górnego,

• z agregatu pompowego lub dowolnie złożonego układu pompowego, lub

• z ciśnieniowego zbiornika wodno-powietrznego, tzw. hydroforu.

System jest to pewna całość złożona z powiązanych ze sobą i oddziałujących na siebie elementów o różnych funkcjach i sposobach działania, mająca określony cel lub kilka celów działania. Elementy systemu mogę mieć rozmaitą postać, np. mogą to być części maszyny, pompy, agregaty pompowe lub układy pompowe, zbiorniki itp. Powiązania pomiędzy elementami, wyrażające ich przynależność do systemu, nazywane są jego strukturą. Przykładem systemu może być wodociąg.

Rozróżnia się systemy jednowymiarowe, mające jedno wejście i jedno wyjście, oraz systemy wielowymiarowe, mające określoną liczbę wejść i wyjść; w przypadku gdy system ma wiele wejść i wyjść oraz gdy struktura systemu jest bardzo złożona, systemy takie przyjęto nazywać systemami wielkimi. Przykładem takich systemów mogą być grupowe systemy wodociągowe, w których występuje kilka zbiorników i kilka pompowni.

Z przedstawionych definicji wynika, że układ i system są pojęciami bliskoznacznymi. Często pojęcie system jest odnoszone do wielkich i bardzo złożonych układów. Poniżej będzie stosowane określenie układ wodociągowy.

Wodociąg jest to zespół połączonych i wzajemnie oddziałujących na siebie budowli i przepływowych urządzeń, przeznaczony do zbiorowego i ciągłego zaopatrywania odbiorców w wodę:

• o jakości zgodnej z obowiązującymi przepisami,

• w odpowiedniej ilości oraz

• pod odpowiednim ciśnieniem,

przeznaczoną do spożywania przez ludność, dla potrzeb gospodarczo-hodowlanych oraz dla różnorodnych zakładów przemysłowych, m.in. przetwórstwa rolno-spożywczego.

W technice wodociągowej często stosowane jest pojęcie stacja, np. stacja pomp (pompownia), rozumiane jako pomieszczenie lub budynek, w którym znajduje się instalacja pompowa. Podobnie definiuje się pojęcia: stacja uzdatniania wody, stacja filtrów, stacja hydroforów (hydrofornia), stacja dezynfekcji wody itp. Uogólniając, można stwierdzić, że w terminologii techniki wodociągowej pojęcie stacja oznacza pomieszczenie lub budynek, w którym znajduje się odpowiednia instalacja hydrauliczna.

Zakład i stacja są pojęciami bliskoznacznymi, przy czym zakład jest pojęciem szerszym. Ogólnie, zakład produkcyjny jest to zespół kilku budynków, w których znajdują się urządzenia techniczne przeznaczone do zorganizowanej i długotrwałej realizacji określonych procesów produkcyjnych, np. zakład uzdatniania wody. W tym przypadku niektóre elementy instalacji hydrauliczno-technologicznej, np. układy pomp, układy filtrów, układy hydroforów, instalacje sprężonego powietrza itp., znajdują się w oddzielnych budynkach. Takie przypadki występują w dużych i mocno rozbudowanych instalacjach hydrauliczno-technologicznych uzdatniania wody.

W terminologii technicznej występują trzy bliskoznaczne pojęcia dotyczące podwyższania jakości wody: technologia, oczyszczanie i uzdatnianie wody, które wymagają rozróżnienia znaczeń.

Uzdatnianie wody jest to poddawanie naturalnej wody surowej, pobieranej z dostępnych źródeł podziemnych lub powierzchniowych, określonym procesom fizyczno-chemicznym w celu dostosowania jej jakości do wymagań stawianych wodzie do picia przez ludzi i zwierzęta hodowlane, do zasilania kotłów parowych, sieci i instalacji ciepłowniczych oraz różnych procesów technologicznych, np. przez usunięcie lub obniżenie stężenia żelaza i manganu, usuwanie gazów, odbarwianie, odkwaszanie, zmiękczanie itd.

Oczyszczanie wody jest to uzdatnianie ujmowanej wody zanieczyszczonej przez zewnętrzne środowisko źródeł jej występowania – i poddawanie jej odpowiednim procesom osiągania celów uzdatniania wody i usuwania wszelkich szkodliwych (z punktu widzenia dalszego przeznaczenia wody) zanieczyszczeń, m.in. organicznych i biologicznych. Oznacza to, że oczyszczanie wody jest pojęciem szerszym od uzdatniania wody.

Technologia wody – zgodnie z ogólną definicją pojęcia technologia – jest to nauka stosowana, zajmująca się metodami realizacji procesów uzdatniania lub oczyszczania wody w skali przemysłowej; jej przedmiotem są głównie procesy i operacje jednostkowe , do których zalicza się m.in. adsorpcję , aerację, flotację, filtrowanie, koagulację, flokulację, sedymentację .

Przegląd procedur uzdatniania wody. Dla potrzeb uzdatniania różnych rodzajów wody surowej, na podstawie eksperymentalnie zgromadzonej wiedzy ustalono szereg – empirycznie zweryfikowanych – procedur, określających kolejność zastosowania procesów jednostkowych i odpowiednich urządzeń technologicznych koniecznych do uzyskania wody uzdatnionej o żądanej jakości. Na rysunku 1.1 przedstawiono schematy blokowe trzech wybranych, najczęściej stosowanych procedur uzdatniania wody podziemnej. Wszystkie procedury są szczegółowo opisane i uzasadnione w literaturze specjalistycznej technologii uzdatniania wody oraz znormalizowane.

Rys. 1.1. Schematy procedur technologii uzdatniania wody: A – technologii bezreagentowej, w układach ciśnieniowych; B – technologii bezreagentowej, w układach grawitacyjnych; C – technologii reagentowej, w układach grawitacyjnych
Oznaczenia: 1 – sprężone powietrze, 2 – ścieki z płukania złoża filtra, 3 – substancja bakteriobójcza, 4 – węzeł instalacji wprowadzenia substancji (3), 5 – węzeł zasilania sieci, 6 – osady, 7 – reagenty

Do uzdatniana wód podziemnych, w powszechnie stosowanych konwencjonalnych układach urządzeń, stosowane są technologie bezreagentowe, wymagające tylko natlenienia wody – przez napowietrzenie – w celu utlenienia związków żelaza, dla przemiany form rozpuszczalnych w wodzie w nierozpuszczalne. Budowa urządzeń i instalacji oraz hydraulika urządzeń do realizacji takich technologii – szeroko rozpowszechnionych w Polsce – będzie przedstawiona w rozdziale 4.

Dla potrzeb uzdatniania wód powierzchniowych, charakteryzujących się wysokim zmętnieniem oraz zawartością substancji trudno usuwalnych, powodujących niedopuszczalny smak, barwę i zapach, kwasowość itd., konieczne jest stosowanie reagentowych technologii uzdatniania wody oraz wielowarstwowych złóż filtracyjnych, zbudowanych z odpowiednich minerałów. Budowa oraz hydraulika urządzeń do realizacji takich technologii będzie przedstawiona w rozdziale 5.

Przedmiot i zakres projektowania instalacji uzdatniania wody. Ramowy zakres szczegółowych zadań projektowania instalacji uzdatniania wody wynika z ogólnej metodologii projektowania urządzeń technicznych , zilustrowanej na rysunku 1.2. Na przykład, dla projektowania konkretnego urządzenia wodociągowego należy odpowiednio skonkretyzować odpowiednie zagadnienia – ogólnie określone w zestawieniu na rysunku 1.2.

Ze względu na rolę instalacji uzdatniania wody jej projektowanie musi być dwustronnie podporządkowane:

1. wielkości prognozowanego rozbioru wody z sieci (t. 2, ust. 4.4.1) i wymaganemu naporowi hydraulicznemu w węzłach zasilania sieci, czyli geometrii sieci (wymienione wielkości wymagają wcześniejszego opracowania projektu sieci wodociągowej), oraz

2. dyspozycyjnym zasobom i jakości wód podziemnych oraz studniom ujęcia wody; w związku z tym konieczne jest opracowanie hydrogeologicznej dokumentacji zasobów wód podziemnych , ustalenie stref ochrony ich zasilania oraz wykonanie studni ujmowania wody i eksperymentalne wyznaczenie ich charakterystyk hydraulicznych (t. 1, ust. 8.6) – czyli opracowanie wstępnego projektu ujęcia wody podziemnej.

Przedmiot i zestaw szczegółowych zagadnień projektowania urządzeń wodociągowych zależy od rodzaju i wielkości obiektu zaopatrywania w wodę, którym może być:

A. zurbanizowana aglomeracja miejsko-przemysłowa, o dowolnej wielkości i strukturze przestrzennej zabudowy, w dominującej części o zwartej i wysokiej zabudowie; w tym przypadku często źródłem zaopatrzenia są wody powierzchniowe (z rzek lub jezior), w przypadku których do uzdatniania wody najczęściej stosowane są otwarte urządzenia grawitacyjne, lub

Rys. 1.2. Ogólny cykl projektowania urządzeń technicznych