from 01.01.2019 to 01.01.2022
Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (Sel'skohozyaystvennoe stroitel'stvo i ekspertiza ob'ektov nedvizhimosti, professor)
from 01.01.2019 until now
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDC 504.064
UDC 504.455
CSCSTI 68.31
Russian Classification of Professions by Education 35.06.01
Russian Library and Bibliographic Classification 40
Russian Trade and Bibliographic Classification 5607
BISAC TEC003000 Agriculture / General
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Laboratory studies were performed on a model of the device installed in a thermal chamber, in which a temperature regime was created in the temperature range from 15 to 50 °C. During the temperature increase, air was supplied to a container with water. The process of air release by the device was recorded and evaluated by the bubble method and the displacement method. Under the conditions of a thermal chamber, the possibility of saturating water with air using a device for aeration of bottom layers of water has been confirmed, the principle of operation of which is based on the use of solar energy
aeration device, thermal chamber, temperature, air bubbles, exhaust valve
Введение. Происходящие изменения климата связаны, прежде всего, с повышением температуры, что существенно влияет на экологическое состояние водных объектов и, в первую очередь, пресноводных источников питьевого и хозяйственного назначения. В этих условиях сохранение объектов водного хозяйства, в соответствии с нормативами основных показателей качества воды, является важной научной и технической задачей. Как известно одним из основных показателей качества воды естественных водоисточников является содержание растворенного кислорода [1, 2]. Среди существующих подходов и технических решений, обеспечивающих повышения растворенного кислорода, технология аэрация воды является наиболее распространенной. При этом, несмотря на многообразие существующих способов, и технических решений для аэрации воды, основным критериями выбора конструкций аэраторов являются их надежность и энергетические показатели [3]. Современными тенденциями в разработке и применении конструкций аэраторов являются, так называемые энергонезависимые решения, основанные на использовании возобновляемых источников энергии, прежде всего, солнечной радиации [4–6]. Традиционно системы энергонезависимости на основе солнечной энергии, в том числе и для аэрационных систем, основаны на комплексе солнечных батарей и других элементов, способных генерировать, хранить и использовать энергию. В настоящей работе представлены результаты лабораторных исследований устройства для аэрации придонных слоев воды, основанного на использовании прямой солнечной энергии [7].
Целью лабораторных исследований являлось установление основных закономерностей и технических возможностей устройства для аэрации придонных слоев воды в режиме работы термокамеры.
Материал и методы исследований. Устройство для аэрации придонных слоев воды, в соответствии с патентом на полезную модель, состоит из ёмкости-накопителя, в верхней части которой установлен впускной клапан для воздуха, а в нижней трубка-воздуховод, по которой воздух, при нагревании ёмкости-накопителя в дневное время, поступает в толщу водоема, насыщая кислородом придонные слои воды [7]. В ночное время суток воздух в ёмкости-накопителе охлаждается, давление внутри снижается, впускной клапан открывается, и атмосферный воздух заполняет полость ёмкости
Исследования устройство для аэрации придонных слоев воды проводились в лаборатории гидротехнических сооружений РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева в период с декабря 2023 по апрель 2024 г.
Для проведения лабораторных исследований была изготовлена термокамера, состоящая из деревянного каркаса размером сторон 70×70×70 см, пять из которых были покрытых изнутри отражающим самоклеющимся фольгированным утеплителем толщиной 10 мм, внутри камеры размещалась экспериментальная модель устройства для аэрации придонных слоев воды.
Для поддержания стабильной температуры внутри термокамеры у задней стенки были установлены вентилятор и четыре лампы накаливания каждая мощностью 95 Вт, подключенные к регулятору температуры, установленному на внешней поверхности термокамеры, который, в свою очередь, содержал датчик для измерения температуры в диапазоне 0–100 оС и управления работой ламп накаливания, размещенный внутри термокамеры. Воздух, активированный вентилятором, направлялся непосредственно к лампам, что позволяло равномерно распределять выделяемое ими тепло внутри термокамеры.
Лицевая сторона термокамеры выполнена в виде смотровой панели из прозрачного оргстекла толщиной 5 мм, для визуального наблюдения и снятия показателей измерительных приборов. В центре верха и днища камеры выполнены сквозные отверстия диаметром 10 мм для вывода трубок, соответственно впускного и выпускного клапанов модели, снизу, под термокамерой установлена стеклянная ёмкость с водой, в которую погружался воздуховод с выпускным клапаном.
Лабораторная установка оборудована спиртовыми термометрами для измерения температуры внутри термокамеры и в корпусе модели устройства для измерения температуры внутри ёмкости-накопителе, время фиксировалось с помощью секундомера.
Модель устройства для аэрации придонных слоев воды представляет собой металлический цилиндрический корпус ёмкости-накопителя, снизу и сверху которого расположены штуцеры, соединенные пластиковыми трубками, соответственно с выпускным и впускным клапаном. Для увеличения поглотительной способности теплового излучателя и последующего излучения тепла молекулами воздуха ёмкости-накопителя корпус последней был окрашен в черный цвет. В лабораторных экспериментах использовались три типа-размера ёмкости-накопителя объемом 6,5 л, 10,0 л и 13,5 л, внешнем диаметром 18,5; 25,3 и 25,0 см и высотой 24,0; 20,0 и 27,5 см соответственно.
Остальные параметры установки во всех опытах были одинаковыми: внутренний диаметр трубки-воздуховода 7 мм; длина трубки 80 см, погружение выходного отверстия клапана под уровень воды в ёмкости составлял 60 см.
Диапазон температуры воздуха внутри термокамеры поддерживался нагревателем автоматически, так что температура воздуха на протяжении всего эксперимента колебалась от 15 до 500 С.
В ходе экспериментов основными параметрами, характеризующими работу установки, являлись продолжительность работы устройства и объём воздуха, выходящего в воду из ёмкости-накопителя, при этом объём воздуха определялся двумя методами.
Первый – метод фиксации, с помощью видеосъемки и последующего использования техники замедления видеозаписи для оценки количества пузырьков, выходящих из трубки-воздухопровода, и дальнейшим пересчетом объёма воздуха через количество пузырьков, при условии, что средний диаметр одного пузырька принимается равным внутреннему диаметру трубки [8 – 10]. Методика проведения экспериментов основывалась на материалах и опыте исследований проведенных авторами ранее [11].
Метод водоизмещение – это один из простых и распространенных методов, используемых для определения объёма газа, выделяющегося в жидкой среде в научной практике [12]. Расход выделяемого воздуха определялся с помощью стеклянного мерного сосуда объемом 2000 см3, который погружался под уровень ёмкости с водой и заполнялся водой до полного отсутствии воздуха
атем сосуд переворачивался вверх днищем и поднимался над уровнем воды в ёмкости. На боковой поверхности мерного сосуда нанесены деления с ценой одного деления 10 см3. Под горловину мерного сосуда подводился штуцер выходного клапана, таким образом, чтобы весь выходящий из ёмкости-накопителя воздух попадал в мерный сосуд.
После завершения процесса выделения воздуха мерный сосуд поднимался, уровни воды в сосуде и емкости выравнивались и по шкале мерного сосуда определялся объем вытесненной воды. Таким образом, объем воздуха, вышедший из ёмкости-накопителя в процессе работы устройства, определялся равным объему воды, вытесненной из мерного сосуда.
Результаты исследования и их обсуждение. Основным параметром при оценке эффективности работы устройства, был принят объем воздуха, вышедшего из ёмкости за время работы устройства. Поэтому в ходе каждого опыта фиксировались: момент времени, когда в термокамере включался нагреватель; время, прошедшее с момента включения нагревателя до момента выхода первого пузырька воздуха в воду; температура воздуха внутри баллона в этот момент; время между выходом первого пузырька и моментом, когда интенсивность выхода пузырьков стабилизировалась, а также температура воздуха внутри баллона в этот момент.
Результаты обработки данных экспериментов по определению двумя методами объема воздуха, вышедшего при нагревании модели ёмкости-накопителя приведены в таблице.
Таблица – Данные опытов по оценке объёма воздуха при работе модели
устройства для аэрации придонных слоев воды
|
Объем ёмкости, л |
Серия опытов* |
Температура воздуха, в термокамере и при выходе пузырьков оС |
Время выхода пузырьков воздуха, с |
Опытный объем воздуха методом, мл |
Относительное отклонение, % |
||||
|
в камере |
первого |
последнего |
начало |
окончание |
объёмным |
пузырь ков |
|||
|
6,5 |
А |
33 |
20 |
45 |
320 |
1244 |
800 |
856 |
6,5 |
|
Б |
29 |
18 |
47 |
284 |
1244 |
820 |
885 |
7,3 |
|
|
10,0 |
А |
44 |
25 |
53 |
400 |
1450 |
1260 |
1300 |
3,1 |
|
Б |
41 |
24 |
55 |
356 |
1459 |
1300 |
1330 |
2,2 |
|
|
13,5 |
А |
45 |
26 |
56 |
432 |
1652 |
1540 |
1550 |
0,6 |
|
Б |
44 |
24 |
59 |
383 |
1678 |
1580 |
1595 |
0,9 |
|
*А – без клапана; Б – с клапаном
Как видно из таблицы, относительное отклонение в определении объема воздуха в опытах разными методами не превышает 10 %, при этом результаты полученные методом пузырьков во всех опытах несколько выше, чем методом водоизмещения, поэтому в последующем использовались оба метода.
Если сравнивать серии опытов с клапаном и без клапана, то объем выходящего воздуха при наличии клапана во всех опытах больше, однако это превышение колеблется в пределах от 2,4% до 3,3%, в этой связи можно предположить, что разница в сериях связана с объемом воздуха находящегося в воздуховоде после закрытия клапана.
Выводы. Лабораторными исследованиями экспериментальной установки устройства для аэрации придонных слоев воды по оценке объемов выходящего воздуха установлено, что в зависимости от типоразмера ёмкости-накопителя при температуре воздуха в термокамере равной 50оС продолжительность процесса выделения воздуха не превышала получаса, при этом объем выходящего воздуха также зависел от рабочего объема ёмкости-накопителя.
1. Brehovskih V.F. Gidrofizicheskie faktory formirovaniya kislorodnogo re-zhima vodoemov / V.F. Brehovskih; Otv. red. V.K. Debol'skiy, A.G. Kocharyan; AN SSSR, In-t vod. probl. – Moskva: Nauka, 1988. – 166 s.; ISBN 5-02-003356-1.
2. Belkovskiy N.M. Aktivizaciya processov biologicheskoy ochistki i aeraciya vodnyh ob'ektov kak vazhneyshiy put' reabilitacii gorodskih vodoemov / Sbornik trudov VIII mezhdunarodnogo kongressa «Chistaya voda. Kazan'» 30 noyabrya – 1 dekabrya 2017 g. – Kazan': OOO «Novoe znanie», 2017. – S. 88 – 89. ISBN 978-5-9909515-5-6. http://sredvolgavodhoz.rf/cw2017.pdf.
3. Serpokrylov N.S., Smolyanichenko A.S., Lesnikov I.I. Sravnitel'naya ocenka aeratorov dlya ochistki stochnyh vod po obobschennomu kriteriyu aeracii / Vestnik SGASU: Gradostroitel'stvo i arhitektura № 2, 2011. S. 97 – 100.
4. Patent na poleznuyu model' № 147539 Rossiyskaya Federaciya, MPK C02F 7/00. Solnechnaya mobil'naya aeracionnaya sistema: № 2014108251/05: zayavl. 04.03.2014: opubl. 10.11.2014 / N.N. Kramchaninov, T.G. Bolotskih, S.M. Lutovinov [i dr.].
5. Patent na poleznuyu model' № 52848 Rossiyskaya Federaciya, MPK C02F 7/00. Solnechnaya aeracionnaya sistema: № 2005137198/22: zayavl. 30.11.2005: opubl. 27.04.2006 / V.I. Vissarionov, D.N. Kunakin.
6. Lazarev-Marchenko S.A. Razrabotka i issledovanie rezhimov plavuchey aeraci-onnoy ustanovki s pitaniem ot solnechnyh fotoelektricheskih batarey // Vestnik Mos-kovskogo energeticheskogo instituta Uchrediteli: Nacional'nyy issledovatel'skiy universitet "MEI" ISSN: 1993-6982. № 3, 2007. S. 88-93.
7. Patent na poleznuyu model' № 214200 Rossiyskaya Federaciya, MPK C02F 7/00, B01F 23/231. Ustroystvo dlya aeracii pridonnyh sloev vody: № 2022112382: za-yavl. 06.05.2022: opubl. 14.10.2022 / V.V. Petrashkevich, P.A. Miheev, D.M. Benin [i dr.].
8. Gaddis, E.S., & Vogelpohl, A.J. C. E. S. Bubble formation in quiescent liquids un-der constant flow conditions. Chemical Engineering Science. 1986. Vol. 41(1), p. 97-105.
9. Badam V.K., Buwa V., Durst F. Experimental Investigations of Regimes of Bubble Formation on Submerged Orifices Under Constant Flow Condition. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2008. Vol. 85, Issue 3. p. 257-267.
10. Vikulina V.B., Ineshina L.V. Teoreticheskie issledovaniya dvizheniya pu-zyr'kov vozduha v potoke vody pri aeracii // Santehnika, otoplenie, kondicioniro-vanie 2019. №10. S. 22-24.
11. Ismail H., Ali M.S., Miheev P.A. Laboratornye issledovaniya ustroystva dlya aeracii vodoemov s ispol'zovaniem solnechnoy radiacii v usloviyah Sirii // Me-lioraciya i gidrotehnika. 2024. T. 14, № 2. S. 128–138. https://doi.org/10.31774/2712-9357-2024-14-2-128-138.
12. Brack, P., Dan, S., Wijayantha, K. U., Adcock, P., & Foster, S. (2016). A simple, low-cost, and robust system to measure the volume of hydrogen evolved by chemical reac-tions with aqueous solutions. JoVE (Journal of Visualized Experiments), (114), e54383.
