с 01.01.2019 по 01.01.2022
Российский государственный аграрный университет, Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева (Сельскохозяйственное строительство и экспертиза объектов недвижимости, профессор)
с 01.01.2019 по настоящее время
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 504.064 Контроль качества окружающей среды. Системы, приборы и методы контроля качества окружающей среды. Контроль загрязнения
УДК 504.455 Озера, водохранилища, пруды
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Лабораторные исследования выполнялись на модели устройства, установленной в термокамере, в которой создавался температурный режим в диапазоне температур от 15 до 50 °С, в процессе повышения температуры воздух поступал в емкость с водой. Процесс выделения воздуха устройством фиксировался и оценивался методом пузырьков и методом водоизмещения. В условиях термокамеры подтверждена возможность насыщения воды воздухом с помощью устройства для аэрации придонных слоев воды принцип работы, которого основан на использовании энергии солнца
устройство для аэрации, термокамера, температура, пузырьки воздуха, выпускной клапан
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. Бреховских В.Ф. Гидрофизические факторы формирования кислородного ре-жима водоемов / В.Ф. Бреховских; Отв. ред. В.К. Дебольский, А.Г. Кочарян; АН СССР, Ин-т вод. пробл. – Москва: Наука, 1988. – 166 с.; ISBN 5-02-003356-1.
2. Белковский Н.М. Активизация процессов биологической очистки и аэрация водных объектов как важнейший путь реабилитации городских водоемов / Сборник трудов VIII международного конгресса «Чистая вода. Казань» 30 ноября – 1 декабря 2017 г. – Казань: ООО «Новое знание», 2017. – С. 88 – 89. ISBN 978-5-9909515-5-6. http://средволгаводхоз.рф/cw2017.pdf.
3. Серпокрылов Н.С., Смоляниченко А.С., Лесников И.И. Сравнительная оценка аэраторов для очистки сточных вод по обобщенному критерию аэрации / Вестник СГАСУ: Градостроительство и архитектура № 2, 2011. С. 97 – 100.
4. Патент на полезную модель № 147539 Российская Федерация, МПК C02F 7/00. Солнечная мобильная аэрационная система: № 2014108251/05: заявл. 04.03.2014: опубл. 10.11.2014 / Н.Н. Крамчанинов, Т.Г. Болотских, С.М. Лутовинов [и др.].
5. Патент на полезную модель № 52848 Российская Федерация, МПК C02F 7/00. Солнечная аэрационная система: № 2005137198/22: заявл. 30.11.2005: опубл. 27.04.2006 / В.И. Виссарионов, Д.Н. Кунакин.
6. Лазарев-Марченко С.А. Разработка и исследование режимов плавучей аэраци-онной установки с питанием от солнечных фотоэлектрических батарей // Вестник Мос-ковского энергетического института Учредители: Национальный исследовательский университет "МЭИ" ISSN: 1993-6982. № 3, 2007. С. 88-93.
7. Патент на полезную модель № 214200 Российская Федерация, МПК C02F 7/00, B01F 23/231. Устройство для аэрации придонных слоев воды: № 2022112382: за-явл. 06.05.2022: опубл. 14.10.2022 / В.В. Петрашкевич, П.А. Михеев, Д.М. Бенин [и др.].
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. Викулина В.Б., Инешина Л.В. Теоретические исследования движения пу-зырьков воздуха в потоке воды при аэрации // Сантехника, отопление, кондициониро-вание 2019. №10. С. 22-24.
11. Исмаил Х., Али М.С., Михеев П.А. Лабораторные исследования устройства для аэрации водоемов с использованием солнечной радиации в условиях Сирии // Ме-лиорация и гидротехника. 2024. Т. 14, № 2. С. 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.
