J. Hydrol. Hydromech., 51, 2003, 2, 150–157
OPTIMALIZACE OBĚŽNÉHO KOLA PROVZDUŠŇOVACÍHO ZAŘÍZENÍ KAPALIN JAN MELICHAR Strojní fakulta ČVUT v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6-Dejvice, Česká republika, mailto:
[email protected]
Příspěvek se týká aktuální problematiky míšení a současného provzdušňování kapalin. Pro zlepšení parametrů konkrétního typu provzdušňovacího zařízení s axiálním oběžným kolem – propelerem průměru 50 mm byl proveden modelový výzkum řady mísicích propelerů různého geometrického uspořádání. Experimentálně byly sledovány energetické parametry mísení, které byly konfrontovány se zviditelněnými obrazy s vizualizací procesu míšení provzdušňované kapaliny. Na základě modelového výzkumu byla pro výrobu stanovena optimální varianta propeleru o průměru 50 mm. Na základě ověřeného afinního vztahu příkonu propeleru byl navržen a vyroben odpovídající propeler o průměru 80 mm. Na laboratorním zkušebním zařízení bylo provedeno kvalitativní i kvantitativní porovnání dvou variant propelerů s průměrem 80 mm a byly získány základní údaje pro volbu vhodného typu propeleru pro aerační zařízení. KLÍČOVÁ SLOVA: axiální oběžné kolo, provzdušňování, míšení. Jan Melichar: OPTIMIZATION OF THE IMPELLER WHEEL AERATOR FOR AGITATION OF LIQUIDS. J. Hydrol. Hydromech., 51, 2003, 2; 8 Refs, 8 Figs, 1 Tab. The paper deals with a topic of current interest – the problems of blending and simultaneous aeration of liquids. Modeling research making use of a number of blending propellers of different geometry was conducted towards improving the parameters of a dedicated aeration facility which employed an axial impeller - specifically, a propeller having 50 mm in diameter. The energy related parameters of blending were examined experimentally and were confronted with patterns obtained by visualizing the process of agitation of the liquid being aerated. Based on this model research, an optimal option of the 50 mm propeller was established for production purposes. Subsequently, a corresponding propeller having 80 mm in diameter was designed and manufactured based on a confirmed affinity relation of the propeller input power. A laboratory testing facility was used to carry out both qualitative and quantitative comparisons of two alternative designs of the 80 mm propeller, and the basic data required for the selection of a suitable type of propeller were established. KEY WORDS: Axial Impeller Wheel, Aeration, Agitation, Treatment Process.
Úvod Záměrné provzdušňování a okysličování vody je významné při její úpravě, přispívá procesu samočištění v rybnících, vodních nádržích a vodotečích a napomáhá tak udržení vhodného prostředí pro vodní biotopy, případně pro ně vhodné prostředí vytváří. Významné je uplatnění provzdušňování u aerobního čištění odpadních vod, případně může být využíváno při některých technologických procesech, např. v chemickém, petrochemickém nebo potravinářském průmyslu. Koncepční a konstrukční řešení provzdušňovacího zařízení závisí na konkrétních podmínkách aplikace, požadavcích proce150
su a účelu provzdušňování. Některé provzdušňovací systémy mají zajistit jak funkci míchací, tak provzdušňovací nebo v určitém časovém intervalu plnit pouze funkci míchací bez provzdušňování. V neposlední řadě je koncepční řešení ovlivněno požadavkem hospodárnosti provozu. Jako příklady systémů provzdušňování aktivačních nádrží čistíren odpadních vod lze uvést jemnobublinkový systém rozvodu vzduchu z potrubí uloženého na dně, axiální míchací a provzdušňovací zařízení, resp. speciální čerpadlo, umístěné např. na plováku na hladině. U oválných oxidačních kanálů se k zajištění proudění vody oválem a provzdušňování obvykle
Optimalizace oběžného kola provzdušňovacího zařízení kapalin
používají mechanická rotační zařízení zasahující pod hladinu vody v kanále. Alternativním řešením systémů provzdušňování povrchových a odpadních vod je zařízení, které využívá k vhánění vzduchu do provzdušňované kapaliny hydrodynamický účinek proudu kapaliny, vytvořeného axiálním oběžným kolem. Hlavními částmi monoblokové koncepce takového aeračního zařízení je hnací elektromotor, pouzdro hřídele a dutá hřídel s oběžným kolem. Schéma tohoto zařízení spolu s jednou z možných variant konstrukčního řešení je na obr. 1. Atmosférický vzduch nasávaný otvorem nad hladinou do duté hřídele je strháván pod hladinou do provzdušňované kapaliny, která proudí za oběžným kolem vysokou rychlostí. Za ústím duté hřídele se vytváří oblast různě velkých bublinek vzduchu v turbulentním proudu kapaliny (obr. 2). Turbulence v proudu kapaliny prodlužují čas, po který jsou vzduchové bubliny v kontaktu s kapalinou a který je k dispozici pro okysličování kapaliny. Při činnosti provzdušňovacího zařízení dochází k pohybu a míšení kapaliny jednak v okolí zařízení, příp. v celé nádrži, přičemž částice pevné látky mohou zůstávat usazeny na dně nádrže. Výhodami takto koncipovaného zařízení k míchání, provzdušňování a okysličování kapaliny je jeho poměrně jednoduchá konstrukce, rychlá a snadná montáž a vysoká mobilita. Použití je výhodné i pro příležitostný provoz. Nároky na údržbu jsou minimální. Provzdušňovací zařízení může být připevněno k pevné konstrukci nebo může být řešeno jako plovoucí, sklon hřídele lze měnit až do vertikální polohy. Další výhodou je, že nehrozí nebezpečí znečištění provzdušňované kapaliny olejem. Efektem je intenzifikace procesu pohlcování atmosférického kyslíku promíchávanou kapalinou uváděná v Aire-O2 (2001), resp. vyšší oxygenační kapacita než u systémů jiné koncepce, které mohou být použity ke stejnému účelu, a to při relativně nízkých investičních a přijatelných provozních nákladech. Příkony elektromotoru mohou být v rozmezí řádově desítky wattů až desítky kilowattů. V současnosti je zařízení větších výkonů poměrně hojně využíváno v zahraničí ke zlepšování kvality vody (USA, Čína), ovlivnění biostruktury a zamezení zamrzání (Kanada), čištění povrchových a odpadních vod a provzdušňování slepých ramen řek, zátok a přístavů (USA). Jako příklady použití při chovu vodních živočichů lze uvést rybochovná zařízení (USA, Čína) a zařízení pro chov garnátů (Kolumbie, Havaj, Thajsko, Tahiti, Portugalsko).
Obr. 1. Aerační zařízení s axiálním oběžným kolem. Vlevo schéma, vpravo varianta konstrukčního řešení; 1 – elektromotor, 2 – krycí pouzdro hřídele, 3 – hřídel, 4 – oběžné kolo. Fig. 1. Aerator with an axial impeller. Schematic arrangement (left-hand side), design modification (right-hand side); 1 – electric motor, 2 – shaft bushing, 3 – shaft, 4 – impeller wheel.
Obr. 2. Oblast míšení a provzdušňování kapaliny za axiálním oběžným kolem; podle Aire-O2 (2001). Fig. 2. Area downstream of impeller wheel where the liquid is agitated and aerated; according to Aire-O2 (2001).
V České republice bylo takovéto zařízení malého výkonu použito pouze ojediněle v domovních čistírnách odpadních vod. Stejně koncipovaná míchací zařízení, avšak bez provzdušňování, jsou v České republice používána v zimním období k zamezení zamrzání hladin rybníků. Návrh oběžného kola Rozhodující součástí výše uvedeného provzdušňovacího zařízení je axiální oběžné kolo osazené na konci duté hřídele pro přívod vzduchu a umístěné pod hladinou kapaliny v nádrži. Pro hydraulické řešení kola lze při respektování specifických pod151
J. Melichar
mínek činnosti využít postupy používané při návrhu lodních propelerů, oběžných kol axiálních čerpadel a příp. míchadel. Při výběru optimální varianty geometrie oběžného kola, resp. tvaru a počtu oběžných lopatek je modelový výzkum nezastupitelný. Výchozí variantou oběžného kola s průměrem 50 mm, ve které tuzemský výrobce provzdušňovacího zařízení určeného pro malé čistírny odpadních vod upřednostnil jednoduchost technologie výroby, bylo třílopatkové provedení s prostorově nezakřivenými lopatkami konstantní tloušťky. Činnost zařízení s takto provedeným kolem byla však neuspokojivá, což potvrdily zkušenosti z provozu i následně provedený experimentální výzkum. V první fázi proto požadoval zadavatel modifikaci tvaru lopatek při zachování průměru kola a nábojového poměru. Ve druhé fázi pak byl požadován návrh oběžného kola, jehož rozměry měly být omezeny parametry použitého elektromotoru (otáčky n = 2800 min-1, maximální příkon motoru Pmot = 400 W). Pro případ provzdušňování vody bez abrazivních pevných částic jsou použitelné hydrodynamicky vhodně tvarované profily oběžných lopatek, v případě kapalin obsahujících abrazivní pevnou látku je účelné s ohledem na dostatečnou životnost navrhnout profily lopatek zesílené i za cenu snížení účinnosti stroje. Průběh vstupní hrany lopatek je pak případně ovlivněn obsahem vláknitých příměsí v provzdušňované kapalině. Na obr. 3 jsou uvedena modelová oběžná kola průměru DM = 50 mm, která byla vyrobena na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Vedle původního provedení s rovnými lopatkami (I) byly zhotoveny lopatky vycházející z prostorově zborcených lopatek obvyklých u propelerů vlečných lodí a kluzáků (II, III, IV) a kol konvenčních axiálních čerpadel z hlediska velikosti měrných otáček rychloběžných; Basin, Anfimov (1961), Bláha, Brada (1992). Oběžná kola byla vyrobena z plastů a za stejných podmínek ověřena v úvodní sérii porovnávacích zkoušek na laboratorním experimentálním zařízení. Sledován byl příkon stejnosměrného hnacího elektromotoru při konstantních otáčkách, množství přisávaného vzduchu (srovnávací měření), tvar a velikost zavzdušňované oblasti ve vodě, velikost a četnost bublin. V souvislosti s návrhem tvaru krycího pouzdra hřídele byl charakter proudění oběžným kolem posuzován pomocí vizualizace proudění barvou. Dále byla sledována náchylnost k tvorbě nálevkovitého víru kapaliny před oběžným kolem při určitém sklonu hřídele, resp. při malé hloubce ponoření ústí duté hřídele oběžného kola. 152
I
II
III
IV
Obr. 3. Oběžná modelová kola DM = 50 mm (varianty I – IV). Fig. 3. Model impeller wheels DM = 50 mm (options I – IV).
Obr. 4. Schéma poměrů za oběžným kolem provzdušňovacího zařízení. Fig. 4. Schematic representation of the conditions prevailing within the area situated downstream of the impeller wheel of the aeration facility.
V tab. 1 je uvedeno porovnání vybraných modelových kol, dokumentující vhodnost použití varianty označené IV. Poměrné hodnoty příkonů Pmot , množství vzduchu Q, dosahů L zavzdušněné oblasti a šířek b provzdušněné oblasti v místě patrného oddělování jednotlivých bublin (obr. 4) jsou vztaženy k maximálním zjištěným hodnotám uvedených
Optimalizace oběžného kola provzdušňovacího zařízení kapalin T a b u l k a 1. Porovnání parametrů příslušných variantám modelových oběžných kol. T a b l e 1. Comparison of the parameters appurtenant to the different design options of the model impellers. DM = 50 mm, α = 35°, nM = 2800 min-1 Varianta I II III IV 0,89 1,00 0,67 0,83 Pmot/Pmot max [–] 0,60 0,85 0,25 1,00 Q/Qmax [–] 0,87 1,00 0,81 1,00 L/Lmax [–] 0,83 0,92 0,52 1,00 b/bmax [–]
veličin. Na základě kvalitativního a v omezené míře i kvantitativního porovnání činnosti jednotlivých oběžných kol průměru 50 mm na laboratorním modelovém zařízení byla vytipována vhodná varianta oběžného kola. Ta pak byla použita u vyráběného provzdušňovacího zařízení (Aerátor, technické podmínky (1994)) a zároveň byla výchozím představitelem pro modelový přepočet kola na větší průměr (DD = 80 mm). Na jednoúčelovém ověřovacím zkušebním zařízení, zhotoveném analogicky obr. 1, s oběžným kolem DD = 80 mm (viz obr. 5 vlevo), jež je modifikací kola s průměrem DM = 50 mm (obr. 3, var. IV) byl ve druhé fázi zkoušek měřen pouze příkon hnacího trojfázového asynchronního elektromotoru. Při otáčkách nD = 2930 min-1 byl příkon elektromotoru při provzdušňování čisté vody P ≈ 320 W při zhruba stejné hloubce ponoření oběžného kola jako u kola menšího průměru. Podmínka nepřekročení určité hodnoty příkonu tak byla splněna, přestože příkon motoru je ovlivněn konkrétním konstrukčním řešením zařízení. Mezi vnitřními průměry hřídele oběžného kola, kterou byl přiváděn vzduch do kapaliny, vyráběného aeračního zařízení a ověřovacího zkušebního zařízení byl dodržen poměr dD/dM = DD/DM = 1,6. Výsledky experimentu nebyly v rozporu s výsledky určenými z přepočtového vztahu pro poměr příkonů PM / PD , používaného při modelovém přepočtu oběžných kol čerpadel (Bláha, Brada (1995)). Při přímém připojení hnacího motoru na hřídel oběžného kola je výkon hnacího motoru příkonem hydraulicky činné části zařízení, resp. oběžného kola. Poměr těchto příkonů je úměrný páté mocnině poměru DM / DD , hodnotu DD lze stanovit ze vztahu: 5 . DD = 5 DM
3 PD η M nM . . 3 . PM η D nD
(1)
Při stejných otáčkách modelu a díla a za zjednodušujícího předpokladu stejných mechanických
a hydraulických ztrát, resp. celkových účinností oběžného kola, lze průměr DD určit jen v závislosti na příkonech. Oprávněnost platnosti předpokladu stejné účinnosti modelu a díla má svá omezení a vyžaduje podrobnější analýzu. Vycházíme-li z hodnot příslušných modelu, kdy při otáčkách nM = 2800 min-1 byl naměřen příkon elektromotoru Pmot M = 30 W při použití oběžného kola DM = = 50 mm (ponořeného v určité hloubce) a je-li účinnost elektromotoru ηmot M ≈ 0,8 , pak výkon elektromotoru je PM = 24 W. Z příkonu elektromotoru Pmot D = 320 W při otáčkách nD = 2800 min-1 a účinnosti elektromotoru ηmot D ≈ 0,73 vychází výkon elektromotoru PD = 234 W. Podle vtahu (1) je pak průměr oběžného kola DD ≈ 79 mm. Pro výrobu byl zvolen průměr kola DD = 80 mm. Při návrhu kola průměru DD = 80 mm byly respektovány zásady geometrické podobnosti s kolem o průměru DM = = 50 mm, avšak tloušťka profilů byla upravena s ohledem na konkrétní podmínky provozu. Oběžné kolo bylo navrženo tak, aby měrná energie klesala po rozpětí lopatky ve směru od náboje (typ A). Přestože v úvodní sérii zkoušek s modelovými oběžnými koly bylo zjištěno, že činnost provzdušňovacího zařízení s kolem typu A je za zkušebních podmínek nejpříznivější, byla zvolena ještě další varianta řešení lopatkování oběžného kola. Lopatky dalšího oběžného kola s průměrem DD = 80 mm byly řešeny na základě geometrické podobnosti s oběžnými lopatkami osvědčeného konvenčního axiálního čerpadla, navrženými způsobem obvyklým u axiálních čerpadel, kdy se předpokládá měrná energie konstantní po rozpětí lopatky (typ B). Lopatky byly navrženy zesílené. Kolo bylo vyrobeno na pracovišti řešitele rovněž z plastu. Oběžná kola typu A a typu B jsou uvedena na obr. 5. Ověřeny byly na jednoduchém porovnávacím zkušebním zařízení, umožňujícím měřit i výkonové parametry. Experimentální ověření V návaznosti na provedené porovnávací a ověřovací zkoušky Bláha, Melichar (2001), Melichar, Bláha (2002) bylo pro třetí sérii zkoušek navrženo a realizováno laboratorní zkušební zařízení uvedené na obr. 6. Zařízení umožňuje měřit příkon elektromotorů a množství vzduchu přisávaného do proudu kapaliny, resp. průtoku vzduchu dutou hřídelí. Zkoušky mohou být prováděny s různými variantami oběžného kola při různých otáčkách v rozmezí n = 2 300 – 4 000 min-1 a volitelném sklonu hřídele 153
J. Melichar
Obr. 5. Oběžná kola zkušebního provzdušňovacího zařízení; DD = 80 mm, typ A vlevo, typ B vpravo. Fig. 5. Impeller wheels of test aerator; type A (left-hand side), type B (right-hand side).
typ B). Stejně jako u zkoušek uskutečněných s koly menších průměrů byl sledován tvar a velikost zavzdušňované oblasti ve vodě a náchylnost k tvorbě nálevkovitého víru kapaliny před oběžným kolem a to při různých hloubkách ponoření ústí hřídele oběžného kola h , resp. při různých úhlech sklonu hřídele α . Při určitých otáčkách byla sledována závislost množství přisávaného vzduchu a příkonu na hloubce ponoření oběžného kola (při různých úhlech α). K posouzení varianty lopatkování z hlediska účinnosti přeměny energie byl pak stanoven měrný efektivní příkon Pe = P.Q -1 [Wh m-3] v závislosti na hloubce ponoření ústí duté hřídele. Sledované parametry byly měřeny i při různých tvarech ústí duté hřídele. Na obr. 8 je uvedena závislost měrného efektivního příkonu Pe pro kolo typu A a kolo typu B s válcovým ústím na hloubce h při otáčkách n = 2800 min-1.
s oběžným kolem v rozmezí úhlů α = 30° až 50°, kterým přísluší určitá hloubka ponoření ústí duté hřídele oběžného kola pod vodní hladinou (h = 150 až 425 mm). Schéma měřicí trati je na obr. 7.
Obr. 6. Zkušební provzdušňovací zařízení. Fig. 6. Test aerator. 3
-1
Průtok vzduchu Q [m h ] byl měřen rotametrem, příkon elektromotorů P [W] wattmetry. Měření parametrů bylo prováděno se dvěma typy lopatkování oběžného kola průměru 80 mm (typ A a 154
Obr. 7. Schéma měřicí trati; 1 – oběžné kolo, 2 – hadice pro přívod vzduchu, 3 – těleso provzdušňovacího zařízení, 4 – řemenový převod, 5 – hnací elektromotor, 6 – nosník, 7 – vodní nádrž, 8 – rotametr, 9 – snímač otáček, 10 – wattmetrická souprava. Fig. 7. Schematic layout of the measuring test rig; 1 – impeller wheel, 2 – air supply hose, 3 – aerator body, 4 – belt transmission, 5 – electric motor drive, 6 – beam, 7 – water tank, 8 – rotameter, 9 – rotary speed gauge, 10 – wattmeter set.
Jedním ze záměrů bylo umožnit provoz zkušebního zařízení i s otáčkami, při kterých by docházelo ke vzniku kavitace v oběžném kole. Například při otáčkách n = 4000 min-1 byla pozorována plně rozvinutá kavitace na lopatkách sledovaných oběžných kol, k zániku kavitačních dutin však podle očeká-
Optimalizace oběžného kola provzdušňovacího zařízení kapalin
vání nedocházelo v místě přisávání vzduchu. U sledovaného typu lopatkování proto otázka vlivu provozu se záměrnou kavitací na intenzifikaci pře-
nosu kyslíku do vody nebude rozhodující a provoz za kavitace zde nemá opodstatnění.
Obr. 8. Závislost měrného efektivního příkonu zařízení na hloubce ponoření ústí hřídele oběžného kola; válcový tvar ústí, n = 2800 min-1. Fig. 8. Specific effective input power of the aerator as function of the depth of immersion of the impeller shaft inlet; cylindrically shaped inlet mouth.
Závěr Na základě výsledků modelových porovnávacích zkoušek byla z posuzovaného výběru variant geometrie oběžného kola zvolena optimální varianta (varianta IV), která byla použita při výrobě provzdušňovacího zařízení určeného pro domovní čistírny odpadních vod. Podle údajů EKO spol. s r.o., Hradec Králové (1994) byla u realizovaného zařízení s oběžným kolem s průměrem 54 mm naměřena při otáčkách 2800 min-1 oxygenační kapacita 33 g h-1, u zařízení s kolem o průměru 58 mm pak 62 g h-1. Hloubka vody není v podkladech uváděna. Experimentálně byly získány základní údaje potřebné k orientačnímu určení rozměrů oběžného kola pro určité podmínky provozu a k posouzení vhodnosti určité geometrie oběžných kol pro provzdušňovací zařízení s příkony řádově stovky wattů až cca tisíce wattů. Byly zjištěny kvantitativní hodnoty parametrů, které v dostupné literatuře dosud nejsou k dispozici, zejména byly získány a určeny hodnoty množství přisávaného vzduchu za podmínek blízkých provozním a reálnému provedení aeračního zařízení výše uvedených příkonů. Při zkouškách s oběžnými koly typu A a B byla kvantifikována změna průtoku vzduchu i příkonu
v závislosti na hloubce ústí přívodu vzduchu pod hladinou h. Bylo zjištěno, že průtok vzduchu klesá zhruba lineárně s rostoucí hloubkou h ve sledovaném rozmezí hloubek h = 150 až 425 mm. Pro oběžné kolo typu A při hloubce h = 150 mm a otáčkách n = 2800 min-1 byl zjištěn průtok vzduchu Q = 1,9 m3 h-1. Při maximální hloubce pak poklesl průtok vzduchu zhruba o 69 % . U kola typu B při hloubce h = 150 mm a stejných otáčkách je průtok vzduchu více než dvojnásobný než u varianty A. Přitom procentuální pokles průtoku příslušný maximální hloubce je přibližně stejný jako u varianty A. Příkon aeračního zařízení ve sledovaném rozmezí hloubek ústí h roste s rostoucí hloubkou jen nevýrazně, u kola A vzroste příkon zhruba o 5 %, u typu B se prakticky nemění. Z hlediska měrného efektivního příkonu je výhodnější použít oběžné kolo typu B, vyžaduje však použití elektromotoru s vyšším příkonem. K dalšímu posouzení je třeba provést měření oxygenační kapacity na konkrétním aeračním zařízení, např. v rámci prototypových zkoušek. V rozmezí hloubek h = 150 až 210 mm byla pozorována vyšší četnost vzniku nálevkových vírů u kola typu A. Množství vzduchu strhávané vírem do prostoru lopatek oběžného kola však prakticky ne155
J. Melichar
ovlivňuje výkonové parametry zařízení ani charakter zavzdušňované oblasti. Experimentálně zjištěné údaje jsou základem pro podrobnější technicko-ekonomickou analýzu. Ta slouží k posouzení vhodnosti určité varianty geometrie oběžného kola pro konkrétní případ aplikace z hlediska ekonomičnosti provozu. Na základě naměřených hodnot parametrů lze podrobněji stanovit investiční a provozní náklady vynaložené na jednu hodinu provozu, eventuelně na jeden krychlový metr dopravovaného vzduchu při konkrétní hloubce ponoření. Podle hrubého ekonomického rozboru, např. pro sedmiletou životnost zařízení a uvažovaný počet 1000 provozních hodin za rok při hloubce h = 450 mm vychází nákladová úspora při použití oběžného kola typu B ve srovnání s kolem typu A až několik desítek tisíc korun. Podrobnou nákladovou analýzu je však možné provádět až pro konkrétní konstrukční provedení a konkrétní provozní podmínky. Pro volbu optimálního způsobu provzdušňování pomocí zařízení různé koncepce nelze na základě provedených zkoušek stanovit jednoznačnou universální směrnici. V konkrétním případě může být rozhodující především schopnost sytit provzdušňovanou kapalinu kyslíkem. Aeration Industries International, Inc. (Aerátor, technické podmínky (1994)) uvádí až dvojnásobnou oxygenační kapacitu v porovnání s jemnobublinkovým systémem, u kterého je k rozvodu vzduchu na dně nádrže používán kompresor. Poměrný efektivní příkon zjištěný na zkušebním zařízení (u reálného zařízení mohou být hodnoty mírně odlišné) při zkouškách s oběžným kolem typu A, vychází cca dvojnásobný než je obvyklá statistická směrná hodnota, udávaná pro kompresory standardního provedení. Vyšší hodnota efektivního příkonu, resp. vyšší spotřeba energie je způsobena tím, že na rozdíl od případu pouhého provzdušňování je část dodávané energie využívána k účelnému promíchávání kapaliny. V konkrétním případě použití lze pak posoudit vhodnost určitého systému zohledněním výhod, uvedených v úvodu. Práce vznikla za dílčí podpory Ministerstva školství mládeže a tělovýchovy ČR (výzkumný záměr J04/98: 212200009). Seznam symbolů D Q b d
– – – –
156
průměr oběžného kola [mm], průtok vzduchu [m3 h-1], šířka [m], vnitřní průměr duté hřídele [m],
h n P η α
– – – – –
hloubka ponoření ústí duté hřídele [cm], [mm], otáčky [min-1], příkon [W], [kW], účinnost [–], úhel sklonu hřídele [°].
Indexy D e max mot M
– – – – –
díla, efektivní, maximální, motoru, modelu.
LITERATURA Aerátor, technické podmínky. 1994. Firemní materiály EKO spol. s r.o., Hradec Králové. Aire-O2. 2001. Firemní materiály Aeration Industries International, Inc. USA. BASIN A.M., ANFIMOV V. N., 1961: Gidrodinamika sudna, soprotivlenie vody, dvižitěli, upravljajemosť i kačka. Izdatělstvo Rečnoj transport, Leningrad. BLÁHA J., BRADA K., 1992: Hydraulické stroje, technický průvodce. SNTL Praha. BLÁHA J., BRADA K., 1995: Metodika experimentů a modelování. Skripta Fakulty strojní ČVUT v Praze. BLÁHA J., MELICHAR J., 2001: Návrh oběžného kola aeračního zařízení. In: Vývojové tendencie v konštrukcii a prevádzke hydraulických strojov a zariadení, Zborník prednášok konferencie. STU, Bratislava, s. 31–34. ISBN 80-2271573-5. MELICHAR J., BLÁHA J., 2002: The Design of an Propeller the Aeration Equipment. In.: Workshop 2002, Prag, Proceedings CTU Reports, s. 742–743, ISBN 80-01-02511-X. MELICHAR J., ANDREOVSKÝ J., 2003: Parameter Measurements of Experimental Mobile Aerating Equipment. In: Workshop 2003, Prag, Proceedings CTU Reports, s. 706– –707, ISBN 80-01-02708-2. Došlo 3. februára 2003 Referát prijatý 3. marca 2003
OPTIMIZATION OF THE IMPELLER WHEEL AERATOR FOR AGITATION OF LIQUIDS Jan Melichar An alternative solution of the systems applied to the aeration of surface and waste waters is represented by a facility employing the axial impeller generated hydrodynamic effect of the streaming liquid to force air into the liquid being subjected to aeration. The essential component of this aeration facility is its axial impeller wheel mounted at the tip of a hollow air intake shaft and immersed under the level of the liquid in the tank. Procedures employed in designing ship's propellers, axial pump impellers, and possibly agitators can be put to use when working on the hydraulic design of the impeller wheel.
Optimalizace oběžného kola provzdušňovacího zařízení kapalin
A number of model impellers having 50 mm in diameter were manufactured at the Mechanical Engineering Faculty of the Czech Technical University in Prague. Based on model test runs, the best-fitting option of the impeller wheel was identified and this was subsequently used to build the aerator facility destined for household sewage water treatment stations. The option chosen served as a model for designing the 80 mm impeller. A laboratory test bench was designed and implemented where the measurements of the electric motor drive input power and of the quantity of inducted air forced into the streaming liquid were carried out. A comparison was obtained of two design alternatives of the 80 mm impeller wheel. The experimental data required to establish the impeller dimensions and to assess the suitability of a given impeller geometry were obtained for the case of an aerator operating at an input power of the order of magnitude ranging from hundreds to thousands of watts. Quantitative parameter values unavailable so far from literature were ascertained. The changes to air flow rate and to input power were quantified as functions of the impeller immersion depth. The experimental data thus obtained provide a basis for more detailed technical and economic analyses. Measurements of the oxygenation capacity using a dedicated aeration facility, e.g. within the framework of prototype test runs, will make it possible to arrive at comparisons with aerators which are based on fundamentally different designs. List of symbols D Q b d h
– – – – –
n P η α
– – – –
diameter of impeller wheel [mm], air flow rate [m3 h-1], width [m], interior diameter of hollow shaft [m], depth of immersion of hollow shaft mouthpiece [cm], [mm], speed [min-1], power input [W], [kW], efficiency [–], shaft tilt angle [°]
Subscripts D e max mot M
– – – – –
of work, effective, maximum, of motor, of model.
157
