Hidrológiai Közlöny 1965 (45. évfolyam)

3. szám - Horváth Imre: Légbefúvásos szellőztető medence hirdaulikai kismintavizsgálata

Horváth I.: Légbefúvásos szellőztető medence Hidrológiai Közlöny 1965. 3. sz. 135 az áramlási sebesség véges értékű lesz, a körüláramlás potenciálja pedig nem lesz folytonos. Ennék a káros hatásnak a kiküszöbölése érdekében a válaszfalat olyan ellipszis profilura kellene kialakítani, amelynek kistengely hossza viszonylag nagy. Ez azt jelenti, hogy a válaszfal túlzottan nagy térfogatőt foglalna el a medencében, ami mindenképpen gazdaságtalan. Másik megoldás, amellyel a leválási tartományok kiküszöbölhetők az, hogy a válaszfalat teljesen elhagyjuk. Ez esetben az ellipszis alakú áramvonalak helyett koncentrikus köröket kapunk, ami a w — i In z (4) komplex potenciálból következik. A (4) összefüggés az (l)-nek csupán egy speciális esete, amelynél a fókusztávolság nulla. Ily módon a konfokális ellipszisek koncentrikus körökké módosulnak. Kísérleteink szerint áramlási szempontból ez a megoldás a legkedvezőbb. Azonban, mint a későbbiekben látni fogjuk, a köráramvonalú cirkulációs megoldás gépészeti szempontból nem tekinthető a legkedvezőbbnek. 3. Az áramlási viszonyokra jellemző kismintatörvény kísérleti meghatározása Mielőtt a különböző medencekeresztmetszetek hidraulikai vizsgálatára rátértünk, megvizsgáltuk, hogy a kérdéses áramlási folyamatra milyen kismintatörvény érvényes. A kísérletekhez elkészítettük a 3. ábrán látható medence két egymáshoz geometriailag hasonló kismintáját. x\ köztük levő méretarány 1:2. A két berendezés a szokásos méretű szellőztetőmedencéknek 1:5, illetőleg 1:10 méretarányú kismintájának tekinthető. Az áramlási tér egyes pontjaiban előálló sebességek mérésével, illetőleg a két különböző méretű kisminta egymásnak megfelelő pontjaiban fennálló sebességarányok számításával az érvényes kismintatörvény kiszámítható. Ennek fizikai alapja az a tény, hogy a fenti sebességhányados felírható a méretarány valamilyen hatványaként. Az eredmény azt mutatja, hogy a sebességarány Á

v = 1,35 = 2

0,4

3, azaz az alkalmazható kismintatörvény a Froude-törvény. A Froudetörvénynél X kitevője a = 0,5. Az eltérés arra utal, hogy a nehézségi és tehetetlenségi erőkön kívül más erőhatások is szerephez jutnak. Véleményünk szerint a fenti két főerőn kívül a kapilláris hatás érvényesül még elsősorban, aminek oka az, hogy az áramlási térbe juttatott légbuborékok minősége és mennyisége is befolyásolja az áramlási sebességet. Ennek ellenére — ahogy a mérések eredményeiből is kitűnik — főerőnek a nehézségi és tehetetlenségi erők tekinthetők. Összehasonlításképpen megemlítjük, hogy korábbi vizsgálataink szerint Kessener-rendszerű szellőztetőmedencénél a = 0,475 értéknek adódott [2]. Ez esetben tehát a Froude-törvény jobban megközelíti a valóságot. 4. A szellőztetőmedencébe juttatott buborékok mozgásának hasonlósági feltételei Ismeretes, hogy a légbefúvásos rendszerű szellőztetőmedencékkel kapcsolatosan kísérletek folytak és folynak ma is különböző méretű levegőbuborékok alkalmazásával a megfelelő oxigénfelvétel és áramlási viszonyok megteremtése érdekében. így alakultak ki az úgynevezett kis-, középés nagybuborékos szellőztetési eljárások. Mivel a levegőztető medence üzemszerű működését a buborékok mozgásának, oldódásának folyamatai elsődlegesen befolyásolják, ezért ezeket a jelenségeket alaposabban megvizsgáltuk. Továbbmenően indokolja ezt még az a tény is, hogy vizsgálatainkat laboratóriumi méretű berendezésen végeztük és a kismintáról a főkivitelre történő átszámítások tényezőinek meghatározása e hidraulikai és fizikokémiai folyamatok ismerete nélkül nem lehetséges. A szennyvíztisztítási technológia irodalmában a folyékony közegben mozgó buborékok mozgási törvényszerűségeinek hasonlóság-elméleti vonatkozásaival tudomásunk szerint nem foglalkoztak. Ezért tanulmányunkban a többfázisú közeg hidraulikájának törvényszerűségeire és saját kísérleteinkre, elméleti megfontolásainkra kívánunk támaszkodni. A mozgásegyenletek szerint a buborékok emelkedési sebessége az átmérő függvénye [5]. Mivel a szennyvíztisztítási technológiában is a buborékméretet tekintik — a fentiekben már említett kis-, közép- és nagybuborékos szellőztetésnél — az osztályozás alapjának, a továbbiakban a mozgás Reynolds-száma mellett mi is ezt vesszük figyelembe a buborékmozgás osztályozásánál. A buborékok alakját mozgás közben a felhajtóerő, közegellenállás és a felületi feszültség viszonya határozza meg. A felületi feszültség gömbalakban igyekszik tartani a buborékot, mert az adott feltételeknek megfelelően a gömb a minimál felület. A felületi feszültséggel szemben az ellenállás a buborékot ellaposítja. E deformáció r = = 0,08—0,1 cm értéknél kezdődik [4]. Míg a gömbalakú buborék egyenes vonalú pályán emelkedik, a lapos lencsealak (3—4 mm-nél) — a legkisebb ellenállási irányba történő, oldalirányú elmozdulás következtében — spirálvonalú pályán halad. Nagyobb méretnél a buborék teljesen szabálytalan alakot vesz fel, aminek pályája is határozatlan. 1,5 cm felett a szabálytalan alakú buborékok ismét közelítőleg egyenes pályát írnak le. A buborékok emelkedési sebessége az átmérő függvénye. Korábbi tanulmányunkban összehasonlításképpen közöltük az irodalomban talált — a buboréksebességre vonatkozó — néhány összefüggést, kiegészítve az általunk végzett kísérletek eredményeivel. Erre vonatkozó vizsgálatainkat az tette indokolttá, hogy az irodalmi adatok között 1,0 cm feletti átmérőjű buborékokra vonatkozó sebességi adatok viszonylag hiányosak. A szellőztetőmedence esetében pedig leginkább az ilyen nagyobbméretű buborékok fordulnak elő [3]. A továbbiakban a különböző méretű buborékok sebességére analitikusan levezetett össze-