1.2.Объем проекта и его оформление

1.2.1. Оформление расчетно-пояснительной записки

Расчетно-пояснительная записка должна быть написана чернилами или пастой (возможен набор на ЭВМ) на одной стороне листа стандартного формата, быть краткой и не содержать общих положений и описаний. Листы записки должны быть пронумерованы и скреплены. На обложке указывается название университета и кафедры, тема проекта, факультет, фамилия и инициалы исполнителя, должность, фамилия и инициалы руководителя курсового проекта.

За обложкой следует задание на проектирование, оглавление, введение, основная часть записки. В пояснительную записку рекомендуется включить следующие разделы:

1. Общее описание условий работы воздуходувной станции (назначение, производительность).

2. Гидравлические расчеты всех элементов станции и трубопроводов.

3. Подбор воздуходувок и построение совмещенных характеристик воздуходувок и воздуховодов.

4. Подбор электродвигателей для воздуходувок.

5. Расчет и подбор вспомогательного оборудования (фильтров для очистки воздуха, грузоподъемных устройств, КиП, насосов для перекачки ила, трансформаторов).

6. Описание строительной части воздуходувной станции.

7. Определение технико-экономических показателей воздуходувной станции.

В расчетно-пояснительной записке приводятся обоснования принятых решений и все необходимые расчеты с соответствующими пояснениями и ссылками на литературные источники. Таблицы и схемы должны иметь номера и названия.

В конце записки приводится список литературы (библиография), на которую были сделаны ссылки в тексте записки.

Расчетные формулы приводятся с расшифровкой обозначений и указанием размерностей всех входящих в формулу параметров. Численные значения величин проставляют в формулу в той последовательности, в какой написаны буквенные обозначения. Сокращения чисел и промежуточные вычисления не допускаются.

1.2.2. Оформление чертежей

На стандартном листе (формат А1) вычерчиваются:

1. План и поперечные разрезы здания воздуходувной станции с нанесением всех основных размеров частей здания и оборудования в масштабе 1:50 (трубы должны быть показаны в две линии, арматура - условными обозначениями);

2. Генеральный план местности с указанием расположения здания воздуходувной станции, сооружений, к которым подводится воздух (аэротенки, преаэраторы, фильтры доочистки, биореакторы, цех механического обезвоживания осадка, реагентное хозяйство и др.), воздухопроводов.

На листе (формат А3) приводятся общие данные проекта.

Все чертежи выполняются в карандаше или в туши (пастой) с соблюдением масштабов и условных обозначений в соответствии с действующими ГОСТ и требованиями Единой Системы Конструкторской Документации (ЕСКД) [1]. Возможно выполнение чертежей с помощью ПЭВМ. Образец выполненного проекта находится в методическом кабинете кафедры "Водоснабжение и водоподготовка".

2. Последовательность расчета и проектирования воздуходувной станции

В системах водоснабжения и водоотведения сжатый воздух низкого давления (до 1,9 ата) применяется в технологических целях в аэротенках и преаэраторах, в биореакторах, в реагентных хозяйствах для растворения, перемешивания и поддержания во взвешенном состоянии реагентов, а также при водовоздушной промывке фильтровальных сооружений.

Центробежные воздуходувки и нагнетатели используются для подачи воздуха в сооружения очистки сточных вод (аэротенки, преаэраторы, биореакторы), в сооружения для механического обезвоживания осадков (вакуум-фильтры и фильтр-прессы), в аэробные минерализаторы. Как правило, воздуходувки и нагнетатели входят в состав основного оборудования воздуходувных станций, располагаемых на территории очистных сооружений сточных вод в непосредственной близости от места потребления сжатого воздуха и электрораспределительных устройств.

Водокольцевые насосы (типа ВК с газосборником) могут использоваться в качестве воздуходувок при водовоздушной промывке фильтров и в реагентных хозяйствах. Они, как правило, устанавливаются в помещениях реагентных цехов или отделений на станциях водоподготовки.

Расчет и проектирование воздуходувных станций рекомендуется вести в следующей последовательности:

1. На основании исходных данных о потребителях сжатого воздуха вычисляется необходимая подача воздуходувной станции. При этом можно использовать следующие удельные расходы воздуха: в преаэаторах и биокоагуляторах – 0,5 м³ на 1 м³ сточных вод; в аэротенках – 3 – 6 м³ на 1 м³ очищаемой воды; в фильтрах доочистки сточных вод при водовоздушной промывке – 14–20 л/с на 1 м² площади фильтра; в аэробных стабили-заторах – 1–2 м³/ч на 1 м³ вместимости стабилизатора; в резервуарах промывки осадка перед механическим обезвоживанием осадка – 0,5 м³ воздуха на 1 м³ смеси промываемого осадка и воды; на вакуум-фильтрах – 0,1 м³ /мин на 1 м² площади фильтра; на фильтр – прессах расход сжатого воздуха на просушку осадка 0,2 м³/мин на 1 м² фильтровальной поверхности; для принудительной аэрации штабелей при компостировании осадка – 15–25 м³/ч на 1 т органического вещества осадка; для растворения коагулянта и перемешивания его в баках – 8–10 л/с на 1 м² площади бака для растворения и 3–5 л/с на 1 м² площади бака для перемешивания; в смесителях станций очистки природных вод для улучшения процесса хлопьеобразования интенсивность аэрации – 70–80 м³ /ч на 1 м² площади смесителя; при водовоздушной промывке скорых фильтров и контактных осветлителей на станциях очистки природных вод – 18–20 л/с на 1 м² фильтровальной поверхности.

2. На основании исходных данных составляется расчетная схема воздуховодов, на которой выделяются расчетные участки. Выбирается расчетное направление, т.е. путь подачи воздуха от воздуходувок до наиболее удаленного потребителя.

Пример: Рассчитать воздуходувную станцию для подачи воздуха в четырехкоридорные аэротенки с длиной одного коридора 1_а = 78 м, шириной 6 м и рабочей глубиной Н = 4,4 м. В примере приняты мелкопузырчатые аэраторы из пластмассовых труб со специальным покрытием. Общее количество воздуха, подаваемое в аэротенки, Q_возд = 43200 м³/ч. На расчетной схеме для данного примера (рис. 2.1 и 2.2) указывают длины расчетных участков и расходы воздуха, транспортируемого по ним. При числе секций аэротенков свыше четырех подачу воздуха от воздуходувной станции необходимо предусматривать не менее, чем по двум воздуховодам.

Рис. 2.1. Схема расположения трубчатых аэраторов в четырех-коридорном аэротенке: 1– воздухоподводящие стояки; 2– трубчатые аэраторы; I–IV– коридоры

3. Определяются диаметры участков воздухопровода d, мм, по формуле [2]

, (2.1)

где Q_н – расход воздуха при нормальном давлении, м³/с;

P — абсолютное давление сжатого воздуха, кг/м², которое условно принимается одинаковым для всех участков расчетной схемы. Так как оно не известно в начале расчета, то рекомендуется принимать его предварительно равным Р = 0,13–0,17 МПа (13000–17000 кг/м²) с последующей проверкой;

V — экономически выгодная скорость движения воздуха: в распределительных стояках и общем воздуховоде V=10–20 м/с, в воздухоподводящих стояках V= 4–10 м/с;

t_сж — температура сжатого воздуха, определяемая по формуле [2]

(2.2)

где Q_сж — расход сжатого воздуха, транспортируемого по трубопроводам, м³/с;

P_н — нормальное давление наружного воздуха, P_н = 0,1 МПа;

Рис. 2.2. Расчетная схема воздуховодов: I–здание воздуходувной станции; II–воздухопроводная сеть; III–секции аэротенков

t_н — расчетная температура наружного воздуха летом, С (средняя в наиболее жаркий месяц в 13 ч).

Для упрощения расчета температуры сжатого воздуха можно воспользоваться данными табл. 2.1. [2]

Таблица 2.1.

Зависимость Q_сж/Q_н от абсолютного давления воздуха.

Абсолютное давление воздуха, Р, МПа	0,1	0,11	0,12	0,13	0,14	0,15
Отношение расходов воздуха,Qсж/Qн	1	0,94	0,88	0,83	0,79	0,75
Абсолютное давление воздуха, Р, МПа	0,16	0,17	0,18	0,19	0,2	0,3
Отношение расходов воздуха,Qсж/Qн	0,71	0,69	0,66	0,63	0,61	0,46

Для рассматриваемого примера принимается t_н= 22С и абсолютное давление воздуха P = 0,15 МПа. Тогда t_сж, рассчитанная по формуле (2.2), равняется 58 С.

Полученный расчетный диаметр округляется до ближайшего стандартного по сортаменту труб. Для воздуховодов используют обычные тонкостенные электросварные стальные трубы с толщиной стенок 3 мм при диаметре воздухопровода до 1000 м и толщиной 4 мм при большем диаметре.

4. Выполняется гидравлический расчет воздухопроводов, т.е. определение потерь напора по длине и местных потерь. Для расчета воздухопроводов возможно использовать таблицы потерь напора в вентиляционных трубопроводах при температуре воздуха 20С и давлении 0,1 МПа [3], см. приложение 1.

При этом вводится поправка на изменение температуры:

_t = (_t / ₂₀)^0,852 (2.3)

где _t – плотность воздуха при расчетной температуре и давлении 0,1 МПа, кг/м³;

₂₀ – плотность воздуха при расчетной температуре 20С и давлении 0,1 МПа, кг/м³, равная 1,205 кг/м³.

Для рассматриваемого примера при расчетной температуре 58С по табл. 2.2. находится _t = 0,9.

Таблица 2.2.

Поправочные коэффициенты на изменение температуры

Температура t, С	t	Температура t, С	t
– 20	1,13	+ 15	1,02
– 15	1,1	+ 20	1
– 10	1,09	+ 30	0,98
– 5	1,08	+ 40	0,95
0	1,07	+ 50	0,92
+ 5	1,05	+ 60	0,90
+ 10	1,03

На изменение давления воздуха, Р, МПа, вводится поправка _р:

Р, МПа	0,1	0,12	0,15	0,17	0,2
р	1	1,17	1,41	1,57	1,81

Для рассматриваемого примера _р = 1,41.

С учетом поправок потеря напора по длине воздуховодов равняется, мм

h_тр = i l_тр _t _p, (2.4)

где i — потеря напора на единицу длины воздуховода при температуре воздуха 20С и давлении 0,1 МПа (определяется по прил. 1), мм;

l_тр — длина воздуховода, м.

Потери напора на местные сопротивления

, (2.5)

где  — коэффициент, зависящий от вида местного сопротивления (определяется по прил. 2);

V — скорость движения воздуха, м/с;

 — плотность воздуха при расчетной температуре, кг/м³, определяемая по формуле

. (2.6)

Здесь ρ_н – плотность воздуха при нормальном давлении (1,293 кг/м³).

Для рассматриваемого примера

 = кг/м³.

Расчет воздуховодов рекомендуется выполнять в табличной форме. Образец заполнения таблицы для рассматриваемого примера приведен в табл. 2.3.

5. Определяется общий напор воздуходувок H_общ, м по выражению [2]:

H_общ = h_в.с. + h_тр + h_м + h_аэр + h_ст + h_изб., м (2.7)

где h_в.с.–потери напора на трение и местные сопротивления в трубопроводах воздуходувной станции (ориентировочно не превышают 0,3-0,5 м);

Таблица 2.3.

К расчету воздуховодов

Участок воздухо- вода	lтр, м	Q, м^3/с	d, мм	V, м/с	i, мм/м	ilтр, мм	hтр, мм	Местное сопротив- ление	ζ	hм, мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1-1	66	12	1000	14,4	0,18	11,88	15,08	Два колена	0,6	12,60
1-2	24	9	900	14,2	0,18	4,32	5,48	Переход	0,08	3,68
								Тройник на проход	0,1
2-3	24	6	800	11,5	0,15	3,6	4,57	Переход	0,08	2,41
								Тройник на проход	0,1
3-4	44	3	600	10	0,17	7,48	9,49	Переход	0,08	5,87
								Колено	0,3
								Задвижка	0,1
								Тройник на проход	0,1
4-5	1	2,5	600	9	0,13	0,13	0,17	Тройник на проход	0,1	0,82
5-6	38	1,5	450	9,4	0,2	7,6	9,64	Переход	0,08	14,13
								Тройник в ответвление	1,5
6-7	12	0,5	250	9,6	0,5	6	7,61	Переход	0,08	2,61
								Задвижка	0,1
								Тройник на проход	0,1
7-8	7	0,25	200	8	0,37	2,59	3,29	Переход	0,08	11,53
								Колено	0,3
								Задвижка	0,1
								Колено	0,3
								Выход из трубы	1
							Σ= 55,33			Σ= 53,65

h_аэр – потери напора в аэраторах: мелкопузырчатых (перфори-рованные пластмассовые трубы со специальным покрытием) до 0,7 м вод. ст.; среднепузырчатых (перфорированные трубы) при глубине погружения аэраторов в воду более 3 м — 0,15 м; в системах низконапорной аэрации 0,015-0,05 м;

h_ст – напор столба воды, который необходимо преодолеть воздуху при выходе из аэратора (глубина погружения аэратора), м;

h_изб — избыточный (резервный) напор, принимается равным 0,05м.

Данные к расчету воздуховодов в табл. 2.3.

Полное давление Р, МПа, (абсолютное), которое необходимо раз-вивать воздуходувке, равняется

Р = 0,1 + 0,01Н_общ (2.8.)

Для рассматриваемого примера: h_в.с. = 0,3 м; h_тр = 0,055 м; h_м = 0,054 м; h_аэр = 0,7 м; h_ст. = 4,1 м; h_изб = 0,05 м; Н_общ = 5,259 м.

Полное абсолютное давление воздуходувки равняется

Р = 0,1 +0,01·5,259 = 0,153 МПа.

Так как рассчитанное полное давление практически не отличается от принятого (0,150 ≈ 0,153), то расчет на этом заканчивается. В случае несовпадения принятого и рассчитанного полного давления расчет повторяется с корректировкой значений _р.

6. Подбираются воздуходувки по справочникам [2, 4] или по приложениям 3 и 4, исходя из полного давления воздуха Р и расчетного расхода воздуха. При производительности воздуходувной станции более 5 тыс. м³ воздуха в час должно быть не менее двух рабочих агрегатов. Число резервных агрегатов следует принимать при числе рабочих: до трех - один; четыре и более - два [5].

Для рассматриваемого примера, исходя из полного давления 0,153 МПа и расчетного расхода воздуха Q_возд = 43200 м³/час, подбирается по первому варианту две рабочих и одна резервная воздуходувки типа ТВ-300-1,6 производительностью по 18 тыс. м³/час каждая. По второму варианту можно установить четыре рабочих и две резервных воздуходувки типа ТВ-175-1,6 производительностью 10 тыс. м³/час каждая.

7. Для крупных и средних воздуходувных станций (расход воздуха более 20-25 тыс. м³/час) рекомендуется проверять параллельную работу воздуходувок и воздухопроводов, для чего строят их характеристики Q-H и определяют фактическую подачу воздуха. Для воздуходувок характеристики Q-H берут из каталогов или приложения 5.

Характеристика системы воздухопроводов выражается уравнением [6]:

Н = Н_ст + S Q², (2.9)

где Н – потребный напор в системе, м;

Н_ст – статический напор, м, определяемый по формуле

Н_ст = h_ст + h_изб,

Q – расход воздуха, м³/мин.

S – сопротивление воздухопроводов и распределительных устройств (аэраторов), мм/(м⁶·мин.^-2), определяемый по формуле

. (2.10)

Для рассматриваемого примера

Н_ст = 4,1 + 0,05 = 4,15 м = 4150 мм;

h = 0,3 +0,055 + 0,091 + 0,7 = 1,109 м;

1000 h = 1109 мм;

S = 1,109 / (720)² = 0,00214 мм/(м⁶·мин.^-2).

Зная S и задаваясь различными значениями Q, находят соответствующие им значения h и строят графическую характеристику системы, на которую работают воздуходувки.

Для рассматриваемого примера

Q, м^3/мин	200	400	600	800	1000
Н, мм	4238	4492	4920	5589	6289

На рис. 2.3 показано построение графика совмещенных характеристик воздуходувок и воздухопроводов применительно к рассматриваемому примеру.

Из графика следует, что действительная подача воздуходувной станции удовлетворяет требованиям расчета. Фактическая подача воздуходувок ТВ-300-1,6 составляет 730 м³/мин, а воздуходувок ТВ-175-1,6 – 795 м³/мин, требуемая подача –720 м³/мин.

Если суммарная подача воздуходувок меньше расчетной (требуемой), то ее возможно увеличить двумя способами: либо подобрав более крупные воздуходувки, либо изменяя их число, либо увеличивая диаметр воздухопроводов.

Кроме графического возможно аналитическое отыскание рабочей точки параллельно работающих воздуходувок. Для этой цели зависимость Q-H для воздуходувки описывается уравнением

H = H_вф – S_в Q², (2.11)

Рис. 2.3. Определение действительных параметром воздуходувок

где H_вф — предельный фиктивный напор, развиваемый воздуходувкой при нулевой подаче, мм;

S_в – сопротивление воздуходувки, мм/(м⁶·мин.^-2).;

Q – подача воздуходувки, м³/мин.

Значения H_вф и S_в для подачи в м³/мин приведены в прил. 6.

Подача, которую обеспечивают m воздуходувок, работая параллельно на n воздуховодов, определяется по формуле

, м³/мин (2.12)

Значение S определяется по формуле (2.10).

Для рассматриваемого примера по первому варианту (при двух рабочих воздуходувках ТВ-300-1,6): H_вф = 7195; S_в = 0,01429.

Тогда общая подача двух рабочих воздуходувок:

730,1 м³/мин = 43809 м³/час.

Развиваемый напор при подаче каждой воздуходувкой

Q₁ = 365,05 м³/мин;

Н = 7195-0,01429·(365,05)² = 5290 мм вод.ст.

По второму варианту (при четырех рабочих воздуходувках типа ТВ-175-1,6) H_вф = 7661; S_в= 0,05851.

Тогда общая подача всех рабочих воздуходувок:

м³/мин = 46695 м³/час.

Подача каждой воздуходувки Q₁ = 194,6 м³/мин; развиваемый напор Н = 7661–0,05851·(194,6)² = 5446 мм вод.ст.

Как видно из сравнения, подачи, полученные расчетным и графическим путем, практически совпадают.

8.Подбирается электродвигатель к воздуходувке. Подбор электродви-гателя производится по мощности на валу N_в и числу оборотов n. Для подбора двигателя необходимо рассчитать максимальную мощность на валу воздуходувки N_в, кВт, по формуле [2]:

N_в = 0,273Q P / , (2.13)

где Q – подача воздуха, м³/час;

P – давление (избыточное), развиваемое воздуходувкой, МПа;

 – коэффициент полезного действия агрегата с учетом потерь энергии при передаче от двигателя, равный 0,5–0,75 для трубовоздуходувок и 0,25–0,3 для водокольцевых насосов.

Мощность двигателя N_дв должна превышать мощность на валу с учетом коэффициента запаса на перегрузку К₃, т.е.

N_дв = K₃ N_в, кВт. (2.14)

Величину К₃ принимают в зависимости от мощности на валу:

при N_в < 100 кВт K₃ = 1,15-1,1;

при N_в > 100 кВт K₃ = 1,1-1,05.

Для рассматриваемого примера, приняв =0,7, рассчитываем мощность N_в на валу воздуходувки.

Для воздуходувки ТВ-300-1,6 N_в = 0,273·365,05·60·0,0529/ 0,7=452 кВт.

Для воздуходувки ТВ-175-1,6 N_в = 0,273·194,6·60·0,05446/ 0,7=248 кВт.

Приняв К₃ = 1,05, получаем для воздуходувок ТВ-300-1,6 N_дв=475 кВт,

для воздуходувок ТВ–175–1,6 N_дв = 260 кВт.

Окончательное решение о типах устанавливаемых воздуходувок принимается на основании технико-экономического сравнения вариантов.