книги / Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений

УДК 657.21.82.554 П79

Рецензенты: кафедра ОФ и М ПГТУ; канд. техн. наук Н.Б. Москалец

Рассмотрены вопросы проектирования, производства и эксплуатации строительных конструкций и материалов, энергетическая эффективность инженерных систем и другие аспекты строительства.

Сборник предназначен для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов старших курсов.

18ВИ 5-88151-221-9

Редакционная коллегня: д-р техн. наук Б.С. Баталин, Ю. Г. Грачев, канд. техн. наук А.И. Маковецкий, Б.И. Десятое, Ю.П. Ржаницын, М.П. Ковалев

Ответственный за выпуск доцент В.А. Голубев

СТРОИТЕЛЬНОМУ ФАКУЛЬТЕТУ

ПЕРМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА - 40 ЛЕТ

Представленный вниманию читателей сборник научных трудов и статей подготовлен работниками строительного факультета Пермского государствен­ ного технического университета в тесном содружестве с нашими коллегами строительных факультетов вузов Урала.

Строительный факультет Пермского политехнического института был создан в 1959 г. и первый выпуск инженеров-строителей состоялся в 1962 г. Основной вклад в дело организации подготовки инженеров-строителей внес замечательный педагог и ученый, канд. техн. наук, доцент Владимир Сергеевич Раскопин, первый заведующий кафедры строительного производства и декан строительного факультета с 1960 г.

За 40 лет факультет подготовил около 10 тысяч инженеров-строителей, которые возглавляют крупные строительные организации и предприятия Пермской области.

В настоящее время на факультете 8 кафедр, из них 7 выпускающих, готовящих инженеров по четырем специальностям: промышленное и гражданское строительство; производство строительных материалов, изделий и конструкций; теплогазоснабжение и вентиляция; водоснабжение и водоотведение. В 2000 г. предполагается ввести еще две специальности: городское строительство и хозяйство и экспертиза и управление недвижимостью. На факультете работают 4 профессора, и 58 кандидатов наук.

Сборник научных трудов ученых строительных факультетов Урала демонстрирует разнообразие тематики научных исследований. В то же время в большинстве вузов Урала наиболее актуальным направлением является

решение проблем энергосбережения. Причем, вопросы энергосбережения

исследуются учеными на всех этапах:

•анализ существующего положения дел;

•научные разработки и проектные предложения на базе данных анализа;

•методы организации и производства работ по энергосбережению. Координация этой работы в рамках УрО АСВ даст большой экономический эффект.

Декан строительного факультета ПГТУ,

доцент, Заслуженный строитель России

Н.С. Васькин

Инженерное обеспечение зданий и сооружений

УДК 661.183

М.П. Ковалев, С.А. Кудрин, С.В. Новиков, А.В. Зубов

Пермский государственный технический университет

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМ ЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ СОРБЕНТОВ

Рассмотрена возможность применения углеродных волокнистых сорбентов (УВС) для очистки воды. Сделаны выводы об эффективности использования УВС для локальной глубокой доочистки воды по сравнению с другими видами сорбентов.

Адсорбция является универсальным физико-химическим методом, позволяющим практически полностью извлекать органические примеси из газовой или жидкой среды [1]. Поэтому неудивительно, что изучению процесса адсорбции посвящено большое количество научных трудов. Однако большинство исследований по использованию адсорбентов в области глубокой очистки воды посвящено различным аспектам получения и применения активных углей (АУ), которые являются одним из самых распространенных адсорбентов. При этом следует отметить, что, несмотря на очевидные достоинства АУ, существует целый ряд адсорбентов, которые по своим характеристикам не уступают, а по некоторым показателям даже превосходят их.

К числу таких адсорбентов относятся углеродные волокнистые сорбенты, производство которых основано на спекании и последующей активации целлюлозного волокна специальным методом. По химическому составу они аналогичны АУ, но имеют ряд преимуществ, связанных с удобной физической формой и значительно большей величиной поверхности.

Известно, что сорбционные свойства адсорбента зависят от энергии адсорбции, которая в свою очередь определяется суммарным объемом пор, а также долей микропор (поры радиусом 0,3 - 0,6 нм) в этом объеме. Так, суммарный объем пор УВС достигает 1,5 см3/г, при этом 0,5 см3/г приходится на микропоры, в то время как у большинства марок АУ, используемых для очистки воды, этот-показатель составляет 0,12 - 0,4 см3/г. При этом следует отметить, что УВС, имея волокнистую структуру, состоят из элементарных моноволокон, диаметр которых составляет 1 5 - 3 0 мкм [2]. Эта особенность физической формы УВС обусловливает сильно развитую поверхность, а следовательно, и высокую кинетику извлечения примесей из водных растворов.

Значительный объем адсорбционного пространства и высокая кинетика сорбции позволяют использовать УВС для очистки воды при малых концентрациях загрязнений, а также существенно сократить габаритные размеры адсорбционных аппаратов за счет уменьшения времени контакта очищаемой жидкости с сорбентом.

Поскольку УВС выпускаются в виде полотна шириной 35 - 50 см, в ходе лабораторных и промышленных испытаний исследованы несколько различных методов формирования фильтрующего элемента. Один из наиболее эффек­ тивных способов, разработанный на кафедре водоснабжения и канализации нашего университета, предусматривает укладку нарезанного кольцами фильтрующего материала вдоль центральной перфорированной трубы с последующим сжатием колец прижимным фланцем с давлением не менее 30 кПа [3]. Такой способ укладки обеспечивает однородность загрузки, сос­ тоящей из отдельных слоев полотна и, как следствие, равномерное распределение моноволокон по всему объему загрузки адсорбера, а также почти двукратное увеличение веса фильтрующей загрузки в том же объеме и связанной с ним сорбционной емкости фильтрующего элемента в целом. Использование такого метода укладки материала позволило создать конструкцию адсорбера, который при диаметре 0,35 м и высоте 0,7 м позволяет производить глубокую очистку воды от растворенных органических соединений с производительностью 3 - 5 м3/ч.

Несмотря на то, что максимальная ширина полотна УВС ограничивает диаметр фильтра (а следовательно, площадь фильтрации и его произво­ дительность), адсорбер данной конструкции нашел успешное применение и отлично зарекомендовал себя в локальных системах доочистки питьевой воды и стоков, содержащих растворенные органические вещества, в том числе и нефтепродукты.

Использование таких адсорберов для очистки трюмных вод судов на озере Байкал показало превосходный результат. Трюмные воды, имеющие многократное превышение норм сброса по взвешенным веществам и нефтепродуктам, после грубой механической очистки подавались на двухступенчатую механосорбдионную очистку с показателями качества: взвешенные вещества - 30 мг/л, нефтепродукты - 5 мг/л. После механосорбционной очистки, которая осуществлялась на двух последовательно установленных адсорберах, снаряженных углеродными волокнистыми материалами КНМ и АНМ-3, концентрация загрязнений в очищенной воде составляла: взвешенных веществ - менее 1,5 мг/л, растворенных нефтепро­ дуктов - менее 0,03 мг/л. Такие показатели качества позволяли сбрасывать очищенную воду в оз. Байкал. Учитывая, что производительность очистных сооружений составляла 5 м3/ч, а площадь, занимаемая двумя ступенями адсор­ беров (включая обвязку), всего 1,2 м2, добиться такого высокого эффекта извлечения нефтепродуктов возможно было только при использовании УВС.

УДК 628.1

М.П. Ковалев, О.Ю. Дейнека, КВ. Нецветаев

Пермский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИКИ ОСАЖДЕНИЯ ВЗВЕШ ЕННЫХ ЧАСТИЦ В СТОЧНОЙ ВОДЕ ОТ МОЙКИ АВТОМАШ ИН

На основе экспериментальных исследований, проведенных с реальными сточными водами, образующимися при мойке автомашин, получены кривые кинетики осаждения взвеси и определено процентное содержание частиц различной крупности от общего содержания взвешенных веществ, необходимое для технологического расчета очистных сооружений.

Существующие данные о составе сточных вод, образующихся при мойке автомашин, свидетельствуют о наличии в них значительного количества взвешенных веществ (в основном минерального происхождения) и нефтепродуктов. При этом содержание нефтепродуктов по данным различных исследователей находится в пределах 50 - 70 мг/л, а количество взвешенных веществ колеблется от 1000 до 2500 мг/л. В то же время, несмотря на очевидную актуальность проблемы правильного выбора и технологического расчета очистных сооружений оборотного водоснабжения станций автомоек, до сих пор отсутствуют данные о гранулометрическом составе осадка сточных вод и гидравлической крупности взвешенных частиц.

Цель настоящей работы - экспериментальное исследование кинетики осаждения взвешенных частиц путем технологического моделирования, сущность которого заключается в определении в лабораторных условиях расчетной скорости осаждения взвеси, ее гранулометрического состава и продолжительности пребывания воды в отстойных сооружениях, обеспечивающей заданный эффект осаждения. Методика моделирования основана на соблюдении подобия выпадения взвеси, выражаемого критерием гомохронности Но или Струхаля 8И, при различных высотах столба исследуемой жидкости.

Н о - 8Н- — = сопз!,

ш

где И- высота столба жидкости, м;

и- скорость оседания взвеси, м/с;

/- время оседания, с.

Благодаря указанному подобию, оказывается возможным моделировать процесс осаждения взвеси в лабораторных цилиндрах с небольшой высотой столба воды. При этом время, в течение которого достигается определенный эффект осаждения, значительно уменьшается по сравнению с натурными сооружениями. Это позволяет значительно сократить время экспери­

ментальных исследований и сравнительно быстро определить искомые величины.

Для определения кинетики осаждения взвешенных частиц в лаборатории кафедры водоснабжения и канализации Пермского государственного технического университета была собрана лабораторная установка, состоящая из 5 цилиндров емкостью 1 л с коническим дном и высотой столба воды 38 см. В качестве исследуемой жидкости использовались реальные сточные воды, собранные во время мойки автомашин на различных объектах г. Перми и содержащие от 1800 до 2200 мг/л взвешенных частиц.

Экспериментальные исследования проводились следующим образом. Исследуемая вода с предварительно определенной массовой концентрацией взвеси т0 разливалась в приготовленные цилиндры с коническим дном. Затем воду отстаивали и через различные промежутки времени после начала отстаивания из каждого цилиндра сливали накопившийся осадок и определяли его массовое количество т.

Учитывая, что количество взвеси, выпавшей на дно цилиндра площадью 5 за определенный промежуток времени

т= и о С 8 1,

амассовое содержание взвеси в том же объеме до начала осаждения

то - СИ8,

относительное количество выпавшей взвеси, или эффект осаждения

р = т/то = ио*/Ь,

где щ - гидравлическая крупность частиц взвеси;

С- концентрация взвеси в испытуемой пробе;

И- высота столба воды в цилиндре.

Полученная зависимость совпадает с критерием гомохронности, что свидетельствует о соблюдении гидродинамического подобия при проведении экспериментальных исследований.

На основе полученных опытных данных была построена зависимость эффекта осаждения взвеси р от относительной продолжительности отстаивания 0 1 (рисунок).

По графику видно, что около 60 % всех взвешенных веществ, нахо­ дящихся в сточной воде, выпадают в осадок в течение короткого промежутка времени (1/И < 0,4 мин/см). Дальнейшее увеличение времени отстаивания при­ водит к менее значительному снижению концентрации взвешенных веществ в отстоянной воде, а кривая осаждения асимптотически приближается к р = 1 при бесконечном увеличении времени осаждения. Это свидетельствует о наличии в исследуемых сточных водах большого количества чрезвычайно мелких пылеватых и глинистых частиц.

С помощью полученной кривой выпадения взвеси определялись средние значения гидравлической крупности осаждаемых взвешенных частиц при различной степени осветления сточных вод по формуле

и0 =рк/1.

Диаметр осаждаемых частиц взвеси вычислялся из формулы Стокса

где рг - плотность частицы, принятая равной 2600 кг/м3; р2 - плотность жидкости, равная 1000 кг/м3;

\1 - динамический коэффициент вязкости, равный 0,0131 Па с; к —коэффициент формы, принимаемый для остроугольных песчаных

частиц равным 0,7; % - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2;

д.- диаметр частицы.

Втаблице приведено относительное количество взвешенных веществ с определенной гидравлической крупностью и диаметром частиц, находящихся в сточных водах от мойки автомашин. При этом общее содержание взвеси в сточной воде принято за 100 %.