基于CFD的飲用水臭氧消毒裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化.pdf

1、目前，我國(guó)無(wú)論是城鎮(zhèn)還是農(nóng)村，水資源都存在著較大的安全隱患。農(nóng)村的用水中只有13.8％是符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。在城鎮(zhèn)，年久失修的供水管網(wǎng)以及難以保證衛(wèi)生安全的二次供水系統(tǒng)，也導(dǎo)致自來(lái)水在到達(dá)用戶家中時(shí)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也導(dǎo)致了我國(guó)的直飲水計(jì)劃難以推行。論文中設(shè)計(jì)的臭氧水消毒裝置能解決上述的自來(lái)水的二次污染的問(wèn)題。
　　 裝置以臭氧為消毒載體，包括四大部分，分別是：臭氧的制備、臭氧向水中的傳質(zhì)、臭氧水與自來(lái)水的反應(yīng)、尾氣的處理。在用

2、臭氧處理水時(shí)，隨著水質(zhì)的變化及水處理量的變化，臭氧的投加量及處理時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化，整套裝置的設(shè)計(jì)也會(huì)發(fā)生變更。初將水處理量定為40L/min，查找行業(yè)相關(guān)參數(shù)，結(jié)合水質(zhì)的情況，可將水中臭氧的反應(yīng)濃度定為2mg/L，反應(yīng)時(shí)間定為10min。根據(jù)以上參數(shù)，計(jì)算選擇臭氧發(fā)生器的類型及產(chǎn)量，臭氧水混合泵的型號(hào)，反應(yīng)器的有效容積，以及各管路的公稱直徑及材料。確定裝置采用間接供氣的反應(yīng)方式及連續(xù)的工作模式。間接供氣的反應(yīng)方式通過(guò)臭氧水混合泵吸收臭氧

3、，然后利用產(chǎn)出的臭氧水與待反應(yīng)水反應(yīng)。由于本裝置尾氣量并不像直接供氣反應(yīng)器那么大，所以采用分子篩或硅膠吸附的方法去除多余尾氣中的臭氧。
　　 臭氧的消毒效率是利用CT值來(lái)評(píng)價(jià)的。C表示臭氧在水中的濃度，T表示臭氧在水中的停留時(shí)間，CT值越大則消毒效果越好，而過(guò)大的C值可能產(chǎn)生超標(biāo)的DBPs。而在實(shí)際應(yīng)用中也使用CT10來(lái)代替CT計(jì)算臭氧的消毒效率。臭氧水與待反應(yīng)水是在反應(yīng)器中接觸并反應(yīng)的，論文中希望能通過(guò)合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化反應(yīng)內(nèi)的結(jié)

4、構(gòu)，改善臭氧在水中的停留時(shí)間分布，使得能在較低的臭氧濃度的情況下取得較高臭氧的消毒效率。文中將臭氧水反應(yīng)器分為兩個(gè)功能區(qū)，即推流區(qū)和混合區(qū)。推流區(qū)中以推流為主要流態(tài)，推流是通過(guò)減小跨距的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，臭氧水是在推流區(qū)中注入反應(yīng)器。推流的流態(tài)能使流經(jīng)該區(qū)域的水的停留時(shí)間相差不多，從而與臭氧接觸的時(shí)間也較為均衡，不至于形成部分水流過(guò)度臭氧化而浪費(fèi)臭氧。所設(shè)計(jì)的混合區(qū)中以渦流的流態(tài)為主，渦流是通過(guò)增加區(qū)域的跨距以及布置導(dǎo)流板來(lái)實(shí)現(xiàn)的，渦流能降

5、低臭氧的濃度梯度，使臭氧濃度分布更均勻，利于提高臭氧的利用率。
　　 設(shè)計(jì)的臭氧水反應(yīng)器共有9個(gè)區(qū)域。C1～C4區(qū)屬于功能區(qū)1，其中流態(tài)以推流為主；C5～C9區(qū)屬于功能區(qū)2，其中的流態(tài)以渦流為主。在分析內(nèi)部的流體狀態(tài)時(shí)，使用了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)以及Gambit和Fluent軟件。建立了反應(yīng)器的物理模型，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果得出了如下結(jié)論：
　　 (1)C1～C4區(qū)以推流流態(tài)為主，但是有較嚴(yán)重的短流現(xiàn)象

6、，導(dǎo)致了水流在該區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間分布不均。
　　 (2)C5～C9區(qū)中的渦流流態(tài)不明顯，也存在較為嚴(yán)重的短流現(xiàn)象。
　　 根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，分別提出了兩種優(yōu)化方案，方案一和方案二。對(duì)方案一和方案二建立物理模型和數(shù)值計(jì)算，得出如下結(jié)論：
　　 (1)方案一中C5～C9區(qū)中導(dǎo)流板的布置相比方案二要合理，能較好的促進(jìn)渦流的產(chǎn)生及合理分布。
　　 (2)方案二中C1～C4區(qū)導(dǎo)流板的布置以及隔板的尺寸設(shè)計(jì)較方案一