Lucrare de diplomă [305751]

Lucrare de diplomă

Îndrumător: Asist. dr. ing. Tomozei Claudia

Absolvent: [anonimizat], 2014

FILTRUL VERTICAL SUB PRESIUNE

Îndrumător: Asist. dr. ing. Tomozei Claudia

Absolvent: [anonimizat]………………………………………………………………………………….4

Capitolul 1. Filtrarea ……………………………………………………….……………..6

1.1 Elemente generale ale filtrării ……………………………………………………………..6

1.2 Tipuri de utilaje pentru filtrare …………………………………………….…………….7

1.3 Filtre rapide…………………………………………………………………………….8

1.3.1 Filtrarea cu debit constant ……………………………………….…………10

1.3.2 Filtrarea cu debit variat ………………………………………………….…10

1.3.3 Filtre rapide deschise ………………………………………………………10

1.3.4 Filtre rapide sub presiune …………………………………………………..11

1.3.5 Filtrele cu dublu curent ………………………………………………….…12

1.3.6 Filtrele Buoyont ………………………………………………………..…..13

1.3.7 Filtrele de tip Moore ………………………………………………………..14

1.3.8 Filtrele rapide multistrat……………………………………………………..15

Capitolul 2. Filtre rapide…………………………………….……………………………17

2.1 Considerații generale ……………………………………………………………..….17

2.2 Evoluția metodelor de filtrare rapidă a apei ……………………………………….…18

2.3 Filtru sub presiune ……………………………………………………………………22 Capitolul 3. Filtru vertical sub presiune…………………………………….…………….26

3.1 Caracteristici generale …………………………………………………………..……26

3.2 Elemente componente ………………………………………………………………..29 Capitolul 4. Calcul dimensional ……………………………………………………..…..40

4.1 Calcul amestecător ……………………………………………………………………40

4.2 Dimensionare pompă centrifugă…………………………………………………..….42

Fișă plan………………………………………………………………………………….48

Concluzii…………………………………………………………………………………49

Bibliografie……………………………………………………………………………….51

INTRODUCERE

În contextul actual al dezvoltării urbanistice și tehnologice raționalizarea exploatării resurselor de apă trebuie făcută astfel încât să se aibă în vedere protecția permanentă a mediului, deoarece constituie un factor definitoriu în managementul cerințelor de apă [3].

Datorită acestui fapt filtrarea apei rămâne o temă de actualitate indiferent care ar fi segmentul de timp în care se analizează. [anonimizat] [3].

Primele realizări în domeniul filtrării aplicate pentru tratarea apei s-[anonimizat] 1804, având la bază un brevet a lui James Peacock (1791) privind filtrarea pe straturi de nisip. Primul filtru cu strat de nisip cu funcționare continuă a fost realizat de J. Simpson (Anglia, 1829), având viteze mici de filtrare (2,5 ÷ 10 m/zi), apropiate de vitezele ce se realizează în curgerea naturală a apei în straturile granulare și inspirate probabil de la aceasta [3].

[anonimizat], în care microorganismele care se dezvoltă sub acțiunea razelor solare și a [anonimizat] o membrană biologică. [anonimizat], astfel încât filtrul are și o acțiune de sterilizare a apei. Aceste filtre reclamau volume și suprafețe mari de construcție și o exploatare cu volum mare de manoperă [3].

Filtrarea rapidă pe nisip a fost brevetată în 1827, în S.U.A. și a permis mărirea vitezei de filtrare de 30 ÷ 50 ori, concomitent cu micșorarea suprafețelor construite și a cheltuielilor de filtrare. Primul filtru din România (1848, București) s-a realizat în cadrul ʺStabilimentului fântânilorʺ care furniza apă din r. Dâmbovița folosind ca strat filtrant lâna. Primele filtre lente de la Arcuda au intrat în funcțiune în anul 1889.

Procesul de filtrare rapidă a fost examinat din punct de vedere teoretic și experimental, pentru prima oară în mod sistematic de R. Eliassen în anul 1935 în lucrarea „An Experimental and Theoretical Investogation of the Clogging of a Rapid Sand Filtration” [3].

De atunci numeroși alți specialiști au abordat problemele teoretice și tehnice ale procesului și instalațiilor de filtrare pentru limpezirea apei, ceea ce a condus la progrese remarcabile în domeniul cunoștințelor teoretice și la o permanentă îmbunătățire a filtrelor realizate [5].

În România s-au întreprins, în special după anul 1950, multiple cercetări fundamentale și aplicative în institute specializate, și s-au realizat o gamă întreagă de stații de tratare cu filtre rapide majoritatea după proiecte întocmite de „Institutul de Studii și Proiectări pentru Sistematizare Locuințe și Gospodărie Comunală” , lucrări care asigură în prezent alimentarea cu apă a tuturor locuințelor importante și a multor obiective industriale, care au surse de suprafață [5].

Filtrarea trebuie privită ca o componentă esențială, dar nu unic determinantă, a ansamblului de procese necesare pentru limpezirea apei de suprafață; ea este menită ca în condiții favorabile, create de procesele anterioare de tratare a apei, în principal coagularea suspensiilor și decantarea acestora, să desăvârșească, să finiseze aceasta tratare [5].

Fluxul tehnologic prezentat în această lucrare constă în faptul că filtrul rapid sub presiune va fi alimentat cu apă impură (brută) dintr-un bazin, cu ajutorul unei pompe centrifuge de presiune. Se va analiza: presiunea, volumul, stratul de material filtrant, flanșele, racordurile, pompa, agitatorul și motorul electric [5].

Filtrele rapide sub presiune; aceste filtre se utilizează în special în instalații industriale sau în scheme tehnologice care prevăd o pompare unică la intrarea în stația de tratare și livrarea apei după filtrele sub presiune direct la consumator. De asemenea, utilizarea filtrelor sub presiune prezintă anumite avantaje la stațiile monobloc cu debite mici și la unitățile mobile [1].

CAPITOLUL 1. FILTRAREA

1.1. Elemente generale ale filtrării

Filtrarea apei este procedeul de limpezire avansată a apei, constând în trecerea acesteia printr-o masă de material poros, de granulozitate determinată, denumită strat filtrant, în scopul reținerii particulelor aflate în suspensie naturală sau obținute printr-o coagulare prealabilă. De regulă procesul de filtrare urmează decantării și constituie ultima treaptă de tratare a apei [1].

Reținerea suspensiilor din apă de către materialul poros se face printr-un proces complex în care preponderent este fenomenul de absorbție, particulele în suspensie fixându-se de suprafața particulelor care compun stratul filtrant, dar și efectul de sită, fenomenul de sedimentare a suspensiilor în porii stratului granular [1].

În domeniul tratării apelor, filtrarea are ca scop separarea materialelor solide din apă, în vederea limpezirii apelor. Separarea celor două faze, inițial amestecate necesită o acțiune care se poate exercita în cadrul unei suspensii, fie asupra particulelor solide aflate în stare de suspensie, fie asupra lichidului. Astfel pentru limpezire este posibilă imobilizarea relativă a lichidelor și deplasarea particulelor sub acțiunea unui câmp gravitațional, cazul decantării clasice în care se rețin 80 ÷ 90 % din substanțele în suspensie din apă, sau imobilizarea particulelor solide, prin reținerea pe un suport și obligarea lichidului de a traversa suportul sub influența unei diferențe de presiune [1].

Comparată cu sedimentarea, filtrarea se caracterizează prin faptul că nu este condiționată de o diferența între densitățile fazelor care se separă [1].

Condițiile care se cer unei bune filtrări sunt [2]:

puritatea filtrului, adică absența fazei solide în filtrat;

puritatea precipitatului, adică absența substanței solubile în precipitat;

umiditatea cât mai scăzută a precipitatului;

productivitate cât mai mare a filtrului, adică viteză mare de filtrate;

cât mai puțină apă de spălare, pentru a nu dilua prea mult substanța solubilă;

regenerarea ușoară și completă a substanței filtrante sau a stratului filtrant;

consum minim de energie;

manoperă minimă;

uzura minimă a substanței filtrante.

Filtrarea unei suspensii se face în patru etape principale [2]:

reținerea fazei solide de către suprafața filtrantă;

reținerea fazei solide de către stratul de precipitat format de suprafața filtrantă, aceasta rămânând numai cu rolul de suport al precipitatului;

spălarea precipitatului pentru îndepărtarea substanței solubile, a cărei soluție îmbibă precipitatul la sfârșitul etapei precedente;

regenerarea suprafeței filtrante: îndepărtarea precipitatului, spălarea suprafeței filtrante sau a stratului filtrant, destuparea porilor.

Separarea fazei solide din suspensie este rezultatul următoarelor trei procese [2]:

un proces de sedimentare, prin care particulele solide din suspensia de deasupra suprafeței filtrante se depun pe suprafața filtrantă ca într-un decantor;

un proces de absorbție, prin care sunt reținute – prin absorbție – de către materialul filtrant, chiar particule mici – de exemplu particule microscopice, bacterii, coloizi – cu dimensiuni inferioare porilor suprafeței filtrante porii materialului filtrant se micșorează treptat.

1.2. Tipuri de utilaje pentru filtrare

În filtrarea apei se utilizează o multitudine de utilaje de filtrare, care se pot clasifica după următoarele criterii [7]:

viteza de filtrare: filtre lente, (vf = 0,1-0,3 m/h), filtre rapide (vf = 5-15 m/h), filtre ultrarapide (vf>15 m/h);

presiunea de funcționare – filtre deschise, filtre sub presiune;

compoziția granulometrică a stratului filtrant și numărul de sorturi ale acestuia – filtre cu sort unic monogranular, filtre cu dublu strat (materiale diferite), filtre cu straturi multiple;

sensul filtrării apei – filtre cu sens descendent de circulație a apei, filtre cu sens ascendent de circulație a apei, filtre suprapuse cu dublu sens de filtrare (colectarea filtratului se realizează în zona centrală), filtre radiale de formă cilindrică (apa brută se introduce în zona centrală, iar colectarea filtratului se face de pe circumferința filtrului);

modul de curățire – filtre cu spălare cu apă, filtre cu spălare cu aer și apă, filtre cu spălare continuă, filtre cu curățire mecanică;

modul de reglare a funcționării – filtre cu debit constant, filtre cu debit variabil (debitul este lăsat să descrească pe ciclul de filtrare până la o valoare minimă acceptabilă economic), filtre cu reglaj al nivelului apei constant pe ciclul de filtrare, filtre cu nivel variabil al apei;

scopul tehnologic al filtrului – filtre pentru limpezire, filtre pentru deferizare și demanganizare.

Din punct de vedere funcțional și constructiv, filtrele lente sunt similare filtrelor rapide.

Diferențele de bază sunt [7]:

viteza de filtrare mult mai mică, în cazul filtrelor lente;

diametrul granulelor de nisip utilizate în filtrarea lentă este mult mai mic față de cel utilizat în filtrarea rapidă;

mecanismul de reținere a impurităților

1.3. Filtre rapide

Din punct de vedere funcțional, filtrele rapide pot fi de tip gravitațional (în care filtrarea se realizează datorită presiunii exercitate de coloana de apă situată deasupra stratului filtrant) și sub presiune, în care forța motrice a filtrării se realizează prin pompare. Elementele constructive ale filtrelor rapide constau din: sistemul de admisie a apei decantate, jgheaburile de repartiție a apei brute și colectare a apei de spălare, stratul filtrant, sistemul de drenaj, conductele pentru apa filtrată, conductele de introducere și evacuare a apei de spălare, sistemul de introducere a aerului, alte componente necesare funcționării și automatizării filtrului (ventile, aparatură de măsură și control) [7].

Sistemul de drenaj are, pe de o parte, rolul de a susține stratul filtrant și de a permite curgerea filtratului fără a antrena granulele acestui strat și, pe de altă parte, rolul de a distribui uniform aerul și apa de spălare. Pentru filtrele rapide la care curățirea se realizează numai cu apă, sistemul de drenaj poate fi constituit dintr-o rețea de țevi perforate înglobată într-un strat suport de pietriș. Pentru filtrele rapide la care spălarea are loc cu apă și aer, sistemele de drenaj se realizează din planșee cu plăci cu crepine [9].

Crepina din figura 1 este o piesă compusă din următoarele elemente constructive: corpul crepinei, realizat sub formă de cutie perforată, cu fante de 0,5 mm și care este prevăzut cu filet exterior, pentru înșurubarea în manșonul care se înglobează în plăcile suport și țeava, de 15-20 cm lungime, fixată, tot prin înșurubare, de corpul crepinei și având o fantă longitudinală la partea inferioară. Numărul de crepine este de 60-70 bucăți pe m2 de suprafață filtrantă [9].

Figura 1.1 Crepină pentru drenajul filtrelor rapide [9]:

1-manșon de montaj, 2- corpul crepinei, 3- coada crepinei,4- fantă pentru accesul aerului, 5-orificiu pentru evacuarea pernei de aer,6- grosimea pernei de aer.

Fazele de funcționare ale filtrelor rapide sunt: punerea în funcțiune, filtrarea apei, curățirea stratului filtrant (prin spălare cu apă sau aer), durata fiecărei faze fiind dependentă de tipul constructiv al filtrului și de modalitatea de exploatare a sa [6].

Exploatarea filtrelor rapide se realizează după două tehnologii: filtrarea cu debit constant și filtrarea cu debit variabil [6].

1.3.1. Filtrarea cu debit constant

Filtrarea cu debit constant presupune realizarea constă în realizarea unei viteze constante de filtrare, la o presiune constantă, menținând constantă valoarea rezistenței filtrului [6]. Problema acestei tehnologii constă în efectuarea unor reglări (manuale sau automate) care să anuleze tendința de reducere a debitului pe măsura desfășurării ciclului de filtrare, tendință cauzată de colmatarea stratului filtrant, care, conduce la creșterea rezistenței hidraulice a filtrului [6].

Menținerea debitului constant prezintă și alte influențe nefavorabile asupra operației de filtrare: depunerea suspensiilor, în special, în stratul superior al filtrului, crearea de pierderi de sarcină suplimentare [6].

1.3.2. Filtrarea cu debit variabil

Filtrarea cu debit variabil presupune variația vitezei pe parcursul ciclului de filtrare, cu valori mai mari la începutul filtrării și mai mici la finele ciclului, adaptându-se astfel la capacitatea de filtrare mai mică din această perioadă. Debitul maxim stabilit la începutul filtrării scade pe măsura colmatării filtrului, până la un debit final pe ciclul de filtrare, debil acceptabil din punct de vedere al productivității filtrului Vitezele mai mari de filtrare favorizează pătrunderea în profunzimea stratului a suspensiilor din apă, conducând la o distribuire mai uniformă a pierderilor de sarcină pe înălțimea stratului filtrant [21].

1.3.3. Filtre rapide deschise

Filtre rapide deschise (cu nivel liber) figura 1.2 se compun dintr-un bazin de beton, de formă paralelipipedică, divizat în compartimente (cuve), nivelul apei putând fi constant sau variabil în timpul ciclului de filtrare, în funcție de metoda de operare aleasă. In filtrele rapide deschise clasice, stratul de nisip are o grosime de 80- 120 cm, cu granulozitate de 0,7- 2,0 mm. Alte variante constructive prevăd straturi duble (nisip și pietriș), grosimea stratului de pietriș fiind de 25-30 cm. Apa decantată este adusă prin conducta 1 și repartizată pe toată suprafața filtrului. Apa, care a străbătut stratul filtrant, este colectată prin sistemul de drenaj aflat la partea inferioară a stratului filtrant și evacuată prin conducta 12. către etapa de dezinfecție Curățirea stratului filtrant se poate face cu apă de spălare (conducta 11) sau cu un amestec apă – aer, în sens invers sensului de filtrare (curent ascendent) Stratul filtrant este astfel expandat, impuritățile reținute la suprafața granulelor fiind evacuate odată cu apa de spălare prin conducta 3 [21].

Figura 1.2 Filtru rapid deschis [21]:

1- admisia apei brute, 2- ventil; 3- evacuare apă de spălare; 4- strat filtrant cu granulație mică (nisip); 5- strat filtrant (pietriș) și sistem de drenaj; 6- canal de colectare apă de spălare; 7- nivelul apei în timpul operației de spălare; 8- conductă pentru aer; 9, 10 – ventile; 11- apă de spălare; 12- evacuare apa filtrată.

1.3.4. Filtrele rapide sub presiune

Filtrele rapide sub presiune prezentate în figura 1.3 sunt alcătuite din recipiente metalice de formă cilindrică, închise la ambele capete, așezate în poziție verticală sau orizontală. Apă decantată se introduce prin conducta 1, străbate stratul filtrant în sens descendent, apa filtrată fiind evacuată prin conducta 2, aflată în partea inferioară a filtrului. Apa de spălare pentru curățirea stratului filtrant este introdusă prin conducta 3, în sens invers filtrării (ascendent), iar după expandarea și curățirea stratului filtrant este colectată în pâlnia 8, situată în partea superioară a filtrului și eliminată prin conducta 4. Spălarea filtrelor se realizează, în general, cu apă și aer, dar este posibilă și spălarea numai cu apă. în general aceste tipuri de filtre sunt prevăzute cu un singur fel de material filtrant: nisip sau antracit sau cărbune activ [11].

Figura 1.3 Filtru rapid închis vertical [11]:

1 – apă decantată, 2- conductă de apă filtrată, 3- conductă apă de spălare, 4- conductă de evacuare a apei de spălare, 5- golire, 6, 7- evacuare aer, 8- pâlnie.

1.3.5. Filtrele cu dublu curent

Filtrele cu dublu curent (bi-flow) au apărut ca urmare a necesității îmbunătățirii performanțelor filtrelor rapide cu curent ascendent sau descendent. Astfel, filtrele cu curent descendent au o productivitate relativ mică, deoarece acumulează în partea superioară a stratului filtrant o cantitate mare de suspensii. În cazul filtrelor rapide cu curent ascendent, depășirea unor viteze limită de filtrare poate produce desprinderi ale stratului și antrenarea impurităților în apa filtrată Prin combinarea celor două sensuri de filtrare s-a realizat o mărire a productivității stațiilor de filtrare [14].

Filtrul cu dublu curent ilustrat în figura 1.4 se compune dintr-un prefiltru 2, care funcționează în curent ascendent, peste care sunt suprapuse în aceeași cuvă două straturi de filtrare 3 cu sensuri diferite: unul superior, cu sens descendent și unul inferior, cu sens ascendent Apa brută, respectiv, apa de spălare sunt introduse atât pe la partea inferioară, cât și pe la partea superioară a filtrului. Apa filtrată este colectată și evacuată prin conducta 4, situată în partea de mijloc, în timp ce, apa de spălare este evacuată prin conducta 6 aflată la partea superioară a filtrului bi- flow [14].

Figura 1.4 Filtrul Biflow [14]:

1 – apa brută, 2 – prefiltru, 3 – straturi de filtrare duble, 4 – conductă de evacuare a apei filtrate, 5- apă filtrată, 6 – conductă evacuare apă de spălare.

1.3.6 Filtrele Buoyant

Filtrele Buoyant (figura 1.5) pot fi de formă cilindrică sau paralelipipedică și folosesc, de obicei, ca material filtrant polistirenul expandat sau polietilena. Alimentarea cu apă se realizează prin conducta 1, iar acrul introdus prin conducta 2 determină atât o afânare a stratului filtrant, cât și îndepărtarea impurităților aderente și eliminarea lor pe la partea inferioară [10].

Apa străbate stratul filtrant 3, trecând apoi prin grătarul 4 și filtratul este eliminat pe la partea superioară. în acest tip de filtre, sistemul de drenaj este înlocuit de grătarul de la partea superioară (4) și, de obicei, nu este necesară spălarea inversă. Nivelul apei este menținut constant printr-un regulator de nivel [10].

Figura 1.5 Filtrul Buoyan [10]:

1 – admisie apă brută, 2 – conductă pentru introducerea aerului comprimat, 3 – bile de polietilenă, 4 – grătar, 5 – apă filtrată, 6 – apă de spălare.

1.3.7. Filtrele de tip Moore

Filtrele de tip Moore (fig. 1.6) sunt caracterizate de faptul că fiecare filtru este construit deasupra propriului rezervor de spălare. Apa brută este alimentată pe la partea superioară, sensul de filtrare prin stratul granular (2) fiind descendent. Rezervorul de spălare (3) este umplut lent și continuu, astfel încât, nivelul apei în filtru să rămână constant. Apa de spălare este împinsă din rezervorul 3, cu ajutorul acrului introdus prin conducta 4. Rezervorul de spălare are rol de vas de presiune Filtratul este colectat și eliminat pe la partea inferioară a filtrului (5) [8].

Figura 1.6 Filtrul Moore [8]:

1- alimentare apă, 2- strat filtrant, 3- rezervor de spălare, 4- conducta aer,5- evacuare filtrat.

1.3.8. Filtrele rapide multistrat

Filtrele rapide multistrat reprezintă o modalitate de eficientizare a sistemelor clasice, în sensul îmbunătățirii condițiilor de filtrare și spălare. Pentru filtrele rapide convenționale cu nisip, după spălare, materialul filtrant este stratificat cu granulele de dimensiuni mici, la suprafață și cele de dimensiuni mari, la partea inferioară a filtrului. Pentru rezolvarea acestei probleme au fost propuse alternativele [16]:

Utilizarea mai multor straturi filtrante (straturi duble sau multiple conform figurei 1.7) [16].

Fig. 1.7. Schema unui fotofiltru [16].

Această variantă trebuie sa aibă în vedere și evitarea amestecului straturilor filtrante la interfața de contact a acestora [16].

Flotofiltrele utilizează ca material filtrant bile din plastic (polipropilenă și polistiren). Bilele de polipropilenă realizează o filtrare grosieră, în timp ce, bilele din polistiren conduc la o filtrare fină. Ambele materiale filtrante au masa specifică mai mică decât a apei conducând la formarea unui strat plutitor pe suprafața acesteia. Polipropilenă are o densitate mai mare decât a polistirenului, constituind partea inferioară a stratului plutitor filtrant, deci, operația de filtrare are loc în sens ascendent. Acest tip de filtru necesită un grătar la partea superioară care să împiedice transportul materialului filtrant odată cu apa filtrată. Datorită diferenței mari dintre densitățile celor două tipuri de materiale filtrante, acestea nu se amestecă nici în condițiile unei agitări puternice, păstrând o interfață clară între cele două medii de filtrare. Acest fapt elimină majoritatea problemelor operaționale întâlnite în cazul filtrelor clasice [16].

Datorită existenței zonei de protecție (tampon), cuprinsă între stratul filtrant și zona dc alimentare, acesta nu este afectat de condițiile turbulente de curgere în sistemul de drenaj, conducând la simplificarea sistemului de drenaj și, astfel, la reducerea costurilor de investiție și operare. De asemenea, datorită faptului că cele două materiale plutesc pe suprafața apei, acestea pot fi ușor fluidizate, utilizându-se o cantitate mai mică de energie decât în cazul filtrelor clasice [16].

Comparativ cu filtrele rapide clasice, și cantitatea de apă necesară pentru spălarea inversă a filtrului este mai mică [16].

CAPITOLUL 2. FILTRE RAPIDE

2.1. Considerații generale

Introducerea metodelor chimice în practica tratării apei a condus la posibilitatea utilizării ca treaptă de limpezire a apei, filtrarea rapidă prin nisip, cu o viteză de trecere a apei prin strat de 3,00 – 12,00 m/h care în unele cazuri ajunge și la 30 m/h [17].

În domeniul alimentării cu apă potabilă sau industrială, filtrarea rapidă poate fi utilizată în trei cazuri diferite [17]:

Treaptă unică de tratare; în cazul unor surse de apă cu turbidități constant reduse (sub 40÷50 grade SiO2) .

Treaptă preliminară de tratare pentru reducerea încărcării treptei de tratare; în cazul unei surse de apă având o frecvență mare in eea ce privește încărcarea în suspensii.

Treaptă finală de tratare pentru a reține ultimele impurități din efluentul stației de tratare.

Utilizarea largă pe care au căpătat-o filtrele rapide în tehnica sanitară a impus efectuarea de studii și cercetări pentru o cunoaștere mai bună a modului de desfășurare a fenomenelor de reținere a suspensiilor [17].

O primă încercare de a analiza rațional comportarea și mecanismele filtrării rapide se semnalează în anul 1935 prin lucrarea cercetătorului american R. Eliassen [17].

De atunci, s-au elaborat numeroase lucrări, care s-au referit la [17]:

Cunoașterea mai aprofundată a mecanismului filtrării apei;

Elaborarea unor odele matematice ale filtrării apei;

Problemele materialului filtrant;

Vitezele optime de filtrare;

Spălarea filtrelor, fără însă a fi rezolvate toate problemele abordate.

De asemenea, în urma progresului realizat în celelalte ramuri ale tehnicii s-au adus numeroase îmbunătățiri instalațiilor auxiliare care deservesc filtrele prin introducerea comenzii mecanizate a operațiilor legate de exploatarea filtrelor și automatizarea lor parțială sau totală [17].

2.2. Evoluția metodelor de filtrare rapidă a apei

Direcțiile principale urmărite pentru a dezvolta filtrarea [15]:

elaborarea de noi metode de filtrare,

realizarea de noi coagulanți și adjuvanți de filtrare,

realizarea de noi echipamente de filtrare și noi tehnici de exploatare.

În ceea ce privește evoluția metodelor de filtrare direcțiile principale s-au orientat spre: modul de alcătuire a stratului filtrant; sensul de circulație a apei; mărimea vitezei de filtrare [15].

O evoluție mai puțin evidentă a avut-o natura materialului folosit ca încărcătură filtrantă. Datorită proprietăților de suprafață, a rezistenței mari ce o prezintă la uzură, a inactivității sale chimice în prezența apei, nisipul de cuarț, a rămas materialul de bază utilizat în tehnica filtrării apei. Cu succes, dar la o scară redusă, sunt folosite antracitul și cocsul metalurgic granular, granatul. În ultimul timp apar cu titlu informativ, în lucrările experimentale, alte categorii de materiale sintetice, fără a fi justificată temeinic utilizarea lor pe o scară industrială [15].

În cazul încărcăturilor de nisip a filtrelor se pot distinge două tendințe care s-au manifestat [15]:

compoziția granulometrică a stratului filtrant este crescătoare de la suprafață la radierul filtrului și de dimensiuni sub 1mm;

compoziții granulometrice mai uniforme, dimensiuni ale granulelor de nisip mai mari de 1mm și un strat filtrant de înălțime mai mare.

Aceste deosebiri în compoziția granulometrică a straturilor filtrante impun diferențieri în exploatarea instalațiilor, mai ales la operația se spălare a filtrelor [15].

La primul tip de filtre, spălarea se face în majoritatea cazurilor numai cu apă sub presiune [15].

La cel de-al doilea tip de filtre se utilizează în mod frecvent spălarea cu apă și aer sub presiune [15].

În scopul măririi gradului de utilizare a stratului filtrant au fost elaborate diverse tehnici de filtrare dintre care amintim [15]:

filtre ascendente;

filtre multistrat;

filtre cu dublu sens;

filtre de contact.

Filtrele multistrat au apărut pentru prima dată în Anglia în anul 1916, procedeul fiind pus în practică la scară industrială în orașul Denwer în anul 1928. Apărută sub forma filtrelor cu dublu strat, mai ales antracit granulat și nisip de cuarț tehnica respectivă a cunoscut o extindere apreciabilă, în prezent fiind utilizate experimental și filtre cu 5 straturi [20].

Sistemul prezintă avantaje importante mai ales în cazul utilizării unor viteze mai mari de filtrare [20].

În utilizarea acestei metode trebuie să se țină seama de următoarele aspecte: stabilirea înălțimii fiecărui strat, alegerea dimensiunii granulelor, controlul calității flocoanelor [20].

În straturile cu medii duble, combinația cea mai des întâlnită este antracitul deasupra nisipului cuarțos. În Belgia, Olanda, Franța se folosește hidro-antracitul, un produs sintetic german. Greutatea specifică a antracitului variază de la 1,40 la 1,70 tf/ m3 în funcție de sursa sa cea a nisipului cuarțos fiind de 2,65 tf/m3. În Rusia se folosesc materiale ca kelmesitul și zgura, sfărâmate sau nesfărâmate, toate având densitatea ca a antracitului, precum și roci topite sfărâmate în locul nisipului cuațos. S-au făcut experiențe privind valoarea comparativă a unor astfel de noi medii; acestea au confirmat marea lor eficiență care rezultă din porozitatea intergranulară mai mare și de suprafața dezvoltată a granulației. În Olanda materialul folosit este de 1, 23÷ 1,48 tf/ m3 poate fi mai puțin potrivit din cauza densității sale variabile și vulnerabilității la frecare. Pentru filtrele cu medii multiple s-au folosit în Suedia granule de PVC deasupra antracitului, iar în S.U.A. s-au folosit granule de polistiren extrudat de 1,04 tf/ m3, dar cu mai mică eficiență de filtrare. La baza stratului filtrant mediul fiind cu densitate mare, cel mai frecvent folosit fiind nisipul granulat de 3,8 tf/ m3; sunt folosite de asemenea: corindorul de 3,88 ÷ 3,95 tf/ m3, magnetitul de 4,90 ÷ 5,20 tf/ m3 [20].

Detaliile privind grosimea stratului diferă mult, de exemplu, în Olanda se folosește grosimea totală a stratului de 1,30 ÷ 1,50 m, uneori mai mare de 2,00 m, fie că predomină antracitul sau nisipul. Grosimea fiecărui mediu este de regulă cuprinsă între 0,50 si 1,00 m, dar uneori stratul de nisip este mai gros de la 1,50 ÷ 2,00 m. În Finlanda grosimea stratului de antracit tinde să predomine, de exemplu 0,70 antracit față de 0,30 m nisip, în timp ce în Rusia și în Spania sunt folosite grosimi egale. În Anglia tendința a fost de a se înlocui 30 ÷ 60 % din nisip cu antracit [18].

Principala îmbunătățire rezultată în urma folosirii straturilor filtrante cu medii duble este reducerea pierderii de presiune de la o viteză de filtrare dată. Acest efect poate fi folosit avantajos pentru extinderea ciclurilor de filtrare la viteze existente sau pentru sporirea vitezelor existente, menținând lungimi acceptabile ale ciclului. Capacitatea nominală totală poate spori chiar cu 100 % prin această tehnică [18].

În majoritatea țărilor, compoziția granulometrică a antracitului folosit este influențată din motive economice și practice, de sortul (categorie, calitate) comercial care este ușor disponibil. În Anglia s-a folosit antracit cu dimensiunea de 1,25 ÷ 2,5 mm, iar în Suedia categoria disponibilă pe cale comercială are dimensiunea de 1,6 ÷ 2,5 mm. În Spania se folosește antracit cu mărimea reală de 1,4 și cu un coeficient de uniformitate de 1,4 , iar în Finlanda și Rusia se folosesc dimensiunile granulelor de 1 ÷ 2 mm. În Germania se folosesc granulele cu dimensiuni de la 2 ÷ 3 mm de hidro-antracit sau tuf calcaros poros, cunoscut sub numele de filtmaterial. Alegerea granulozității relative a nisipului și antracitului se poate baza pe asigurarea dintre proprietățile de fluidizare ale celor două medii [18].

Rezultatele testelor pe filtru- model realizat de Rond Water Board (Africa de Sud), arată că tipul de adjuvanți de coagulare și floculare folosiți în pretratarea apei brute are o importanță deosebită asupra alegerii mărimii reale a mediilor și îndeosebi, stratul de vârf al straturilor filtrante cu medii duble. Dacă se folosesc drept reactivi laptele de var și silicia activată, mărimea reală a stratului de antracit trebuie să fie de ordinul a 0,9 mm, putând să sporească până la 1,1 mm. Testele au arătat că alegerea mărimii granulelor depinde de asemenea de doza chimică reală și de viteza de filtrare [18].

Filtrarea în dublu sens a fost aplicată prima dată in Anglia sub forma unor filtre sub presiune, realizate de firma Candy în anul 1922, dar punerea la punct a acestui sistem a fost realizată în Rusia în anii 1949-1951 [18].

Modul de repartizare a debitelor între cele două sensuri de curgere a apei depinde de rezistențele hidraulice întâmpinate pe fiecare din cele două sensuri. Rezistențele hidraulice vor fii determinate de modul de alcătuire al straturilor filtrante și de rețeaua de distribuție și colectare a apei. Productivitatea unui filtru cu dublu curent este mult mai mare decât a filtrelor cu curent ascendent, deoarece la condiții egale de funcționare se pot realiza viteze mai mari de filtrare [18].

Filtrarea ascendentă a fost utilizată în jurul anului 1930 în Australia, iar mai târziu această metodă de filtrare, bazată pe o nouă concepție a coagulării prin contact a fost aplicata in Rusia începând cu anul 1945. În Olanda ea a permis elaborarea filtrelor Immedium [18].

Limpezitoarele de contact sunt destinate pentru filtrarea apei cu un conținut de suspensie (incluzând suspensiile stanile și de coagulant) nu mai mare de 159 mg/L. Apa de limpezit împreună cu coagulantul și adjuvantul, se introduce printr-un sistem de dreanaj de mare rezistență substratul suport de pietriș și circulă de jos în sus, străbătând apoi stratul de nisip. La o dimensiune medie a granulelor de 1,8 mm, viteza nu trebuie să depășească 5,00 ÷ 5,50 m/ h. La o viteză mai mare există pericolul fluidizării nisipului din stratul filtrant. Stratul filtrant poate fi pus în suspensie odată cu apariția colmatării porilor cu impuritățile conținute în apă [19].

În acest mod, productivitatea unui filtru cu curent ascendent de apă este limitată de pericolul „fluidizării” părții superioare a stratului filtrant, ceea ce face ca din punct de vedere al vitezei de filtrare să nu poată atinge în acest caz performanțe mai ridicate decât cele ce se pot obține și cu filtrele rapide de tip obișnuit [19].

Observațiile teoretice și practice arată că în timpul ciclului filtrant calitatea filtratului și pierderea de sarcină variază. În general, turbiditatea scade în prima perioadă de funcționare (primul filtrat), rămâne constantă pentru o perioadă considerabilă și apoi începe să crească, rezultând un filtrat de slabă calitate. În paralel, pierderea de sarcină crește continuu, aproximativ liniar, dacă nu există o cormatare de suprafață. Valorile limită ale pierderii de sarcină sunt impuse de condițiile hidraulice ale instalației, iar ale turbidității de cerințe de calitate ale consumatorilor. Când ambele limite sunt atinse simultan, filtrul este exploatat optim [19].

Un filtru poate fi adus în stare optimă de exploatare printr-o reglare corespunzătoare a debitului, a adâncimii stratului, a mărimii granulelor de nisip și a dozei de coagulant sau adjuvant. Din toate aceste posibilități de exploatare a filtrelor optime tehnologice una va produce apa filtrată la cost scăzut. Acesta este optimul economic și este determinat de mărimea filtrului, costul bazinului, drenajul, echipamentul hidraulic etc., ca și de perioada de amortizare a capitalului [19].

O metodă de filtrare este și cea uscată, ea fiind aplicată ca fază brută pentru apele cu o calitate îndoielnică, în deosebi pentru cele care prezintă concentrații mari de amoniu și fenol. Principiul filtrării uscate este acela că influentul este pulverizat pe un strat de nisip amestecat cu pietriș pentru a antrena cât mai mult oxigen atmosferic. Curgerea prin strat, care este de obicei mai adânc decât la un filtru gravitațional rapid și de tip tradițional, are un caracter turbulent, deoarece aerul din goluri reduce zona de curgere. Turbulența în pori facilitează preluarea oxigenului pentru procesul de oxidare [19].

În cazul filtrării rapide sau lente prin strat de nisip cantitatea de O2 dizolvată în apă este insuficientă pentru oxidarea corespunzătoare a cantităților considerabile de amoniac, compuși fenolici sau alți compuși organici, ca cei care pot fi prezeți în apele de calitate inferioară ale râurilor din zonele aglomerate. Produșii insolubili de oxidare ai sărurilor feroase și manganoase sunt de asemenea reținuți în filtrele neimersate. Un filtru neimersabil poate trata un efluent conținând până la 10 mg/l amoniac, îndeosebi dacă influentul este introdus prin duze rotative [19].

Filtrele neimerasate se aplică pentru îndepărtarea poluanților oxidabili în apa brută de proastă calitate [19].

2.3. Filtru sub presiune

Filtrele sub presiune sunt realizate dint-un cilindru atânt cu fundul cât și capacul bombat rezistând la presiuni 10 at. . Cilindrii pot fi verticali sau orizontali, iar ca material granular este utilizat nisipul, antracitul sau alte materiale [4].

Funcționarea filtrului sub presiune este identică cu cea a filtrului gravitațional, cu deosebirea că atât în regimul de exploatare la intrarea apei, cât și la spălare, apa intră cu o presiune mult superioară presiune atmosferice [4].

Cea mai frecventă utilizare a filtrelor sub presiune este la deferizarea sau demanganizarea apelor subterane la alimentarea cu apă a centrelor populate mici. De asemenea, filtrele sub presiune sunt foarte des utilizate la filtrarea apei pentru bazinele de înot [4].

Principalul avantaj al filtrelor sub presiune este că necesită o singură treaptă de pompare. Astfel, la filtrarea unor ape subterane pentru reținerea fierului sau manganului, apa este refulată cu ajutorul pompelor submersibile din puțuri, filtrată și introdusă în rețeaua de distribuție [4].

Alte avantaje ale filtrelor sub presiune o ușurința relativă de automatizare a procesului, absența presiunilor negative în filtru și posibilitatea de a funcționa cu pierderi mari de sarcină înainte de spălare, atât timp cât calitatea filtratului este corespunzătore. Datorită faptului că mecanismul de filtrare este același se pot utiliza aceleași viteze de filtrare, aceleași pretratări în vederea obținerii unei ape filtrate de calitate comparabilă [8].

Filtrele sub presiune pot fi folosite și pentru tratarea apelor de suprafață, fără tratare prealabilă, adică coagulare și decantare. În acest caz coagulantul este adăugat la intrarea apei în filtru, care funcționează și ca bazin de contact. Este necesar însă a se folosi un coagulant fără impurități deoarece astfel va rezulta o apă necorespunzătoare și cicluri de filtrare scurte [8].

Ca dezavantaj major al filtrelor sub presiune se menționează dificultațile de alimentare sub presiune a produșilor chimici. Au fost puse la punct pompe dozatoare pentru produși chimici, care permit injectarea coagulanților, carbonaților de sodiu în filtrele sub presiune [8].

Figura 2.1 Filtru sub presiune vertical [8]:

1- recipient metalic; 2- grătar; 3- masă filtrantă; 4, 5- conducte pentru intrarea și evacuare apei la spalare.

Filtrele sub presiune verticale (fig. 2.1) sunt mai favorabile decât cele orizontale deoarece spațiul rămas deasupra nisipului este egal cu cel ocupat de nisip, pietriș și drenaj, dar în general, spațiul superior este mai mic, astfel încât este imposibil de a dispune în mod ideal colectoarele apei de spălare, care în orice caz sunt mai puțin eficace decât cele ale filtrelor deschise [8].

Filtrele orizontale sub presiune figura 2.2 sunt mai dezavantajoase, cu toată forma cilindrica, deoarece spațiul destinat drenajului inferior este mai mic ca cel ocupat de suprafața stratului filtrant. Apa de spălare nu urcă deci uniform în stratul filtrant și nisipul în mișcare este dirijat de la centru spre fiecare parte [8].

Figura 2.2 Filtru orizontal sub presiune [8]:

1- canal de repartiție a apei brute; 2- conducta de evacuare a apei de spălare; 3 – vană de control a pernei de aer; 4- conducta de intrare a aerului de spălare; 5- conducta de intrare a apei de spălare; 6- sistem de golire; 7- supapă de purjare a aerului; 8 – strat filtrant; 9 – placă cu crepine (duze); 10 – orificiu de vizitare.

Una din fazele importante ale procesului de exploatare a filtrării este observarea nisipuluiși a curgerii apei în timpul spălării, însă aceasta nu este posibilă la filtrele sub presiune clasice dar posibilă în cadrul experimentului ce urmează a fi făcut pe filtrul de laborator acesta fiind dotat cu o gură de vizitare [18].

Dezavantajele filtrelor sub presiune [18]:

Tratarea apei sub presiune complică în mod serios amestecul, coagularea și decantarea apei de filtrat; astfel, multe filtre sub presiune funcționează fără o bună instalație de coagulare.

Apar dificultăți atunci când se dorește adăugarea de produse chimice în apa aflată sub presiune.

Imposibilitatea observării aspectul apei în curs de filtrare și nici cel al stratului de nisip și de asemenea nici eficacitatea acțiunii apei de spălare sau a gradului de agitare al stratului filtrant în timpul spălării.

Mentenabilitatea scăzută datorată greutății de examinare, curățare și înlocuire a materialului filtrant și drenurilor inferioare ale straturilor sub presiune.

Funcționarea filtrelor sub presiune favorizează aspirația sau injecția apei în straturile filtrante cu viteză excesivă.

Avantajele filtrelor sub presiune:

Avantajele filtrelor sub presiune sunt totuși suficiente pentru a continua utilizarea lor în micile stații, deoarece pot fi montate în întregime la fabrică și apoi expediate la locul unde vor fi instalate cu ușurință. Cel mai bun procedeu este acela de a trimite apă brută fie prin gravitație, fie cu ajutorul pompelor de joasă presiune în bazine deschise de floculare și sedimentare unde se efectuează și preclorarea și apoi de a pompa apa decantată prin filtre sub presiune, trimițând-o în rețeaua de distribuție . Utilizarea acestor filtre ușurează exploatarea dar cel mai important este că reduce debitul apei de spălare la volumul necesar pentru fiecare din micile aparate. Filtrele trebuie spălate cu apă filtrată; trebuie evitat să fie spălate cu apă brută sau numai decantată, mai ales atunci când pompa de înaltă presiune asigură un debit de apă de spălare de numai 4 ori superioară vitezei de filtrare, adică 20,00 m/h, ceea ce este insuficient. Dacă apa poate fi trimisă în filtre cu 7,20 m/h, acesta este un motiv suficient pentru a adopta viteza de filtrare menționată. Inconvenientele specifice acestor filtre cer să fie utilizate cu precauție și mai ales cu o viteză de filtrare care să nu depășească 5,00 m/h [18].

CAPITOLUL 3. FILTRU VERTICAL SUB PRESIUNE – INSTALAȚIE EXPERIMENTALĂ

3.1. Caracteristici generale

Filtrul sub presiune (fig. 3.1) este o instalație utilizată în scop didactic, proiectat pentru a oferi posibilitatea studenților de a observa operația de filtrare a apei. Această operație poate fi vizionată prin intermediul gurii de vizitare 10. Filtrul este prevăzut cu un sistem care permite spălarea materialului filtrant [11].

Există două metode folosite pentru spălarea materialului filtrant [11]:

spălarea cu apă sub presiune;

spălarea cu apă în amestec cu aer.

Figura 3.1 Circuitul apei brute [22].

În figura 3.2 este prezentat circuitul apei de spălare a filtrului [5].

Figura 3.2 Circuitul apei de spălare [22]

În cazul realizării operației de filtrare pompa 9 alimentează filtrul cu apă brută din rezervor (fig. 3.3) prin intermediul furtunului 15 și conductei de alimentare a filtrului 1. Apa filtrată este evacuată prin intermediul conductei de evacuare 14 în rețeaua de canalizare 5. Circuitul apei brute pentru filtrare este exemplificat în figura 3.1 [11].

Figura 3.3. Filtru vertical sub presiune:

1- alimentare filtru; 2- manometru; 3- apometru; 4- canea; 5-rețea publică de canalizare;

6- alimentare pentru spălare; 7- flanșă gură de vizitare; 8- suport filtru; 9- pompă; 10- material filtrant (gură vizitare); 11- corp filtru; 12- flanșe; 13- evacuare apă după spălare; 14- evacuare apă filtrată; 15- alimentare apă de filtrat.

În cazul spălării filtrului (fig. 3.3), apa sub presiune este asigurată din rețeaua de apă potabilă a universității prin intermediul conductei de alimentare 6. Apa trece în sens invers filtrării prin materialul filtrant, 10, punând astfel în mișcare particulele care au fost filtrate. Evacuarea apei ce a spălat materialul filtrant se face prin conducta 13. Apa folosită la spălat este evacuată în rețeaua de canalizare 5.

Operațiile de filtrare și de spălare pot fi studiate prin intermediul gurii de vizitare 10.

Rezervorul de alimentare cu apă brută (fig. 3.4) este fabricat din PVC și are o capacitate de 120 L. Este prevăzut cu un agitator (4) din oțel inoxidabil care are rolul de a menține omogenitatea amestecului lichid-solid. Agitatorul este antrenat de motorul electric 3.

Figura 3.4 Rezervor cu agitator:

1- motor agitator; 2- alimentare filtru; 3- apă cu particule în suspensie pentru filtrat;

4- tijă agitator cu elice.

3.2. Elemente componente

Filtrul vertical sub presiune are ca și elemente constructive conform figurii 3.1 următoarele componente:

manometru (fig. 3.5); instrument de măsură folosit pentru măsurarea presiunilor absolute sau a suprapresiunilor fizice (în raport cu presiunea atmosferică) din spații închise (recipiente, cazane, instalații industriale alimentare/chimice/petroliere etc.).

Figura 3.5 Manometru.

Acest tip de manometru este un indicator cu element elastic proiectat conform STAS 3589-78 utilizat în măsurarea suprapresiunilor are o clasă de precizie de 2,5 și este utilizat în general pentru supraveghere nefiind necesară o precizie mai ridicata [8].

Funcționarea manometrului în condiții optime se realizează în intervalul de temperatura de -30÷ +60 °C și cu umiditatea relativă ≤ 80 %. Manometrele pot fi prevăzute cu protecție specifică contra prafului, apei, mediului agresiv sau exploziv. Aceste aparate de masură nu trebuie să intre în rezonanță cu vibrațiile [8].

garnitură clingherit (marsit) figura 3.6; acest material este un amestec de azbest, cauciuc și un liant mineral rezistent la temperaturi și presiuni ridicate. În construcția filtrului sub presiune din figura 3.1 a fost necesară folosirea a două astfel de garnituri pentru etanșarea capacului și fundului, iar în timpul expluatării filtrului (fig. 3.3) presiunea maximă de lucru va fi de 2 bari;

Figura 3.6 Garnitură clingherit

apometrul (fig. 3.7) a fost folosit pentru a măsura volumul de apă filtrată;

Figura 3.7 Apometru.

corpul filtrului (figura 3.8) este executat din oțel conform STAS 500/2. S-a ales acest material în construcția filtrului ținându-se cont de natura substanțelor ce urmează a fi filtrate. Nefiind utilizat în procese care implică substanțe letale și explozive sau care produc coroziune acest material este ideal funcționând la temperatura maxim admisă de 60°C.

Figura 3.8 Corpul filtrului:

1- corp filtru; 2- garnitură etanșare gură vizitare și flanșă cu prinderi; 3- gura vizitare;

4- lagăre de prindere.

capacul filtrului (fig. 3.9) este fabricat din același material ca și corpul filtrului, iar din punct de vedere constructiv prezinta caractere constructive distincte atât în partea din interior cat și cea din exterior (fig. 3.10).

Figura 3.9 Capac filtru (vedere din interior):

1- lagăre de fixare; 2- distribuitor apă; 3- alimentare filtru; 4,5- evacuare apă după spălare.

Figura 3.10 Capac filtru (vedere exterior).

flanșa gurii de vizitare din figura 3.11 este folosită pentru prinderea și etanșarea plasticului figura 3.12 care permite vizualizare în interiorul filtrului.

Figura 3.11 Flanșă gură vizitare.

Fereastră de vizitare din plexiglas (figura 3.12). Acest material este folosit datorită proprietăților lui de a fi incasabil și are rezistență crescută la presiuni.

Figura 3.12 Fereastra de vizitare din plexiglas.

antracitul (figura 3.13.) este un mediu filtrant adsorbant cu capacități bune de filtrare datorită formei neregulate a granulelor și a porozității mari, care permite viteze mari de filtrare, favorizând astfel depunerea unor cantități mari de substanțe în suspensie în materialul filtrant. Prin suprapunerea mai multor straturi de antracit, cu dimensiuni diferite ale granulelor, se rețin suspensii solide de diferite dimensiuni.

Antracitul este utilizat în filtrele închise sau deschise, mono sau multistrat, fiind optim pentru completarea în sistemele cu dublu strat, a filtrelor cu nisip. Viteza de filtrare și înălțimea stratului filtrant variază în funcție de conținutul de substanțe solide din apa care urmează să fie tratată [5].

Din punct de vedere al granulometriei și distribuției granulometrice. Antracitul este disponibil în toate intervalele granulare utilizate de obicei pentru formarea paturilor filtrante, cu unul sau mai multe straturi [5].

Figura 3.13 Material filtrant, antracit.

Dimensiunea granulelor variază în general între și . Aspectul: granulelor este neregulat, iar culoarea negru lucios [5].

Densitatea antracitului [5]:

densitatea absolută: 1.350 ÷ 1.600 kg/m3;

densitatea aparentă compactată: 670 ÷ 1.020 kg/m3;

densitatea aparentă necompactată: 650 ÷ 1.000 kg/m3;

Pompa (figura 3.14) este o mașină destinată transformării energiei mecanice disponibile la arborele unui motor în energie hidraulică transmisă unui lichid la ieșirea acestuia din pompă [5].

Figura 3.14 Pompa centrifugă.

După modul de realizare a deplasării lichidului și a principiului de funcționare, pompele se împart în patru mari categorii [5]:

a. dispozitive de pompare fără elemente mobile:

– sifonul;

– montejusul;

– pompa mamut;

– injectoare și ejectoare;

b. pompe cu mișcări alternative:

– pompa cu piston, cu simplu efect sau cu dublu efect;

– pompa cu piston plonjor;

– pompa cu piston lichid;

– pompa cu piston și membrană;

c. pompe rotative:

– pompa cu roți dințate;

– pompa rotativă cu palete;

– pompa cu șurub;

d. pompe centrifuge:

– pompa centrifugă simplă;

– pompa centrifugă cu mai multe trepte;

– pompa cu piston cu stator.

Pompele centrifuge se caracterizează în primul rând prin faptul că au un debit continuu, ceea ce face ca ele să fie preferate în toate cazurile în care condițiile de lucru nu impun utilizarea altui tip de pompă [8].

Pompa centrifugă lucrează pe baza efectului câmpului centrifugal asupra masei de lichid existente în zona centrală a carcasei, în care, un rotor cu palete se rotește la turație ridicată. Lichidul este antrenat de palete fiind aruncat spre periferia carcasei, de unde este refulat tangențial. Concomitent cu aruncarea lichidului spre periferie carcasei, în zone centrală a rotorului apare o depresiune care face ca, în mod continuu, lichidul dă fie aspirat pe direcție axială. În pompa centrifugă lichidul este aspirat axial, iar refularea, pe baza forței centrifuge, se face pe direcție radială [8].

Figura 3.15 Pompă centrifugă (vedere interioară).

La pornirea pompei, conducta de aspirație și rotorul trebuie să fie pline cu lichid. Acest lucru se datorează faptului că la oprire pompa nu se golește de lichid, deoarece clapeta de reținere a sorbului montat la capătul conductei de aspirație, împiedică descărcarea acesteia [8].

Pompa centrifugă prezintă avantajul față de pompa cu piston, că atât aspirația cât și refularea sunt continue, deci debitul este uniform și construcția este mai simplă, fără supape [8].

O pompă centrifugă cu un singur rotor poate refula până la o înălțime de 20 m H2O, ceea ce corespunde la 2 atm. Când sunt necesare presiuni mai mari, se construiesc pompe cu mai multe rotoare legate în serie, în care lichidul refulat de primul rotor trece în aspirația celui de al doilea rotor și așa mai departe, astfel încât la ieșirea din ultimul rotor, lichidul are presiunea de refulare dorită [8].

Pompele centrifuge se clasifică după mai multe criterii [8]:

după înălțimea de refulare, în:

pompe centrifuge de presiune joasă pentru H<20 m H2O și care în general sunt cu un singur rotor;

pompe centrifuge de presiune medie, pentru H = 20 – 50 m H2O;

pompe centrifuge de presiune înaltă pentru H > 50 m H2O

după numărul rotoarelor (etajelor, treptelor):

pompe cu un rotor;

pompe cu mai multe rotoare;

după construcție, în:

pompe cu sau fără dispozitiv director (stator);

pompe cu sau fără presetupă;

pompe cu aspirație unilaterală sau bilaterală;

pompe cu arbore orizontal sau vertical.

după scopul pentru care se folosesc:

pompe pentru lichide neutre;

pompe rezistente la acizi,

pompe pentru lichide murdare

La construcția pompelor se folosesc materiale ca: fonta, oțelul, materiale rezistente la acizi (oțel inoxidabil, fonte silicioase, plumbul tare, mase plastice etc.) [9].

Funcționarea unei pompe centrifuge este caracterizată prin debitul Q, presiunea sau înălțimea manometrică H, numărul de rotații pe minut n și randamentul η [9].

Debitul (m3/h sau l/min) și înălțimea manometrică (mH2O) sunt caracteristici constructive ale pompei și depind direct de turația rotorului (rot/min) [9].

Înălțimea manometrică se compune din înălțimea de aspirație Ha, înălțimea de refulare Hr și suma rezistențelor hidraulice în pompă și în conductele de aspirație și refulare hp[9]。

Înălțimea de aspirație depinde de viteza lichidului, de rezistențele hidraulice în conducta de aspirație, precum și de temperatură și presiunea de vapori a lichidului de pompat. Prin creșterea temperaturii, lichidele produc vapori care micșorează depresiunea cerută de pompă în conducta de aspirație și astfel înălțimea de aspirație scade [9].

Exploatarea pompelor centrifuge [9]:

Pornirea:

se curăță de impurități arborele și lagărele pompei;

se învârtește cu mâna echipamentul mobil (alimentarea cu energie electrică fiind întreruptă);

se verifică sensul de rotație prin porniri foarte scurte;

se controlează starea de curățenie a filtrului și a conductei de aspirație;

se amorsează pompa prin umplere cu lichid;

se închide robinetul de pe conducta de refulare, iar cel de pe conducta de aspirație se va deschide;

se pornește electromotorul și după o scurtă perioadă de funcționare cu robinetul închis, timp în care presiunea de pe refulare crește la valoarea dorită de transport, se deschide încet și continuu robinetul de pe refulare menținând presiunea constantă;

se reglează debitul pompei centrifuge prin deschiderea și închiderea robinetului de pe refulare;

robinetul de aspirație nu trebuie utilizat pentru reglarea debitului deoarece favorizează apariția vibrațiilor și a fenomenului de cavitație.

Oprirea:

se închide robinetul de refulare;

se oprește motorul;

se închide robinetul de pe aspirație.

Supravegherea funcționării:

temperatura lagărelor trebuie să fie sub 60 oC;

sistemul de răcire trebuie să funcționeze corect;

se controlează periodic nivelul uleiului;

aparatele de măsură nu trebuie să vibreze, să fie murdare, să aibă sticla spartă sau să nu revină acul la zero când nu este în funcțiune pompa;

se verifică organele de transmisie a mișcării: arbori, cuplaje, curele de transmisie.

CAPITOLUL 4. CALCULUL AMESTECĂTORULUI ȘI POMPEI FOLOSITE ÎN EXPLOATAREA FILTRULUI VERTICAL SUB PRESIUNE

4.1. Dimensionarea amestecătorului

Calculul diametrului vasului amestecător cu diametrul elicei amestecătoare de 14 cm:

(1)

unde:

D – diametrul vasului;

da – diametrul elicei.

Înălțimea coloanei de lichid H:

(2)

Înălțimea (h) la care este poziționată elicea față de fundul vasului amestecător se obține cu relația (3):

(3)

Calculul densității amestecului:

(4)

în care:

ρd reprezintă densitatea fazei disperse (nisip);

ρc – densitatea fazei continue (apa);

φ – participația celor două substanțe.

(5)

(5′)

unde:

Vd+Vc =Vt (volumul total 0,02 m3);

Vd – volumul fazei disperse (5 %; adică 0,001 m3);

Vc – volumul fazei continue (95 %; adică 0,019 m3)

Având disponibilă valoare participației putem calcula densitatea amestecului:

(4′)

Vâscozitatea dinamică a amestecului se obține cu relația:

(6)

µ = 1,004(1+2,50,05)=1,129

Puterea necesară amestecării:

(7)

în care :

ρ este densitatea amestecului (kg/m3);

n – turația arborelui (1,66 rot/s);

da – diametrul amestecătorului (în m);

Ne – criteriul puterii sau criteriul lui Newton;

k – factor care ia valoarea 1,1.

Criteriul puterii se obține cu relația:

(8)

unde:

(9)

Atunci,

(10)

Din relațiile (8), (9), (10) rezultă puterea necesară amestecării:

W (7′)

4.2. Dimensionarea pompei centrifuge

Pentru transportul lichidelor în instalație s-a ales pompa centrifugă, iar pentru calculul mișcării lichidelor în sistem s-a folosit ecuația Bernoulli.

(11)

(12)

unde:

z1,z2 – înălțimi ale coloanei de apă în filtru;

v1,v2 – de deplasare a apei în sistem;

F – forța de frecare dintre pereții sistemului și lichid.

Pentru valorile:

v=v1=v2=2,5 m/s;

p1=p2;

F=0;

z1=0,3;

z2=1,8.

Rezultă:

(13)

g (z1-z2) + W = 0 (14)

W = g (z2-z1) (15)

Presupunem că z1 = 0,3 m, z2 = 1,8 m, și rezultă:

W = g(z2-z1)

W=9,81 (2 – 0,5) (14)

W = 14,71

Înălțimea manometrică se determină cu relația:

(16)

Calculul căderii de presiune:

Căderea de presiune a unui fluid în curgere are 2 componente:

componenta pentru curgerea uniformă a curentului de fluid – căderea de presiune liniara,

componenta pentru zonele în care curgerea fluidului este neuniformă – căderea de presiune locală.

Determinarea căderii de presiune se face cu relația:

(17)

unde:

λ este coeficientul căderii de presiune prin frecare;

d – diametrul conductei;

l – lungimea conductei.

(18)

Se consideră diametrul țevii d = 21 mm (standard 25×2 mm) și lungimea țevii l = 3 m.

Deoarece curgerea este în regim turbulent Reynolds are forma:

(19)

Pentru regim turbulent se folosește ecuația de calcul McAdams pentru Reynolds cuprins între 5000 și 200.000.

(20)

Din relațiile calculate anterior rezultă valoarea căderii de presiune ca fiind următoarea:

(17')

Determinarea numărului de coturi din sistem de alimentare al filtrului de determină cu relația:

Se consideră următoare valori de intrare:

ξintrare = 0,5

ξcoturi = 1,2 (pentru cot de colt la 900)

nr. coturi = 4

ξiesire= 1

ξ = ξintrare + ξcoturi nr. coturi + ξiesire (21)

ξ=0,5+ 1,2 4+ 1 = 6,3 (21')

(22)

Puterea consumată prin frecare se determină cu relația:

(23)

Calcul înălțimii manometrice totale (zmt) se realizează cu relația:

(21)

z0 = z1-z2;

pr = pa;

vr = va ;

zmt=z0+ m (21')

Puterea necesară a pompei se calculează cu relația:

(23)

Determinarea înălțimii de poziție la ieșirea din instalație este dată de relația:

ze= →

ze = z0 = z2-z1 = 2-0,5 = 1,5 m (24)

Se consideră randamentul total al agregatului de pompe ηT=80 %. Randamentul motorului este data de relația:

(25)

Puterea instalată se obține cu relația:

(26)

Nins=1,75 ∙ 0,14 = 0,245 kW = 245 W

FIȘA PLAN

Corpul filtrului vertical sub presiune

CONCLUZII

Importanța filtrării este determinantă în contextul actual al dezvoltării urbanistice și tehnologice raționalizarea exploatării resurselor de apă trebuie făcută astfel încât să se aibă în vedere protecția permanentă a mediului, deoarece constituie un factor definitoriu în managementul cerințelor de apă.

Filtrarea rapidă pe nisip a fost brevetată în 1827, în S.U.A. și a permis mărirea vitezei de filtrare de 30 ÷ 50 ori, concomitent cu micșorarea suprafețelor construite și a cheltuielilor de filtrare.

Procesul de filtrare rapidă a fost examinat din punct de vedere teoretic și experimental, pentru prima oară în mod sistematic de R. Eliassen în anul 1935.

De atunci numeroși alți specialiști au abordat problemele teoretice și tehnice ale procesului și instalațiilor de filtrare pentru limpezirea apei, ceea ce a condus la progrese remarcabile în domeniul cunoștințelor teoretice și la o permanentă îmbunătățire a filtrelor realizate.

În România s-au întreprins, în special după anul 1950, multiple cercetări fundamentale și aplicative în institute specializate, și s-au realizat o gamă întreagă de stații de tratare cu filtre rapide majoritatea după proiecte întocmite de „Institutul de Studii și Proiectări pentru Sistematizare Locuințe și Gospodărie Comunală”, lucrări care asigură în prezent alimentarea cu apă a tuturor locuințelor importante și a multor obiective industriale, care au surse de suprafață.

Filtrarea apei este procedeul de limpezire avansată a apei, constând în trecerea acesteia printr-o masă de material poros, de granulozitate determinată, denumită strat filtrant, în scopul reținerii particulelor aflate în suspensie naturală sau obținute printr-o coagulare prealabilă. De regulă procesul de filtrare urmează decantării și constituie ultima treaptă de tratare a apei.

Reținerea suspensiilor din apă de către materialul poros se face printr-un proces complex în care preponderent este fenomenul de absorbție, particulele în suspensie fixându-se de suprafața particulelor care compun stratul filtrant, dar și efectul de sită, fenomenul de sedimentare a suspensiilor în porii stratului granular

Filtrele rapide sub presiune sunt alcătuite din recipiente metalice de formă cilindrică, închise la ambele capete, așezate în poziție verticală sau orizontală. Apă decantată se introduce prin conducta de alimentare care străbate stratul filtrant în sens descendent. Apa filtrată este evacuată printr-o conductă aflată în partea inferioară a filtrului. Apa de spălare pentru curățirea stratului filtrant este introdusă prin conducta de alimentare pentru spălare, în sens invers filtrării (ascendent), iar după expandarea și curățirea stratului filtrant este colectată în pâlnie, situată în partea superioară a filtrului și eliminată prin conducta de evacuare. Spălarea filtrelor se realizează, în general, cu apă și aer, dar este posibilă și spălarea numai cu apă. în general aceste tipuri de filtre sunt prevăzute cu un singur fel de material filtrant: nisip sau antracit sau cărbune activ.

Filtrul vertical sub presiune experimental s-a realizat și pe baza calculelor de dimensionare a pompei și amestecătorului.

Filtrul sub presiune realizat este o instalație utilizată în scop didactic, proiectat pentru a oferi posibilitatea studenților de a observa operația de filtrare a apei. Această operație poate fi vizionată prin intermediul gurii de vizitare. Filtrul este prevăzut cu un sistem care permite spălarea materialului filtrant.

În cazul realizării operației de filtrare pompa alimentează filtrul cu apă brută din rezervor prin intermediul unui furtun și conductei de alimentare a filtrului. Apa filtrată este evacuată prin intermediul conductei de evacuare în rețeaua de canalizare.

În cazul spălării filtrului, apa sub presiune este asigurată din rețeaua de apă potabilă a universității prin intermediul conductei de alimentare. Apa trece în sens invers filtrării prin materialul filtrant, punând astfel în mișcare particulele care au fost filtrate. Evacuarea apei ce a spălat materialul filtrant se face prin conducta de evacuare. Apa folosită la spălat este evacuată în rețeaua de canalizare.

BIBLIOGRAFIE

Banu C., Manualul inginerului din industria alimentară, Editura Tehnică București, 1998.

Băloiu V., Gospodărirea apelor, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1971.

Florescu A., Exploatarea construcțiilor și instalațiilor pentru tratarea apelor potabile și industriale, Editura Tehnică, București, 1981.

Jumarca V., Instalații de captare, tratare și epurare a apelor, Note de curs, Universitatea din Bacău, Bacău, 1996.

Nedeff V., Măcărescu B., Geamăn V., Ingineria și protecția mediului în industrie, Editura Tehnică – Info, Chișinău, 2003.

Nedeff V., Procese de lucru, mașini și instalații pentru industria alimentară, Editura Agris, Redacția Revistelor Agricole, București, 1997.

Nistreanu V., Procese unitare pentru tratarea apelor, Cursuri Universitare, Universitatea Politehnica din București, Facultatea de Energetica, Catedra de Hidraulica, Mașini Hidraulice și Ingineria Mediului, București, 2001.

Nistreanu V., Amenajarea resurselor de apă și impactul asupra mediului, Editura BREN, București, 1999.

Popa Bogdan – „Gospodărirea apelor în România”, Cursuri universitare 2006-2007, Universitatea Politehnica din București, Catedra de hidraulică și mașini hidraulice.

Racovițeanu G., Teoria decantării și filtrării apei, Editura MatrixRom, București, 2003.

Robescu D.N., Robescu D.L., Constantinescu I., Szabolcs L., Fluide polifazate, Editura Tehnică, București, 2000.

Rojanschi V., Ognean T., Cartea operatorului din stațiile de tratare și epurare a apelor, Editura Tehnică, București, 1989.

Rotaru N. P.I., Teodorescu M., Alimentări cu apă, Editura Tehnică, București, 1981.

Rus F., Operații de separare în industria alimentară, Editura Transilvania, Brașov, 2001.

Tenu I., Operații și aparate în industria alimentară, Editura Ion Ionescu de la Brad, Iași, 2008.

Teodorescu I., Antoniu R., Tehnologia folosirii apei în industria alimentară și în centrele mici populate, Editura Tehnică, București, 1983.

Teodorescu I., Antoniu R., Optimizarea deferizării și demagnetizării apei, Editura Tehnică, București, 1979.

Teodosiu C., Tehnologia apei potabile și industriale, Editura Matrix Rom, București, 2001.

Țîrțoacă (Irimia) O., Panainte M, Lazăr G., Nedeff V., Potabilizarea apelor – Procedee și tehnici de filtrare, Editura Alma Mater, 2014;

Topliceanu L., Apa – captare, tratare, epurare, Editura Tehnică-Info, Chișinău, 2003.

Trofin P., Alimentări cu apă, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1983.

***www.rowater.ro