پالس هوادهی: فرو رفتن عمیق در فشار مرطوب پویا (DWP) در سیستم های حباب ریز

I. مقدمه: تعریف قاتل کارآمدی "ساکت".

در دنیای تصفیه فاضلاب، اتاق دمنده اغلب بزرگترین مصرف کننده انرژی است که تا 60 درصد از کل مصرف برق یک نیروگاه . در حالی که اپراتورها زمان زیادی را صرف نظارت بر سطوح اکسیژن محلول (DO) می‌کنند تا باکتری‌ها را راضی نگه دارند، یک معیار «بی‌صدا» وجود دارد که تعیین می‌کند آیا اکسیژن به قیمت مقرون‌به‌صرفه تحویل داده می‌شود یا با تلفات زیاد: فشار مرطوب دینامیک (DWپ).

تعریف: DWپ در مقابل سر استاتیک

برای درک DWپ، ابتدا باید آن را از فشار کل اندازه گیری شده در دمنده تشخیص دهیم. هنگامی که هوا از دمنده به پایین مخزن هوادهی می رود، با دو مانع اصلی روبرو می شود:

1. سر استاتیک (): این وزن فیزیکی ستون آب است که در بالای دیفیوزر قرار دارد. اگر مخزن شما 15 فوت عمق دارد، دمنده باید حداقل 6.5 psi را فقط برای رسیدن به پایین تامین کند. این ثابت است و فقط به سطح آب بستگی دارد.
2. فشار مرطوب دینامیک (DWپ): این "مقاومت" خود دیفیوزر است. این مقدار انرژی مورد نیاز برای کشش غشای لاستیکی و فشار هوا از طریق شکاف‌های برش دقیق آن در حالی که غشاء در زیر آب است، است.

از نظر ریاضی، رابطه به صورت زیر بیان می شود:

(کجا پ _{اصطکاک_از دست دادن} مقاومت درون خود لوله است).

(کجا is the resistance within the piping itself).

تشابه: مقاومت عروقی

سیستم هوادهی را مانند سیستم گردش خون انسان در نظر بگیرید. این دمنده قلب است، لوله ها شریان ها هستند و دیفیوزرها مویرگ ها هستند.

اگر «مویرگ‌های» شما (شکاف‌های پخش‌کننده) باریک یا سفت شوند، «قلب» شما (دمنده) باید به میزان قابل‌توجهی سخت‌تر پمپاژ کند تا همان مقدار «خون» (هوا) اکسیژن‌دار را در سیستم جابجا کند. این در اصل "فشار خون بالا" برای گیاه شما است. ممکن است همچنان به سطوح DO مورد نظر خود برسید، اما تجهیزات شما تحت فشار شدیدی هستند و قبض انرژی شما سر به فلک کشیده است.

تأثیر اقتصادی: مالیات نامرئی

DWپ به ندرت یک عدد ثابت است. از آنجایی که غشاها از الاستومرها (مانند EPDM یا سیلیکون) ساخته شده اند، در طول زمان تغییر می کنند. وقتی انعطاف پذیری خود را از دست می دهند یا با مواد معدنی و "لزخ زیستی" مسدود می شوند، DWP به سمت بالا می خزد.

• قانون 1-PSI: در یک گیاه معمولی، افزایش فقط 1 psi (تقریباً 27 اینچ آب) در DWP می تواند مصرف برق دمنده های شما را افزایش دهد 8 تا 10 درصد .
• هزینه چرخه عمر: در طی یک دوره 10 ساله، پخش‌کننده‌ای که با DWP 12 اینچ شروع می‌شود و با 40 اینچ خاتمه می‌یابد می‌تواند صدها هزار دلار برق «هدر رفته» برای شهرداری هزینه داشته باشد – انرژی صرف شده صرف مبارزه با غشای لاستیکی به جای تصفیه آب می‌شود.

II. فیزیک مقاومت غشایی

DWپ یک دیفیوزر یک عدد ثابت نیست. این یک پاسخ دینامیکی به فشار هوا و مکانیک سیالات است. درک "فیزیک شکاف" توضیح می دهد که چرا برخی از دیفیوزرها در هزینه صرفه جویی می کنند در حالی که برخی دیگر بودجه را تخلیه می کنند.

1. فشار باز شدن: غلبه بر کشش

غشای دیفیوزر اساساً یک شیر چک با تکنولوژی بالا است. هنگامی که دمنده خاموش است، فشار آب و کشش طبیعی الاستومر (لاستیک) شکاف ها را محکم بسته نگه می دارد. این امر از ورود لجن به لوله کشی جلوگیری می کند.

برای شروع هوادهی، دمنده باید فشار داخلی کافی برای غلبه بر دو نیرو ایجاد کند:

• استرس حلقه ای: مقاومت فیزیکی لاستیک در برابر کشش.
• کشش سطحی: انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک رابط جدید هوا و آب (حباب) در نقطه خروجی شکاف.

2. هندسه شکاف و تشکیل حباب

نحوه سوراخ شدن یک غشاء تعادل ظریف مهندسی است.

• تراکم شکاف: دیسک های باکیفیت دارای هزاران شکاف میکروسکوپی، برش لیزری یا پانچ دقیق هستند. شکاف های بیشتر به این معنی است که هوا در یک منطقه بزرگتر توزیع می شود که DWپ را کاهش می دهد زیرا لازم نیست که هر شکافی به اندازه ای "کشش" داشته باشد تا هوا عبور کند.
• ضخامت در مقابل مقاومت: غشای ضخیم تر بادوام تر است اما مقاومت بالاتری دارد (DWP بالاتر). طرح‌های مدرن از ضخامت متغیر استفاده می‌کنند - ضخیم‌تر در لبه‌ها برای استحکام و نازک‌تر در ناحیه سوراخ‌شده برای امکان خم شدن آسان‌تر.

3. اثر روزنه

با افزایش جریان هوا، DWP نیز افزایش می یابد. این به عنوان شناخته شده است اثر روزنه . در جریان هوای کم، شکاف ها به سختی باز می شوند. همانطور که دمنده ها را "بالا" می کنید، شکاف ها باید بیشتر باز شوند.

• اگر یک دیفیوزر فراتر از حد طراحی خود (شار بالا) فشار داده شود، DWP به طور تصاعدی افزایش می یابد.
• نکته مهندسی: داشتن آن اغلب از نظر انرژی کارآمدتر است بیشتر دیفیوزرها با جریان هوای کمتری کار می کنند کمتر دیفیوزرها با جریان هوای بالا کار می کنند، به ویژه به دلیل این منحنی DWP.

III. نمایه های DWP: دیسک در مقابل دیفیوزرهای لوله

در حالی که هر دو از مواد غشایی مشابه استفاده می کنند، شکل آنها به طور قابل توجهی بر روی پروفایل فشار آنها تأثیر می گذارد.

چرا شکل مهم است

این دیسک دیفیوزر به طور کلی "استاندارد طلایی" برای پایداری DWP در نظر گرفته می شود. از آنجایی که غشاء فقط در محیط نگه داشته می شود، می تواند آزادانه مانند سر درام خم شود. این دیفیوزر لوله با این حال، روی یک لوله کشیده شده است. این کشش اولیه بیشتری ایجاد می کند (پیش بار)، که اغلب منجر به DWP شروع کمی بالاتر در مقایسه با دیسکی از همان ماده می شود.

IV. عواملی که منجر به تشدید DWP می شود ("خزش")

در یک دنیای کامل، DWP ثابت می ماند. با این حال، در محیط سخت یک مخزن فاضلاب، DWP به ناچار شروع به افزایش می کند. مهندسان از این افزایش تدریجی به عنوان "خزش فشار" یاد می کنند. درک سه دلیل اصلی این خزش برای پیش‌بینی زمانی که دیفیوزرهای شما به نقطه شکست خود می‌رسند ضروری است.

1. رسوب بیولوژیکی ("چسب زیستی")

فاضلاب یک سوپ غنی از مواد مغذی است که برای رشد باکتری ها طراحی شده است. متأسفانه، این باکتری ها فقط در حالت تعلیق باقی نمی مانند. آنها عاشق اتصال به سطوح هستند.

• تولید EPS: باکتری ها ترشح می کنند مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) - یک چسب چسبناک و شیرین. این لایه لجن غشا را می پوشاند و شکاف های میکروسکوپی را پر می کند.
• تاثیر: این blower must now push not only through the rubber but also through a dense biological mat. This can double the DWP in a matter of months if the wastewater has high grease or sugar content.

2. پوسته پوسته شدن غیر آلی ("پوسته سخت")

این یک فرآیند شیمیایی است تا بیولوژیکی. بیشتر در مناطقی با "آب سخت" یا در گیاهانی که از مواد شیمیایی مانند کلرید فریک برای حذف فسفر استفاده می کنند، رایج است.

• این Mechanism: با عبور هوا از غشا، یک تغییر موضعی در سطح مشترک شکاف رخ می دهد. این باعث می شود مواد معدنی مانند کربنات کلسیم یا استروویت از آب رسوب کند و پوسته ای سخت و سنگ مانند روی شکاف ها تشکیل دهد.
• این Result: بر خلاف رسوب زیستی که نرم است، پوسته پوسته شدن سفت و سخت است. از کشیده شدن غشاء جلوگیری می کند که منجر به یک میخ بزرگ در DWP می شود و اغلب باعث پاره شدن لاستیک تحت فشار می شود.

3. پیری مواد و از دست دادن روان کننده

حتی در آب تمیز، DWP در نهایت به دلیل شیمی خود غشا افزایش می یابد.

• لیچینگ شیمیایی: غشاهای EPDM حاوی «روغن‌کننده‌ها» هستند که لاستیک را کشسان نگه می‌دارند. با گذشت زمان، این روغن ها به فاضلاب می روند.
• خزش و سخت شدن: با ناپدید شدن روغن ها، لاستیک شکننده و سفت می شود. این به عنوان افزایش در شناخته شده است Shore A Hardness . یک غشای سفت تر به "فشار باز شدن" بیشتری نیاز دارد که به صورت افزایش دائمی و غیرقابل برگشت در DWP ظاهر می شود.

V. اندازه گیری و نظارت بر DWP در زمان واقعی

شما نمی توانید آنچه را که اندازه گیری نمی کنید مدیریت کنید. برای سال‌ها، DWP نادیده گرفته می‌شد تا اینکه دمنده‌ها شروع به شکست کردند. امروزه کارخانه های هوشمند از یک رویکرد نظارتی فعال استفاده می کنند.

این Calculation Method

از آنجایی که نمی توانید به راحتی یک سنسور فشار را در یک دیفیوزر مستغرق قرار دهید، ما از آن استفاده می کنیم محاسبه "سمت بالا". :

1. گیج را بخوانید: اندازه گیری فشار در لوله قطره هوا ( پ _کل ).
2. محاسبه سر استاتیک: ... (1 فوت آب = 0.433 psi یا 2.98 کیلو پاسکال).
3. تفریق: DWپ = پ _کل - پ _ایستا - پ _{لوله_اصطکاک}

این Air Flow Step Test

این most accurate way to “diagnose” your diffusers is a Step Test.

• جریان هوا را با افزایش افزایش دهید (به عنوان مثال، 1CFM 2CFM 3CFM در هر دیسک).
• DWP را در هر مرحله ثبت کنید.
• سیستم سالم: این curve should be a gentle slope.
• سیستم آلوده: این curve will be much steeper, showing that the diffusers are “choking” as you try to push more air.

VI. استراتژی های مدیریت DWP

هنگامی که DWP شروع به بالا رفتن می کند، اپراتورها چندین ابزار را در اختیار دارند تا فشار را قبل از اینکه باعث آسیب به تجهیزات یا بیش از حد بودجه شود، "بازنشانی" کنند. این روش ها از شیفت های عملیاتی ساده تا مداخلات شیمیایی را شامل می شود.

1. "Bumping" یا Pressure Flexing

این اولین خط دفاعی در برابر رسوب بیولوژیکی است.

• این Process: این air flow rate is briefly increased to the maximum allowable limit (the “burst” flow) for 15–30 minutes.
• این Result: این membrane stretches beyond its normal operating diameter. This mechanical expansion “cracks” the brittle bio-slime or thin mineral crust, allowing the air to blow the debris off the surface.
• فرکانس: بسیاری از گیاهان این کار را به طور خودکار انجام می دهند تا یک بار در هفته یا حتی یک بار در روز اتفاق بیفتد تا از به دست آوردن جایگاه DWP جلوگیری کنند.

2. تمیز کردن اسید در محل (مایع یا گاز)

اگر جرم گیری مواد معدنی (کلسیم یا آهن) مقصر باشد، "برخوردگی" کافی نخواهد بود. باید پوسته را حل کنید.

• تزریق مایع: یک اسید ملایم (مانند اسید استیک، سیتریک یا فرمیک) مستقیماً به لوله های هدر هوا تزریق می شود. هوا اسید را به دیفیوزرها می برد، جایی که در منافذ می نشیند و رسوب را حل می کند.
• تزریق گاز (اسید فرمیک): برخی از سیستم های پیشرفته از بخار اسید فرمیک بی آب استفاده می کنند. این در نفوذ به شکاف های کوچک بسیار موثر است اما به تجهیزات ایمنی تخصصی نیاز دارد.
• این Benefit: این کار را می توان بدون تخلیه مخزن انجام داد و هزاران نفر را در کار و زمان خرابی صرفه جویی کرد.

3. شستشوی دستی با فشار

اگر مخزن برای نگهداری دیگر تخلیه شود، تمیز کردن دستی استاندارد طلایی است.

• احتیاط: هرگز از نازل فشار بالا خیلی نزدیک به غشا استفاده نکنید (آن را حداقل 12 اینچ دورتر نگه دارید). فشار بیش از حد می تواند EPDM یا شن درایو را قطع کند به شکاف ها، به طور دائم DWP را افزایش می دهد.

VII. پیوست ریاضی: رابطه انرژی و فشار

برای توجیه هزینه تمیز کردن یا تعویض دیفیوزرها، مهندسان باید ترجمه کنند DWپ (inches of water) به پول (کیلووات) .

این Power Calculation

این power required by a blower is directly proportional to the total discharge pressure. A simplified formula for the change in power (P) relative to a change in pressure ( ∆p ) است:

سناریو:

• یک کارخانه دارای فشار کل سیستم است 10 psi .
• به دلیل رسوب، DWP افزایش می یابد 1 psi (تقریباً 27 اینچ آب).
• این افزایش 1 psi نشان دهنده a است افزایش 10 درصدی مصرف انرژی برای همان حجم هوا

اگر کارخانه 200000 دلار در سال برای برق هوادهی هزینه کند، آن خزش 1 psi برای آنها هزینه دارد. 20000 دلار در سال در قدرت هدر رفته

نویسنده: مایکل نادسون استنستروم - ResearchGate

https://www.researchgate.net/figure/Standard-Aeration-Efficiency-In-Clean-SAE-and-Process-aFSAE-Water-for-FinePore-and_fig3_304071740

نتیجه گیری: مسیر پیشگیرانه

این most efficient wastewater plants in the world do not wait for a blower to trip or a membrane to tear. They monitor DWP as a “Live Health Metric.” By tracking the trend line of DWP, operators can schedule cleanings exactly when the energy savings will pay for the labor, ensuring the plant runs at the lowest possible carbon footprint.