Аэрация, как процесс насыщения воды кислородом, широко используется в различных технологиях водоподготовки. Например, в озонаторных установках аэрация озоном обеззараживает питьевую воду; в сооружениях биологической очистки сточных вод аэрация обеспечивает жизнедеятельность бактерий, очищающих воду.
Как правило, аэрация осуществляется с помощью воздуходувок — машин, сжимающих и подающих воздух в аэротенки (емкости с аэрируемой водой). Воздуходувка — термин больше жаргонный, нежели технический. Правильнее эти машины называть нагнетателями. Однако, учитывая, что настоящая статья рассчитана на широкий круг читателей, будем пользоваться этим термином, как более распространенным. Воздуходувка, как всякая компрессорная машина, характеризуется двумя основными параметрами: производительностью и создаваемым избыточным давлением.
В процессах аэрации, как правило, используются аэротенки глубиной от 1 до 7 м, что и определяет диапазон избыточных давлений, создаваемых воздуходувками: от 10 до 80 кПа. Что же касается производительности воздуходувки, то она зависит от объема перерабатываемой установкой воды: чем больше объем, тем больше нужно воздуха. Например, возможности очистных сооружений небольшого дачного поселка и крупного города могут различаться на несколько порядков. Соответственно, диапазон требуемых производительностей воздуходувок находится в пределах от двух-трех кубических метров воздуха в час до нескольких десятков тысяч.
Разумеется, такому широкому диапазону параметров соответствует и широкий диапазон типоразмеров воздуходувок — как по мощности, так и по габаритам. Однако есть общие требования, обязательные для всех воздуходувок аэрирующих воду. Во-первых, воздуходувка должна быть «сухой», то есть подаваемый воздух не должен содержать продуктов смазки и износа. Во-вторых, воздуходувка должна быть надежной, простой в эксплуатации и, по возможности, не энергоемкой, учитывая ее практически непрерывную круглосуточную работу. И, в-третьих, воздуходувка должна быть малошумной, т.к. зачастую работает в непосредственной близости к человеческому жилью. Последнее требование сейчас особенно актуально, т.к. строительство очистных сооружений приобрело тенденцию дифференциации.
Иными словами, строительство многочисленных дачных поселков, индивидуальных коттеджей, придорожных кафе и т.д. подразумевает и строительство небольших очистных сооружений в непосредственной близости к жилью. Экономически это обосновано, т.к. резко сокращаются коммуникации, затраты на строительство и эксплуатацию. Указанная тенденция в последнее время определила и спрос на небольшие по производительности воздуходувки. Несмотря на большое разнообразие существующих типов компрессорных машин, выбрать машину, удовлетворяющую всем перечисленным требованиям, сложно. Требование к «сухости» подаваемого воздуха, надежности и бесшумности резко сужает этот выбор.
Кроме того, цена таких компрессоров, как правило, импортных, велика. Номенклатура же предлагаемых отечественной промышленностью компрессоров такого типа крайне ограничена. Например, для малых очистных сооружений необходимы воздуходувки с давлением нагнетания от 20 до 80 кПа и производительностью от 5 до 1000 м3/ч. Требованию к «сухости» подаваемого воздуха в указанном диапазоне параметров отвечают в основном два типа воздуходувок — объемного действия (мембранные, спиральные, роторные воздуходувки) и динамического действия (турбовоздуходувки).
Мембранные воздуходувки рассчитаны на очень небольшую производительность (5–10 м3/ч). На российский рынок их поставляют в основном инофирмы, в частности японские. Машины потребляют мало электроэнергии, компактные, малошумные. Цена таких воздуходувок от 500 до 1300 у.е. Ресурс этих машин определяется качеством основной детали — мембраны. По данным автора, наработка на ресурс у этой техники — 2–3 года. Внимание к этим машинам сильно возросло, т.к. они используются в индивидуальном коттеджном строительстве очистных сооружений.
Спиральные компрессоры можно пока еще отнести к «экзотике» на рынке «сухих» компрессоров. Это сравнительно новая техника, интенсивно осваиваемая и у нас, и за рубежом. Конструкция машины подразумевает использование высоких технологий при изготовлении, поэтому компрессоры пока что очень дороги. Например, шведская фирма «Атлас Копко» предлагает спиральные компрессоры с производительностью от 10 до 24 м3/ч по цене до 6000 у.е. Уровень избыточного давления — до 10 бар (100 м вод. ст.).
Практически, эти машины, как и поршневые компрессоры без смазки, пока не нашли применения в системах аэрации. Роторные воздуходувки выпускает несколько фирм ближнего и дальнего зарубежья. Диапазон их производительностей — от 30 до 3000 м3/ч. В практике их называют иногда шестеренчатыми, или типа РУТс. Известной отечественной маркой являлись воздуходувки серии АФ Мелитопольского компрессорного завода (Украина). С использованием западных технологий такие воздуходувки выпускает сейчас фирма Venibe (Литва). Несколько европейских фирм поставляют на наш рынок такие воздуходувки.
Особенностью конструкции роторных воздуходувок является наличие двух синхронно вращающихся роторов. Для синхронизации вращения служат зацепляющиеся и поэтому смазываемые шестерни. Наличие узла синхронизирующих шестерен, естественно, снижает надежность машины, увеличивает риск попадания масла в полость сжатия через уплотнение вала. Справедливости ради нужно отметить, что в силу высокого технологического уровня производства машины европейских фирм высоконадежны, однако и цена их в несколько раз выше тех же мелитопольских. Например, воздуходувка серии АФ Мелитопольского завода на самые «ходовые» параметры (давление 50 кПа и производительность 400 м3/ч) на нашем рынке стоит 3000–4000 у.е., тогда как аналогичная по параметрам воздуходувка европейской фирмы — 8000–10000 у.е.
Разница в ресурсе сравниваемой техники — соответственная. В плане надежности, конечно, более предпочтительны турбовоздуходувки. Рабочим элементом машины является простое колесо с лопатками, вращающееся в корпусе на шарикоподшипниках. За исключением подшипников в машине нет узлов трения, что и определяет ее надежность. К преимуществу турбовоздуходувок следует отнести и сравнительно низкий уровень шума. Основным источником шума во всех типах рассматриваемых воздуходувок является газодинамический шум, то есть шум, издаваемый воздухом при прохождении через проточную часть машины. В роторных воздуходувках этот шум низкочастотный, т.к. воздух подается «порциями», а в турбовоздуходувках — высокочастотный, т.к. воздух подается непрерывно.
Высокочастотный шум легче поддается глушению. Достаточно сказать, что, несмотря на установку глушителей, роторные воздуходувки, как правило, требуют для себя отдельных помещений из-за высокого уровня шума. В то же время турбомашины, снабженные глушителями, в таковых помещениях не нуждаются, т.к. уровень их шума близок к санитарным нормам. В большинстве октавных полос превышение санитарных норм у воздуходувки роторного типа выше, нежели у воздуходувки вихревого типа. Разумеется, этот и последующие сопоставительные анализы не ставят своей целью раскритиковать одни машины в пользу других. Цель анализа — оттенить характерные особенности каждого типа машин, а уже право выбора предоставляется читателю.
В каждом конкретном случае критерии выбора могут отличаться кардинальным образом. Говоря о турбовоздуходувках, следовало бы сразу указать на диапазон их производительностей. В области сравнительно небольших производительностей (от 10 до 3000 м3/ч) турбомашины известных традиционных типов (центробежные, осевые) получаются хотя и компактными, но очень высокооборотными. Частота вращения, например, бытового пылесоса достигает 16000–20000 мин–1. Коллекторный электродвигатель такого пылесоса не способен работать круглосуточно, как того требуют условия эксплуатации очистных сооружений. Возможно использование мультипликатора, т.е. передачи с повышающим передаточным отношением, например, зубчатой или клиноременной. Тогда привод возможен от обычного асинхронного электродвигателя.
Однако, при этом конструкция существенно усложняется, а значит, снижается надежность. Возможно использование бесконтактных высокооборотных электродвигателей. В настоящее время отечественной промышленностью созданы и изготавливаются опытные образцы подобных агрегатов. Например, центробежный нагнетатель, используемый в отечественных озонаторных установках, снабжен мультипликатором, быстроходный вал которого с закрепленным на нем рабочим колесом нагнетателя вращается со скоростью свыше 50000 мин–1. Зубчатый двухступенчатый мультипликатор смазывается маслом. Другой нагнетатель, разработанный и изготовленный для систем пневмотранспорта, выполнен в виде консольно закрепленного на валу высокооборотного электродвигателя рабочего колеса с лопатками.
Рабочие обороты — более сотни тысяч. Специальный электродвигатель, специальные лепестковые газодинамические подшипники, прецензионная сборка и изготовление. Нет нужды говорить о стоимости такого агрегата — она достаточно велика. Нет пока данных и о наработке на ресурс. С учетом сказанного, большой интерес представляет сравнительно новый тип турбомашин — вихревые . В силу специфичности механизма сжатия воздуха в проточной части этих машин диапазон их производительностей и давления схож с диапазоном роторных машин.
В то же время, вихревые машины избавлены от недостатков роторных: имеют гораздо более высокую надежность и меньше шумят. Частота вращения вихревых турбомашин — 3000–5000 мин–1, что упрощает их привод. В МГТУ им. Баумана разработана и в настоящее время серийно выпускается промышленностью целая гамма отечественных турбовоздуходувок вихревого типа. Конструкции оригинальны и защищены патентами России, США и ряда стран Европы. По своим характеристикам машины не уступают лучшим зарубежным аналогам. Уже накоплен достаточно богатый опыт эксплуатации таких машин, в том числе и на очистных сооружениях. Это в первую очередь машины марки ЭФ-100. Диапазон их производительностей — от 200 до 800 м3/ч и давлений — до 80 кПа.
Вихревым турбомашинам не страшны пусковые режимы. Подбор шкивов и электродвигателей, такой как в серии ЭФ-100, — самый простой и дешевый способ получения сети рабочих характеристик на одной вихревой машине. Однако это неудобно с точки зрения регулирования как процесса автоматического изменения параметров. В системах аэрации потребность в воздухе может существенно изменяться, как в течение суток (дневное и ночное время), так и в зависимости от сезона (лето, зима). В целях экономии электроэнергии, а эта экономия может достигать до 40 %, в последнее время все большее применение находят системы автоматического регулирования подачи воздуха путем изменения частоты вращения турбовоздуходувки. Благодаря появившимся на рынке устройствам преобразования частоты тока, система автоматического регулирования стала простой и доступной. В вихревой турбовоздуходувке изменение частоты вращения смещает характеристику в ту или иную сторону практически эквидистантно первоначальной. Вихревой вакуумкомпрессор ВВК-3 выполнен в виде моноблока, т.е. рабочее колесо установлено непосредственно на валу двигателя. Номинальные параметры машины: производительность — 700 м3/ч, давление нагнетания — 40 кПа, частота вращения — 3000 мин–1. Понижая частоту вращения с помощью преобразователя частоты, включенного в цепь питания электродвигателя, можно получить практически любую рабочую точку на поле характеристик, изображенном на рис. 3. ВВК-3 — самая крупная машина из серии вихревых воздуходувок ВВК. Все машины этой серии имеют общую особенность — это моноблоки. Первая машина из этой серии — ВВК-1 была разработана в МГТУ им. Н.Э. Баумана и серийно выпускалась на НПО «Энергия» с 1991 г. Машина предназначалась для систем пневмотранспорта муки в пекарнях. Ее рабочие параметры: производительность — 120 м3/ч; давление — 28–30 кПа; мощность электродвигателя — 5,5 кВт; масса — 80 кг; габариты — 500.500.500 мм. В 1999 г. эти машины начали применяться в системах аэрации. В настоящее время создана и выпускается серийно отечественным предприятием ООО «ЭНГА» новая версия — ВВК-2. В отличие от предшественника (ВВК-1) в ВВК-2 внесено много конструктивных изменений, повышающих надежность при круглосуточной эксплуатации. ВВК-2 — машина универсальная, т.к. позволяет с помощью несложной трансформации получить два исполнения и, соответственно, две разных характеристики со следующими рабочими точками.
С учетом тенденции расширения строительства небольших очистных сооружений, о которой говорилось в начале статьи, в МГТУ им. Н.Э. Баумана в настоящее время разработаны и созданы опытные образцы микровоздуходувок вихревого типа производительностью 5 и 20 м3/ч с мощностью электродвигателей соответственно 0,5 и 1,5 кВт. Говоря о турбовоздуходувках вихревого типа, было бы несправедливо умолчать об их основном недостатке — сравнительно низком КПД. Его величина не превышает обычно 35–40 %. Фактически, энергоемкость вихревых турбовоздуходувок в 1,5–2 раза выше, чем у роторных.
Поэтому, выбирая тип машины, особенно в случае ее круглосуточной работы, необходимо учитывать и этот факт. Однако когда речь идет о микромашинах небольшой мощности, энергопотребление не самый главный параметр. Куда важнее надежность, простота обслуживания, низкий уровень шума, учитывая, что очистное сооружение загородного коттеджа должно работать практически без обслуживания и рядом с жильем. Для более мощных машин, как, например, ВВК-3, экономия возможна с помощью регулирования, о чем говорилось выше. Несколько слов о зарубежных аналогах. Одним из основных производителей воздуходувок вихревого типа в Европе является фирма Siemens. Фирма выпускает целую гамму машин серии ELMO-G. Отечественные вихревые воздуходувки уступают им разве только в дизайне. По техническим же параметрам не уступают ни в чем. Что касается цен, естественно, разница велика.
Например, отечественная воздуходувка ВВК-2 стоит около 1900 у.е., аналогичный по параметрам агрегат фирмы Siemens 92Н стоит около 4800 у.е. Если говорить о диапазоне производительностей от трех до нескольких десятков тысяч кубических метров в час, то тут вне конкуренции турбовоздуходувки традиционных типов, в частности, центробежные. Специалистам давно известны центробежные воздуходувки серии ТВ, выпускавшиеся Чирчиским заводом (Узбекистан). Мощные стационарные агрегаты с хорошим КПД и высокой надежностью. В настоящее время их производство освоило украинское предприятие— Луганский машиностроительный завод (воздуходувки серии ВЦ). Как и всякий стационарный агрегат с большой массой (вес воздуходувок достигает несколько тонн), воздуходувка ВЦ нуждается в хорошем фундаменте. Однако опыт эксплуатации показывает, что обеспечить такой фундамент не всегда возможно. Грунты, на которых располагаются очистные сооружения, иногда весьма нестабильны в зависимости от сезона. В МГТУ им. Н.Э. Баумана была предпринята попытка создания альтернативы воздуходувкам серии ТВ и ВЦ. Разработчики пошли по пути создания целого спектра машин с использованием таких методов унификации, как секционирование и компаундирование, когда производные агрегаты получают набором одинаковых секций (модулей).
Соединение этих модули последовательно или параллельно определяет либо суммарное давление, либо суммарную производительность. Этот прием позволил при минимуме технологических затрат получить широкий спектр агрегатов с различными техническими параметрами. Каждая секция (модуль) может быть выполнена в двух вариантах: либо это ступень центробежной машины, установленная на одной раме с электродвигателем и кинематически связанная с ним ременной передачей, либо это две ступени центробежной машины, рабочие колеса которых соответственно закреплены на двух концах вала электродвигателя (схема «два в одном»). Рабочие колеса и корпуса машин выполнены сварными, из тонколистовой стали по оригинальной технологии. Диффузоры осевого типа сокращают габариты модуля и обладают хорошими антипомпажными характеристиками. Компонуя модули можно получать широкий спектр машин.
Кроме унификации модульная конструкция имеет ряд преимуществ. Во-первых, небольшая масса модуля (350–600 кг) не требует мощных фундаментов. Во-вторых, по той же причине модули можно размещать произвольно на имеющихся площадях, соединив их лишь трубопроводом, что дает больше вариантов компоновок агрегата.
В-третьих, в модуле в качестве опор вала использованы обычные шарикоподшипники с консистентной смазкой, что упрощает эксплуатацию (нет маслостанций, применяемых в опорах скольжения, используемых, например, в некоторых модификациях воздуходувок ТВ). В-четвертых, при равном с агрегатами ТВ энергопотреблении модульный агрегат не создает таких мощных пусковых нагрузок на электросеть, т.к. модули-ступени могут включаться последовательно и не иметь обычного для агрегатов ТВ запаса по установленной мощности. Для иллюстрации приведем пример. В воздуходувке ВЦ 1-50/1,6 при параметрах: V = 3000 м3/ч; .р = 60 кПа использован электродвигатель с номинальной мощностью 160 кВт. В то же время, те же параметры можно получить тремя последовательно соединенными модулями с суммарной мощностью электродвигателей: 30 . 3 = 90 кВт. И, наконец, в-пятых, это цена. Она также в пользу модульного варианта. Например, та же воздуходувка ВЦ 1-50/1,6 стоит около 17000 у.е. тогда как стоимость трех модулей I— около 11 000 у.е. В настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана продолжаются разработки новой техники. Ее заказчиками являются ряд отечественных фирм, в частности, занимающихся устройством компактных очистных сооружений. Быстро развивающаяся отрасль охраны окружающей среды и обеспечения жизнедеятельности человека стимулирует и новые технические разработки в компрессоростроении.
