В.Н. СЕРГЕЕВ,
В.Н. ХМАРА,
Л.Н. БЕЛОТЕЛОВА,
П.А. ВОЛОШИН,
С.А. ОСЬКИН,

МГТУ им. Н.Э. Баумана

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 до80 кПа и производительностью от 5 до1000 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 до1300 у.е. Ресурс этих машин определяется качеством основной детали —мембраны. 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. Практически, эти машины, как и поршневые компрессоры без смазки, еще 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 (давление50 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, для роторных воздуходувок, как правило, требуются отдельные помещения изза высокого уровня шума. В то же время турбомашины, снабженные глушителями, в таковых помещениях не нуждаются, т.к. уровень их шума близок к санитарным нормам.

На рис. 1 представлены сравнительные шумовые характеристики двух воздуходувок — роторного типа серии АФ (кривая 1) и турбовоздуходувки вихревого типа (кривая 2). Отдельно выделена кривая, соответствующая санитарным нормам ПС80. Из рисунка видно, что в большинстве октавных полос превышение санитарных норм у воздуходувки роторного типа выше, нежели у воздуходувки вихревого типа.

Разумеется, этот сопоставительный анализ не ставит 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 производительности. В области сравнительно небольшой производительности (от 10 до 3000 м3/ч) турбомашины известных традиционных типов (центробежные, осевые) получаются хотя и компактными, но очень высокооборотными. Частота вращения, например, бытового пылесоса достигает16000–20000 мин–1. Коллекторный электродвигатель такого пылесоса неспособен 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 высокая. 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.

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, чему 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.

Несколько слов о зарубежных аналогах. Одним из основных производителей воздуходувок вихревого типа в Европе является фирма «Siemens».Она выпускает целую гамму машин серии ELMOG (рис. 2).

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 (см. рис. 3 и таблицу)). 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.