• Bewerking
  • Verpakking
  • Transport
  • Componenten
  • Opslag
  • Diensten
  • Besturing

TU Delft

Hydrodynamica van ozon en UV-systemen in drinkwaterbehandeling>>

vrijdag, 09 juli 2010

Large_cfd-drinkwater

DELFT – Computational Fluid dynamics (CFD) maakt gebruik van geavanceerde numerieke modellen om stroming, menging en (bio)-chemische reacties te voorspellen. CFD wordt in toenemende mate gebruikt in de gezondheidstechniek om de prestaties van drinkwaterzuiveringsinstallaties te voorspellen en te optimaliseren. In het proefschrift van dhr. Bas Wols is de hydrodynamica van ozon en UV-systemen onderzocht met behulp van CFD.

Probleemstelling
Een beperkt inzicht in de hydrodynamica in drinkwaterzuiveringsinstallaties heeft geresulteerd in suboptimale ontwerpen van deze installaties. De vorming van ongewenste bijproducten en het chemicaliën- of energieverbruik is daarom hoger dan noodzakelijk. Het doel van dit werk is om de hydraulische en (bio)-chemische processen in drinkwaterzuiveringsinstallaties beter te begrijpen met behulp van numerieke en experimentele technieken. Door deze technieken te combineren is het CFD model verder ontwikkeld als een gereedschap om de prestaties van deze installaties te voorspellen. Dit leidt weer tot nieuwe inzichten in de toepasbaarheid van modellen in ozon en UV-systemen, en nieuwe inzichten in het ontwerpen van deze systemen.

Aanpak
De CFD berekening begint met een stromingsmodel, dat de snelheidsvelden en turbulente eigenschappen in het systeem bepaalt. Aan de hand van de resultaten van het stromingsmodel worden de banen van individuele deeltjes berekend. Deze deeltjes stellen micro-organismen voor. Voor de deeltjesmethode geldt dat een speciale behandeling nodig is om te voorkomen dat deeltjes onrealistisch ophopen in gebieden met een lage diffusie en om te voorkomen dat deeltjes de (virtuele) wand doorkruisen. Het deeltjesmodel wordt gecombineerd met de berekening van een desinfectans of oxidator (ozonconcentratie, UV-straling of waterstofperoxideconcentratie), welke geïntegreerd wordt over de baan van het deeltje, wat leidt tot de berekende dosis (CT-waarde of UV-dosis). Door een groot aantal deeltjes te gebruiken wordt een dosisverdeling verkregen, waarmee vervolgens de desinfectie of oxidatie berekend kan worden. Voor een goed ontwerp van ozon- en UV-systemen moet de dosisverdeling zo smal mogelijk zijn. De verblijftijdspreiding geeft onvoldoende informatie om de prestatie van een UV-systeem te karakteriseren, omdat het geen rekening houdt met de ruimtelijke verdeling van UV-straling. In de loodrecht-aangestroomd UV-lampsystemen werden de korte verblijftijden gecompenseerd door een hoge UV-stralingsintensiteit, zodat voor systemen met een bredere verblijftijdspreiding een betere desinfectie werd voorspeld dan voor systemen met een smallere verblijftijdspreiding.

Verschillende modellen
De grootste uitdaging is om de stroming nauwkeurig te modelleren, omdat vereenvoudigingen nodig zijn om de turbulentie te modelleren. Verschillende modellen zijn daarom gebruikt om de turbulente stroming te beschrijven. Een large-eddy simulatie (LES) en een Reynolds gemiddelde Navier-Stokes (RANS) aanpak met een k-" turbulentiemodel zijn onderzocht. Het LES model lost de grootschalige tijdsafhankelijke turbulente wervels op, terwijl de RANS aanpak een tijdsgemiddeld snelheidsveld oplost waarbij de turbulente fluctuaties gemodelleerd zijn als een artificiële viscositeitterm. In de praktijk is het k-" model het meest gebruikte turbulentiemodel, omdat dit model nauwkeurige resultaten geeft binnen acceptabele rekentijden (in de orde van een dag). Beide modellen zijn onderzocht voor een enkel loodrecht-aangestroomd UV-lampsysteem en een bench-scale UV-reactor. In vergelijking met experimentele data beschreef het LES model de recirculatiezones beter, wat een grote invloed kon hebben op de desinfectie voorspelling. Met name voor de enkel loodrecht-aangestroomd UV-lampsystemen konden grote recirculaties ontwikkelen met als gevolg dat het k-" model de desinfectie overschatte. In UV-reactoren uit de praktijk is minder ruimte beschikbaar voor het ontstaan van grote recirculaties, zodat de verschillen tussen de modellen naar verwachting kleiner zullen zijn. Dit is aangetoond voor de bench-scale UV-reactor, waar het k-" model een 10% hogere desinfectie voorspelde dan het LES model. De keuze tussen een LES model of een k-" model zijn een afweging tussen nauwkeurigheid en beschikbare rekentijd. Om UV-reactoren in praktijkschaal binnen een paar dagen door te rekenen is men genoodzaakt de RANS aanpak te kiezen, waarbij men rekening moet houden met de beperkingen van deze modelaanpak.

UV-lampsystemen
De hydraulica in drinkwaterzuiveringsinstallaties kan verbeterd worden door een betere stroomlijning – reductie van de recirculaties – en door een hogere graad van menging. Meer menging zorgt ervoor dat gebieden met lage dosis beter gemengd worden met gebieden met hoge dosis, zodat de dosisverdeling versmalt. Een veelgebruikt maatregel om de hydraulica te verbeteren is het plaatsen van schotten, welke de menging bevorderden en voor een betere stroomlijning kunnen zorgen. Maar de schotten veroorzaken ook een recirculatie, zodat de positie van het schot nauwkeurig gekozen moet worden. Het is aangetoond voor ozoninstallaties dat extra schotten hebben geleid tot een hogere desinfectiecapaciteit, omdat de grote recirculaties werden verkleind. In de loodrecht-aangestroomd UV-lampsystemen hebben alleen de schotten, die een beetje benedenstrooms van de UV-lamp geplaatst werden, geleid tot een verbetering in desinfectie. Vervolgens is een groot aantal verschillende UV-reactoren onderzocht met behulp van CFD. Ondanks dat de omstandigheden zoals lampvermogen, debiet en transmissie van het water hetzelfde waren, was er een groot verschil in dosisverdeling voor de verschillende UV-systemen. De beste resultaten zijn verkregen door een annulair systeem, welke ontworpen is als een statische menger met een lamp in het midden. Dit systeem kwam het dichtst in de buurt van het theoretisch perfecte hydraulisch systeem (binnen 10%). De schotten in dit annulaire systeem zijn geplaatst in verschillende richtingen wat zorgt voor een toename in de menging, zodat alle deeltjes dichtbij de lamp komen, wat resulteert in een smalle dosisverdeling.

Conclusie
Concluderend bewijst CFD dat het een krachtig gereedschap is om de hydrodynamische en (bio)-chemische processen in drinkwaterzuiveringsinstallaties te begrijpen. Als het goed wordt toegepast, rekening houdend met de complexe turbulente bewegingen en gevalideerd door experimenten, helpt dit gereedschap om het ontwerp van UV-reactoren, ozonsystemen en andere systemen, die sterk door de hydraulica bepaald worden, te verbeteren.

© TU Delft / dr. ir. B. A. Wols