チューブセトラーの油圧設計: 上昇速度、オーバーフロー速度、およびモジュールのサイズ設定 — 完全なエンジニアリング ガイド

直接的な答え: チューブセトラーは、流れを多くの浅く傾斜した通路に分割することで、タンクの設置面積を拡大することなく、浄化装置の有効沈降面積を 2 ～ 4 倍に増加させます。この通路では、粒子は表面に衝突する前に短い距離だけ落下するだけで済みます。 2 つの主要な設計パラメータは次のとおりです。 表面オーバーフロー率 (SOR) — システムが処理しなければならないタンク計画面積の単位当たりの流量 — および チューブ上昇率 — チューブ内の水の上向き速度。これはターゲット粒子の沈降速度以下に保つ必要があります。これら 2 つの数値を正しく取得すると、残りの設計が続きます。

チューブセトラーが機能する理由: Hazen の浅い深さの原理

従来の開放型浄化装置では、粒子はスラッジゾーンに到達する前にタンクの深さ全体 (通常は 3 ～ 5 m) に落下する必要があります。ほとんどの微粒子 (10 ～ 100 μm) は 0.1 ～ 2.0 m/h で沈降します。これは、長い水圧滞留時間と大きなタンク容積を意味します。

アレン・ヘイゼンは 1904 年に、沈殿槽の性能はその深さや滞留時間ではなく、完全に沈殿槽の深さに依存することを確立しました。 平面面積 流れに対して。深いタンクと同じ計画面積を持つ浅いタンクは、まったく同じ粒子を除去します。これがチューブセトラーの理論的根拠です。

60°の傾斜で取り付けられたチューブセトラーモジュールは、流れを数十の傾斜した通路に分割し、それぞれの垂直深さはわずか 50 ～ 100 mm です。 0.5 m/h で沈降する粒子は、開放タンク内で 3 ～ 5 m 移動するのではなく、チューブの壁に衝突する前に 50 ～ 100 mm 垂直に移動するだけで済みます。その結果、浄化装置の有効沈降面積は 2 ～ 4 倍になります。

沈降した固体は、重力により傾斜した管壁 (最小 45°、標準 60°) を上昇する水流に逆流して滑り落ち、下のスラッジ収集ゾーンに落下します。

2 つの主要な設計パラメータ

1. 表面オーバーフロー率 (SOR)

SOR は、体積流量を沈降ゾーンの計画面積で割ったものです。これは、チューブ モジュールの上下にある開放型浄化槽内の上向きの水速度を表します。

SOR (m/h) = Q (m3/h) / A (m²)

ここで、Q = 設計流量、A = 沈降ゾーンの計画面積

SORとも呼ばれます 水圧面荷重率 または オーバーフロー率 。単位は m/h または m3/(m²・h) です。どちらも同等であり、同じことを意味します。つまり、沈下が発生しなかった場合に水面が上昇する速度です。

チューブセトラーの設計限界:

チューブセトラーがない場合、従来の清澄装置は通常 1 ～ 3 m/h の SOR で動作します。チューブモジュールを追加すると、同じタンクを 3 ～ 7 m/h で動作させることができます。これが、チューブセトラーが容量の 2 ～ 4 倍の増加を達成する方法です。

2. チューブ上昇率（チューブ内の速度）

上昇率は上昇する水の速度です 内側 チューブの通路。これは SOR とは異なります。SOR はチューブ自体の形状を考慮します。

水平から角度 θ で傾斜した向流管の場合:

上昇率（Vr）＝SOR／（sinθ・L/d×cosθ）

ここで:

• θ = チューブの傾斜角 (通常 60°)
• L = チューブの長さ (通常 600 ～ 1200mm)
• d = チューブ内径または同等の水力直径 (通常 25 ～ 80 mm)

直径 50mm の 600mm チューブを使用した標準の 60° 傾斜の場合:

幾何学的係数 (sin 60° 600/50 × cos 60°) = 0.866 6.0 = 6.866

これは、チューブ内の有効沈降面積が計画面積の約 6.9 倍であることを意味します。これは、チューブ沈降装置が清澄装置の能力をこの係数で倍増する理由を説明しています。

クリティカル上昇率制限:

レイノルズ数: 層流の確認

チューブセトラーは以下の条件下でのみ正しく機能します。 層流 条件。チューブ内の乱流により速度勾配が破壊され、粒子がチューブの壁に沈降します。沈降した物質が再懸濁し、効率が大幅に低下します。

チューブ内のレイノルズ数は、層流と乱流の遷移よりも十分に下にとどまる必要があります。

Re = (Vr × Dh) / ν

ここで:

• Vr = チューブ内の上昇速度 (m/s)
• Dh = チューブの水力直径 (m) = 4 × 断面積 / 接液部周囲長
• ν = 水の動粘度 (≈ 20°C で 1.0 × 10⁻⁶ m²/s、10°C で 1.3 × 10⁻⁶)

フローレジームのしきい値:

作業例:

• 上昇速度: 5 m/h = 0.00139 m/s
• チューブ水力直径: 50mm = 0.050 m
• 水温：20℃、ν＝1.0×10⁻⁶m²/s

Re = (0.00139 × 0.050) / (1.0 × 10⁻⁶) = 69.5

十分に層流の範囲内です。適切に設計されたチューブセトラー設備のほとんどは、Re = 50 ～ 200 で動作します。

温度の影響: 10℃では、水の粘度は 1.3 × 10-6 m²/s に増加し、同じ流量で Re が 23% 減少し、実際に層流の安定性が向上します。冷水は、粒子の沈降速度をわずかに低下させますが、チューブセトラーの水力学的には有益です。

デザイン調整: 経験則として、 沈下速度 ( $V_s$ ) 1℃低下するごとに約 2% 減少します 水温で。寒冷地では、同じ排水品質を維持するために、夏のピークと比較して設計 SOR を 20 ～ 30% 削減する必要があります。

フルード数: 流れの安定性

フルード数は、流れ状態の安定性、特に密度電流と短絡が管モジュール全体にわたる均一な流れ分布を乱すかどうかを評価します。

Fr = Vr / (g × Dh)^0.5

設計要件: Fr > 10⁻⁵

フルード数が低いということは、（温度差や高い浮遊物質濃度による）密度駆動電流が慣性流を無効にして管束内に短絡経路を形成する可能性があることを示しています。一部の管では流量が多すぎ、他の管では流量が少なすぎます。

実際には、通常のチューブセトラー設計では Fr > 10⁻⁵ を簡単に満たすことができますが、次の場合には重要になります。

• 非常に低流量の条件 (過小負荷の改造)
• 高温差条件（温かい廃水が周囲の冷たいタンクに入る）
• 高塩分工場廃水

チューブの形状: 長さ、直径、傾斜角度

傾斜角

標準の傾斜角度は、 水平から60° 。これは任意ではありません。

• 45°未満: 沈殿したスラッジは重力でチューブ壁を滑り落ちることができず、蓄積して最終的にチューブを詰まらせます。
• 45°: 最小セルフクリーニング角度 — 軽くて凝集性の低いスラッジにはかろうじて許容可能
• 60°: 沈降効率とスラッジの自浄作用の最適なバランス - 業界標準
• 70°を超えるとスラッジは自由に滑りますが、幾何学的利点が減少します（有効沈下長が短くなります）。

チューブの長さ

標準的なチューブモジュールの長さは 600 mm または 1200 mm です。チューブが長くなると、計画面積の単位あたりの沈降表面積が大きくなりますが、圧力降下が大きくなり、より多くの構造的サポートが必要になります。

チューブが長いと、有効沈降面積が大幅に増加します。ただし、1,000 ～ 1,200 mm を超えると、油圧負荷による構造のたわみが設計上の問題となり、清掃のためのアクセスが制限されます。

チューブ油圧直径

一般的なチューブの形状とその水力直径:

水力直径が小さいと、同じ速度でも Re が増加します。したがって、高流量用途で非常に微細なチャネルの媒体を使用することが必ずしも有利であるとは限りません。 25 mm チャネルを備えた六角形ハニカムメディアは、低速の微粒子用途 (飲料水研磨) で最も効率的です。正方形または長方形のチューブは、より高い流速と容易な洗浄アクセスが優先される都市排水や産業排水でより一般的です。

段階的な設計手順

与えられた情報 (例):

• 設計流量 Q = 5,000 m3/日 = 208 m3/h
• 既存の清澄器計画面積 A = 50 m²
• チューブセトラーを使用したターゲット SOR: 5 m/h
• チューブ仕様：長さ600mm、50mm角、60°傾斜

ステップ 1: 必要な計画面積を計算する

必要な面積 = Q / SOR = 208 / 5 = 41.6 m²

既存の 50 平方メートルのタンクで十分です。チューブ入植者は、計画面積の少なくとも 41.6 平方メートルをカバーする必要があります。

ステップ 2: チューブ内の上昇率を計算する

幾何学的係数 = sin 60° (600/50) × cos 60°
= 0.866 12 × 0.500
= 0.866 6.0
= 6.866

チューブ内の上昇率 = SOR / 幾何学的係数 = 5.0 / 6.866 = 0.728 m/h = 0.000202 m/s

ステップ 3: レイノルズ数を確認する

Re = (0.000202 × 0.050) / (1.0 × 10⁻⁶) = 10.1

500 をはるかに下回る — 優れた層流が確認されました。

ステップ 4: フルード数を確認する

Fr = 0.000202 / (9.81 × 0.050)^0.5 = 0.000202 / 0.700 = 2.9×10⁻⁴

10⁻⁵ を超える — 安定した流れ、密度電流のリスクなし。

ステップ 5: チューブ内の滞留時間を確認する

50mm角管1本の断面積 = 0.050 × 0.050 = 0.0025m²
1本のチューブの体積 = 0.0025 × 0.600 = 0.00150 m3

チューブあたりの流量 = 上昇率 × チューブ断面積 = 0.000202 × 0.0025 = 5.05 × 10⁻⁷ m3/s

滞留時間 = 体積 / 流量 = 0.00150 / (5.05 × 10⁻⁷) = 2,970 秒 = 49.5 分

設計ガイドライン: チューブ内の滞留時間は、プレートセトラーの場合は 20 分未満、チューブセトラーの場合は 10 分未満である必要があります。 49.5 分のこの設計は保守的であり、システムが油圧限界をはるかに下回って動作していることを示しています。

インストールに関する実践上の注意: > チューブモジュールは軽量（特に PP）であるため、油圧サージや洗浄中に浮力が生じたり、ずれたりする可能性があります。 必ず 304/316 ステンレス鋼の浮上防止バーを指定してください または a dedicated clamping system across the top of the modules to ensure they remain submerged and aligned.

材料の選択:

• PP(ポリプロピレン): 食品グレードで優れた耐薬品性があり、高温の産業廃水でも優れた性能を発揮します。

• PVC（ポリ塩化ビニル）： 高い構造剛性と耐紫外線性を備えており、大規模な屋外の自治体の植物に好まれます。

ステップ 6: モジュールのサイジング

標準モジュール寸法 1.0 m × 1.0 m の計画設置面積:
必要なモジュールの数 = 41.6 m² / 1.0 m² = 最小 42 モジュール

10 ～ 15% の安全マージンを追加: 指定します 48モジュール 50 平方メートルの沈降ゾーンのうち 48 平方メートルをカバーします。

きれいな水域と洗濯機の設計

さらに 2 つの油圧要件が見落とされがちです。

チューブモジュール上の透明な水ゾーン: チューブモジュールの上部と廃水洗浄装置との間に最低 300 mm の開放水が必要です。このゾーンにより、チューブを出た後に流れが水平に再分配され、チューブの出口から排水堰への直接の短絡が防止されます。

洗濯機の積載率: 排水洗浄機での浄化水の除去率は次の値を超えてはなりません。 同等の洗濯機の長さ1メートルあたり15 m3/h 。これを超えると、近くのチューブ モジュールから優先的に流れを引き出す高速ゾーンが作成され、モジュール アレイ全体の有効利用が減少します。

チューブモジュール下のスラッジゾーン: チューブモジュールフレームの底部とスラッジ収集ホッパーの間の最低 1.0 ～ 1.5 m の高さ。これにより、沈殿したスラッジがチューブに入る上向きの流れに再同伴されることが防止されます。これは、チューブモジュールが低すぎる位置に吊り下げられている改造設置におけるパフォーマンス低下の一般的な原因です。

よくある設計ミスとその回避方法

チューブセトラーとプレートセトラー: 油圧の違い

チューブセトラーとプレートセトラーは同じ Hazen 原理を共有していますが、水力学的挙動が異なります。

チューブの密閉された形状により、同じ水力直径でもレイノルズ数が低くなります (層流安定性が向上します)。これが、低流量の微粒子用途においてチューブがプレートよりも優れた性能を発揮する理由です。しかし、同じ筐体では洗浄が難しくなるため、定期的な洗浄が必要な重いスラッジや粘着性のスラッジを扱う用途ではプレートセトラーが好まれます。

概要: 主要な設計数値の概要

Nihao のチューブセトラーモジュールは、モジュールの分離を防ぐために強化されたさねはぎ接合部を備えています。長さは 600 mm と 1200 mm があり、高精度 CNC 成形の 50 mm 角断面 PVC または PP を使用しています。高耐荷重が必要なプロジェクトの場合、スパン中央のたわみを防ぐためのカスタム厚さのオプションを提供します。モジュールのサイズ設定とレイアウト図面については、nihaowater にお問い合わせください。