Содержание к диссертации
Введение
1. Обеззараживание жидких сред в АПК: необходимость, методы и технологии их обеззараживания 10
1.1. Роль питательных растворов гидропонных теплиц и их зараженности для АПК 10
1.2. Методы обеззараживания жидких сред 14
1.3. Эффективность работы серийно выпускаемых УФ-установок и применяемых в них технологий облучения жидких сред 22
1.4. Применяемые методики расчета УФ-установок и их анализ 34
1.5. Постановка задачи исследований 40
2. Теоретические основы совершенствования технологических схем объемного облучения и оценка энергетической эффективности их работы 43
2.1. Искусственная энергетическая система (ИЭС) - состав, оценка энергетической эффективности работы всей системы и отдельных ее элементов...43
2.2. УФ-обеззараживание жидких сред как энерготехнологический процесс ...47
2.3. Методика оценки энергетической эффективности работы технологических схем объемного облучения жидких сред 51
2.4. Фотометрические основы энергетического совершенствования технологических схем объемного облучения. Виды схем и их анализ 53
2.5. Энергетическое совершенствование технологических схем объемного облучения жидких сред на основе использования понятия вектора Умова - Пойнтинга 60
2.6. Определение параметра а h в технологических схемах объемного облучения, при котором обеспечивается минимальное значение энергоемкости их работы 73
3. Экспериментальное определение спектральных оптических свойств питательных растворов гидропонных теплиц в бактерицидном спектре УФ-излучения 79
3.1. Исследуемые растворы и аппаратура, на которой они исследовались 79
3.2. Планирование экспериментов 84
3.3. М етодика проведения эксперимента по определению характера изменения потока УФ-излучения, на длине волны X = 254 нм в питательных растворах с увеличением толщины их слоя h 85
3.4. Методика проведения эксперимента по определению спектральных оптических свойств питательного раствора в бактерицидном спектре УФ-излучения 87
3.5. Методика обработки экспериментальных данных полученных на СФ-46иКСВУ-23 88
3.6. Анализ спектральных оптических свойств растворов, полученных на СФ-46 для длины волны X = 254 нм 91
3.7. Анализ спектральных оптических свойств питательного раствора в бактерицидном спектре УФ-излучения 96
4. Способ экспериментального определения средней интегральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологической схеме 103
5. Экономичность применения технологий (установок) объемного облучения жидких сред УФ-потоком для обеззараживания питательных растворов гидропонных теплиц 111
6. Экономическое обоснование эффективности применения технологии с коллинеарным направлением векторов скорости движения облучаемой среды v и УФ-потока Фо 114
Заключение 117
Список использованной литературы 119
Приложения 125
- Эффективность работы серийно выпускаемых УФ-установок и применяемых в них технологий облучения жидких сред
- УФ-обеззараживание жидких сред как энерготехнологический процесс
- етодика проведения эксперимента по определению характера изменения потока УФ-излучения, на длине волны X = 254 нм в питательных растворах с увеличением толщины их слоя h
- Способ экспериментального определения средней интегральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологической схеме
Введение к работе
Сельское хозяйство тесно связано с различными жидкими средами:
средами, использующимися при выращивании животных и растений (например, питьевая вода; питательные растворы гидропонных теплиц);
средами, идущими на реализацию (например, молоко);
средами, являющимися побочными продуктами функционирования отраслей АПК (например, сточные воды; жидкие фракции навоза);
- средой, являющейся неотъемлемой частью организма животных - кровью.
Данные среды в АПК подвергают обработке УФ-излучением, которое по
зволяет:
предотвратить перенос болезнетворных (патогенных) микроорганизмов со средой к растениям или в организм животных;
производить обеззараживание питательных растворов гидропонных теплиц, подавляя в них жизнедеятельность различных микроорганизмов, обеспечивая возможность повторного использования раствора в процессе минеральной подкормки растений;
предотвратить преждевременное скисание и прогоркание молока, а также снижение его санитарного качества до второго и третьего классов;
избежать опасности распространения инфекционных заболеваний среди людей и животных, в результате непосредственного контакта побочных жидких сред с/х производства с окружающей средой, которые содержат большие количества патогенных микроорганизмов;
активизировать деятельность имунной системы животных и вылечить их от бронхопневмонии и ринотрахеита, в результате непосредственного облучения крови животного.
В технологических схемах облучения, применяемых в выпускаемых УФ-установках, источник УФ-излучения располагается либо над поверхностью объема обрабатываемой среды, либо в ее объеме, а распространение УФ-потока в среде перпендикулярно направлению ее перемещения. Для достижения необходимого результата, в процессе обработки жидкой среды УФ-
потоком, каждой частице облучаемого объема нужно передать количество энергии не менее минимально допустимого значения (дозы облучения), задаваемого технологическими условиями работы УФ-установки. В применяемых технологиях требуемого результата достигают с потерями бактерицидного потока, доходящими до 80 %. Данные потери обусловлены тем, что УФ-поток, проходя через обрабатываемый слой среды, поглощается подложкой на которой располагается облучаемая среда. Потери электроэнергии в источниках УФ-излучения составляют 90 % (для ртутных ламп высокого давления) и 60 % (для ртутных ламп низкого давления), поэтому в процессе облучения среды УФ-потоком используется только 2...8 % от потребленной электроэнергии. Доля отраслевого потребления электроэнергии в технологических процессах с использованием оптического излучения, к которым относится процесс обработки жидких сред УФ-потоком, составляет 10...15%. Потери же энергии в них превышают суммарные потери в электроприводах и при электронагреве, несмотря на то, что эти установки потребляют гораздо больше электроэнергии (примерно по 40 %). Переход сельскохозяйственного производства в условия рыночных отношений привел к тому, что доля электроэнергии в себестоимости продукции не просто выросла, а превратилась в значительный, а в ряде случаев, в определяющий показатель экономической эффективности деятельности с/х предприятий. Поэтому, поиск энергосберегающей технологической схемы облучения жидких сред УФ-потоком является весьма актуальной задачей для всех отраслей АПК.
Применение столь неэкономичных технологий облучения, в которых теряется до 80 % энергии электромагнитного излучения обусловлено отсутствием метода расчета, позволяющего анализировать и синтезировать энергосберегающие технологии обеззараживания жидких сред. В применяемых методиках расчета УФ-установок не учитывается характер ослабления УФ-потока в обрабатываемом слое среды, как и величина потока доходящего до подложки и поглощаемого ею. От равномерности облучения УФ-потоком обрабатываемого слоя среды толщиной h, зависит качество ее обеззараживания. В применяемых
6 технологиях облучения, чем выше требования к качеству обеззараживания среды, тем тоньше слой жидкости облучаемый УФ-потоком и выше потери бактерицидного потока, вызванные его поглощением подложкой. Возможность провести сравнительный анализ затрат энергии на обеззараживание среды в разрабатываемой установке с теоретически необходимым для получения заданного результата, количеством энергии в методиках расчета отсутствует. В результате этого невозможно оценить энергетическую эффективность работы спроектированной установки, а также обозначить пути развития энергосберегающих технологий облучения.
Определить на практике энергетическую эффективность работы любой энергосберегающей технологии облучения жидких сред невозможно без знания дозы облучения, которую получает объем среды в результате прохождения через УФ-установку. Способа практического определения дозы облучения, получаемой средой в технологии облучения, нет. Определить энергетическую эффективность работы энергосберегающих технологий облучения по сравнению с применяемыми технологиями можно только при рассмотрении обеззараживания в них одной и той же жидкой среды. Такой средой выбран питательный раствор гидропонных теплиц. Объемы, в которых они (растворы) используются, достаточно велики, как и риск распространения с ними по теплице различных патогенных микроорганизмов и водорослей (ухудшающих минеральное питание выращиваемых растений). Необходимые же для сравнения спектральные оптические свойства растворов в бактерицидной области УФ-излучения в технической литературе отсутствуют, поскольку применение УФ-облучения для их обеззараживания - новое направление решения проблемы борьбы с возбудителями инфекционных заболеваний, передаваемых растениям данными растворами.
Целью работы является оптимизация энергетической эффективности УФ-обеззараживания жидких сред на основе использования метода конечных отношений (МКО), позволяющего проводить анализ и синтез энергосберегающих технологических процессов, и энергосберегающей технологической
схемы облучения, применительно к питательным растворам гидропонных теплиц.
В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение этой цели, решены следующие задачи:
разработана меюдика расчега эффекшвносш использования энергии бактерицидного излучения в технологиях УФ-обеззараживания жидких сред;
обоснована технологическая схема облучения жидких сред УФ-потоком, оптимизирующая потери электромагнитной энергии в сочетании с высоким качеством обеззараживания среды;
разработан способ определения энергоемкости процесса обеззараживания среды в технологиях УФ-облучения жидких сред, на основе экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку;
доказана экономическая эффекгивность применения технологии облучения с коллинеарным (параллельных одной и гой же прямой) направлением векторов скорости движения обрабатываемой среды и потока УФ-излучения в ней.
Научная новизна работы состоит в следующем:
введен параметр энергоемкости процесса УФ-обеззараживания жидких сред, позволяющий определять эффекгивность работы технологий облучения;
предложена меюдика оценки эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред;
разработана методика, которая позволяет синтезировать энергосберегающие технологии УФ-облучения жидких сред;
предложена технологическая схема рблучения жидких сред УФ-потоком, обеспечивающая теоретически возможный предел (}э= 1,0 эффективности использования электромагнитной энергии в процессе обеззараживания;
получены спектральные оптические свойства питательных растворов гидропонных теплиц, в области ультрафиолетового бактерицидного излучения (X = 205... 315 нм) и их математическое описание;
разработан практически применимый способ экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку. Способ позволяет находить энергоемкость работы технологий облучения, обеспечивающих в процессе работы необходимое качество обеззараживания среды.
На основании обобщения полученных экспериментальных и теоретических результатов сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:
методика определения эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред;
метод синтеза энергосберегающих технологических схем объемного облучения различных жидких сред УФ-потоком;
энергосберегающая технология облучения жидких сред УФ-потоком, позволяющая эффективно использовать в процессе обеззараживания весь УФ-поток, подводимый к среде, в сочетании с высоким качеством ее обработки;
характеристики изменения оптической плотности питательных растворов в бактерицидном спектре УФ-излучения, необходимые при создании энергосберегающих технологий для их обеззараживания;
практический способ определения объемных доз облучения, получаемых жидкими средами в технологиях УФ-облучения.
Основные положения и результаты исследований по теме работы доложены, обсуждены и одобрены на:
ежегодных научно - теоретических конференциях профессорско - преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (2002 - 2004 г. г.);
П-й Международной научно-технической конференции "Аграрная энергетика в XXI столетии", г. Минск, 2003 г.;
- IV-й Международной научно-технической конференции
"Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ВИЭСХ, г. Москва, 2004 г.
Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных изданиях.
Эффективность работы серийно выпускаемых УФ-установок и применяемых в них технологий облучения жидких сред
Метод УФ-обеззараживания жидких сред основан на осуществлении технологических процессов в бактерицидных установках, в которых излучение используется как специфический энергетический фактор и в которых применяются электрические источники излучения. Данные процессы относятся к оптическим электротехнологиям (ОЭТ), которые характеризуются большим количеством энергопреобразований по пути от сети до объекта. Кроме того, обязательный в этом случае промежуточный энергопоток - энергия электромагнитного излучения - весьма специфичен. Он обеспечивает перенос энергии на расстояние без переноса вещества, отличается своими законами генерации, распространения и поглощения. Все это приводит к дополнительным существенным потерям энергии при получении электромагнитного излучения, его преобразовании, передаче к объекту, а также в самом объекте при обеспечении технологического эффекта. Электрическая энергия в УФ-установках, перед тем как дойти до ЭТП в виде энергии электромагнитного излучения, проходит 2 элемента энергетической линии, элементы 1 и 2 на рис. 1.1. Каждый элемент линии обладает определенной эффективностью передачи энергии. Для элемента 1 (рис. 1.1) она определяется как отношение Р2 / Pi, представляет собой КПД Т]ПРА пускорегулирующего устройства и составляет порядка 0,9. Элемент 2 (рис. 1.1) - это источник бактерицидного излучения, который в УФ-установках может применяться двух типов: в виде ртутной лампы низкого давления (РЛНД), либо ртутной лампы высокого давления (РЛВД). Эффективность его работы оп ределяется выражением (1.1) и составляет для РЛНД ЧРЛНД = 0,4 [13, 29], для РЛВДЛРЛВД = 0Д[29,30].
В результате получаем, что к ЭТП приходит не более 36 % энергии от потребленной Qi, при использовании РЛНД, и не более 9%, в случае использования РЛВД. Основной целью ЭТП, реализуемого в УФ-установках, является достижение необходимого условия N6K / N 5H, где NeH - количество патогенных микроорганизмов (контрольных, по которому определяется общая эффективность (качество) процесса обеззараживания) содержащихся в объеме среды Vi; N6K - количество патогенных микроорганизмов, содержащихся в объеме среды V2. NGK/ NeH - эффект обеззараживания среды, задаваемый технологическими требованиями [31]. Качество обеззараживания жидкости УФ-потоком зависит от того, насколько равномерно облучен им каждый элементарный объем среды до требуемого значения объемной бактерицидной дозы облучения Qyy , при которой происходит гибель контрольного микроорганизма. Величина Qv определяется выражением (1.2).
Данное выражение показывает, что эффективность использования электроэнергии в облучательных установках, к которым относятся УФ-установки для обеззараживания жидких сред, зависит не только от уровня ее совершенства преобразования в поток Фо, но и от распределения его в пространстве в соответствии с особенностями объекта и технологическими требованиями. Распределение потока Фо в объеме обрабатываемой среды зависит от технологии облучения, применяемой в бактерицидной установке. Все УФ-установки можно разделить на два основных типа: закрытого типа, в которых источники излучения погружены в жидкость и с внешним размещением УФ-ламп относительно жидкости - открытого типа [34]. В каждом типе бактерицидных установок применяется своя технология облучения среды.
Установки открытого типа (рис. 1.2). В установках данного типа источник бактерицидного излучения располагается над поверхностью обрабатываемой жидкости. Для того, чтобы достичь высокой равномерности распределения потока Фо по поверхности облучаемой среды, а также потоков Фъ в продольных ее слоях (слоях находящихся на глубине h от поверхности жидкости), форму отражателя, как правило, делают параболической формы [31], позволяющей сформировать плоскопараллельный поток Фо. Равномерность распределения облученности по объему обрабатываемой среды, определяемая выражением (1.11), в таких установках лежит в интервале 0,1...0,8 [31, 34] и задается технологическими требованиями предъявляемыми к качеству ее обеззараживания.
УФ-обеззараживание жидких сред как энерготехнологический процесс
Для оценки эффективности использования энергии в технологическом процессе, рассмотрим наиболее важные особенности его как завершающего линию элемента. Во первых, это целенаправленный процесс воздействия энергией на материальную среду, которая имеет определенные свойства, влияющие на ее реакцию, на это воздействие, и ограниченные пространственные координаты. Это определяет вторую важную особенность, заключающуюся в том, что в технологическом процессе среда, взаимодействующая с энергией непосредственно, определяет не потери энергии, а определяет ту работу, за счет которой возможно появление нового качества вещества, недостижимого в естественном процессе. Энергия же вне материальной составляющей не участвует в создании результата и относится к потерям. Особенности пространственного описания и новое понятие потерь должны быть соотнесены с возможностями измерений энергии. Как показано в [45], энергия в объеме не подлежит прямым измерениям, а вычисляется с помощью тройного интеграла. Потери энергии объемом так же не измеряемы, а вычисление с помощью двойного интегрирования хотя и проще, но возможно при наличии нормальной (по поверхности) скорости потерь энергии, получение которой является самостоятельной и, как правило, научной задачей. Все указанное ставит под сомнение возможность получения для ЭТП равенства соответствия в виде Qsi = Qm I QKI Однако, результат энергетического воздействия в ЭТП является следствием не только известного, но и экспериментально проведенного процесса и для него определено теоретически или экспериментально минимальное удельное количество энергии Qj (отнесенное к единичному количеству материальной составляющей). Поскольку в любом ЭТП результат R измеряем, то соответствующее результату минимально необходимое количество энергии, применительно к УФ-обеззараживанию, может быть определено как: Qv=V-Q \ (2.3) где: V — это объем жидкости, подвергающийся воздействию УФ-потока в камере обеззараживания бактерицидной установки (совме -щенный объем) в течение времени t и достигающий необходи -имого качества своего обеззараживания, м3.
Qv - объемная доза облучения, при которой достигается необходимый эффект обработки объема V УФ-потоком, Дж/м3. Обозначив через СЬтп показание ближайшего к ЭТП счетчика энергии, получаем, что фактическая (определяемая) энергоемкость результата составит.
Величину Q можно назвать еще энергоемкостью процесса на обеспечение необходимого качества обработки среды. При а 0 см", Фо о = Qv V, поскольку патогены, подавление жизнедеятельности которых происходит в объеме обрабатываемой среды не оказывают заметного влияния на характер ослабления УФ-потока, в силу своих микроскопических размеров и низкой плотности распределения в облучаемом объеме среды. Отсюда получаем, для жидких сред обладающих показателем поглощения а 0 см", величина ( определяется как. Q5 =K.ea-h. (2.11)
То есть, чем сильнее расходится поток в объеме обрабатываемой среды, а также чем больше ее оптическая плотность и толщина слоя h, тем выше энергоемкость передачи, предельное значение которой устремляется в бесконечность.
Поскольку поглощение УФ-потока в объеме обрабатываемой жидкости ведет к необходимости увеличения затрат энергии на обеспечение прохождения через каждый элементарный ее объем энергии Q Уэ, при анализе энергетической эффективности работы технологического процесса в УФ-установках, необходимо учитывать также насколько полно используется в технологии поток Фо. Поток, поглощаемый внутренними стенками камеры обеззараживания бактерицидной установки ЛФ может (и должен) быть полезно использован в процессе облучения.
На практике, для оценки эффективности работы технологии облучения, реализованной в УФ-установке, величина: 1- СЬтп - может быть определена: а) теоретически, по известному значению потока Фо (справочные данные источника УФ-излучения, отражателя и коэффициент пропускания УФ-потока кварцевым чехлом) и времени облучения t, зависящему от производительности установки; б) экспериментально, с помощью УФ-радиометра; 2. Qmin - может быть определена: а) теоретически, но для этого нужно знать спектр источника УФ-излучения в области длин волн обладающих бактерицидным действием, характер ослабления каждой длины волны в объеме обрабатываемой среды (а ,) и энергию, приходящуюся на каждую длину волны; б) экспериментально, с помощью УФ-радиометра с точечным фотоэлементом (точечный фотоэлемент необходим для того, чтобы можно было учесть неравномерность распределения УФ-потока в объеме обрабатываемой среды); 3. QBUX - может быть определена аналогично п.2 (см. выше). Для того, чтобы оценить энергетическую эффективность работы разрабатываемой УФ-установки, необходимо знать оптические свойства обрабатываемой среды в бактерицидном спектре УФ-излучения, для тех длин волн, которые будут присутствовать в спектре источника УФ-потока.
С целью получения высокой энергетической эффективности УФ-обеззараживания жидких сред, в сочетании с хорошим качеством их обеззараживания, синтез технологических схем облучения необходимо осуществлять, исходя из соблюдения принципа обеспечения равномерности облучения.
Неравномерность поглощения излучения при объемном облучении обусловлена экспоненциальной зависимостью (1.3) интенсивности проникающего в объем излучения от глубины проникновения. Именно физическое явление поглощения определяет как ожидаемый эффект, так и нежелательную неравномерность. С целью повышения равномерности объемного поглощения, оптимизируют толщину облучаемого слоя или сечение канала, где перемещается облучаемая жидкость; оптимизируют геометрию системы излучателей погружного типа [58]; используют различные перемешивающие устройства [38, 57]. Эти мероприятия позволяют в некоторых случаях обеспечить высокое качество объемного облучения среды (обеззараживания), однако, как уже было отмечено выше, это достигается при значительных потерях бактерицидного потока. Единственной возможностью компенсировать ослабление излучения на его пути в среде является увеличение его пространственной плотности за счет целесообразного формирования геометрии пучка.
етодика проведения эксперимента по определению характера изменения потока УФ-излучения, на длине волны X = 254 нм в питательных растворах с увеличением толщины их слоя h
Эксперимент проводится на спектрофотометре СФ-46, который позволяет определять коэффициент пропускания УФ-излучения то на выбранной длине волны. Измерения то производятся для длины волны X = 254 нм. В качестве источника излучения волны А, = 254 нм выступает дейтериевая лампа ДДС -30, излучающая сплошной спектр в диапазоне от 185 до 350 нм. Фотоприемником, осуществляющим прием и преобразование прошедшего через слой питательного раствора толщиной h УФ-излучения с X = 254 нм., выступает сурь-мяно - цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла, предназначенный для измерений в области спектра от 190 до 700 нм.
Кювета состоит из двух металлических пластин 1 с отверстиями 7. К каждой пластине приклеены кварцевые стекла 5. Необходимая толщина исследуемого слоя жидкости h ( рис. 3.3) обеспечивается посредством установки между металлическими пластинами 1 желобов 4 различной длины h . Герметичность кюветы обеспечивается резиновыми уплотнениями 6, которые вдавливаются в пазы 8 желобами 4 при закручивании гаек 3 по шпилькам 2. Точность выставления необходимого расстояния h определяется с помощью линейки, путем измерения расстояния между точками а-а , в-в , с-с ( рис. 3.3). Гайками 3 добиваются равенства расстояний между вышеуказанными точками.
Для облегчения установки зазора hi в раздвижной кювете, после определения величины то исследуемого раствора при меньшем значении hi. і ( hi_i), раствор из кюветы выливается. После чего устанавливается значение hi и производится промывка и чистка кюветы, для исключения погрешности измерений величины то, которая может быть вызвана загрязнением кварцевых стекол в процессе установки величины hj. Кювета тщательно промывается в щелочном растворе, протирается чистой обезжиренной ватой и очищается смесью спирта с эфиром (смешанных в соотношении 85/15 объемных частей) в соответствии с инструкцией по чистке оптических деталей. После этого (промывки и чистки кюветы) в нее заливается исследуемый раствор и она помещается в кювешое отделение спектрофотометра. Измерение коэффициента пропускания то производится в соответствии с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации Ю - 34.11.629 ТО прилагаемой к спектрофотометру СФ - 46.
Для каждою слоя исследуемых жидкостей толщиной h с фотометрического табло СФ - 46 снимается пять значений коэффициента пропускания то, при этом спектрофотометр работает в циклическом режиме измерения, производя измерение образца (жидкости) каждые 5 секунд и высвечивая результаты измерения на фотометрическом табло.
Эксперимент проводился на универсальном спектрально-вычислительном комплексе КСВУ-23, который позволял наблюдать и исследовать спектры в диапазоне от 200 до 800 нм, а также оценивать в относительных единицах значения интенсивности каждой длины волны прошедшей через исследуемую жидкость (более полное описание комплекса КСВУ-23 представлено в разделе 3.2.). Измерения производились в спектральном диапазоне волн 205...315 нм. В качестве источника излучения использовалась дейтериевая лампа ДДС-30, излучающая сплошной спектр в диапазоне от 185 до 350 нм. Фотоприемником, осуществляющим прием и преобразование прошедшего через слой питательного раствора толщиной h УФ-излучения с соответствующей длиной волны X, выступал фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100. Ширина входной и выходной щелей монохроматора МДР-23 устанавливалась на отметке 1,9 мм. Параметр усилителя сигнала снимаемого с ФЭУ-100 10 МОм.
После включения комплекса КСВУ-23 в сеть и его прогрева в течение 30 минут, начиналось определение спектральных оптических свойств питательного раствора. Кювета, с выставленным зазором h и залитая питательным раствором, устанавливалась в кюветное отделение, которое плотно закрывалось сверху крышкой. Дифракционная решеїка монохроматора МДР-23 усганавли-валась на исходную длину волны X = 205 нм посредством шагового двигателя, управляемого по сигналам поступающим с ЭВМ. После произведенных операций, описанных выше, происходило сканирование интенсивностей длин волн бактерицидного спектра с интервалом в 1 нм, прошедших через слой раствора толщиной h, и записывалось в память ЭВМ. Для каждой толщины h производилась троекратная повторность эксперимента.
Обработка экспериментальных данных первого этапа исследований спектральных оптических свойств питательных растворов позволила: 1) получить показатели поглощения УФ-потока а для питательных растворов гидропонных теплиц широко используемых в тепличных хозяйствах России; 2) проследить характер ослабления УФ-потока на волне 254 нм в растворе с ростом его толщины слоя; 3) определить возможность применения закона Бугера (выражение (1.3)) для питательных растворов теплиц.
Величины полученных в ходе эксперимента показателей поглощения а составили: раствор № 1 - а - 1,309 см"1; раствор № 2 - а = 1,08 см"1, раствор № 3 - а = 2,7 см 1, раствор № 4 - а — 3,35 см"1. Различие показателей а обусловлено различным химическим составом растворов (табл. 3.1 и 3.2).
Из данных, представленных в табл. 3.1 видно, что раствор № 1 менее концентрированный по содержанию составных компонентов раствора, чем раствор № 2. Исключение составляет только содержание компонента MgSO» (табл.3.1), величина которого в растворе № 1 составляет 31 кг/ 1000 литров воды, против 29 кг /1000 литров воды в растворе № 2.
Способ экспериментального определения средней интегральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологической схеме
Для того, чтобы разрабатывать эффективные энергосберегающие технологические схемы и установки УФ-облучения, необходимо иметь возможность экспериментально определять УФ-дозы, получаемые средой в результате прохождения через бактерицидную установку.
Доза облучения в процессе работы современных УФ-установок контролируется путем измерения облученности в камере обеззараживания при помощи специальных УФ-датчиков. Датчики могут дать лишь сведения об облученности УФ-потоком определенной точки камеры обеззараживания, но не могут представить данных о том, какую среднюю дозу получил тот или иной слой жидкости в результате прохождения через бактерицидную установку. Нами (каф. ЭОП, СПбТАУ) предлагается способ, который позволит экспериментально контролировать среднее значение дозы облучения, получаемой обрабатываемой УФ-потоком жидкостью.
Суть предлагаемого способа состоит в том, что эффективность работы бактерицидной установки определяется по степени увеличения прозрачности предварительно окрашенного водного раствора под воздействием УФ-излучения. Химический состав раствора (далее "раствор") это вода и тиазино-вый краситель метиленовый голубой. Исследования, проведенные на кафедре ЭОП (СПбГАУ) показали, что после обработки "раствора" УФ-потоком его окраска становится более светлой. В проведенном эксперименте, в котором было взято два равных объема "раствора", один из которых облучили УФ - потоком от лампы ПРК-7М. Затем оба объема были проверены на универсальном спектрально-вычислительном комплексе КСВУ-23. "Растворы" проверялись на способность пропускать излучение диапазона длин волн 200...800 нм. В результате было зафиксировано, что в диапазоне от 560 до 640 нм у двух объемов "раствора" наблюдается наибольшее изменение в коэффициентах пропускания волн (интенсивностях) (рис. 4.1). Объем "раствора", обработанный УФ потоком, данную область волн пропускает в 1,5...1,8 раза лучше, чем необлу-ченный объем "раствора". По разности между коэффициентами пропускания облученного и необлученного "раствора" строго определенной длины волны, выбранной из указанного выше диапазона, можно судить о дозе облучения, получаемой "раствором" при прохождении им бактерицидной установки. Сравнивая экспериментальное значение изменения коэффициента пропускания с контрольным, соответствующим той дозе облучения, при которой происходит гибель контрольного микроорганизма, можно судить об энергоемкости работы установки, которую бы она обеспечила на производстве обеззараживая жидкость от данного микроорганизма. Отметим, что в предлагаемом способе используется раствор другого химического состава чем жидкость, которая должна обеззараживаться на производстве исследуемой УФ-установкой. Данный "раствор" должен обладать той оптической плотностью в УФ-диапазоне, что и вышеназванная жидкость, то есть характер распространения УФ-потока в обеих жидких средах необходимо поддерживать одинаковым.
"Раствор" был проверен на: 1. Влияние спектра видимого излучения лампы ПРК-7М на характер изменения коэффициента пропускания Атб35- Исходный "раствор" с а = 0,706 см"1 облучали указанной лампой через оконное стекло, которое практически не пропускает УФ-излучение. Расстояние от бактерицидной лампы до поверхности "раствора" составляло 30 см. Толщина слоя "раствора", помещаемого в емкость из оргстекла, составляла 2 мм, а обрабатываемая УФ-потоком поверхность имела размеры 180 х 76 мм. Результаты эксперимента представлены на рис.4.2. Из данного рисунка видно, что спектр видимого излучения от лампы ПРК-7М не оказывает влияния на изменение коэффициента пропускания Ахб35- Разброс в значениях Атб35 для различных моментов времени облучения раствора составляет не более 1 %, и его можно отнести к погрешности измерений даваемых спектрофотометром СФ-46, на котором и определялся коэффициент пропускания Хб35 исследованных "растворов". 2. Характер изменения коэффициента пропускания Дт6з5 на длине волны 635нм, в зависимости от дозы облучения. В эксперименте исследовалось 3 "раствора" с показателями поглощения a {a = In Т254, где Т254 - коэффициент пропускания, показывающий долю УФ-излучения с длиной волны X = 254 нм, пропускаемую слоем жидкости в 1см) соответствующими питьевой воде (а = 0,277 см-1), очищенной сточной воде (а = 0,678 см"1) и питательному раствору гидропонной теплицы, содержащемся в субстрате (а= 1,355 см"1). Исходные (необлученные УФ-потоком) "растворы", с соответствующими показателями поглощения я, облучали УФ-потоком от лампы ПРК-7М. Толщина слоя каждого "раствора", помещаемого в емкость из оргстекла, составляла 2 мм, а обрабатываемая УФ-потоком поверхность имела размеры 180 х 76 мм. Расстояние от источника бактерицидного излучения до поверхности "раствора" было равно 20 см.
