Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса создания генераторов озона и применение озона в различных областях 14
1.1 Принцип работы генератора озона и способы получения озона 17
1.1.1 Механизм образования озона, принцип работы генератора озона 17
1.1.2 Обзор существующих конструкций генераторов озона с барьерным разрядом 21
1.1.3 Принцип работы генераторов озона с поверхностным разрядом 27
1.1.4 Применение низких температур в процессе получения озона 29
1.2 Применение озона и электрофизических методов в объектах низко температурного хранения пищевых продуктов 33
1.2.1 Электрофизические методы при хранении пищевых продуктов 33
1.2.2 Применение озона при хранении пищевых продуктов
1.3 Использование озона для бактерицидной обработки помещений социально-значимых объектов 40
1.4 Влияние озона на биообъекты 44
1.5 Конструкционные и электротехнические материалы, применяемые в современных социально-значимых объектах 46
1.6 Выводы по главе 49
ГЛАВА 2. Создание и исследование новых конструкций генераторов озона 52
2.1. Состояние вопроса 52
2.2. Кинетика электросинтеза озона 56
2.3. Существующая технология изготовления мембранных электродов ... 63
2.4. Разработка конструкции электрода 66
2.5. Экспериментальные исследования электродов плоской конструкции з
2.6. Обсуждение экспериментальных результатов 75
2.7. Создание конструкции генератора озона с разрядом поверхностного типа 78
2.8. Методика экспериментального исследования генератора озона с поверхностным разрядом 83
2.9. Методика измерения напряжения и мощности разряда в опытных генераторах озона 2.10. Экспериментальное исследование генераторов озона с поверхностным и барьерным разрядом 89
2.11. Выводы по главе 99
ГЛАВА 3. Исследование электротехнических материалов в условиях объектов низкотемпературного хранения продуктов 101
3.1 Экспериментальная установка и программа исследования свойств электротехнических материалов 101
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 106
3.3 Параметры сопоставления экспериментальных результатов 109
3.4 Результаты экспериментальных исследований 111
3.5 Исследования образцов изоляции электротехнических материалов на растровом электроном микроскопе
3.5.1 Методика исследований образцов на растровом электронном микроскопе 114
3.5.2 Подготовка образцов к проведению исследований 118
3.5.3 Обработка результатов исследования 118
3.6 Выводы по главе 119
ГЛАВА 4. Исследование влияния озона, как защитного средства от проникновения мелких биообъектов в социально-значимые объекты 121
4.1 Предпосылки проведения эксперимента 121
4.2 Описание экспериментальной установки 121
4.3 Методика проведения эксперимента 125
4.4 Обсуждение результатов эксперимента 126
4.5 Расчет непараметрического критерия Уилкоксона для сопряженных пар 128
4.6 Выводы по главе 131
ГЛАВА 5. Новое устройство получения активированной воздушной среды с использованием электронно ионной обработки и его применение в смежных областях 132
5.1 Устройство для обеззараживания воздушной среды 132
5.2 Возможность применения озона для обеспечения условий жизнедеятельности и защиты социально-значимых объектов 135
Основные результаты и выводы 138
Список литературы
- Обзор существующих конструкций генераторов озона с барьерным разрядом
- Существующая технология изготовления мембранных электродов
- Исследования образцов изоляции электротехнических материалов на растровом электроном микроскопе
- Возможность применения озона для обеспечения условий жизнедеятельности и защиты социально-значимых объектов
Введение к работе
Актуальность проблемы
Озон является идеальным экологически чистым и мощным окислителем, способным вступать в химические реакции при нормальном давлении и температуре окружающей среды. Озон по окислительной способности занимает второе место, уступая только фтору и значительно превосходя другие широко применяемые окислители. Окислительный потенциал фтора равен – 2эв, озона 2,07 эв, а хлора – 1,30 эв. Озон быстрее других окислителей вступает в реакции и в меньших концентрациях.
В отличие от других окислителей озон в процессе реакции не образует никаких продуктов, которые загрязняли бы окисляемое вещество. Он или полностью расходуется на окисление или же, при его частичном использовании, продуктом восстановления озона является кислород. Это обстоятельство в ряде случаев оказывается решающим при выборе того или иного окислителя, т.к. часто задача отделения продуктов восстановления окислителя от обрабатываемого вещества представляет значительные трудности, а иногда и вовсе практически невыполнима. Таким образом, применение озона способствует решению проблемы обеспечения безотходных экологически чистых технологий и производств.
Основные технологические процессы, в которых применение озона технически и экономически оправдано, следующие:
- очистка (обеззараживание) питьевой воды;
- очистка промышленных стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных комбинатах и др.);
- энергоэффективное хранение пищевых продуктов в объектах холодильной техники;
- озоно-кислородная отбелка целлюлозы;
- обработка жидких радиоактивных отходов, переработка изношенных автопокрышек в резиновую крошку, переработка тяжелых нефтяных фракций и т.д.
Одной из перспективных областей применения озонных технологий является применение озона для обеспечения защиты социально-значимых объектов. В настоящее время озон широко используется в таких социально-значимых объектах, как объекты хранения пищевых продуктов, объекты массового скопления людей и т.д. Так при низкотемпературном хранении пищевых продуктов применение озона позволяет существенно снизить потери продуктов за счет замедления метаболических процессов и подавления развития вредной микрофлоры. Начиная с 1975 года на хладокомбинатах Росмясомолторга начали применять озон при хранении плодоовощной продукции и продукции животного происхождения, что позволило сократить потери от микробиологической порчи в 1,5..2,0 раза по сравнению с традиционными рекомендуемыми режимами холодильного хранения.
Анализ выполненных исследований в области создания эффективных озонаторных установок показал, что к настоящему времени не определена приоритетная конструкция генератора озона, которая может преимущественно применяться в устройствах, обеспечивающих условия жизнедеятельности и защиты в социально-значимых объектах.
Затраты на производство озона составляют наиболее существенную часть в общих затратах при реализации экологически лояльных производств с применением озона, поэтому создание генераторов озона, обеспечивающих высокую эффективность синтеза озона при меньших затратах на их производство, является актуальной задачей.
Цель работы: разработка и исследование эффективной конструкции генератора озона и исследование влияния озона различной концентрации на обеспечение защиты социально-значимых объектов.
Для достижения цели необходимо было решить ряд самостоятельных задач:
1. разработать конструкцию генератора озона, отвечающую требованиям энергоэффективности, простоты изготовления и надежности в эксплуатации;
2. провести экспериментальное исследование процесса получения озона в разработанной конструкции генератора озона;
3. разработать математическую модель процесса теплообмена в генераторе озона;
4. провести экспериментальные исследования совместного влияния озона различной концентрации, низкой температуры и механического нагружения на материал электроизоляции электрических и информационных линий связи;
5. разработать методику экспериментальных исследований по влиянию озона на поведение мелких биообъектов;
6. провести экспериментальное исследование по влиянию озона на контрольную группу мелких биообъектов и провести статистическую обработку результатов с использованием непараметрического критерия Уилкоксона для сопряженных пар;
7. разработать специальное электрофизическое устройство для обработки пищевых продуктов в объектах низкотемпературного хранения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана новая конструкция генератора озона с электродами, реализующими поверхностный разряд;
- экспериментально установлено, что генератор озона с поверхностным разрядом вплоть до концентрации озона в кислороде равной 40..50 г/м3 имеет одинаковые технические характеристики по удельному выходу озона с единицы площади
электрода и удельным энергетическим затратам на его синтез с генератором озона барьерного типа, являющимся наиболее совершенным в настоящее время;
- впервые получены систематические экспериментальные данные по совместному влиянию низкой температуры, озона различной концентрации и механического нагружения на материал изоляции электрических и информационных линий связи; - впервые проведены экспериментальные исследования, по влиянию озона на поведение контрольной группы мелких биообъектов в условиях близких к реальным;
- предложено устройство для обеззараживания воздушной среды, в помещениях, воздуховодах, каналах, где расположены трубопроводы, электрические кабели и др. элементы.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- созданы конструкции генераторов озона, которые существенно превосходят параметры работы генераторов озона зарубежных фирм и могут быть эффективно использованы для обеспечения защиты социально-значимых объектов;
- сделаны обобщения экспериментальных данных по совместному влиянию озона различной концентрации, низкой температуры и механического нагружения на электроизоляцию электрических и информационных линий связи и даны конкретные рекомендации по использованию электротехнических материалов в социально-значимых объектах, в которых применяется озон;
- показано, что озон является веществом, активно отпугивающим мелкие биообъекты в том числе и из каналов, по которым проходят электрические и информационные линии связи, обеспечивая тем самым устойчивость функционирования социально-значимых объектов;
- предложена конструкция устройства для обеззараживания воздушной среды, которая позволяет повысить эффективность процесса озонирования в объектах холодильной техники.
Достоверность результатов исследований обеспечивалась
- применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения;
- хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;
- соответствием полученных экспериментальных данных результатам расчета.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. конструкции генераторов озона, работа которых построена на принципах с использованием барьерного и поверхностного типов разряда;
2. результаты экспериментального исследования генераторов озона с барьерным и поверхностным типами разряда;
3. математическая модель процесса теплообмена в генераторе озона;
4. результаты экспериментальных исследований материалов электроизоляции электрических и информационных линий связи в условиях, отвечающих реальным;
5. результаты экспериментального исследования по влиянию озона на поведение контрольной группы мелких биообъектов в условиях близких к реальным.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
V Международной научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (г.Москва, 2008 г.); Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства питания» (г.Москва, 2009 г.); 6-ой Международной научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (г.Москва, 2009 г.); Международной научной конференции «Холодильная и криогенная техника. Промышленные газы, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (г.Москва, 2010 г.); 38-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, докторов, аспирантов и сотрудников университета “Влияние озоно-воздушной среды на мелкие объекты в изолированной камере” (г. Санкт-Петербург, 2011г.); “Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХI веке”: материалы V международной научно-технической конференции. “Создание и исследование генератора озона для объектов низкотемпературного хранения пищевых продуктов” (г. Санкт-Петербург, 2011г.)
Личный вклад автора заключается в разработке современных методик исследования, в проведении экспериментальных исследований, обобщении полученных результатов.
Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором. Публикации: по теме диссертационный работы опубликовано 9 печатных работ, из них 4 в изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Научная работа по применению озона с целью безопасности крупных спортивных объектов отмечена дипломом 9-ой Международной научной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии» (г.Москва, 2010 г.).
Структура и объем диссертации.
Обзор существующих конструкций генераторов озона с барьерным разрядом
Результаты термодинамических расчетов равновесных составов реакции [79]: О2 + 6 = О" + 0" + е , О2 + О" + М ФФ О3 + е, показывают, что при давлении 0,1 МПа нет такой области температур, где бы равновесное парциальное давление озона было заметным. Так, только при температуре 3500 К максимальная величина равновесного парциального давления равна 9-Ю"8 МПа. Таким образом, термодинамически равновесное образование значительных концентраций озона невозможно. В работе [82] рассмотрены причины наблюдаемого на опыте сравнительно большого содержания озона в рабочем газе (воздухе или кислороде) генераторов озона. Авторы приходят к выводу, что для получения значительного содержания озона необходимо, как минимум, сочетание двух условий: - достаточно низкой температуры, обеспечивающей сдвиг равновесия по вышеприведенной реакции в сторону образования озона; - достаточно высокого "сверхравновесного" содержания атомарного кислорода. Выполнение этих условий возможно, если обеспечивается диссоциация молекул кислорода при низких температурах в результате любых нетермических воздействий на систему (облучения, потока быстрых частиц, электронных процессов, некоторых химических реакций). Образование озона наблюдается всегда, когда при низких температурах протекают процессы, сопровождающиеся выделением атомарного кислорода.
Образование озона в термодинамически равновесных условиях тоже возможно, но для этого необходимо создавать специальные условия, которые обеспечивают сохранение или "закалку" сверхравновесных составов атомарного кислорода при низких температурах. Одно из таких условий реализуется при смешивании пропущенного через плазмотрон аргона с температурой 3400-3500 К с жидким кислородом [83].
Получение озона в электрических разрядах - это один из первых методов получения озона, и он является основным вплоть до настоящего времени, а точнее это так называемый барьерный разряд, в котором образуется низкотемпературная плазма - сильно ионизованный газ, состоящий из молекул или атомов, ионов и электронов. При нахождении плазмы в электрическом поле электроны, как наиболее подвижные частицы, воспринимают энергию поля в первую очередь и в несравненно больщей степени, чем более тяжелые частицы -ионы. Следовательно, в плазме устанавливается различие между энергией электронов и молекул. Это различие часто характеризуют электронной и молекулярной температурой. Если различие между электронной и молекулярной температурой велико, то плазма считается неизотермической. Поэтому в неизотермической плазме процессы возбуждения и ионизации частиц происходят в основном при столкновении с электронами.
Процесс образования озона в связи с пространственно-временной дискретностью неизотермической плазмы барьерного разряда разделяют на три стадии [66]:
1. Возникновение, развитие и погасание канала микроразряда в локальной области разрядного промежутка ( 0,1 - 1,0 мм); время существования канала 20-30 нс. Стадия отражает физическую сторону явления: появление, размножение и исчезновение электронов, диссоциацию, ионизацию и возбуждение молекул кислорода.
2. Реакции атомов и возбужденных молекул кислорода с нейтральными молекулами; образование озона и его релаксация в основное состояние. Процессы протекают на месте бывшего канала; время второй стадии -5-10 мс. Ряд авторов вводят еще реакцию разложения озона электронами: 03 + 6- О2 + 0-+6, в основном для того, чтобы объяснить низкие значения стационарных концентраций озона в разряде (не больше 15 %). При другом подходе низкие значения стационарной концентрации получаются за счет повышенной температуры в канале микроразряда. В таком случае необходимо учитывать и реакцию термического разложения:
О3 + М -» О2 + О" + М. Предполагается, что температура в каналах не может быть выше 500-600 К, но и в этом случае влияние этой реакции существенно. Отмечается, что при высоких давлениях вторичные процессы протекают интенсивно и в результате них, как правило, получаются продукты с более сложными молекулами, чем молекулы исходных веществ. Именно к этому типу относится реакция образования озона, поэтому для его получения наиболее благоприятны разряды при относительно высоких давлениях в неизотермической плазме. Максимальный энергетический выход озона из кислорода в барьерном разряде достигает 140-150 г/кВтч. В специальных условиях можно достичь содержания озона более 200 г/м (14% по массе), а взрывоопасная концентрация 300 г/м .
В тлеющем разряде при низких давлениях ( 25 мм рт.ст.) наблюдается образование озона до 0,5 % по массе при откачивании газа из нижней части U-образной трубки. Содержание озона уменьшается с ростом напряжения и давления. Максимальный энергетический выход озона (из воздуха) в этом случае составляет от 15 до 17 г/кВт-ч.
Дуговой разряд относится к разрядам с изотермической плазмой, поэтому протекающие в нем реакции имеют термический характер. Соответственно этому в зоне дугового разряда могут получиться лишь незначительные термодинамические равновесные концентрации озона. Попытки спектроскопического определения озона в зоне дугового разряда показали его полное отсутствие. Однако при быстром пропускании кислорода через дугу возможна "закалка" образующихся в дуге сравнительно высоких концентраций атомов кислорода с последующим образованием озона вне дуги. В этом случае удается получить до 12 г озона на 1 кВт-ч.
Электрохимический процесс получения озона реализуется при электролизе водных растворов некоторых электролитов, при этом источником кислорода служит вода. Дополнительные энергетические затраты на разложение воды снижают теоретически возможный энергетический выход озона в равновесных электрохимических процессах до 186 г/кВт-ч. В действительности выход озона оказывается значительно ниже, так что электрохимический метод не может конкурировать с методом получения озона в барьерном разряде. Вместе с тем преимуществом электрохимического метода является то, что отпадает необходимость в кислороде, как исходном веществе, и применении высокого напряжения.
Существующая технология изготовления мембранных электродов
В настоящее время находят широкое применение две конструкции генераторов озона (ГО), которые работают на крупных промышленных объектах: 1. Генераторы озона с трубчатой конструкции: - ГО трубчатой конструкции с электродами из стекла с односторонним охлаждением [33]; - ГО трубчатой конструкции с металлическими эмалированными электродами с односторонним охлаждением [19]; - ГО трубчатой конструкции с металлическими эмалированными электродами с двухсторонним охлаждением [68]. 2. ГО с мембранными электродами [67]. Следует отметить, что оба типа конструкции ГО отличаются сложностью в изготовлении и, соответственно, высокими стоимостями.
Основными фирмами, производящими озонаторное оборудование являются OZONIA, Trailigaz, Wedeco, Schmidding-Werke (Германия), Degremont, Sumitomo (Япония). В России специализированным предприятием по производству озонаторных установок на протяжении 40 лет являлся ОАО “Курганхимаш”. Все фирмы, за исключением Sumitomo, выпускают генераторы озона с трубчатой системой электродов.
Недостатки этих генераторов озона: - одностороннее охлаждение разрядного промежутка; - низкая частота питающего высокого напряжения (50-1000 Гц); - размещение диэлектрического барьера с одной стороны разрядного промежутка (стеклянная трубка, металлизированная внутри); - высокие требования к соосности стальных и стеклянных труб, приводящие к резкому удорожанию их изготовления при уменьшении разрядного промежутка до 1,0 мм менее, большая удельная металлоемкость. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в 80-90-е годы в МГУ, МЭИ и ГУП ВЭИ, показали, что предельные характеристики процесса синтеза озона в барьерном разряде (удельный выход озона с единицы площади поверхности, концентрация в рабочем газе озона и удельные энергозатраты) могут быть достигнуты при создании электродной системы генератора озона, максимально приближенной к идеальной.
Для этого требуется выполнение следующих условий: - электроды должны иметь двухсторонний диэлектрический барьер и двухстороннее охлаждение; - необходимо обеспечить эквидистантный зазор между электродами, равный 0,5 мм и менее; - частота питающего напряжения должна быть повышена до 8-10 кГц. Несмотря на то, что работы в области производства озонаторов ведутся примерно 25 крупными фирмами, по меньшей мере в течение 100 лет, создать генератор озона, в котором были бы выполнены перечисленные условия не удалось.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проведенные в начале 90-х годов ОАО “Криогенмаш” и ГУП ВЭИ [26, 89, 90, 94, 95], позволили разработать объемную тонкостенную конструкцию электрода сложной формы с использованием процессов высокоточной штамповки тонколистных материалов и их сварки. При выполнении этой работы был решен ряд не типовых конструктивно-технологических задач, обусловленных определенными противоречиями между высокими требованиями к точности эквидистантно-сопряженных криволинейных поверхностей смежных электродов в генераторе озона и возможностями их выполнения для габаритной полой тонкостенной конструкции электродов. Было создано 5 типоразмеров электродов пластинча 54 того типа из нержавеющей стали. Одна из разработанных конструкций мембранного электрода с диэлектрическим покрытием показана на рис 2.1.1.
Общий вид мембранного электрода. Совместно с РХТУ им. Д.И.Менделеева был разработан состав порошковой стеклоэмали (число компонентов более 10), имеющий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР материала электрода (сталь 08Х18Н10Т) и, кроме того, удовлетворяющий требованиям электрической изоляции: - тангенс угла диэлектрических потерь tg5 710 ; - диэлектрическая проницаемость е 8; - напряженность электрического поля, соответствующего пробою диэлектрика, Епр 20 кВ/мм. Так же была отработанна технология многослойного нанесения порошковой стеклоэмали в электрическом поле высокого напряжения (до 70 кВ) и ее термообработки в специальной печи.
ОАО “Криогенмаш” и ГУП ВЭИ, применяя новые технологии, как для изготовления электродов, так и для создания диэлектрического барьера, изготовили опытные и опытно-промышленные образцы новых ресурсо-энергосберегающих генераторов озона, использующих барьерный разряд, производительностью 25 кг/ч с концентрацией озона 20-25 г/мо (при работе на воздухе) и 80-150 г/ма (при работе на кислороде), при этом удельный выход озона с единицы площади по-верхности электрода достигал 16г/(ч-дм ) при работе на кислороде и 8г/(ч-дм ) при работе на воздухе.
В соответствии с постановлением правительства г. Москвы “Об организации производства отечественных озонаторных установок большой производитель 55 ности для систем централизованного водоснабжения” ОАО “Криогенмаш” и ГУП ВЭИ в течение 2001-2002 гг. разработали, изготовили и провели испытания генератора озона производительностью 25 кг/ч и системы охлаждения воды, входящих в состав озонаторной установки в модульно-контейнерном исполнении для систем централизованного водоснабжения г. Москвы.
Генератор озона ОВЭ-25 (рис.2.1.2) состоит из 4-х автономных озонаторных модулей производительностью по 6,25 кг/ч (при работе на воздухе), размещенных на общей раме, на которой также крепится арматура и трубопроводы. Каждый озонаторный модуль запитывается от источника электрического питания мощностью 100 кВт (напряжение питания примерно 4-5 кВ, а номинальная частота питающего напряжения примерно 8-10 кГц) [70, 71, 72].
Исследования образцов изоляции электротехнических материалов на растровом электроном микроскопе
Экспериментальные исследования проводились на двух образцах генератора озона с поверхностным разрядом, которые отличались тем, что в одном из них высоковольтным электродом являлась спираль из алюминиевой проволоки (сплав АМц) диаметром 2 мм, а в другом высоковольтным электродом являлась спираль из нержавеющей проволоки диаметром 0,35 мм. Предполагалось выявить влияние диаметра проволоки на выходные характеристики генератора озона. Шаг намотки был одинаков и равен 6 мм. Оптимальность величины этого шага была установлена Козловым М.В. [42]. Частота рабочего напряжения была выбрана равной 15 кГц, что также является оптимальной величиной для генераторов озона с поверхностным разрядом [42]. В качестве рабочего газа был выбран кислород с расходом 5 л/мин, а охлаждение электрода проводилось водопроводной водой с расходом 2 л/мин. Кроме того, проведены испытания трубчатых генераторов озона коаксиальной конструкции с односторонним и двухсторонним охлаждением, в которых реализуется барьерный разряд. Первый генератор озона коаксиального типа состоял из высоковольтного внутреннего электрода, изготовленного из нержавеющей трубы (сталь 12Х18Н10Т) диаметром 50 мм и длиной 200 мм. На внешнюю поверхность трубы была нанесена стеклоэмаль, толщина слоя которой была равна 0,6 мм. Электрод размещался внутри трубы из нержавеющей стали с зазором 0,5 мм. На внутреннюю поверхность наружной трубы также была нанесена стеклоэмаль толщиной 0,6 мм, и эта труба находилась под потенциалом земли. Оба электрода охлаждались проточной водой. Таким образом в этом генераторе озона реализованы два принципиальных решения, обеспечивающие высокие выходные характери 84
стики, это: электродная система имеет двухсторонний диэлектрический барьер; электродная система имеет двухстороннее охлаждение.
Второй генератор озона такой же конструкции отличался тем, что высоковольтный внутренний электрод был изготовлен из трубы диаметром 53 мм, активная длина электрода равнялась 180 мм. Толщина слоя эмали на обоих электродах равнялась 0,4 мм, а величина зазора была такой же и равной 0,5 мм.
Экспериментальные данные, полученные на этих генераторах озона, служили эталоном сравнения для данных, полученных, соответственно, на двух образцах опытных генераторов озона с поверхностным разрядом.
Принципиальная технологическая схема экспериментального стенда, на котором проводилось исследование характеристик генераторов озона с поверхностным и барьерным разрядами представлена на рис.2.8.1. 1-источник электрического питания; 2- генератор озона; 3- измеритель расхода кислорода; 4- делитель потока; 5- кислородный концентратор “ОХУ-6000”; 6- цифровой осциллограф Tektonics TDS3012В; 7- каталитический раз-ложитель озона (основной); 8- измеритель расхода озоно-кислородной смеси; 9- каталитический разложитель озона (вспомогательный); 10-озонометр “Медозон 254/5”; 11-расходомер; 12- вентиль запорно-регулирующий. Рабочий газ - кислород с концентрацией 93% (об) подается из концентратора кислорода (5) в генератор озона (2) в количестве, определяемом программой испытаний. На выходе из генератора озона смесь кислорода с озоном поступает в основной каталитический разложитель (7). Чистый кислород выбрасывается в атмосферу. Часть потока, идущего в основной каталитический разложитель, отбирается и пропускается через озонометр (10) для измерения концентрации озона. Количество отбираемой смеси измеряется расходомером (8). Поеле измерения озоно-кислородная смесь подается во вспомогательный каталитический разложитель озона (9), затем выбрасывается в атмосферу.
Подача напряжения электрического питания на генератор озона осуществляется от источника (1), расположенного в непосредственной близости от генератора озона. Ввод высоковольтного кабеля в генератор озона производится через специальные проходные устройства, обеспечивающие герметичность и безопасность этого узла.
Охлаждение генератора озона осуществляется водопроводной водой, которая через запорно-регулирующий вентиль (12) поступает на расходомер (11) и затем на вход генератора озона.
Таким образом экспериментальный стенд, оснащенный соответствующими измерительными устройствами и приборами, позволял измерить следующие параметры: Vo2 - расход кислорода через генератор озона, м3/ч; Ро2 - абсолютное давление кислорода перед генератором озона, МПа; То2 - температуру кислорода перед генератором озона, С; и - напряжение электрического питания. В; Pd - электрическую мощность, подведенную к генератору озона, кВт; Z - концентрацию озона на выходе из генератора озона, г/нм3. Измеренные величины позволяют определить эффективность синтеза озона, которая характеризуется следующими взаимосвязанными критериями: - производительность генератора озона - Q=VxZ, г/ч, - удельный выход озона с единицы поверхности - q=Q/S, г/ч-дм2,
Возможность применения озона для обеспечения условий жизнедеятельности и защиты социально-значимых объектов
Для проведения эксперимента с мелкими биообъектами был разработан экспериментальный унифицированный стенд, принципиальная схема которого представлена на (рис. 4.2.1). Стенд представлял собой камеру(П) размером 60x100 см и высотой 60 см, разделённую герметичной поперечной перегородкой (1). Экспериментальный стенд был изготовлен из оргстекла толщиной 5 мм, что позволяло проводить визуальное наблюдение за поведением подопытных мышей. В левый (А) и правый (В) отсеки камеры подопытное животное могло свободно проходить из стартовой камеры (II) размером 25x30 см и высотой 25 см.
Крышка экспериментального бокса (2) позволяла, проводить очистку экспериментального бокса (II), после каждого эксперимента, и кроме того , герметичность экспериментального бокса. Крышка стартового бокса обеспечивала возможность посадки опытных животных в стартовый бокс (II) и возможность его герметизации. Возможность входа опытных мышей из стартовой камеры (II) в левую и правую камеры экспериментального бокса обеспечивалась через отверстия диаметром 30 мм, симметрично расположенные относительно перегородки (I) на высоте 10 мм. Этим обеспечивалась равноправность перемещения опытных мышей, как в левую, так и в правую части экспериментального бокса. К левой (А) и правой (В) частям экспериментального бокса были подсоединены два озонатора марки “Ландыш” производства ФГУП ВЭИ одинаковой производительности по 0,3 г/час. Один из озонаторов обеспечивал подачу озона, например, в камеру (А), в то время как второй озонатор обеспечивал только подачу воздуха в камеру, например (В). Этим обеспечивалась одинаковая шумовая нагрузка на обе камеры, равная 40-50 Дб.
На (рис. 4.2.2) представлена фотография вида сверху экспериментальной установки, а на (рис. 4.2.3) представлена фотография экспериментальной установки со стороны стартовой камеры.
В качестве подопытных животных в эксперименте использовали тринадцать лабораторных беспородных мышей (п = 13). Каждое животное участвовало в опыте один раз. Перед началом каждого опыта мышь помещалась в стартовый бокс (рис 4.3.1), затем оба озонатора включали в режим нагнетания воздуха и открывали шиберы (4), соединяющие стартовую и основные камеры А и В. В течение 15 минут животное могло свободно перемещаться по всем камерам, осваивая пространство (экспериментально показано, что этого времени обычно достаточно, чтобы освоиться на новой территории).
По истечении 15 минут экспериментатор начинал фиксировать следующие параметры и поведение мыши (стойка, чистка, движение) в течении следующих 5 минут (контроль) (Приложение 1,2).
Затем мышь переносили обратно в стартовую камеру, после чего один из озонаторов (в случайном порядке - отсек А или отсек В) переводился в режим генерирования озона и через 2 минуты, необходимые для заполнения камеры озоном, шиберы (4) открывали — и мышь вновь получала доступ в экспериментальные отсеки. Контроль заполнения отсека (А или В) озоном проводили при приот 126
Крытой на 10-15 мм крышке экспериментального бокса йодо-метрическим методом . При этом концентрация озона в озоно-воздушной смеси устанавливалась равной 40±5 мг/м . Регистрацию вышеперечисленных параметров осуществляли на протяжении еще 5 минут (опыт) (Приложение 3,4).
При обработке экспериментальных данных выявляли достоверность различий продолжительности пребывания мышей в разных отсеках в опыте (с подачей озона) и в контроле (без подачи озона), а также динамику поведенческих реакций в присутствии озона и в чистом воздухе.
Всего было проведено 13 опытов. Практически все подопытные мыши в течение 15 минут освоили пространство, спокойно перемещались из отсека в отсек: сначала медленно и настороженно, а затем — более активно. В контрольный период они продолжали обследовать территорию камеры или останавливались в одном из отсеков, чистились, умывались, принюхивались. Активность мышей во время контрольного периода отражена на (рис. 4.4.1), из чего видно, что в течение всего времени активность мышей не снижалась.
По продолжительности пребывания мышей в разных отсеках экспериментальной камеры в контрольный период отличий не выявлено (рис. 4.4.2). Они равномерно исследовали все три отсека.
Продолжительность пребывания мышей в трех отсеках экспериментальной камеры в стартовом боксе в контрольный период,когда в оба отсека подавали воздух.
После включения озонной установки ситуация существенно изменилась (рис. 4.4.3). Зверьки начали активно избегать отсека, в который подавалась озоно-воздушная смесь и заметно больше времени проводили в стартовом отсеке.
При этом различия между продолжительностью пребывания в отсеке с озоно-воздушной смесью и с воздухом были неоднозначны. Объяснить это мы можем особенностями поведения животных — после включения установки с озоном мыши настораживались, демонстрировали вертикальные стойки, беспокоились и перебегали в другие отсеки [75]. Изменение в активности мышей во время эксперимента с озоном отражена на (рис. 4.4.4).
