Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние теплофизических факторов в процессах обеззараживания и кондиционирования воды 8
1.1. Оценка тенденций и динамики гидрогеотермического и химико-биологического загрязнения реки в условиях близкого расположения города 8
1.2. Факторы, определяющие степень воздействия загрязненной воды на здоровье человека 8
1.3. Методы и средства обеззараживания воды 14
1.3.1. Выбор методов очистки воды на основе классификации примесей по фазово-дисперсному состоянию 15
1.3.2. Методы обработки воды и очистные сооружения, рекомендуемые на основе классификации 21
1.4. Теплофизические и технологические аспекты гидродинамической кавитации 30
1.4.1. Изменение физико-механических свойств жидкости при гидротермодинамическом кавитационном воздействии 31
1.4.2. Роль кавитационной технологии в биологии, медицине, микробиологии 38
1.5. Цели и задачи исследования 42
2. Развитие теплофизических методов исследования и проектирования тепломассообменного оборудования 43
2.1. Математическая модель теплообменных процессов в проточных суперкавитирующих аппаратах на базе СК-испарителей 43
3. Методика экспериментального исследования 50
3.1. Техника натурных и лабораторных биохимических исследований 50
3.2. Экспериментальные стенды и оборудование 53
3.2.1. Суперкавитационный миксер (эмульгатор) 53
3.2.2. Экспериментальный стенд для гидродинамических исследований 56
3.2.3. Лабораторный суперкавитационный стенд 59
3.3. Методика проведения измерений 61
3.4. Оценка достоверности результатов 63
4. Результаты экспериментальных исследований 65
4.1. Влияние термодинамических параметров, стеснения потока и пароотбора на гидродинамические характеристики процесса кондиционирования воды 65
4.2. Влияние гидротермических условий на ПТС на примере водозабора «Гремячий лог»
4.3. Гидротермодинамическое воздействие кавитации на водные системы 83
4.4. Влияние кавитационной обработки на объекты живой природы 93
Основные выводы и результаты работы 100
Список использованных источников 101
- Факторы, определяющие степень воздействия загрязненной воды на здоровье человека
- Методы обработки воды и очистные сооружения, рекомендуемые на основе классификации
- Математическая модель теплообменных процессов в проточных суперкавитирующих аппаратах на базе СК-испарителей
- Экспериментальные стенды и оборудование
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в производство новых более совершенных теплофизических процессов обработки природных и сточных вод. Задачи, решаемые настоящим исследованием, являются также частью проблемы энергоресурсосбережения, или энергоэффективности производств. Их можно решить используя тепломассообмен-ные, термодинамические и другие эффекты, проявляющиеся в двухфазных су-перкавитационных потоках. Использование теплофизических и гидродинамических эффектов кавитации (кавитационной технологии) способствует механо-термолизу структур воды с появлением свободных водородных связей, диспер-гации и гомогенизации твердых и органических включений.
Красноярский край является крупнейшим промышленным регионом Восточной Сибири и Российской Федерации в целом. Здесь сконцентрированы предприятия различных отраслей промышленности: металлургической, машиностроительной, химической, деревообрабатывающей и других видов производств. Для ускоренного развития и наращивания производственных сил требуется надежное обеспечение сырьевыми ресурсами, важное место среди которых занимают ресурсы пресных вод.
Помимо этой задачи, наиболее остро стоит проблема обеспечения населения качественной питьевой водой. В последние десятилетия в результате интенсивного антропогенного воздействия заметно изменился химический состав природных (поверхностных и подземных) вод. Проблема качества питьевой воды затрагивает очень многие стороны жизни человеческого общества в течение всей истории его существования. В настоящее время питьевая вода - это проблема социальная, политическая, медицинская, географическая, а также инженерная и экономическая. В основе гигиенических требований к качеству воды для питьевых и бытовых нужд лежит принцип безопасности в эпидемиологическом отношении, безвредности по химическому составу и благоприятности по органолептическим свойствам.
Особая проблема, с которой сталкиваются специалисты, и, в конечном счете, потребитель - это микробиологическая безопасность воды, ведь даже вода из подземных источников может содержать единичные клетки патогенных микроорганизмов, но основную угрозу представляет вода, вторично загрязняемая микробами при нарушении герметичности водопроводной сети.
В воде источников водоснабжения обнаруживаются несколько тысяч органических веществ разных химических классов и групп. Органические соединения природного происхождения, а именно жизнедеятельности фитопланктона, - гуминовые вещества, различные амины, др., которые способны изменять органолептические свойства воды, оказывать пагубное влияние на здоровье человека.
Анализ результатов исследований отечественных и зарубежных ученых свидетельствует о том, что до настоящего времени недостаточно полно изучены вопросы кондиционирования природных и сточных вод, влияния фито планктона на здоровье человека, а имеющиеся методы и средства обработки вод в условиях открытых водозаборов не являются экологически безопасными.
В связи с этим важнейшей задачей является разработка мероприятий и конструктивных решений, более полно учитывающих экологические последствия обработки природных и сточных вод, с учетом их эффективности и экономической целесообразности.
Объект исследования - тепломассообменное оборудование для обработки и кондиционирования воды.
Предмет исследования - теплофизические и гидродинамические эффекты кавитации в процессах обработки природных и сточных вод.
Основная идея работы состоит в системном использовании термодинамических процессов кавитации при обработке и кондиционировании вод различного назначения и обеспечении наилучших экологических и экономических показателей новых технологических решений на стадии проектирования очистных систем.
Целью работы является создание технологии кондиционирования природных и сточных вод с использованием термодинамических эффектов кавитации.
Задачи исследования:
1. На основе представлений физической и коллоидной химии, физикохи-мии дисперсных систем провести анализ современного состояния теории и практики технологий водоочистки;
2. Установить теплофизические и гидродинамические факторы, влияющие на степень очистки воды;
3. Оценить качество источников водоснабжения Красноярского края с учетом влияния сложных гидротермических условий;
4. Разработать методы расчета технологического оборудования, реализующего интенсивные тепломассообменные процессы обработки воды;
5. Провести экспериментальные исследования действия теплофизических эффектов кавитации на биообъекты с целью определения эффективности применения кавитационной технологии в процессе кондиционирования природных и сточных вод в условиях открытых водозаборов.
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту:
1. С учетом термических, гидрологических и других факторов: установлены закономерности динамики источников водоснабжения Красноярска и края и дана их классификация по классам и типам водопользования; выявлены гидротермические особенности функционирования и экологического состояния природно-технической системы (ПТС) на примере открытого водозабора «Гре-мячий лог»;
2. Найдены теплофизические и гидродинамические зависимости изменения поверхностного натяжения, электропроводности, рН среды, кислородосо-держания воды и времени их релаксации от температуры, давления, числа кавитации и времени процесса кавитационной обработки;
Показано, что интенсивность теплоотдачи в суперкавитационном потоке - сложная функция чисел Фруда, Рейнольдса и др. и конвективная состав ляющая коэффициента теплоотдачи в зависимости от параметров на входе в технологический аппарат составляет от 15 до 40% общего коэффициента теплоотдачи;
4. Разработан и реализован метод расчета двухфазного суперкавитацион-ного течения в проточных (суперкавитирующие испарители) аппаратах, основанный на учете критериального уравнения для числа Нуссельта; получены новые эмпирические формулы для вычисления параметров каверны;
5. Обосновано использование термодинамических эффектов кавитации для очистки вод от фитопланктона при водоподготовке с точки зрения экологической безопасности и экономической целесообразности;
Использование результатов работы:
Методы расчета оборудования и натурные данные по открытым водозаборам использованы в ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс» при проектировании нового оборудования обработки и кондиционирования воды водозаборных сооружений открытого типа.
Экспериментальные результаты по изменению теплофизических характеристик воды в результате кавитационного воздействия использованы в учебном процессе при разработке курсов лекций и курсового проектирования в Политехническом институте и Институте архитектуры и строительства Сибирского федерального университета.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложен новый способ усовершенствования гидротермодинамического процесса очистки вод от биологических примесей, который позволяет снизить экологическую нагрузку на водоисточники, что согласуется с реализацией проектов по охране и рациональному использованию природных ресурсов;
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций основана на применении общенаучных методов исследования, базирующихся на фундаментальных законах теплофизики, гидрогазодинамики и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования и приборов, а также на сравнении экспериментальных данных с результатами расчета и данными, опубликованными в научной литературе.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на: Международной научной конференции «ELPIT - 2003» «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (Тольятти, 2003), VI Всероссийской НПК «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2005), Всероссийской НПК «Социальные проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 2001 - 2007гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из которых 2 статьи в периодических изданиях из перечня ВАК РФ, 1 - в сборнике научных трудов, 4 работы в материалах Международных и Всероссийских научно-технических конференций.
Факторы, определяющие степень воздействия загрязненной воды на здоровье человека
В Красноярском крае в качестве источников водоснабжения населенных пунктов используется поверхностные проточные водоемы: реки Енисей, Кан, Чулым, Ангара, Оя, Курейка, Ирба, Канзыба, Рыбная, Барга, Кривляжная, Тея, Туба, Джебь, Березовка, Оллонокон, Гравийка на которых расположены 37 водозаборных сооружений, в том числе 20 используют их подрусловые воды. Основными источниками водоснабжения населения Красноярского края являются поверхностные водоисточники бассейна рек Енисей, и Пясина, обеспечивающие хозяйственно-питьевой водой 1623,8 тыс. человек (53,2 % населения края), и подземные водоисточники, обеспечивающие 46,8 % населения. Бассейн р. Енисей является одним из основных источников обеспечения населения края водой питьевого качества. В 44 административных территориях эксплуатируются 1329 водозаборов, использующих напорные и безнапорные подземные воды для обеспечения питьевой водой 939,1 тыс. человек (приложение Б).
Используя результаты, полученные учреждениями Росгидромета и органов государственного санитарно-эпидемиологического надзора края, проведена оценка створов рек используемых для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового пользования (приложение В).
Анализ данных показывает, что наиболее предпочтительные характеристики водопользования имеют реки Енисей, Чулым и Кан, а наименее предпочтительны для питьевого и культурно-бытового водопользования реки Кача, Оя, Рыбная и Ангара.
Качество воды открытых водоисточников в 53 исследованных створах забора воды для систем централизованного водоснабжения по санитарно-химическим показателям с 1996 года улучшилось: доля проб, несоответствующих гигиеническим требованиям, уменьшилась с 25,8 до 5,5 %. По бактериологическим показателям качество воды ухудшается, микробное загрязнения водотоков увеличивается; доля нестандартных проб с 1996 г. возросла с 23,7 до 33 % (приложение Г).
В 264 исследованных створах культурно-бытового водопользования на проточных водоемах наблюдается ухудшение санитарной обстановки по химическому загрязнению воды; доля нестандартных проб по санитарно-хими-ческим показателям с 1996 г. увеличилась до 32,9 %. По бактериологическим показателям несмотря на снижение удельного веса нестандартных проб, уровень микробного загрязнения водоемов в местах отдыха населения и в черте населенных пунктов остается высоким (приложение Г).
На подземных водоисточниках качество воды подземных горизонтов остается неудовлетворительным. По-прежнему, ведущим остается химическое загрязнение, при сравнительно невысоком уровне микробного загрязнения, которое имеет тенденцию к нормализации (приложение Г).
По санитарно-химическим и бактериологическим показателям наиболее загрязненной является вода в створах культурно-бытового и питьевого водопользования на р. Енисей - в районе г. Лесосибирска и г. Енисейска; на р. Кача -в районе г. Красноярска; р. Ангара - в районе пос. Мотыгино; р. Рыбной - в створе с. Рыбное Рыбинского района.
Из 46 створов питьевого водопользования на проточных водоемах по результатам микробиологических исследований воды к категории эпидемически опасных отнесены 7 створов: на р. Енисей (п. Городок Минусинского района,
г. Лесосибирск); р. Кан (г. Иланский); р. Барга (г. Бородино); р. Ангара (п. Мо-тыгино, п. Раздолинск) (приложение Д).
Остаются ненадежными децентрализованные водоисточники сельских населенных мест. По санитарно-химическим показателям доля нестандартных проб составила в 1998 г. 30,9 %; по бактериологическим показателям - 31,5 %.
Причинами, объясняющими неблагополучное санитарно-гигиеническое состояние источников питьевого назначения на территории края являются: отсутствие надлежащим образом устроенных зон санитарной охраны водоисточников, недостаточный контроль за режимом хозяйствования на их территории; отчасти, природное загрязнение водоемов и подземных горизонтов. Из 1375 источников питьевого водоснабжения 310 (22,5 %) не имеют организованных зон санитарной охраны (в 1997 г. - 22,6 %).
Централизованным водоснабжением в Красноярском крае охвачено 82,1 % жителей, в т.ч. 94,7 % жителей городов и 51,7 % сельского населения. Самый низкий охват населения централизованным водоснабжением в Дзержинском - 13,8 %, Абанском - 16,6 %, Тюхтетском - 21,5 %, Казачинском -23,9 % и Богучанском - 25,9 % районах.
Из децентрализованных водоисточников (трубчатые и шахтные колодцы, каптажи родников) используют воду 465900 человек, что составляет 16,2 %. Доля жителей края, пользующихся речной водой без какой-либо водоочистки и обеззараживания составляет 21,3 тыс. чел. или 0,7 % жителей, проживающих в 13 административных территориях.
Санитарно-техническое состояние надземных объектов водоснабжения на протяжении последних 10 лет практически не изменилось и остается неудовлетворительным. По сравнению с 1996 г. доля водопроводов, не отвечающих санитарным требованиям увеличилась с 29,8 % в 1996 г. до 33,5 % в 2000 г. На каждом десятом водопроводе отсутствует необходимый комплекс водоочистки, на каждом седьмом водопроводе нет обеззараживающих установок, необходимых по эпидемическим показаниям (приложение Е).
В 1998 г. 25,0% децентрализованных водоисточников по санитарно - техническому состоянию не отвечают санитарным требованиям (в 1997 г. 25,6%).
С 1996 года число колодцев в крае, ввиду отсутствия средств на их содержание, уменьшилось на 838 единиц. Местные власти прекращают вы деление средств на содержание колодцев, население не имеет возможности собственными силами поддерживать их в надлежащем состоянии; санитарно-эпидемиологическая служба запрещает пользование объектами, находящимися в неудовлетворительном санитарно-техническом состоянии, а затем снимает их с контроля.
В ходе государственного санитарного контроля исследованиям по бактериологическим показателям подвергалась вода 862 водопроводов или 77,4 % от числа имеющихся и по санитарно-химическим показателям за последние 4 года -700 водопроводов, или 62,8 %. Результаты исследования качества питьевой воды, подаваемой населению Красноярского края за 1996-2000 годы представлены в приложении Е.
За последние 10 лет наблюдается постепенное улучшение качества питьевой воды, подаваемой населению централизованными системами водоснабжения. По бактериологическим показателям доля нестандартных проб остается на уровне многолетних средне-республиканских показателей.
Из 49 административных территории края, только в 23 качество водопроводной воды по бактериологическим показателям находится на уровне средне республиканских и средне краевых показателей. В 20 районах в 140 населенных пунктах водопроводы эпидемически ненадежны и могут способствовать действию водного фактора передачи инфекции; численность населения, связанного с этими объектами водоснабжения составляет 195900 чел. В г. Бородино, Абан-ском, Мотыгинском, Новоселовском, Пировском и Шушенском районах в 19 сельских населенных пунктах для 54720 жителей ситуация эпидемически опасна.
Ведомственные водопроводы в крае, по-прежнему, остаются менее надежными системами водоснабжения в эпидемическом отношении, чем коммунальные в основном за счет неудовлетворительного санитарно-технического состояния объектов водоснабжения в сельской местности (приложение К).
Методы обработки воды и очистные сооружения, рекомендуемые на основе классификации
В практике водообработки используются различные технологические приемы и методы улучшения качества воды. Выбор рациональных схем обработки природных и сточных вод представляет значительные трудности. Это объясняется сложностью состава природных и сточных вод и высокими требованиями к качеству очистки; изменением состава воды водоема в результате спуска стоков новых промышленных предприятий, развитием водного транспорта, осушением болот (расположенных выше по течению), расширением торфяных разработок и т. п. Такие нарушения усложняют не только проектирование новых, но и усовершенствование давно эксплуатируемых очистных сооружений. Соображения, положенные в основу разработанной нами классификации, сделали возможным на примере обработки природных вод систематизировать существующие методы водообработки.
Дня лучшей ориентации при выборе метода, обеспечивающего требуемую степень очистки воды, составлены таблицы (приложение И), содержащие данные о процессах и технологических способах обработки воды, условиях их применения в зависимости от качественных показателей последней, о применяемых реагентах и их расходах, компоновке очистных сооружений, степени очистки воды. В приложении И приведены методы удаления из воды веществ первой группы классификации. Разнородный характер примесей группы приводит к необходимости использования нескольких процессов. Комплекс очистных сооружений, обеспечивающий их протекание, включает смесители, камеры реакции, отстойники (осветлители), фильтры - при двухступенчатой схеме очистки, или контактные осветлители, либо контактные фильтры - при одноступенчатой схеме.
В приложении И перечислены методы, рекомендуемые для удаления из воды веществ второй группы. Они достаточно действенны и предпочтение одних перед другими должно основываться на результатах лабораторной проверки. Для разрушения микрогетерогенных систем, образуемых примесями второй группы, целесообразны процессы окисления, адгезии и адсорбции на гидроокисях алюминия и железа, агрегация с применением флокулянтов катионного типа и др.; для вирусов - вирулицидное воздействие. Как и в случае примесей первой группы, комплекс очистных сооружений, необходимых для осуществления этих процессов, состоит из типовых элементов, используемых в двухступенчатой или одноступенчатой схеме очистки воды.
Основные методы очистки воды от примесей, представляющих собой молекулярные и ионные растворы, даны в приложении И. Для молекулярно растворимых веществ применимы процессы десорбции соединений, окисление органических веществ, адсорбция на активированных углях и других сорбентах, экстракция органическими растворителями, отгонка паром - эвапорация и др.
Для удаления электролитов более характерно использование ионных процессов: перевод в малодиссоциированные (нейтрализация, комплексооб-разование) или малорастворимые соединения (образование солей, гидратов и др.), фиксация на твердой фазе ионитов (Н- и Na-катионирование, ОН-анионирование), сепарация изменением фазового состояния воды с переводом ее в газообразное состояние (дистилляция) или в твердую фазу (вымораживание, гидратообразование), перераспределение ионов в жидкой фазе (экстракция, обратный осмос), разделение ионов в электрическом поле и др. Установки, предназначенные для осуществления этих процессов, могут дополнять основные очистные сооружения. Иногда проведение процессов удаления молекулярных и ионных примесей возможно наряду с выделением дисперсных загрязнений в типичной для них аппаратуре.
В 1 мл воды в период ее «цветения» количество клеток фитопланктона достигает 150-200 млн. Поступая на очистные сооружения, предназначенные для осветления воды, планктон нарушает их нормальную работу, резко снижает производительность, увеличивает расход воды на собственные нужды очистных сооружений.
Хотя водоросли легко коагулируют, но образующиеся хлопьевидные агрегаты осаждаются очень медленно, так как фитопланктон относится к примесям воды, очень насыщенным газами (кислородом и углекислотой). Поэтому для повышения скорости осаждения хлопьев коагулятов, содержащих водоросли, их необходимо утяжелять, т. е, увеличивать дозу коагулянтов или добавлять в воду вещества, имеющие большую плотность, например глину, золу или осевшие при отстаивании шламы-коагуляты.
На этом влияние водорослей на технологию водоочистки не заканчивается. Вода, прошедшая через отстойники, всегда содержит существенное коли чество клеток водорослей, что обусловливает вероятность их повторного развития в системах водоснабжения. Отмечены случаи, когда во время поступления воды из отстойника на песчаные фильтры биомасса водорослей увеличивалась. При попадании последних в фильтрующий слой они обволакивали поверхность частиц загрузки фильтра, снижая пористость, ухудшали режим его работы и последующую промывку. Загрязненные водорослями фильтры требуют промывки не один-два, а пять-шесть раз в сутки, что соответственно увеличивает расход воды на промывку.
Поэтому водоросли стремятся удалить из воды до поступления ее на основные очистные сооружения. Для этого используют безреагентные методы отделения их от воды, процеживание последней через специальные микросетки. Такие аппараты называют микрофильтрами. Вода в них поступает самотеком, а содержащиеся в ней частицы задерживаются на внутренней стороне микросетки вращающегося барабана, Размер ячеек микросетки колеблется от 23 до 60 мкм, интенсивность фильтрования воды зависит от концентрации загрязнений и колеблется в пределах 8-23 л/с м2. Микрофильтры задерживают от 60 до 95 % сине-зеленых и от 45 до 75 % диатомовых водорослей, а также до 25 % взвешенных веществ.
Эффект микрофильтрования зависит от многих факторов, прежде всего от образования тонкого слоя плотных частиц, задерживающего на внутренней поверхности микросетки частицы значительно меньшей величины, чем размеры ячеек самой сетки.
В настоящее время за рубежом насчитывается более 70 действующих установок с микрофильтрами как малой, так и большой производительности; с их помощью обрабатывается более 2 млн. м3 воды в сутки. Общая производительность крупнейших установок с микрофильтрами, работающих на водоочистных сооружениях Лондона, составляет 910 тыс. м3/сут. В Ашфорде (Англия) микрофильтрование применяется для удаления планктона из воды, поступающей на медленные фильтры. Производительность этой самой крупной в мире установки 410 тыс. м3/сут.
Математическая модель теплообменных процессов в проточных суперкавитирующих аппаратах на базе СК-испарителей
Использование известных методов интенсификации процессов генерирования пара (вихревого, струйного и др.) лишь частично приводит к желаемому эффекту, поскольку в этом случае не удается реализовать условия, при которых за счет гидродинамики потока повышается энергоналряженность теплообменной поверхности.
Величина поверхности испарения (каверны) в этом случае зависит от многих факторов: числа кавитации х, степени стеснения потока d/Do, числа Фруда Fr, величины недогрева рабочей жидкости 7УГН- Однако вопросы совместного влияния указанных параметров на форму и размеры каверн, а также на количество получаемого из них пара в горячих и криогенных жидкостях практически не изучены.
В некоторых работах [124, 129] вводились только термодинамические поправки, косвенно учитывающие процессы испарения и физические свойства жидкостей при пузырьковой и других начальных стадиях кавитации в турбо-насосных агрегатах. В исследованиях по развитой кавитации, посвященных в основном движению тел в холодной жидкости, влиянием тепломассообмена пренебрегли, хотя такие режимы в ограниченных потоках могут рассматриваться для кавитационного испарения как предельные по температуре.
Только в нескольких публикациях [124] учитываются термодинамические эффекты при изучении развитых кавитационных течений в ограниченных потоках. Но использовать имеющиеся результаты для оценки совместного влияния температуры жидкости, пароотбора из каверн и степени стеснения потока на величину и форму каверн не представляется возможным, поскольку в них охвачен узкий диапазон по коэффициенту стеснения потока, а влияние принудительного пароотбора на форму каверн совсем не изучено. Известны соответствующие экспериментальные исследования.
Необходимо указать на те ограничения, которые связаны с принципиальной невозможностью получить одни и те же диапазоны чисел кавитации при изменении чисел Фруда и степени стеснения потока. Поэтому испытания проводили для каждого значения числа кавитации и степени стеснения потока с учетом соответствующих им предельных течений Xmin, когда изменение перепадов давлений не меняет кинематику течения.
В настоящем исследовании сделана попытка оценки влияния некоторых факторов на процессы кавитационного испарения. В частности, решалась задача определения температурного поля у границ цилиндрической каверны с гладкими границами раздела фаз, позволяющая оценить вклад конвективного теплообмена в теплоотдачу на поверхности каверны.
1. Водородный показатель рН ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003 г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод. КХАвод.Методика выполнения измерений рН в водах потенциометрическим методом. ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97
2. Взвешенные вещества ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003 г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод. КХАвод.Методика выполнения измерений содержаний взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом.ПНДФ 14.1:2.110-97
3. Массовая концентрация хлорид-ионов ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003 г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод. КХАвод.Методика выполнения измерений массовой концентрации хлорид-ионов в пробах природных и очищенных сточных вод меркуриметри-ческим методом.ПНДФ 14.1:2.111-97
4. Массовая концентрация сульфатов ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003 г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод. KXA вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации сульфат ионов в пробах природных и очищенных сточных вод турбиди-метрическим методом.ПНДФ 14.1:2.159-2000
5. Массовая концентрация общего железа ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003 г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод. КХАвод.Методика выполнения измерений массовой концентрации общего железа в пробах природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой.ПНДФ 14.1:2.50-96.
6. Массовая концентрация марганца ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003 г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод КХА вод.Методика выполнения измерений массовой концентрации марганца в пробах природных и сточных водах фотометрическим методом с применением персульфата аммония. ПНД Ф 14.1:2.61-96.
7. Массовая концентрация нефтепродуктов ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотведе-ния НК сточных вод. КХА вод.Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах питьевых, природных и сточных вод методом ИК-спектрофотомерии.ООО «Производственное экологическое предприятие СИБЭКО-прибор» г. НовосибирскПНДФ 14.1:2.5-95. Окончание таблицы 3. 8. Массовая концентрация хрома ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181от 24. 04. 2003 г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения HK сточных вод. КХАвод.Методика выполнения измерений массовой концентрации хрома в природных и сточных водах фотометрическим методом с дифенил-карбозидом.ПНДФ 14.1:2.52-96.
9. Химическое потребление кислорода (ХПК) ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181от 24. 04. 2003г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод. КХА вод. Методика выполнения измерений ХПК в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом. ПНД Ф 14.1:2.100-97.
10. Массовая концентрация цинка ГОСТ 27384-87. Вода Нормы погрешности измерений состава и свойства воды. Постановление администрации г. Красноярска № 181 от 24. 04. 2003г. о порядке утверждения лимитов водопотребления, водоотве-дения НК сточных вод. КХАвод.Методика выполнения измерений массовой концентрации цинка в пробах природных и очищенных сточных вод фотометрическим методом с сульфарсазеном.ПНДФ 14.1:2.195-2003.
Экспериментальные стенды и оборудование
В исследовательской практике вообще (и в области гидродинамики не исключение) отсутствует серийно выпускаемое оборудование для различных экспериментов и особенно с ярко выраженными специфическими особенностями объ екта исследования, условиями опыта и т. п. Это обстоятельство приводит к необходимости разработки специального оборудования.
В гидродинамических процессах с развитой пузырьковой кавитацией, используемых в различных технологиях [6], наблюдается сложнейшие в изучении пространственные интерференционные картины волн расширения-сжатия как результат динамики коллапса кавитационных микропузырьков. Одновременно необходимо учитывать быстроменяющиеся поля высоких давлений и температур, а также турбулентные микропотоки, обуславливающие микроперемешивание среды [55]. Анализ ранее полученных результатов показывает необходимость дальнейших более углубленных исследований с целью расширения сфер применения кавитационной технологии, уточнения исходных данных для расчета и проектирования суперкавитирующих механизмов, уточнения физических и математических моделей процессов кавитационного воздействия на жидкостные системы.
Указанная сложность гидродинамических и физических процессов, происходящих при кавитации, неизбежно приводит к необходимости физического моделирования и дальнейших экспериментальных исследований с различными объемами обрабатываемой среды с целью исключения влияния масштабного эффекта при проектировании технологического оборудования.
В работах [36, 60, 61] приводится достаточно полный обзор экспериментальных установок и техники модельных исследований в рассматриваемой области. Практика проведения таких работ указывает на необходимость, почти в каждом конкретном случае, построения специфической конструкции экспериментального стенда, учитывающего: особенности получения конечного продукта, условия внешних воздействий и физические характеристики кавитационного воздействия.
Исходя из положений, сформулированных в [36], разработан и построен суперкавитационный миксер, схема которого и общий вид показаны на рисунках 3.1 и 3.2.
Мощность электродвигателя 1 кВт; объем рабочей камеры - 2,5 10"4. Наличие гидротормоза 12 позволяет поддерживать эффективный однородный режим обработки жидкости. К особенностям конструкции установки следует отнести съемные рабочую камеру 8 и кавитатор 9 с валом 13, втулкой 14 и гидротормозом 12, что позволяет автоклавировать или подвергать антисептической обработке части стенда, соприкасающиеся с объектом исследования. Специально спроектированный блок питания электропривода позволяет плавно изменять число оборотов ротора в диапазоне 0-Ю4 об/мин. Электрические схемы блока показаны на рисунках 3.3-3.5 [60, 80].
Из технологических возможностей гидродинамической кавитации, рассматриваемых в [36, 75, 94,120,121] можно сделать вывод, что активация твердых и жидких систем, приводящая к изменению их физических и химических свойств, реакционной способности, дефектной (примесной) структуры и т. п., может быть осуществлена различными внешними воздействиями: слабыми и сильными. К таким воздействиям можно, в частности, отнести механическую, магнитную, ультразвуковую обработку, радиационное воздействие (например, облучение гамма квантами и ионными пучками), а также термообработку. Методы активации можно подразделить на методы, разрушающие образцы в целом (диспергация) и не разрушающие, а изменяющие только дефектную структуру.
Исследования гидромеханической обработки воды (как достаточно сильного воздействия) показали, что последующая активность воды проявляется как в макромасштабе, так и на микроуровнях (на молекулярном и субмолекулярном) [36].
Суть гидродинамического воздействия может быть сведена к действию двух механизмов: распространению ударных волн вблизи схлопывающегося кавитационного микропузырька и ударному действию кумулятивных микроструек при несимметричном коллапсе кавитационных микропузырьков. Причем в данном контексте способ получения кавитационных микропузырьков безразличен. Этим основным механизмам сопутствует повышение температуры и давления вблизи пузырька, делая локальную область около него уникальным реактором для проведения различных реакций и процессов.
В исследовательской практике механической обработки чистых жидкостей, растворов, расплавов, суспензий и смесей широко используются виброактивация и виброперемешивание, акустические методы, вибровакуумультразву-ковая обработка, электрогидравлическое и виброэлектрогидравлическое воздействие, дезинтеграция, гидродинамическая активация, струйное измельчение и кавитационная обработка. Известно, что в процессе обработки жидких сред происходит активация всех компонентов гетерофазных смесей, приводящая к качественно новым результатам.
Современное состояние техники базируется на трех технологиях, характеризующихся процессами катализа и перемешивания; диспергации (механической, химической, биохимической); воздействия полей повышенных давлений и температур. Кавитационное воздействие на обрабатываемые среды включает все перечисленные технологии в комплексе, что позволяет выделить его в четвертый способ качественного изменения объекта- кавитационную технологию [36].
На основе известных методов обработки жидких сред разработан целый ряд конструкций установок для использования в производстве и в проведении научных исследований. Анализ эффективности физического воздействия на водные системы [36] показывает, что наиболее перспективным способом обработки является гидродинамическая кавитация.
На рисунках 3.4 и 3.5 представлена схема и внешний вид экспериментального стенда для изучения процессов получения высокодисперсных эмуль сий (суспензий). Стенд разработан и построен в КГТУ на базе кавитационного смесителя [1]. Его конструкция позволяет установить влияние вязкости, времени, температуры, числа кавитации, конструктивных и других параметров кавитационного потока на физические и технологические характеристики получаемых эмульсий и суспензий (дисперсность, стабильность, седиментационные и фильтрационные характеристики и др.).
Предлагаемая в данной работе конструкция лабораторного стенда основана на применении в качестве рабочего органа (кавитатора) суперкавитирую-щей крыльчатки, лопасти которой представляют собой клиновые профили, рисунок 3.6. Мощность электродвигателя составляет 1 кВт; объем рабочей камеры -2,5-10 м . Специально спроектированный блок управления электродвигателя позволяет плавно изменять число оборотов ротора в диапазоне 0-104 об/мин и стабилизировать заданное число оборотов кавитатора независимо от нагрузки. Наличие системы гидротормоза 8 позволяет поддерживать эффективный однородный режим обработки жидкости. Более подробно конструктивные и режимные особенности стенда описаны автором в [1,51, 52,74, 75].
