авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Технология гидротермодинамической обработки природных и сточных вод с использованием эффектов кавитации

На правах рукописи

ДУБРОВСКАЯ Ольга Геннадьевна ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТОВ КАВИТАЦИИ 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника 05.23.04 – водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2007 2

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Кулагин В. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Турутин Б. Ф.

доктор технических наук, профессор Степанов С. Г.

Ведущая организация: ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс»

Защита состоится 8 ноября 2007 года в 16 часов в ауд. Г-224 на заседании диссертационного совета Д 212.099.03 в ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26.

Тел.: (8-3912) 49-79-90, факс: (8-3912) 91-21-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Политехнического ин ститута ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат дис сертации размещен на сайте http://www.sfu.krasn.ru/science/postgraduate/report Автореферат разослан 8 октября 2007 г.

Ученый секретарь доктор технических наук, профессор Сильченко П. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и вне дрения в производство новых более совершенных теплофизических процессов обработки природных и сточных вод. Задачи, решаемые настоящим исследова нием, являются также частью проблемы энергоресурсосбережения, или энерго эффективности производств. Их можно решить используя тепломассообмен ные, термодинамические и другие эффекты, проявляющиеся в двухфазных су перкавитационных потоках. Использование теплофизических и гидродинами ческих 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 Вос точной Сибири и Российской Федерации в целом. Здесь сконцентрированы предприятия различных отраслей промышленности: металлургической, маши ностроительной, химической, деревообрабатывающей и других видов произ водств. Для ускоренного развития и наращивания производственных сил требу ется надежное обеспечение сырьевыми ресурсами, важное место среди которых занимают ресурсы пресных вод.

Помимо этой задачи, наиболее остро стоит проблема обеспечения насе ления качественной питьевой водой. В последние десятилетия в результате ин тенсивного антропогенного воздействия заметно изменился химический состав природных (поверхностных и подземных) вод. Проблема качества питьевой во ды затрагивает очень многие стороны жизни человеческого общества в течение всей истории его существования. В настоящее время питьевая вода – это про блема социальная, политическая, медицинская, географическая, а также инже нерная и экономическая. В основе гигиенических требований к качеству воды для питьевых и бытовых нужд лежит принцип безопасности в эпидемиологиче ском 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 во да из подземных источников может содержать единичные клетки патогенных микроорганизмов, но основную угрозу представляет вода, вторично загрязняе мая микробами при нарушении герметичности водопроводной сети.

В воде источников водоснабжения обнаруживаются несколько тысяч ор ганических веществ разных химических классов и групп. Органические соеди нения природного происхождения, а именно жизнедеятельности фитопланкто на, – гуминовые вещества, различные амины, др., которые способны изменять органолептические свойства воды, оказывать пагубное влияние на здоровье че ловека.

Анализ результатов исследований отечественных и зарубежных ученых свидетельствует о том, что до настоящего времени недостаточно полно изуче ны 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 последст вия обработки природных и сточных вод, с учетом их эффективности и эконо мической целесообразности.

Объект исследования – тепломассообменное оборудование для обработ ки и кондиционирования воды.

Предмет исследования – теплофизические и гидродинамические эффек ты кавитации в процессах обработки природных и сточных вод.

Основная идея работы состоит в системном использовании термодина мических процессов кавитации при обработке и кондиционировании вод раз личного назначения и обеспечении наилучших экологических и экономических показателей новых технологических решений на стадии проектирования очист ных систем.

Целью работы является создание технологии кондиционирования при родных и сточных вод с использованием термодинамических эффектов кавита ции.



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, влияю щие на степень очистки воды;

3. Оценить качество источников водоснабжения Красноярского края с учетом влияния сложных гидротермических условий;

4. Разработать методы расчета технологического оборудования, реали зующего интенсивные тепломассообменные процессы обработки воды;

5. Провести экспериментальные исследования действия теплофизических эффектов кавитации на биообъекты с целью определения эффективности при менения 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: установ лены закономерности динамики источников водоснабжения Красноярска и края и дана их классификация по классам и типам водопользования;

выявлены гид ротермические особенности функционирования и экологического состояния природно-технической системы (ПТС) на примере открытого водозабора «Гре мячий лог»;

2. Найдены теплофизические и гидродинамические зависимости измене ния поверхностного натяжения, электропроводности, рН среды, кислородосо держания воды и времени их релаксации от температуры, давления, числа ка витации и времени процесса кавитационной обработки;

3. Показано, что интенсивность теплоотдачи в суперкавитационном пото ке – 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 теп лоотдачи;

4. Разработан и реализован метод расчета двухфазного суперкавитацион ного течения в проточных (суперкавитирующие испарители) аппаратах, осно ванный на учете критериального уравнения для числа Нуссельта;

получены но вые эмпирические формулы для вычисления параметров каверны;

5. Обосновано использование термодинамических эффектов кавитации для очистки вод от фитопланктона при водоподготовке с точки зрения экологи ческой безопасности и экономической целесообразности;

Использование результатов работы:

Методы расчета оборудования и натурные данные по открытым водоза борам использованы в ООО «Красноярский жилищно-коммунальный ком плекс» при проектировании нового оборудования обработки и кондициониро вания воды водозаборных сооружений открытого типа.

Экспериментальные результаты по изменению теплофизических характе ристик воды в результате кавитационного воздействия использованы в учебном процессе при разработке курсов лекций и курсового проектирования в Поли техническом институте и Институте архитектуры и строительства Сибирского федерального университета.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложен новый способ усовершенствования гидротермодинамического процесса очист ки 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 фунда ментальных законах теплофизики, гидрогазодинамики и подтверждается мет рологическими характеристиками использованного оборудования и приборов, а также на сравнении экспериментальных данных с результатами расчета и дан ными, опубликованными в научной литературе.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследова ний 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 на учно-технических конференций.

Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на … страницах основного текста, включающего 41 рисунок и 7 таблиц. Работа со стоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, спи ска использованных источников из 135 наименований и приложений.





ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены ее цель и задачи, отражены научные результаты, их научная новизна, теоретическая значимость и практическая ценность, а также приведено краткое содержание работы.

Первый раздел посвящен анализу современного состояния теории и практики технологий водоочистки. В разделе дана оценка тенденции и динами ки химико-биологического загрязнения реки в сложных гидрогеотермических условиях близкого расположения города. Выявлены термические, гидрологиче ские и другие факторы, определяющие степень воздействия загрязненной воды на здоровье человека. Рассмотрены термодинамические аспекты гидродинами ческой кавитации, а также роль гидродинамической кавитации в биологии, ме дицине, микробиологии.

Причиной загрязнения водных объектов являются промышленные и хоз бытовые стоки. Так, во многих речных системах, в том числе, в системе рек го рода Красноярска, отмечена тенденция увеличения концентрации ионов натрия, калия, магния, хлора, сульфат-ионов, нитрат-ионов, фосфат-ионов и др., а так же содержания тяжелых металлов, радионуклидов. В настоящее время следст вием антропогенного пресса является нарушение в гидроэкосистемах процесса трансформации энергии, вещества и информации, ведущее к сбою функциони рования внутриэкосистемных структур и связей и накоплению вещества и энер гии в виде загрязнителя.

При этом следует учитывать тот факт, что при традиционных технологи ях кондиционирования воды нельзя добиться полной стерилизации и в воде мо гут оставаться единичные, сохраняющие жизнеспособность микроорганизмы, вызывающие опасные заболевания человека. В периоды цветения водоема ко личество клеток фитопланктона достигает 150-200 млн. в одном миллилитре воды. Попадая на сооружения, предназначенные для отстаивания и осветления воды, планктон нарушает их нормальную работу, резко снижает производи тельность и увеличивает расходы воды на собственные нужды очистных со оружений. Особенности накопления вредных веществ, их химические транс формации и воздействия на организмы (прямое или опосредованное при дви жении по экологическим цепочкам) подробно рассмотрены в работах Ю. А.

Кирпенко, Л. А. Сиренко, В. М.Орловского, А. П. Казанцева, О. М. Кожовой, С.

С. Тимофеевой и др.

Реальными практическими методами, обладающими необходимым по тенциалом обеззараживания воды и прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях водоподготовки, являются хлорирование, озонирование, обработка диоксидом хлора и УФ-облучение. Однако в настоя щее время сохраняется риск возникновения заболеваний, связанных с употреб лением населением питьевой воды, содержащей вирусы и простейшие. Попыт ки повышения надежности обеззараживания воды в отношении этих микроор ганизмов посредством увеличения доз хлора приводит к образованию опасных для здоровья человека хлорорганических соединений.

Однако все вышеперечисленные методы имеют ряд недостатков, которые не позволяют отнести данные технологии водоочистки к экологически безопас ным. Характеристики технологических процессов и схем, применяемых при очистке воды, а также обоснованность выбора конкретного метода в каждом случае рассмотрены в работах Л. А. Кульского, П. П. Строкача, Г. И. Николад зе, Д. М. Минца, А. А. Кастальского и др..

Такие проблемы как накопление в воде побочных продуктов реакции при реагентных методах очистки воды или УФ-излучении возможно решить, ис пользуя тепломассообменные, термодинамические и другие эффекты, прояв ляющиеся в двухфазных суперкавитационных потоках. Использование кавита ционной технологии (В. М. Ивченко, В. А. Кулагин, А. Ф. Немчин и др.) спо собствует механотермолизу структур воды с появлением свободных водород ных связей, диспергации и гомогенезации твердых и органических включений без образования побочных продуктов реакции, опасных для жизнедеятельности человека и высших гидробионтов.

Результаты анализа литературных источников подтвердили целесообраз ность поставленных в работе задач.

Во втором разделе сделана попытка оценки влияния гидротермодинами ческих 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 те плообмена в теплоотдачу на поверхности каверны. Эта задача может быть сфор мулирована следующим образом:

уравнение неразрывности:

divV = 0. (1) уравнение движения:

V P r (l 1) т r g (2 l )1 ( 1) l 1 2 r 0.

(2) r r x уравнение энергии:

2T a (l 1)a т a T T a (l 1)a т 2 (l 1) т V, (3) x R y y y y где r, x – радиальная и осевая цилиндрическая координаты;

y = R – r;

R – радиус трубы.

Начальными условиями к (2)–(3) будут условия в точке отрыва потока от поверхности кавитатора при (x = 0). Граничные условия по жидкостному пото ку выбираются соответственно у стенки трубы при (у = 0) и у границы каверны при (у = ):

V V V1 = 0 при y = 0;

1 1 2 2 при y =.

y y Совместное решение уравнений движения (1)–(2) приводит к выражени ям вида:

Re1 2 1 h (2 h )h 3 1 (1 ) ln(1 h ) u 8Fr1 1 (1 ) ;

u h(2 h ) ln(1 ) (4) h( 2 h ) u Re1 1 1 h u2 exp M 0 (h ) f M 0 exp M 0 (1 ) 2 Re 2 2 h d ;

(5) (1 ) exp M 0 (1 ) h где h(2 h )(1 2 2 ) 1 h Fr M0 ;

(1 h ) Fr (1 h ) Fr 8 2 2 V1 V Re1 4V1 V11 ;

Re 2 2V2 ( R )V21 ;

u1 ;

u2 2 ;

V1 V V22 V22 1 h r ;

1 ;

h ;

;

Fr2 ;

f Fr g ( R ) g Re 2 R R – толщина слоя жидкости между стенкой трубы и поверхностью каверны, за висящая от степени стеснения потока и гидравлических параметров потока;

2 – опытная постоянная, определяемая из условий движения паро-газовой среды у границы каверны, зависящая от отбора пара;

– коэффициент гидравлического сопротивления;

индекс «» здесь и далее означает значение соответствующей величины на границе раздела компонент, причем V1 V1 1. (6) Здесь V1 – средняя скорость жидкости в кольцевом сечении, направленная вдоль поверхности каверны.

Задача вычисления конвективного теплообмена на границе каверны сво дится к интегрированию уравнений (3) при следующих начальных и граничных условиях T1 T1o ( y );

T2 T2 ( y ) при х = 0;

T1 Tc (x ) при y = 0;

T2 T2 R (x ) при y = R, (7) T2 T2 ( x);

T2 T2 ( x) если y = (8) индексами с,, о, R – обозначены значения величин соответственно на стенке трубы на границе раздела фаз, в точке отрыва жидкости от поверхности кавита тора и на оси потока.

Сопоставляя полученный результат вычислений относительно числа Нус сельта со значением коэффициентов, полученных при решении модели, видим, что интенсивность теплоотдачи является сложной функцией следующих ком плексов Nu Nu;

L / R;

d / Do ;

Re;

Fr1 ;

1 / 2 ;

Pr1 ;

R / 1 ;

a1 / y.

Расчет показал, что конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи в зависимости от параметров на входе в рабочий модуль СК-аппарата составляет от 15 до 40 % общего коэффициента теплоотдачи.

В настоящем исследовании была сформулирована также задача отыска ния профиля скоростей внутри пограничного слоя на межфазной границе ка верны, которая решалась как сопряженная – для жидкой и паровой компонен ты. Для профиля скорости жидкости на границе каверны получено выражение:

к (1 n ) n(к 1) V1x V1o erf кn, (9) кn 2 0,5 V 1, V 0,5 1,5 ;

n = 20.

где к = 1 1 V10 V В указанном решении учитывались экспериментальные данные, в том числе и полученные нами, по определению степени увлечения парогаза жидкой фазой. Сопоставление теоретических расчетов, выполненных по формуле (9), с экспериментальными результатами профиля скорости, например, по данным Оба Р., показывает их достаточно хорошее соответствие, В третьем разделе приведена методика экспериментального исследова ния, техника натурных и лабораторных биохимических исследований. Описаны экспериментальные стенды и оборудование. С целью исследования физико химического воздействия гидродинамической кавитации на водные системы были разработаны лабораторные стенды, включающие в себя реактор с супер кавитирующим винтом и проточный рабочий участок, вспомогательное и изме рительное оборудование. Технические возможности стенда обеспечили иссле дование влияния гидродинамической кавитации в атмосфере различных газов на следующие параметры состояния воды: кислородосодержание, рН, наличие Н2О2. В качестве изучаемого объекта использовались: вода водопроводная (от стоявшаяся, не отстоявшаяся), бидистиллят. Оценка погрешности подтвердила удовлетворительную точность полученных результатов.

В четвертом разделе приведены результаты натурных и модельных ис следований теплофизических особенностей воздействия кавитации (на водные системы, объекты живой природы) и природно-технической системы открытого водозабора «Гремячий лог».

Экспериментальные данные для относительной длины и ширины каверн за кавитаторами-конусами при различных значениях чисел Фруда и кавитации (Т0 = 20°С) показывают, что характер изменения основных размеров каверн L, В при больших стеснениях потока d/D0 остается таким же, как и при малых d/D0 0,1 (рисунки 1 и 2).

относительная длина каверны Lк 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1, число кавитации х Рисунок 1 – Зависимость относительной длины каверны Lк от числа кави тации :

--- расчет по формуле (4.1);

О – Fr = 41,9;

– Fr = 37,4;

–Fr = 25,1;

– Fr = 21, Однако увеличение степени стеснения потока и уменьшение чисел Фруда приводит к увеличению чисел кавитации min, при которых реализуется пре дельная форма суперкавитационного обтекания (когда площадь миделевого се чения каверны и ее длина при данном стеснении достигают максимальной ве личины SK max, Lmax).

Установлено, что применение известных теоретических и эксперименталь ных соотношений L, В = (d/D0,, Fr) для малых стеснений (d/D01), в случае оценки размеров каверн при стеснениях, превышающих d/D0 0,25, приводит к значительным погрешностям (рисунок 3). Численные расчеты К. Бреннена, Л.Г. Гузевского и А. Н. Иванова в диапазоне стеснений потока d/D0 0,2 для относительной длины каверны дают более точное согласование с эксперимен тальными результатами (рисунок 4).

относительная длина каверны Lк 1,06 1,08 1,1 1,12 1, число кавитации Рисунок 2 – Зависимoсть относительной длины каверны LK от числа ка витации :

--- d/D0 = 0,50;

— расчет по формуле (10) относительная ширина каверны 1, В 0, 1 1,05 1,1 1,15 1, число кавитации х Рисунок 3 – Зависимость относительной ширины каверны B от числа ка витации : 1 – d/D0 = 0,5;

2 – расчет по формуле В. А. Лапина;

3 – расчет по формуле А. П. Кулака Путем обработки экспериментальных результатов, а также используя по ложения теории подобия и метод -теоремы, получили зависимость для диапазо на стеснений потока 0,025 d/D0 ;

0,5:

L 0,1 2,0 d / D 1, Fr0,5 Re 0,25. (10) 0, 0, d/L 0,4 0, 0 0,2 0,4 0,6 0, число кавитации х Рисунок 4 – Относительная длина каверны Lк как функция числа кавита ции :

----- – расчет К. Беннета ;

1 – d/D0 = 0;

2 – d/D0 = 0,095;

3 – d/D0 = 0,13;

4 – d/D0 = 0,16;

5 – d/D0 = 0,2;

6 – d/D0 = 0,23;

– d/D0 = 0,29 – эксперимент (конус, = 450).

Вывести аналогичную зависимость для более широкого интервала коэффициен тов стеснения потока было невозможно, т. к. отсутствовали достаточно обосно ванные экспериментальные результаты. Отклонение расчетных и эксперимен тальных данных не превышает 15 %.Такое расхождение измеренных и вычис ленных значений L = f() из-за условности самого понятия длины каверны мож но считать допустимым.

В приведенных экспериментальных результатах (см. рисунки 1 и 2) влияние фазовых превращений на границе раздела фаз при определении ос новных размеров каверн (L, В) не учитывали. Такое упрощение правомочно, потому что в качестве рабочей жидкости использовали холодную воду (Т0 = 20°С) с низким давлением насыщенных паров, следовательно, массой пара можно пренебречь.

С увеличением температуры влияние тепломассообменных процессов на геометрические параметры кавитационных полостей становится существен ным. Поэтому проведен соответствующий комплекс экспериментальных иссле дований, конечная цель которого – получить аналогичные зависимости по от носительным размерам каверн (в частности, ее длины) с учетом влияния фазо вых переходов на границе каверн и принудительного пароотбора (рисунок 5).

Экспериментальные данные по влиянию термодинамических эффектов на раз меры и форму каверн, без пароотбора как и для холодной жидкости, обобще ны в виде эмпирического уравнения, позволяющего определять относитель ную длину каверн в диапазоне стеснений потока 0,24 d/D0 0,5, чисел Фру да 7,5 Fr 14,5 и степени недогрева Т0/ТН жидкости на входе в камеру испа рения при температурах Т0 = 100–120 °С:

L 0,06 2,0 d / D0 Fr0,5 Re 0,25 T / T 0, 1, (11) относительная длина каверны Lк Ряд Ряд Ряд 6 Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд 0,8 1,2 1,6 2 2, число кавитации Рисунок 5 – Зависимость относительной длины каверны LK от числа ка витации : d/D0=0,36;

Fr = 14,5;

- - - - без пароотбора;

••• – с пароотбо ром;

--------- – расчет по формуле (11) О влиянии величины пароотбора на характер кавитационного обтекания можно судить из результатов, приведенных на рисунке 5. С увеличением от бора пара из каверны ее относительная длина уменьшается, а число кавитации, вычисленное по давлению в каверне, увеличивается.

Установлено, что величина пароотбора существенно влияет на перепад температур в каверне, причем с увеличением отбора пара влияние температуры невозмущенного потока на перепад температур в каверне уменьшается.

Рассмотрим теперь некоторые тепломассообменные характеристики СК испарителей. На рисунке 7 приведены экспериментальные зависимости удельно го паросъема от числа кавитации.

Из графика видно, что экспериментально полученные величины удельного паросъема достигают в среднем 800 кг/(м2ч) и в отдельных случаях – 1200– кг/(м2ч). По сравнению с характеристиками лучших современных испарителей (пленочного типа, мгновенного вскипания) этот параметр в2–2,5 раза выше.Такой высокий удельный паросъем с 1 м2 поверхности каверны объясняется одновремен ным действием многих интенсифицирующих процесс тепло-массопереноса факто ров, однако определяющими следует считать два из них:

в жидкости на границе с каверной вследствие ускорения потока после от рыва от кавитатора возникают «обратные» пограничные гидродинамические и тепловые слои с высокими градиентами скоростей и температур;

разрыв жидкости происходит в основном за счет растягивающих на пряжений, обусловленных силами инерции при обтекании навигаторов, а не за счет процессов испарения. Поэтому при достаточно высоком пароотборе давление в каверне может быть существенно ниже равновесного, что, обу словливает высокую скорость испарения.

температура в каверне Т 60 70 80 90 100 110 120 температура невозмущенного потока Т а 1, температура в каверне 0, 0, 60 70 80 90 100 110 120 температура невозмущенного потока Т б 1, температура в каверне Т 0, 0, 60 70 80 90 100 110 120 температура невозмущенного потока Т в Рисунок 6 – Снижение температуры в каверне Т в зависимости от тем пературы невозмущенного потока: эксперимент авторов с пароотбором, d/D0 = 0,24;

= 450 (а);

расчет (б) и эксперимент (в) Дж. Холла удельный паросъем G кг/(м2 ч) 0 2 4 6 число кавитации х Рисунок 7 – Зависимость удельного паросъема О от числа кавитации:

О – Т0 = 110°С;

– Т0 = 115°С;

– Т0 = 120°С;

1 – d/D0 = 0,36;

2 – d/D0 = 0, Анализ экспериментальных данных по теплоотдаче при испарении жидкости в каверну показывает, что этот процесс имеет общую с процессом испарения и кипения физическую сущность и природу.

Однако учет значений физических характеристик при соответствующей температуре жидкости исключает расслоение по температурам среды, остается лишь небольшое расслоение по степени стеснения потока, которое также не сколько уменьшается в связи с использованием в качестве характерного гео метрического размера диаметра кавитатора.

В результате обработки опытных данных критериальное уравнение при нимает вид Re 0,25.

1, Nu 0,11 Pen (12) Зависимости (10)–(12) и экспериментальные данные (см. рисунки 1–7) можно непосредственно использовать для расчета СК-испарителей и дегазато ров. С помощью такого оборудования возможно кондиционировать природные и сточные воды (опреснять, дегазировать, удалять примеси и т. п.).

С целью определения устойчивых природных характеристик воды, а так же определения ее класса качества проводилась обработка результатов гидро химических и гидробиологических исследований. Рассмотрены данные за пе риод 1999 – 2005 гг. Были выявлены доминирующие группы водорослей, их влияние на качество воды и последствия для жизнедеятельности животных и человека: Род. Asterionella: Aserionella Formos, A.gracillima;

Род. Diatoma: Di atoma vulgare Bory.,Diatoma elongatum, D. hiemale;

Род. Fragielaria: F.crotonensis Kitt, F. capucina Desm, F. intermedia Grua;

Семейство Coscinodiscaceae: Род.

Melozira Ag., Melozira varians Ag, Melozira undulatа (Ehr) KiItz, M. distans (Ehr) kiitz v. alpigena Crun, M. granulatа (Ehr) Ralfs, M. granulatа nar. Angustissima.

Наибольшее развитие фитопланктона ежегодно наблюдается в период с марта по август, что объясняется особо благоприятными физико-химическими условиями, создающимися для них в это время, главными из которых являются продолжительность и интенсивность освещенности (световой режим). В этот же период наблюдаются максимумы концентраций таких веществ как: ионы аммония (N), нитраты (NO3), нитриты (NO2), сульфаты, хлориды, фториды, же лезо. Для установления зависимости между данными веществами и биомассой фитопланктона были рассчитаны коэффициенты корреляции, а также проведе на оценка лимитации биогенами продуцирования органического вещества фи топланктоном. Оценка лимитации биогенами первичной продукции проводи лась на основе гидрохимических наблюдений за содержанием аммонийного, нитpитного, нитратного азота, минерального фосфора и кремния.

Удельная скорость (интенсивность) первичного продуцирования ОВ фи топланктоном Мf является функцией температуры воды f(t), освещенности f(I), концентраций биогенных элементов, главным образом фосфора f(P), азота f(N), кремния f(Si) а также зависит от других факторов, в т.ч. и от концентрации за грязняющих веществ. Оценка проводится только f(P), f(N), f(Si) по формулам Михаэлиса – Ментен – Моно.Данная методика дает ответ на вопрос, во сколько раз недостаток того или иного биогена уменьшает Мfmax? Из расчета видно, что наибольшей лимитирующей способностью обладает фосфор рисунок 8. При увеличении количества фитопланктона на 10% наблюдается закономерное уве личение концентраций выше перечисленного ряда веществ, что представлено на рисунке 9.

лимитация первичной продукции биогенами 3, степень лимитации 2, rn rsi 1, rsp 0, 2001 2002 2003 2004 годы Рисунок 8 – Лимитация первичной продукции биогенами В рамках выполнения натурных наблюдений мониторингового типа на гидрообъекте водозабора «Гремячий лог» реки Енисей был произведен анализ экологической ситуации данной природно-технической системы (ПТС) по обобщенным классификациям и типизациям водных объектов, используемых для характеристики трофности, качества воды, сапробности вод.

среднегодовое повышение концентрации показателей качества воды и концентрации планктона.

% повышения концентрации.

ты о ы фт ы ы цв то н ни ы ы ть му ть ни я ез ни ид ол ид ат ит ос фа с ел но к тр ио фен мо тр ор ор тн ан ль ж ет хл ам пл су ны показатели Рисунок 9 – Среднегодовое повышение концентрации показателей каче ства воды и концентрации планктона среднегодовое значение количества фитопланктона до очистки после очистки 1999 2000 2001 2002 2003 2004 годы Рисунок 10 – Изменение среднегодового количества фитопланктона Применяемые методы не дают полной очистки от фитопланктона, следо вательно невозможно говорить о 100% качестве питьевой воды по биологиче ским показателям. Средний ежегодный показатель очистки составляет – 65,81 %. Анализ среднегодичной степени очистки от фитопланктона представ лен следующей на рисунках 10 и 11.

Несмотря на то, что среднегодовые значения данных показателей не пре вышают предельно допустимых концентраций (за исключением остаточного хлора), отмечаются максимальные концентрации ряда веществ, совпадающие с пиками развития фитопланктона.

85 2003 год 2004 год2005 год 70 1999 год 65 2000 год 2002 год 60 1999 год2000 год2001 год % очистки 2001 год 2002 год 2003 год 2004 год 35 2005 год годы Рисунок 11 – Анализ среднегодичной степени очистки от фитопланктона Рисунок 12 – Зависимость относительного изменения концентрации О2:

0 от длительности обработки водопроводной неотстоявшейся воды в атмосфере газов: Ar ;

N 2 ;

He. Исходная концентрация кислорода в воде С0 = 40 %, Рисунок 13 – Зависимость 0 = f(tобр) в атмосфере воздуха: С0=100 %:

1 – бидистиллят, рН0 = 5,4;

2 – неотстоявшаяся водопроводная вода, рН0 = 7, Возможности кавитационной технологии по преобразованию характери стик воды иллюстрируются рисунками 12 и 13.Под действием кавитации в вод ном растворе, содержащим различные инертные и активные газы, возможно осуществление разнообразных химических реакций. Кавитационное иницииро вание этих реакций сводится к ионизации и возбуждению молекул воды, благо родных и активных газов, а также к диссоциации молекул Н2О. Каждый из этих процессов осуществляется за время порядка 10–14 с. В связи с тем, что продол жительность конечной стадии схлопывания кавитационного пузырька состав ляет 10–9–10–8 с, становятся возможными процессы передачи энергии и переза рядки с участием молекул инертных газов, идущие в газовой фазе. Наряду с указанными в кавитационной полости протекают реакции трансформирования радикалов с участием химически активных газов и рекомбинации радикалов за время 10–7–10–6 с. В результате этих процессов после схлопывания кавитацион ного пузырька в раствор переходят продукты радикального разложения моле кул Н2О, обнаруженные с помощью метода спиновых ловушек, и рекомбина ции радикалов, что приводит к накоплению в воде молекулярного кислорода, перекиси водорода и других соединений.

Изменение рН воды в р.езультате обработки в кавитационном поле про исходит за счет образования различных химических соединений, выход кото рых зависит от режима обработки, наличия в воде примесей, ее газосодержа ния. Разложение молекул во на радикалы Н и ОН приводит в дальнейшем к синтезу перекиси водорода, наличие которой способствует понижению рН во ды. На пример, кавитационное воздействие на воду в среде азота со возбужда ется образованием HNО2 и НNО3, повышающих кислотность системы. Суще ственное влияние на кислотно-щелочные свойства водного раствора оказывает концентрация в нем СО2, величина которой может изменяться в результате обработки воды в ГДК-реакторе.

Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать следую щие основные выводы:

1. Обработка воды в ГДК-реакторе приводит к росту концентрации моле кулярного кислорода, одним из механизмов образования которого являются химические процессы, инициируемые кавитацией и связан с разложением мо лекулы Н2О на радикалы в кавитационной полости;

2. При кавитационной обработке воды в условиях контакта с воздухом основным механизмом повышения ее кислородосодержания является растворе ние О2 в процессе кавитационного аэрирования;

3. С увеличением концентрации О2 в необработанной воде роль химическо го действия кавитации в процессе повышения кислородосодержания возрастает;

4. Качественное сходство в зависимости процессов образования О и Н2О2 от присутствующих газов указывает на параллельность их протекания;

5. Изменение рН водного раствора в результате его обработки в ГДК реакторе при прочих равных условиях зависит от концентрации в растворе СО и от газовой среды, в которой производится кавитационная обработка.

Рисунок 14 – Зависимость безразмерной концентрации с/с0 от числа кави тации 2P 1 Pd : а – кишечная палочка;

б – золотистый стафилококк;

V 1 30 с – 1 мин;

3 – 3 мин;

Со – исходная концентрация В работе также изучалось влияние кавитационной обработки на содержа ние кишечной палочки и золотистого стафилококка в питьевой воде. Опыты проводились с клиновидным кавитатором (угол при вершине клина составлял =20°) при температуре 20–22 °С. Варьировалось число оборотов ротора в диапазоне от 2 до 10 тыс. об/мин соответственно. Число кавитации, подсчитан ное для диаметра крыльчатке, составило = 0,56–0,02, время обработки –.

Измерения проводились с помощью метода светорассеяния и электронного микроскопа. Результаты эксперимента представлены на рисунке 14.

Как видно из рисунка 14, характер изменения концентрации для кишеч ной палочки стафилококка одинаков, близки и количественные характеристики, что, видимо, объясняется примерно одинаковыми характеристиками клеток.

Модуль Юнга равен соответственно ~5·109 и 4·108 дин/см2, а предел прочности клеточных оболочек составляет ~106–1011 дин/см2. Учтя эти данные и уровень расчетных значений при кавитационном воздействии (Р ~ 10000 атм;

T ~ к/с;

Т ~ 2000°К;

Рm ~ 10 Па), можно сделать заключение о достаточности сило вого воздействия для разрушения клеточного материала.

В данном случае, не вдаваясь в детали процесса разрушения клеток, дос таточно хорошо описанных в литературе, можно констатировать обеззаражи вающее действие кавитации на питьевую воду. Одновременно наблюдается го могенизация по размерам дисперсной и, в общем случае, гетерогенной фазы.

Полученные данные хорошо согласуются с результатом эксперимента с клет ками стрептококка и дрожжевой клетки Kluyveromyces fragilis.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Проведенные в данной работе исследования позволили сделать следую щие выводы и рекомендации:

1. Установлены закономерности динамики источников водоснабжения Красноярска и края и дана их классификация по классам и типам водопользо вания с учетом термических, гидрологических и других факторов. Выявлены гидротермические особенности функционирования и экологического состояния природно-технической системы (ПТС) на примере открытого водозабора «Гре мячий лог»;

2. Найдены теплофизические и гидродинамические зависимости измене ния поверхностного натяжения, электропроводности, рН среды, кислородосо держания воды и времени их релаксации от температуры, давления, числа ка витации и времени процесса кавитационной обработки. На основе обобщения экспериментальных результатов предложены новые эмпирические уравнения для расчета размеров каверн на холодной жидкости, а также с учетом тепло массопереноса на границе каверны в условиях естественного пароотбора.

Предложены соотношения для оценки величины коэффициента теплоотдачи с учетом фазовых переходов. Экспериментальные результаты по теплоотдаче ап проксимированы с точностью до 10% эмпирическими зависимостями;

3. Сформулированы и решены задачи определения температурного поля и профиля скоростей у границ цилиндрической каверны, позволяющие вычислять конвективную составляющую коэффициента теплоотдачи. Показано, что ин тенсивность теплоотдачи в суперкавитационном потоке – сложная функция чи сел Фруда, Рейнольдса и др. и конвективная составляющая коэффициента теп лоотдачи в зависимости от параметров на входе в технологический аппарат со ставляет от 15 до 40% общего коэффициента теплоотдачи;

4. Разработан и реализован метод расчета двухфазного суперкавитацион ного течения в проточных (суперкавитирующие испарители) аппаратах, осно ванный на учете критериального уравнения для числа Нуссельта и позволяю щие на стадии проектирования определять рациональные режимы работы и конструктивные параметры;

5. Обосновано использование термодинамических эффектов кавитации для очистки вод от фитопланктона при водоподготовке с точки зрения экологи ческой безопасности и экономической целесообразности.

Основное содержание работы

изложено в публикациях:

1. Дубровская, О. Г. Оценка экологического состояния природно технической системы – открытого водозабора «Гремячий лог» на реке Енисей / О. Г. Дубровская, Г. П. Крючков // Экология урбанизированных территорий, 2007. – № 4. – С. 45–51.

2. Дубровская, О. Г. Проблемы евтрофирования природно-технических гидроэкосистем / О. Г. Дубровская, В. А. Кулагин // Вестник КрасГАУ, 2007. – № 2 (17). – С. 146–153.

3. Дубровская, О. Г. Экологическая характеристика гидроэкосистем и ме тоды экологического инжиниринга / О. Г. Дубровская, В. М. Журавлев, В.А. Ку лагин // Вестник КГТУ. Вып. 28. Достижения теплоэнергетического факультета в истории развития энергетики региона. – Красноярск: КГТУ, 2002. – С.139–150.

4. Дубровская, О. Г. Устойчивое развитие ноосферной ориентации / О. Г. Дубровская // Экология и безопасность жизнедеятельности промышлен но-транспортных комплексов (ELPIT): Материалы международной научной конференции ELPIT – 2003. – Тольятти, 2003. – С.141–143.

5. Дубровская, О. Г. Влияние биологических показателей качества воды на характеристики водозабора / О. Г. Дубровская, В. А. Кулагин // Энергоэффек тивность систем жизнеобеспечения города: материалы VI Всеросс. НПК / Ред.

В. М. Журавлев, В. А. Кулагин. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. – С.232–241.

6. Дубровская, О. Г. Обеззараживание и кондиционирование питьевой и сточ ных вод / О. Г. Дубровская // Социальные проблемы инженерной экологии, природо пользования и ресурсосбережения: Материалы Всеросс. НПК / ред. Б. Ф. Турутин. – Красноярск: ООО «Издательский центр «Платина», 2006. – Вып. XII. – С. 50–59.

7. Дубровская, О. Г. Основные загрязнители водоисточников и их влия ние на здоровье человека / О. Г. Дубровская // Социальные проблемы инженер ной экологии, природопользования и ресурсосбережения: Материалы Всеросс.

НПК / ред. Б. Ф. Турутин. – Красноярск: ООО «Издательский центр «Платина», 2006. – Вып. XII. – С. 59–67.

Дубровская Ольга Геннадьевна Термодинамические аспекты обеззараживания природных и сточных вод с использованием эффектов кавитации Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 01.10.2007. Заказ Формат 60х90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИПЦ Политехнического института СФУ 660074, Красноярск, ул. Киренского,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.