Отчет о научно-исследовательской работе разработка модулей для производственных технологий
| Вид материала | Отчет |
- Отчет о научно-исследовательской работе; пояснительная записка к опытно-конструкторской, 14.47kb.
- Реферат отчет о научно-исследовательской работе состоит, 61.67kb.
- Отчёт о научно-исследовательской работе за 2009 год, 851.3kb.
- Отчёт о научно-исследовательской работе за 2011 год, 1208.93kb.
- Отчет о научно-исследовательской работе контракт, 1195.26kb.
- Отчет о научно-исследовательской работе, 4231.21kb.
- Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструктороской работе, 3288.39kb.
- Отчет о научно-исследовательской работе разработка концепции архитектуры программного, 551.78kb.
- Отчёт онаучно-исследовательской работе гу нии но ур за 2010 год, 997.69kb.
- Отчет о научно-исследовательской работе профессорско-преподавательского состава, 617.56kb.
1.2.2 Отсутствие отрицательных эффектов после дезинфекции
- Было установлено, что в результате действия озона на органические соединения последние переходят из биологически устойчивых форм в биоразлагаемые, которые затем легко усваиваются микроорганизмами. Сравнительный анализ показал, что после озонирования часто наблюдается значительный рост бактерий, в то время как в хлорированной воде данный рост не отмечался. Повторный рост микроорганизмов вынудил в ряде случаев либо отказаться вообще от озонирования, либо ввести дополнительное остаточное хлорирование. Однако применение хлорирования вслед за озонированием также имеет свои проблемы, связанные с последующим образованием хлорорганических соединений.
- В случае УФ-обеззараживания повторный рост бактерий не наблюдается, что позволяет в некоторых случаях применять метод без последующего ввода консервирующих доз хлора как для артезианской, так и для поверхностной воды. В ряде случаев, как например в системах централизованного водоснабжения, рекомендуется совмещать ультрафиолетовое обеззараживание с малыми консервирующими дозами хлора (при этом потребление хлора снижается в разы).
1.2.3 Нетоксичность для человека
- Одной из основных причин, из-за которых применимость традиционного метода обеззараживания хлором ставится сейчас под сомнение, является образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений. Хлорорганические соединения по данным многочисленных исследований по отношению к человеку обладают высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью. Хлорирование сточных вод перед сбросом в водоемы приводит к тому, что хлорпроизводные и остаточный хлор, попадая в естественные водоемы, оказывают отрицательное воздействие на различные водные организмы, вызывая у них серьезные физиологические изменения и даже их гибель. Считается, что озонирование является экологически более чистой технологией. Однако при озонировании также возможно образование побочных продуктов, классифицируемых нормативами как токсичные. При этом перечень таких продуктов не меньше, чем в случае хлорирования. К ним относятся броматы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, хиноны, фенолы и другие гидроксилированные и алифатические ароматические соединения.
- При использовании технологии обратного осмоса получают воду, близкую по составу к дистиллированной воде. Длительное употребление такой воды вредно для человека, так как происходит вымывание солей из организма.
- Ультрафиолетовое облучение, в отличие от окислительных технологий, не меняет химический состав воды. Многочисленные исследования показали отсутствие вредных эффектов после облучения воды даже при дозах, намного превышающие практически необходимые.
1.3 Основные технико-экономические преимущества разработки
1.3.1 Эксплуатационные особенности
- Хлор (жидкий и газообразный) является сильнодействующим ядовитым веществом, и при его транспортировании, хранении и использовании необходимо соблюдение специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала и населения.
- Использование для обеззараживания других хлорсодержащих реагентов (хлорной извести, гипохлорита натрия и кальция) менее опасно в обслуживании и не требует сложных технологических решений. Однако применяемое в этом случае реагентное хозяйство более громоздко в связи с необходимостью хранения больших количеств реагентов (в 3–5 раз больше, чем при использовании чистого хлора). Существенной статьей затрат являются также транспортные расходы на доставку хлорсодержащих реагентов.
- Метод озонирования в отличие от хлорирования технически сложен и для его реализации необходимо выполнение ряда последовательных технологических операций: очистки воздуха, его охлаждения и сушки, синтеза озона, смешения озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой, отвода и деструкции остаточной озоновоздушной смеси, отвода ее в атмосферу. Кроме того, требуется много вспомогательных процессов и оборудования.
- При эксплуатации озонаторных станций необходимо привлечение большого количества специально обученного обслуживающего персонала, в том числе для эксплуатации высоковольтного электрооборудования. Обязательно соблюдение строгих мер безопасности на рабочих местах.
- Технология обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением является наиболее простой как в реализации, так и при обслуживании УФ-оборудования. При использовании этой технологии не требуется обеспечения специальных мер безопасности и привлечения специального обслуживающего персонала. Максимальное рабочее напряжение, используемое при эксплуатации УФ-оборудования – 380 В. Принципиально отсутствует опасность передозировки в отличие от технологий хлорирования и озонирования.
1.3.2 Экономическая эффективность УФ-обеззараживания
- При обеззараживании природных и сточных вод объективно наиболее дорогостоящим является метод озонирования. Это относится в равной степени как к стоимости строительства и оборудования, так и к эксплуатационным расходам.
- Значительные эксплуатационные расходы при работе станции озонирования определяются главным образом высокой энергоемкостью процесса синтеза озона, а также затратами на содержание обслуживающего персонала и обеспечение зданий тепловой энергией.
- Другие методы обеззараживания – хлорирование и ультрафиолетовое излучение – значительно превосходя метод озонирования по технико-экономическим и эксплуатационным показателям, между собой примерно сопоставимы.
- Организация процесса обеззараживания хлорированием требует меньше капитальных вложений, чем внедрение УФ-оборудования. Однако несмотря на высокую стоимость УФ-оборудования, метод обеззараживания УФ-излучением имеет следующие преимущества:
- структура капитальных вложений, при которой удельный вес стоимости оборудования в общих затратах на строительство станции составляет 70–75 %, представляется наиболее благоприятной для реализации в связи с минимальным объемом строительно-монтажных работ (СМР);
- незначительные объемы СМР объясняются компактностью УФ-установок, позволяющей обеспечить их внедрение в существующие помещения очистных сооружений и насосных станций либо размещать их во вновь строящихся зданиях минимальных размеров, а также простотой в обслуживании, обусловливающей отсутствие требований по устройству специального грузоподъемного оборудования и, как следствие, малую высоту помещений;
- для обеззараживания воды методом УФ-излучения характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более озонировании, эксплуатационные расходы. Это связано:
- с незначительными затратами электроэнергии (в 3–5 раз меньшими, чем при озонировании);
- с отсутствием потребности в дорогостоящих реагентах: жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция;
- с простотой эксплуатации и отсутствием необходимости в специальном обслуживающем персонале и, как следствие, в затратах на его содержание;
- с отсутствием требований по организации специальных мер безопасности.
Следует также отметить, что оценку стоимости обеззараживания недопустимо производить в отрыве от оценки экономического ущерба, наносимого водоему-приемнику сбросом сточных вод, содержащих активный хлор и галогенированные соединения, образующиеся при хлорировании, а также побочные продукты озонирования. Никаких таких продуктов при обеззараживании воды методом УФ-облучения не образуется.
Использование УФ-обеззараживания принципиально не может нанести вред экологии.
1.4 Технико-экономическое преимущество индукционной лампы
перед аналогичными лампами ультрафиолетового обеззараживания
До настоящего времени основными недостатками технологии УФ-обеззараживания признавались необходимость частой замены большого количества используемых в УФ-оборудовании ламп. Принцип индуктивности, лежащий в основе ламп, разрабатываемых по данному проекту, позволяет создавать лампы большой мощности и долгого срока службы по себестоимости, соизмеримой со стоимостью конкурирующих аналогов.
Наиболее распространенными в России УФ-лампами, применяемыми для обеззараживания воды и воздуха, являются лампы, выпускаемые фирмами Philips и НПО «ЛИТ». Эти фирмы производят лампы широкого диапазона мощности: НПО «ЛИТ» – от 15 до 350 Вт, Philips – от 4 до
115 Вт. В качестве примера в таблицах 1.1 и 1.2 приведены для сравнения некоторые основные технические параметры УФ-ламп данных производителей, а также технические параметры ламп производства Института теплофизики (для ламп Института теплофизики приводятся значения, оцененные исходя из свойств конструкционных материалов).
Таблица 1.1 – Ультрафиолетовые лампы средней мощности
| Наименование | ДБ-75-2 | TUV 75W | Индукционная лампа 50 Вт |
| Производитель | НПО «ЛИТ» | Philips | Институт теплофизики |
| Выход УФ-излучения, % | 33 % | 35 % | 32 % |
| Срок службы, час | 12 000 | 8 000 | 100 000 |
| Длина лампы, мм | 1120 | 1213,6 | 150 |
| Диаметр колбы, мм | 26 | 28 | 30 |
| Цена, $ | 48 | 39 | 50 |
Таблица 1.2 – Ультрафиолетовые лампы высокой мощности
| Наименование | ДБ-300 | TUV 115W | Индукционная лампа 200 Вт |
| Производитель | НПО «ЛИТ» | Philips | Институт теплофизики |
| Выход УФ-излучения, % | 35 % | 33 % | 35 % |
| Срок службы, час | 12 000 | 5 000 | 100 000 |
| Длина лампы, мм | 1600 | 1213,6 | 420 |
| Диаметр колбы, мм | 19 | 40,5 | 40 |
| Цена, $ | 114 | 83 | 100 |
Для процесса обеззараживания воды имеются разработанные технологические схемы с выводом контроля за потоком УФ-излучения на компьютер, которые могут быть полностью автоматизированы,. Процессы промывки кварцевых чехлов УФ-ламп также разработаны и основаны на применении стандартного оборудования.
Интеллектуальная собственность, используемая в проекте, защищена патентом РФ
№ 2156008 «Безэлектродная разрядная лампа», зарегистрированным в Гос. реестре РФ 10.09.2000. Патентообладатели: Институт теплофизики СО РАН, Уланов И. М.
2 ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНДУКЦИОННЫХ УФ-0ЛАМП
2.1 Оценка выхода ультрафиолетового излучения
Д
ля предварительной оценки выхода ультрафиолетового излучения индукционных использовался измерительный стенд, схема которого представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Измерительный стенд для проведения тестовых испытаний УФ-ламп: 1 – ферритовые сердечники; 2 – первичная обмотка; 3 – высокочастотный источник питания; 4 – кварцевая газоразрядная колба; 5 – измерительный трансформатор тока (измерение силы тока разряда); 6 – вторичный виток (измерение напряжения горения разряда); 7 – хромель-копелевая термопара; 8 – датчик УФ-излучения
В качестве датчика УФ-излучения использовался стандартный поверенный УФ-радиометр ТКА-АВС. Исследовались различные образцы индукционных УФ-ламп с различными диаметрами разрядной трубки, габаритными размерами газоразрядной колбы и составом амальгамы (см. таблицу 2.1).
Грубую оценку выхода УФ-излучения и, следовательно, КПД разряда можно получить, считая индикатрису распределения излучения сферой и умножив показания радиометра на отношение длины лампы L к ширине щели х. Значения КПД при этом будут несколько завышены, но это не влияет на результат сравнения типов ламп и тепловых режимов.
Зависимость КПД индукционной лампы (выход бактерицидного излучения) от температуры стенки колбы представлена на рисунках 2.2. и 2.3.
Таблица 2.1 – Параметры исследованных индукционных УФ-ламп
| № | Диаметр трубки, мм | Длина*ширина, мм | Амальгама +Ar , P~100 Па | Магнитопроводы |
| 1 | 30 | 230130 | Hg 7 % In 93 % | 643830 2 шт. |
| 2 | 30 | 10590 | Hg 7 % In 93 % | 643830 1 шт. |
| 3 | 40 | 230140 | Hg 5 % Ag 5 % In 90 % | 644418 2 шт. |
Р
исунок 2.2 – Зависимость КПД индукционной лампы № 1 от температуры стенки колбы
Рисунок 2.3 – Зависимость КПД индукционной лампы № 3 от температуры стенки колбы
П
оскольку температура стенки разрядной колбы является важнейшим фактором, влияющим на концентрацию ртути в разряде и, следовательно, на выход УФ-излучения, предпочтение следует отдать образцу, обеспечивающему нужную температуру при меньшем напряжении, т. к. в этом случае «смягчаются» требования к ферритовым сердечникам (рисунки 2.4, 2.5).
Рисунок 2.4 – Зависимость температуры стенки колбы от напряжения горения разряда
п
ри фиксированном токе разряда (5 А). Диаметр трубки 30 мм
Рисунок 2.5 – Зависимость температуры стенки колбы от напряжения горения разряда
при фиксированном токе разряда (диаметр трубки 40 мм)
Как видно из рисунков 2.2 и 2.3, максимальное значение КПД индукционной УФ-лампы достигается при температуре стенок колбы 80 0С и с дальнейшим увеличением температуры практически не изменяется. При этом хотя КПД и уменьшается с ростом плотности тока, но ввиду уменьшения напряжения горения разряда (рисунок 2.3) полный КПД газоразрядной лампы остается практически неизменным и составляет около 30 %. Индукционная лампа № 3 с диаметром трубки 40 мм, имея габаритные размеры аналогичные размерам лампы № 1, обладает существенно меньшим напряжением горения разряда.
Таким образом, анализ представленных в данном разделе экспериментов позволяет сделать следующие выводы:
- Ввиду уменьшения напряжения горения разряда с увеличением диаметра разрядной трубки и, соответственно, уменьшения потерь в ферритовых сердечниках предпочтительнее использовать трубки большего диаметра. Максимальный диаметр трубки в данном случае ограничен только техническими сложностями при изготовлении замкнутой тороидальной газоразрядной трубки. В частности, для изготовления индукционных УФ-ламп мощностью 50–200 Вт желательно использовать газоразрядные трубки диаметром 40 мм.
- Оптимальная температура стенок газоразрядной колбы, соответствующая максимальному выходу УФ-излучения, составляет ~80–110 0С. Максимальный выход УФ-излучения составляет ~32–36 % от вкладываемой в лампу электрической мощности. При этом КПД лампы практически не изменяется при варьировании силы тока разряда в диапазоне 3–10 А. Таким образом, выбор силы тока разряда определяется только из условия достижения требуемой рабочей температуры стенок разрядной колбы. В частности, для режима свободной конвекции (открытая лампа) требуемая сила тока разряда составляет ~7 А.
На основании сделанных оценок в качестве рабочей лампы для модуля обеззараживания воды выбрана лампа с диаметром трубки 40 мм, общей длиной 42 мм, питаемая источником мощностью 200 Вт на частоте 140 кГц.
Общий вид лампы представлен на рисунках 2 и 3 приложения Б.
2.2 Спектр излучения ртутной индукционной лампы
Для исследования спектральных характеристик лампы использован миниатюрный оптоволоконный спектрометр AvaSpec-2048-FT-2-DT [4] (рабочий диапазон 200–800 нм, разрешение
0.7 нм).
Схема установки для исследования спектров ламп представлена на рисунке 2.6.
Спектрометр (3) регистрирует отсчет фотоприемной линейки, пропорциональный освещенности, создаваемой лампой (1) на пучке световодов (2) измерительного зонда, отнесенной к единичному интервалу длин волн. Результаты представляются, запоминаются и обрабатываются компьютером (4). Фотоприемная линейка градуирована по спектральной чувствительности, поэтому освещенность на зонде может быть выражена в Вт/(см2нм) или проинтегрирована в пределах заданного пользователем интервала длин волн, в частности, в пределах контура линии и выражена в Вт/см2; отсчет, соответствующий наиболее яркой линии диапазона (253.652 нм), уменьшен в 20 р
аз.
Рисунок 2.6 – Схема установки для исследования спектра индукционной лампы
Спектр лампы, упомянутой в конце предыдущего раздела, представлен на рисунке 2.7. На графике отсчет представлен в относительных единицах; для наглядности, отсчет, соответствующий наиболее яркой линии диапазона (253.652 нм), уменьшен в 20 раз.
