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.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ПетрГУ)
УДК 533.09
№ гос. регистрации 0120.0502691
Инв. №
УТВЕРЖДАЮ
Проректор ПетрГУ по НИР
д-р мед. наук, профессор
_____________ Н. В. Доршакова
«___»____________2005 г.
ОТЧЕТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
РАЗРАБОТКА МОДУЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
И ТЕХНОЛОГИЙ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
ПРИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ ВОДЫ И ВОЗДУХА
НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ЛАМП
(заключительный)
Научный руководитель
проф., д-р физ.-мат. наук _____________ А. Д. Хахаев
Петрозаводск 2005
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель темы,
д-р физ.-мат. наук, проф.
ПетрГУ ___________________ А. Д. Хахаев (введение, заключение)
подпись, дата
И
сполнители темы:д-р физ.-мат. наук, проф.
ПетрГУ ___________________ В. И. Сысун (гл. 2)
подпись, дата
канд. ф.-м. н., профессор
ПетрГУ ___________________ Л. А. Луизова (введение, гл. 1, 2.2, 4.2)
подпись, дата
к
анд. техн. наук, вед. н. с. ИТ СО РАН ___________________ И. М. Уланов (гл. 1, 2)
п
одпись, датавед. инженер
ИТ СО РАН ___________________ А. Литвинцев (гл. 3.1)
подпись, дата
инженер
ИТ СО РАН ___________________ М. В. Исупов (гл. 2)
п
одпись, датаст. науч. сотр.
ИТ СО РАН ___________________ К. Н. Колмаков (гл. 2)
п
одпись, датаканд. ф.-м. н., ст. преподаватель
ПетрГУ ___________________ К. А. Екимов (гл. 2.2)
подпись, дата
инженер
ПетрГУ ___________________ А. И. Щербина (4, приложение)
подпись, дата
инженер
ПетрГУ ___________________ С. И. Акиньшин (гл. 3)
подпись, дата
В работе принимали участие также инженеры, стеклодувы (кварцедувы) и электрики Петрозаводского университета и Института теплофизики СО РАН.
РЕФЕРАТ
Отчет 105 с., 30 рис., 33 табл., 44 источника, 3 прил.
БАКТЕРИЦИДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ДОЗА, ИНДУКЦИОННЫЕ ЛАМПЫ., КОНСТРУКЦИЯ, МОДУЛЬ, МОЩНОСТЬ, ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ, ОБОРУДОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ, ОЧИСТКА, СПЕКТР, ПОТОК, УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Отчет содержит описание расчета свойств компонентов модуля для производственных технологий, оценку инновационного потенциала проекта и техноко-экономическое обоснование разработки и организации серийного производства оборудования для обеззараживаниия воды и воздуха на основе индукционной лампы ультрафиолетового излучения.
Приведена конструкторская документация для изготовления модуля. Приведены описание устройства и схема источника питания для лампы упомянутого модуля. Описан макет в целом. Результаты разработки, содержащиеся в отчете, обеспечивают возможность организации промышленного производства модулей.
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ …..…………………………………………………………………………………….. | 5 |
| 1 ОЦЕНКА ИННОВАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРОЕКТА …………………………….... | 9 |
| 1.1 Цель проекта ……………………………………………………………………………….. | 9 |
| 1.2 Известные методы обеззараживания воды и преимущества УФ-обеззараживания …... | 9 |
| 1.2.1 Вируцидная эффективность ..…………………………………………………………. | 9 |
| 1.2.2 Отсутствие отрицательных эффектов после дезинфекции …………………………. | 10 |
| 1.2.3 Не токсичность для человека ..………………………………………………………... | 11 |
| 1.3 Основные технико-экономические преимущества разработки .………………………... | 11 |
| 1.3.1 Эксплуатационные особенности .……………………………………………………... | 11 |
| 1.3.2 Экономическая эффективность УФ-обеззараживания ……………………………… | 12 |
| 1.4 Технико-экономическое преимущество индукционной лампы перед аналогичными лампами ультрафиолетового обеззараживания …………………………….. | 13 |
| 2 ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНДУКЦИОННЫХ УФ ЛАМП ...…………..…. | 15 |
| 2.1 Оценка выхода ультрафиолетового излучения …..……………………………….……… | 15 |
| 2.2 Спектр излучения ртутной индукционной лампы ..……………………………………… | 18 |
| 2.3 Расчет ультрафиолетового излучения разряда низкого давления в смеси Hg-Ar .....….. | 21 |
| 2.3.1 Скорости прямых и обратных переходов электронным ударом ...…………………. | 22 |
| 2.3.2 Эффективная вероятность резонансных переходов атома ртути ……..……………. | 26 |
| 2.3.3 Баланс заселенности уровней ...………………………………………………………. | 32 |
| 2.3.4 Функция распределения электронов по скоростям, концентрация и температура электронов ………………………………………………………………….... | 34 |
| 3 ИНИЦИИРОВАНИЕ РАЗРЯДА И ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ...………………………………. | 38 |
| 3.1 Электротехнические характеристики магнитопроводов ……..…………………………. | 38 |
| 3.2 Источник питания для опытно-промышленных образцов индукционных ультрафиолетовых ламп резонансного типа мощностью до 200 Вт ……………………….. | 41 |
| 3.2.1 Анализ ситуации на рынке подобной продукции ……...……………………………. | 42 |
| 3.2.2 Постановка задачи, принципиальная схема и описание работы источника питания ..............................................................................................................….. | 43 |
| 3.2.3 Результаты испытаний источника ..…………………………………………………… | 50 |
| 4 МОДУЛЬ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ...........………………………………………... | 52 |
| 4.1 Конструкция модуля .……………………………………………………………………… | 52 |
| 4.2 Оценка дозы облучения воды .……………………………………………………………. | 53 |
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ .……………………………………………………………………………………. | 51 |
| СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………..………………………….. | 54 |
| ПРИЛОЖЕНИЕ А Технико-экономическое обоснование эффективности проекта …………... | 60 |
| ПРИЛОЖЕНИЕ Б Конструкторская документация ………………………..……………………. | 78 |
| ПРИЛОЖЕНИЕ В Фотографии производственного модуля и ламп ……………………….…... | 103 |
ВВЕДЕНИЕ
Источники водоснабжения в последнее время подвергаются интенсивному загрязнению, и их качество во многих регионах нельзя признать удовлетворительным. Сооружения водоподготовки и водоотведения, на которых используются традиционные методы и процессы, не всегда в состоянии обеспечить требуемую степень очистки воды. В полной мере это относится и к обеззараживанию воды – главному барьеру на пути передачи водных инфекций. По данным статистики в России более 11 % проб качества питьевой воды не удовлетворяют требованиям действующего ГОСТ по бактериологическим показателям. Отмечается постоянный рост числа бактериальных и вирусных заболеваний, распространяемых водным путем. Неэффективность и опасность обеззараживания воды методом хлорирования уже давно доказана. Приведем выдержку из «Гигиенического заключения о приемлемости ультрафиолетовой (УФ) технологии для дезинфекции сточных вод», выданную Московским научно-исследовательским институтом гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана: «Научные проработки последних лет указывают, что с эколого-гигиенических позиций метод обеззараживания хлорированием обладает рядом отрицательных факторов. Во-первых, это связано с образованием токсичных хлорорганических соединений, многие из которых обладают канцерогенным и мутагенным действием. Во-вторых, оставшийся активный хлор может вызывать изменения биоценоза водоема, что негативно отражается на процессах самоочищения водоема. В третьих, выявлены популяции микроорганизмов, нечувствительных к хлорированию.
В сравнении с УФ-облучением метод озонирования также обладает рядом серьезных недостатков. Метод УФ-обеззараживания получает все большее распространение в Европе, США, ЮВА и других регионах мира. Например, в США приняты законодательные акты, запрещающие применение хлора для обеззараживания очищенных сточных вод, и по данным Водной Федерации США около 50 % всех коммунальных канализационных очистных сооружений уже оснащены установками по УФ-обеззараживанию.
Достоинствами метода УФ-обеззараживания являются:
- отсутствие токсических соединений и изменения физико-химического состава воды;
- простота эксплуатации и отсутствие обеспечения специальных мер безопасности;
- высокая эффективность и экономичность: затраты сопоставимы с затратами при обеззараживании хлорированием;
- возможность применения на очистных сооружениях производительностью от единиц до нескольких миллионов кубометров в сутки.
Высокая эффективность и надежность метода подтверждена результатами исследований института гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана, НИИ ЭЧ и ГОС им. А. Н. Сысина, Мосводоканала, НИИ проекта, заключениями Главгосэкспертизы России.
Ультрафиолетовое облучение воды находит все более широкое применение для обеззараживания воды. Оно используется:
- в системах хозяйственно-питьевого централизованного и индивидуального водоснабжения;
- в комплексах подготовки воды (в т. ч. морской) плавательных бассейнов и аквапарков;
- в системах обеззараживания и обеспложивания воды пищевых производств;
- в сооружениях очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод;
- в циклах оборотного водоснабжения промышленных предприятий.
С помощью ультрафиолетового облучения можно обеззараживать и воздух:
- в производственных и технических помещениях;
- в общественных зданиях и сооружениях;
- в системах вентиляции и кондиционирования.
Ультрафиолетовое облучение может использоваться также и для обеззараживания поверхности в технологических процессах производства упаковки, обработки сырья и оборудования, при этом потенциальные потребители продукции:
- Горводоканал;
- проектировщики и монтажники систем хозяйственно-питьевого централизованного и индивидуального водоснабжения;
- проектировщики и монтажники систем подготовки воды плавательных бассейнов, аквапарков;
- пищевые производства;
- проектировщики и монтажники сооружений очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод;
- проектировщики и монтажники систем вентиляции и кондиционирования;
- строительные организации;
- частные лица – жители частных домов, коттеджей.
Существуют различные источники ультрафиолетового излучения.
Главное преимущество индукционных УФ-ламп перед существующими российскими и мировыми аналогами заключается в значительном увеличении их срока службы. До сих пор в качестве главнейшего недостатка технологии ультрафиолетового обеззараживания признавалось необходимость частой замены (~ через 1–1,5 года) выходящих из строя ламп. Данная разработка решает эту проблему: теперь замена ламп требуется много реже. Срок службы конкурирующих аналогов составляет 8000–12000 часов. Технология изготовления безэлектродных индукционных ламп, разработанная Институтом теплофизики СО РАН [1–3], обеспечивает срок службы не менее 20000 часов. Вследствие увеличения срока службы ламп общая сумма эксплуатационных затрат в течение срока службы оборудования сокращается более чем в два раза по сравнению с существующими аналогами.
Структура эксплуатационных затрат при использовании существующих на рынке ультрафиолетовых ламп со сроком службы 8000–12000 часов (по данным ведущего производителя отечественного УФ-оборудования НПО «ЛИТ») следующая: на текущий ремонт оборудования, отопление, вентиляцию и периодическую промывку системы приходится 9 % всех затрат; стоимость электроэнергии составляет 36 % затрат и наибольшую часть (55 %) занимают затраты на периодическую замену ламп (55 %). В случае применения индукционных УФ-ламп затраты на замену ламп существенно сократятся и тогда уменьшится себестоимость всего процесса.
Целью данного проекта является оптимизация конструкции и режимов работы индукционных УФ-ламп и разработка на их основе модулей для обеззараживании воды и воздуха, которые могут быть внедрены в серийное производство.
Подробное технико-экономическое обоснование проекта «Разработка и организация серийного производства оборудования для обеззараживания воды, воздуха и материалов на основе индукционной лампы ультрафиолетового облучения» выполнено Институтом экономики и организации промышленного производства Сибирского отделения Российской академии наук.
Основные результаты оценки инновационного потенциала проекта приведены в первой главе отчета.
1 ОЦЕНКА ИННОВАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРОЕКТА
1.1 Цель проекта
Повышение качества жизни населения путем улучшения качества питьевой воды, улучшения природной экологической обстановки, снижения заболеваемости инфекционными болезнями, сокращения жилищно-коммунальных расходов за счет создания простого, экологичного, высокоэффективного и дешевого способа обеззараживания питьевой воды, хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, воздуха и материалов.
1.2 Известные методы обеззараживания воды и преимущества УФ-обеззараживания
Известны следующие методы обеззараживания воды:
- пропускание постоянного, переменного или импульсного тока, анодное разложение, кавитация, радиационное облучение рентгеном, гамма-квантами или ускоренными электронами. Эти методы находятся пока на стадии чисто научных разработок;
- обработка перекисью водорода, перманганатом калия, ионами тяжелых металлов, йодирование, бромирование. Эти методы являются технологиями малых расходов и специальных схем обработки воды;
- хлорирование;
- озонирование;
- обратный осмос;
- ультрафиолетовое облучение.
Последние четыре метода, а именно хлорирование, озонирование, обратный осмос и ультрафиолетовое облучение являются реальными практическими технологиями, прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях очистки воды.
Преимущества ультрафиолетового метода обеззараживания перед хлорированием, озонированием и обратным осмосом заключаются в следующем:
1.2.1 Вируцидная эффективность
- Известно, что хлорирование является наименее эффективным по отношению к вирусам.
- Проведенные в последнее время исследования доказали, что традиционные схемы хлорирования во многих случаях не являются барьером на пути проникновения вирусов в питьевую воду.
- Доказана низкая вируцидная эффективность технологии обратного осмоса. Представление о том, что в процессе очистки воды c помощью фильтрационных или сорбирующих устройств возможно задержать все вредные вещества и сохранить полезные является в корне ошибочным.
- Разделить по признаку полезности десятки тысяч различных растворенных веществ фильтрационными и сорбционными методами, как взятыми отдельно, так и в любых возможных сочетаниях, принципиально невозможно.
- Концентрация содержащихся в воде полезных или вредных веществ на поверхности фильтрующих мембран, в порах сорбента или на поверхности ионообменных материалов всегда приводит, в первую очередь, к задерживанию микроорганизмов, к ускоренному их размножению и усиленному выделению микробных токсинов в воду при одновременном резком снижении фильтрующей, сорбирующей или ионообменной способности активных элементов водоочистительного устройства.
- Озон и ультрафиолет имеют достаточно высокий вируцидный эффект при реальных для практики дозах.