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 руководитель:

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 института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат диссертации 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 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 тепломассообменные, термодинамические и другие эффекты, проявляющиеся в двухфазных суперкавитационных потоках. Использование теплофизических и гидродинамических эффектов кавитации (кавитационной технологии) способствует механотермолизу структур воды с появлением свободных водородных связей, диспергации 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 фитопланктона 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, физикохимии 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 «Гремячий лог»;

2. Найдены теплофизические и гидродинамические зависимости изменения поверхностного натяжения, электропроводности, рН среды, кислородосодержания воды и времени их релаксации от температуры, давления, числа кавитации и времени процесса кавитационной обработки;

3. Показано, что интенсивность теплоотдачи в суперкавитационном потоке – сложная функция чисел Фруда, Рейнольдса и др. и конвективная составляющая 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 суперкавитационного 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.

Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на … страницах основного текста, включающего 41 рисунок и 7 таблиц. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка 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 динамики химико-биологического загрязнения реки в сложных гидрогеотермических условиях близкого расположения города. Выявлены термические, гидрологические и другие факторы, определяющие степень воздействия загрязненной воды на здоровье человека. Рассмотрены термодинамические аспекты гидродинамической кавитации, а также роль гидродинамической кавитации в биологии, медицине, микробиологии.

Причиной загрязнения водных объектов являются промышленные и хозбытовые стоки. Так, во многих речных системах, в том числе, в системе рек города Красноярска, отмечена тенденция увеличения концентрации ионов натрия, калия, магния, хлора, сульфат-ионов, нитрат-ионов, фосфат-ионов и др., а также содержания тяжелых металлов, радионуклидов. В настоящее время следствием антропогенного пресса является нарушение в гидроэкосистемах процесса трансформации энергии, вещества и информации, ведущее к сбою функционирования внутриэкосистемных структур и связей и накоплению вещества и энергии в виде загрязнителя.

При этом следует учитывать тот факт, что при традиционных технологиях кондиционирования воды нельзя добиться полной стерилизации и в воде могут оставаться единичные, сохраняющие жизнеспособность микроорганизмы, вызывающие опасные заболевания человека. В периоды цветения водоема количество 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 производительность и увеличивает расходы воды на собственные нужды очистных сооружений. Особенности накопления вредных веществ, их химические трансформации и воздействия на организмы (прямое или опосредованное при движении 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 потенциалом обеззараживания воды и прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях водоподготовки, являются хлорирование, озонирование, обработка диоксидом хлора и УФ-облучение. Однако в настоящее время сохраняется риск возникновения заболеваний, связанных с употреблением населением питьевой воды, содержащей вирусы и простейшие. Попытки повышения надежности обеззараживания воды в отношении этих микроорганизмов 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 безопасным. 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. Николадзе, 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, используя тепломассообменные, термодинамические и другие эффекты, проявляющиеся в двухфазных суперкавитационных потоках. Использование кавитационной технологии (В. М. Ивченко, В. А. Кулагин, А. Ф. Немчин и др.) способствует механотермолизу структур воды с появлением свободных водородных 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 целесообразность поставленных в работе задач.

Во втором разделе сделана попытка оценки влияния гидротермодинамических 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. Эта задача может быть сформулирована следующим образом:

уравнение неразрывности:

уравнение движения:

уравнение энергии:

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 потоку выбираются соответственно у стенки трубы при (у = 0) и у границы каверны при (у = ):

Совместное решение уравнений движения (1)–(2) приводит к выражениям вида:

где – толщина слоя жидкости между стенкой трубы и поверхностью каверны, зависящая 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 Здесь V1 – средняя скорость жидкости в кольцевом сечении, направленная вдоль поверхности каверны.

Задача вычисления конвективного теплообмена на границе каверны сводится к интегрированию уравнений (3) при следующих начальных и граничных условиях индексами с,, о, R – обозначены значения величин соответственно на стенке трубы на границе раздела фаз, в точке отрыва жидкости от поверхности кавитатора и на оси потока.

Сопоставляя полученный результат вычислений относительно числа Нуссельта со значением коэффициентов, полученных при решении модели, видим, что интенсивность теплоотдачи является сложной функцией следующих комплексов 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 отыскания профиля скоростей внутри пограничного слоя на межфазной границе каверны, которая решалась как сопряженная – для жидкой и паровой компоненты. Для профиля скорости жидкости на границе каверны получено выражение:

где к = 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 исследования, техника натурных и лабораторных биохимических исследований. Описаны экспериментальные стенды и оборудование. С целью исследования физикохимического воздействия гидродинамической кавитации на водные системы были разработаны лабораторные стенды, включающие в себя реактор с суперкавитирующим винтом и проточный рабочий участок, вспомогательное и измерительное оборудование. Технические возможности стенда обеспечили исследование влияния гидродинамической кавитации в атмосфере различных газов на следующие параметры состояния воды: кислородосодержание, рН, наличие Н2О2. В качестве изучаемого объекта использовались: вода водопроводная (отстоявшаяся, не отстоявшаяся), бидистиллят. Оценка погрешности подтвердила удовлетворительную точность полученных результатов.

В четвертом разделе приведены результаты натурных и модельных исследований 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 Рисунок 1 – Зависимость относительной длины каверны Lк от числа кавитации :

--- 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 предельная форма суперкавитационного обтекания (когда площадь миделевого сечения каверны и ее длина при данном стеснении достигают максимальной величины SK max, Lmax).

Установлено, что применение известных теоретических и экспериментальных соотношений L, В = (d/D0,, Fr) для малых стеснений (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 экспериментальными результатами (рисунок 4).

Рисунок 2 – Зависимoсть относительной длины каверны LK от числа кавитации :

--- d/D0 = 0,50; — расчет по формуле (10) относительная ширина каверны Рисунок 3 – Зависимость относительной ширины каверны B от числа кавитации : 1 – d/D0 = 0,5; 2 – расчет по формуле В. А. Лапина; 3 – расчет по формуле А. П. Кулака