Ответы как почистить швы между плиткой на полу.

Проектирование промышленных установок для обеззараживания воды в электрическом поле

А.Б. Голованчиков, Н.О. Сиволобова
Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград


В работе представлена математическая модель процесса обеззараживания воды прямым воздействием электрического тока. Приведены данные статистической оценки, подтверждающие ее адекватность. Показано применение математической модели для проектирования промышленных модулей с применением ЭВМ. По результатам моделирования даны рекомендации по конструктивным особенностям установок для обеззараживания воды.

Актуальным направлением развития техники обеззараживания воды является применение электрического поля [1]. Электрические методы перспективны в виду доступности электрической энергии, простоты реализации и автоматизации Достоинством названных методов является их экологическая безопасность. Они не требуют использования химических реагентов, что позволяет упростить технологию обработки и исключить загрязнение окружающей среды этими реагентами, как в результате эксплуатации, так и в результате аварий.

Для выявления возможности проведения обеззараживания прямым воздействием на обрабатываемую среду был выполнен ряд лабораторных исследований. Они направлены на поиск оптимальных режимов обработки и технического решения проведения процесса обеззараживания.

При выборе конструкции лабораторной установки учитывались следующие требования: возможность работы в проточном режиме, возможность прогнозирования и управления параметрами электрического поля и режимами течения, возможность масштабирования. Данным требованиям отвечает конструкция типа «труба в трубе».

Экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.1, состоит из устройства для обеззараживания воды 1, изготовленного из нержавеющей стали, расходомера 2 для определения расхода обрабатываемой жидкости, выпрямителя В-24 3, подающего постоянное напряжение на электроды, амперметра 4 и вольтметра 5 для измерения токового режима, запорного вентиля 6 для регулирования подачи воды и насоса 7.

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Устройство для обеззараживания воды представляет собой рабочую камеру 1, имеющую цилиндрическую форму, и являющуюся катодом, по центральной оси которой расположен цилиндрический стержень 8, закрепленный с помощью диэлектрических крестообразных шин 9, исполняющий роль анода.

Установка работает следующим образом:

Вода, требующая обработки, с помощью насоса 7 подается в устройство для обеззараживания. Вентилем 6, по показаниям расходомера 2, устанавливается необходимый расход воды. Через выпрямитель 3 на корпус 1 и цилиндрический стержень 8 подается постоянное напряжение, которое регулируется по показаниям амперметра 4 и вольтметра 5

Исследования проводились со стерильной водопроводной водой, зараженной кишечной палочкой до концентрации 104 особ/л. Были использованы два штамма кишечной палочки (E. coli): 24-часовые культуры, выращенные на МПА при 370С. Из этих культур готовили суспензии по стандартному образцу мутности 5 ОСО 42-28-29-86. Суспензию вносили в автоклавированную водопроводную воду. Бактерицидный эффект оценивался по стандартной методике [2].

В результате экспериментов установлено, что при электрообработке наблюдается достижение токовыми параметрами оптимальных значений в пределах: U (36-60 В) и I (2,88-6 А), оптимальное время обработки t составляет 50-70 с. Превышение этих параметров не приводит к видимому увеличению бактерицидного эффекта h (%), но приводит к возрастанию энергозатрат. Бактерицидный эффект не наблюдается при большом сопротивлении среды R (Ом), независимо от приложенного напряжения.

Таблица 1.

Результаты лабораторных опытов по обеззараживанию воды

№ опыта

параметры тока

Объем воды, л

Время обеззараживания, с

Степень обеззараживания, %

Напряжение, В

Ток, А

1

8

1,5

2

27

0,74

2

-"-

-"-

-"-

34

0,80

3

-"-

-"-

-"-

38

0,85

4

-"-

-"-

-"-

46

0,88

5

-"-

-"-

-"-

54

0,92

6

-"-

-"-

-"-

60

0,95

7

-"-

-"-

-"-

68

0,98

8

-"-

-"-

-"-

76

0,985

Для количественной оценки взаимосвязи степени обеззараживания с техническими параметрами были рассчитаны коэффициенты корреляции, которые приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 1 все коэффициенты корреляции имеют значение >0, что говорит о существовании в исследованных зависимостях прямой стохастической связи. При этом величина корреляционной связи бактерицидного эффекта со всеми исследованными параметрами велика и примерно одинакова. Это дает возможность сделать вывод о необходимости исследования влияния комплекса параметров на обеззараживание.

Таблица 2.

Оценка взаимосвязи параметров процесса и степени обеззараживания

Зависимость

Коэффициент корреляции

Ток – Бактерицидный эффект

0,777

Напряжение – Бактерицидный эффект

0,741

Время обработки – Бактерицидный эффект

0,779

Электрическое сопротивление –

Бактерицидный эффект

0,761

Учитывая, что по закону Ома , а расход воды , удельные затраты электроэнергии составят: , или , Дж/м3.

Обратная величина это - бактерицидный комплекс, который характеризует затраты электроэнергии, на единицу объема обеззараживаемой воды.

Зависимость бактерицидного эффекта от комплекса qR/U2, учитывающего как токовые параметры (напряжение U, В, сопротивление R, Ом), так и гидродинамические (объемный расход жидкости q, м3/с) приведена на рисунке 2.

Рис.2. Зависимость бактерицидного эффекта от комплекса qR/U2.

Зависимость бактерицидного эффекта от комплекса qR/U2 описывается уравнением:

(1)

Коэффициент корреляции связи бактерицидный эффект – комплекс qR/U2 составил 0,84, что превышает значения коэффициентов для других исследованных зависимостей. Таким образом, комплекс параметров qR/U2 может быть использован в качестве критерия при моделировании процесса электрообеззараживания [3].

Полученная математическая модель процесса обеззараживания воды может быть применена для проектирования промышленных модулей.

Для связи промышленных модулей, работающих в непрерывном режиме, с лабораторными исследованиями можно воспользоваться уравнением

, (2)

где VМ - объем воды в опытах по обеззараживанию на лабораторной установке, м3.

При степени обеззараживания h®1 уравнение (1) преобразуется к виду

(3)

Так как I=U/R, то технологический комплекс, связывающий расход с напряжением и током и обеспечивающий 100% обеззараживания, запишется в виде

(4)

Для определения технологических параметров А и Е приводим уравнение (3) в линеаризированные координаты

или

у=а+вх, (5)

где y=lnh, a=lnA, b=-E и

с учетом уравнения (2) .

Параметры a и b определяются стандартным методом наименьших квадратов, а по ним правая часть неравенства (4), позволяющая при известном расходе в промышленном модуле определять ток и напряжение.

Удельное сопротивление воды, находящейся в зазоре между цилиндрами, определяется по уравнению

, (6)

гдеlM - длина трубки лабораторной установки, м; dM - внутренний диаметр трубки модельной лабораторной установки, м; cM - диаметр стержня (проволоки), установленной осесимметрично с трубкой, м.

Среднее время пребывания воды в модели - лабораторном аппарате

(7)

Условие синхронности - равенство средних времен пребывания в модели и натуре, обеспечивающее заданную степень обеззараживания.

Условие гидродинамического подобия - равенство чисел Рейнольдса в модели и натуре.

Исходные и справочные данные и расчетные параметры программы "Еlow"


Таблица 3

Идентификаторы программы "Elow" для расчета промышленного модуля обеззараживания воды в электрическом поле

Наименование параметра

Размерность

Обозначение

Величина

Исходные данные

1. Производительность по обеззараживаемой воде

м /час

qv

40

2. Объем воды в опытах по обеззараживанию на лабораторной установке

л

VM

2

3. Ток в лабораторной установке

А

IM

1,5

4. Напряжение в лабораторной установке

B

UM

8

5. Внутренний диаметр трубки модельной лабораторной установки

м

dM

0,042

6. Диаметр стержня (проволоки), установленной осесимметрично с трубкой

м

cM

0,002

7.Длина трубки лабораторной установки

м

lM

0,4

8. Вязкость кинематическая воды

м2/с

n

10-6

9. Число лабораторных опытов

___

n

8

10. Массив времени протекания в трубке обеззараживаемой воды объемом Vm (см. табл. 1)

с

t

см. прог-рамму

"Elow"

11. Массив степени обеззараживания воды (см. таблицу 1)

__

x

-``-

Расчетные параметры

12. Линеаризированные значения аргумента по оси абсцисс при расчете параметров уравнения (1) методом наименьших квадратов

__

x1


13. То же по оси ординат

__

y1


14.Удельная электроэнергия обеззараживания в уравнении (1)

Дж/м3

Е

73998,6

15. Коэффициент уравнения (1)

__

А

1,165

16. Условное время в лабораторных исследованиях, обеспечивающее полное обеззараживание воды в лабораторной установке

с

tM

81,8

17. Среднее время пребывания, обеспечивающее полное обеззараживание

c

tc

22,3

18. Удельное сопротивление воды, поступающей на обеззараживание

ом м

r

4,4

19. Массив расчетных значений степени обеззараживания по уравнению (1)

__

xM


20. Относительное отклонение расчетных значений степени обеззараживания от лабораторных значений

%

d

<1,15

21. Эквивалентный диаметр трубы в модели

м

dэм

0,04

22. Средняя скорость в лабораторных исследованиях, соответствующая полной степени обеззараживания

м/с

vwm

0,0177

23. Критерий Рейнольдса, обеспечивающий полную степень обеззараживания

__

Re

707,3

24. Общая мощность всех модулей проектируемой установки

Вт

NH

5453,5

Расчетные параметры модулей при геометрическом и гидродинамическом подобии и синхронности модельных и натурных процессов

25. Число проектируемых натурных модулей в промышленной установке

__

j

50

26. Объемный расход в каждом натурном модуле

м3/час

qv1

0,8

27. Мощность каждого натурного модуля

Вт

NH1

109,16

28. Диаметр трубы каждого натурного модуля

м

dH

0,382

29. Диаметр стержня каждого натурного модуля

м

CH

0,0182

30. Скорость воды в каждом натурном модуле

м/с

VWH

0,001944

31. Длина трубы каждого натурного модуля

м

lH

0,043397

32. Сопротивление каждого натурного модуля

Ом

RH

48,514

33 Напряжение на каждом натурном модуле

В

UH

72,877

34. Ток на каждом натурном модуле

А

iH

1,5

35. Плотность тока на каждом модуле

А/м2

ia

28,43

Расчетные параметры модулей при геометрическом подобии, синхронности модельных и натуральных процессов и заданном допускаемом напряжении в каждом натурном модуле Un=30 В

36. Число модулей в натурной установке

-

j

4

37. Расход воды в каждом модуле

м3/час

qv1

10

38. Мощность одного модуля

Вт

NH1

1364,5

39. Ток в каждом модуле

A

iH

45,48

40. Длина трубы каждого модуля

м

lH

3,234

41.Внутренний диаметр трубы натурного модуля

м

dH

0,157

42. Диаметр стержня в каждой трубе

м

CH

0,008

43. Критерий Рейнольдса каждого натурного модуля

-

ReH

21445,9

44. Средняя скорость воды в каждой трубе натурного модуля

м/с

VWH

0,143

45. Плотность анодного тока (анод - основная труба)

А/м2

ia

28,43

46. Себестоимость электроэнергии, идущей на обеззараживание 1 м3 воды

руб/м3

с

0,064

Расчет промышленного модуля туннельного типа (рис.3) без геометрического подобия при условии синхронности, гидродинамическом подобии полном обеззараживании, напряжении 30 В и плотности анодного тока 50 А/м.

47. Число модулей

-

j

50

48.Ширина туннеля

м

b

0,1363

49. Высота туннеля

м

h

1,104

50. Длина модуля (туннеля)

м

lH

0,066

51. Ток в туннеле (модуле)

A

IH

3,64

Расчет промышленного модуля туннельного типа при гидродинамическом подобии, синхронности, полном обеззараживании и напряжении 30 В

52. Число модулей

-

j

50

53. Число туннелей в каждом модуле

-

k

1

54. Ширина туннеля

м

b

0,03

55. Высота туннеля

м

h

0,03

56. Длина модуля (туннеля)

м

lH

0,534

57. Ток модуля

A

IH

3,6

58. Плотность анодного тока

А/м2

Ia

227,4

Расчет промышленного модуля без геометрического и гидродинамического подобия при полном обеззараживании, синхронности, напряжении 30 В и плотности тока 50 А/м

59. Число модулей

-

j

6

60. Число туннелей в каждом модуле

-

K

1

61. Ширина туннеля

м

b

0,136

62. Высота туннеля

м

h

0,136

63. Длина модуля (туннеля)

м

lH

4,448

64. Ток в модуле

А

IH

30,3

Результаты расчетов и их анализ:

1. Аппроксимация результатов лабораторных экспериментов, приведенных в таблице 1, методом наименьших квадратов по уравнению (1) в линеаризированных координатах (5) дает отклонения теоретических значений от экспериментальных не превышающие 1,15%. Это хорошая точность, значения получаемых при этом параметров приведены в таблице 2.

2. Расчет промышленного модуля при геометрическом и гидродинамическом подобии, синхронности и полном обеззараживании.

Анализ результатов при числе модулей от одного до 50 не дает удовлетворительного решения. Во первых во всех вариантах очень маленькая нереальная длина труб - несколько мм или даже меньше мм. Во-вторых, очень большие напряжения сотни тысячи Вольт, хотя допускается не более 36 В. Например при 50 модулях результаты приведены в таблице 2. Таким образом, одновременное геометрическое и гидродинамическое подобие, синхронность и полное обеззараживание не позволяет спроектировать промышленный модуль.

3. Расчет промышленного модуля без гидромеханического подобия, при условии синхронности, геометрическом подобии и полном обеззараживании. Вместо геометрического подобия введено условие лимитирующего напряжения = 30 В. Удовлетворительные результаты получаются при числе модулей от 4 до 8. Турбулентный режим Re>104 выравнивает время пребывания, токи менее 50 А при плотности тока меньшей 30 А/м2, сравнительно небольшие геометрические размеры: длина от 3,2 м до 1,6 м, диаметр dн = 0,157 м и толщине центрального стержня - анода 8 мм. В таблице 2 приведены результаты для четырех модулей, = 4.

4. Расчет промышленного модуля без геометрического подобия при напряжении 30 Вольт, синхронности, гидродинамическом подобии и полном обеззараживании.

Расчеты удовлетворительных результатов не дают: при малом числе модулей большие токи, плотности тока и маленькие диаметры трубы. При большом числе модулей малые токи и малые длины труб. Так при числе модулей j= 50 мощность каждого модуля Nн =109,2 Вт, ток IH= 3,64 А, плотность тока ia= 68,8 А/м, длина трубы lH=0,255 м, диаметр стержня CH=0,0033 м, диаметр трубы dH=0,0662 м.

5. Следующий вариант связан с конструкцией промышленного модуля туннельного типа (рис. 3).

Рис.3. Схема промышленного модуля туннельного типа:

1- стенка корпуса - анод; 2 - стенка корпуса - катод; 3 - боковая стенка из диэлектрика; 4 - стенки-электроды туннелей.

Гидромеханическое подобие обеспечивается при равенстве определяющих критериях подобия числа Рейнольдса в модели и натуре

ReM=ReH, (8)

где ;

и эквивалентный диаметр натуры для туннеля

(9)

Для обеспечения полного обеззараживания жидкость текущая в каждом туннеле должна подчиняться условию обеззараживания в электрическом поле (4)

(10)

Для тунельного проводника сечением S=hlH и длиной b, омическое сопротивление

. (11)

6. Расчет промышленного модуля туннельного типа без геометрического подобия при условии синхронности, гидродинамическом подобии полном обеззараживании, напряжении 30 В и плотности тока 50 А/м2.

Удовлетворительных результатов расчетов нет. Так при числе модулей j= 50 высота каждого туннеля должна быть h= 1,104 м, а длина lH= 0,066м (см. таблицу 2).

7. Расчет промышленного модуля туннельного типа при гидромеханическом подобии, синхронности, полном обеззараживании и напряжении 30 В.

При малом числе модулей требуются очень большие плотности тока Ia>1000 А/м2, что приводит к быстрому растворению анода и выхода модуля из строя. При большом числе модулей и небольшом числе туннелей в каждом модуле плотности тока так же велики и соответствуют плотностям тока в электрокоагуляторах. В таблице 2 приведены результаты расчетов при числе модулей j= 50 и числе туннелей в каждом модуле к=1.

8. Расчет промышленного модуля туннельного типа без геометрического и гидродинамического подобия при полном обеззараживании, синхронности, напряжении 30 В и плотности тока 50 А/м2. В таблице 2 приведены удовлетворительные результаты расчетов для числа модулей j = 6 и числа туннелей к=1.

На основании полученных данных были разработаны конструкции промышленных модулей для обеззараживания воды [4, 5].

Список литературы

1. Яковлев С.В. Технология электрохимической очистки воды: С.В. Яковлев, И.Г. Краснобородько, В.М. Рогов - Л. Стройиздат, 1987., - 264 с.

2. МУК 4.2.671–97Методы санитарно-бактериологического анализа питьевой воды – М. Изд-во стандартов 1997., - 183с.

3. Голованчиков А.Б. Математическая модель процесса обеззараживания воды. А.Б. Голованчиков, Н.О. Сиволобова: Процессы и оборудование экологических производств: Сборник трудов IV традиционной научно-технической конференции стран СНГ. – Волгоград: Политехник, 1998. – с. 20 – 22.

4. Пат. 2114791 Российская Федерация Устройство для обеззараживания воды / Голованчиков А.Б., Сиволобова Н.О., Дахина Г.Л.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ; опубл. 14.11.98. Бюл.№22.

Пат. 2069187 Российская Федерация Устройство для обеззараживания воды / Голованчиков А.Б., Сиволобова Н.О., Дахина Г.Л., ВолгГТУ; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ; опубл. 16.04.96. Бюл. № 32.


Назад к списку