XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Современные требования, предъявляемые к воде, воздуху, продуктам, потребляемым человеком, сбросам сточных вод характеризуются жесткими экологическими требованиями, в том числе на остаточное содержание реа-гентов, используемых на обеззараживание жидкостей, содержание вредных и загрязняющих веществ. Поэтому интерес к новым инновационным мето-

дам обработки водных ресурсов постоянно растет .

Направление безреагентного метода очистки жидкостей является пер-спективным, поскольку обеззараживание жидкостей за счет их физической обработки и уменьшения количества применяемых для дезинфекции хими-ческих реагентов благотворно сказывается на свойствах воды [1].

К безреагентным методам очистки и обеззараживания воды относят: ультрафиолетовое излучение - губительно действующее на ферментные бак-терии, электроразрядную и кавитационную обработку, другие методы физи-ческого влияния на жидкости.

Рассмотрение кавитациоиных технологий показывает высокий уровень эффективности при химико-технологических процессах, протекающих в жидкостях при их очистке и обеззараживании. Использование эффекта ка-витационной обработки воды является экономически обоснованным и вы-годным направлением. Затраты при использовании эффекта кавитации для обработки водных ресурсов относительно невелики. Они значительно мень-ше, чем при применении ультрафиолетовой обработки, хлорировании или озонировании [2, 3].

Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жид-

кости ниже критического значения, которое приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре. Происходит нарушение сплошности внутри жидкости, образование в ней полостей, заполненных паром, газом или их смесью - кавитационными пузырьками. Парообразование и дальнейшее схлопывание кавитационных пузырьков -каверн - сопровождается шумом и выбросом тепловой энергии. Понижение давления может быть результатом местного повышения скорости в жидкости - гидродинамическая кавитация, и следствием прохождения через жидкость акустических волн - акустическая кавитация.

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации - χ) :

χ = 2(Р- Р_S)/ρV²,

где Р- гидростатическое давление набегающего потока, Па;

Р_S-давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;

ρ - плотность среды, кг/м³;

V - скорость потока на входе в систему, м/с.

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V ₀, когда давление в потоке становится равным давлению па-рообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины х можно различить 4 вида потоков:

- докавитационный - сплошной (однофазный) поток при χ = 1;

- кавитациоиный - (двухфазный) поток при χ 1;

- пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при χ < 1;

- суперкавитационный - при χ « 1.

Вода, очищенная кавитационным способом, изменяет своё энергетическое состояние, лучше усваивается клетками организма, оказывает благотворное влияние на процессы обмена веществ. Такая вода является биости-мулятором для организма человека, ускоряет выработку эндогенных гормонов, нормализует обменные процессы организма, окислительно-восстановительный потенциал клеток [4].

В результате сложных физико-химических процессов, протекающих при кавитациоиной обработке, в воде уменьшается жесткость, происходит её смягчение [5]. Это особенно актуально для г. Нижнего Новгорода, характеризующегося повышенным уровнем жесткости водных ресурсов. Также наблюдается уменьшение цветности воды более чем в 2 раза. В воде после обработки погибают бактерии, споры, вирусы.

Плюсом кавитационной обработки воды является процесс аэрации обогащение жидкостей кислородом.

Приоритетно направление водоподготовки с использованием кавитации в местах массового водопотребления: школах, детских садах, санаториях, в бассейнах и банях, многоквартирных домах, на промышленных объектах, требующих повышенного качества воды, а также для обеззараживания сточных вод.

В бассейнах физкультурно—оздоровительного комплекса были проведены исследования существующих инженер—ных систем результаты, которых показали целесообразность применения ииновационных способов подготовки воды и воздуха. Предполагается еще ряд исследований в этом направлении, но уже сейчас можно сделать вывод, что кавитационная обработка воды является первоочередным направлением водоподготовки [6].

Значительные объёмы воды, находящиеся в чаше бассейна, необходимо не только обеззараживать, но и нагревать [7, 8]. На нагрев воды в бассейнах тратятся значительные материальные ресурсы. Сокращение расходов на нагрев воды также возможно при применении эффекта кавитации. Кавитационные нагреватели — это устройства, преобразующие механическую энергию жидкости в тепловую. Рассмотреть устройство для нагрева воды можно на примере кавитационного теплогенератора. В состав данной установки входит центробежный насос с низким показателем эффективности, манометры, сопло, регулятор статического давления, дроссельный вентиль.

Данный вид устройства эффективен, обеспечивает экономичность теплоснабжения, имеется возможность собрать и усовершенствовать данный вид устройства самостоятельно.

Существуют различные типы кавитационных теплогенераторов [9]. Ро-торно-гидродинамический механизм Григгса - наиболее распространённый из них. Его принцип основан на работе центробежного насоса. В его состав входят патрубки, статор, корпус рабочей камеры. При существовании раз-личных вариантов модификаций самой простой является приводной или дисковый насос ротационного действия. Он представляет собой дисковую поверхность, в которой просверлено много различных отверстий глухого типа, данные элементы называются ячейки Григгса. Их размеры зависят от мощности ротора, конструкции самого теплогенератора и частоты вращения привода. Между ротором и статором есть зазор, который необходим для нагрева воды. Этот процесс осуществляется при помощи быстрого движе-ния жидкости по поверхности диска, что способствует увеличению температуры. В среднем ротор движется со скоростью до 3000 оборо-тов в минуту, что является достаточным для увеличения температуры до 90 ° C.

Существует статический теплогенератор. Он не имеет вращающихся частей, для осуществления кавитации необходимы сопла.

Для работы статического теплогенератора подключается насос, он нагнетает в рабочей камере давление, обеспечивается большая скорость движения воды, соответственно, повышение её температуры. Разность диаметров поступательного и выходного патрубков обеспечивает скорость жидкости на выходе из сопла. Такой теплогенератор менее эффективен, чем роторный, он более габаритный и тяжелый.

Существует большое разнообразие кавитационных устройств. Большинство из них выполнено в виде сопла, такая форма наиболее простая и экономически эффективная. Так же имеются большие предпосылки для их совершенствования и разработки новых устройств. Применение эффекта кавитации для одновременного обеззараживания и нагрева воды -первоочередное направление этих разработок. Их внедрение особен-но актуально для водоподготовки бассейнов, поскольку имеются большие объемы воды, которые необходимо нагревать, очищать и обеззараживать.

Кавитационная обработка жидкостей является высокоэффективным технологическим направлением широкого применения, которое позволяет использовать старые технологии обработки воды и внедрять новые разработки с целью улучшения полезных свойств и характеристик воды, а также её нагрева. Использование кавитационных технологий ведет к снижению энергозатрат на нагрев воды и повышению эффективности процесса водоподготовки.

Список литературы:

1. Кнэпп Р Кавитация: пер. с англ. / Р Кнепп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит -М.: Мир, 1974. - 678 с.

2. Гимранов Ф.М. Оценка возможности использования комплексных методов обеззараживания воды в пищевой промышленности / Ф.М. Гим-ранов [и др.] // Вестн. Казан. технол. университета. - 2012. - М 8. -С. 289-291.

3. Дубровская О.Г. Технология гидротемодинамической обработки при-родных и сточных вод с использованием эффектов кавитации: дис. канд. техн. наук: 01.04.14, 05.23.04. -Красноярск, 2007.- 134 с.

4. Витенько Т Н. Механизм активирующего действия гидродинамиче-ской кавитации на воду / Т.Н. Витенько, Я.Н. Гумницкий // Химия и техно-логия воды. - 2007. - Т. 29, М 5. - С. 422-432.

5. Витенько Т Н. Механизм активирующего действия гидродинамиче-ской кавитации на воду / Т.Н. Витенько, Я.Н. Гумницкий // Химия и техно-логия воды. - 2007. - Т. 29, М 5. - С. 422-432.

6. Небыльцова И.В., Баромыченко А.А., Наилова В.Н., Гераськов А.Ф. Исследование параметров микроклимата в помещении бассейна БГТУ им. В.Г. Шухова // Молодежь и научно-технический прогресс: сб. докладов [Х Международной научно-практической конференции студентов, аспиран-тов, молодых ученых 14 апреля 2016 года. - Старый Оскол: 000 «Ассистент плюс», 2016. - Т. 3- С. 274-276.

7. Способы энергосбережения в системах создания микроклимата / Т.Н. Ильина, А.Ю. Феоктистов, Р Ю. Мухамедов, С.В. Сериков // Энерго-сбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительст-ве городов: Междунар. науч.-практ конф., (Белгород, 2012 г). - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - С. 244-248.

8. Небыльцова И.В., Ильина Т Н. Энергосбережение в системах тепло-снабжения бассейнов // Экология и рациональное природопользование аг-ропромышленных регионов: сб. докл. III Междунар. молодежной науч. конф., 10-11 нояб. 2015 г / Белгор. гос. технол. ун-т - Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. - С. 158-161.

9. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества: учеб. пособие / М.А. Промтов. -М.: Машиностроение-1, 2004. -136 с.

Код для цитирования: Скопировать