Характеристика ламп для бактерицидного облучения

Тип ламп	Номинальная мощ­ность лампы в вт	Потребляемая мощ­ность электрической энергии в вт	Напряжение в в		Сила тока на лампе в а	Бактерицидная облу­ченность в мквт/см2∙м	Бактерицид­ный поток лампы в вт
			в сети	на лампе			номинальный	расчетный Fл
Аргоно-ртутные:
БУВ-15	15	19	127	57	0,3	12	1,2	0,8
БУВ-30	30	36	220	110	0,32	30	3,2	2
БУВ-З0П	30	38	127	46	0,65	21	2,5	1,7
БУВ-60П	60	72	220	100	0,65	100	6	4
Ртутно-кварцевые:
ПРК-7	1000	1000	220	135	8	—	50	35
РКС-2,5	2500	2500	220	850	3,4	—	125	50—75

Достоинство аргоно-ртутных ламп низкого давления в том, что основное их излучение совпадает с энергией максимального бакте­рицидного действия. В ртутном разряде низкого давления (3— 4 мм рт. ст.) около 70% всей излучаемой мощности приходится на область ультрафиолетовых лучей от линии 2537 Å до линии 3663 Å, из них около 60%—на долю одной резонансной ее линии с дли­ной волны 2537Å (253,7 ммк)^*. Поэтому аргоно-ртутные лампы более экономичны.

^* Å (ангстрем) — единица измерения длины волны; 1Å= 10^–8 см.

205

Расчетный выход бактерицидной радиации по изложенным при­чинам для аргоно-ртутных ламп типа БУВ достигает 5,3—11,7% потребляемой электрической мощности, тогда как у ртутно-кварце­вых ламп ПРК-7 он не превышает 3,5%, а для более мощной лам­пы РКС-2,5 составляет не более 2—3%.

Однако вследствие небольшой потребляемой электрической мощ­ности изготовляемых промышленностью ламп (15—60 вт) их при­менимость ограничивается установками небольшой производитель­ности для обеззараживания воды в количестве до 20—30 м³/ч. Ртут­но-кварцевые лампы высокого давления (400—800 мм рт. ст.) име­ют потребляемую мощность 1000 вт (лампы ПРК-7) и даже 2500 вт (лампы РКС-2,5) и излучают большое количество концент­рированной бактерицидной энергии. Поэтому, хотя они и менее экономичны, чем лампы типа БУВ, но вполне применимы для обеззараживания больших количеств воды, имеющей незначитель­ное бактериальное загрязнение и хорошие физико-химические пока­затели (родниковая, грунтовая, подрусловая, инфильтрационная вода). В этих случаях обеззараживание воды облучением, даже с использованием ртутно-кварцевых ламп высокого давления, более экономично по сравнению с хлорированием воды.

Поглощение бактерицидного излучения водой. Интенсивность бактерицидного излучения необходимо определять по практиче­ским соображениям на расстоянии 1 м от центра ламп. Расчетная величина бактерицидного потока ламп должна приниматься на 30% ниже номинала (см. табл. 51), так как именно на эту величину про­исходит ослабление потока в конце срока службы ламп. Макси­мально допустимый срок службы ламп установлен 4500—5000 ч фактической продолжительности горения.

При расчете установок для обеззараживания воды надо учиты­вать коэффициент поглощения водой бактерицидного излучения а, который зависит от физико-химических показателей воды. Наи­большее поглощение вызывает цветность воды, тогда как содержа­ние в ней солей жесткости оказывает на поглощение малое влия­ние.

Для питьевой воды, отвечающей требованиям ГОСТ 2874—54, коэффициент а изменяется в пределах 0,1—0,3 см^–1.

Сопротивляемость бактерий воздействию бактерицидного излу­чения. Находящиеся в питьевой воде микроорганизмы обнаружива­ют различную сопротивляемость действию бактерицидных лучей* Критерием для сравнения стойкости различных видов микроорга­низмов может служить количество бактерицидной энергии, 'необхо­димой для заданной степени обеззараживания воды, которая выра­жена отношением конечного количества бактерий Р к их начально­му количеству P_о в единице объема воды. Это отношение Р/Р_она­зывается степенью обеззараживания.

Исследования по облучению тонкого слоя воды, зараженной от­дельным видом бактерий, показали, что процесс отмирания бакте­рий под действием бактерицидных лучей подчиняется показатель-

206

ному закону, в котором коэффициент сопротивляемости облучае­мых бактерий k характеризует количество бактерицидной энергии и зависит от вида бактерий. Эффект обеззараживания воды опреде­ляется по (количеству оставшихся живых бактерий кишечной па­лочки, так как они имеют повышенную сопротивляемость воздейст­вию бактерицидных лучей по сравнению с патогенными неспорооб­разующими бактериями.

Установки с источниками бактерицидного излучения. Примене­ние источников бактерицидного излучения для обеззараживания воды возможно как при размещении этих источников в воздухе над свободной поверхностью облучаемой воды, так и при погружении их в воду в кварцевых чехлах, защищающих лампы от влияния температуры воды. Поэтому в зависимости от способа размещения источников установки для обеззараживания воды облучением де­лятся на два основных типа: с непогруженными и с погруженными источниками бактерицидного облучения.

Установка с непогруженными источниками излучения. Для во­допроводов с подачей воды 3—8 м³/ч целесообразна установка ОВ-ЗН, оборудованная аргоно-ртутными лампами низкого давле­ния БУВ-30 или БУВ-60П.

На рис. 64 представлена схема установки ОВ-3Н, оснащенной тремя непогруженными бактерицидными лампами. Вода входит в камеру корпуса 1, закрытую крышкой 2, через входной патрубок 3 и поступает в приемную камеру 4, обтекая две внутренние перего­родки и подвергаясь излучению ламп. Выпуск обеззараженной во­ды происходит через отводную камеру 5 и выходной патрубок 6.

        

Рис. 64. Установка типа ОВ-3Н для обеззараживания воды бакте­рицидными лучами

207

На случай переполнения предусмотрена переливная камера 7 и пе­реливной патрубок 8. Для периодического наблюдения за действи­ем установки имеется смотровое стекло 9. При необходимости пол­ного удаления воды из установки предусмотрен патрубок 10 для опорожнения камеры. В верхней части корпуса устроены три отра­жателя 11, под каждым из которых размещено по одной бактери­цидной лампе 12 типа БУВ-30 или БУВ-60П.

К деталям электрического оборудования относятся: розетка уг­лового штепсельного разъема 13, соединительный рукав к шкафу управления 14 и конечный выключатель 15.

Установки с погруженными источниками излучения. Для водо­проводов средней производительности с подачей воды 30—150 м³/ч целесообразна установка ОВ-АКХ-1 с погруженными источниками излучения.

В конструктивном отношении она представляет собой несколько последовательно соединенных герметических камер, в которых раз­мещены бактерицидные лампы в кварцевых чехлах. Эти установки предназначены для обеззараживания воды в напорной системе во­допроводов с рабочим давлением до б ати.

Схема такой установки показана на рис. 65. Обеззараживаемая вода проходит непрерывным потоком через несколько камер, под­вергаясь воздействию бактерицидного излучения от ламп 1 типа

           

Рис. 65. Установка типа ОВ-АКХ-1 для обеззараживания воды бак­терицидными лучами

ПРК-7. Лампы размещены в кварцевых чехлах 2. Внутри каждой камеры имеется по четыре перегородки 3, при помощи которых во­да дважды приближается к источнику бактерицидного излучения, занимающему центральную часть камеры 4. Установка при помо­щи переходных патрубков 5 присоединяется к напорному трубо­проводу 6.

Каждая секция производительностью 30 м³/ч состоит из после­довательно соединенных камер, количество которых определяется по расчету (от двух до пяти). Дальнейшее увеличение производи­тельности может быть достигнуто устройством нескольких парал­

208

дельных секций. Так, например, установка OB-AKX-I, действующая на водопроводной станции г. Мытищи, смонтирована из четырех параллельных трехкамерных секций.

Серийно изготовляемые трехкамерные секции установок типа ОВ-АКХ-1 поставляются в комплекте со шкафом управления и ящиком сигнализации. Монтаж установок на водопроводной стан­ции заключается в присоединении их секций к трубопроводам при помощи фланцевых переходов и в подводке электрической энер­гии к шкафу управления, ящику сигнализации и источнику бакте­рицидного излучения — ртутно-кварцевым лампам, размещенным в камерах.

На рис. 66 показана схема установки типа ОВ-1П-РКС, обору­дованной одной более мощной ртутно-кварцевой лампой РКС-2,5.

     

Рис. 66. Установка типа ОВ-1П-РКС для обеззараживания воды бактери­цидными лучами

Закрытый крышками 1 цилиндрический корпус 2 снабжен смот­ровым окошком 3. Особенностью конструкции установки является турбинка 4 для вращения щетки 5 с целью очистки кварцевого чех­ла лампы от налета, ослабляющего ее бактерицидное действие. Электроэнергия подводится по кабелю 6 от шкафа питания уста­новки. Вода поступает через входной патрубок 12 и после облуче­ния выпускается по выходному патрубку 7. Цилиндрический корпус поддерживается двумя подставками 8. Ртутно-кварцевая лампа 9 с кварцевым чехлом 10 размещена внутри корпуса установки по его центральной оси. Для интенсификации смешения воды предусмот­рена спираль 11.

Расчетная производительность установки 50—75 м³ч, рабочее давление до 10 ати.

209

 

На рис. 67 показана кассета из восьми бактерицидных ламп. В состав ее входит клеммная коробка 1, токопроводящии кабель 2, блок с ртутно-кварцевой лампой 3, щетка 4 для очистки чехла лам­пы и турбинка 5 для вращения щетки, снабженная кожухом 6. Кассета имеет жесткий каркас 7.

На рис. 68 представ­лен общий вид безнапор­ной установки произв­оди­тельностью 3000 м³/ч, объединяющей 10 опи­сан­ных выше кассет.

Рис. 67. Кассета из восьми бактерицидных ламп

Вода поступает через задвижку 1 и входной шибер 3, проходит после­довательно через десять кассет 2, каждая из кото­рых размещена в наклон­ном канале несколько ни­же, чем предшествующие, для обеспечения самотеч­ного движения воды. Для установки кассет в необ­ходимом порядке служит распределительное уст­ройство 4. Сверху наклон­ный канал закрыт крышками 5, а в конце его установлен выходной шибер 6. Для подъема кассет при замене ламповых блоков служит тельфер 7. Электропитание производится от специального шкафа.

§ 38 расчет установок для обеззараживания воды бактерицидным излучением

Расчетный бактерицидный поток определяется по формуле

                                                   (121)

где Q_час — расчетный расход обеззараживаемой воды в м³/ч;

  a   — коэффициент поглощения облучаемой воды в см , равный: для бесцветных подземных вод, получаемых из глубоких подземных горизонтов, 0,1 см^–1; для род­никовой, грунтовой и инфильтрационной воды 0,15 см^–1; для обработанной воды поверхностных ис­точников водоснабжения 0,3 см^–1;

  k   — коэффициент сопротивляемости облучаемых бакте­рий, принимаемый равным 2500 мквт∙сек/см²;

210

 

            

Рис. 68. Общий вид бактерицидной установки с десятью кассетами

  Р₀  — количество бактерий в 1 л воды, или коли-индекс воды, до облучения; максимальное расчетное бактериаль­ное загрязнение исходной воды принимается равным коли-индексу Р₀=1000 (т. е. коли-титр составляет 1);

  Р   — количество бактерий в 1 л воды после облучения, или коли-индекс облученной воды, принимаемый ≤3 (т. е. коли-титр не менее 330);

211

 

  η_п  — коэффициент использования бактерицидного потока; принимается равным: для установок с источником из­лучения погруженным 0,9 и непогруженным 0,75;

  η_о    — коэффициент использования бактерицидного излуче­ния, зависящий от толщины слоя воды, ее физико-хи­мических показателей и конструктивного типа уста­новки; принимается равным 0,9.

Степень обеззараживания воды Р/Р₀должна лежать в пределах 1/1000—3/1000.

Расход электроэнергии на обеззараживание воды вычисляется по формуле

                                                               (122)

где N — мощность, потребляемая одной лампой, в вт.

Потери напора в установке составляют

                                                               (123)

где m  — принятое количество камер в одной секции;

  Q₁ — расчетный расход воды через одну секцию установки в м³/ч.

Пример. Рассчитать бактерицидную установку с погруженным источником излучения при заданной ее производительности Q_час=180м³/ч.

Потребное количество ламп составит:

                         

Потребный бактерицидный поток по формуле (121)

                                               

где F_л— расчетный бактерицидный поток лампы в вт после 4500—5000 ч горения.

Величина F_л, принимаемая в соответствии с характеристикой ламп (см. табл. 51), для ПРК-7 составит 35 вт.

Следовательно, п=155,2:35=4,44≈5 шт.

Таким образом, может быть принята установка типа ОВ-АКХ-1 (см. рис. 65), смонтированная из пяти последовательно соединен­ных в одну секцию камер (в типовой установке ОВ-АКХ-1 таких камер три).

Расход электроэнергии S на обеззараживание воды вычисляет­ся по формуле (122).

Для ламп ПРК-7 N=1000 вт (см. табл. 51), и тогда

                                   

Потери напора в установке по формуле (123) h=0,000022∙5∙180²≈3,56 м.

212

Можно вместо одной пятикамерной секции принять две трехка­мерные типовые секции. Тогда потребляемый расход электроэнер­гии составит

                                 

а потери напора в установке

                                

Бактерицидная установка ОВ-АКХ-1 позволяет объединить в одном помещении до шести пятикамерных секций, располагаемых параллельно друг другу. Так как одна секция обычно является ре­зервной, то максимальная суточная рабочая производительность всей установки может достигать Q_cyт=180∙5∙24=21600 m³/сутки.

Увеличение количества секций свыше шести делает установку громоздкой и неудобной в эксплуатации. Поэтому в Академии ком­мунального хозяйства разработаны бактерицидные установки боль­шей производительности, оснащенные ртутно-кварцевыми лампа­ми РКС-2,5. Для этой лампы расчетный бактерицидный поток поч­ти вдвое больше, чем для лампы ПРК-7.

Пример. Рассчитать безнапорную установку типа ОВ-1П-РКС

Обеззараженная вода прошла обработку на водоочистных со­оружениях.

Заданный расход воды Q_чac=3000 м³/ч. Расчетные параметры: а = 0,3 см^–1; Р₀=1000; Р=1; k = 2500 мквт∙сек/см²; η=0,9 и η₀= =0,9; F_л =75 вт (см. табл. 51).

Расчетный бактерицидный поток по формуле (121)

                          

Потребное число ламп РКС-2,5 будет

                               

Следовательно, установка типа ОВ-1П-РКС должна состоять из девяти кассет, по восемь ламп в каждой. Принимаем девять рабо­чих кассет и одну резервную, или всего (9+1)8=80 ламп.

Длина рабочей части канала установки

                                    

где l    — расстояние между кассетами, равное 0,4 м;

  N   — общее количество кассет.

§ 39. Озонирование воды

Общие сведения. Первые попытки применения озона для обез­зараживания воды были предприняты в Западной Европе в конце XIX в., но практически озонирование осуществлено лишь в начале XX столетия.

213

Проблемы использования озона рассматривались на русских во­допроводных съездах в 1901 и 1907 гг. Постановления, принятые съездами — прогрессивной общественно-технической организаци­ей, способствовали устройству в Петербурге фильтроозонной стан­ции.

В 1911 г. состоялся пуск этой станции в действие; в то время она являлась первой, самой крупной озонирующей установкой в мире и обеспечивала обработку 50 тыс. м³/сутки питьевой воды. Однако начавшаяся вскоре мировая война 1914—1918 гг., а затем ино­странная интервенция против Советской России не позволили обеспечить поддержание станции на необходимом техническом уровне. Для обеззараживания воды стали применять хлорирование.

В настоящее время озонирование воды широко используется во Франции. Здесь в постоянной эксплуатации находятся сотни озони­рующих установок, обрабатывающих суммарно свыше 1,7 млн. м³/сутки питевой воды, что составляет более 35% всего расхода воды, подаваемой централизованными водопроводами.

Рост числа озонирующих установок объясняется заметным улуч­шением их технико-экономических показателей.

В СССР за последние годы выполнены исследования по приме­нению озона для обработки воды рек Невы, Волги, Днепра и др. Пу­щены в эксплуатацию озонирующие установки в Донбассе (в гг.Часов Яре и Горловке), в г. Горьком (Слудинская станция и в поселке ГРЭС); проектируются мощные установки озонирования на Восточной водопроводной станции Москвы, на Днепровской станции г. Киева и ряд других.

Свойства озона. Озон обладает свойством быстро разлагаться в воздухе и, особенно, в воде. Растворимость озона в воде находится под заметным влиянием величины рН и количества веществ, рас­творенных в воде; небольшое содержание кислот и нейтральных со­лей усиливает растворимость озона, а наличие щелочей снижает ее.

Вследствие высокого окислительного потенциала бактерицид­ное действие озона, введенного в воду, сильнее, чем у других хими­ческих агентов. Поэтому озон вполне обеспечивает обеззаражива­ние воды от бактерий, если вода предварительно осветлена или если мутность природной воды ниже 3 мг/л. Это условие не является характерной чертой озонирования, так как предварительная очист­ка мутных вод обязательна при любых методах обеззараживания (при хлорировании, бактерицидном облучении и т. д.).

Следует отметить различия в действии озона на бактерии, со­держащиеся в воде, по сравнению с действием хлора, С повышени­ем интенсивности хлорирования постепенно увеличивается число от­мирающих бактерий. Между тем озонирование вызывает внезапное резкое и полное бактерицидное действие, соответствующее опреде­ленной критической дозе озона.

Озон действует не только на окислительно-восстановительную систему бактерий, но и непосредственно на протоплазму, тогда как хлор — только на ферменты микробиальной клетки. Поэтому озон

214

значительно активнее хлора по отношению к вирусам, поскольку последние не имеют, или почти не имеют, ферментных систем.

Вирус полиомиелита погибает при величине остаточного озона 0,45 мг/л через 2 мин, а при дозе хлора 1 мг/л— только через 3 ч. Озон обладает высокой эффективностью также в уничтожении спо­ровых бактерий, цист¹ и многих других патогенных микроорганиз­мов. Действие озона на споровые бактерии в 300—600 раз сильнее, чем хлора. Озон адсорбирует и окисляет гуминовые кислоты, вызы­вающие цветность воды. Исследования показали, что с увеличени­ем степени обесцвечивания повышается удельная доза озона на 1° цветности воды. Опыты в Москве показали, что для получения рав­ного эффекта обесцвечивания нужно в 2,5 раза меньше озона, чем хлора. Озон действует в 15—30 раз быстрее хлора. Если вода по­ступает из водохранилища с несколько повышенной цветностью, вызванной развитием водорослей и фитопланктона, целесообразно применять двухступенчатую обработку воды: на микрофильтрах с последующим озонированием фильтрата.

После обработки хлором вода имеет зеленовато-желтую окрас­ку. Озонирование придает воде отчетливый голубой оттенок. Следо­вательно, обработка воды озоном снижает окраску в гамме желто­го цвета, но несколько усиливает ее в гамме синего цвета.

Озон может быть применен для удаления из воды железа и мар­ганца в тех случаях, когда обезжелезивание и деманганация воды обычным способом не удаются. Это наблюдается, если железо или марганец содержатся в воде в виде органических комплексных сое­динений или коллоидальных частиц. Озонирование воды вызывает окисление этих соединений и осаждение железа и марганца. При этом требуется 1 вес. ч. озона на 1 вес. ч. железа и марганца.

Запахи и привкусы воды хорошо устраняются при озонирова­нии. К ним относятся запахи, выделяемые некоторыми водоросля­ми, органическими субстанциями и микроорганизмами.

Хлор также оставляет в воде специфический запах, особенно, если вода мало минерализована. При озонировании возрастает со­держание растворенного кислорода, что способствует возврату очи­щенной озоном воде свежести, характерной для чистых природных источников.

Иногда озонирование применяют с главной целью — для устра­нения привкусов и запахов воды, так как озон действует на соеди­нения, которые не поддаются действию других химических реаген­тов. Например, на Восточной водопроводной станции (Москва) хлорирование воды усиливало болотно-тинистый запах волжской воды. После озонирования дозами 0,5—1 мг/л эти запахи интен­сивностью 4 балла полностью исчезали.

Особенно эффективен озон при очистке воды, загрязненной фе­нолами, сероводородом, сернистыми и цианистыми соединениями

¹ Цисты — плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организ­мов (например, жгутиковых, корненожек) при их размножении, а также в не­благоприятных для них условиях (пересыхание водоемов и т. п.).

215

и другими веществами, способными вызвать плохой запах воды. Между тем хлорирование воды, содержащей фенолы даже в ни­чтожных количествах, сообщает ей весьма неприятный хлор-феноль­ный привкус.

Озонирование представляет собой единственный современный метод обработки воды, который действительно универсален, так как проявляет свое действие одновременно в бактериологическом, физическом и органолептическом отношении. С химической точки зрения минеральные вещества, растворенные в воде и определяю­щие ее качественный состав, после озонирования не изменяются.

Вместе с тем при обработке озоном в воду не вносится никаких дополнительных посторонних веществ, что происходит, например, при хлорировании воды.

Технологическая схема озонирующей установки. Как известно, улучшение качества воды по общепринятой схеме, помимо ее освет­ления, обеспечивается тремя про­цес­сами: обесцвечиванию спо­соб­ствует коагулирование, обеззараживание осуществляется хлором, улуч­шение вкусовых качеств дос­тигается аммо­низацией или при помощи активированно­го уг­ля.

Рис. 69. Принципиальная технологическая схема установки для озонирования воды

Необходимость выпол­нения трех различных процессов усложняет тех­нологию обработки воды. Между тем озонирование позволяет одновременно достичь всех этих целей благодаря весьма высо­кой окисляющей способ­ности озона.

Принципиальная тех­нологическая схема уста­новки для озонирования воды представлена на рис.69. Атмосферный воздух пропускается через фильтр 1 для очистки от пыли, после чего воздушным компрессором 2 нагнетается на ох­лаждающие устройства 3, откуда поступает в устройства для осуш­ки воздуха 4. Охладителем служит вода, подаваемая в змеевик 5. Охлажденный и осушенный воздух направляется в генераторы озо­на 6 (озонаторы). Под действием «тихого» электрического разряда получается озон, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Кон­центрация озона в этой озоно-воздушной смеси колеблется для озо­наторов различных типов в пределах от 10 до 20 г/м³(или от 0,85 до 1,7% по весу при температуре 25°С).

Так как тихий электрический разряд сопровождается Тепловы­

216

делением, предусматривается охлаждение электродов озонатора водой, поступающей по трубопроводу 7. Напряжение подается на озонатор от повышающего трансформатора 8 по высоковольтному кабелю.

Заключительным этапом технологического процесса является быстрое и полное смешение воды с озонированным воздухом в спе­циальной контактной колонне 9. Диффузия озона в виде мельчай­ших пузырьков в толще воды осуществляется через сеть пористых трубок 10, размещенных в основании контактной колонны. Вода входит самотеком по трубе 11. Следовательно, вода и озонирован­ный воздух циркулируют во встречных направлениях, что ускоря­ет процесс растворения озона. Вода выпускается через отверстия в стенке бокового кармана 12, примыкающего к корпусу колонны. Озонированная вода поднимается по этому карману, после чего на­правляется в резервуар чистой воды по трубопроводу 13. Благода­ря рациональным условиям контакта воды с озоном воздух, выхо­дящий в вытяжную трубу 14, содержит только следы озона и мо­жет быть выведен наружу без всякой опасности для населения ок­ружающих районов.

Доза озона для обработки воды колеблется обычно от 0,6 до 3,5 мг/л в зависимости от качественных показателей исходной воды.

На рис. 70 представлена установка, оборудованная озонатора­ми и другими устройствами.

  

Рис. 70. Озонирующая установка

1 — озонаторы; 2 — воздуходувки; 3 — блок осушки воздуха; 4 — вентиляционная ка­мера; 5 — приточная труба; 6 — помещение КиП

Конструкция озонатора. Генератор озона состоит из двух элек­тропроводных поверхностей—электродов, расположенных на не­большом расстоянии друг от друга. Конструктивно электроды вы­полняются либо в виде двух параллельных пластин, либо в виде двух концентрично размещенных трубок разного диаметра (наруж­ная — стальная, внутренняя — стеклянная).

Принятый в СССР генератор озона имеет трубчатую конструк­цию, т. е. состоит из пакета трубчатых элементов, размещенных па­раллельно друг другу в общем цилиндрическом корпусе (рис.71),

217

Количество трубок принимается от 80 до 275 в зависимости от размеров озонатора¹. Электродами низкого напряжения являются цилиндры 1 из нержавеющей стали, омываемые охлаждающей водой.

Рис. 71. Схема трубчатого озонатора

Внутри каждого цилиндра находится стеклянная трубка 2; электродами высокого напряжения 3 служат покрытия из графита или алюминия, нанесенные на внутреннюю поверхность стеклянных трубок. Слой такого материала является диэлектрическим барьером; он исключает образование разрядов искровой или ду­говой формы и обусловлива­ет равномерную структуру «тихого» разряда. Одновре­менно диэлектрик выполня­ет роль реактивного буфер­ного сопротивления, ограни­чивающего ток в цепи раз-ряда. Присутствие в электрической цепи диэлектрического сопротив­ления вызывает необходимость обязательного питания озонатора только переменным током.

Рабочее напряжение тока составляет 20000 в с частотой 50 цик­лов в 1 сек. Источником такого напряжения служит повышающий трансформатор 8. Если присоединить электроды к этому источнику тока, в промежуточном пространстве возникает лиловый свет, представляющий собой видимое проявление «тихого» электрическо­го разряда. Если через разрядные щели пропускать воздух (или кислород), то начнется образование озона. Ширина разрядной ще­ли 9 и толщина стеклянной трубки равны ~2,5 мм каждая.

Впуск в озонатор кондиционированного воздуха производится через трубопровод 4, примыкающий к торцовой плоскости корпуса озонатора. Полученный озон выпускается через трубопровод 5 с противоположного конца корпуса.

Разряд характеризуется двумя температурами —электронной и молекулярной. Поскольку движение электронов более быстрое, чем молекул, то и соответствующая ему температура достигает 10000— 20000°С. Это создает условия для интенсивной бомбардировки мо­лекул кислорода, в результате которой и создаются молекулы озо­на. Так как молекулярная температура разряда находится в пре­делах лишь нескольких десятков градусов, то образовавшиеся мо­лекулы озона сохраняют устойчивость.

¹ В больших озонаторах нового конструктивного типа трубки размещены с обеих сторон цилиндрического корпуса (таким образом число трубок удваи­вается).

218

Так как «тихий» разряд сопровождается тепловыделением, необ­ходимо охлаждать электроды. С этой целью подают охлаждающую воду; она входит через трубу 6 и выходит через трубу 7.

Производительность одного озонатора в зависимости от его раз­меров и конструкции колеблется от 0,4 до 8 кг озона в 1 ч.

Техника безопасности. Реакция превращения озона в кислород является экзотермической, чем объясняется взрывчатость озона. Однако никакого взрыва не происходит, если концентрация озона в озоно-воздушной смеси не превышает 10% по весу. Практически приходится иметь дело с весьма низкими концентрациями — от 0,85 до 1,7% по весу. Такие смеси абсолютно безопасны даже при давлении в несколько атмосфер и при любых воздействиях (т. е. нагревании, ударе и др.).

Озон является отравляющим веществом раздражающего дейст­вия. Свойственный ему острый запах является лучшим индикато­ром его присутствия. Для безопасности обслуживающего персона­ла содержание озона в помещении должно быть не более 0,0001 мг/л. При концентрации озона в воздухе 0,001 мг/л может быть допущено только кратковременное пребывание человека в по­мещении. Доза озона 0,018 мг/л вызывает удушье.

Поэтому при устройстве озонирующей установки важно обеспе­чить: 1) сокращение пути движения смеси озона с воздухом от ге­нератора к контактной колонне; 2) газонепроницаемость трубо­проводов, подводящих озон.

Кроме того, выпуск воздуха из контактной колонны после сепа­рации его от озона надо производить через специальную вытяжную трубу с соблюдением условий, которые приведены на схеме (см. рис. 69).

Автоматизация озонирующих установок. Озонирующие установ­ки могут быть оборудованы как полуавтоматическим управлением, так и полной автоматизацией. Единственная ручная операция за­ключается в чистке электродов, которая производится только один раз в год. Все контрольно-измерительные приборы автоматической системы управления широко известны в практике. Исключение со­ставляют приборы для измерения остаточного озона в обрабатывае­мой воде и концентрации озона в воздухе. Действие этих приборов основывается либо на электролитическом, либо на фотометрическом принципе.

Действие первого прибора основано на поляризации электродов озоном, содержащимся в контролируемой воде. Действие второго прибора основано на измерении при помощи фотоэлемента свето­вых волн, длина которых отвечает спектральным линиям озона.

§ 40. Расчет озонирующей установки ¹

Основные расчетные данные. Расчетный расход озонируемой во­ды Q_cyт=48500 м³/сутки, или Q_чac=2020 м³/ч.

¹ Выполнен канд. техн. наук И. В. Кожиновым.

219

Дозы озона: максимальная q_оз^макс=5 г/м³ и средняя годовая q_оз^ср=2,6 г/м³.

Максимальный расчетный расход озона

      

Продолжительность контакта воды с озоном t=6 мин.

Компоновка и расчет блока озонаторов. Принят озонатор труб­чатой конструкции производительностью G_оз=5500 г/ч.

Для того чтобы выработать озон в количестве 10,1 кг/ч, озониру­ющая установка должна быть оборудована 10100:5500=2 рабо­чими озонаторами. Кроме того, необходим один резервный озонатор такой же производительности (5,5 кг/ч).

Активная мощность разряда озонатора U является функцией на­пряжения и частоты тока и может быть определена по формуле проф. Ю. В. Филиппова

                                (124)

где u_р  — напряжение в разрядном промежутке в в;

  ω  — круговая частота тока в гц;

  C_э и C_п—электрическая емкость соответственно электродов и раз­рядного промежутка в ф;

  u_a  — рабочее напряжение, подводимое к озонатору, в в.

Для определенного озонатора при установленных рабочих ус­ловиях величины C_э, C_п и u_р имеют постоянные значения независимо от напряжения или частоты тока. Поэтому расход электроэнергии пропорционален частоте тока со и максимальному напряжению то­ка u_а.

Напряжение тока в озонаторе принимается по опытным дан­ным.

Производительность озонатора увеличивается с повышением частоты тока со, но вместе с тем возрастает расход электроэнергии трансформатором и преобразователем частоты.

Значения C_э и C_п определяются по обычным формулам для рас­чета емкости плоского конденсатора; их величины весьма невели­ки и выражаются в микрофарадах.

Для данных условий принимаем: u_а=20000 в; ω=50 гц; C_э=26,1 мкф и C_п=0,4 мкф.

Величина потенциала разряда через разрядный промежуток со­ставляет 2000 в на каждый его линейный миллиметр. Так как в озо­наторе принятого трубчатого типа ширина разрядного промежутка составляет 2,5 мм, то потенциал разряда будет u_р=2,5∙2000=5000 в.

Тогда активная мощность разряда озонатора по формуле (124)

                 

220

 

Следует различать активную мощность озонатора U в квт и вольтамперную мощность U_а, выраженную в ква. Отношение U/U_a=η_e называется емкостным коэффициентом мощности.

При значении η_e=0,52 мощность трансформатора будет U_a=U:η_e=62:0,52=120 ква.

Основной деталью рассматриваемого озонатора являются стек­лянные диэлектрические трубки, заплавленные с одного конца и имеющие на внутренней поверхности графитовые покрытия. В стальные трубки внутренним диаметром d₁=92 мм вставлены стеклянные трубки наружным диаметром d₂=87 мм. Концентри­ческий зазор между трубками шириной 2,5 мм служит разрядным промежутком.

Площадь поперечного сечения кольцевого разрядного проме­жутка

          

Скорость прохода сухого воздуха через кольцевой разрядный промежуток в целях наибольшей экономии расхода электроэнергии рекомендуется в пределах υ_в=0,15 — 0,2 м/сек.

Тогда расход сухого воздуха через одну трубку озонатора

                   

Поскольку заданная производительность одного озонатора G_oз=5,5 кг/ч, то при коэффициенте весовой концентрации озона К_оз=20 г/м³ количество сухого воздуха, необходимого для элек­тросинтеза, составляет

                              

Следовательно, количество стеклянных диэлектрических трубок в одном озонаторе должно быть п_тр=Q_в:q_в=275:0,5=550 шт.

Стеклянные трубки длиной по 1,6 м размещены концентрично в 275 стальных трубках, проходящих через весь цилиндрический корпус озонатора с обоих его концов. Тогда длина корпуса озона­тора будет l=3,6 м.

Производительность каждой трубки по озону

                           

Энергетический выход озона

                        

Суммарная площадь поперечных сечений 275 трубок d₁ = =0,092 м составляет ∑f_тр=275∙0,785∙0,092²≈1,83 м².

Площадь поперечного сечения цилиндрического корпуса озона­тора должна быть больше на 35%, т. е. F_к=l,35∑f_тр=l,35∙1,83=2,47м².

Отсюда внутренний диаметр корпуса озонатора будет

                           

221

Необходимо иметь в виду, что 85—90% электроэнергии, потреб­ляемой для производства озона, затрачивается на тепловыделение. В связи с этим надо обеспечить охлаждение электродов озонатора. Расход воды для охлаждения составляет 35 л/ч на одну трубку или суммарно

                    Q_охл=550∙35=19 250 л/ч, или 5,35 л/сек.

Средняя скорость движения охлаждающей воды составит

          

Температура охлаждающей воды t=10 С.

Для электросинтеза озона нужно подавать 275 м³/ч сухого воз­духа на один озонатор принятой производительности. Кроме того, надо учесть расход воздуха на регенерацию адсорберов, составля­ющий 360 м³/ч для серийно выпускаемой установки АГ-50.

Общий расход охлаждаемого воздуха

                 V_о.в=2∙275+360=910 м³/ч, или 15,2 м³/мин.

Для подачи воздуха принимаем водокольцевые воздуходувки ВК-12 производительностью 10 м³/мин. Тогда необходимо устано­вить 15,2:10—1,52≈2 рабочие воздуходувки и одну резервную с электродвигателями А-82-6 мощностью 40 квт каждая.

На всасывающем трубопроводе каждой воздуходувки устанав­ливают висциновый фильтр производительностью до 50 м³/мин, что удовлетворяет расчетным условиям.

Первая ступень осушки воздуха осуществляется при помощи фреонового холодильного агрегата. Атмосферный воздух охлаж­дается с 26 до 6°С вследствие испарения фреона-12 (при темпера­туре -15°С).

Количество холода, необходимого для охлаждения воздуха,

                                                                 (125)

где V_о.в — количество охлаждаемого воздуха в м³/ч;

  c   —теплоемкость воды, равная 0,241 ккал/кг∙град;

  Δt  —перепад температуры, принимаемый обычно 20°;

  Γ   — вес 1 м³воздуха, равный 1,293 кг.

Следовательно, в данном случае

                  Q_о.в = 910∙1,293∙0,241(26-6)≈5670 ккал/ч.

Объем воздуха V в общем виде вычисляют по формуле

                                     (126)

Тогда при рабочих параметрах воздуха, поступающего в тепло­обменник с t₁=26°С и P_раб=2 ат и выходящего из него с t₂=6°C и P_раб=2 ат, по формуле (126):

                         

222

                           

Количество влаги в воздухе q в общем виде определяют по формуле

                                               q=aV,                                      (127)

где а— влагосодержание в воздухе при данной температуре

При t₁=26°С величина а₁=0,02686 кг/м³, а при t₂=6°С а₂=0,007474 кг/м³. Тогда

                             q₁=0,02686∙514,8≈13,8 кг/ч;

                              q₂=0,007474∙480,2≈3,6 кг/ч.

Количество влаги, выделяющейся ваппарате холодильной ус­тановки, q_ап=q₁–q₂==13,8–3,6=10,2 кг/ч.

Количество холода, необходимого для охлаждения паров вла­ги в аппарате, считая от средней температуры t_ср=(26+6):2=16°С до конечной i₂=6°С, составит q_о.вл=10,2∙1(16-6)=102 ккал/ч.

Количество холода для конденсации влаги, задержанной в хо­лодильнике: q_конд=q_апη_к=10,2∙595=6069 ккал/ч (где η_к=595 ккал/ч — теплота конденсации водяных паров).

Общее количество холода для всех операций с учетом 15% на потери: Q_хол=1,15(Q_о.в+q_о.вл+q_кон)=1,15(5670+102+6069)≈13620 ккал/ч.

Принимаем к установке фреоновые холодильные агрегаты мар­ки АК-ФВ-30/15 холодопроизводительностыо 7000 ккал/ч (при тем­пературе испарения фреона — 15°С) при мощности электродвига­теля 4,5 квт и n=480 об/мин.

Количество таких агрегатов должно быть n=13620:7000≈2 шт. Принимаем два рабочих и один резервный агрегат той же марки.

Вторая ступень осушки воздуха — адсорбирующая установка.

После охлаждения и осушки во фреоновом холодильнике воз­дух поступает на окончательную досушку в адсорберы автомати­ческого действия марки АГ-50.

Количество осушаемого воздуха для двух рабочих озонато­ров составляет Q_о.в=2∙275=550 м³/ч.

Продолжительность рабочего цикла адсорбции принимаем τ=10ч.

Вес адсорбента р_ад при равной высоте двух слоев загрузки — алюмогелем и силикагелем — должен быть:

                                   

где k   — коэффициент для учета материала загрузки адсорбера;

  q₃    — количество влаги на выходе из адсорбера, при t₃= –50°С равное 0,05 г/м³;

  s    — влагопоглощаемость адсорбента в % к его весу.

223

Тогда вес алюмогеля р_али силикагеля p_сил будет:

                 

Суммарный вес загрузки составит p_ад=420+301=721 кг. При указанном выше насыпном весе адсорбера и при высоте каждого слоя h=400 мм в одну башню АГ-50 можно загрузить: алюмогеля (нижний слой)

                         

силикагеля (верхний слой)

                         

Суммарная загрузка башни p_б=267+188=455 кг.

Следовательно, для досушки воздуха нужно иметь установок АГ-50 в количестве n=p_ад:p_б=721:455≈2 шт. (две рабочих и одну резервную).

Расчет контактной камеры для смешения озоно-воздушной сме­си с водой. Необходимая площадь поперечного сечения контактной камеры в плане

                                                                       (128)

где Q_чac — расход озонируемой воды в м³/ч;

  Т   — продолжительность контакта озона с водой; принима­ется в пределах 5—10 мин;

  п   — количество контактных камер;

  Н  — глубина слоя воды в контактной камере в м; прини­мается обычно 4,5—5 м.

При Q_чac=2020 м³/ч, T=0,1 ч, n=2 и H=5 м

                                    

Для равномерного распыления озонированного воздуха у дна контактной камеры размещают перфорированные трубы (рис. 72). Принимаем керамические пористые трубы.

Каркасом служит труба из нержавеющей стали (наружный диа­метр 57 мм) с отверстиями диаметром 4—6 мм (рис. 73). На нее надевается фильтросная труба — керамический блок длиной l=500 мм, внутренним диаметром 64 мм и наружным 92 мм.

Активная поверхность блока, т. е. площадь всех пор размером по 100 мк на керамической трубе, занимает 25% внутренней по­верхности трубы, тогда

              

224

При вводе озона в контакт с водой способом барботажа коли­чество подаваемого воздуха не находится в жесткой зависимости от количества обрабатываемой воды. Это позволяет регулировать подачу воздуха. Производительность воздуходувок обычно подби­рают так, чтобы, включая в действие одну, две или три воздуходув­ки, можно было изменять отношение объема газо­вой смеси к объему обра­батываемой воды.

Величины этого отно­шения а обычно принима­ют равными 0,27; 0,5 или 1. В данном случае а=Q_о.в:Q_чac=550:2020≈0,27.

Тогда количество озо­нированного воздуха, по­даваемого по распредели­тельным трубам, соста­вит q_оз.в=2020∙0,27≈550 м³/ч, или 9,17 м³/мин, или 0,158 м3/сек.

Рис. 72. Размещение перфорированных труб у дна контактной камеры 1 — коллекторы; 2 — перфорированные трубы

Площадь поперечного се­чения магистральной (кар­кас­ной) распределительной тру­бы внутрен­ним диамет­ром d=49 мм равна: f_тp=0,00188 м²=18,8 см².

Принимаем в каждой контактной (камере по четыре магистральных распределительных трубы, уложенных на взаимных расстояниях (между осями) по 0,9 м. Каждая труба со­стоит из восьми керамических блоков. При таком размещении труб принимаем размеры контактной камеры в плане 3,7X5,4 м.

     

Рис. 73. Детали фильтросных труб

1 — каркас-труба из нержавеющей стали; 2 — отверстия d =4 — 6 мм; 3 — фильтросная труба (керамический блок); 4 — прижимное устройство; 5 — привар­ной фланец; 6 — прокладки; 7 — резьба

225

Расход озонированного воздуха, приходящегося на живое сече­ние каждой из четырех труб в двух камерах, будет

                           

а скорость движения воздуха в трубопроводе равна

                         υ=q_тp:f_тр=0,02:0,00188≈10,7 м/сек

(рекомендуемая скорость 10—15 м/сек).

Суммарная активная площадь пор всех керамических труб, уло­женных в одной камере, ∑f_п=mf_п=4∙8∙0,0251=0,8 м² (где 4 — количество магистралей; 8 — количество керамических труб).

Расход озонированного воздуха, поступающего в воду через по­ристую поверхность всех труб одной камеры:

                           

Общее давление, которое должно быть на входе в распредели­тельную систему озоно-воздушной смеси, определяется по формуле Ю. Б. Багоцкого

               (129)

где H_гидр — гидростатическое давление в м вод. ст. (равное высоте слоя воды в камере);

  γ_в    — плотность воздуха;

                                                                         (130)

  K_ω=∑ω_o/ω) — конструктивное отношение (рекомендуется прини­мать равным примерно 0,5);

  ω_o — площадь одного отверстия на каркасной трубе в м²;

  ω  — площадь сечения распределительной каркасной грубы в м²;

  А   — коэффициент, зависящий от условного диаметра пор на керамической трубе d=100 мк и равный

                                                                             (131)

  0,3 — избыточное давление.

В данном примере при диаметре одного отверстия 0,005 м ω_o=0,0000196 м², при 50 отверстиях на 1 пог. м ∑ω_o=0,00096 м², а ω=f_тр=0,00188 м². Следовательно, K_ω=0,00096:0,00188≈0,52.

Таким образом,

                      

226

Глава IX

Расчет сооружении для умягчения воды

§ 41. Общие сведения об умягчении воды

Умягчение воды может быть осуществлено следующими основ­ными способами: 1) реагентным; 2) катионитовым; 3) термиче­ским.

Нередко представляется целесообразным комбинировать эти способы, удаляя часть солей жесткости реагентным способом, а остаток их — катионированием, либо применять реагентный способ в комбинации с термическим способом умягчения воды.

Условия наиболее эффективного применения различных спосо­бов умягчения воды с краткой характеристикой происходящих про­цессов приведены в табл. 52*.

Из реагентных способов умягчения наиболее распространен известково-содовый способ. Сущность его состоит в переводе рас­творенных в воде солей Са²⁺ и Mg²⁺ в малорастворимые СаСОз и Mg(OH)₂, выпадающие в осадок.

После введения Са(ОН)₂ в воду находящаяся в ней растворен­ная СО₂ связывается в карбонат-ион СО₃^2–, который соединяется с растворенным в воде Са²⁺:

                                

При вводе извести в количестве, большем, чем необходимо для: перевода бикарбонат-ионов в карбонат-ион

                                 

происходит ускорение гидролиза магнезиальных солеи; при этом Mg²⁺ связывается в гидроокись магния:

                                  

* Подготовка воды для котельных установок здесь не рассматривается. Умягчение воды для хозяйственно-питьевых нужд применяется, когда же­сткость воды более 7 мг∙экв/л (ГОСТ 2874—54).

227

Tаблица 52

---

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1389; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!