CC BY
27
УДК 628.166.085:658.562.3
В. В. ТОМИЛОВ О. С. ТОМИЛОВА
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ СТЕРИЛИЗАТОРОВ ВОДЫ
Экспериментальный контроль времени облучения воды в ультрафиолетовых стерилизаторах воды позволяет дать оценку эффективности их работы и предложить пути усовершенствования конструкций. Предлагаемые решения позволяют повысить эффективность обеззараживания путем обеспечения более равномерного облучения потоков воды. Выравнивание ультрафиолетовой дозы обеспечивается тангенциальными завихрителями на входе и выходе корпуса и шнековой конструкцией камеры обеззараживания. Результаты исследований стерилизаторов приведены для характерного диапазона расхода воды в пассажирских вагонах железнодорожного транспорта. Ключевые слова: экспериментальный стенд, ультрафиолетовый стерилизатор, время облучения, доза облучения, тангенциальный завихритель, пассажирский вагон.
Контроль качества водоподготовки в различных отраслях народного хозяйства, в том числе на железнодорожном транспорте, с целью обеспечения безопасности здоровья и жизни людей является одной из приоритетных задач в мире [1, 2].
В существующих конструкциях ультрафиолетовых стерилизаторов повышение эффективности обеззараживания воды ультрафиолетом достигается за счет увеличения интенсивности ультрафиолетовой лампы или увеличения времени облучения ее потоков [3]. Последнее, в свою очередь, обеспечивается увеличением длины камеры обеззараживания путем последовательной установки двух-трех стерилизаторов, либо снижением расхода воды — параллельной установкой. В обоих случаях требуется увеличение потребляемой электрической мощности, что противоречит существующим тенденциям энергосбережения.
Более эффективным способом является применение выравнивающих ультрафиолетовую дозу облучения устройств [4, 5]. Равномерное облучение воды достигается за счет перемешивания отдельных потоков, либо замедлением скорости движения самых быстрых. Кроме того, существующие типовые конструкции имеют области камеры обеззараживания, которые не участвуют в транзите воды при ее определенных расходах и сокращают время облучения основному потоку.
Бактериологический анализ воды на выходе стерилизатора, согласно указаниям [6], необходим, однако он не позволяет оценить гидродинамические процессы потоков внутри камеры обеззараживания стерилизатора. Показать, где имеются участки за-кольцовывания вихрей, оценить разницу скоростей потоков, степень эффективности или неэффективности конструкции предлагаемого нового выравнивающего устройства может только визуальное
отображение траекторий потоков. Такие экспериментальные исследования, широко применяемые при изучении вихревых аппаратов [7], позволяют определить оптимальные размеры и параметры УФ-стерилизаторов и добиться повышения эффективности обеззараживания воды.
Предлагаемая методика, разработанная в Ом-ГУПСе, основана на визуальном анализе траектории движения подкрашенных потоков воды внутри УФ-стерилизатора с прозрачным корпусом [8] или его макетного образца. Использование последнего актуально на этапе проектирования стерилизаторов.
Экспериментальные исследования проводились на разработанных в ОмГУПСе макетных образцах усовершенствованных УФ-стерилизаторов с тангенциальными завихрителями (рис. 1) и шнековой конструкции (рис. 2). Обе конструкции по расходу воды, энергии и габаритным параметрам предназначены для установки в существующую систему водоснабжения пассажирского вагона железнодорожного транспорта и предварительно рассчитаны с использованием математических моделей, приведенных в работах [5, 9]. Конструктивной особенностью макетных образцов является то, что оси патрубков параллельны и расположены с одной стороны корпуса асимметрично. Корпус стерилизатора устанавливается вертикально.
Для проведения экспериментальных исследований, согласно предлагаемой методике, разработан стенд для исследования гидродинамических процессов в УФ-стерилизаторах (рис. 3) [8]. Стенд работает следующим образом. Входной гибкий шланг испытательного стенда присоединяется к внешней системе водоснабжения. Для измерения статического давления в ней на входе установлен манометр высокого давления 1 (0 — 6 атм.). Кран 2 осущест-
б
Рис. 1. Внешний вид макетного образца УФ-стерилизатора с тангенциальными завихрителями: а) — фронтальный вид; б) — горизонтальный вид; 1 — входной патрубок; 2 — выходной патрубок; 3 — УФ-лампа; 4 — прозрачный корпус; 5 — фланец для очистки корпуса и установки шнека
а
11 10 6 9 7
Рис. 2. Внешний вид макетного образца УФ-стерилизатора шнековой конструкции с десятью витками:
а) — общий вид; б) — фланец; 1 — входной патрубок; 2 — выходной патрубок; 3 — шнек; 4 — прозрачный цилиндрический корпус; 5 — ребра; 6 — фланец; 7 — фланцевая заглушка; 8 — резиновая прокладка; 9 — крепежные болты;
10 — хомут; 11 — нижняя крышка
Рис. 3. Стенд для исследования гидродинамических процессов в УФ-стерилизаторах
вляет подачу и отключение воды в гидродинамическую систему стенда через фильтр 3. С помощью регулируемого крана 4 задается необходимая величина расхода воды, контролируемая расходомером 9. Температура воды регистрируется соответствующим электрическим датчиком 10. Измерение потерь давления устройства осуществляется с помощью мано-
метра низкого давления (0 — 1 атм.) или напоромера (0 — 0,01 атм.) 11. Система контроля и управления соединяется при помощи гибкого шланга и резиновой муфты с объектом испытания — макетным образцом УФ-стерилизатора 5 с прозрачным цилиндрическим корпусом, оснащенным входным 6 и выходным 7 патрубками и УФ-лампой 8.
Рис. 4. Фрагменты последовательного прохождения окрашенных потоков в УФ-стерилизаторе с тангенциальными завихрителями
Рис. 5. Фрагменты последовательного прохождения окрашенных потоков в УФ-стерилизаторе шнековой конструкции
В резиновую муфту на глубину больше толщины ее стенки введена игла устройства ввода сла-борастворяемого красителя (шприц-дозатор) 12. При нажатии поршня шприца-дозатора краситель порцией впрыскивается в испытываемый макетный образец и, окрашивая потоки воды, проходит вдоль ее корпуса в виде цветных струй. Определение движения потоков осуществляется с помощью высокоскоростного видеорегистратора 13, связанного с блоком хранения и обработки информации 14. Траектория движения струй в графическом виде выводится на экран устройства.
При необходимости, например, для более четкого и детального распознавания перемещений потоков воды, стенд дополняется одним или несколькими внешними источниками освещения.
Для оценки времени и скорости перемещения цветных потоков использовалась программа «Тех-ноСканер» [10]. Программа разработана специалистами ОмГУПСа и многократно опробована в различных динамических испытаниях. Исследование окрашенных потоков основывается на анализе записанного видеоизображения в любом формате, в том числе покадровым снимкам. Данные, полученные по результатам обработки, сохраняются в удобном формате и могут быть прочитаны большинством программ, работающих с базами данных.
Максимальная порция красителя зависит от регистрируемой величины тангенциальной и продольной скоростей, времени прохода и составляла для проведенных испытаний 0,2 мл, что является достаточным для идентификации окрашенных струй как визуально, так и аппаратными и программными средствами. Доза выше указанной окрашивает потоки, движущиеся вокруг имитатора УФ-лампы, более чем на 360 что не позволяет четко отследить траекторию потока и количество витков на малом интервале или в завихрителе. Малая порция не позволит четко определить скорость потоков в верхней части макетного образца, так как растворяется, смешиваясь с остальным объемом. Последнее характерно для макетного образца УФ-стерилизатора с тангенциальными завихрителями без шнека. И в данном случае для лучшего распознавания изображения программой необходимо увеличивать концентрацию красителя.
Измерение максимального времени нахождения в камере обеззараживания — облучения также требует строго дозированного впрыска красителя. Решающее значение остается за скоростью ввода, так как медленное введение приведет к растягиванию красителя и невозможности анализа состояния потоков.
Следует отметить, что температура воды также влияет на скорость растворения окрашивающего вещества. Теплая вода является катализатором процесса растворения и расширения цветного облака, холодная — ингибитором.
Принцип работы выравнивающих дозу облучения исследуемых устройств отличен и иллюстрируется приведенными фрагментами потоков (рис. 4 и 5). По результатам многочисленных исследований в статье приводятся результаты испытаний четырех макетных образцов УФ-стерилизаторов, которые наиболее полно соответствуют требованиям по эффективности обработки. Для устройства с тангенциальными завихрителями характерны значительные скорости (главным образом, тангенциальная составляющая), которые способствуют интенсивному перемешиванию воды, для модели с оребре-нием — общее увеличение пути прохода жидкости со снижением максимальных скоростей потоков.
Для устройства с тангенциальными завихрите-лями (рис. 4) выделены отдельные моменты времени t¡l — t¡i прохождения красителя, его ввода t1.— t2. и соответствующих им расположениям по высоте х... Эффективность перемешивания слоев обеспечивается малым снижением тангенциальной составляющей скорости потока V (рис. 6а) вдоль стерилизатора, на графике приведены ее максимальные значения.
Графики зависимости наибольшей (снизу стерилизатора — максимальной и сверху — минимальной) скорости V от расхода УФ-стерилизатора (рис. 6б) приведены для диапазона расхода воды, характерного для заправки вагона железнодорожного транспорта. Анализ расчетных [5, 9] и экспериментальных максимальных значений скоростей потоков воды показывает, что их расхождение не превышает 7 %.
В качестве УФ-стерилизатора со шнековой конструкцией использовался макетный образец длиной 0,6 м. Предварительно экспериментальные исследования проводились на макетном образце длиной 1 м. Удовлетворительные результаты и незначительное падение давления в камере обеззараживания 0,6 м обусловили выбор указанной длины.
Рис. 6. Значения тангенциальной скорости потоков воды
Рис. 7. Графики зависимости времени облучения воды от расхода в макетных образцах УФ-стерилизаторов: а — с концентричными патрубками; б — шнековой конструкции
Рис. 8. Значения дозы облучения воды от расхода в макетных образцах УФ-стерилизаторов: а — с концентричными патрубками; б — шнековой конструкции
По результатам экспериментальных исследований УФ-стерилизатора с десятью витками при начальной интенсивности УФ-лампы 7 мВт/см2 возможно снижение энергопотребления как минимум на 50 % по сравнению с образцом без шнека. При эксплуатации устройств с пятью и восемью витками имеется необходимость в увеличении мощности УФ-ламп для достижения требуемой дозы инактивации. На основании экспериментальных данных о времени облучения воды Туф (рис. 7) и задаваемой начальной интенсивности типовой УФ-лампы /уф, рассчитаны дозы потоков Оуф (рис. 8). Разница АО,ггт, мак-
симального и минимального .
УФтах УФшт
уф
значений в
конструкции с тангенциальными завихрителями по сравнению со шнековой значительно выше, их зна-
чения отличаются в девять раз. Следовательно, применение шнека в камере обеззараживания является эффективным способом, выравнивающим УФ-дозу.
Для обеспечения минимальной допустимой дозы облучения 16 мДж/см2 для стерилизатора с концентричными патрубками требуется УФ-лампа с начальной интенсивностью не менее 14 мВт/см2, для шнековой конструкции — 7 мВт/см2, при этом длина облучателя с концентричными патрубками составляет 1 м, со шнеком — 0,6 м. Падение давления в шнековой конструкции для десяти витков составляет не более 0,02 МПа, что является допустимым значением для обеспечения полной заправки водой пассажирского вагона железнодорожного транспорта.
б
а
б
а
По результатам экспериментальных исследований, установлено, что при наличии «воздушной пробки» над верхним патрубком интенсивность вращения верхних потоков выше, так как площадь касания верхней крышки значительно меньше, а следовательно, меньше трение.
Необходимо отметить, что достижение максимального эффекта от вращения возможно лишь при непрерывной подаче воды. После прекращения заправки требуется опорожнение УФ-стерилизатора, так как в противном случае переходный режим закручивания всего объема воды, остановившегося между заправками, сопоставим со временем самой заправки. При этом эффект выравнивания от медленного закручивания потоков отсутствует. В шне-ковой конструкции такие переходные режимы не наблюдаются, слив воды не требуется, что является существенным преимуществом с точки зрения бережливой технологии водоподготовки.
В отличие от УФ-стерилизатора с оребрением (шнековая конструкция камеры обеззараживания) технология изготовления стерилизатора с завих-рителем намного проще, следовательно, дешевле, но эффективность УФ-облучения существенно ниже.
Проведенные экспериментальные исследования по оценке эффективности работы УФ-стерилизаторов воды актуальны с научно-технической точки зрения. Исследования позволили разработать методику, позволяющую экспериментально определить минимальное время пребывания воды в камере обеззараживания для последующего расчета дозы облучения. В ходе испытаний дана экспериментальная оценка эффективности работы выравнивающих УФ-дозу устройств, а также усовершенствованных конструкций стерилизаторов для железнодорожного транспорта. Предложенная методика контроля дозы облучения может быть полезна лабораториям и проектным организациям для оценки обеспечения ее минимальной величины в проточных стерилизаторах с целью исключения требования повторного облучения путем обеспечения циркуляции воды либо снижения ее частоты.
Библиографический список
1. Костюченко С. В. Современное состояние и перспективы УФ-технологии // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 4. С. 2-4.
2. Грудинкин А. П., Пискарева В. М. Технологические и технические особенности метода обеззараживания воды ультрафиолетом // Сантехника. 2016. № 5. С 52 — 56.
3. Koutchma T. N., Forney C. J., Moraru C. I. Ultraviolet Light in Food Technology: Principles and Ap-plications // Contemporary food engineering. Boca Raton London New York. CRC Press. Taylor & Francis Group. 2009. 300 p.
4. Zhengcai Ye. Ultraviolet disinfection between concentric cylinders // PhD dissertation. Georgia Institute of Technology. 2007. 134 p.
5. Томилова О. С. Расчет эффективности УФ-стерилизатора модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона // Известия Транссиба. 2012. № 3. С. 47—54.
6. Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды: метод. указания МУ 2.1.4.719-98. М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 1998. С. 7.
7. Тарнопольский А. В. Вихревые теплоэнергетические устройства: моногр. Пенза: Изд-во Пензен. гос. ун-та, 2007. 184 с.
8. Пат. 155339 РФ, МПК G 01 M 10/00, G 01 P 5/00. Стенд для исследования гидродинамических процессов в ультрафиолетовых стерилизаторах / Клюка В. П., Томилова О. С., Томи-лов В. В. № 2015109346/28; заявл. 17.03.2015; опубл. 10.10.2015, Бюл. № 28.
9. Матяш Ю. И., Томилов В. В., Томилова О. С. [и др.]. Моделирование течений жидкости в УФ-стерилизаторе модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона железнодорожного транспорта // Известия Транссиба. 2013. № 1. С. 18-27.
10. Сидоров О. А., Павлов В. М., Смердин А. Н., Голубков А. С. Программное обеспечение для распознавания видеоинформации «ТехноСканер» 2.0: cвидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2008612517. Заявл. 07.04.08. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21.05.08.
ТОМИЛОВ Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта». Адрес для переписки: tomilov_omsk@mail.ru ТОМИЛОВА Ольга Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство».
Адрес для переписки: motovilova@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 14.04.2017 г. © В. В. Томилов, О. С. Томилова
