автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности ультрафиолетового обеззараживания жидких сред в сельскохозяйственном производстве на основе применения энергосберегающей технологической схемы облучения

На правах рукописи

]1

КОТОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОБЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -2004

Диссертация выполнена в ФГОУ ственном аграрном университете

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

ВПО Санкт-Петербургском государ-

кандидат технических наук, доцент Силенко Виталий Николаевич

доктор технических наук, профессор Беззубцева Марина Михайловна кандидат технических наук, лауреат премии Совета Министров СССР Барышиев Юрий Петрович

Ведущая организация: государственное научное учреждение "СевероЗападный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук" (ГНУ СЗНИИМЭСХ)

Защита состоится 24 декабря 2004 г. в 10м ч на заседании диссертационного совета Д 220 060 06 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете, по адресу 196600, г. Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д 2 (2-ой учебный корпус, ауд. 719)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО СПбГАУ

Автореферат разослан 23 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сельское хозяйство тесно связано с различными жидкими средами:

- средами, использующимися при выращивании животных и растений (например, питьевая вода; питательные растворы гидропонных теплиц);

- средами, идущими на реализацию (например, молоко);

- средами, являющимися побочными продуктами функционирования отраслей АПК (например, сточные воды; жидкие фракции навоза);

- средой, являющейся неотъемлемой частью организма животных - кровью.

Данные среды в АПК подвергают обработке УФ-излучением, которое позволяет:

- предотвратить перенос болезнетворных (патогенных) микроорганизмов со средой к растениям или в организм животных;

- производить обеззараживание питательных растворов гидропонных теплиц, подавляя в них жизнедеятельность различных микроорганизмов, обеспечивая возможность повторного использования раствора в процессе минеральной подкормки растений;

- предотвратить преждевременное скисание и прогоркание молока, а также снижение его санитарного качества до второго и третьего классов;

- избежать опасности распространения инфекционных заболеваний среди людей и животных, в результате непосредственного контакта побочных жидких сред с/х производства с окружающей средой, которые содержат большие количества патогенных микроорганизмов;

- активизировать деятельность имунной системы животных и вылечить их от бронхопневмонии, ринотрахеита и других болезней в результате непосредственного облучения крови животного.

В технологических схемах облучения, применяемых в выпускаемых УФ-установках, источник УФ-излучения располагается либо над поверхностью объема обрабатываемой среды, либо в ее объеме, а распространение УФ-потока в среде перпендикулярно направлению ее перемещения. Для достижения необходимого качества обеззараживания жидкой среды в процессе ее обработки УФ-потоком каждой частице облучаемого объема нужно передать количество энергии не меньше минимально допустимого значения (дозы облучения), задаваемого технологическими условиями работы УФ-установки. В применяемых технологиях требуемого результата достигают с потерями бактерицидного потока, доходящими до 80 %. Данные потери обусловлены тем, что УФ-поток, проходя через обрабатываемый слой среды, поглощается подложкой, на которой располагается облучаемая среда. Потери электроэнергии в источниках УФ-излучения составляют 90 % (для ртутных ламп высокого давления) и 60 % (для ртутных ламп низкого давления), поэтому в процессе облучения среды УФ-потоком используется только 2...8 % от потребленной электроэнергии. Доля отра энергии в технологических процессах с испол

м

ния, к которым относится процесс обработки жидких сред УФ-потоком, составляет 10... 15%. Потери же энергии в них превышают суммарные потери в электроприводах и при электронагреве, несмотря на то, что эти установки потребляют гораздо больше электроэнергии (примерно по 40 %). Переход сельскохозяйственного производства в условия рыночных отношений привел к тому, что доля электроэнергии в себестоимости продукции не просто выросла, а превратилась в значительный, а в ряде случаев, в определяющий показатель экономической эффективности деятельности с/х предприятий. Поэтому, поиск энергосберегающей технологической схемы облучения жидких сред УФ-потоком является весьма актуальной задачей для всех отраслей АПК.

Применение столь неэкономичных технологий облучения, в которых теряется до 80 % энергии электромагнитного излучения обусловлено отсутствием метода расчета, позволяющего анализировать и синтезировать энергосберегающие технологии обеззараживания жидких сред. В применяемых методиках расчета УФ-установок не учитывается характер ослабления УФ-потока в обрабатываемом слое среды, как и величина потока доходящего до подложки и поглощаемого ею. От равномерности облучения УФ-потоком обрабатываемого слоя среды толщиной И, зависит качество ее обеззараживания. В применяемых технологиях облучения, чем выше требования к качеству обеззараживания среды, тем тоньше слой жидкости облучаемый УФ-потоком и выше потери бактерицидного потока, вызванные его поглощением подложкой. Возможность провести сравнительный анализ затрат энергии на обеззараживание среды в разрабатываемой установке с теоретически необходимым количеством энергии для получения заданного результата, в методиках расчета отсутствует. В результате этого невозможно оценить энергетическую эффективность работы спроектированной установки, а также обозначить пути развития энергосберегающих технологий облучения.

Определить на практике энергетическую эффективность работы любой энергосберегающей технологии облучения жидких сред невозможно без знания дозы облучения, которую получает объем среды в результате прохождения через УФ-установку. Способа практического определения дозы облучения, получаемой средой в технологии облучения, нет. Определить энергетическую эффективность работы энергосберегающих технологий облучения по сравнению с применяемыми технологиями можно только при рассмотрении обеззараживания в них жидкой среды одного физико-химического состава. Такой средой выбран питательный раствор гидропонных теплиц. Объемы, в которых они (растворы) используются, достаточно велики, как и риск распространения с ними по теплице различных патогенных микроорганизмов и водорослей (ухудшающих минеральное питание выращиваемых растений). Необходимые же для сравнения спектральные оптические свойства растворов в бактерицидной области УФ-излучения в технической литературе отсутствуют, поскольку применение УФ-облучения для их обеззараживания - новое направление решения проблемы борьбы с возбудителями инфекционных заболеваниях, передаваемых растениям данными растворами.

Цель и задачи исследования. На основе изложенного целью исследования является оптимизация энергетической эффективности УФ-обеззараживания жидких сред на основе использования метода конечных отношений (позволяющего проводить анализ и синтез энергосберегающих технологических процессов) и энергосберегающей технологической схемы облучения, применительно к питательным растворам гидропонных теплиц.

В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение этой цели, поставлены и решены следующие задачи:

- разработана методика расчета эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях УФ-обеззараживания жидких сред;

- обоснована технологическая схема облучения жидких сред УФ-потоком, оптимизирующая потери энергии электромагнитного излучения в процессе облучения среды в сочетании с высоким качеством ее обеззараживания;

- разработан способ определения энергоемкости процесса обеззараживания среды в технологиях УФ-облучения жидких сред, на основе экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку;

- доказана экономическая эффективность применения технологии облучения с коллинеарным (параллельных одной и той же прямой) направлением векторов скорости движения обрабатываемой среды и потока УФ-излучения в ней.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования явились технологии обеззараживания жидких сред УФ-излучением.

Предметом исследования - энергетическая эффективность процесса обеззараживания жидких сред в технологических схемах облучения; оптические свойства питательных растворов гидропонных теплиц в бактерицидном спектре УФ-излучения; энергоемкость процесса УФ-обеззараживания жидких сред при облучении питательных растворов гидропонных теплиц; оптические свойства водного раствора тиазинового красителя метиленового голубого в оптическом спектре излучения (для обоснования практического метода определения энергоемкости работы технологий УФ-облучения жидких сред).

Методики исследования. Для достижения поставленной цели использован метод конечных отношений (МКО) В.Н. Карпова, который позволяет оценивать эффективность использования энергии электромагнитного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред и осуществлять синтез технологических схем (метод защищен патентом РФ).

В данном методе в качестве расчетного параметра применяется энергоемкость элементов (С2э), определяемая отношением энергии на их входе ((}н) к энергии на выходе (С2к)

Под элементами в энерготехнологическом процессе УФ-облучения жидких сред, в котором материальная составляющая (жидкая среда с микро-

организмами) взаимодействует с энергией, понимаются слои жидкости, на которые можно условно поделить объем обрабатываемый в УФ-установке. Направление распространения УФ-потока в данных слоях перпендикулярно их продольному сечению. В процессе проникновения УФ-потока в объем облучаемой среды он поглощается ее слоями. Для того, чтобы облучаемый УФ-потоком каждый слой среды объемом достиг необходимого качества обеззараживания, ему нужно передать количество энергии Qc не менее минимально допустимого значения Q\?'VC, где Qy1 -объемная доза облучения, при которой начинает проявляться необходимый эффект от облучения среды УФ-потоком. Тогда для слоя, подвергающегося воздействию УФ-потока, можно записать:

Qc = Q3 ■ Qv ■ vc ■ (2)

Необходимый эффект в технологии облучения будет наблюдаться когда причем случай будет означать перерасход энергии в обрабатываемом слое среды сверх необходимого значения. Поскольку процесс облучения объема среды идет с поглощением УФ-потока обрабатываемыми слоями, поэтому при передаче необходимого количества энергии слою, находящемуся на максимальном удалении от источника УФ-излучения, в слоях среды лежащих над ним идет процесс безрезультатного расходования энергии. Поэтому, величина - это параметр, к которому должны стремиться (обеспечивать) все энергосберегающие технологии облучения жидких сред. Выражение (2) позволяет описать характер изменения энергии по всему объему среды, подвергающегося воздействию УФ-потока в бактерицидной установке. Это очень важно для анализа и синтеза энергосберегающих технологий облучения жидких сред УФ-потоком, которые должны обеспечивать равномерность распределения по объему обрабатываемой жидкой среды.

Математическая обработка экспериментальных данных базировалась на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, дисперсионный анализ, планирование эксперимента. Теоретическое доказательство эффективности применения технологии с коллинеарным направлением векторов скорости движения облучаемой среды v и потока УФ-излучения Фо в ней произведено с использованием решений дифференциальных уравнений.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных специальных спектральных приборов.

Математическая обработка результатов экспериментальных исследований проводилась на ПЭВМ с использованием прикладной программы EXCEL 7.0.

Научная новизна работы состоит в следующем: - введен параметр энергоемкости процесса УФ-обеззараживания жидких сред, позволяющий определять энергетическую эффективность работы технологий облучения;

- предложена методика оценки энергетической эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред, которая позволяет синтезировать энергосберегающие технологии УФ-облучения жидких сред;

- предложена технологическая схема облучения жидких сред УФ-потоком, обеспечивающая теоретически возможный предел С}э =1,0 эффективности использования электромагнитной энергии в процессе обеззараживания;

- получены спектральные оптические свойства питательных растворов гидропонных теплиц, в области ультрафиолетового бактерицидного излучения (X = 205... 315 нм) и их математическое описание;

- разработан практически применимый способ экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку. Способ позволяет находить энергоемкость работы технологий облучения, обеспечивающих в процессе работы необходимое качество обеззараживания среды.

Реализация результатов исследований. Были изготовлены и установлены в АОЗТ "Лето" (г. СПб) и ЗАО Агрофирма "Выборжец" (г. СПб) макеты УФ-установок с технологией коллинеарного направления векторов скорости движения облучаемой среды и потока УФ-излучения, для обеззараживания питательных растворов гидропонных теплиц.

Разработаны методические указания к расчету энергосберегающих УФ-установок, которые используются в учебном процессе.

Практическая ценность работы в следующем:

- адаптированный к процессу обеззараживания жидких сред УФ-потоком метод конечных отношений (МКО) дает возможность синтеза технологий облучения в направлении максимально эффективного использования электромагнитной энергии в них;

- предлагаемая технология позволяет решить проблему отраслевого энергосбережения в АПК в технологических процессах с использованием оптического излучения, поскольку обеспечивает отсутствие потерь энергии бактерицидного излучения при обработке среды любого физико-химического состава до необходимого результата;

- определенные экспериментально оптические свойства питательных растворов гидропонных теплиц, в области УФ-бактерицидного излучения, дают возможность разрабатывать энергосберегающие УФ-установки (создание данных установок позволяет повторно использовать в тепличных хозяйствах рециркуляционный питательный раствор, снижая тем самым затраты хозяйств на отчисления денежных средств за вред наносимый окружающей среде данными растворами);

- разработанный способ экспериментального определения средней интегральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологической схеме, позволяет определять энергоемкость процесса обеззараживания жидких сред в УФ-установках, работающих в производственных условиях.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- методика определения эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред;

- метод синтеза энергосберегающих технологических схем объемного облучения различных жидких сред УФ-потоком;

- энергосберегающая технология облучения жидких сред УФ-потоком, позволяющая эффективно использовать в процессе обеззараживания весь УФ-поток, подводимый к среде, в сочетании с высоким качеством ее обработки;

- характеристики изменения оптической плотности питательных растворов в бактерицидном спектре УФ-излучения, необходимые при создании энергосберегающих технологий для их обеззараживания;

- практический способ определения объемных доз облучения, получаемых жидкими средами в технологиях УФ-облучения.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме работы доложены, обсуждены и одобрены на:

- ежегодных научно - теоретических конференциях профессорско - преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (2002 - 2004 г. г.);

- П-й Международной научно-технической конференции "Аграрная энергетика в XXI столетии", г. Минск, 2003 г.;

- ГУ-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ВИЭСХ, г. Москва, 2004 г.

Научно-методическими основами исследования послужили труды ведущих ученых:

- Умова НА. - по фундаментальным вопросам теории движения энергии в средах;

- Жилинского Ю.М., Зейтца Э., Карпова В.Н., Козинского В.А., Лямцо-ва А.К., Мейера А., Потапченко Н Г., Сарычева Г.С., Свентицкого И.И., Соколова В.Ф., Савлука О С , Торосяна Р.Н. и других - по фундаментальным и прикладным вопросам УФ-обеззараживания, энергосбережения в АПК и другим отраслям знаний.

В работе также использованы материалы предприятий, занимающихся выпуском УФ-установок: НПО "ЭНТ" (г. СПб), НПО "ЛИТ" (г. Москва), ООО "ЭГА-ХХГ век" (г. СПб),

Место выполнения. Диссертация выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете. Лабораторные экспериментальные исследования проводились на кафедре "Энергообеспечение производств в АПК".

Публикации. Основные содержания работы отражены в 4 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 124 страницах основного текста, включает 29 рисунков,

14 таблиц, список использованной литературы из 63 наименований, в котором 1 патент России и 7 патентов США и 22 страницы приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность работы, изложена общая ситуация энергосбережения в технологиях применяемых в АПК для обработки жидких сред УФ-потоком. Сформулированы цель работы, задачи исследований и научные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен актуальности обеззараживания питательных растворов гидропонных теплиц в овощеводстве защищенного грунта, анализу методов обеззараживания и технологий облучения. Обеззараженный питательный раствор дает возможность его повторного использования в процессе выращивания овощей, снижая тем самым в хозяйствах отчисления денежных средств за вред, наносимый растворами окружающей среде. Проведен анализ существующих методов обеззараживания жидких сред. Он позволил установить, что для обеззараживания жидких сред АПК лучше всего подходит метод УФ-облучения, поскольку данный метод удовлетворяет всем параметрам оценки, являющихся основополагающими для применения метода в с/х производстве. Анализ методов производился по следующим параметрам оценки:

- отсутствие побочного действия дезинфектантов на обеззараживаемую среду и как следствие на развитие растений и животных;

- полное подавление жизнедеятельности болезнетворных микроорганизмов;

- экономичность обеззараживания, включающая в себя затраты на энергию и дезинфектанты;

- простота внедрения установок обеззараживания в технологические линии с/х производства.

УФ-установки с применяемыми в них технологиями облучения, можно разделить на два основных типа: закрытого типа, в которых источники излучения погружены в жидкость; открытого типа, с внешним размещением УФ-ламп относительно жидкости. Установлено, что в применяемых технологиях невозможно достичь высокого качества обработки среды УФ-потоком в совокупности с полным его использованием в процессе облучения. Применяемые модернизации технологий облучения в данных УФ-установках, в виде турбулизаторов потока обрабатываемой среды, полировки внутренних поверхностей камеры обеззараживания, изменения расположения источников УФ-излучения в камере обеззараживания, не способны устранить указанное выше противоречие. Поэтому, чем выше требования к качеству обработки среды УФ-потоком, тем выше его (УФ-потока) потери, которые доходят до 80 %.

При расчете бактерицидных установок применяемыми методами отсутствует возможность сравнения затрат энергии в разрабатываемой установке, на обеспечение необходимого эффекта обработки объема среды УФ-потоком, с минимальными (теоретически необходимыми для этого) затратами энергии. Методики расчета не позволяют также подобрать оптимальное

соотношение между мощностью УФ-потока и толщиной слоя жидкости, обрабатываемой в УФ-установке, при котором технология облучения способна работать с минимальными для нее затратами энергии. Используемые методики не дают возможности синтеза энергосберегающих технологий облучения. Для решения данных проблем использован МКО, разработанный на кафедре "Энергообеспечение производств в АПК" (СПбТАУ).

От равномерности облучения объема среды, проходящего через УФ-установку, необходимой дозой облучения, зависит энергоемкость работы технологии облучения. Способа, дающего возможность определять объемную дозу в различных технологиях облучения, нет, что затрудняет определение энергетической эффективности работы УФ-установок как в производственных условиях, так и в ходе экспериментальных исследований новых технологий облучения. Это позволило сформулировать задачи исследований.

Второй раздел, посвящен теоретическим основам совершенствования технологических схем объемного облучения и оценке эффективности их работы.

Необходимый эффект объемного облучения жидких сред УФ-потоком зависит от того, получит или нет каждый элементарный объем (Уэ) обрабатываемой среды дозу облучения ((2уЯ), при которой наступает гибель патогенного микроорганизма. При облучении каждого объема среды Уэ дозой больше или равной , необходимый эффект облучения будет достигнут. Если этого не произойдет, то эффект от обработки жидкости УФ-потоком будет отсутствовать. Может также наблюдаться ухудшение качества исходного (подаваемого на обработку) раствора, так как дозы облучения полученные патогенами меньше летальных значений способны стимулировать их рост и размножение в облученной среде.

УФ-поток, по мере своего проникновения вглубь обрабатываемой жидкой среды, однородной по своему химическому составу, убывает (поглощается средой) по экспоненциальному закону Бугера:

Фь=Фо-е-Ь (3)

где Фо - УФ-поток приходящий к объему обрабатываемой среды, Вт;

И - толщина слоя среды, см;

а - коэффициент ослабления УФ-потока в слое среды, см"1.

Для достижения необходимого эффекта обеззараживания в слоях среды находящихся на глубине И, необходимо весь обрабатываемый объем V (в применяемых технологиях облучения, в которых жидкость движется перпендикулярно УФ-потоку) облучать в течении времени

где 1о - время облучения верхнего слоя среды необходимое для

достижения нужной степени его обработки с.

Параметр, показывающий во сколько раз затраты энергии Фо • ^ на передачу УФ-потока на глубину обрабатываемого слоя И, больше теоретически

необходимого значения есть энергоемкость передачи ,

ляемая для всего объема V обрабатываемой среды выражением:

ф„

■и

ау-у

опреде-

(5)

где К - коэффициент, учитывающий расхождение УФ-потока в объеме облучаемой среды.

Величина К определяется как

К = —-е

О „-аЬ

(6)

где Ео, Еь - облученности слоев жидкости которые создают потоки на

поверхности среды (Фо) и на глубине Ь (Фь), Вт / м . Из выражения (5) следует, с увеличением толщины слоя среды обрабатываемого УФ-потоком и величины К, потери энергии в слое, обусловленные его переоблучением, возрастают. Данные потери энергии в применяемых технологиях могут быть снижены с помощью уменьшения И, то есть установлением равномерного облучения объема обрабатываемой среды УФ-потоком по глубине, либо снижением величины К. Величина данного коэффициента К зависит от формы пространственной плотности потока излучения, которая формируется в технологии облучения в объеме обрабатываемой среды. С уменьшением И увеличивается величина потерь УФ-потока обусловленная его выходом из обрабатываемого слоя среды и поглощением подложкой. Параметром, учитывающим полноту использования в технологии облучения потока является энергоемкость поглощения

Зэ" = т, Ф° ^ , ■ (7)

К-Фп-и-Фь-и

После преобразований получаем

а II 01.1 _

э -

Ке

«Ь

(8)

К-е"1-!

Поскольку задачей энергетического совершенствования технологических схем объемного облучения жидких сред является достижение необходимого качества обработки среды в сочетании с низкими затратами (и потерями энергии, общая энергоемкость процесса облучения рассматриваемых сред должна определяться как

с^с^г (9)

Данное выражение позволяет определить насколько близка разработанная технологическая схема облучения к максимально возможной эффективности работы технологий облучения, когда (^э = 1,0. Технология облучения будет обладать максимальной эффективностью работы тогда, когда в ней будет полностью использоваться облучаемым объемом среды УФ-поток, приходящий к его поверхности, в совокупности с отсутствием облучения отдельных частей облучаемого объема среды дозой выше или ниже ее установленного значения. Разработанная методика оценки эффективности

работы технологических схем объемного облучения жидких сред основана на определении параметров (З^, (З^и (Зэв оцениваемой технологии.

Поиск энергосберегающей технологической схемы облучения произведен в процессе анализа эффективности работы технологий, в которых основное противоречие между качеством обработки среды и энергетической эффективностью использования УФ-потока в процессе обеззараживания, мень-ше,'чем в выпускаемых УФ-установках. Данному исследованию были подвергнуты следующие технологические схемы:

- схема с двумя плоскостями, излучающими внутренними поверхностями друг на друга с прямоугольным в сечении слоем жидкости между ними (двустороннее облучение) (рис. 1);

- схема кольцевого облучателя, излучающего внутрь кольца, с объемом жидкости круглого сечения внутри этого кольца (рис. 2);

- схема с коллинеарным направлением векторов скорости движения облу-

чаемой среды и потока УФ-излучения (рис. 3).

Рис. 1. Модель двустороннего Рис. 2. Модель кольцевого Рис. 3. Схема с коллинеарным нап-

облучения облучателя равлением векторов скорости

движения облучаемой среды V и УФ-потока Фд

В результате данного исследования установлено: - технологические схемы двустороннего облучения и кольцевого облучателя позволяют достичь необходимого качества обеззараживания среды, при потерях бактерицидного потока, обусловленных выходом УФ-потока из облучаемого объема среды, от 2 до 20 %, в то время как в применяемых технологиях эти потери доходят до 80 %. За счет формирования в них пространственной плотности УФ-потока в облучаемом слое среды в форме позволяющей компенсировать ослабление потока энергии, в результате его поглощения средой, величина снижается, по сравнению с применяемыми технологиями облучения. Однако, данные технологии способны обеспечить необходимое качество обработки среды, в сочетании с низкими потерями бактерицидного потока, только на средах с постоянным значением показателя поглощения а, под который они рассчитаны. Поэтому, указанные схемы имеют ограниченные возможности и не обладают уни-

версальностью обеззараживания жидких сред с различной оптической плотностью в УФ-диапазоне;

в схеме с коллииеариым направлением векторов скорости движения облучаемой среды и и УФ-потока, при соблюдении условия а-Ъ > 5, достигается полное использование в процессе обеззараживания потока Фо В процессе движения обрабатываемого объема среды вдоль вектора распространения УФ-потока, каждый ее элементарный объем Уэ аккумулирует в себе одно и тоже количество энергии бактерицидного излучения. Объясняется это тем, что объемы Уэ, в отличие от выше рассмотренных технологий, перемещаются не вдоль слоев, в которых плотность потока электромагнитной энергии постоянна и имеет строго определенное значение, а в поперечном направлении, проходя их все с постоянной скоростью. При определенной (в ходе расчета УФ-установки) скорости движения среды в области действия на нее УФ-потока, каждый объем Уэ получает количество энергии соответствующей объемной дозе облучения , задаваемой технологическими условиями. Поэтому, данная технология позволяет достичь величины =1,0

Математический анализ параметров энергетики и качества процесса обеззараживания жидкой среды, в технологии с коллинеарным направлением векторов скорости 1) и УФ-потока Фо, в двух вариантах движения среды (жидкости движущейся навстречу потоку излучения и в одном с ним направлении) показал (рис. 4), что предпочтительным является нисходящий поток. В этом случае большей концентрации бактерий вверху соответствует более высокая объемная плотность поглощенной энергии, которая является существенным фактором для достижения необходимого качества обработки среды. Данной схеме присуще еще одно важное свойство - универсальность, то есть возможность обрабатывать в одной УФ-установке жидкие среды с различными оптическими плотностями.

и',у.Ям ".У.ЧЛ

Рис 4 Расчетные зависимости относительной скорости изменения объемной плотности лучистой энергии и, степени обеззараживания жидкости и относительной эффективности процесса обеззараживания т]^ от относительной высоты слоя х в фотореакторе при движении жидкости навстречу потоку излучения (а) и в одном с ним направлении (б)

На основании разработанной методики установлено энергоемкость процесса обеззараживания в применяемых технологиях не может быть меньше 4, поскольку в результате анализа выражения (9), применительно к данным технологиям, в установках открытого типа при д • 11 = 0,75 величина = 4,012, с изменением данного произведения (в большую или меньшую сторону) величина начинает расти, в установках закрытого типа при а • Ь = 0,4 величина (2э = 4,007, с изменением данного произведения также начинает расти,

в схеме кольцевого облучателя наиболее качественно обрабатываются

лпЧ> тт_

жидкости с показателем а не более 1,055 см*1, при этом величина превышает значения 1,01;

- при двустороннем облучении в результате анализа выражения (9) применительно к данной технологии энергоемкость процесса обеззараживания не снижается меньше 1,3,

- только схема с коллинеарным направлением векторов и и УФ-потока Ф способна обеспечить величину Оэ = 1,0, что соответствует полному использованию в процессе обеззараживания потока с отсутствием потерь энергии, связанных с переоблучением отдельных частей обрабатываемого объема среды дозой выше минимально необходимого значения , для достижения требуемого результата

Энергетическая эффективность работы рассмотренных в диссертации технологий объемного облучения представлена на рис. 5.

Рис 3 Энергетическая эффективность работы ()э технологий объемного облучения в зависимости

от задаваемого (технологическими условиями) эффекта (качества) обеззараживания Г^к^бн

1- энергоемкость работы технологии с коллинеарным направлением векторов х> и УФ-потока Ф, \//\- область значений <}э в которой работает схема кольцевого облучателя, |\\| - область значений <Ь в которой работает схема двустороннего облучения] I 11- область значений в которой работают У Ф-установки закрытого и открытого типа, а Ь- произведение при котором обеспечивается минимальная энергоемкость работы технологии облучения, (КькЛ^бн).«^« - эффект обеззараживания, под который рассчитана УФ-установка В третьем разделе, посвященном экспериментальному определению спектральных оптических свойств питательных растворов гидропонных теп-

лиц в бактерицидном спектре УФ-излучения, представлены: методики проведения экспериментов по определению спектральных оптических свойств питательных растворов в бактерицидном спектре УФ-излучения и обработки экспериментальных данных; химические составы исследованных растворов; описание приборов на которых производился эксперимент; результаты обработки экспериментальных данных и их анализ

Оптические свойства питательных растворов определялись на спектрофотометре СФ - 46 (для длины волны X = 254 нм., поскольку для нее определяется величина а, используемая в расчетах УФ-установок) и на модифицированном блоком согласования универсальном спектрально вычислительном комплексе КСВУ-23 (для всего спектра бактерицидного излучения). Блок согласования позволил заменить в управлении серийного комплекса КСВУ-23 ЭВМ типа "Электроника-МС-0507" на персональную ЭВМ типа IBM. Каждое испытание проводилось на СФ-46 с пятикратной повторностью, на КСВУ-23 с трехкратной повторностью. В ходе экспериментов фиксировалось изменение оптических свойств растворов (коэффициентов пропускания Т, связанных с показателем поглощения следующим соотношением:

а = с изменением толщины их слоя (h). В результате обработки экс-

периментальных данных установлено:

- показатель поглощения а питательного раствора полностью зависит от его сложного химического состава;

- величина а изменяется в очень широких пределах (от 1,08 см-1 - у чистого раствора подаваемого к растениям, до 3,35 см-1 - у раствора стекающего в дренажные каналы), поэтому обрабатывать питательный раствор в период всего оборота выращивания растений, без потери качества его обеззараживания и дополнительных потерь энергии, возможно только в технологической схеме облучения с коллинеарным направлением векторов скорости движения облучаемой среды и потока УФ-излучения в ней;

- характер ослабления УФ-потока на волне 254 нм в питательных растворах достоверно описывается выражением (3) (рис. 6), что позволяет, использовать предложенную методику для анализа и синтеза энергосберегающих технологий УФ-обеззараживания питательных растворов гидропонных теплиц, поскольку в ее основе лежит закон Бугера;

- диапазон длин волн 205.. .230 нм. раствор не пропускает, в интервале волн 230...250 нм у раствора наблюдается резкое уменьшение оптической плотности, которая продолжает уменьшаться вплоть до 315 нм. (рис 7);

- наиболее эффективный для обработки питательных растворов диапазон волн, с точки зрения сочетания высокого бактерицидного эффекта и глубины проникновения потока в питательный раствор, это интервал 265...270 нм.

Мстао? Ш 1

• I 2 > 4 I « 7 •« I» II 13 11 «4 15 II 17 «а II 36 31 33 Н

толщина слой раствора Ь, ми

Рис 6. Зависимость изменения коэффициента пропускания Тг* на длине волны 254 км в питательном растворе подаваемом к растениям от толщины слоя раствора 1 - экспериментальная зависимость; 2 - зависимость полученная в ходе расчета по выражению (3) при определенном экспериментально показателе поглощения а; и - означают доверительный интервал изменения полученных экспериментальных значений Тдо

ж з* а я ж я з» ж ж ж » » аае*ггах««*»0а1*ав*я

доввтц*) цмкбннцс

Рис. 7. Зависимость изменения коэффициентов Рис. 8. Изменение х«э5 "растворов" с различными пропускания питательного раствора для его величинами показателя поглощения а от вре -

различной толщины И, в диапазоне 205...315 нм мени экспозиции дозы облучения создаваемой

лампой ПРК-7М.

В четвертом разделе рассмотрен способ экспериментального определения средней интегральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологической схеме; представлено описание способа и ряд экспериментальных исследований, подтверждающих его правомочность. Способ заключается в том, что энергоемкость процесса обеззараживания среды в бактерицидной установке определяется по степени увеличения прозрачности предварительно окрашенного водного раствора под воздействием УФ-излучения.

Химический состав раствора (далее "раствор") - это вода и тиазиновый краситель метиленовый голубой. Экспериментально установлено:

- после облучения "раствора" УФ-потоком в интервале длин волн 560...640 нм. наблюдается интенсивное изменение в коэффициентах пропускания волн. "Раствор" обработанный УФ-потоком данную область волн пропускает в 1,5... 1,8 раз лучше, чем исходный (необлученный УФ-потоком) "раствор";

- изменение окраски "раствора" происходит только под воздействием УФ-потока;

- оптическая плотность "раствора" в УФ-диапазоне зависит от концентрации тиазинового красителя в исходной воде (на основе которой готовится "раствор" с требуемой оптической плотностью);

- "раствор" является индикатором дозы облучения, получаемой им под воздействием УФ-потока, поскольку изменение в коэффициентах пропускания у исходного и облучаемого "раствора" на волне X = 635 нм, выбранной в качестве контрольной длины волны дозы облучения получаемой "раствором", происходит пропорционально дозе облучения (рис. 8).

На основе полученных в ходе эксперимента результатов, можно сделать следующий вывод: способ позволяет определять объемную дозу облучения, получаемую объемом среды в УФ-установке, что обеспечивает возможность экспериментального установления энергоемкости работы технологий облучения, обеспечивающих в процессе своей работы необходимое качество обеззараживания среды.

В пятом разделе определена экономия энергии при применении технологий (установок) объемного облучения жидких сред УФ-потоком для обеззараживания питательных растворов гидропонных теплиц. Расчет произведен по методике изложенной во втором разделе (выражение (9)) для раствора, оптическая плотность которого (показатель поглощения а = 2,104 см-1) представляет промежуточное значение между плотностями присущими растворам подаваемым к растениям и стекающим в дренаж. Результаты расчета показали: в технологиях облучения применяемых в установках открытого и закрытого типа затраты энергии как минимум на 300 % больше теоретически необходимых; при двустороннем облучении, как минимум на 30 %; в технологии с кольцевым облучателем они как минимум на 14 % больше и только в технологии с коллинеарным направлением векторов V и Фо минимальные затраты энергии совпадают с теоретически необходимыми.

Результаты производственных испытаний УФ-установки с технологией коллинеарного направления векторов скорости движения облучаемой среды и потока УФ-излучения, в ЗАО Агрофирме "Выборжец" (г. СПб), показали возможность полного подавления жизнедеятельности водорослей, бактерий и других видов микроорганизмов развивающихся в питательном растворе гидропонной теплицы. Данные результаты подтверждены актом о внедрении и заключением фитопатологов по анализу проб субстратного раствора.

В шестом разделе сравнительный анализ выпускаемых УФ-установок закрытого типа под обеззараживание питьевой воды и установки с предла-

гаемои технологией облучения, показал, что технология с коллинеарным направлением векторов v и Фо позволяет уменьшить расход энергии и денежных средств до 30...65 раз. Результаты исследований энергосберегающих технологических схем облучения жидких сред УФ-потоком, используются научно-производственным объединением "ЭНТ" (г. СПб), занимающимся выпуском УФ-установок для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей в помещениях, для создания нового типа УФ-установок.

Выводы

1. Разработанная методика оценки эффективности работы технологических схем объемного облучения жидких сред, базирующаяся на научно обоснованном выражении энергоемкости процесса обеззараживания данных сред электромагнитным излучением позволяет анализировать энергетическую эффективность технологий облучения и синтезировать новые энергосберегающие технологии.

2. Анализ применяемых технологических схем объемного облучения жидких сред УФ-потоком показал, что они не способны избавиться от основного своего недостатка, заключающегося в отсутствии потерь энергии электромагнитного излучения в процессе облучения среды с высоким качеством ее обеззараживания. Данного недостатка лишена предлагаемая технология с коллинеарным направлением векторов скорости движения жидкости V и потока УФ-излучения Фо. При правильном расчете УФ-установки с предлагаемой технологией, когда соблюдается условие и время облучения каждого слоя среды УФ-потоком позволяет достичь в нем нормированного значения (^у1 .величина (}э =1,0.

3. Результаты экспериментальных исследований по определению характера изменения потока УФ-излучения, на длине волны А. = 254 нм, в питательных растворах с увеличением толщины их слоя, выявили, что данная зависимость Фь = f ф) может быть достоверно описана законом Бугера (используемого при расчете бактерицидных установок). Определенные величины показателей поглощения а питательных растворов гидропонных теплиц дают возможность расчета УФ-установок предназначенных для обеззараживания данных растворов. Выявленная нестабильность их величины а ведет к необходимости использования в тепличных хозяйствах универсальных бактерицидных установок (способных обеззараживать жидкости с изменяющимся во времени показателем поглощения а без потери необходимого качества их обработки), какой и является технология с коллинеарным направлением векторов скорости движения жидкости v и потока УФ-излучения Фо.

4. Наиболее эффективный диапазон длин волн, с точки зрения сочетания высокого бактерицидного эффекта и равномерности распределения плотности потока УФ-излучения в объеме обрабатываемой среды, для обеззараживания питательных растворов лежит в интервале 265...270 нм;

5. Предложенный способ экспериментального определения средней интегральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологической схеме, позволяет на практике определять энергоемкость работы технологий облучения.

6. В технологии с коллинеарным направлением векторов v и Ф0 минимальные затраты энергии при обеззараживании среды совпадают с теоретически необходимыми, что позволяет достичь экономии энергии и денежных средств, по сравнению с технологией широко применяемой в выпускаемых УФ-установках закрытого типа, в 30...65 раз.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Котов A.B. Оптические свойства питательных растворов гидропонных теплиц при их обеззараживании УФ-потоком с длиной волны X = 254 нм.// Изд БД "Агрос" №0329600034 в НТЦ "Информрегистр", 2003. -12 с.

2. Котов А.В. Улучшение энергетики работы УФ-установок за счет применения новой технологической схемы облучения. // Аграрная энергетика в XXI столетии. Материалы II-й Международной научно-технической конференции (Минск, 27-28 ноября 2003 г.). - Минск: УП "Технопринт", 2003.-с. 80-83.

3. Котов А. В. Сравнительная оценка целесообразности использования промышленных УФ-установок закрытого типа для обеззараживания питательных растворов гидропонных теплиц. // Электрооборудование и электротехнологии в АПК: Сборник научных трудов СПбГАУ. - СПб.: СПбГАУ,2004.-с.58-63.

4. Котов А.В. Методические основы энергетического совершенствования электротехнологий оптического облучения. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 4-й Международной научно-технической конференции (12-13 мая 2004 года, г. Москва, ГНУ ВИ-ЭСХ). В 4-х частях. Часть 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - с. 242 -246.

»2 52 14

Подписано в печать 19.11.2004 Бумага офсетная. Формат60X901 /16 Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Заказ 364

Отпечатано с оригинал макета заказчика В копировально-множительном центре "АРГУС". Санкт-Петербург—Пушкин, ул Пушкинская, д 28/21 Per №233909 от 07 02 2001

Введение.

1. Обеззараживание жидких сред в АПК: необходимость, методы и технологии их обеззараживания.

1.1. Роль питательных растворов гидропонных теплиц и их зараженности для АПК.

1.2. Методы обеззараживания жидких сред.

1.3. Эффективность работы серийно выпускаемых УФ-установок и применяемых в них технологий облучения жидких сред.

1.4. Применяемые методики расчета УФ-установок и их анализ.

1.5. Постановка задачи исследований.

2. Теоретические основы совершенствования технологических схем объемного облучения и оценка энергетической эффективности их работы.

2.1. Искусственная энергетическая система (ИЭС) - состав, оценка энергетической эффективности работы всей системы и отдельных ее элементов.

2.2. УФ-обеззараживание жидких сред как энерготехнологический процесс.

2.3. Методика оценки энергетической эффективности работы технологических схем объемного облучения жидких сред.

2.4. Фотометрические основы энергетического совершенствования технологических схем объемного облучения. Виды схем и их анализ.

2.5. Энергетическое совершенствование технологических схем объемного облучения жидких сред на основе использования понятия вектора Умова - Пойнтинга.

2.6. Определение параметра а • h в технологических схемах объемного облучения, при котором обеспечивается минимальное значение энергоемкости их работы.

3. Экспериментальное определение спектральных оптических свойств питательных растворов гидропонных теплиц в бактерицидном спектре

У Ф-излучения.

UVll/VjyiM KM. tliiiJU|/U i J ХШ <WJ.V|/VIX KSAAJCM. MVVWIV.I экспериментов.{ едения эксперимента по определению характера измене--излучения, на длине волны X = 254 нм в питательных личением толщины их слоя h.J едения эксперимента по определению спектральных юйств питательного раствора в бактерицидном спектре аботки экспериментальных данных полученных на ГУ - 23.

Сельское хозяйство тесно связано с различными жидкими средами:

- средами, использующимися при выращивании животных и растений (например, питьевая вода; питательные растворы гидропонных теплиц);

- средами, идущими на реализацию (например, молоко);

- средами, являющимися побочными продуктами функционирования отраслей АПК (например, сточные воды; жидкие фракции навоза);

- средой, являющейся неотъемлемой частью организма животных - кровью. Данные среды в АПК подвергают обработке УФ-излучением, которое позволяет:

- предотвратить перенос болезнетворных (патогенных) микроорганизмов со средой к растениям или в организм животных;

- производить обеззараживание питательных растворов гидропонных теплиц, подавляя в них жизнедеятельность различных микроорганизмов, обеспечивая возможность повторного использования раствора в процессе минеральной подкормки растений;

- предотвратить преждевременное скисание и прогоркание молока, а также снижение его санитарного качества до второго и третьего классов;

- избежать опасности распространения инфекционных заболеваний среди людей и животных, в результате непосредственного контакта побочных жидких сред с/х производства с окружающей средой, которые содержат большие количества патогенных микроорганизмов;

- активизировать деятельность имунной системы животных и вылечить их от бронхопневмонии и ринотрахеита, в результате непосредственного облучения крови животного.

В технологических схемах облучения, применяемых в выпускаемых УФ-установках, источник УФ-излучения располагается либо над поверхностью объема обрабатываемой среды, либо в ее объеме, а распространение УФ-потока в среде перпендикулярно направлению ее перемещения. Для достижения необходимого результата, в процессе обработки жидкой среды УФпотоком, каждой частице облучаемого объема нужно передать количество энергии не менее минимально допустимого значения (дозы облучения), задаваемого технологическими условиями работы УФ-установки. В применяемых технологиях требуемого результата достигают с потерями бактерицидного потока, доходящими до 80 %. Данные потери обусловлены тем, что УФ-поток, проходя через обрабатываемый слой среды, поглощается подложкой на которой располагается облучаемая среда. Потери электроэнергии в источниках УФ-излучения составляют 90 % (для ртутных ламп высокого давления) и 60 % (для ртутных ламп низкого давления), поэтому в процессе облучения среды УФ-потоком используется только 2.8 % от потребленной электроэнергии. Доля отраслевого потребления электроэнергии в технологических процессах с использованием оптического излучения, к которым относится процесс обработки жидких сред УФ-потоком, составляет 10. 15%. Потери же энергии в них превышают суммарные потери в электроприводах и при электронагреве, несмотря на то, что эти установки потребляют гораздо больше электроэнергии (примерно по 40 %). Переход сельскохозяйственного производства в условия рыночных отношений привел к тому, что доля электроэнергии в себестоимости продукции не просто выросла, а превратилась в значительный, а в ряде случаев, в определяющий показатель экономической эффективности деятельности с/х предприятий. Поэтому, поиск энергосберегающей технологической схемы облучения жидких сред УФ-потоком является весьма актуальной задачей для всех отраслей АПК.

Применение столь неэкономичных технологий облучения, в которых теряется до 80 % энергии электромагнитного излучения обусловлено отсутствием метода расчета, позволяющего анализировать и синтезировать энергосберегающие технологии обеззараживания жидких сред. В применяемых методиках расчета УФ-установок не учитывается характер ослабления УФ-потока в обрабатываемом слое среды, как и величина потока доходящего до подложки и поглощаемого ею. От равномерности облучения УФ-потоком обрабатываемого слоя среды толщиной h, зависит качество ее обеззараживания. В применяемых технологиях облучения, чем выше требования к качеству обеззараживания среды, тем тоньше слой жидкости облучаемый УФ-потоком и выше потери бактерицидного потока, вызванные его поглощением подложкой. Возможность провести сравнительный анализ затрат энергии на обеззараживание среды в разрабатываемой установке с теоретически необходимым для получения заданного результата, количеством энергии в методиках расчета отсутствует. В результате этого невозможно оценить энергетическую эффективность работы спроектированной установки, а также обозначить пути развития энергосберегающих технологий облучения.

Определить на практике энергетическую эффективность работы любой энергосберегающей технологии облучения жидких сред невозможно без знания дозы облучения, которую получает объем среды в результате прохождения через УФ-установку. Способа практического определения дозы облучения, получаемой средой в технологии облучения, нет. Определить энергетическую эффективность работы энергосберегающих технологий облучения по сравнению с применяемыми технологиями можно только при рассмотрении обеззараживания в них одной и той же жидкой среды. Такой средой выбран питательный раствор гидропонных теплиц. Объемы, в которых они (растворы) используются, достаточно велики, как и риск распространения с ними по теплице различных патогенных микроорганизмов и водорослей (ухудшающих минеральное питание выращиваемых растений). Необходимые же для сравнения спектральные оптические свойства растворов в бактерицидной области УФ-излучения в технической литературе отсутствуют, поскольку применение УФ-облучения для их обеззараживания - новое направление решения проблемы борьбы с возбудителями инфекционных заболеваний, передаваемых растениям данными растворами.

Целью работы является оптимизация энергетической эффективности УФ-обеззараживания жидких сред на основе использования метода конечных отношений (МКО), позволяющего проводить анализ и синтез энергосберегающих технологических процессов, и энергосберегающей технологической схемы облучения, применительно к питательным растворам гидропонных теплиц.

В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение этой цели, решены следующие задачи:

- разработана меюдика расчета эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях УФ-обеззараживания жидких сред;

- обоснована технологическая схема облучения жидких сред УФ-потоком, оптимизирующая потери электромагнитной энергии в сочетании с высоким качеством обеззараживания среды;

- разработан способ определения энергоемкости процесса обеззараживания среды в технологиях УФ-облучения жидких сред, на основе экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку;

- доказана экономическая эффекгивность применения технологии облучения с коллинеарным (параллельных одной и той же прямой) направлением векторов скорости движения обрабатываемой среды и потока УФ-излучения в ней.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- введен параметр энергоемкости процесса УФ-обеззараживания жидких сред, позволяющий определять эффекгивность работы технологий облучения;

- предложена меюдика оценки эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред;

- разработана методика, которая позволяет синтезировать энергосберегающие технологии УФ-облучения жидких сред;

- предложена технологическая схема рблучения жидких сред УФ-потоком, обеспечивающая теоретически возможный предел Q3 = 1,0 эффективности использования электромагнитной энергии в процессе обеззараживания;

- получены спектральные оптические свойства питательных растворов гидропонных теплиц, в области ультрафиолетового бактерицидного излучения (А. = 205. 315 нм) и их математическое описание;

- разработан практически применимый способ экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку. Способ позволяет находить энергоемкость работы технологий облучения, обеспечивающих в процессе работы необходимое качество обеззараживания среды.

На основании обобщения полученных экспериментальных и теоретических результатов сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:

- методика определения эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред;

- метод синтеза энергосберегающих технологических схем объемного облучения различных жидких сред УФ-потоком,

- энергосберегающая технология облучения жидких сред УФ-потоком, позволяющая эффективно использовать в процессе обеззараживания весь УФ-поток, подводимый к среде, в сочетании с высоким качеством ее обработки;

- характеристики изменения оптической плотности питательных растворов в бактерицидном спектре УФ-излучения, необходимые при создании энергосберегающих технологий для их обеззараживания;

- практический способ определения объемных доз облучения, получаемых жидкими средами в технологиях УФ-облучения.

Основные положения и результаты исследований по теме работы доложены, обсуждены и одобрены на:

- ежегодных научно - теоретических конференциях профессорско - преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (2002 - 2004 г. г.);

- П-й Международной научно-технической конференции "Аграрная энергетика в XXI столетии", г. Минск, 2003 г.;

IV-й Международной научно-технической конференции

Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ВИЭСХ, г. Москва, 2004 г.

Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных издани

1. Разработанная методика оценки эффективности работы технологических схем объемного облучения жидких сред, базирующаяся на научно обосно ванном выражении энергоемкости процесса обеззараживания данных сред электромагнитным излучением (Qa), позволяет анализировать энергетиче скую эффективность технологий облучения и синтезировать новые энерго сберегающие технологии.2. Анализ применяемых технологических схем объемного облучения жидких сред УФ-потоком показал, что они не способны избавиться от основного своего недостатка, заключающегося в отсутствии потерь энергии электро магнитного излучения в процессе облучения среды с высоким качеством ее обеззараживания. Данного недостатка лишена предлагаемая технология с коллинеарным направлением векторов скорости движения жидкости v и потока УФ-излучения Фо. При правильном расчете УФ-установки с предла гаемой технологией, когда соблюдается условие a h >5 и время облучения каждого слоя среды УФ-потоком позволяет достичь в нем нормированного значения Q ^ , величина Qs = 1,0.3. Результаты экспериментальных исследований по определению характера изменения потока УФ-излучения, на длине волны X = 254 нм, в питатель ных растворах с увеличением толщины их слоя, выявили, что данная зави симость Фь = f (h) может быть достоверно описана законом Бугера (исполь зуемым при расчете бактерицидных установок). Определенные величрвды показателей поглощения а питательных растворов гидропонных теплиц дают возможность расчета УФ-установок предназначенных для обеззара живания данных растворов. Выявленная нестабильность их величины а ве дет к необходимости использования в тепличных хозяйствах универсаль ных бактерицидных установок (способных обеззараживать жидкости с из меняющимся во времени показателем поглощения а без потери необходимого качества их обработки), какой и является технология с коллинеарным направлением векторов скорости движения жидкости v и потока УФ излучения Фо.4. Наиболее эффективный диапазон длин волн, с точки зрения сочетания вы сокого бактерицидного эффекта и равномерности распределения плотности потока УФ-излучения в объеме обрабатываемой среды, для обеззаражива ния питательных растворов лежит в интервале 265... 270 нм;

5. Предложенный способ экспериментального определения средней инте гральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологиче ской схеме, позволяет на практике определять энергоемкость работы тех нологий облучения.6. В технологии с коллинеарным направлением векторов v и Фо минимальные затраты энергии при обеззараживании среды совпадают с теоретически не обходимыми, что позволяет достичь экономии энергии и денежных средств, по сравнению с технологией широко применяемой в выпускаемых УФ-установках закрытого типа, в 30.. .65 раз.

1. Велик В.Ф., Советкина В.Е. Овощные культуры и технология их возделывания - М.: Агропромиздат, 1991. - 480 с.

2. Х.Симитчиев, В. Каназирска. Тепличное овощеводство на малообъемной гидропонике М.: Агропромиздат, 1985.

3. Овощеводство защищенного грунта / Брызгалов В.А., Советкина В.Е., Савинова Н.И. и др. М.: Колос, 1995. - 352 с.

4. А. Цыдендамбаев. Обзор тепличных хозяйств России // Мир теплиц. 1999.- № 4. с. 2 -4.

5. Статистические данные // Мир теплиц. 2001. - № 4 - с.60.

6. Алиев Э.А. Выращивание овощей в гидропонных теплицах Киев.: Урожай, 1985. - 160 с.

7. Куул А. Полив и подкормки // Мир теплиц 2001 - № 2 - с. 55 - 59.

8. Руния В. Дезинфекция воды уничтожает возбудителей // Мир теплиц -1999.-№6-с.25

9. Дж. Портри Руководство по выращиванию тепличных культур // Мир теплиц. 1999. - № 7 - с. 50

10. Дж. Портри Руководство по выращиванию тепличных культур // Мир теплиц. 1999 - № 9 - с. 2611 .Методы обеззараживания сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 1998.-№ 2. - с. 2 - 5.

11. Линевич С.Н. Обработка природных и сточных вод озоном Новочеркасск.: НПИ, 1992. - 76 с.

12. Савлук О.С., Потапченко Н.Г., Косинова В.Н. Обеззараживание питьевой воды // Химия и технология воды. 1998. - т. 20, № 1. - с. 99 - 110.

13. Ахмедеев В.В., Волков С.В., Костюченко С.В. и др. Применение метода УФ-облучения для обеззараживания сточных вод // Вода и экология. 2000.- № 2. с. 33 - 42.

14. Абрамов В.М., Медриш Г. Л., Писков М.В. Обеззараживание воды на предприятиях водопроводно канализационного хозяйства // Водоснабжение и санитарная техника. - 1999. - № 6 - с. 12-13.

15. Бейгельдруд Г.М., Габленко В.Г. Электрохимическая система получения питьевой воды из природных источников Дубна.: Перспектива, 1999. -133 с.

16. Лукерченко В.Н., Никифорова Л.О. Обеззараживание питьевой воды // Вода и экология. 2000. - № 2. - с. 19 - 26.

17. Ерошов А.И. Радиационная инактивация возбудителей инфекционных болезней в животноводческих стоках Автореф. дис. канд. техн. наук. -Минск., 1992 . - 33 с.

18. Подзорова Е.А., Рябченко В.И., Рябченко Н.И. Радиационное обеззараживание производственных сточных вод // Химия и технология воды. 1992. -т. 14, № 1. — с. 58-61.

19. Коспоченко С.В., Васильев С.А. Технологическое обследование очистных сооружений канализации и выбор УФ-оборудования // Водоснабжение и санитарная техника. 2000. - № 10. - с. 16 - 17.

20. Руния В. Дезинфекция воды уничтожает возбудителей // Мир теплиц -1999.-№9-с.25

21. Герасимов Г.Н. Обеззараживание коммунальных питьевых вод: необходимость и возможности // Водоснабжение и санитарная техника. 2000. -№10.-с. 32-37.

22. Конев С.В., Волотовский И.Д. Фотобиология Минск: Изд-во БГУ, 1979.

23. Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение М.: ИЛ, 1952.

24. Сарычев Г.С. Облучательные светотехнические установки М.: Энерго-атомиздат, 1992. - 240 с.

25. Пономарев В.Г., Чучалин И.С. Применение импеллерной флотации для очистки сточных вод И Водоснабжение и санитарная техника. 1999. -№ Ю.-с. 29-31.

26. Потапченко Н.Г., Савлук ОС., Илляшенко В.В. Сочетанное действие УФ-излучения (X = 254 нм) и ионов меди и серебра на выживаемость ESCHERICHIA COLI // Химия и технология воды. 1992. - т. 14, № 12. - с. 935 -939.

27. Потапченко Н.Г., Томашевская И.П., Илляшенко В.В. Оценка совместного действия УФ-излучения и хлора на выживаемость микроорганизмов в воде // Химия и технология воды. 1993. - т. 15, № 9 - 10. - с. 678 - 682.

28. Коспоченко С.В., Васильев С.А., Волков С.В., Якименко А.В. Требования к современному оборудованию для обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым излучением // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. -№11.-с. 11-13.

29. Карпов В.Н. Энергосбережение в облучательных электроустановках JI.: ЛГАУ, 1991.-36 с.

30. Торосян Р.Н. Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами в системе сельскохозяйственного водоснабжения М.: Россельхозиздат, 1967. - 24 с.

31. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа Л.: Химия, 1986. - 432 с.

32. Карпов В.Н. Фотометрические основы повышения эффективности использования электроэнергии в облучательных установках: Учеб. пос. Л.: ЛСХИ, 1984. - 32 с.

33. Свентицкий И.И., Жилинский Ю.М. Сельскохозяйственная светотехника -М.: Колос, 1972.- 191 с.

34. А.С. 897211 СССР, МКИ3 А 23 L 3/26, А 23 С 3/06. Устройство для обработки жидких пищевых сред в пленке УФ лучами. Н.С.Остроухов. - Заявл. 04.12.79.; Опубл. 15.01.82., Бюл. №2.

35. Якименко А.В., Костюченко С.В., Васильев С.А.и др. Опыт эксплуатации систем УФ-обеззараживания сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. - № 11. - с. 17 - 20.

36. Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение М.: Агропромиз-дат, 1991.-239 с.

37. Савлук О.С., Потапченко Н.Г., Илляшенко В.В. Изучение обеззараживания питьевой воды в макетной УФ-установке // Химия и технология воды. -1993. -т. 15, № 11 12. - с. 797 - 803.

38. Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами М.: Стройиздат, 1964. - 233 с.

39. Кузубова Л.И., Морозова С.В. Органические загрязнители питьевой воды -Новосибирск.: ГПНТБ, 1993. 167 с.

40. Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве. Справочник. -М.: Колос, 1974. 623 с.

41. Артюхов В.Г., Путинцева О.В. Оптические методы анализа интактных и модифицированных биологических систем Воронеж.: Издательство Воронежского государственного университета, 1996. - 240 с.

42. Карпов В.Н. Введение в энергосбережение на предприятиях АПК СПб.: СПбГАУ, 1999.-72 с.

43. Умов Н.А. Избранные сочинения М.: Гостехиздат, 1950. - 554 с.

44. Карпов В.Н. Метод конечных отношений в теории энергосбережения // Энергосбережение в сельском хозяйстве // Труды международной научно-технической конференции к 70 летию ВИЭСХ. Часть 1. - М.: ВИЭСХ, 2000.-е. 73 -78.

45. Спектрофотометр СФ 46: Техническое описание и инструкция по эксплуатации Ю - 34.11.629 ТО. - Л.: ЛОМО, 1988.

46. Комплекс спектральный вычислительный универсальный КСВУ 23: Техническое описание и инструкция по эксплуатации Ю 30.67.063 ТО. - Л.: ЛОМО, 1988.

47. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов Л.: Колос, 1972.

48. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий М.: Наука, 1971. - 288 с.

49. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов М.: Мир, 1977. - 552 с.

50. Блохин В.Г., Глудкин О.П. и др. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов М.: Радио и связь, 1997. - 232 с.

51. Brief aus England // Galvanotechnik. 2000. - В. 91, № 9. - S. 2509 - 2510.

52. Пат. 6454937 США, МПК7 С 02 F 1/32. UV light reactor. Horton Isaac, Riser Andrew P., Garrett Kurt, Forner John F. (США). № 09/692801; Заявл. 20.10.2000.; Опубл. 24.09.2002.

53. Пат. 6500346 США, МПК7 С 02 F 1/30. Fluid treatment device and method for treatment of fluid. Lawryshyn Yuri, Olson David A., Tan Zhang (США). -№09/676082; Заявл. 02.10.2000.; Опубл. 31.12.2002.

54. Stanislaw Jarosz. Optimierung der axialen Strahleranordnung in UV Wasser-entkeimungsanlagen // Abwassertechnik. - 1994. - №3 - c. 26 - 28.

55. Пат. 6013917 США, МПК7 С 02 F 1/32. UV ray irradiation apparatus having scraper rings fitted to light transmission tubes. Eiichi Ishiyama. (США). -№ 09/038343; Заявл. 11.03.98.; Опубл. 11.01.2000.

56. Пат. 4767932 США, МКИ4 G 01 N 21/01. Ultraviolet Purification device. / Sidney Ellner (США). № 911716; Заявл. 26.09.86.; Опубл. 30.08.88. - 8 с.

57. Пат. 1193143 США, Apparatus for sterilizing liquids by means of ultra violet rays. Victor Henri, Andre Helbronner, Max von Recklinghausen. (США). -№565611; Заявл. 07.07.1910.; Опубл. 01.08.1916.

58. Пат. 5523001 США, МПК6 С 02 F 1/32. Treatment of electroless plating waste streams. Eugene P. Foeckler, Sudarshan Lai. (США). № 367403; 3a-явл.30.12.1994.; Опубл. 04.07.1996.

59. Лат. 6090296 США, МПК7 С 02 F 1/30. Method and apparatus for UV oxidation of toxics in water and UV - desinfection of water. Stephen P.Oster. (США). - № 09/270850; Заявл. 17.05.1999.; Опубл. 18.07.2000.