автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Создание и исследование генератора озона для обеспечения защиты социально-значимых объектов

На правах рукописи

Тарабакин Денис Александрович

Создание и исследование генератора озона для обеспечения защиты социально - значимых объектов.

05.04.03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург 2012

1 9 ДПР 2012

005018232

Работа выполнена на кафедре "Криогенная техника" ФГБОУ ВПО "Санкт -Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Борзенко Евгений Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жердев Анатолий Анатольевич

кандидат технических наук, доцент Зюканов Виктор Михайлович

Ведущая организация: ОАО "Криогенмаш"

Защита диссертации состоится "¿¿Г " 2012 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 212Е34.01 при ФГБОУ ВПО "Санкт -Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий" по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, тел/факс (812)315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан " 12г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.234.01 доктор технических наук, профессор

Рыков В.А.

Общая характеристика работы Актуальность проблемы

Озон является идеальным экологически чистым и мощным окислителем, способным вступать в химические реакции при нормальном давлении и температуре окружающей среды. Озон по окислительной способности занимает второе место, уступая только фтору и значительно превосходя другие широко применяемые окислители. Окислительный потенциал фтора равен - 2эв, озона 2,07 эв, а хлора - 1,30 эв. Озон быстрее других окислителей вступает в реакции и в меньших концентрациях.

В отличие от других окислителей озон в процессе реакции не образует никаких продуктов, которые загрязняли бы окисляемое вещество. Он или полностью расходуется на окисление или же, при его частичном использовании, продуктом восстановления озона является кислород. Это обстоятельство в ряде случаев оказывается решающим при выборе того или иного окислителя, т.к. часто задача отделения продуктов восстановления окислителя от обрабатываемого вещества представляет значительные трудности, а иногда и вовсе практически невыполнима. Таким образом, применение озона способствует решению проблемы обеспечения безотходных экологически чистых технологий и производств.

Основные технологические процессы, в которых применение озона технически и экономически оправдано, следующие:

- очистка (обеззараживание) питьевой воды;

- очистка промышленных . стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных комбинатах и др.);

- энергоэффективное хранение пищевых продуктов в объектах холодильной техники;

- озоно-кислородная отбелка целлюлозы;

- обработка жидких радиоактивных отходов, переработка изношенных автопокрышек в резиновую крошку, переработка тяжелых нефтяных фракций и т.д.

Одной из перспективных областей применения озонных технологий является применение озона для обеспечения защиты социально-значимых объектов. В настоящее время озон широко используется в таких социально-значимых объектах, как объекты хранения пищевых продуктов, объекты массового скопления людей и т.д. Так при низкотемпературном хранении пищевых продуктов применение озона позволяет существенно снизить потери продуктов за счет замедления метаболических процессов, и подавления развития вредной микрофлоры. Начиная с 1975 года на хладокомбинатах Росмясомолторга начали применять озон при хранении плодоовощной продукции и продукции животного происхождения, что позволило сократить потери от микробиологической порчи в

1,5..2,0 раза по сравнению с традиционными рекомендуемыми режимами холодильного хранения.

Анализ выполненных исследований в области создания эффективных озонаторных установок показал, что к настоящему времени не определена приоритетная конструкция генератора озона, которая может преимущественно применяться в устройствах, обеспечивающих условия жизнедеятельности и защиты в социально-значимых объектах.

Затраты на производство озона составляют наиболее существенную часть в общих затратах при реализации экологически лояльных производств с применением озона, поэтому создание генераторов озона, обеспечивающих высокую эффективность синтеза озона при меньших затратах на их производство, является актуальной задачей.

Цель работы: разработка и исследование эффективной конструкции генератора озона и исследование влияния озона различной концентрации на обеспечение защиты социально-значимых объектов.

Для достижения цели необходимо было решить ряд самостоятельных задач:

1. разработать конструкцию генератора озона, отвечающую требованиям энергоэффективности, простоты изготовления и надежности в эксплуатации;

2. провести экспериментальное исследование процесса получения озона в разработанной конструкции генератора озона;

3. разработать математическую модель процесса теплообмена в генераторе озона;

4. провести экспериментальные исследования совместного влияния озона различной концентрации, низкой температуры и механического нагружения на материал электроизоляции электрических и информационных линий связи;

5. разработать методику экспериментальных исследований по влиянию озона на поведение мелких биообъектов;

6. провести экспериментальное исследование по влиянию озона на контрольную группу мелких биообъектов и провести статистическую обработку результатов с использованием непараметрического критерия Уилкоксона для сопряженных пар;

7. разработать специальное электрофизическое устройство для обработки пищевых продуктов в объектах низкотемпературного хранения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана новая конструкция генератора озона с электродами, реализующими поверхностный разряд;

- экспериментально установлено, что генератор озона с поверхностным разрядом вплоть до концентрации озона в кислороде равной 40..50 г/м3 имеет одинаковые технические характеристики по удельному выходу озона с единицы площади электрода и удельным энергетическим затратам на его синтез с генератором озона барьерного типа, являющимся наиболее совершенным в настоящее время;

- впервые получены систематические экспериментальные данные по совместному влиянию низкой температуры, озона различной концентрации и механического нагружения на материал изоляции электрических и информационных линий связи;

- впервые проведены экспериментальные исследования, по влиянию озона на поведение контрольной группы мелких биообъектов в условиях близких к реальным;

- предложено устройство для обеззараживания воздушной среды, в помещениях, воздуховодах, каналах, где расположены трубопроводы, электрические кабели и др. элементы,

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- созданы конструкции генераторов озона, которые существенно превосходят параметры работы генераторов озона зарубежных фирм и могут быть эффективно использованы для обеспечения защиты социально-значимых объектов;

- сделаны обобщения экспериментальных данных по совместному влиянию озона различной концентрации, низкой температуры и механического нагружения на электроизоляцию электрических и информационных линий связи и даны конкретные рекомендации по использованию электротехнических материалов в социально-значимых объектах, в которых применяется озон;

- показано, что озон является веществом, активно отпугивающим мелкие биообъекты в том числе и из каналов, по которым проходят электрические и информационные линии связи, обеспечивая тем самым устойчивость функционирования социально-значимых объектов;

- предложена конструкция устройства для обеззараживания воздушной среды, которая позволяет повысить эффективность процесса озонирования в объектах холодильной техники.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась

- применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения;

- хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;

- соответствием полученных экспериментальных данных результатам расчета. Основные положения, выносимые на защиту:

1. конструкции генераторов озона, работа которых построена на принципах с использованием барьерного и поверхностного типов разряда;

2. результаты экспериментального исследования генераторов озона с барьерным и поверхностным типами разряда;

3. математическая модель процесса теплообмена в генераторе озона;

4. результаты экспериментальных исследований "материалов электроизоляции электрических и информационных линий связи в условиях, отвечающих реальным;

5. результаты экспериментального исследования по влиянию озона на поведение контрольной группы мелких биообъектов в условиях близких к реальным. Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Международной научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (г.Москва, 2008 г.); Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства питания» (г.Москва, 2009 г.); 6-ой Международной научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (г.Москва, 2009 г.); Международной научной конференции «Холодильная и криогенная техника. Промышленные газы, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (г.Москва, 2010 г.); 38-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, докторов, аспирантов и сотрудников университета "Влияние озоно-воздушной среды на мелкие объекты в изолированной камере" (г. Санкт-Петербург, 2011г.); "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке": материалы V международной научно-технической конференции. "Создание и исследование генератора озона для объектов низкотемпературного хранения пищевых продуктов" (г. Санкт-Петербург, 2011г.)

Личный вклад автора заключается в разработке современных методик исследования, в проведении экспериментальных исследований, обобщении полученных результатов.

Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором. Публикации: по теме диссертационный работы опубликовано 9 печатных работ, из них 4 в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Научная работа по применению озона с целью безопасности крупных спортивных объектов отмечена дипломом 9-ой Международной научной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии» (г.Москва, 2010 г.). Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, 5-ти глав, изложена на 132 страницах машинописного текста, списка использованной литературы из 102 наименований из них 88 отечественных и 14 зарубежных авторов, содержит 65 рисунков и 27 таблиц!

Содержание работы В диссертационной работе обоснована актуальность темы диссертационной работы и сформулирована цель диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость.

Приводится краткий обзор работ отечественных и зарубежных авторов по созданию генераторов озона различных конструкций, по исследованию

возможности применения озона в различных областях техники и по применению низких температур в процессах получения озона. Сформулированы цели и задачи научного исследования. Несмотря на большое количество работ, задачи, поставленные в диссертации, в опубликованной литературе отражены не в полной мере.

Работа посвящена экспериментальному исследованию генераторов озона различной конструкции при работе на сухом воздухе и кислороде. Разработке математической модели процесса теплообмена в генераторе озона и обобщению экспериментальных данных. Показано, что разработанная конструкция генератора озона с плоскими электродами (Рис.1) обладает технологическими преимуществами перед генератором озона с мембранными электродами (Рис.2), не превосходя его по основным техническим характеристикам. Исследования новой конструкции генератора озона с поверхностным разрядом показали его высокую эффективность и возможность широкого спектра применения ввиду его конструктивной простоты и низких затрат на производство и эксплуатацию.

В результате выполнения работы по совершенствованию электрода генератора озона мембранного типа была создана плоская конструкция электрода, которая по своим технологическим характеристикам и эксплуатационным свойствам превосходила электрод мембранного типа. Эта конструкция собирается по более совершенной технологии - с применением вакуумной пайки нержавеющей стали. Проведенные экспериментальные исследования и сопоставление полученных результатов показывают, что значительного эффекта по основному параметру -удельным энергозатратам не было получено. Но конструкция при этом обладает рядом преимуществ технологического и эксплуатационного характера.

Рис. 1 Плоский электрод. Рис.2 Мембранный электрод.

Дальнейшие исследования были направлены на создание эффективной и простой конструкции генератора озона, которая бы включала в себя достижения генератора озона с барьерным разрядом, но была бы более простой в конструктивном исполнении. Учитывая это, была разработана трубчатая конструкция генератора озона с поверхностным разрядом. На рис.3 представлена принципиальная схема разработанного генератора озона с поверхностным разрядом.

В разработанной конструкции наружный электрод генератора озона трубчатой конструкции с барьерным разрядом был заменен на проволочную спираль. Экспериментальная модель генератора озона состоит из внутренней трубы диаметром 50 мм и активной длиной 180 мм, покрытой стеклоэмалевым диэлектриком толщиной 0,5 мм. Материалом трубы является нержавеющая сталь (08Х18Н10Т). С внутренней стороны она охлаждается проточной водой. Труба также является низковольтным электродом с потенциалом земли. На внешней поверхности стеклоэмалевого слоя трубы размещается проволочная спираль, диаметром 2 мм и шагом ~6 мм. Высокое напряжение подается на спираль через специальный ввод простой конструкции.

На рис. 4 приведены результаты экспериментального исследования трубчатых генераторов озона с барьерным и поверхностным разрядами. Были получены зависимости концентрации озона от вложенной в разряд мощности для каждой конструкции. Сопоставление результатов проводилось с использованием параметра объемной плотности мощности. Сопоставление результатов исследования, показывает, что разработанная конструкция генератора озона с поверхностным разрядом до концентрации озона равной 40...50 г/м3 обладает такой же эффективностью, как и генераторы озона с барьерным разрядом.

Для исследования влияния температуры охлаждающей жидкости (воды) на концентрацию озона в озоно-кислородной смеси была создана экспериментальная установка. Эксперименты проведены при постоянном расходе кислорода равном 0,3 м3/ч и частоте питающего напряжения равном 15 кГц. Постоянство температуры охлаждающей воды обеспечивалось работой холодильной машины, мощностью 700 Вт, заполненной хладагентом R22. Перед проведением экспериментов проводилось охлаждение воды в накопительном баке до температур соответственно: 8, 12, 16, 20°С. Емкости накопительного бака равной 60 литрам хватало на проведение одной серии экспериментов. Жидкость из накопительного бака в генератор озона подавалась с помощью циркуляционного насоса. Температура воды поддерживалась автоматически.

На рис. 5 представлены экспериментальные результаты исследования влияния температуры охлаждающей воды на концентрацию озона. Подтверждается влияние температуры охлаждающей жидкости на концентрацию озона, которая увеличивается с ростом параметра объемной плотности мощности (P/V).

1.Генератор озона с барьерным разрядом и двусторонним охлаждением; 2.Генератор озона с барьерным разрядом и

односторонним охлаждением; 3,4 Генератор озона с поверхностным разрядом (проволока диаметром 2, 0, 35 мм);

Рис.4 Результаты экспериментальных исследований генераторов озона.

-20 -16

0,4 0,6 Р/У, Вт/л

1. Температура охлаждающей жидкости 8 °С.

2. Температура охлаждающей жидкости 12 °С.

3. Температура охлаждающей жидкости 16°С.

4. Температура охлаждающей жидкости 20°С.

Рис. 5 Концентрация озона в зависимости от плотности мощности при различной температуре охлаждающей воды.

По форме кривых можно сделать аппроксимации этих кривых уравнением второго порядка. В результате аппроксимации получаем

/(х) = с0+с]х + с2х

Где с0, си с2 - коэффициенты, зависящие от температуры, приведёны в таблице.

Т, °С со Сі с2

8 -3.7828 180.15 -125.97

12 -4.0754 164.65 -110.41

16 -3.2209 154.12 -104.25

20 -3.2533 139.33 -90,678

Влияние температуры можно учесть с достаточной точностью при аппроксимации коэффициентов уравнения (1) линейной функцией:

с0 = -4,4382 + 0,0611 Г; ■ с, = 206,11-3,32477'; с2 = -147,04 + 2,8009Г.

Таким образом, окончательное выражение для вычисления концентрации озона:

г = -4,4382 + 0,0611Г + (206,11 - 3,3247Г)£ + (-147,04 + 2,8009Г)^

Сравнение вычислений по приведённой формуле с экспериментальными данными показывает, что погрешность, составляющая при высоких значениях не более 3 %, увеличивается до 15 % при стремлении к нулю объемной плотности мощности.

Математическая модель процесса теплообмена в генераторе озона с поверхностным разрядом. Для описания процесса теплообмена в генераторе озона с поверхностным разрядом были рассмотрены дифференцированные уравнения движения, неразрывности и энергии. Был принят ряд допущений, вытекающих из анализа конкретной конструкции:

- поперечные (радиальные) составляющие скорости потока и, V отсутствуют.

При этом остается только продольное движение (теплоперенос при этом осуществляется как в продольном, так и поперечном направлении);

- объёмные силы отсутствуют. В дальнейшем это допущение может быть пересмотрено;

- теплофизические свойства не зависят от температуры (принимаем на этапе математической формулировки; в компьютерных расчётах зависимость может быть учтена в итерационном процессе поиска решения);

- давление постоянно (диаметр соизмерим с длиной трубки, трубка короткая);

- жидкость (газ) идеальна.

При такой постановке задачи уравнения неразрывности и движения можно рассматривать независимо от уравнения энергии,

Поскольку уравнения гидродинамики для течения теплоносителя и хладоносителя идентичны, далее индексы «к» для кислорода и «в» для воды по возможности опускаем,

Уравнение движения (при отсутствии радиальной составляющей скорости):

8уч _ 4 ц д2\у

дг 3 р дгг (2)

Уравнение неразрывности:

......

дг . . (3)

Уравнения (2), (3) дают после интегрирования распределение скорости вдоль трубы. Граничное условие на входе в трубу \v\z-o~ и'о- На выходе из трубы (г = Ь) применяем условие неразрывности G¿=G0, где Сс-ро^ср и С?£= ро^ь?- массовые расходы на входе и выходе, кг/с. Получаем второе граничное условие.

І РоЩ

^ РЛ

В результате интегрирования уравнений (2), (3) получаем распределение скорости потока вдоль трубы

w = wn

Pi

Уравнение энергии:

дТ ЛЄТ ЭТ

-'pwaT=H&r+&r

+ ?v

(5)

(6)

Подобное уравнение может быть записано для каждого канала (внутренняя труба, межтрубное пространство).

c'p-w'

.дТ &

дТ* dz

= Л'

= Л"

а2т' д2т'

дх2

dz2

+ 1V

д2Т° д2Т*

дх2

dz2

(7)

(8)

от

Аналитическое решение системы (5), (6) в случае зависимости Ср, р, искомой температуры невозможно. Следует применить численные методы.

Численное решение поставленной задачи проводилось применительно к условиям проведения экспериментальных исследований процесса синтеза озона в генераторе с поверхностным разрядом. Расчеты выполнены для пяти значений электрической мощности и четырех значений температуры охлаждающей воды (рис. 5). Результаты решения показали, что среднемассовая температура кислородно-озонной смеси в разрядном промежутке зависит от температуры охлаждающей воды.

Использование этиленгликоля в качестве охлаждающей жидкости с температурой 258 К при одинаковой электрической мощности равной 150 Вт позволяет снизить температуру в разрядном промежутке на 17°С. Также разработана методики ускоренных испытаний материала электроизоляции электрических и информационных линий связи в социально-значимых объектах. Анализируются результаты исследований влияния различных концентраций озона, низкой температуры и механического нагружения на стойкость электрических и информационных линий связи.

Объектом исследований служили образцы электротехнической продукции общепромышленного назначения (ВВГ, ВВГнг, ПВС, ПВ-3). Принципиальная технологическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 6.

1 — источник электрического питания; 2 — генератор озона; 3,10 —расходомер; 4 — делитель потока; 5 — кислородный концентратор; 6 — изотермическая исследовательская камера; 7 — холодильная машина; 8 — озонометр; 9,11 —каталитический разложитель озона; 12 — киловолътметр С-96. Рис. 6 Принципиальная технологическая схема экспериментальной установки.

Как видно на рис. 6 использованное в экспериментальной установке оборудование позволяет обеспечить в изотермической исследовательской камере условия, которые имеют место в объектах низкотемпературного хранения пищевых продуктов. При этом следует отметить, что рабочая концентрация озона, например при низкотемпературном хранении пищевых продуктов, как правило, составляет от 2,0 до 100мг/м3 .

При среднем сроке службы таких объектов, равном примерно 20-ти годам, исходя из принципа аддитивности, определялась концентрацию озона в озоно-кислородной смеси, которую необходимо было поддерживать при проведении экспериментальных исследований.

Программа исследования электротехнических материалов при различных температурах и концентрациях озона включала следующие этапы:

- исследование влияния температуры на свойства изоляции электротехнических материалов;

- исследование влияния продолжительности воздействия озона при низких температурах на свойства изоляции электротехнических материалов;

- исследование влияния концентрации озона на свойства материалка5еа изоляции электротехнических материалов.

Сопоставление проводились по следующим параметрам:

- по наличию разрушения изоляции образца;

- по изменению структуры изоляции образца за счет изменения поверхности материалов образцов, изменения цвета, появления постороннего запаха;

- по изменению величины испытательного напряжения по сравнению с паспортными величинами для каждого электротехнического материала в соответствии с техническими условиями.

Исходя из того, что образцы были нагружены в большей степени по сравнению с их нагружением в реальных условиях и учитывая, что большая половина образцов сохранила свою целостность, можно считать, что в условиях длительной эксплуатации материалов в условиях низких температур и небольших концентраций озона (до 40 мг/м3) они могут служить в течение всего срока эксплуатации.

Результаты исследования материалов изоляции на пробивное напряжение показали, что после суммарного воздействия низких температур (до -24°С) и высоких концентраций озона до 100 г/м3 провода марок ВВГ, ВВГ нг , ПВ-3 й ПВС выдерживают пробивное напряжение 3 кВ.

Были также проведены исследования на растровом электронном микроскопе (РЭМ) — приборе, позволяющем исследовать объекты с произвольной геометрией и с разрешением на порядок лучше, чем у оптического микроскопа. Объектом исследования на нем являлись образцы электрической изоляции.

Проведенные исследования показали, что после восьмичасового воздействия озона высокой концентрации существенных изменений в структуре изоляционного материала на исследуемом участке не произошло. При этом глубина проникновения электронного пучка в изоляцию составляла до 0,8...2,0 мм. На основании проведенных исследований можно заключить, что изоляция кабелей ВВГ, ВВГнг, ПВС, ПВ-3 не изменит свои эксплуатационные характеристики в течение всего гарантийного срока службы. В работе отражена разработка методики экспериментальных исследований по влиянию озона на поведение мелких биообъектов, проведены экспериментальные исследования а, также проведена статистическая обработка результатов с использованием критерия Уилкоксона для зависимых варианс.

Применение озона для защиты социально-значимых объектов, неизбежно связано с его влиянием на мелких животных, которые могут находиться в помещении. Ранее отмечался репеллентный эффект озона на грызунов, но результаты целенаправленно проведенных экспериментов со статистической обработкой данных, в литературе отсутствуют.

Для проведения эксперимента с мелкими животными был разработан экспериментальный, унифицированный стенд, принципиальная схема которого представлена на рис. 7. В качестве подопытных животных в эксперименте использовали десять лабораторных беспородных мышей (п = 10). Каждое животное участвовало в опыте один раз. Перед началом каждого опыта мышь помещалась в стартовый бокс, после чего озонаторы включали в режим нагнетания воздуха и открывали шиберы (4), соединяющие стартовую и основные камеры А и В. В течение 15 минут животное могло свободно перемещаться по всем камерам, осваивая пространство.

I — экспериментальный бокс; П — стартовый бокс; Ш — озонатор

1.перегородка;

2.крышка экспериментального бокса;

3.крышка стартового бокса;

4.шиберы для входа в экспериментальный бокс.

Рис. 7 Схема экспериментальной установки.

При обработке опытных данных выявляли достоверность различий продолжительности пребывания мышей в разных отсеках в опыте и в контроле, а также динамику поведенческих реакций в присутствии озона и в чистом воздухе (рис.8).

Ввиду малой выборки и отсутствия нормальности распределения достоверность различий определяли с помощью непараметрического критерия Уилкоксона для сопряженных пар, в статистическом пакете БгаЙБгкаД который в этих случаях применяется в биологических исследованиях.

В контрольный период достоверных отличий по времени пребывания мышей в отсеках 1 и 2 не обнаружено. В опытный период обнаружилась явная асимметрия - животные достоверно больше времени проводили в отсеке, куда подавался воздух.

Оценка содержания озона в разных отсеках камеры показала, что как в стартовом отсеке, так и в отсеке с воздухом его концентрация была низкой, в отличие от отсека с озоном, где концентрация озона была равной 40 мг/м ._

Вр*мп{ммю

Рис. 8 Продолжительность пребывания и двигательная активность мышей во время контроля и опыта.

Результаты показывают, что используемая в ходе эксперимента концентрация озона достаточна для отпугивания мышей.

В работе описано новое устройство получения активированной воздушной среды, включая озон, с использованием электронно-ионной обработки воздуха и его применение в смежных областях. Разработанная конструкция обладает большей эффективностью процесса обеззараживания воздуха в помещениях, воздуховодах,

помещениях, воздуховодах, каналах, где расположены трубопроводы, электрические кабели и т.д. Рассматривается возможность применения озона для обеспечения безопасности социально-значимых объектов. Основные результаты и выводы:

1. На основе структурного анализа электрода мембранной конструкции предложен технологически усовершенствованный электрод, имеющий плоские поверхности, покрытые диэлектриком из стеклоэмали. Экспериментальные исследования показали, что разработанная конструкция генератора озона с плоскими пластинчатыми электродами существенно превосходит параметры отечественных и зарубежных генераторов озона по таким основным показателям как энергозатраты, удельный выход озона с единицы поверхности и материалоемкости.

2. Впервые разработана конструкция генератора озона с поверхностным разрядом, отвечающая требованиям энергоэффективности, простоты изготовления и надежности в эксплуатации. Путем сравнительных испытаний генераторов озона с поверхностным и барьерным разрядом установлено, что вплоть до концентраций озона в кислороде равных 40..50 г/м3 они имеют практически одинаковые основные технические характеристики по удельному выходу озона с единицы площади электрода и удельным энергетическим затратам на его синтез.

3. Впервые проведены систематические экспериментальные исследования и получены данные по влиянию озона на свойства материалов изоляции электрических и информационных линий связи, которые показали, что все испытанные образцы кабелей марок ВВГ, ВВГнг, ПВС и ПВ-3 после воздействия низких температур (до -24°С), высоких концентраций озона (до 100 г/м3) и времени его воздействия (до 8-ми часов) сохранили свои изоляционные свойства. Следовательно, в социально значимых объектах с применением озона с рабочей концентрацией до 40 мг/м3, могут применяться общепромышленные электротехнические материалы.

4. Впервые в отечественной практике проведены экспериментальные исследования по влиянию озоно-воздушной смеси с концентрацией озона до 40 мг/м3 на поведение мелких биообъектов, в ограниченном пространстве. Экспериментальные данные подтверждают, что в социально значимых объектах, включая объекты низкотемпературного хранения пищевых продуктов , использование озона оказывает репелентный эффект на мелкие биообъекты.

5. На основе разработанной математической модели процесса теплообмена с внутренними источниками теплоты для генератора озона с поверхностным разрядом показано, что с уменьшением начальной температуры охлаждающей воды с 293 К до 281 К концентрация озона возрастает на 12 процентов. Результаты сравнительных расчетов по разработанной математической модели показали, что применение этиленгликоля с низкой начальной температурой вплоть до 258 К

является более эффективным для синтеза по сравнению с применением воды в качестве охлаждающей жидкости.

Работа выполнена при активной поддержке доктора технических наук, профессора МГТУ им. Баумана Н.Э. Смородина А.И.

Список научных работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Смородин АЛ, Тарабакин ДА. Перспекшны развития озоновых технслошй в области питьевого водоснабжения. // Сборник научных трудов «Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии», Москва, 2008 г., вып. 4, с. 96-97.

2. Смородин АЛ, Тарабакин ДА. Развитая озоновых технологий в обтали пиіьевого водоснабжения. // Материалы 5-ой Международной тучно-прагаической конференции «Криогенные технологии и оборудование, Перспективы развития» Москва, 2008 г, с. 31-32.

3. Смородин АЛ, Тфабакин ДА. Взрывопожаробезопасносль системы озоно-кислородная смесь - резиновая крошка, образующаяся в процессе утилизации изношенных автопокрышек. // Материалы 6-ой Международной научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развитая» Москва, 2009 г, с. 33-34.

4. Смородин А.И., Тарабакин ДА. Исследование всвможносш комплексного применения озона в объектах холодильной техники. // Материалы Международной научной конференции «Холодильная и криогенная техника. Промышленные газы, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» Москва, 2010 г, с. 29.

5. Смородин АЛ, Тарабакин ДА, Борзенко ЕЛ, Бабакин ЕС. // Сборник научных трудов «Надежносп. и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК» Возможности применения озонных технологий в водоснабжении: Москва, 2010 г, с.4748.

6. Тарабакин ДА, Смородин АЛ, Бутсрина АВ, Ушакова МБ. Экспериментальное исследование влияния озоно-воздушной смеси на отпугивание мышей. // Научно-практический журнал по вопросам санигарно-эпидемиотогаческого благополучия населения, теории и практики борьбы с вредителями <Д1есг-мшеджменг» (РЭТ-инфо), Москва, № 3 (79), 2011 г, с. 38-41.

7. Тарабакин ДА, Смс>родин АЛ, Матвеев В А Экспериментальное исследование влияния озона и низких температур на изоляцию электротехнических материалов, применяемые в объектах низкотемпературного хранения пищевых продуктов /Экологические системы и приборы-2011г.-№10-с. 48-52.

8. Тарабактт ДА, Ожродин АЛ, Борзенко ЕЛ Создание и исследование генератора озона для зашит социально - значимых объектов/ Экологические системы и приборы - 2012г. - №2 - с. 2831.

9. Смородин АИ, Тарабакин ДА, Борзенко ЕЛ Создание и исследование генератора озона для обеспечения условий жизнедеятельности защиты социально-значимых объектов' химическое и нефіетазовоемашиностроение-2012г.-3- с, 19-21.

Подписано к печати 20,(Ш2. Формат 60x80 1/16. • Бумага писчая. Печать офсетная. Печ. л.1.0. Тираж 50 экз. Заказ №ЗА5". СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

61 12-5/2262

ФГБОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

ТАРАБАКИН Денис Александрович

Создание и исследование генератора озона для обеспечения защиты

социально - значимых объектов.

Специальность 05.04.03 «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Е.И. Борзенко

На правах рукописи

Санкт- Петербург 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ОЗОНА И ПРИМЕНЕНИЕ ОЗОНА В РАЗЛИЧНЫХ

ОБЛАСТЯХ............................................................................................................................................................14

1.1 Принцип работы генератора озона и способы получения озона............17

1ЛЛ Механизм образования озона, принцип работы генератора озона......................................................................................................................................................................................17

1Л .2 Обзор существующих конструкций генераторов озона с барьерным

разрядом....................................................................................................................................................................21

1Л.З Принцип работы генераторов озона с поверхностным разрядом............27

1Л .4 Применение низких температур в процессе получения озона..................29

1.2 Применение озона и электрофизических методов в объектах низкотемпературного хранения пищевых продуктов..................................................................33

1.2Л Электрофизические методы при хранении пищевых продуктов............33

1.2.2 Применение озона при хранении пищевых продуктов....................................36

1.3 Использование озона для бактерицидной обработки помещений социально-значимых объектов..................................................................................................................40

1.4 Влияние озона на биообъекты................................................................................................44

1.5 Конструкционные и электротехнические материалы, применяемые в современных социально-значимых объектах..................................................................46

1.6 Выводы по главе....................................................................................................................................49

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ГЕНЕРАТОРОВ ОЗОНА..........................................................................................................................52

2.1. Состояние вопроса..........................................................................................................................52

2.2. Кинетика электросинтеза озона................................................................................................56

2.3. Существующая технология изготовления мембранных электродов... 63

2.4. Разработка конструкции электрода....................................................................................66

2.5. Экспериментальные исследования электродов плоской конструкции 69

2.6. Обсуждение экспериментальных результатов........................... 75

2.7. Создание конструкции генератора озона с разрядом поверхностного типа...................................................................................... 78

2.8. Методика экспериментального исследования генератора озона с поверхностным разрядом............................................................. 83

2.9. Методика измерения напряжения и мощности разряда в опытных генераторах озона....................................................................... 86

2.10. Экспериментальное исследование генераторов озона с поверхностным и барьерным разрядом....................................................... 89

2.11. Выводы по главе............................................................... 99

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ОБЪЕКТОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ХРАНЕНИЯ ПРОДУКТОВ............................................................... 101

3.1 Экспериментальная установка и программа исследования свойств электротехнических материалов................................................... 101

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований............... 106

3.3 Параметры сопоставления экспериментальных результатов.............. 109

3.4 Результаты экспериментальных исследований.............................. 111

3.5 Исследования образцов изоляции электротехнических материалов на растровом электроном микроскопе................................................ 114

3.5.1 Методика исследований образцов на растровом электронном микроскопе............................................................................................................... 114

3.5.2 Подготовка образцов к проведению исследований..................... 118

3.5.3 Обработка результатов исследования........................................ 118

3.6 Выводы по главе................................................................. 119

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОЗОНА, КАК ЗАЩИТНОГО СРЕДСТВА ОТ ПРОНИКНОВЕНИЯ МЕЛКИХ БИООБЪЕКТОВ В СОЦИАЛЬНО-ЗНАЧИМЫЕ ОБЪЕКТЫ.......................................... 121

4.1 Предпосылки проведения эксперимента........................................................................121

4.2 Описание экспериментальной установки............................................................................121

4.3 Методика проведения эксперимента....................................................................................125

4.4 Обсуждение результатов эксперимента..............................................................................126

4.5 Расчет непараметрического критерия Уилкоксона для сопряженных

пар................................................................................................................................................................................128

4.6 Выводы по главе......................................................................................................................................131

ГЛАВА 5. НОВОЕ УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОЙ ОБРАБОТКИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В СМЕЖНЫХ ОБЛАСТЯХ..............................................................................................................................................................................132

5.1 Устройство для обеззараживания воздушной среды........................................132

5.2 Возможность применения озона для обеспечения условий жизнедеятельности и защиты социально-значимых объектов......................................................135

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................................................................................138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................................149

Введение

Озон является идеальным экологически чистым и мощным окислителем, способным вступать в химические реакции при нормальном давлении и температуре окружающей среды. Озон по окислительной способности занимает второе место, уступая только фтору и значительно превосходя другие широко применяемые окислители. Окислительный потенциал фтора равен - 2эв, озона 2,07 эв, а хлора - 1,30 эв. Озон быстрее других окислителей вступает в реакции и в меньших концентрациях.

В отличие от других окислителей озон в процессе реакции не образует никаких продуктов, которые загрязняли бы окисляемое вещество. Он или полностью расходуется на окисление или же, при его частичном использовании, продуктом восстановления озона является кислород. Это обстоятельство в ряде случаев оказывается решающим при выборе того или иного окислителя, т.к. часто задача отделения продуктов восстановления окислителя от обрабатываемого вещества представляет значительные трудности, а иногда и вовсе практически невыполнима. Таким образом, применение озона способствует решению проблемы обеспечения безотходных экологически чистых технологий и производств.

Основные технологические процессы, в которых применение озона технически и экономически оправдано, следующие:

- очистка (обеззараживание) питьевой воды;

- очистка промышленных стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных комбинатах и др.);

- энергоэффективное хранение пищевых продуктов в объектах холодильной техники;

- озоно-кислородная отбелка целлюлозы;

- обработка жидких радиоактивных отходов, переработка изношенных автопокрышек в резиновую крошку, переработка тяжелых нефтяных фракций и т.д.

На рис. 1 показаны основные области применения озонных технологий, в

которых озон нашел практическое применение. Основная часть вырабатываемого в мире озона расходуется на очистку и обеззараживание питьевой воды. Значительная доля озона в последние годы используется для бесхлорной отбелки целлюлозы. Эти области применения озона в значительной мере защищают здоровье людей и экологию окружающей среды.

Начиная с 1975 года на хладокомбинатах Росмясомолторга начали применять озон при хранении плодоовощной продукции и продукции животного происхождения, что позволило сократить потери от микробиологической порчи в 1,5..2,0 раза по сравнению с традиционными рекомендуемыми режимами холодильного хранения. По данным Международного Института Холода (МИХ) примерно 15% потребления электроэнергии в мире приходится на производство холода, поэтому чрезвычайно актуально повышение энергоэффективности процесса производства холода и применение энергосберегающих технологий при хранении продовольствия и сырья биологического происхождения.

Такими энергосберегающими процессами являются совместное применение холода и озонных технологий. При этом экономия электроэнергии достигается за счет того, что в этом процессе температура хранения продуктов может быть повышена на несколько градусов при сохранении качества продукции. Однако применение этих процессов требует дополнительных капитальных затрат.

Применение озона в других социально-значимых областях находится, как в стадии проработки, так и в стадии практического применения.

Анализ выполненных исследований в области создания эффективных озонаторных установок показал, что к настоящему времени не определена приоритетная конструкция генератора озона, которая может преимущественно применяться в устройствах, обеспечивающих условия жизнедеятельности и защиты в социально-значимых объектах. Вместе с тем перспективная конструкция генератора озона должна отличаться:

низкими энергетическими затратами на производство озона; низкими затратами на производство и эксплуатацию; конструктивной простотой и надежностью.

ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Синтез новых полимеров

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ И ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

ОЧИСТКА ПИТЬЕВЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

ОЧИСТКА ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

МЕДИЦИНА

БЫТОВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Обогащение руд (золотых и др.)

Отбеливание целлюлозы Окисление жирных кислот

Улучшение органолептических свойств

Санация воздуха в птицеводстве и животноводстве

Обеззараживание корма

Дезинфекция воздуха, тары и оборудования

Хранение и транспортировка продуктов рыбоводства

Централизованные системы подготовки питьевой воды

Автономные системы подготовки питьевой воды

Очистка промышленных сточных вод

Очистка биологически загрязненных сточных вод

Очистка отходящих газов ТЭЦ от ЫОх и ЭОх

Очистка воздуха помещений лакокрасочных и др. предприятий

Санация воздуха в промышленных производствах

Озонотерапия

Применение озона в хирургии (гнойной)

Стерилизация инструмента

Санация помещений

Кондиционирование помещений

Доочистка питьевой воды

Рис. 1 Основные области применения озонных технологий.

В социально-значимых объектах располагаются электротехническое оборудование, кабели и провода, обеспечивающие бесперебойную работу оборудования и передачу информации на центральный диспетчерский пульт управления. Несмотря на то, что озонные технологии применяются, например, при хранении продуктов, их влияние на свойство материалов изоляции электротехнических материалов не исследовалось.

Применение озона на социально-значимых объектах низкотемпературного хранения пищевых продуктов неизбежно связано с его влиянием на обслуживающий персонал и на мелких грызунов, которые могут проникать на эти объекты. Защита людей от влияния озона регламентируется целым рядом нормативных документов, обеспечивающих безопасную технологию обращения с озоносодержащим газом [ГОСТ Р51706-2001 "Оборудование озонаторное требования безопасности"]. Ранее некоторыми исследователями отмечался репеллентный эффект влияния озона на грызунов, но результаты целенаправленно проведенных экспериментов в этом направлении в литературе отсутствуют.

Затраты на производство озона составляют наиболее существенную часть в общих затратах при реализации экологически лояльных производств с применением озона, поэтому создание генераторов озона, обеспечивающих высокую эффективность синтеза озона при меньших затратах на их производство, исследование воздействия озона на материал изоляции электрических и информационных линий связи и на биологические объекты является актуальной задачей.

Цель работы: разработка и исследование эффективной конструкции генератора озона и исследование влияния озона различной концентрации на обеспечение защиты социально-значимых объектов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд самостоятельных задач:

1. разработать конструкцию генератора озона, отвечающую требованиям

энергоэффективности, простоты изготовления и надежности в эксплуатации;

2. провести экспериментальное исследование процесса получения озона в разработанной конструкции генератора озона;

3. разработать математическую модель процесса теплообмена в генераторе озона;

4. провести экспериментальные исследования совместного влияния озона различной концентрации, низкой температуры и механического нагружения на материал электроизоляции электрических и информационных линий связи;

5. разработать методику экспериментальных исследований по влиянию озона на поведение мелких биообъектов;

6. провести экспериментальное исследование по влиянию озона на контрольную группу мелких биообъектов и провести статистическую обработку результатов с использованием непараметрического критерия Уилкоксона для сопряженных пар;

7. разработать специальное электрофизическое устройство для обработки пищевых продуктов в объектах низкотемпературного хранения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана новая конструкция генератора озона с электродами, реализующими поверхностный разряд;

- экспериментально установлено, что генератор озона с поверхностным разрядом вплоть до концентрации озона в кислороде равной 40..50 г/м имеет одинаковые технические характеристики по удельному выходу озона с единицы площади электрода и удельным энергетическим затратам на его синтез с генератором озона барьерного типа, являющимся наиболее совершенным в настоящее время;

- впервые получены систематические экспериментальные данные по совместному влиянию низкой температуры, озона различной концентрации и механи-

ческого нагружения на материал изоляции электрических и информационных линий связи;

- впервые проведены экспериментальные исследования, по влиянию озона на поведение контрольной группы мелких биообъектов в условиях близких к реальным;

- предложено устройство для обеззараживания воздушной среды, в помещениях, воздуховодах, каналах, где расположены трубопроводы, электрические кабели и др. элементы.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- созданы конструкции генераторов озона, которые существенно превосходят параметры работы генераторов озона зарубежных фирм и могут быть эффективно использованы для обеспечения защиты социально-значимых объектов;

- сделаны обобщения экспериментальных данных по совместному влиянию озона различной концентрации, низкой температуры и механического нагружения на электроизоляцию электрических и информационных линий связи и даны конкретные рекомендации по использованию электротехнических материалов в социально-значимых объектах, в которых применяется озон;

- показано, что озон является веществом, активно отпугивающим мелкие биообъекты, в том числе и из каналов, по которым проходят электрические и информационные линии связи, обеспечивая тем самым устойчивость функционирования социально-значимых объектов;

- предложена конструкция устройства для обеззараживания воздушной среды, которая позволяет повысить эффективность процесса озонирования в объектах холодильной техники.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась:

- применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения;

- хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;

- соответствием полученных экспериментальных данных результатам расчета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. конструкции генераторов озона, работа которых построена на принципах с использованием барьерного и поверхностного типов разряда;

2. результаты экспериментального исследования генераторов озона с барьерным и поверхностным типами разряда;

3. математическая модель процесса теплообмена в генераторе озона;

4. результаты экспериментальных исследований материалов электроизоляции электрических и информационных линий связи в условиях, отвечающих реальным;

5. результаты экспериментального исследования по влиянию озона на поведение контрольной группы мелких биообъектов в условиях близких к реальным. Апробация работы. Основные положения диссерта