Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка состояния систем водоснабжения пассажирских вагонов железнодорожного транспорта 11
1.1. Особенности водоподготовки на железнодорожном транспорте 11
1.2. Причины загрязнения воды на железнодорожном транспорте 12
1.3. Анализ недостатков известных конструкций
1.3.1. Купейные вагоны 14
1.3.2. Плацкартные вагоны 15
1.3.3. Вагоны специального назначения 16
1.3.4. Вагоны высокоскоростных поездов 18
1.4. Способы и методы обеззараживания воды 20
1.4.1. Хлорирование и применение диоксида углерода 21
1.4.2. Озонирование 22
1.4.3. Ультразвуковой способ 23
1.4.4. Ультрафильтрация и применение коагулянтов 23
1.4.5. Ультрафиолетовое облучение 26
1.4.6. Импульсное УФ-излучение 27
1.4.7. УФ-излучение и ультразвук 28
1.5. Выводы 29
2. Анализ конструкций устройств обеззараживания воды на основе уф излучения 30
2.1. Особенности современных УФ-стерилизаторов 30
2.2. Применение вихревых аппаратов 32
2.3. Течения Тэйлора-Куэтта в конструкциях УФ-стерилизаторов 34
2.4. Анализ усовершенствованных конструкций систем водоснабжения пассажирских вагонов железнодорожного транспорта 35
2.5. Выводы 41
3. Гидродинамический расчет проточного ультрафиолеового стерилизатора 42
3.1. Особенности конструкции предлагаемого устройства 42
3.2. Известные методы гидродинамического расчета течений в простых геометрических объемах 43
3.3. Расчет вращательного движения жидкости в тангенциальном завихрителе 47
3.4. Расчет вращения жидкости в УФ стерилизаторе 53
3.5. Гидравлический расчет потерь давления в УФ-стерилизаторе модернизированной конструкции с внутренним оребрением 71
3.6 Моделирование процессов протекания жидкости в УФ стерилизаторах систем водоснабжения пассажирского вагона методом конечных элементов 80
3.6.1 Гидродинамический расчет УФ-стерилизатора типовой конструкции и с концентрично установленными патрубками 81
3.6.2 Гидродинамический расчет УФ-стерилизатора с концентрично установленными патрубками и внутреннем оребрением 86
3.7. Выводы 93
4. Расчет эффективности уф-стерилизатора модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона 95
4.1 Недостатки существующей методики оценки качества УФ-стерилизации 95
4.2 Предлагаемая методика оценки эффективности УФ-стерилизации 97
4.3. Расчет эффективности УФ-стерилизаторов 98
4.4. Анализ результатов расчета 104
4.5. Выводы 105
5. Экспериментальные исследования динамики потоков воды в уф-стерилизаторе для модернизированной системы водоснабжения пассажирских вагонов 107
5.1. Методика экспериментальных исследований 108
5.2. Конструктивное исполнение макетных образцов УФ-стерилизаторов 109
5.3. Методика обработки результатов измерений 117
5.4. Результаты экспериментальных исследований 120
5.5 Анализ результатов экспериментов 126
5.5.1 УФ-стерилизатор с концентричными патрубками 126
5.5.2 УФ-стерилизатор шнековой конструкции 130
5.6. Предлагаемые варианты модернизированных систем пассажирских вагонов железнодорожного транспорта 135
5.6.1. Водоналивная система пассажирского вагона 135
5.6.2. УФ стерилизатор с концентрично установленными патрубками 137
5.6.3. УФ стерилизатор с концентрично установленными патрубками, оребрением и отражательной поверхностью 140
5.7. Выводы 140
6. Оценка экономической эффективности предлагаемого УФ-стерилизатора 141
6.1. Методика оценки экономической эффективности 141
6.2. Определение стоимостной оценки результатов 143
6.3. Определение единовременных затрат 146
6.4. Определение показателей экономической эффективности 147
6.5. Выводы 148
Заключение 149
Список литературы
- Причины загрязнения воды на железнодорожном транспорте
- Анализ усовершенствованных конструкций систем водоснабжения пассажирских вагонов железнодорожного транспорта
- Расчет вращения жидкости в УФ стерилизаторе
- Расчет эффективности УФ-стерилизаторов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Железнодорожный транспорт в настоящее время является самым безопасным и надежным видом транспорта.
Цель инновационного развития ОАО «РЖД» – достижение параметров безопасности, определенных транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 г., стратегией развития железнодорожного транспорта до 2030 г. и стратегией развития холдинга «РЖД» на период до 2030 г.
Система водоснабжения пассажирского вагона является одной из самых важнейших ответственных и неотъемлемых технических систем управления качеством водоподготовки.
Несмотря на жесткие требования нормативной документации и органов федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека в России качество водоподготовки на железнодорожном транспорте, как в РФ, так и за рубежом, не всегда соответствует этим требованиям.
Во всех пассажирских вагонах питьевая вода перед поступлением к потребителю сначала обеззараживается методом кипячения, в то время как вода, предназначенная для бытовых нужд, напрямую поступает прямо из бака.
Качество воды в заправочных колонках должно отвечать требованиям ГОСТ 51232-98. Вода питьевая, однако, заправка вагона водой на станции часто является некачественной из-за нарушения правил хранения и эксплуатации наливных шлангов, и вода подвержена вторичному загрязнению в процессе е транспортировки через систему заправки в бак.
Одним из современных способов обеззараживания воды является ультрафиолетовое (УФ) облучение. Решение указанной выше проблемы применением УФ-облучения осложняется не только разработкой и установкой нового устройства в существующую конструкцию пассажирского вагона, но и необходимостью потребления электроэнергии от аккумуляторов во время его стоянки.
Недостатком известных устройств для обеззараживания воды УФ-излучением, в том числе на железнодорожном транспорте, является их низкая эффективность, при которой не обеспечивается минимальная доза облучения 16 мДж/см2 и воду необходимо многократно пропускать через УФ-устройство, поэтому разработка энергоэффективного устройства обеззараживания воды в пассажирских вагонах железнодорожного транспорта является актуальной задачей. Внедрение системы контроля позволит обоснованно совершенствовать технические устройства водоподготовки.
Степень разработанности темы исследования. Методы УФ-облучения ежедневно применяются в вагонах метрополитена с 2005 г. Сведения о применении УФ-устройств на железнодорожном транспорте освещены во втором разделе диссертации и обоснованы патентной базой. Известное внедрение проточного УФ-устройства ОВ-002 на выходе бака кипяченой воды с водоохлади-телем не исключает вторичного загрязнения всей системы водоснабжения и не находит повсеместного применения. В связи с чем, тематика исследования возможного применения УФ-технологий при водоподготовке на железнодорожном подвижном составе можно считать малоизученной. Эффективность предложенных решений должно подтверждаться данными инструментального контроля.
Цель диссертационной работы – повышение качества водоподготовки на железнодорожном транспорте на основе системы оптического контроля дозы ультрафиолетового облучения.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи.
-
Разработать математические модели связи параметров движения жидкости в УФ-стерилизаторах с параметрами контроля дозы облучения потоков воды.
-
Разработать систему оптического видеоконтроля скорости и времени пребывания потоков жидкости в камере обеззараживания УФ-стерилизаторов.
-
Исследовать точность существующей и предложенной методики контроля дозы ультрафиолетового облучения.
-
Предложить количественные статистические показатели эффективности дозы УФ-облучения.
-
Выполнить оценку экономической эффективности усовершенствованных конструкций систем водоснабжения пассажирского вагона железнодорожного транспорта.
Объект исследования – ультрафиолетовый стерилизатор воды.
Предмет исследования – система оптического контроля потоков воды в ультрафиолетовом стерилизаторе.
Методология и методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе корреляционного анализа, математического моделирования на ПЭВМ с использованием универсальной математической программы MathСAD, программы проектирования SolidWorks и рас-
чета гидродинамических конструкций Cosmos Flow Works методом конечных элементов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Разработаны математические модели связи параметров движения жидкости с параметрами дозы облучения, позволившие создать новые устройства подготовки воды.
-
Получено новое частное решение уравнений Навье – Стокса в виде произведения цилиндрических функций Бесселя и гиперболических функций для жидкости, вращающейся между коаксиальными цилиндрами, ограниченными фиктивными детерминировано вращающимися крышками, при условии пуазейлевого осесимметричного течения.
-
Разработана методика и система контроля дозы ультрафиолетового облучения воды, с визуальным отображением результатов работы УФ-стерилизаторов.
-
Предложены количественные критерии оценки эффективности УФ-стерилизаторов пассажирских вагонов железнодорожного транспорта.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных экспериментов. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными составляет не более 8 %.
Теоретическая и практическая значимость диссертации.
-
Разработанная математическая модель течения жидкости в вагонном УФ-облучателе позволяет определить скорость потока жидкости в любой точке в зависимости от геометрической формы рабочего пространства камеры облучения, напора и физических свойств воды и дать оценку степени снижения тангенциального вращения жидкости вдоль стерилизатора.
-
Усовершенствованная конструкция УФ-устройства для пассажирского вагона железнодорожного транспорта обеспечивает снижение энергопотребление по сравнению с типовой конструкцией на 50 %, повышение эффективности очистки воды и установку предлагаемого устройства в существующую систему водоснабжения пассажирского вагона железнодорожного транспорта.
-
Предлагаемые расчетные количественные критерии оценки эффективности УФ-устройств для пассажирского вагона железнодорожного транспорта позволяют провести сравнительную оценку работы различных устройств и спрогнозировать величины этих критериев в проектируемых конструкциях.
4. Разработанная методика и система контроля траекторий движения струй воды в оптически прозрачных макетных образцах УФ-устройств для пассажирского вагона железнодорожного транспорта дает возможность оценить эффективность камеры облучения, оптимизировать ее конструкцию путем визуализации картины движения потоков в ее полости.
Реализация результатов работы. Методика оптического контроля траекторий движения струй воды в оптически прозрачных моделях ультрафиолетовых устройств внедрена в ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии по железнодорожному транспорту» и ОАО «Федеральная пассажирская компания» при проведении испытаний модели усовершенствованных конструкций УФ-устройств с концентрично установленными патрубками.
Модели УФ-стерилизаторов (пат. № 88345, № 99777) для пассажирских вагонов железных дорог внедрены в лаборатории «Энергооборудование пассажирских вагонов» ОмГУПСа и используются в научных и учебных целях.
Положения, выносимые на защиту.
-
Точные решения частных уравнений Навье-Стокса для описания жидкости, вращающихся между двух неподвижных цилиндров, доказывающие эффективность устройства водоподготовки.
-
Расчетно-экспериментальная методика контроля дозы УФ-облучения в проточных стерилизаторах, являющаяся методической базой в проектировании проточных УФ-стерилизаторах.
-
Количественные показатели эффективности дозы УФ-облучения потоков воды, являющиеся сравнительной величиной существующего и модернизированного УФ-стерилизаторов.
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Mobility-Sustainability-Safety» (Дрезден, 2005), научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2008), «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2010), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2009), научной конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010), на научно-технических семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПСа в 2008 – 2015 гг.
Личный вклад соискателя. Разработка математических моделей модернизированных конструкций УФ-устройств для пассажирских вагонов железнодорожного транспорта, позволяющих определить рациональные массогабарит-ные параметры УФ-устройств и необходимую интенсивность излучения ультрафиолетовой лампы, разработка системы оптического видеоконтроля потоков воды в моделях УФ-стерилизаторов с оптически прозрачным корпусом, основанной на использовании метода подкрашенных струй, предложении количественных критериев оценки эффективности вагонных ультрафиолетовых облучателей, разработка методики контроля дозы УФ-облучения. Основные научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе семь статей, четыре из которых опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ, два тезиса докладов, получено пять патентов на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 148 наименований и одного приложения. Общий объем диссертации – 164 страницы, в том числе 94 рисунка и 14 таблиц.
Причины загрязнения воды на железнодорожном транспорте
Анализ опыта эксплуатации системы заправки питьевой водой пассажирских вагонов за рубежом показывает следующее [4,5]. Исследования с целью точного определения места недостатка распределяются по группам в зависимости от места потребления воды из общественного водопровода: краны подачи воды в шланги, выпускные концы шлангов, выпускные краны водоводов в умывальниках туалетов и др. Причины положительных результатов микробиологических проб аналогичны причинам, обозначенным выше для Российской Федерации.
Неудовлетворительное оснащение приемоотправочных путей, прежде всего подачи воды в вагоны по шлангам. Заправщики часто должны тянуть их по земле от редко расположенных заправочных колонок. Неудачное расположение соединительных кулачков (близко к земле). Это приводит к их загрязнению. Недостатки конструкции вагонных резервуаров в вагонах, затрудняющие их очистку. Отношение заправщиков, не всегда исполняющих все правила водоснабжения, несмотря на то, что водоснабжение принадлежит к эпидемиологически важным видам работ.
Результаты исследований словацких ученых показывают, необходимость решения технических проблем. Замена вагонов на новые неэффективна, необходима реконструкция имеющихся подвижных единиц и модернизация мест водоснабжения, а также разработка новых методов очистки вагонных резервуаров.
Несмотря на различное конструктивное исполнение, принципиальное устройство систем водоснабжения всех типов вагонов дальнего следования практически одинаково.
В вагоностроении нашли применение две системы водоснабжения пассажирских вагонов: отечественной и германской постройки.
Система водоснабжения включает в себя баки для хранения запаса воды, расположенные с двух сторон в верхней части вагона, разводящие трубопроводы, разобщительные и сливные вентили и краны. Заправка водой (ее поступление в баки) осуществляется снизу вагона через заправочные патрубки, которые подсоединены к наливному шлангу водоразборной колонки на станционных путях.
В системе водоснабжения в пассажирском купейном вагоне (Рисунок 1.4) оба сообщающиеся между собой бака 13 размещены в некотловом конце кузова вагона [17-22]. Общий объем рассматриваемой системы водоснабжения составляет 1050 л. Система водоснабжения типового пассажирского купейного вагона не имеет устройства обеззараживания, а в баке таковых после микробиологического анализа выявляется ряд вышеуказанных микроорганизмов.
Основным и наиболее вероятным путем попадания бактерий являются наливные трубы 14, не имеющие защиты от внешней среды. 15 16 " V Рисунок 1.4 – Схема водоснабжения пассажирского купейного вагона:
Система водоснабжения некупейного вагона отечественного производства (Рисунок 1.5) общей вместимостью 1000 л обеспечивает горячей и холодной водой всех потребителей вагона.
Система снабжения холодной водой состоит из большого 17 и малого 4 баков с поддонами 5, объединенных двухдюймовой трубой, наливных труб с соединительными головками, расположенными под вагоном с обеих сторон, и сети трубопроводов с запорной арматурой.
Большой бак 17 объемом 850 л расположен над потолком туалета и коридора нетормозного конца вагона. Он состоит из стального корпуса, волнорезов и крышки. В корпус вварены две наливные трубы и одна вестовая, ограничивающая уровень воды в баке. По торцам бак снабжен люками, предназначенными для его очистки. Малый бак 4 объемом 80 л размещен над потолком туалета и коридора тормозного конца вагона. Он состоит из стального корпуса с крышкой и снабжен смотровым люком, воздушной трубой и водомерным стеклом. Внутренняя поверхность большого и малого баков оцинкована, а наружная окрашена эмалью. Поддоны изготовлены из листовой оцинкованной стали и имеют слив под вагон. Сливные трубы снабжены обогревателями, расположенными на их концах. На наливных трубах устанавливают вентили, предназначенные для предотвращения выплескивания воды из бака во время движе 16 ния вагона. Головки наливных труб закрывают кожухами, предохраняющими их от загрязнения, и оборудуют электронагревателями.
Недостатком данной водоналивной системы также является отсутствие устройства для бактерицидного обеззараживания воды при заправке бака холодного водоснабжения через заправочные трубопроводы.
Пассажирские вагоны других типов, такие как вагоны-рестораны, почтовые, багажные и др., также оборудованы самотечной системой водоснабжения и отличаются от рассмотренных выше конструктивными решениями, обусловленными назначением вагона.
В вагоне-ресторане установлены две самостоятельные системы снабжения горячей и холодной водой: первая – для кухни с раздаточным отделением, вторая – для котельной с туалетным отделением. Для снабжения кухни и раздаточной холодной водой имеется бак емкостью 800 л, расположенный над потолком кухни. Из бака холодная вода по трубам подается к кранам: мойке, находящейся в раздаточной, мойке и умывальнику, находящимся в кухне. От этого же бака по трубопроводу ручным насосом вода подается к водонагревателю и баку горячей воды, объем которого равен 50 л. Отсюда вода через очистной фильтр поступает к кранам моек для посуды и умывальника. Обе системы холодной и горячей воды кухни и раздаточной наполняются через соединительные головки, расположенные в середине вагона с обеих сторон кузова. Система налива воды всего вагона оборудована электрической сигнализацией наполнения баков, однако также не имеет обеззараживателя воды.
Анализ усовершенствованных конструкций систем водоснабжения пассажирских вагонов железнодорожного транспорта
Эпюра распределения скоростей течения жидкости между стенками цилиндров для различных величин давлений pо, г/(см с ) и соответствующих им расходов G л/с, приведена на Рисунке 3.3. Геометрические размеры внутреннего цилиндра Ri = 1,5 см, внешнего - R2 = 5. Плотность = 0,9982 г/см3, кинематическая вязкость воды v = 0,010см2/с [74]. Данная эпюра справедлива свыше указанными допущениями для тангенциального ввода, где присутствует давление, формирующее вихревое движение. Максимум скорости эпюры распределения смещен относительно стенок цилиндров к внутреннему. 120
Величину r = R3, в которой скорость v принимает максимальное значение определим из условия равенства нулю производной v:
Из уравнения (4.36) видно, что при заданной топологии, величины вязкости, плотности и давления не влияют на кривую распределения изменения скорости по радиусу, т.е. максимум скорости всегда располагается на одном и том же расстоянии.
Уравнение (4.36) относится к нелинейным трансцендентным и его решение может быть найдено одним из численных методов, например, методом Рунге-Кутта четвертого порядка с помощью встроенной функции программы MathCAD [119-122].
Внутренне рабочее пространство УФ стерилизатора представляет собой две концентрично расположенные цилиндрические поверхности конечного размера, закрытые с обеих сторон плоскими поверхностями. Геометрия концентрично установленных патрубков модернизированного и центральных патрубках – типового стерилизаторов в расчетах не учитывается [143].
Для определения характера вращательного движения между коаксиальными цилиндрами ограничим их по оси z таким образом, что нижняя и верхняя поверхности приводятся во вращение (Рисунок 3.5). Для реализации движения воды в тангенциальных вводах примем величину угловой скорости вращения зависящей от радиуса таким образом, что ее распределение совпадает с эпюрой скоростей между стенками цилиндров при бесконечной длине. Особенностью данной модели является отсутствие давления, так как оно заменяется фиктивной скоростью вышеуказанной поверхности. внешний цилиндр
внутренний
Рисунок 3.5 – Поверхность распределения скоростей между коаксиальными цилиндрами, ограниченными детерминировано вращающимися плоскостями
В данном подразделе определим поле скоростей между коаксиальными цилиндрами, ограниченными детерминировано (распределено) вращающимися плоскостями, без учета продольной скорости. Решение покажет соотношение распределения тангенциальной составляющей скорости v(p по радиусу г от длины / цилиндров с радиусами R\ и i?2, характер затухания скорости и целесообразность тангенциального вывода, при наличии которого должно наблюдаться увеличение тангенциальной составляющей скорости от центра до верхней части цилиндров.
Для аналитического описания задачи воспользуемся уравнениями движения жидкости Навье-Стокса для цилиндрической системы координат с осью z, совпадающей с осями цилиндров.
Данный расчет выполняется для осесимметричного режима и определяемые компоненты скорости v - У и vr - не зависят от : Жидкость в расчете принимается несжимаемой, т.е. р = const, следовательно: dt Примем Ur = 0 с тем условием, что жидкость вращается и движется слоями. В литературе параллельные течения вязкой жидкости между неподвижными стенками часто называют пуазейлевыми [74]. Такое допущение взято для возможного поиска точного решения полученной системы уравнений. Однако необходимо отметить, что при таком условии перемешивания ближних к УФ лампе слоев воды и дальних не происходит, что, собственно, идентично типовому УФ стерилизатору. Тем не менее, на данном этапе расчетов примем это допущение.
Граничные и начальные условия следующие. Внешней силой является гравитация. В пассажирском вагоне УФ-стерилизатор предполагается расположить вертикально для самотечного опорожнения после заправки и исключения «воздушных мешков» в камере облучения. Поэтому в уравнение Навье-Стокса присутствует внешняя сила/= . В расчетах данной силой пренебрегаем для возможности отыскания решения в явном виде.
Наличие сил молекулярного сцепления между поверхностями твердых тел камеры обеззараживания и водой приводит к тому, что прилегающий к твердой стенке слой жидкости полностью задерживается (прилипает). Откуда имеем: то же касается компонентов у и vr. Распределение скорости на нижней и верхней границах камеры обеззараживания удовлетворяет вышеопределенному уравнению вращательного движения жидкости между двумя цилиндрами (3.34) в пункте 3.3. Это условие одновременно считается и допущением, поскольку реальное распределение неизвестно и зависит от многих параметров. Нулевое значение, как на твердой стенке, с переходом к градиенту давления по переменным (риг существенно осложнит расчеты.
Уравнение (3.39) выполняется тождественно без учета коэффициента v. Так как распределение скорости жидкости не зависит от вязкости, то такое распределение может иметь и идеальная жидкость, не обладающая вязкостью по определению. дг2 г дг г2 dz2 Уравнение (3.40) является дифференциальным уравнением в частных производных. Воспользуемся одним из распространенных методов решения уравнений математической физики -методом разделения переменных [123], при котором точное решение ищется в виде произведения (мультипликативным методом) или суммы (аддитивным) функций разных аргументов. Подстановка решения аддитивным методом не приводит к необходимому разделению. Воспользуемся мультипликативным методом:
Расчет вращения жидкости в УФ стерилизаторе
Графики средних максимальных Vmax и минимальных Vmin скоростей воды для УФ стерилизаторов с n-оребрением приведены на Рисунках 3.33а,б, результирующая зависимость средних значений минимального TУФmin и максимального TУФmax времени пребывания воды в камере обеззараживания в зависимости от расхода G – на графике Рисунков 3.34а,б соответственно.
На основании поверхности времени облучения воды (Рисунок 3.34) и задаваемой начальной интенсивности типовой УФ-лампы IУФ = 7 мВт/см2 рассчитаны максимальные и минимальные дозы облучения воды в камере обеззараживания (Рисунок 3.35) согласно методике изложенной в методических указаниях [50].
Из Рисунка 3.35б следует, что при начальной интенсивности УФ-лампы IУФ = 7 мВт/см2 минимально необходимую дозу облучения 16 мДж/см2 обеспечивает стерилизатор с числом витков равным десяти n = 10.
Рассмотренный метод МКЭ моделирования процессов протекания жидкости в полых твердотельных конструкциях с ограниченным объемом является удобным, наглядным и относительно простым, учитывая, что классические методы расчета обладают меньшей точностью и возможностью учета меньшего количества факторов, и подходят в качестве верификации, так как модель самого устройства с точки зрения эйлеровой гидродинамики сложна. Кроме того, по результатам удовлетворительных расчетов имеется возможность непосредственно получить готовый чертеж будущего макетного образца стерилизатора.
1. Снижение вращательной (тангенциальной составляющей) скорости к центру устройства без оребрения происходит неинтенсивно, поэтому его длина должна быть ограничена. Уменьшение высоты устройства приведет к необходимости увеличения облучения, а, следовательно, увеличенному потреблению электроэнергии.
2. С увеличением ширины камеры обеззараживания падает максимальная скорость, снижаются потери давления, а также интенсивность облучения дальних от УФ-лампы потоков.
3. Верхний патрубок должен быть установлен также концентрично, поскольку такое расположение дополнительно приводит во вращение верхние слои.
4. Модель на основе точного расчета позволяет визуализировать скорость течения, количественно оценить изменение вращательной составляющей скорости, для заданных геометрических параметров УФ-стерилизатора, давления воды, вязкости. Рассчитать среднюю скорость и определить напор и расход воды.
5. Недостатком модели на основе точного расчета можно отнести отсутствие учета перемешивания слоев в результате турбулентности. Однако для турбулентности необходима адекватная модель и ее адаптация к вращательному движению, что чрезвычайно усложнит расчеты. Учет продольной составляющей или поперечной составляющих скорости приведет к невозможности решения точным методом.
6. Модель на основе точного расчета не дает возможности проведения качественной оценки для сравнения различных вариантов, так как изначально описана с помощью подхода Эйлера, однако время расчета и приемлемая точность в ряде случаев, например, как предварительная, является несомненным достоинством.
7. Падение давления из-за поперечных ребер в модернизированном УФ-стерилизаторе с концентрично-установленными патрубками будет выше, чем без ребер, что скажется на снижении скорости (как максимума, так и ее среднего значения). Это привет к увеличению времени заправки и снижению интенсивности перемешивания. Величина потерь напора определяется расчетным путем и верифицируется экспериментально. Рекомендуемая величина витков из условий гарантирования заправки водой пассажирского вагона равна 10, при этом расчетные потери давления составляют 24 % от общих потерь.
8. Разработанные модели УФ-стерилизаторов на основе метода конечных элементов позволяют определять не только распределение скоростей, но и реализовывать подход Лагран-жа, позволяющий определить перемещения элементарных струй, а, следовательно, открывающий возможности качественной оценки эффективности УФ-стерилизаторов, что указано в следующем разделе. Недостатком данного метода является значительное время расчета и высокие требования к ресурсам вычислительной машины.
Источниками УФ-излучения конструктивно могут быть лампы с отражателями или с защитными кварцевыми чехлами. УФ-лампы с отражателями используются в установках с непогруженными источниками излучения. Эти лампы располагаются над свободно текущей водой, т.е. в установках отсутствует непосредственный контакт ламп с водой. УФ-лампы с защитными кварцевыми чехлами используются в установках с погруженными источниками излучения. Лампы с защитными чехлами располагаются в потоке воды, обтекающей их со всех сторон. Защитные чехлы изготавливаются обычно из кварцевого стекла и предназначены для стабилизации температурного режима ламп и изолирования токоведущих цепей от водной среды. Для обеззараживания питьевой воды чаще применяются установки с погруженными источниками вследствие более высокой эффективности использования УФ-излучения ламп. Оба типа источников следует использовать в системе водоснабжения пассажирского вагона [126].
Согласно методическим указаниям [50] контроль за дозой облучения производится путем учета интенсивности бактерицидного излучения в камере обеззараживания, времени пребывания воды в ней и рассчитывается по формуле, мДж/см2:
В вышеприведенных формулах (4.1) и (4.2) используются приближенные величины, такие как среднее время, и неэкономичные, как минимальная интенсивность, аргументом по использованию которой является отсутствие передозировки. Повышение дозы УФ-излучения не приводит к гигиенически значимым неблагоприятным изменениям свойств воды и образованию побочных продуктов. Доза УФ-облучения должна быть увеличена до значений, обеспечивающих эпидемическую безопасность воды, как по бактериям, так и по вирусам [50]. Однако пита 96 ние УФ-лампы, как указывалось в подразделе 2.1, будет осуществляться от аккумуляторной батареи вагона, заряд которых ограничен, как и ресурс УФ-лампы. Рациональный выбор мощности УФ-установки обеззараживания воды является ключевой и весьма актуальной задачей.
Проблема возникает при детальном рассмотрении траекторий движения элементарных струй. Часть струй пройдет дальше от поверхности лампы, часть - ближе. Очевидно, что в этом случае интенсивность облучения элементарных струй разная. Проникновение УФ-лучей в воду сопровождается их поглощением водой и веществами, находящимися в воде в растворенном или взвешенном состоянии. Согласно закону Бугера - Ламберта - Бера, определяющему ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде, интенсивность облучения равна, мВт/см2: Коэффициенты поглощения к природной воды поверхностных источников водоснабжения колеблются в пределах от 0,2 до 0,6; коэффициенты поглощения питьевой воды, полученной из подземных источников водоснабжения, имеют значения 0,05-0,2; из поверхностных источников - 0,15-0,3 [50]. Так как вода, поступающая в вагон удовлетворяет требованиям [2], коэффициент поглощения к в расчетах принимается 0,2.
Для внутренней полости УФ-лампы интенсивность облучения воды / в зависимости от расстояния / до ее поверхности в пределах 60 мм изображена на Рисунке 4.1 для различных коэффициентов поглощения с начальной степенью 10 = 5 мВт/см2. Откуда следует, что потоки находящиеся дальше от УФ-стерилизатора получают меньшую дозу облучения.
Вследствие турбулентности струи перемешиваются, следовательно, необходимо отследить весь путь движения элементарной / -й струи, разделив его на элементарные отрезки по времени tj, с получением элементарных доз Di(t), определяемых по формуле (4.1) с учетом (4.3) и (4.4). Таким образом, доза облучения элементарной струи воды за период времени Т будет определяться формулой, мДж/см2:
Расчет эффективности УФ-стерилизаторов
Россанэпидемнадзором минимальное значение дозы облучения (16 мДж/см2) является рациональным с точки зрения эпидемиологии и в то же время неэкономичным показателем для «переоблученных» потоков, сравнение по которому различ ных конструкций весьма затруднительно. Предлагаемые количественные критерии эффективности УФ-стерилизаторов мода и СКО дозы распределения облучения позволяют с точки зрения статистической теории на этапе проектирования определить наиболее эффективные конструкции.
Величины среднего значения и медиана могут быть соизмеримы друг с другом и подходят только для предварительного анализа на начальном этапе, в то время как модальное значение и СКО являются более показательными и адекватными поставленной задачи. Кроме того среднее значение дозы облучения неэффективной конструкции может оказаться выше из-за ее значительного разброса.
Методика расчета является весьма трудоемкой на этапе определения дозы облучения каждого элементарного потока. Увеличение количества потоков требует большего времени обработки оператора, но никаким образом не влияет на точность программы. Поэтому для сокращения ресурсов целесообразно автоматизировать этот процесс.
Кроме того увеличение количества потоков и итераций приводит к необходимости многократного разделения единой базы при импорте в программу Microsoft Excel (объем строк одного листа не превышает 65000), либо использования других программ работающих с базами данных на более высоком порядке.
Предлагаемая методика аналитической оценки эффективности УФ-стерилизаторов пригодна для устройств используемых не только на железнодорожном транспорте, но и в других отраслях, где применяются проточные стерилизаторы, а также может быть адаптирована для конструкций с непогруженными источниками УФ-излучения. Универсальность методики является несомненным достоинством. При сравнительных расчетах малые величины модального значения укажут на необходимость увеличения мощности УФ-лампы, СКО дозы облучения – совершенствования конструкции стерилизатора.
По результатам расчета величина СКО облучения струй у типового стерилизатора в 4 - 5 раз превосходит величину СКО стерилизаторов с завихрителем и шнековой конструкции.
Модальная величина облучения струй у стерилизаторов с концентрично установленными патрубками в 1,5 раза выше модальной величины облучения типового УФ-стерилизатора.
Нижняя граница зоны облучения у типового стерилизатора при заданных условиях не обеспечивает санитарные требования и фактически необходимо повторное облучение, что чрезвычайно осложнено при установке одной конструкции в водоналивную трубу пассажирского вагона.
Расчеты показывают, что шнековая конструкция камеры обеззараживания абсолютно исключает многократные проходы элементарных потоков и повторного облучения, что особенно эффективно при превышении давления в заправочной колонке номинальных рабочих величин.
Стоимость шнековой камеры обеззараживания при единичной разработке значительно превосходит остальные, увеличивает местные потери давления и вероятнее всего потребует более частого обслуживания, так как горизонтальные ребра будут подвергаться интенсивному обрастанию налетом (Подраздел 1.4.5).
Экспериментальное исследование динамики потоков жидкости является одной из сложнейших задач механики сплошных сред. Вихревое движение, характер которого добавляет преимущества и изменяет свойства жидкости, находит применение в таких прикладных задачах, как кондиционирование, сепарирование, стабилизация и др., а также может быть использовано для равномерного УФ-облучения воды в стерилизаторах, в том числе модернизированной системы водоснабжения пассажирских вагонов железнодорожного транспорта.
Изучение вихревого движения сплошных сред в прикладных задачах одно из противоречивых направлений, механика которого не имеет достаточно точного аналитического описания или хотя бы такого, которое удовлетворило ученых, занимающихся вихревыми аппаратами и позволило использовать как базовое и пригодное для проектирования широкого спектра технических устройств.
Экспериментальные исследования динамики сплошных сред с вихревым движением позволяют определить оптимальные размеры и параметры УФ-стерилизаторов и добиться повышения эффективности обеззараживания воды.
В связи с особенностями процессов массопереноса в вихревых потоках жидкости и сложностью исследования их характеристик непосредственно внутри камеры УФ-обеззараживателя в основу методики экспериментальных исследований могут быть положены испытания физических моделей – макетных образцов (массогабаритных аналогов) – с оптически прозрачным корпусом, позволяющим визуально наблюдать характер и поведение вихревых потоков [67].
Визуализация движения воды используется для фиксирования, документирования и сравнения возникающих эффектов внутри физических моделей УФ-стерилизаторов разработанных конструкций. В аэродинамическом эксперименте для визуализации течений применяются методы подкрашенных струек, трассирующих частиц, нитей («шелковинок»), капель жидкой плнки, каолинового покрытия поверхностей, парового экрана (лазерного ножа), а также оптические методы исследования течений [129].
Метод подкрашенных струек основан на введении в поток газа струек дыма (в поток воды – подкрашенной жидкости с плотностью, близкой к плотности воды) через насадки, уста 108 новленные перед макетным образцом, или через отверстия в нем. Метод позволяет визуализировать линии токов прозрачной среды.
Предлагаемая методика, разработанная в ОмГУПСе, основана на оптическом видеоконтроле траектории движения подкрашенных потоков воды внутри макетного образца УФ-стерилизатора с прозрачным корпусом. Определение траекторий перемещения цветных потоков осуществляется автоматически с помощью видеорегистратора.
В виду того, что спектр УФ-излучения негативно влияет на сетчатку глаза, целесообразно проводить испытания при отключенной лампе, либо со специальными средствами защиты для глаз от УФ-света, либо с заменой лампы на ее имитатор или пустой кварцевой чехол и т.п.
Система оптического контроля, представленная на Рисунке 5.1. содержит высокоскоростную видеокамеру 1, блок записи и хранения информации 2, блок обработки информации 3 [143, 148]. Основным назначением системы оптического видеоконтроля является управление подачей красителя и регистрация траекторий элементарных потоков в различных конструкциях устройств водоподготовки.