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

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 озонанизкими затратами на производство и эксплуатациюконструктивной 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 Р51 706−2001 «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 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:

— 5-ой 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 холод (г. Санкт-Петербург, 2011 г.).

— «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»: материалы V международной научно-технической конференции, (г. Санкт-Петербург, 2011 г.) 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 8 печатных работ, из них 3 в журналах рекомендованных ВАК.

Научная работа по использованию 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.).

Работа состоит из введения, 5-ти глав, списка использованной литературы из 102 наименований из них 88 отечественных и 14 зарубежных авторов.

Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунок и 27 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приводится краткий обзор работ отечественных и зарубежных авторов, по созданию генераторов озона различных конструкций, по исследованию возможности применения озона в различных областях и по применению низких температур в процессах получения озона. Сформулированы цели и задачи научного исследования.

Вторая глава посвящена вопросам создания конструкций генераторов озона, работа которых построена на принципах с использованием барьерного и поверхностного типа электрических разрядов и экспериментальному исследованию генераторов озона при работе на сухом воздухе и кислороде. Показано, что генератор озона с плоскими электродами обладает технологическими преимуществами перед генератором озона с мембранными электродами, 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.

Третья глава посвящена разработке методики ускоренных испытаний материала электроизоляции электрических и информационных линий связи в объектах холодильной техники. Также анализируются результаты исследований влияния различных концентраций озона, низкой температуры и механического нагружения на материал изоляции электрических кабелей и проводов.

Четвертая глава посвящена разработке 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.

Пятая глава посвящена описанию нового устройства получения активированной воздушной среды с использованием электронно-ионной обработки и его применение в смежных областях, а также возможности применения озона для обеспечения защиты 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 концено траций озона в кислороде равных 40.50 г/м 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 2 температур (до -24°С), высоких концентраций озона (до 100 г/м) 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 исследоо вания по влиянию озоно-воздушной смеси с концентрацией озона до 40 мг/м 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. Разработано новое устройство для обеззараживания воздушной среды в социально-значимых объектах, включая низкотемпературные камеры хранения пищевых продуктов.

6. 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.