3236

На правах рукописи

Леонтьев Виктор Александрович

ТЕПЛОВЛАЖНОСТНАЯ ОБРАБОТКА ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННЫХ

ЖИДКИХ СРЕД

05.23.03. -Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НижнийНовгород-2002

Работа выполнена в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор А.И. Ерёмкин.

Научный консультант кандидат технических наук, доцент А.Г. Аверкин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор З.Ф. Немцев, кандидат технических наук, доцент И.М. Квашнин.

Ведущая организация ОАО институт «Пензсельстройпроект»

Защита состоится 6 марта 2002г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.162.02 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская 65, корпус V аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского | государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 4 февраля 2002г.

Сокращения:

СКВ - системы кондиционирования воздуха; ЭАС - электроактивированные среды; ЭХА - электрохимическая активация; рН - водородный показатель;

Eh - окислительно-восстановительный потенциал. КОЕ - колониеобразующие единицы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В системах вентиляции и кондиционирования широко применяется тепловлажностная обработка воздуха. При этом воздух приобретает требуемые параметры, которые регламентированы нормативными документами. К ним относят: температуру, относительную влажность, подвижность среды и др.

В то же время этот воздух не обладает активирующим и бактерицидным действием. Для придания воздуху указанных свойств нужны специфические жидкие среды, обладающие свойствами бактерицидности и биологической активностью и являющиеся экологически безопасными.

Применение химических средств, как показывает практика, связано с негативным влиянием на обслуживающий персонал и потребителей, часто приводит к различным заболеваниям. Таким образом, возможность создания бактерицидных, экологически чистых воздушных сред является в настоящее время актуальной проблемой исследований.

К числу биологически активных и экологически чистых жидкостей можно отнести электроактивированные среды (ЭАС).

Настоящая диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, направленным на усовершенствование процессов и оборудования систем кондиционирования воздуха (СКВ), предназначенных для создания требуемых параметров воздушной среды и её бактерицидных свойств.

Работа выполнена в 1998 - 2001 гг. на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» Пензенской государственной архитектурно-строительной акаде-

мии.

Цель и задачи диссертационной работы. Основной целью работы является разработка установки для создания бактерицидных воздушных сред и исследование режимных параметров процесса тепловлажностной обработки воздухасприменениемЭАС.

Для достижения поставленной цели решался комплекс взаимосвязанных задач, основными из которых являются:

-получение, исследование основных физико-химических свойств ЭАС и разработка установки для создания бактерицидных воздушных сред,

-исследование тепловлажностной обработки воздуха в адиабатном режиме с применением ЭАС в контактном аппарате,

-оценка влияния технологических параметров, физических характеристик среды на бактерицидные свойства воздуха при тепловлажностной обработке,

-оценка эффективности применения ЭАС в системах кондиционирования воздуха в народном хозяйстве.

Научная новизна работы заключается в разработке режимных параметров процесса тепловлажностной обработки воздуха на основе ЭАС с получением математической модели, позволяющей оптимизировать данный процесс.

Практическая значимость и реализация работы заключается в том, что разработано новое оборудование для систем кондиционирования воздуха, способное создавать бактерицидные, экологически чистые воздушные среды, на основе разработанного оборудования проведены экспериментальные исследования,оптимизированыпроцессыадиабатногоувлажнениявоздухасиспользованием электроактивированных сред, что позволяет повысить эффективность применения СКВ в различных отраслях, например, в сельском хозяйстве (направлена заявка на патент, получена справка о приоритете № 2001120214 от 27 июля 2001 г.)

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные и представленные в диссертации, могут быть использованы при проектировании установок для создания бактерицидных воздушных сред.

Экпериментальный образец типовой установки прошел промышленные испытания в муниципальном унитарном сельскохозяйственном предприятии «Горзеленхоз» г. Пензы, результаты исследований используются в лекционном курсе «Системы кондиционирования воздуха и холодоснабжение», а также при выполнении лабораторного практикума в Пензенской ГАСА.

Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований докладывались на XVI Межвузовской научно - технической конференции, посвящённой 370 - летию г. Красноярска КГАСА (г. Красноярск), 1998г.; на XXX Всероссийской научно-технической конференции ПГАСА (г. Пенза), 1999г.; на Международном научно-практическом семинаре «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах», (г. Пенза), 2000г.; на Международном научно-практическом семинаре «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах», (г. Пенза), 2001г.; на Всероссийской XXXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства», (г. Пенза), 2001г.; на научно-практической конференции «Идеалы и реалии культуры Российского города», (г. Пенза), 2001.

На защиту выносятся: установка по созданию бактерицидных воздушных сред, математическая модель процесса тепловлажностной обработки возду-

ха ЭАС;

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных ра-

бот.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка использованной литературы 149 наименований, 10 приложений. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включающих 32 рисунка, 21 таблицу и 24 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Электроактивированные среды получают в результате электрохимической активации воды. ЭАС отличаются необычными свойствами: повышенной растворимостью, специфическими рН, Eh.

В настоящее время под ЭХА понимается изменение кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных свойств воды различной степени минерализации безреагентным методом с получением экологически чистых растворов. Цель ЭХА - придание воде необходимых функциональных свойств, в том числе каталитической и биокаталитической активности. Благодаря этому ЭАС нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

Электрохимическая активация производится путём катодной или анодной (униполярной) электрохимической обработки воды в диафрагменном электрохимическом реакторе (рис. 1). В результате обработки в катодной камере реактора вода насыщается продуктами катодных электрохимических реакций, обычно гидроксидами металлов. В анодной камере вода насыщается продуктами окисления, в том числе кислотами. После катодной электрохимической обработки вода называется католитом, а после анодной обработки - анолитом.

Физическое и физико-химическое состояние воды и водных растворов оценивается большим числом физико-химических характеристик, в частности, используют плотность, поверхностное натяжение, электропроводность, водородный показатель (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Eh), ионный состав, жесткость и т.д. Для протекания биохимических окислительновосстановительных процессов важными характеристиками являются рН и Eh.

При униполярной электрохимической обработке обычной водопроводной воды происходит изменение её свойств.

Изменяя параметры обработки, например, силу тока и продолжительность его воздействия, можно целенаправленно менять многие из этих свойств, в частности, рН (у католита он колеблется от 7 до 12. а у анолита - от 2 до 7) и Eh (у католита изменяется от -200 до -850 мВ, а у анолита - от +400 до +1200 мВ).

Рис. 1. Принципиальная схема электроактиватора.

1 - анод; 2 — переливной патрубок; 3 - ванна; 4 - катод; 5 - источник постоянного тока; 6 - диафрагма.

Обе эти характеристики активированной воды, в значительной степени определяющие уровень её активации, весьма важны при решении задач использования такой воды в различных технологических процессах, а также оценки её биологической активности. Ведь рН - показатель активности и концентрации ионов

водорода, характеризующий кислотность или щелочность воды, a Eh служит

мерой интенсивности процессов окисления, восстановления.

С точки зрения кислотно-основного взаимодействия воду можно рассмат-

ривать нейтральной при условии равенства концентраций ионов H+и ОН-.

восстановительного взаимодействия возможна при условии равенства парциального давления кислорода и парциального давления водорода или

Отсюда, учитывая уравнения потенциалов водородного и кислородного электродов

можно получить уравнение, связывающее рН и Eh нейтральной воды,

Eh=+0,817-0,0591pH. (4)

Выше линии потенциалов, описываемых уравнением (4), расположена область, в которой вода имеет окислительные свойства, ниже - восстановительные. Условия нейтральности воды: рН =7,0 и Eh = +0,404 В.

Таким образом, целенаправленное смещение рН и Eh водных растворов в требуемую область значений - результат изменения концентрации ионов H+ и

ОН-, а также степени окисления находящихся в водном растворе элементов. Существуют различные способы изменения рН и Eh водных растворов:

реагентный,аэрирования,биоэлектрическийит.д.

В последнее время для изменения протолитических и окислительновосстановительных свойств воды всё шире применяют электрохимические методы, имеющие ряд преимуществ по сравнению с реагентными способами.

Изменение рН обусловлено в основном разрядом молекул воды на электродах, Eh - разрядом ионов, присутствующих в воде или за счёт продуктов растворения анода.

Разряд на катоде водородных ионов в кислой среде описывается уравне-

нием:

(5)

Разряд молекул воды в нейтральной и щелочной среде происходит по уравнению:

(6)

На катоде возможен разряд ионов меди, цинка, никеля и других тяжелых металлов:

(7)

где η - число переноса; количество электронов, участвующих в реакции Разряд на аноде гидроксильных ионов в щелочной среде:

(8)

и молекул воды в нейтральной и кислой среде:

(9)

При электролизе растворов, содержащих хлориды, на аноде может протекать реакция выделения газообразного хлора

7

(10)

поскольку стандартный потенциал хлора более электроотрицателен, чем кислорода.

Водородный показатель (рН), ед. рН

Параметры и свойства активированных растворов находятся в состоянии термодинамического неравновесия, т.е. обладают избытком внутренней потенциальной энергии, проявляющейся в их аномально высокой физико-химической и каталитической активности. Параметры и свойства активированных растворов самопроизвольно изменяются во времени (релаксируют).

На основании анализа литературного обзора и патентных исследований по применению электроактивированных сред для тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования разработана и изготовлена экспериментальная установка. Схема установки представлена на рисунке 3. Работа установки происходит следующим образом. Нижний поддон предварительно заполняют электроактивированной средой - водой, прошедшую униполярную обработку в электрическом поле. Затем включают насос, и среда по трубопроводам из нижнего поддона поступает в верхний поддон, оттуда - в увлажни-

тельную ячейку и обратно в нижний поддон, т.е. используется принцип рецир-

куляции.

Для получения ЭАС была изготовлена установка, её схема приведена на рис. 1.

Характеристики ЭАС, получаемых на установке, приведены в таблице 1.

Рис. 3. Схема установки для создания бактерицидных воздушных сред.

1 - радиальный вентилятор; 2 - воздухораспределительная решётка; 3 - нижний поддон; 4 - трубопроводы; 5 - насос; 6 - каплеуловитель; 7 - ротаметр PC- 5; 8 - узел увлажнения; 9 - верхний поддон; 10 - увлажнительная ячейка.

Таблица 1

В данной работе исследованы некоторые свойства ЭАС и нейтральной

среды, в частности, плотность, электропроводность, водородный показатель

(рН), стабильность, т.е. зависимость рН от времени, ионный состав, поверхно-

стное натяжение, бактерицидность, показатель преломления. Результаты иссле-

дований представлены в таблицах 2 и 3.

По стандартной методике для рабочих сред определена плотность. Как

видно, плотность у всех трёх сред одинаковая.