Повышение эффективности магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов

Гульков, Александр Нефедович

Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Повышение эффективности магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов
ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов"

На правах рукописи

ГУЛЬКОВ Александр Нефедович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ С ЦЕЛЬЮ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Специальность 11.00.11 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток - 1998

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете

Научные консультанты: - доктор технических наук,

профессор КОРОТКОВ В.И..

- доктор технических наук, профессор МИНАЕВ А.Н.

Официальные оппоненты:- доктор технических наук,

профессор ЖУКОВ А.В.

- доктор технических наук,

профессор ГОРДИЕНКО П.С.

- доктор технических наук,

профессор КАТИН В.Д.

Ведущая организация - Дальневосточное отделение Секция

прикладных проблем при Президиуме РАН

Защита состоится 25 марта 1998 г. в 10 часов на заседанш диссертационного совета Д 064.01.02 в Дальневосточном государственно* техническом университете:690600, г. Владивосток, ГСП, ул.Пушкинская,10 ДВГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ. Автореферат разослан февраля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

ШЕРЕМЕТИНСКИИ О.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов связаны сегодня с широкомасштабным внедрением безотходных, малоотходных и ресурсосберегающих технологий; с созданием разнообразных способов и средств интенсификации и управления технологическими процессами. Большинство современных технологических процессов, а также непосредственно жизнь человека прямо или косвенно связаны с использованием воды - возобновляемого природного ресурса, который с каждым днем становиться более дефицитен. Эффективность использования природных вод в энергетических и технологических установках в строительстве во многом определяется качеством водоподготовки.

Опыт эксплуатации энергетического и технологического оборудования строительного комплекса показывает, что качество воды имеет большое значение для безаварийной и экономичной его эксплуатации. Порой даже незначительное количество растворенных в воде солей или примесей сильно ухудшает условия эксплуатации технологических установок, а иногда и приводит к серьезным авариям. Наличие в воде растворенных солей жесткости вызывает образование накипи на теплопередающих поверхностях теплоэнергетического оборудования. В результате ухудшения теплопередачи снижается производительность тепловых установок, увеличивается расход топлива. Последнее приводит к значительному увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

Надежная работа технологического оборудования зависит также от наличия в исходной воде растворенных газов, таких, как углекислый газ, кислород, агрессивно действующих на металл. Статистические данные свидетельствуют о том, что больше половины аварий на теплоэнергетических установках возникает из-за неудовлетворительного поддержания водного режима. Очерченный круг проблем требует расширения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований как в области физико-химических процессов, происходящих в технологических установках, так и в области обработки воды с целью внедрения новых экологически чистых методов водоподготовки. Одной из задач, которую приходится решать, связана с изучением растворимости углекислого газа в природных водах, используемых в технологических и теплоэнергетических установках, так как при определенных условиях углекислый газ вызывает не только коррозию оборудования, но и во многом определяет процессы накипеобразования и гидратации цемента. Изменяя растворимость углекислого газа, можно управлять процессами накипеобразования, коррозии и гидратации цемента.

обработка, причем последние, как показывает практика наиболее просты в реализации и требуют малых эксплуатационных затрат.

Природная вода , обработанная магнитным и электромагнитным полем, приобретает новые свойства, позволяющие снизить и даже прекратить процесс накипеобразования на поверхностях теплообмена, растворять накипь. Более того, выявлено, что такая вода повышает прочность бетона, уменьшает коррозию металла, повышает урожайность культур и т.д. Несмотря на внедрение магнитной обработки воды с целью предотвращения накипеобразования, повышение качества бетона реальная эффективность этого способа, границы его применения, методы индикации, факторы, обеспечивающие стабильность и оптимальное воздействие магнитного поля на водную систему, изучены явно недостаточно. Отсутствует также теоретическое представление о механизме происходящих с водой в магнитном поле процессов, что необходимо для проектирования магнитных аппаратов с заданной эффективностью и дало бы возможность осуществления постоянного контроля.

Таким образом, повышение эффективности применения магнитной обработки воды в различных технологических процессах является актуальной задачей. Учитывая важную роль, которую играет растворенный углекислый газ в процессах накипеобразования, коррозии и гидратации цемента, изучение влияния магнитного поля на растворимость газа и процесс дегазации воды также представляет большой практический интерес.

Работы по данному направлению автором проводились в соответствии с Координационными планами и программами Академии наук 1981-1992 г.г. ( "Комплексные проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов Дальнего Востока", раздел 111, п.4 и др.); Научно-технической программы Госкомвуза РФ ( Архитектура и строительство) 1993-1997 г.г.; Координационными планами Министерства высшего образования на 1976-1980 г.г. ( НТП "Мировой океан", тема 6.2.26); Планом фундаментальных и прикладных поисковых исследований , утвержденным Постановлением Госкомиссии Правительства от 24.04.91 г.№ 58 (тема " Удвоение - ДАН" и " ЯХТА ДВО").

Целью работы является повышение эффективности использования природных ресурсов и уменьшение загрязнения среды обитания путем совершенствования контроля и стабилизации эффекта магнитной обработки воды.

Основная идея работы. Вода, участвующая во многих технологических процессах, представляет собой открытую нестационарную систему, эффективность воздействия магнитных и электромагнитных полей на которую сильно зависит от присутствия растворенных примесей, прежде всего растворенного и дисперсного газа, смещение динамического равновесия которого позволяет управлять течением технологических процессов, используемых в теплоэнергетике, строительстве, сельском хозяйстве, и таким образом оптимально использовать природные ресурсы.

Для реализации указанной идеи проведены исследования процессов растворения углекислого газа в воде, установлены закономерности влияния магнитных и электромагнитных полей на растворимость, диффузию, дегазацию, и попутно кристаллизацию солей в водных растворах, разработаны метод контроля и рекомендации по определению параметров магнитной обработки воды.

Основные положения, представляемые к защите.

1 .Безреагентная магнитная обработка воды способствует оптимальному природопользованию, уменьшению загрязнения среды обитания. Отсутствие теории механизма воздействия магнитного поля на воду и нестабильность наблюдаемых эффектов является препятствием широкому внедрению ее в технологических производствах.

2.Эффективность и стабильность магнитной обработки воды в силу влияния физико-химических, технологических и эксплуатационных факторов имеет вероятностную природу. Основным фактором, определяющим процессы, происходящие в водной системе при магнитной обработке, является дисперсный и растворенный газ.

3.На основе экспериментальных исследований кинетики процесса растворения углекислого газа в воде установлена возможность образования и постоянного присутствия "свободного" газа в виде микропузырьков; получены экспериментальные значения и расчетная формула по определению коэффициента диффузии углекислого газа в пресных и морских водах.

4.Использование разработанного экспресс-метода определения оптимальных параметров магнитной обработки воды, основанного на изменении скорости её вакуумной дегазации, позволяет повысить эффективность применения магнитной обработки воды, тем самым добиться снижения расхода топлива, воды и строительных материалов.

5.Воздействие магнитного поля на водные системы приводит к перераспределению концентрации свободного и молекулярно-растворенного газа, что вызывает ускорение процессов дегазации и кристаллизации солей в воде. Получены экспериментальные зависимости изменения растворимости, диффузии углекислого газа в воде и дегазации от параметров магнитной обработки воды.

б.Эффект стабилизации воздействия магнитного поля, основанный на введении поверхностно-активных веществ в воду, используемую для приготовления бетонов и бетонных смесей обеспечивает повышение качества изделий и экономию цемента.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором получены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Научная новизна.

1.Показано, что применение магнитной обработки воды позволяет не только уменьшить загрязнение окружающей среды, но и повысить эффектив-

ность использования природных ресурсов при условии обеспечения опти мальных параметров обработки и стабильности получаемых результатов.

2.Установлено, что при воздействии магнитного поля на водную систем) происходит перераспределение концентрации свободного и молекулярно-растворенного газа. Впервые произведена количественная оценка влиянш магнитного поля на коэффициент диффузии углекислого газа в природных водах.

3.Разработан экспресс-метод и прибор для контроля влияния магнитногс поля на водную систему по изменению скорости ее вакуумной дегазации; выявлены аналитические зависимости влияния магнитного поля на процесс дегазации водных систем, что позволяет добиться рационального использования природных ресурсов путем совершенствования протекания технологических процессов.

4. Экспериментальные исследования кинетики растворения углекислого газа в воде доказали возможность зарождения и постоянного присутствия е воде «свободного» газа в виде микропузырьков. Впервые экспериментально определены и получена расчетная формула значений коэффициентов диффузии углекислого газа в морской воде в диапазоне температур 18-40 °С ;

5.Предложен метод стабилизации эффекта воздействия магнитного поля на воду, основанный на введение в воду до её магнитной обработки поверхностно-активных веществ для технологических процессов в замкнутых циклах по воде, в частности, при приготовлении бетона, с целью повышения его прочности и экономии цемента.

6.Разработана схема представления знаний для решения экспертными системами неформализованной задачи эффективного применения магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов.

Практическая значимость результатов

1.Выявленные зависимости влияния магнитных полей на процессы растворения, диффузии, дегазации водных растворов и произведенная их количественная оценка позволяют прогнозировать эффективность влияния магнитного поля на водную систему.

2.Разработанный экспресс-метод индикации влияния магнитного поля на водную систему позволяет определять оптимальные параметры магнитной обработки воды с целью повышения эффективности протекания технологических процессов и рационального использования природных ресурсов.

3.Полученные значения коэффициентов диффузии углекислого газа в морской воде вместе с эмпирической зависимостью от температуры и разработанные рекомендации позволяют проектировать деаэрационные установки на морской воде с заданной эффективностью.

4.Разработанная методика определения оптимальных параметров магнитной обработки воды позволяет прогнозировать повышение эффективности

эименения магнитной обработки в различных технологических процессах, в ютности, для уменьшения накипеобразования на теплопередающих поверх-зстях и повышения прочности бетона.

5.Предложенная технологическая схема обработки воды, используемой m приготовления цементных и бетонных растворов, позволяет повысить эочность бетонов и уменьшить расход цемента и, тем самым, обеспечить тигельную экономию природных ресурсов.

Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы:

1.АО "Приморрыбпром" при проектировании магнитных противонакип-)ix устройств для судовых опреснительных установок и вспомогательных >тлов рыбодобывающих плавбаз.

2.На комбинатах и заводах железобетонных изделий в : г. Владивосток, аходка, Дальнегорск ( Приморского края); г. Воркута (Коми АССР); г. Шахты Ростовской области); г. Орджоникидзе (Северная Осетия), Якутск и ряде дру-(х при разработке устройств и определении оптимальных параметров обращен воды магнитным полем с целью экономии цемента.

3.На котельных Приморского края при разработке схем повышения эф-гктивности работы водоподготовительного оборудования.

4.В ВАСХНИЛ Агрофизическом институте при разработке временных ме-»дических рекомендаций по изучению действия и использованию магнитных шаратов при промывке и орошении засоленных почв.

5.На АО "Калужский турбинный завод" при создании новых типов тепло-¡менного оборудования, работающего на морской воде.

6.Секцией прикладных проблем при Президиуме РАН для создания новых >разцов морской техники.

7. Международной компанией "BAS International" (США) при разработке рмической технологии концентрации биологически-активных растворов.

За успешное внедрение магнитной обработки воды на заводах ЖБИ стра->i и получение большого экономического эффекта автор награжден серебря-)й медалью ВДНХ.

Кроме того, результаты исследований использованы в учебном процессе ВГТУ, в учебных курсах «Охрана окружающей среды», «Экология» и Строительные материалы».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-хнических конференциях: "Вопросы теории и практики судовых энерге-гаеских установок" (г. Владивосток 1971, 1973 г.г.);ХХ1-ХХХУ научно-хнических конференциях Дальневосточного государственного технического шверситета (г. Владивосток 1972-1997 г.г.): на 1 Всесоюзной конференции Сомплексные проблемы охраны и использования океанических вод" 1ладивосток,1976 г.); на семинаре по рациональному использованию и охране

природных ресурсов Сибири "Продуктивность экосистем, охрана водных р сурсов и атмосферы" ( Красноярск, 1975 г.); на 2-ой Всесоюзной научн технической конференции "Технические средства изучения и освоения океан; ( Ленинград, 1978); на 1У Всесоюзном совещании "Магнитная обработка во, ных систем" (Москва,1981г.); на Всесоюзной конференции "Технические сре, ства изучения и освоения океана" (Севастополь,1981г.); на областном научи техническом семинаре "Повышение физико-механических свойств бетонов важный фактор экономии материальных ресурсов в строительстве ( Южн Сахалинск,1982г.); на выездном заседании секции Научного Совета по npi блеме "Теплофизика" АН СССР и Всесоюзном семинаре по диффузии и та лопроводности смесей газов и жидкостей , Алма-Ата, 1982 ; на 1У Всесоюзнс конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и ocboi ния Мирового океана" (Владивосток,1983г.); на Всесоюзной научн! технической конференции "Вопросы обеспечения охраны окружающей сред при эксплуатации судов и рекуперативного использования вторичных ресу] сов" (Николаев, 1986г.); на Всесоюзном совещании "Охрана природной сред морей и устьев рек" (Владивосток, 1986г.); на Всесоюзной конференции " Пр< блемы создания новой техники освоения шельфа" (Горький,1989г.); на 11 научно-технической конференции по проблемам водных ресурсов Дальнев< сточного экономического района и Забайкалья (Владивосток, 1988г.);на Вс» союзной конференции " Применение безреагентных методов противонакипно обработки воды на электростанциях" (Ровно,1987г.); на Всесоюзной научне технической конференции "Архитектура и строительство в регионах Сибири Дальнего Востока (Благовещенск,1993г.); на Международной конференции Нетрадиционная энергетика и технология" (Владивосток,1995г.); на Междун; родной конференции "OCEANS 96 MTS/IEEE" ( Флорида, США, 1996г.); на ; ей Международной конференции по морской инженерии -96 (Шанхай, Кита ,1996 г.); на научном семинаре ОНИЛ Технологии водных энергоносителе кафедры технологии воды и топлива Московского энергетического институт (технического университета) (Москва, 1997г.); на международной конфереь ции «Сихотэ-Алинь: сохранение и устойчивое развитие уникальной экосист« мы» (Владивосток, 1997г.).

Публикации Содержание диссертации представлено в 65 научных труда> включая одну монографию, 4 авторских свидетельства. В автореферате npei ставлено 42 печатные работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка исполь зуемой литературы ( 225 наименований) и приложения. Работа содержит 34 страниц , 106 иллюстраций и 10 таблиц.

Автор считает своим долгом выразить признательность своим коллегам Дальневосточного государственного технического университета и работникам других организаций за поддержку в проведении исследований и внедрении результатов научной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель.

В первой главе приведен анализ современного представления о структуре и свойствах воды, характеристиках природных вод как природного ресурса, о влиянии качества воды на эффективность использования природных ресурсов , а также описаны методы водоподготовки.

Исследования, проведенные Дж. Берналом, Р. Фаулером, Л. Полингом, В.Холлом, К.Френком, Г.А. Крестовым, О.Я.Самойловым, Дж. Погатом, Ю.В.Гуриновым, Р.Мерчи, Х.Эйрингом, А.М.Блохом, Р.Слейгер, Р.Хорном, Г.Н.Зацепиной, Эрдей-Груз Т., Намиот АЛО. Голубевым И.Ф. и рядом других авторов показали, что чистая вода отличается от ее химических аналогов и от других жидкостей рядом аномальных свойств, которые зависят от особенности её строения. Структура воды в настоящее время до конца не изучена. Многочисленные гипотезы, описывающие структуру воды, можно разделить на две основные группы: первая группа объединяет модели, предполагающие однородную структуру воды по всему ее объему; вторая группа объединяет модели, предполагающие неравномерное размещение различных структур в объеме воды.

В реальных условиях абсолютно чистой воды не существует: вода содержит большое количество микрочастиц, газовых пузырьков различных размеров, ионы органических и неорганических веществ, микроорганизмы, комплексные соединения, молекулярно растворенный газ и т.п. В связи с этим случае воду можно рассматривать только как водную систему. Установлено, что системы, состоящие из большого числа взаимодействующих молекул и атомов приобретают новые качества, отличные от свойств элементарных единиц, образующих эти системы. Свойства водных систем зависят от внешних условий - давления, температуры, внешнего электромагнитного поля, а при определенных условиях примеси могут существенно влиять на свойства воды. Примером такого влияния на свойства природных вод могут служить присутствие в ней растворенного и свободного газа (Рис.1).

Эффективное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды неразрывно связаны с проблемой качества используемой воды и тщательным поддержанием водного режима в различном технологическом обору-

Рис. 1. Систематизация основных свойств природных вод, зависящих от концентрации растворенного и свободного газа.

овании. Несмотря на значительные запасы возобновляемых водных ресурсов же сейчас испытывается их недостаток, особенно в природных водах, от-ечающих требованиям, экономичного, надежного и безаварийного их исполь-эвания в технологических процессах. Так, наличие в питательной воде рас-воренных солей жесткости вызывает образование накипи и выпадение шлама а поверхностях нагрева, что приводит к перерасходу топлива.

Надежная работа технологического оборудования во многом определяется аличием в исходной воде растворенных газов. Исследования, проведенные лользиным П.А., Маргуловой Т.Х., Стрежевским И.В., Маметом А.П., Сури-ым С.М. и др. свидетельствуют, что одним из наиболее опасных коррозион-ых агентов являются растворенные в воде газы, такие, как кислород и угле-ислый газ. Характерной особенностью углекислотной коррозии поверхности з стати является слабая связь продуктов коррозии с корродирующим метаном. В соответствии с существующими нормами водоподготовки должно быть редусмотрено не только глубокое обескислороживание, но и полное удаление вободной углекислоты.

Удаление из исходной воды растворенных газов осуществляется исполь-эванием химических и физических методов дегазации. Сущность первых заточается в применении химических реагентов, которые связывают раство-енные в воде газы. Применение физических методов дегазации предполагает яание физических свойств и законов, которым подчиняется двухфазная сис-гма вода-газ. При этом процесс дегазации может идти как за счет дисперсного ыделения пузырьков , так и диффузии газа через поверхность раздела фаз.

Теория межфазной турбулентности, как и все остальные, не дает возмож-ости теоретически предсказать величину коэффициентов массопередачи в де-эрационных установках. Поэтому для определения коэффициента массопере-ачи чаще всего применяют теорию подобия, используя критериальное урав-ение :

NuD = f(Re«,Prb,l,h) , (1)

не Nud = Км ] / D - диффузионный критерий Нуссельта;

ReA = ral/уж - критерий Рейнольдса;

Pi"d = улд> ж - диффузионный критерий Прандтля для газа; '„ - коэффициент массопередачи; D - коэффициент диффузии газа в жидкости; к - кинематическая вязкость жидкости; L - плотность орошения; 1, h - геомет-ические размеры; р - плотность жидкости.

Причем степень влияния коэффициента диффузии D на коэффициент мас-эпередачи Км по результатам исследований Кастальского A.A., Рамма В.М., ильденблата И.А., Клячко В.А. можно описать зависимостью :

KM=f(D)D,

(2)

где п лежит в пределах от 0,5 - 0,6.

Следовательно, при проектировании деаэрационных установок необходи мо точно знать и учитывать коэффициенты диффузии газов в природных во дах. При этом интенсифицировать процесс деаэрации можно при прочих рав ных условиях, изменяя коэффициент диффузии растворенного газа в воде.

Большинство природных вод, используемых в технологическом оборудо вании, относятся к карбонатным. Образование карбонатных отложений на теп лопередающих поверхностях происходит в результате нарушения динамического равновесия углекислотных соединений. Все компоненты таких соединений находятся между собой в определенном количественном соотношении, изменение концентрации одного из компонентов незамедлительно влече! изменение других.

Углекислый газ, растворенный в воде, в отличие от других растворенные газов во многом определяет не только процесс коррозии, но и накипеобразова-ния. Следовательно, изменяя концентрацию растворенного углекислого газа I воде, используемой в технологическом оборудовании, можно управлять процессом накипеобразования.

Требования к качеству используемой для технологических целей воды зависят от ее назначения. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать степень очистки воды от присутствующих примесей. В реальных технологических процессах качество воды оценивается не по одному определяющему параметру, а по множеству, например, при использовании воды в теплоэнергетических установках наряду с таким параметром как солесодержание вода должна соответствовать требованиям по количеству растворенных корро-зионно-активных газов, органических веществ, жесткости и. т.д. В этом случае предлагаемый нами параметр, по которому будет определяться качество воды, можно представить, как:

РТ = ЕК5.РТ1 / Рв1, (3)

п=1

где К . коэффициент, учитывающий степень влияния 1 - того параметра на качество воды;

РТ1 - значение ¿-го текущего параметра ;

Р,п - допустимое значение ¿-го параметра, при котором сохраняется эффективность протекающего технологического процесса.

При этом основная задача поддержания требуемого качества воды сводится к минимизации значения Рт.

Для борьбы с накипеобразованием и коррозией теплосилового оборудования разработано много различных способов водоподготовки, которые сводятся к предварительной деаэрации воды и выделению солей-накипеобразователей из питательной воды. При этом наилучшие результаты достигаются при ис-

пользовании химических способов водоподготовки, но они требуют большого количества химреактивов, которые в конечном итоге сбрасывается в окружающую среду, загрязняя её.

Изменяя растворимость и диффузию углекислого газа, можно управлять многими физико-химическими процессами, в частности, накипеобразованием и коррозией. Так, уже сейчас имеются данные об изменении растворимости газов в воде, подвергнувшейся воздействию таких физических полей, как ультразвуковые , электромагнитные и магнитные. Особый интерес в силу простоты представляет магнитная обработка воды.

Анализ исследований, проведенных отечественными учеными Тебенихи-ным Е.Ф., Мартыновой О.И., Очковым В.Ф., Миненко В.И., Духаниным B.C., Михельсоном M.JL, Кукоз Ф.И., Стукаловым П.С., Бондаренко Н.Ф., Гак Е.З., Добржанским В.Г., Заславским Ю.А., Тихомировым Г.И., Минаевым А.Н., Холодовым Ю.А. и рядом других показывает ,что область применения магнитных полей с целью повышения эффективности работы технологического оборудования очень широка: теплоэнергетика, строительство, медицина, сельское хозяйство и т.д. При этом удается достичь значительного снижения эксплуатационных затрат, расхода энергоресурсов и т.п. Так, применение магнитной обработки воды на теплогенераторах малой мощности позволяет значительно снизить накипеобразование и , тем самым, расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу с продуктами сгорания. Установлено, в частности , что перерасход топлива при толщине накипи 1 мм составляет более 6%.

Ограничение и сдерживание применения магнитной обработки воды в различных отраслях промышленности связано не только с неизученностью самого процесса воздействия магнитного поля на воду и нестабильностью эффектов, но и с отсутствием универсального метода индикации этого воздействия.

В связи с дефицитом такого природного ресурса как пресная вода все чаще используются морские и солоноватые воды, что требует знания коэффициентов диффузии углекислого газа для расчета процессов дегазации и наки-пеобразования. Имеющиеся данные по коэффициентам диффузии для простых солевых растворов не могут быть применены для реальной морской воды, включающей в себя сложный комплекс соединений.

Широкое применение перспективных безреагентных методов водоподготовки, в том числе магнитной обработки воды, остро ставит задачу оценки роли растворенных газов, присутствующих в воде, а также делает актуальным исследование влияния физических полей на растворимость, диффузию С02, на процесс дегазации и углекислотное равновесие с целью предотвращения на-кипеобразования и коррозии .

Во второй главе приведен анализ теоретических и экспериментальных исследований по растворимости газов в воде, описаны разработанные автором

экспериментальные установки, на которых изучались процессы растворен» газа в воде и пересыщение газовых растворов.

Процесс растворимости газов в воде неразрывно связан с современны»* представлением о строении воды и водных растворов газов. Большое ко личество различных теорий и моделей, объясняющих структуру воды, нераз рывно связаны с представлениями о растворимости в ней газов. Наибольшие интерес представляет двухструктурная модель воды, предполагающая сущест вование равновесия между льдоподобной (с открытыми пустотами) и уплотненной (с молекулами воды в пустотах) структурами. Растворимость газов I воде при этом может осуществляться двумя способами: замещением и внедрением.

Анализ существующих методов определения растворимости газов в воде показал, что несмотря на большое их разнообразие, всеми методами определяется весь растворенный газ, при этом не учитываются формы его нахождения в растворе. Однако имеются данные, свидетельствующие о том, что газ может находиться в воде как в растворенном состоянии, так и в дисперсном, в виде микропузырьков. Более того, в реальных природных водах, находящихся в контакте с атмосферой, как правило, происходит растворение или выделение газа, поэтому природные воды часто бывают пересыщены газами. Наличие включений газа в воде во многом влияет на ряд физико-химических процессов, так как существование поверхности раздела фаз внутри жидкости, где нарушена целостность структуры, может влиять на дегазацию, кипение растворов, кавитацию и другие процессы. Кроме того, при определенных условиях дисперсный газ может существенно влиять на процессы накипеобразования на теплопередающих поверхностях, способствуя шламообразованию в объеме жидкости ,тем самым замедляя или прекращая процесс отложения накипи и коррозии в результате более глубокой дегазации воды. Частичная диссоциация молекул углекислоты позволяет наблюдать кинетику растворения и выделения СО2, что очень важно, как для проверки возможности образования и присутствия свободного газа в воде, так и для оценки влияния физических полей на растворимость. Для проверки возможности образования микропузырьков газа в воде в процессе растворения углекислого газа был выбран кондуктомет-рический метод, и создана экспериментальная установка. Растворимость газа оценивалась по изменению электропроводности раствора. Одна из полученных многочисленных кривых изменения электропроводности дистиллата (х =(2-4)10"® ом см"1) при насыщении его углекислым газом представлена на рис.2, из которого видно, что характер изменения электропроводности предварительно вакуумированного и обычного дистиллата различен. Если в последнем электропроводность монотонно возрастает во времени ( кривая 2, рис.2 ), то в бидистиллате, предварительно подвергнувшемся дегазации, наблюдается скачкообразное изменение электропроводности в сторону ее уменьшения, объясняемое нами тем, что по достижении определенной концентрации раство-

«г о

"г 10

о д

Ъ 8

- 7

Н б

1 —

£ ч -г -

А /

п ?

Растворбние С02 ] Вакуумирование-

2 24 36 48 138 147 156 Т-10 с

Рис.2. Кинетические кривые изменения электропроводности предварительно вакуумированного (1) и обычного (2) дистиллата при насыщении С02.

ренного СО, начинается спонтанное зарождение микропузырьков. По мере роста микропузырьков в ник диффундирует растворенный газ, вследствие чего концентрация Н2С03 в воде уменьшается, так как растворение газа в дистилляте происходит медленнее, чем образование и рост микропузырьков. В результате этого электропроводность снижается, но так как рост микропузырьков происходит до определенных пределов, соответствующих условиям опыта, то дальнейшее растворение С02 вновь приводит к увеличению содержания Н2С03 в растворе, а значит - к возрастанию электропроводности. Причем зарождение дисперсного газа, как показали эксперименты, происходит при вполне определенной концентрации растворенного газа, равной 20-40 мг/л.

Пересыщенные газовые растворы весьма широко распространены в природе. Особенно часто пересыщение возникает в различных технологических процессах при нагреве и деаэрации воды. Для исследования степени пересыщения различных водных растворов атмосферным воздухом нами использовался вакуумно-дилатометрический способ как наиболее простой и сравнительно точный. Сущность его заключалась в фиксации момента снятия пересыщения, т.е. образования и роста пузырьков газа в воде, по изменению объема в зависимости от давления в системе. В результате экспериментов было выявлено .что появление газовой фазы в воде или снятие временного пересыщения зависит от ряда факторов. Так, для дистиллата до начала появления газовой фазы в жидкости удавалось достигнуть пятнадцатикратного пересыщения. Степень пересыщения значительно снижалась после-предварительного перемешивания дистиллата. Выявлена склонность водных растворов к снижению

способности к пересыщению при повышении солесодержания, так , для раствора ЫаС1 с концентрацией 100 г/л степень пересыщения по сравнению с дистиллатом уменьшилась в 3 раза. Присутствие в воде поверхностно-активных веществ увеличивает склонность газовых водных растворов к пересыщению. Установлено, что с увеличением степени пересыщения газовой фазы снятие пересыщения происходит спонтанно, что приводит к быстрой и более глубокой дегазации жидкости. Чем однороднее раствор газа, тем больше возможность его пересыщения. Углекислый газ, химически взаимодействующий с водой, имеет большую склонность к образованию пересыщенных растворов.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в воде постоянно присутствует наряду с растворенным свободный газ в виде пузырьков. Кроме этого вода может иметь значительное устойчивое пересыщение растворенными газами и степень возможного пересыщения зависит как от состава воды, так и присутствия поверхностно- активных веществ. Другими словами, вода может находиться в метастабильном состоянии по растворенному газу, снятие которого возможно при резком изменении внешних воздействий, в том числе и таких, как магнитное и электромагнитное поле.

В третьей главе на основании краткого анализа теоретических и экспериментальных исследований по диффузии газов в воде выбран метод и описана экспериментальная установка , на которой автором определены коэффициенты диффузии углекислого газа в воде. Эксперименты проводились как на дистил-лате, так и на морской и пресной воде.

Анализ исследований, проведенных учеными, внесшими существенный вклад в данную проблему, таких , как Рамм В.М., Эрдей-Груз ,Брейшнайдер С., Химмелблей Д.М., Голубев И.Ф., и ряд других, показал, что этот вопрос изучен недостаточно. В частности, практически нет данных по диффузии СОг в природных водах, в том числе, в морской воде, что особенно важно при ее использовании в современных технологических процессах опреснения и концентрирования растворов. Из-за отсутствия детально разработанной теории жидкого агрегатного состояния до сих пор невозможно точно представить механизм диффузии СО2 в воде. Данную задачу можно разрешить лишь при наличии достаточного количества экспериментальных данных, полученных как на искусственных водных растворах, так и на природных в том числе морской воде.

На основании обобщения известных экспериментальных исследований диффузии газов в воде был обоснован выбор метода определения коэффициента диффузии СО2 по измерению объема растворенного газа. Выбор метода объясняется хорошей растворимостью углекислого газа в воде и тем, что для определения коэффициента диффузии не требуется знания равновесных концентраций растворенного газа. Это очень важно при исследовании диффузии

Экспериментальная установка состояла из диффузионной ячейки, помещенной в термостат, системы подачи газа и системы измерения объема растворенного газа. Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. В ячейку заливался определенный объем исследуемого раствора. Затем ячейка термостатировалась, после продувалась в течение 2 минут углекислым газом. Чтобы исключить диффузию паров жидкости в газовое пространство ячейки, углекислый газ предварительно насыщался исследуемым раствором. После двадцатиминутного выстаивания отключали систему подачи газа, и подключали систему замера объема растворенного газа. В результате опыта снималась кинетика процесса растворения газа при атмосферном давлении. Одна из кривых представлена на рис.3 (кривая 1). Решение системы уравнений:

d(p = D d2(p dt dx2

Ф = Co - C„ = cp* = const при t = 0; x ф 1. (4)

¿x '"phx = 0; ф = 0 при x = I;

и последующий численный расчет на ЭВМ позволили получить формулу для расчета коэффициента диффузии:

4/; lnA^-lnAV2 Ро. 2 3,62л-2 (г2 - г,) V ' (5)

где I - высота слоя жидкости в диффузионной ячейке;

С и С„ - соответственно значения концентрации на поверхности, т.е. равновесной и текущей концентрации в любой точке жидкости. In А К - In A F,

т —---—

d _ ,- темп растворения газа, который определяется

2 Т\

как тангенс угла наклона прямой в координатах InAV - т (рис.3, кривая 2). Ti и т2-соответствующее время замера.

Первоначально были определены коэффициенты диффузии для дистилла-та в диапазоне температур 18-40°С, показавшие хорошую сопоставимость с литературными данными (отличие до 4%). Затем были определены коэффициенты диффузии СО2 в морской воде, в качестве которой использовалась вода района залива Петра Великого (Японское море), и воде владивостокского гор-

■(.оса

о.5оа 0.00 -О.ИО -I .ООО

V, мл

1.Ш -1.500

12.00

да

АЛО г.ао

___^ К» *

\ 1 I

10.

24 >6

АЗ

72 ТМб С

Рис.3. Изменение объема растворенного газа V (кривая 1) 1п Л V ( прямая 2 ) за время опыта.

водопровода. Погрешность определения составляла 3%.

В результате обработки экспериментальных данных для морской воды нами получена зависимость коэффициента диффузии от температуры:

^ (Б • 10"5) = 3,19 - 800 / Т. (6)

В литературе нами не найдены значения коэффициентов диффузии ССЬ в морской воде в зависимости от температуры. Сравнение же полученных нами значений с имеющимися данными по диффузии С02 в растворах МаС1, МдБО.«, показало их отличие, объясняемое тем, что морская вода представляет собой более сложную водно-солевую систему.

Следует отметить, что полученное нами возрастание значений коэффициента диффузии СО2 для морской воды в районе температуры 31 °С, соответствующей критической температуре СО2 (рис.4), и по-видимому связана с какими то структурными перестройками в воде.

Таким образом, скорость диффузии С02 в природных водах значительно отличается от скорости диффузии в дистиллате. Поэтому не всегда правомерно при расчете различного рода деаэрационных установок, работающих на природных водах, брать значения Б для дистиллата. Знание коэффициента диффузии углекислого газа в морской воде позволяет с большей точностью производить расчет массообмена в деаэраторах и накипеобразования в технологических установках, работающих на морской воде и реальной пресной воде.

Рис.4. Зависимость коэффициента диффузии углекислого газа в дистиллате и морской воде от температуры.

В четвертой главе приводятся данные по исследованию влияния магнит-того поля на растворимость углекислого газа, дегазацию воды и разработке метода контроля эффективности влияния магнитного поля на воду.

Следует отметить, что наблюдаемый значительный положительный эффект при магнитном воздействии на природные воды связан с тем, что приходная вода представляет собой сложную водно-солевую систему, содержащую в реальных условиях достаточно большое количество микрочастиц, газовых микропузырьков, ионы органических и неорганических веществ, комплексные соединения, молекулярно-растворенный газ и т.д. Свободный газ в виде микропузырьков, постоянно присутствующих в воде, что экспериментально доказано в данной работе, по-видимому, также будет, небезразличен к магнитным воздействиям. В результате этого воздействия не исключается также возможность возникновения гидродинамических колебаний различной частоты благодаря силам Лоренца, в результате чего может наблюдаться как увеличение размеров микропузырьков, так и возникновение предзародышевых скоплений газа. Переход растворенного газа в дисперсное состояние, так же как и попадание молекул углекислого газа в полости клатратных структур или в случае адсорбции их коллоидными частицами железа, при определенных условиях может вызвать смещение углекислотного равновесия с образованием твердой фазы карбоната кальция.

Нами проведены экспериментальные исследования по влиянию магнитного поля на растворимость и диффузию углекислого газа и на процессы дегазации воды . Опыты проводились с водопроводной водой ( щелочность 0,25 мг-экв/л; жесткость 0,45 мг-экв/л; солесодержание 60,4 мг/л). Статистическая обработка результатов опытов по определению изменения концентрации растворенного углекислого газа в водопроводной воде под воздействием магнитного поля показала, что максимальное изменение концентрации свободной углекислоты до 10,6% наблюдалось при Н=20,6х103 А/м и скорости воды 1,0 м/с ( рис.5 ). Изменение концентрации СОг в омагниченных растворах при условиях, исключающих контакт с атмосферой, может быть связано с перераспределением форм растворенного газа.

Рис.5. Изменение концентрации свободной углекислоты в водопроводной воде при различных напряженностях магнитного поля (У=1,0 м/с)

Качественная картина влияния магнитного поля на процесс диффузии углекислого газа в воде первоначально нами была получена с использованием потенциометрического метода, позволяющего фиксировать время, необходимое для диффузии молекул углекислоты с поверхности воды до электродов. Изменение времени, необходимого для достижения электродов молекулами СО2, в зависимости от напряженности магнитного поля показало, что наибольшее уменьшение скорости диффузии наблюдается при Н=20,6х103 А/м. Поскольку именно поверхностный слой в принятой схеме определяет скорость диффузии газа, то изменение раствора, прошедшего магнитное поле, может быть объяснено увеличением поверхностного неподвижного слоя воды, где наблюдается молекулярная диффузия. Увеличение толщины поверхностного слоя воды может свидетельствовать о структуировании воды, что находится в соответствии с работами Кукоза Ф.И., изучавшего время жизни тонких пленок водных растворов и изменение поверхностного натяжения воды, подвергав-

шейся влиянию магнитного поля. Количественная оценка изменения скорости диффузии углекислого газа в воде при оптимальных параметрах магнитной обработки (напряженность 20,6 х103 А/м , скорость воды 1 м/с ) показала, что для водопроводной воды коэффициент диффузии уменьшился с 1,74 до 1,64х105см/с2 при £= 25 °С. Скорость диффузии в конечном итоге определяется гидратацией, и изменение диффузии связано с изменением гидратации диффундирующих молекул.

Влияние магнитного поля на растворимость и диффузию газа в воде должно сказаться на процессе дегазации. Для дегазации воды используются как термические, так и вакуумные деаэраторы. Исследование влияния магнитного поля на процесс термической дегазации производилось на установке, представлявшей собой кварцевую колбу с обратным холодильником, в которую помешались электроды рН-метра. По его показаниям оценивалась концентрация растворенного углекислого газа. Полученные кинетические кривые изменения величины рН при нагреве и кипении в омагниченном дистиллате по сравнению с обычным свидетельствуют об интенсификации процесса дегазации.

Для исследования влияния магнитного поля на вакуумную дегазацию была создана экспериментальная установка (рис.6). Методика экспериментов

Рис.6. Схема экспериментальной установки по определению кинетики удаления газа из природной воды

сводилась к следующему. Исследуемая природная вода, в качестве которой использовалась вода владивостокского горводопровода, заливалась в емкость, а затем через трехлолюсной постоянный магнит (1 ) подавалась в бюретку (2). Причем отбиралась строго определенная порция путем опускания уровня ртути до отметки "а", после этого кран (3) закрывался, и дальнейшим опусканием уровня ртути с помощью уравнительного сосуда (4) создавался вакуум. В результате раствор вскипал, и выделялся газ. Затем уровень ртути поднимался, и производилось измерение выделившегося газа по бюретке. Вакуумирование и измерение количества выделившегося газа повторялось десять раз (рис.7). После этого раствор подавался через кран в измерительную ячейку (5), где с помощью рН-метра (6) производилась оценка остаточной концентрации молеку-лярно растворенной углекислоты.

\см>_____________ ______ _____

0.7 0.6 05 0.1 0.1 0.1 ол

0 1 У V 5 8 7 а 9 10 П

Рис.7. Количество газа, выделяемого из воды при вакуумировании.

Для сравнения контрольная проба пропускалась с той же скоростью, но уже без магнита, и все операции производились по вышеприведенной схеме. Во всех случаях наблюдалось ускорение процесса дегазации воды, прошедшей магнитное поле. Причем, прослеживается вполне определенная зависимость степени дегазации от напряженности магнитного поля (рис.8). Ускорение процесса дегазации связано с увеличением концентрации газа, присутствующего в свободном состоянии, который легче может быть удален из воды.

Ранее уже отмечалось, что основным сдерживающим фактором широкого внедрения магнитной обработки воды в различных технологических процессах является отсутствие универсального надежного метода индикации воздействия магнитного поля на воду. Эффективность магнитной обработки воды зависит от многих факторов( рис.9), и эту зависимость можно представить в виде функции ряда переменных:

П = Г ( С, Т, Р, V, Н, Г, и А и др.) ,

(7)

где : С- концентрация растворенных в воде веществ; Т- температура воды; Р- давление; V- скорость воды в магнитном поле; Н- напряженность магнитного поля; Г- градиент магнитного поля; I- продолжительность обработки воды магнитным полем; А- конструктивные особенности магнитных аппаратов

М0М>А

1.04 100

0.52 0.881-

1 л- .7

1 V Г 1

0 20 Ей 80

Рис.8. Остаточная концентрация углекислого газа после дегазации воды.

Определение оптимальных параметров обработки воды магнитным полем расчетным путем не представляется возможным, поэтому на практике чаще целесообразно учитывать основные параметры: градиент, величину магнитного поля и скорость воды для каждого типа магнитного аппарата. Индикация воздействия магнитного поля на воду составляет неотъемлемую часть процесса магнитной обработки воды, так как позволяет не только подбирать оптимальный режим работы магнитных аппаратов, но и осуществлять текущий контроль с необходимой корректировкой в процессе работы.

Применяемые на практике способы индикации могут быть разделены на две группы: способы, основанные на косвенных показателях, и способы непосредственной оценки характеристик тех технологических процессов, которые требуется улучшить. Это методы: оптический, кристаллооптический, электропроводности, коагуляционный, по изменению щелочности воды, по оценке изменения объема водно-спиртовой смеси, радиоэлектронные. Все вышеперечисленные методы, в основном, имеют свои недостатки: сложность и трудоемкость в проведении, потребность специального оборудования и необходимость продолжительного времени для получения результатов.

На основании длительных экспериментов и практического внедрения магнитной обработки воды нами разработан экспресс-метод по определению

Эффективность магнитной обработка воды

Неучтенные факторы

Факторы связанные с применяемыми магнитными устройствами

Источники магнитного поля

Факторы связанные со свойствами и параметрами водной системы

Факторы связанные с параметрами технологических процессов и _оборудования

Характеристи ки

магнитного поля

Термодинамические характеристики магнитного поля

Концентрация растворенных газов

Химичес-

-кая технология

Рис.9. Факторы, влияющие на эсЬсЬективностг, ппимйнрния тгнмтнпй пКппКл-™-., „/лч. т

оптимальных параметров магнитной обработки воды и настройке магнитных аппаратов. Экспресс-метод вакуумной дегазации основан на изменении скорости дегазации воды при многократном вакуумировании, из условия, что при прохождении водной системы через магнитное поле происходит инициация образования новых микропузырьков газа и укрупнение существующих. Предложенный экспресс - метод позволяет сравнительно быстро произвести выбор оптимальных параметров магнитной обработки воды и периодически контролировать ее эффективность. Кроме того, он не требует сложного оборудования, прост в эксплуатации.

Раскрытием сущности воздействия магнитного поля на воду и водные растворы занимались многие исследователи . Ими было выдвинуто множество гипотез, которые условно можно разделить на три группы: гипотезы, предполагающие влияния магнитных полей только на структуру воды; гипотезы, объясняющие механизм влияние магнитного поля на ионы, находящиеся в воде; гипотезы, в основе которых лежит действие магнитных полей на коллоидные частицы, обладающие довольно большой магнитной восприимчивостью (пара-и ферромагнитные).

Изменения, происходящие в воде при магнитной обработке, и, как следствие, те многочисленные эффекты, наблюдаемые при использовании омаг-ничешюй воды в различных процессах, свидетельствуют о сложности и неоднозначности происходящих явлений. По-видимому, объяснение механизма воздействия магнитного поля на воду будет возможно только после обобщения и уяснения вопроса - что представляет собой вода: ее структура и память. Сегодня является актуальным обобщение имеющихся результатов исследований для выбора тех данных, которые позволяют без знания действительного механизма воздействия магнитного поля на воду успешно применять магнитную обработку воды.

Воздействия слабых физических полей на открытую нестационарную водную систему, содержащую в реальных условиях большое количество примесей, может приводить к существенным изменениям в ее структуре, перераспределению форм нахождения присутствующих веществ, их активности. Происходящие изменения могут первоначально даже не фиксироваться современными физико-химическими методами и проявляться уже непосредственно в технологических процессах. Сегодня не может быть единой теории, с высокой достоверностью объясняющей механизм воздействия магнитного поля на воду. Любая теория и гипотеза основывается на тех или иных фактах, определяющих в каждом конкретном случае возможность фиксации этого влияния.

Магнитное поле влияет на все составляющие водной системы: саму воду или ее структуру, ионы растворенных веществ, включения (коллоидные частицы, микропузырьки газа и т.д.). Изучая воздействие магнитного поля на воду мы используем современные средства исследований, фиксируя при этом уже результат этого воздействия. Очень сложно, а порой и невозможно оце-

нить , что является первопричиной , а что следствием. Так, изменение структуры самой воды приводит к изменению гидратации и растворимости солей . В то же время, присутствие растворенных газов может значительно повлиять на структуру воды и изменить её , другими словами, между структурой - ионами -включениями существует прямая и обратная связь. В каждом конкретном случае необходимо отдельно рассматривать, что является определяющим в том или ином процессе. При таких малых мощностях магнитного поля заметное воздействие возможно только на неустойчивое неравновесное состояние водной системы, вызванное, например: пересыщением растворенными веществами, метастабильным состоянием молекул воды после или перед фазовыми переходами, резким изменением внешних параметров ( температуры, давления и др.), присутствием ферромагнитных частиц и т.д. В каждом конкретном случае определяющий фактор в механизме воздействия будет свой. По нашему мнению, чаще всего определяющим фактором воздействия магнитного поля на воду является присутствие в ней поверхности раздела фаз жидкость -газ -твердое тело. Именно присутствие ее позволяет сразу же зафиксировать влияние магнитного поля на водную систему независимо от того , что же на самом деле было первопричиной.

В этой связи большое значение имеют силы Лоренца, возникающие при движении заряженных частиц в магнитном поле, которые определяются уравнением:

где К - коэффициент пропорциональности; g - заряд иона; и - скорость перемещения иона; а - угол между направлением поля и движением иона; Н -напряженность магнитного поля. Силы Лоренца возрастают с увеличением заряда иона, скорости потока и напряженности магнитного поля. Положительно и отрицательно заряженные ионы под действием сил Лоренца отклоняются в разные стороны. Под действием силы Лоренца ион приобретает круговое или винтовое движение с радиусом

где т - масса иона; В - магнитная индукция.

Радиус вращательного движения ионов зависят от массы ионов , величины заряда и скорости движения водного раствора. Хотя действие сил Лоренца и невелико, изменение характера движения ионов может приводить к флуктуациям концентрации ионов, изменению гидратации и изменению структуры самой воды. На примеси в виде заряженных твердых частиц, которые практически всегда присутствуют в водах, а также микроскопические пузырьки газов, как правило несущих на своей поверхности электрический заряд,

Р = К§и&таН ,

(8)

Я= т и / я В ,

(9)

также действует сила Лоренца, которая вызывает изменение их первоначального движения. В результате возникает сложное вихреобразное движение. Такие вихри могут образовываться в реальных водных системах, содержащих микропузырьки газа и частички взвешенных веществ. Как правило, в магнитных аппаратах вода неоднократно пересекает магнитные поля противоположного направления. Поэтому направление вращения вихря должно измениться на противоположное, что приводит к возникновению гидродинамических колебаний различной частоты , пульсации плотности и, как следствие, флуктуации растворенных газов. При незначительных перепадах давления образуются предзародышевые местные скопления молекул газа, значительно изменяющие структуру воды. Присутствие же в воде поверхностно-активных веществ может стабилизировать образующиеся микропузырьки. Кроме этого, такие пульсации плотности могут временно уменьшить или разрушить гидрат-ные оболочки микрочастиц и микропузырьков газа, что приведет к их укрупнению , т.е. к коагуляции твердых частиц и коалесценции пузырьков газа.

Временное появление в воде новой поверхности раздела фаз газ-жидкость может явиться как бы спусковым крючком, и значительно повлиять не только на кинетику, но и на ход развития таких технологически важных процессов, как кавитация, кристаллизация из растворов, кипение, замерзание и теплопроводность воды.

В пятой главе приведены данные лабораторных и промышленных исследований по повышению эффективности применения магнитной обработки воды в различных технологических процессах с целью рационального использования энергосырьевых ресурсов: топлива, строительных материалов и воды при мелиоративных работах. Представлена модель представления знаний для выбора области эффективного применения магнитной обработки воды.

При обработке воды магнитным полем создаются условия для более быстрого образования кристаллов в потоке воды. Возникающие кристаллические зародыши служат центрами кристаллизации, на поверхности которых сорбируются ионы солей накипеобразователей, укрупняются и выпадают в виде шлама и удаляются из системы. Эффективность воздействия магнитного поля на воду должна в первую очередь определяться интенсификацией образования и стабилизацией центров кристаллизации солей жесткости. Сложность определения или фиксации данного воздействия - в разрешающей способности использующихся методов. Целесообразно использование косвенных методов фиксации, реализуемый в точных исследованиях, проводимых на атомарном уровне при регистрации частиц в камере Вильсона, когда фиксируется результат, усиленный в миллионы раз естественным процессом конденсации. Анализ литературных данных и проведенные исследования подтверждают, что присутствие микроскопических газовых включений может быть проявлено только в различных процессах, таких как: кипение, кавитация, дегазация и ряде других. Предложенный и проверенный нами метод вакуумной дегазации, за-

ключающийся в создании мгновенного вакуума в водной системе, позволяет выявить сразу же все возникающие дефекты в жидкости в виде газовых микроскопических включений как в объеме, так и на поверхности раздела фаз.

Промышленный эксперименты по проверке предложенного метода индикации воздействия магнитного поля на воду с целью интенсификации процесса деаэрации и исключения накипеообразования нами были проведены на котельных, судоремонтного завода поселка Преображение Приморского края. Котельная была оборудована паровыми котлами ДКВР 6,5/13, работающими на жидком топливе, и атмосферным барботажным деаэратором ДСА-25. Питание котлов осуществлялось водой, имеющей жесткость 0,40 - 0,55 мг-экв/л. Деаэратор был переведен на режим, не обеспечивающий качество деаэрируемой воды: температура в нем поддерживалась в пределах 65-70°С, в воде после деаэратора присутствовал растворенный С02 с концентрацией 6,0 мг/л и кислород - 0,75 мг/л, № - катионитовые фильтры при этом были отключены.

Оптимальные параметры магнитной обработки воды были определены по предложенному экспресс-методу индикации с использованием установки вакуумной дегазации. Так, при Н=20х103А/м концентрация растворенного углекислого газа в деаэрируемой воде уменьшилась с 6 мг/л до 3 мг/л, а величина рН при этом возросла с 6,6 до 6,9, что свидетельствует об интенсификации процесса дегазации в результате воздействия магнитного поля на воду.

В котлах же под воздействием магнитного поля наблюдалось изменение показателей качества котловой воды: уменьшилась концентрация бикарбонат-ионов с 0,4 до 0,3 мг-экв/л, возросло значение величины рН. Смещение карбонатного равновесия вызывало интенсивное шламообразование и прекращение процесса накипеобразования, что также наблюдали Е.Ф.Тебенихин , Стукалов П.С., Заславский Ю.А. Вскрытие котла показало, что накипь на поверхностях отсутствовала.

С целью изыскания возможности повышения надежности и экономичности работы теплового оборудования, работающего на морской воде, нами был произведены промышленные исследования работы адиабатических опреснителей У/У (польской постройки) производительностью 100 т/сут , установленных на основных плавбазах ПО "Приморрыбпром", который показали перерасход греющего пара, вызванный значительным накипеообразованием на теплопередающих поверхностях, что требовало производить через 170-240 часов работы промывку элементов установки 5% раствором НС1. Установка магнитного аппарата на трубопроводе после термостатического смесительного клапана, где исходная морская вода смешивалась с частью теплого рассола , позволила исключить процесс накипеобразования. Так, при работе без магнитных аппаратов в результате образования накипи за 240 часов работы испарителя коэффициент теплопередачи в подогревателе уменьшился с 1040 до 660 Вт/м2 , а в конденсаторе эжекторов - с 2330 до 1720 Вт/м2 . После включения магнитного аппарата с напряженностью 22x103 А/м, выбранной по предложен-

ному методу индикации, коэффициент теплопередачи возрос и стал равным в подогревателе 987 Вт/м2, а в конденсаторе - 2210 Вт/м2. Это свидетельствует о том, что в течение первых часов работы опреснителя при воздействии магнитного поля на питательную воду не только прекратился процесс накипеобразо-вания, но и значительно очистились поверхности нагрева. При вскрытии опреснителя после 696 часов работы оказалось, что на теплопередающих поверхностях подогревателя и конденсатора накипь отсутствовала. Теплотехнические испытания, проведенные на опреснительной установке, показали, что при работе опреснителя в условиях безнакипного режима уже через 200 часов удельный расход топлива снизился на 24 г/кг , т.е. более чем на 34% по сравнению с работой без магнитной обработки воды. Таким образом, промышленные испытания, проведенные на теплотехническом оборудовании, подтвердили работоспособность предложенного метода определения оптимальных параметров магнитной обработки, при которых исключается процесс накипеобразования и обеспечивается значительная экономия топлива.

Как уже отмечалось, вода является активным участником большинства технологических процессов, в том числе при изготовлении различных искусственных камневидных материалов. Изменения физико-химических свойств воды после магнитной обработки в большинстве случаев наблюдаются з гетерогенных условиях на границе раздела твердой, жидкой и газообразной фаз. Магнитное поле значительно влияет на растворение, смачивание, кипение, адсорбцию, коагуляцию и другие активные свойства воды, что в конечном счете сказывается на химических реакциях в очень многих технологических процессах. Эти явления полностью относятся к реакциям гидратации и гидролиза вяжущих веществ, влияют на скорость кристаллизации. Именно кинетика кристаллизации цементов с омагниченной водой обуславливает свойства строительных растворов и бетонов.

Применение магнитной обработки воды в технологии приготовления бетона приводит к увеличению прочности, плотности, морозостойкости, снижению пористости, повышению удобоукладываемости бетонной смеси, но эффект магнитной обработки воды не стабилен. Поэтому необходимы дополнительные мероприятия по стабилизации эффекта влияния магнитного поля для улучшения этих свойств.

С целью исследования данного вопроса были изучены многочисленные варианты применения магнитной обработки воды в растворах и бетонах на различных цементах. Для исследования использовалась вода из водопроводной сети г. Владивостока, Спасский и Теплоозерский портландцемент марки 400. Магнитная обработка воды производилась при различной напряженности с оценкой воздействия ее на срок твердения цементного теста (цемент + вода) , прочности при сжатии в возрасте 3, 7 и 28 дней при нормальных условиях твердения.

Изучение влияния магнитной обработки воды на свойства цементных растворов проводилось по стандартной методике испытания. При оптимальных параметрах магнитной обработки воды, Н=ЗОхЮ3А/м и У=0,7м/с, превышение прочности против контрольных образцов на неомагниченной воде составляло 15-17%. В то же время эти опыты выявили нестабильность получаемых результатов по прочности бетона после омагничивания воды даже при введении непосредственно в бетонную смесь добавок - пластификаторов. Иногда же наблюдалось даже снижение прочности, что видно из данных табл. 1. Предполагая, что магнитная обработка воды вызывает перераспределение формы нахождения растворенного газа, появление свободного газа в виде микропузырьков, нами был предложен метод стабилизиции данного эффекта, основанный на введении в воду до магнитной обработки поверхностно-активных веществ. В качестве добавок - стабилизаторов эффекта - использовались отходы и побочные продукты целлюлозно-бумажных предприятий : зеленый щелок (ЗЩ) и сульфатно-дрожжевая бражка (СДБ).

Таблица

Результаты исследований. (Н=ЗОхЮ3 А/м, У=0.7 м/с. П-цемент марки 500.)

Вид обработки воды Вид и кол-во Расход це- Предел прочности бетона

для приготовления добавки, % от мента при сжатии в 28 дней

бетонной смеси массы цемента кг/м3 бетона МПа % к контрольным образцам

Вода неомагниченная СДБ-0.15 400 32.2 100

Вода омагниченная - 400 32.2 97

Вода омагниченная с СДБ-0.15 400 37.7 117

добавкой

Вода омагниченная с ЗЩ-1.15 400 41.6 127

добавкой

Вода неомагниченная СДБ - 0.25 500 41.1 100

Вода омагниченная - 500 46.2 111

Вода омагниченная с СДБ - 0.25 500 51.3 124

добавкой

Вода омагниченная с ЗЩ -1.25 500 53.1 129

добавкой

Введение в воду до ее магнитной обработки добавок СДБ и ЗЩ приводит к повышению прочности бетона на 17-29%( Табл.). Значительное повышение прочности и улучшение других свойств бетона, приготовленного на омаг-ниченной воде с добавками-стабилизаторами объясняется изменением структуры бетона. Исследование структуры цементного камня бетона (цемент + песок + вода) проводилось на образцах, отобранных из затвердевшего бетона в

межзерновом пространстве щебня. Исследования показа™, что цементный камень на омагниченной воде имеет меньшую общую пористость. В то же время несколько увеличивается объем микро-переходных пор (эффективный радиус пор до 1000 А), чем частично и объясняется увеличение прочности и водонепроницаемости. Введение пластифицирующей добавки СДБ в количестве 0,2% от массы цемента приводит к еще большему увеличению микро-переходной пористости, непроницаемой для фильтрующей воды. Под микроскопом было замечено, что при естественно влажном твердении цементный камень бетона на омагниченной воде имеет мелкую субкристаллизацию. Электронный микроскоп показал, что на омагниченной воде цементный камень имеет более полную и мелкую кристаллизацию.

Опыт внедрения магнитной обработки воды на заводах железобетонных изделий г.г. Находка, Воркута, Шахты, Орджоникидзе и др. показал, что при оптимальных параметрах магнитной обработки воды можно достичь экономии цемента как минимум на 50 кг/м3, что составляет от 10 до 15% для средних марок бетона. Экономия цемента происходит за счет значительного превышения проектной марки при применении магнитной обработки воды с добазка-ми-стабилизаторами эффекта.

Проблема использования вод различной степени минерализации, включая морские, для орошения сельскохозяйственных культур и промывок засоленных почв, а также проблема экономии пресной воды возникли в связи со всевозрастающим дефицитом водных ресурсов почти во всех регионах мира. Особенно они актуальны для районов, где, в основном, сосредоточены засоленные и солонцовые почвы. Все это требует поиска и внедрения новых физических методов, которые в совокупности с использованием химических мелиорантов позволили бы добиться сокращения расхода воды и исключения экологической опасности загрязнения водных бассейнов.

Анализ положительного опыта применения магнитного поля для обработки вод различной минерализации для орошения сельскохозяйственных растений и рассоления почв показывает перспективность данного метода. Подтверждением данного заключения может служить ранее приведенные данные в главе 4 о ряде необратимых гидрофизических и гидрохимических явлений, происходящих в воде после прохождения магнитного поля. Одним из них, как отмечалось ранее, является снятие пересыщения природных вод по СаСОз и образование центров кристаллизации в воде. Снятие пересыщения природных вод по СаСОз вызывает сдвиг углекислотного равновесия, что приводит к увеличению концентрации молекулярно-растворенного СОг, и может являться главной причиной улучшения свойств промывных и поливочных вод вследствие повышения выщелачивающей способности.

Сложность повсеместного внедрения магнитной обработки воды связано с определением эффективности обработки. Нами совместно с сотрудниками Агрофизического и других институтов и учреждений разработаны временные

методические рекомендации по изучению действия и использованию магнитных аппаратов при промывке и орошении засоленных почв. В основе физико-химических изменений природных вод, обуславливающих интенсификацию промывок засоленных почв, могут лежать происходящие явления на границах раздела фаз твердое тело - жидкость, газ - жидкость, возникающие при магнитной обработке природных вод. Увеличение концентрации свободного газа в воде и нарушение поверхностно- активных пленок, стабилизирующих микропузырьки газа, могут приводить к последующей дегазации природных вод при попадании их на открытое пространство. Микротурбулизация потока способствует переходу газа, растворенного в воде, из молекулярно - растворенного состояния в свободную фазу при отсутствии контакта с воздухом. При магнитной обработке для получения стабильного эффекта необходимо учитывать как реальный состав природной воды, так и внешние условия. В воде, лишенной микропримесей ( в виде микрочастиц и микропузырьков), не пересыщенной по отдельным солям, магнитная обработка воды может быть неэффективной.

Как показало использование магнитной обработки воды в различных отраслях жизнедеятельности, данное направление можно считать одним из наиболее перспективных, т.к. при определенных условиях удается добиться значительного снижения расхода природных ресурсов и существенно уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую среду при сравнительно незначительных энергозатратах. В данном случае можно сказать, что рассматривается новый подход к освоению и использованию природных ресурсов для удовлетворения все возрастающих потребностей с учетом того , что ресурсы вполне ограничены, и только при условии внедрения новых технологий возможно дальнейшее устойчивое развитие общества. В настоящее время продвинутые технологии используются в вычислительной технике, кибернетике, генетике, космической технике и ряде других. Основные технические подходы при решении задач, связанных с непосредственным производством жизненно важных продуктов, остаются еще на уровне начала века или , в крайнем случае, середины сороковых - пятидесятых годов. За последние десятилетия произошли значительные изменения не в продвижении новейших технологий , а в интенсификации и использовании уже имеющих разработок в области техники. Необходимо, чтобы больший удельный вес занимали технологии, в которых преобладает использование естественных природных процессов. Примером может служить использование различного рода излучений, и, в частности, рассмотренное выше влияние магнитных полей на водные системы.

В настоящее время практически нет отрасли производства, где бы не существовала потенциальная возможность применения магнитного поля для изменения течения тех или других процессов. Согласно принципу Ле-Шателье любое изменение, вносимое магнитным полем в установившуюся водную сис-

тему, должно вызывать вполне объяснимую ответную реакцию, направленную на нейтрализацию этих воздействий , что мы имеем на практике. В каждом конкретном случае необходимо выбрать область возможного эффективного применения магнитной обработки воды.

Эффективное применение магнитной обработки воды является неформализованной задачей, решение таких задач в различных областях жизнедеятельности обладает рядом особенностей, но всех объединяет то, что постановка таких задач не может быть формально определена в числовом виде, а определяется лишь в смысловом представлении на естественном языке. Для неформализованной задачи характерны неоднозначность, неполнота, ошибочность, неопределенность или противоречивость как исходной информации (данных и знаний), так и используемых правил ее преобразования.

Поиск решения неформализованной задачи производится путем совокупности знаковых рассуждений, базирующихся на здравом смысле или логическом выводе. Особенности неформализованных задач определяются формой представления знаний и методами поиска решений. Для генерации интегральными системами семантических решений неформализованных задач в области магнитной обработки воды необходимо переработать различные декларативные и процедурные знания из различных областей химии, физики, термодинамики, теоретических основ водоподготовки и различных технологических процессов.

К процедурным знаниям в области магнитной обработки воды можно отнести: закон действия масс; принцип Ле-Шателье; закон равновесия составов фаз гетерогенных систем; алгоритмы расчета равновесия в растворах, расчета массы и объемов в технологических процессах и др. При решении неформализованных задач можно использовать модели представления знаний: ло гические, логико-лингвистические, структурно-лингвистические и процедурные .

Для генерирования и обоснования рационального смыслового решения по данной неформализованный задачи на основе использования специальных знаний и правил проведения рассуждений можно использовать экспертные системы. Эти системы позволят эффективно применять ЭВМ в области магнитной обработки воды, где знания представлены в виде описательной формы, и где затруднительно использовать математический аппарат. Принципиальной особенностью экспертных систем является создание предпосылки для интенсификации использования такого важного интеллектуального ресурса, как накопленные в различных отраслях знания.

Одним из важнейших современных направлений по повышению эффективности работы технологического оборудования и экономии водных ресурсов является повышение эффективности применения магнитной обработки воды. Для решения этой экономической и экологической проблемы необходимо выбрать область применения , осуществить разработку и ввод в эксплуатацию

Рис. 10. Семантический граф отображения фрагмента базы данных для выбора области применения магнитной обработки

воды из следующих областей жизнедеятельности: 1. Теплоэнергетика; 2. Химическая промышленность; 3. Строительство и промышленность стройматериалов; 4. Медицина и ветеринария; 5. Сельское хозяйство; 6. Добыча полезных ископаемых. Солесодержание С, мг/л ; Cj 100 ; С: 500 ; С3 1000 ;С4 50000. Температура Т ,С° Т,= 0-20; Т2= 20 - 100 ; Т3= 100 - 150; Т4= 150-500

магнитных аппаратов с целью интенсификации ресурсосберегающих техноло-ических процессов.

Зля генерации семантического решения данной неформализованной задачи три разработке методического и программного обеспечения гибридных экс-1ертных систем в первую очередь возникает задача создания модели представ-1ения знаний. Для представления знаний , необходимых при поиске оптимальных решений исходных задач эффективного применения магнитной обра-ютки воды, целесообразно использовать топологические модели представле-шя знаний в виде фреймов и семантических графов или же продукционно-фреймовую комбинированную модель.

На рисунке 11 представлен один из семантических графов отображения фрагмента базы данных для генерации семантического решения неформализо-¡анной задачи выбора области эффективного применения магнитной обработки воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно-обоснованные технические и техноло-ическне решения по повышению эффективности применения магнитной об-¡аботки воды с целью рационального использования природных ресурсов. Со-юкупность проведенных исследований, обобщение статистического опыта и юложительных результатов по интенсификации многих технологических провесов путем использования магнитной обработки воды позволили получить ювые научные результаты и сформулировать следующие основные выводы и юкомендации:

1. Показано, что основным препятствием эффективному применению 1агнитной обработки воды в различных технологических процессах с целью )ационального использования природных ресурсов являются: нестабильность юлучаемых результатов, отсутствие надежного универсального метода кон-роля и неисследованность механизма воздействия магнитного поля на воду.

2.Выполненный анализ физико-химических, теоретических и промышлен-1ых исследований по магнитной обработке воды позволил заключить, что ме-:анизм воздействия слабых магнитных и электромагнитных полей на воду не )бъясним на основе современных представлений о воде и водных растворах. 1редставление природной воды как открытой нестационарной системы, со-(ержащей различные соединения и включения, позволяет исключить многие фотиворечия. Значительную роль в этой системе отводится примесям, в том теле дисперсному и растворенному газу, и особенно углекислому газу, опре-(еляющему многие процессы в водных системах.

3.На основе экспериментальных исследований кинетики процесса раство->ения углекислого газа в воде установлена возможность образования и постойного присутствия «свободного» газа в виде микропузырьков. Оценено влия-

ние форм нахождения растворенного газа на процесс дегазации водных си< тем. Исследовано влияние солесодержания , поверхностно-активных веществ магнитного поля на степень пересыщения газами водных систем и процес деаэрации.

4.Разработана экспериментальная установка и методика определения кс эффициента диффузии в водных системах посредством измерения объема рас творенного газа. На основании принятой схемы диффузии получена расчетна формула для определения коэффициента диффузии методом , не требующи знания исходной концентрации растворенного газа. Определены коэффицие! ты диффузии углекислого газа в водных системах (морская вода , пресная вс да) в диапазоне 18-40°С, получена аналитическая зависимость коэффициент диффузии углекислого газа в морской воде от температуры.

5.Установлено, что при воздействии магнитного поля на водную систем происходит перераспределение концентрации свободного и молекулярнс растворённого газа , изменяется коэффициент диффузии растворенного газа что может быть связано как с изменением гидратации, так и со структурным изменениями воды. Получены аналитические зависимости изменения раствс римости , диффузии и дегазации от параметров магнитной обработки воды.

6.Разработан экспресс - метод контроля эффективности магнитной обр; ботки водных систем, используемых в теплоэнергетике, производстве строг тельных материалов и при рассолении почв, основанный на вакуумной дегазг ции .

7.Разработаны рекомендации по определению и контролю оптимальны параметров магнитной обработки водных систем, позволяющих добиться р; ционального использования природных ресурсов путем совершенствовани протекания технологических процессов.

8.Исследованы зависимости влияния магнитного поля на прочность ц£ мента и бетонных растворов, выявлен эффект стабилизации воздействия мш нитного поля путем введения поверхностно-активных веществ в воду, испол! зуемую для приготовления бетона и бетонной смеси.

9.Разработаны рекомендации по применению магнитной обработки вода в теплоэнергетике - для снижения процессов накипеообразования , в строг тельстве - для повышения прочности и долговечности бетонов , в сельском хс зяйстве - для повышения эффективности рассоления почв.

10. На основании проведенных исследований показано, что повышени эффективности применения магнитной обработки воды является неформал* зованной задачей, для генерирования и обоснования рационального смысловс го решения которой могут быть использованы экспертные системы при услс вии создания модели представления знаний в виде фреймов и семантически графов.

11 .Предложенные рекомендации были успешно использованы при повь шении эффективности применения магнитной обработки воды с целью рацис

нального использования природных ресурсов на ряде предприятий страны (Воркута, Шахты, Якутск, Владивосток, Орджоникидзе и др.) с большим экономическим эффектом : в строительстве - снижение расхода цемента в среднем на 10-12% без снижения прочности и качества изделий; в теплоэнергетике -снижение расхода топлива на 5-10% за счет прекращения процесса накипеооб-разования; в сельском хозяйстве - повышение эффективности рассоления почв за счет снижения расхода промывочной воды на 10-15% .

Основные публикации, в которых изложено содержание диссертации:

1.Гульков А.Н., Заславский Ю.А., Ступаченко П.П. Применение магнитной обработки воды на предприятиях Дальнего Востока. - Владивосток: Изд-во ДВГУ,1990.-136 с.

2. Гульков А.Н., Заславский Ю.А., Карпов Н.В. О растворимости углекислого газа в воде. // Неорганические ресурсы моря. Владивосток: Изд-во ДВО АН СССР,1978. С. 108-109.

З.Заславский Ю.А., Гульков А.Н. Некоторые результаты исследований влияния магнитного на карбонатно-кальцевое равновесие природных вод. // Использование неорганических ресурсов океанической воды. Владивосток: Изд-во ДВО АН СССР, 1975. С. 32-38.

4.Гульков А.Н., Заславский Ю.А. и др. Диффузия углекислого газа в морской воде. //Неорганические ресурсы моря". Владивосток: Изд-во ДВО АН СССР, 1978, С. 110-111 .

5.Гульков А.Н , Заславский Ю.А. Безреагентная обработка воды- один из путей защиты окружающей среды.// Сб. "Продуктивность экосистем, охрана водных ресурсов и атмосферы." Красноярск, 1975, С. 116-117.

6.Гульков А.Н., Заславский Ю.А. и др. Определение влияния магнитного поля на концентрацию свободного газа. // Научно-технический бюллетень № 41 "Неионизирующие излучения." Выпуск 3. Ленинград: Изд-во АФИ ВАСХ-НИЛ, 1980, С.47-50.

7.Гульков А.Н. Исследование влияния магнитного поля на процесс дегазации природных вод.// Сб. " Наука и технический прогресс в рыбной промышленности" . Владивосток, 1979. С. 175-176.

8.Гульков А.Н ,Карпов Н.В., Заславский Ю.А. Исследование влияния магнитного поля на растворимость и диффузию газов в воде. // Сб. "Комплексные проблемы охраны и использования океанических вод", Владивосток, 1976. С.113-116

8.3аславский Ю.А., Гульков А.Н., Карпов Н.В.О растворимости углекислого газа в воде. // Там же. С.90-93.

9.Заславский Ю.А., Гульков А.Н. и др. Способ контроля эффективности магнитной обработки питательной воды для паровых котлов. // Инф. листок ДВ ЦНТИ № 249-250,-Владивосток, 1972.-8с.

Ю.Заславский Ю.А., Гульков А.Н., Карпов Н.В. О влиянии магнитного поля на растворимость углекислого газа в воде. // Тезисы докладов XXI11 научно-технической конференции ДВПИ. Владивосток, 1975 С. 67.

П.Заславский Ю.А., Гульков А.Н. ,Землянко В.В. Влияние магнитного поля на диффузию газов в растворах.// Тезисы докладов XXIУ конференции ДВПИ. Владивосток, 1977.С.99.

12.Гульков А.Н. ,Заславский Ю.А. Диффузия углекислого газа в морской воде.// Там же. С. 98-99.

13.3аславский Ю.А., Гульков А.Н. Результаты исследования и применения магнитной обработки воды для теплоэнергетического оборудования. // Тезисы докладов ХХУ научной конференции ДВПИ. Владивосток, 1978, С.37-39.

14.Гульков А.Н., Заславский Ю.А. и др. Исследование растворимости и диффузии углекислого газа в питательной воде для судового теплоэнергетического оборудования.// Сб. "Технические средства изучения и освоения океана". Ленинград, 1978. С. 28-30.

15.Заславский Ю.А., Гульков А.Н. Применение магнитной обработки для снижения накипеобразования в теплоэнергетическом оборудовании.// Инф. сб. ДВ ЦНТИ № 144-79. Владивосток. - 4с.

16.Временные методические рекомендации по изучению действия и использования магнитных аппаратов при промывке и орошении засоленных почв.(Под ред. Бондаренко Н.Ф.) -Л. :Изд-во Агрофизический институт ВАСХНИЛ, 1980 -45 с.

17.Бондаренко Н.Ф., Гак Е.З., Гульков, Заславский Ю.А. Об изменении гидрофизических характеристик природных вод при МГД активации.// Инженерно-физический журнал , 1980, т. XXXIX, №1., С. 64-69.

18.3аславский Ю.А., Гульков А.Н. Исследование растворимости, диффузии углекислого газа и процесс дегазации в омагниченных растворах. // Тезисы докладов 1У Всесоюзного совещания "Магнитной обработки водных систем",-Москва,1981.-15с.

19.Гульков А.Н. Особенности деаэрации морской воды и возможные пути ее интенсификации. // Сб. "Технические средства изучения и освоения океана". Севастополь, 1981. С. 84.

20.Ступаченко П.П., Гульков А.Н. Применение магнитной обработки воды для бетона с предварительным введением в нее добавок-стабилизаторов эффекта.// Материалы областного научно-практического семинара" Повышение физико-химических свойств бетонов - важный фактор экономии материальных ресурсов в строительстве", Юхно-Сахалинск,1982. С.27-30.

21.Ступаченко П.П. , Гульков А.Н. Повышение прочности и морозостойкости бетона способом магнитной обработки воды с добавками - стабилизаторами". ВНИИЭСМ серия 3, вып.5. Москва, 1986.

22.Гульков А.Н., Шевченко В.Ф., Гулькова С.Г. Особенности контроля за выбросами в атмосферу на судоремонтных заводах Дальнего Востока.// Сб.

"Вопросы обеспечения охраны окружающей среды при эксплуатации судов и рекуперации использования вторичных ресурсов". Николаев, 1986. С.140-141.

23.Гульков А.Н., Заславский Ю.А. Растворимость, диффузия углекислого газа и процесс дегазации в омагниченных растворах.// Материалы республиканской конференции " Применение безреагентных методов противонакипной обработки воды на электрических станциях". - Ровно: Изд-во ЗНЦ АН УССР. 1988, С. 38-40.

24.Гульков А.Н., Кочетков А.Е., Шевченко В.Ф. Пересыщенные газовые растворы.// Сб."Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана ". Владивосток, 1983. С.190-191.

25.Ступаченко П.П., Гульков А.Н. Омагничивание воды затворения бетонной смеси.// Инф. сб. ЦНГИ №2-83.1982. -4 с.

26.Гульков А.Н. Энергия и предсказуемость в биосфере.// Тезисы докладов XXXI11 научно-технической конференции ДВГТУ. Владивосток, 1993.

27.Гульков АН., Пухкал В.А. и др. Влияние вредных выбросов судов в атмосферу на окружающую среду.// Сб. Всесоюзного совещания "Охрана природной среды морей и устьев рек". Владивосток: Изд-во ДВНЦ АН ССР, 1986. С. 70-71.

28.Гульков А.Н. К вопросу о методах индикации биоэнергетических воздействий. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Акупунктура и традиционная медицина". Владивосток, 1992. С.109-110.

29.Ступаченко П.П., Гульков А.Н. Рекомендации по применению омаг-циченной воды для затворения бетонной смеси с добавками-стабилизаторами эффекта повышения прочности и морозостойкости бетона. НТО Строительной индустрии . Владивосток, 1983 .- 13 с.

30. A.c. №674999 СССР С02 С 5/00. Устройство для флотационной очистки нефтесодержащих вод./Богданов В.Ф., Заславский Ю.А., А.Н. Гульков А.Н. и др./ -№2550516. Заявлено 5.12.77.

31. Богданов В.Ф., Гульков А.Н., Тхор O.E. Проблемы охраны воздушного бассейна в Приморском крае.// Материалы 1-ой тихоокеанской конференции "Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов", Владивосток, 1994.С.23-25.

32.Гульков А.Н. Экологические проблемы развития Дальнего Востока России. // Материалы 2-ой Тихоокеанской конференции, "Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов", Владивосток, 1995. С.7.

33.Гульков А.Н. Минаев А.Н., Галанов В.А. Применение безреагентной обработки водных систем в судовых теплоэнергетических установках с целью снижения загрязнения окружающей среды. // Сб. Исследование по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта. НТО им. акад. А.Н. Крылова. Владивосток, 1995 . С.69-73.

34.Гульков А.Н. Влияние физических полей на водные системы. Труды ДВГТУ, выпуск 111 серия 1, Владивосток, 1993. С.90-92.

35.Гульков А.Н. К вопросу о мировоззрении в системе университетско! технического образования. // Материалы всероссийской научно-методическс конференции, " Роль фундаментальных наук в развитии университетского те: нического образования". ДВГТУ, Владивосток, 1996. С.50-51.

36.Гульков А.Н. Особенности деаэрации морской воды и возможные nyi ее интенсификации. // Тезисы докладов всесоюзной конференци "Технические средства изучения и освоения океана".Севастополь,1981.С.84.

37. A.c. № 1608140 СССР С 05 F 11/04 Метантенк./ Гульков А.Н., Маль хина Е.Ф., Гулькова С.Г. (СССР)-№4633412. Заявлено 6.01.89. Малыхина Е.Ф Гулькова С.Г. (СССР)-№4633412. Заявлено 6.01.89.

38.Гульков А.Н. Представление знаний для решения экспертными сист( мами неформализованной задачи эффективного использования воздействи магнитного поля на воду. Сб. Архитектура и строительство. Тезисы докладе ХХХУ11 научно-практической конференции ДВГТУ. Владивосток, 199! С.109-110.

39.а.с.№ 1719625 СССР Е21В 43/295 Способ утилизации тепла при по; земной газификации полезных ископаемых . /Глушков А.И.,Кондырев Б.И Звонарев М.И., Гульков А.Н., Кондырев В.Б. (СССР)-№4714836. Заявлен 04.07.89.

40.А.с.№ 1725592 СССР Е21В 43/295 Способ утилизации тепла при по; земной газификации полезных ископаемых . /Глушков А.И.,Кондырев Б.И Звонарев М.И., Гульков А.Н., Кондырев В.Б. (СССР)-№4714836. Заявлен 04.07.89.

41.Паничев А.М., Короткое В.И., Гульков А.Н. Ресурсосбережение и сс хранение природной среды - важнейшие условия устойчивого развития обще ства.// Материалы международной научно-практической конференци "Сихотэ-Алинь: сохранение и устойчивое развитие уникальной экосистемы' Владивосток, 1997. С. 9-10.

42.Gulkov A.N. Application of electromagnetic processing of water on ship: 3rd international marine engineering conference, China. Shanghai,1996.

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Гульков, Александр Нефедович, Владивосток

Дальневосточный государственный технический университет

На правах рукописи

ГУЛЬКОВ Александр Нефедович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ С ЦЕЛЬЮ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

11.00.11. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты : д. т. н., профессор КОРОТКОВ В.И.

д. т. н., профессор МИНАЕВ А.Н.

Владивосток - 1997

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................6

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВОДЕ И МЕТОДЫ ВОДОПОДГОТОВКИ.................................................16

1.1. Вода, ее структура и основные свойства...........................................16

1.2. Вода как водная система. Водные ресурсы.......................................25

1.3. Анализ требований, предъявляемых к качеству воды, и основные методы водоподготовки..............................................................................31

1.4. Анализ влияния растворенных газов в воде на надежность работы технологического оборудования.............................................................42

1.4. ¡.Влияние растворенных углекислого газа и кислорода на процесс коррозии................................................................................42

1.4.2.Влияние растворенного в воде углекислого газа на процесс накипеобразования..............................................................................50

1.4.3.Методы термической дегазации природных вод с целью повышения надежности работы теплоэнергетического оборудования.......................................................................................58

1.5. Цели и основные задачи исследований.............................................65

ГЛАВА 2 .ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ ГАЗОВ В

ВОДЕ...................................................................................................................70

2.1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований

по растворимости газов в воде...............................................................70

2.2. Анализ методов определения растворимости газов в воде и выбор метода исследования..............................................................................83

2.2. ¡.Манометрические - волюметрические методики.................85

2.2.2 .Масс-спектрометрия...............................................................93

2.2.3.Газовая хроматография..........................................................93

2.2.4.Другие методы..........................................................................95

2.3. Экспериментальные исследования процесса растворения углекислого газа в воде..............................................................................99

2.3.1. Экспериментальная установка, методика проведения опытов...............................................................................................99

2.3.2. Обработка и анализ полученных результатов......................104

2.4. Экспериментальное исследование пересыщение газами водных систем........................................................................................................128

ГЛАВА 3 . ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИИ УГЛЕКИСЛОГО

ГАЗА В ВОДЕ.................................................................................................138

3.1. Теоретические и экспериментальные исследования по диффузии газов в воде...............................................................................................138

3.1.1 .Стационарные методы определения коэффициента

диффузии.........................................................................................144

3.1.2.Нестационарные методы определения коэффициента диффузии..........................................................................................148

3.2. Экспериментальная установка и методика проведения опытов

для исследования диффузии углекислого газа.......................................156

3.3. Обработка и анализ полученных результатов..................................161

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА РАСТВОРИМОСТЬ И ДИФФУЗИЮ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ВОДЕ................................................................................................................184

4.1. Магнитная обработка воды и влияние магнитного поля

на растворимость газов в воде.................................................................184

4.2. Исследование влияния магнитное поля на растворимость

углекислого газа в воде...........................................................................193

4.3. Исследование влияния магнитного поля на диффузию углекислого газа воде...................................................................................................209

4.4. Исследование влияния магнитного поля на процесс дегазации воды.................................................................................................................219

4.5. Разработка метода контроля эффективности воздействия магнитного поля на воду.........................................................................233

4.6. Механизм воздействия магнитного поля на воду...........................240

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ..................................................................................................248

5.1. Предотвращение процессов накипеобразования в теплоэнергетике и снижение расхода топлива.......................................248

5.1. ¡.Промышленные эксперимент по проверке метода

контроля и интенсификации процесса деаэрации воды................256

5. ¡.2.Промышленные исследования на стационарных котлах и

судовых вспомогательных парогенераторах.................................260

5.1.3.Магнитная обработка морской воды.....................................263

5.2.Исследование по стабилизации эффективности магнитной обработки с целью повышения качества бетона и снижения расхода цемента.....................................................................................................268

5.2. ¡.Анализ применения магнитной обработки воды при приготовлении растворов и бетонов.............................................269

5.2.2.Исследование влияния магнитной обработки воды на свойства бетона............................................................................272

5.2.3.Исследование структуры бетона на омагниченной воде....280 5.3.Экономия воды при промывке и орошении засоленных почв.........284

5.4.Неформализованная задача эффективного применения магнитной обработки воды и семантическая модель представления

знаний........................................................................................................291

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................303

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................307

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................329

"В окружающей природе мы нигде не имеем газа , не связанного с водой , водного раствора, не заключаемого газ"

В.И. Вернадский

ВВЕДЕНИЕ

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов невозможны без широкомасштабного внедрения безотходных, малоотходных и ресурсосберегающих технологий, создания разнообразных способов и средств интенсификации и управления технологическими процессами. Большинство современных технологических процессов, а также непосредственно жизнь человека прямо или косвенно связаны с использованием воды - возобновляемого природного ресурса, который с каждым днем становиться все более дефицитен. Эффективность использования природных вод в энергетических и технологических установках во многом определяется качеством водоподготовки.

Опыт эксплуатации энергетического и технологического оборудования показывает, что безаварийная и экономичная его эксплуатация сильно зависит от качества воды. Порой даже незначительное количество растворенных в воде солей или примесей сильно ухудшает условия эксплуатации технологических установок, а иногда и приводит к серьезным авариям. Наличие в воде растворенных солей жесткости вызывает образование накипи на теплопередающих поверхностях теплоэнергетического оборудования. В результате ухудшения теплопередачи снижается производительность тепловых

установок, увеличивается расход топлива. Последнее приводит к значительному увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

Надежная работа технологического оборудования зависит также от наличия в исходной воде растворенных газов, таких, как углекислый газ, кислород, агрессивно действующих на металл. Статистические данные свидетельствуют о том, что больше половины аварий на теплоэнергетических установках возникает из-за неудовлетворительного поддержания водного режима и вызваны коррозионными повреждениями оборудования. Очерченный круг проблем требует расширения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований как в области физико-химических процессов, происходящих в технологических установках, так и в области обработки воды с целью внедрения новых экологически чистых методов водоподготовки. Одной из задач, которую приходится решать, связана с изучением растворимости углекислого газа в природных водах, используемых в теплоэнергетических и технологических установках, так как при определенных условиях углекислый газ вызывает не только коррозию теплоэнергетического оборудования, но и во многом определяет процесс накипеобразования. Изменяя растворимость углекислого газа, можно управлять процессами накипеобразования и коррозии.

Наиболее предпочтительными с позиции охраны окружающей среды являются безреагентные способы водоподготовки, исключающие сброс использованных химреактивов в водоемы, прежде всего те, которые основаны на применении физических полей: ультразвуковая, магнитная и электромагнитная обработка, причем последние, как показывает практика наиболее просты в реализации и требуют малых эксплуатационных затрат.

того, выявлено, что такая вода уменьшает коррозию металла, повышает прочность бетона, повышает урожайность культур и т.д. Несмотря на внедрение магнитной обработки воды с целью предотвращения накипеобразования, реальная эффективность этого способа, границы его применения, методы индикации, факторы, обеспечивающие стабильность и оптимальное воздействие магнитного поля на водную систему, изучены явно недостаточно. Отсутствует также теоретическое представление о механизме происходящих с водой в магнитном поле процессов, что необходимо для проектирования магнитных аппаратов с заданной эффективностью и дало бы возможность осуществления постоянного контроля.

Работы по данному направлению автором проводились в соответствии с Координационными планами и программами Академии наук 1981-1992 г.г. ( "Комплексные проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов Дальнего Востока", раздел 111, п.4 и др.); Координационными планами Министерства высшего образования на 1976-1980 г.г. ( НТП "Мировой океан", тема 6.2.26); Программой "Дальний Восток России" ; Планом фундаментальных и прикладных поисковых исследований, утвержденным Постановлением Госкомиссии Правительства РФ от 24.04.91 г. № 58 (темы " Удвоение - ДАН" и " ЯХТА - ДВО").

Целью работы является повышение эффективности использования природных ресурсов и уменьшение загрязнения среды обитания путем

совершенствования контроля и стабилизации эффекта магнитной обработки воды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Показано, что применение магнитной обработки воды позволяет не только уменьшить загрязнение окружающей среды, но и повысить эффективность использования природных ресурсов при условии обеспечения оптимальных параметров обработки и стабильности получаемых результатов.

2.Установлено, что при воздействии магнитного поля на водную систему происходит перераспределение концентрации свободного и молекулярно-растворенного газа. Впервые произведена количественная оценка влияния

магнитного поля на коэффициент диффузии углекислого газа в природных водах.

3.Разработан экспресс-метод и прибор для контроля влияния магнитного поля на водную систему по изменению скорости ее вакуумной дегазации; выявлены аналитические зависимости влияния магнитного поля на процесс дегазации водных систем, что позволяет добиться рационального использования природных ресурсов путем совершенствования протекания технологических процессов.

4.Экспериментальные исследования кинетики растворения углекислого газа в воде доказали возможность зарождения и постоянного присутствия в воде «свободного» газа в виде микропузырьков. Впервые экспериментально определены и получена расчетная формула значений коэффициентов диффузии углекислого газа в морской воде в диапазоне температур 18-40 °С ;

Основные положения, представляемые к защите.

воде. Получены экспериментальные зависимости изменения растворимости, диффузии углекислого газа в воде и дегазации от параметров магнитной обработки воды.

6.Эффект стабилизации воздействия магнитного поля, основанный на введении поверхностно-активных веществ в воду, используемую для приготовления бетонов и бетонных смесей обеспечивает повышение качества изделий и экономию цемента.

Практическая значимость результатов

¡.Выявленные зависимости влияния магнитных полей на процессы растворения, диффузии, дегазации водных растворов и произведенная их количественная оценка позволяют прогнозировать эффективность влияния магнитного поля на водную систему.

4.Разработанная методика определения оптимальных параметров магнитной обработки воды позволяет прогнозировать повышение эффективности применения магнитной обработки в различных

технол

Информация о работе

Гульков, Александр Нефедович
доктора технических наук
Владивосток, 1997
ВАК 11.00.11

Диссертация

Повышение эффективности магнитной обработки воды с целью рационального использования природных ресурсов - тема диссертации по географии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы