Повышение энергетической эффективности ультрафиолетового обеззараживания жидких сред в сельскохозяйственном производстве на основе применения энергосберегающей технологической схемы облучения

Сельское хозяйство тесно связано с различными жидкими средами:

— средами, использующимися при выращивании животных и растений (например, питьевая водапитательные растворы гидропонных теплиц);

— средами, идущими на реализацию (например, молоко);

— средами, являющимися побочными продуктами функционирования отраслей АПК (например, сточные водыжидкие фракции навоза);

— средой, являющейся неотъемлемой частью организма животных — кровью. Данные среды в АПК подвергают обработке УФ-излучением, которое позволяет:

— предотвратить перенос болезнетворных (патогенных) микроорганизмов со средой к растениям или в организм животных;

— производить обеззараживание питательных растворов гидропонных теплиц, подавляя в них жизнедеятельность различных микроорганизмов, обеспечивая возможность повторного использования раствора в процессе минеральной подкормки растений;

— предотвратить преждевременное скисание и прогоркание молока, а также снижение его санитарного качества до второго и третьего классов;

— избежать опасности распространения инфекционных заболеваний среди людей и животных, в результате непосредственного контакта побочных жидких сред с/х производства с окружающей средой, которые содержат большие количества патогенных микроорганизмов;

— активизировать деятельность имунной системы животных и вылечить их от бронхопневмонии и ринотрахеита, в результате непосредственного облучения крови животного.

В технологических схемах облучения, применяемых в выпускаемых УФ-установках, источник УФ-излучения располагается либо над поверхностью объема обрабатываемой среды, либо в ее объеме, а распространение УФ-потока в среде перпендикулярно направлению ее перемещения. Для достижения необходимого результата, в процессе обработки жидкой среды УФпотоком, каждой частице облучаемого объема нужно передать количество энергии не менее минимально допустимого значения (дозы облучения), задаваемого технологическими условиями работы УФ-установки. В применяемых технологиях требуемого результата достигают с потерями бактерицидного потока, доходящими до 80%. Данные потери обусловлены тем, что УФ-поток, проходя через обрабатываемый слой среды, поглощается подложкой на которой располагается облучаемая среда. Потери электроэнергии в источниках УФ-излучения составляют 90% (для ртутных ламп высокого давления) и 60% (для ртутных ламп низкого давления), поэтому в процессе облучения среды УФ-потоком используется только 2.8% от потребленной электроэнергии. Доля отраслевого потребления электроэнергии в технологических процессах с использованием оптического излучения, к которым относится процесс обработки жидких сред УФ-потоком, составляет 10. 15%. Потери же энергии в них превышают суммарные потери в электроприводах и при электронагреве, несмотря на то, что эти установки потребляют гораздо больше электроэнергии (примерно по 40%). Переход сельскохозяйственного производства в условия рыночных отношений привел к тому, что доля электроэнергии в себестоимости продукции не просто выросла, а превратилась в значительный, а в ряде случаев, в определяющий показатель экономической эффективности деятельности с/х предприятий. Поэтому, поиск энергосберегающей технологической схемы облучения жидких сред УФ-потоком является весьма актуальной задачей для всех отраслей АПК.

Применение столь неэкономичных технологий облучения, в которых теряется до 80% энергии электромагнитного излучения обусловлено отсутствием метода расчета, позволяющего анализировать и синтезировать энергосберегающие технологии обеззараживания жидких сред. В применяемых методиках расчета УФ-установок не учитывается характер ослабления УФ-потока в обрабатываемом слое среды, как и величина потока доходящего до подложки и поглощаемого ею. От равномерности облучения УФ-потоком обрабатываемого слоя среды толщиной h, зависит качество ее обеззараживания. В применяемых технологиях облучения, чем выше требования к качеству обеззараживания среды, тем тоньше слой жидкости облучаемый УФ-потоком и выше потери бактерицидного потока, вызванные его поглощением подложкой. Возможность провести сравнительный анализ затрат энергии на обеззараживание среды в разрабатываемой установке с теоретически необходимым для получения заданного результата, количеством энергии в методиках расчета отсутствует. В результате этого невозможно оценить энергетическую эффективность работы спроектированной установки, а также обозначить пути развития энергосберегающих технологий облучения.

Определить на практике энергетическую эффективность работы любой энергосберегающей технологии облучения жидких сред невозможно без знания дозы облучения, которую получает объем среды в результате прохождения через УФ-установку. Способа практического определения дозы облучения, получаемой средой в технологии облучения, нет. Определить энергетическую эффективность работы энергосберегающих технологий облучения по сравнению с применяемыми технологиями можно только при рассмотрении обеззараживания в них одной и той же жидкой среды. Такой средой выбран питательный раствор гидропонных теплиц. Объемы, в которых они (растворы) используются, достаточно велики, как и риск распространения с ними по теплице различных патогенных микроорганизмов и водорослей (ухудшающих минеральное питание выращиваемых растений). Необходимые же для сравнения спектральные оптические свойства растворов в бактерицидной области УФ-излучения в технической литературе отсутствуют, поскольку применение УФ-облучения для их обеззараживания — новое направление решения проблемы борьбы с возбудителями инфекционных заболеваний, передаваемых растениям данными растворами.

Целью работы является оптимизация энергетической эффективности УФ-обеззараживания жидких сред на основе использования метода конечных отношений (МКО), позволяющего проводить анализ и синтез энергосберегающих технологических процессов, и энергосберегающей технологической схемы облучения, применительно к питательным растворам гидропонных теплиц.

В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение этой цели, решены следующие задачи:

— разработана меюдика расчета эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях УФ-обеззараживания жидких сред;

— обоснована технологическая схема облучения жидких сред УФ-потоком, оптимизирующая потери электромагнитной энергии в сочетании с высоким качеством обеззараживания среды;

— разработан способ определения энергоемкости процесса обеззараживания среды в технологиях УФ-облучения жидких сред, на основе экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку;

— доказана экономическая эффекгивность применения технологии облучения с коллинеарным (параллельных одной и той же прямой) направлением векторов скорости движения обрабатываемой среды и потока УФ-излучения в ней.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— введен параметр энергоемкости процесса УФ-обеззараживания жидких сред, позволяющий определять эффекгивность работы технологий облучения;

— предложена меюдика оценки эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред;

— разработана методика, которая позволяет синтезировать энергосберегающие технологии УФ-облучения жидких сред;

— предложена технологическая схема рблучения жидких сред УФ-потоком, обеспечивающая теоретически возможный предел Q3 = 1,0 эффективности использования электромагнитной энергии в процессе обеззараживания;

— получены спектральные оптические свойства питательных растворов гидропонных теплиц, в области ультрафиолетового бактерицидного излучения (А. = 205. 315 нм) и их математическое описание;

— разработан практически применимый способ экспериментального определения средней интегральной дозы облучения, получаемой средой в результате прохождения через УФ-установку. Способ позволяет находить энергоемкость работы технологий облучения, обеспечивающих в процессе работы необходимое качество обеззараживания среды.

На основании обобщения полученных экспериментальных и теоретических результатов сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:

— методика определения эффективности использования энергии бактерицидного излучения в технологиях объемного облучения жидких сред;

— метод синтеза энергосберегающих технологических схем объемного облучения различных жидких сред УФ-потоком,.

— энергосберегающая технология облучения жидких сред УФ-потоком, позволяющая эффективно использовать в процессе обеззараживания весь УФ-поток, подводимый к среде, в сочетании с высоким качеством ее обработки;

— характеристики изменения оптической плотности питательных растворов в бактерицидном спектре УФ-излучения, необходимые при создании энергосберегающих технологий для их обеззараживания;

— практический способ определения объемных доз облучения, получаемых жидкими средами в технологиях УФ-облучения.

Основные положения и результаты исследований по теме работы доложены, обсуждены и одобрены на:

— ежегодных научно — теоретических конференциях профессорско — преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (2002 — 2004 г. г.);

— П-й Международной научно-технической конференции «Аграрная энергетика в XXI столетии», г. Минск, 2003 г.;

IV-й Международной научно-технической конференции.

Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ВИЭСХ, г. Москва, 2004 г.

Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных издани.

1. Разработанная методика оценки эффективности работы технологических схем объемного облучения жидких сред, базирующаяся на научно обосно ванном выражении энергоемкости процесса обеззараживания данных сред электромагнитным излучением (Qa), позволяет анализировать энергетиче скую эффективность технологий облучения и синтезировать новые энерго сберегающие технологии.2. Анализ применяемых технологических схем объемного облучения жидких сред УФ-потоком показал, что они не способны избавиться от основного своего недостатка, заключающегося в отсутствии потерь энергии электро магнитного излучения в процессе облучения среды с высоким качеством ее обеззараживания. Данного недостатка лишена предлагаемая технология с коллинеарным направлением векторов скорости движения жидкости v и потока УФ-излучения Фо. При правильном расчете УФ-установки с предла гаемой технологией, когда соблюдается условие a h >5 и время облучения каждого слоя среды УФ-потоком позволяет достичь в нем нормированного значения Q^, величина Qs = 1,0.3. Результаты экспериментальных исследований по определению характера изменения потока УФ-излучения, на длине волны X = 254 нм, в питатель ных растворах с увеличением толщины их слоя, выявили, что данная зави симость Фь = f (h) может быть достоверно описана законом Бугера (исполь зуемым при расчете бактерицидных установок). Определенные величрвды показателей поглощения, а питательных растворов гидропонных теплиц дают возможность расчета УФ-установок предназначенных для обеззара живания данных растворов. Выявленная нестабильность их величины, а ве дет к необходимости использования в тепличных хозяйствах универсаль ных бактерицидных установок (способных обеззараживать жидкости с из меняющимся во времени показателем поглощения, а без потери необходимого качества их обработки), какой и является технология с коллинеарным направлением векторов скорости движения жидкости v и потока УФ излучения Фо.4. Наиболее эффективный диапазон длин волн, с точки зрения сочетания вы сокого бактерицидного эффекта и равномерности распределения плотности потока УФ-излучения в объеме обрабатываемой среды, для обеззаражива ния питательных растворов лежит в интервале 265… 270 нм;

5. Предложенный способ экспериментального определения средней инте гральной и объемной дозы облучения, получаемой средой в технологиче ской схеме, позволяет на практике определять энергоемкость работы тех нологий облучения.6. В технологии с коллинеарным направлением векторов v и Фо минимальные затраты энергии при обеззараживании среды совпадают с теоретически не обходимыми, что позволяет достичь экономии энергии и денежных средств, по сравнению с технологией широко применяемой в выпускаемых УФ-установках закрытого типа, в 30. .65 раз.