Исследование газожидкостных течений и характеристик электрического разряда в процессах очистки промышленных и бытовых сточных вод тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Быков, Александр Андреевич

• Быков, Александр Андреевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Быков, Александр Андреевич

Введение.

1. Основные методы очистки сточных вод.

2. Различные типы газожидкостных течений.

3. Распределение фаз и профиль скоростей при течении в трубе.

4. Распространение ударной волны в пузырьковой жидкости.

5. Методы генерации плазмы.

6. Эмиссия электронов из электролита.

7. Химические процессы при разряде с электролитическим катодом.

8. Поведение газовой фазы в жидкости ¿в электрическом поле.

9. Использование разряда в газожидкостной среде!!!.'.'.

10. Радиационно-химические методы .очистки.'.' .'.

Глава 1. Исследование параметров газожйдкостного"" потока и электрического разряда' ! .- в потоке.

1.1 Исследование характеристик пробойного напряжения от параметров газожидкостного потока.

1.2 Получение микродисперсного газожидкостного' потока.

1.3 Определение среднего размера дисперсной фазы. .!.'.

1.4 Оценка и теоретический расчет диагбнальных членов тензора напряжений и девиатора тензора напряжений в ударной волне.!.

Глава 2. Исследование изменения концентрации . промышленных органических растворов при воздействии электрического разряда.

2.1 Исследование обработки органических водных 'растворов в плазменном реакторе.

2.2 Исследование измененйя концентрации растворенных органических веществ в растворе при плазменной обработке:.:.

Глава 3. Исследование воздействия электрического разряда в газожидкостном потоке на микроорганизмы.

3.1 Исследование воздействия электрического разряда на штаммы микроорганизмов.

Глава 4. Интерпретация экспериментальных результатов и практические рекомендации по использованию электрического разряда в газожидкостных течениях для очистки сточных вод.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование газожидкостных течений и характеристик электрического разряда в процессах очистки промышленных и бытовых сточных вод»

Предлагаемая диссертация посвящена получению и исследованию течений газожидкостных сред при наличии физико - химических превращений и электрического разряда при высоких объемных газосодержаниях (<р>30%) при эффективном размере частиц дисперсной фазы 10-200 мкм. Созданию, оптимизации и испытанию плазменных реакторов (на основе полученных теоретических и экспериментальных исследований фундаментального характера) применительно к процессам очистки промышленных и бытовых сточных вод от органических загрязнителей.

Во введении рассматриваются актуальность работы, цель работы, методы исследований, научная новизна, практическая ценность, обзор литературы, в котором рассматриваются основные методы очистки сточных вод и водоподготовки, современное состояние проблемы по созданию газожидкостных смесей, особенности их течения и исследование разряда в областях с газовой и жидкой фазами, а также влияние данных разрядов на растворенные в жидкости вещества и механизмы данного влияния.

В главе 1 описываются экспериментальные установки, на которых производятся исследования, методика создания газожидкостного течения при высоких газосодержаниях, теоретически и экспериментально исследуется структура ударной волны в таких течениях и процесс уменьшения размера дисперсной фазы, определяется зависимость касательных напряжений по толщине ударной волны, зависимость максимальных касательных напряжений от числа Маха набегающего потока, экспериментально оцениваются касательные напряжения в ударной волне. При измерениях используется разработанный автором химический метод определения эффективного среднего размера дисперсной фазы и по цифровому изображению потока. В данной главе исследуются параметры электрического разряда- в потоке. Также определяются характерные особенности поведения воль - амперной характеристики разряда, зависимость пробойного напряжения, от газосодержания потока и от концентрации электролита (в котором производится разряд).

В Главе 2 исследуется влияние электрического разряда на растворенные в. жидкости органические соединения: Для исследования использовались модельные водные растворы фенола и фенола с ацетоном, а также растворы с производства ряда нефтехимических предприятий Республики Татарстан. Концентрация растворов контролировалась фотокалориметрическим методом и методом химического поглощения кислорода (ХПК). В главе также выводятся основные формулы для определения выполнения стехиометрических соотношений в газожидкостной среде и проводятся основные опыты для определения механизма процесса окисления растворенных в жидкости веществ.

В главе 3 исследуется влияние электрического разряда на микроорганизмы, находящиеся в воде. Для исследований использовались речные водоросли и штаммы двух видов бактерий: Bifidobacterium sp. и Lactobacillus sp. Количество микроорганизмов определялись с помощью цифровых контрастных фотографий образцов жидкости, снятых через микроскоп с увеличением 600 и 1200. Непосредственное определение концентрации микроорганизмов производилось с помощью компьютерной обработки полученных фотографий. Приведены зависимости количества микроорганизмов в жидкости от времени обработки жидкости в плазменном реакторе.

В главе 4 производится анализ экспериментальных и теоретических результатов, а также даются рекомендации по использованию данных результатов на практике. Делается основной вывод о механизме окисления растворенных в воде органических соединений и, исходя из него, основные требования к характеристикам газожидкостного потока для эффективной очистки. Также делаются рекомендации по уменьшению размера дисперсной фазы при использовании ударной волны в газожидкостном сверхзвуковом потоке. *

Актуальность работы:

В настоящий момент в мире идет интенсивная работа по поиску и внедрению в народное хозяйство различных методов, в том числе и плазменных, очистки жидких отходов человеческой деятельности. В частности, особенно остро стоит проблема очистки отходов промышленного производства химической и нефтехимической промышленности^ так как данные отрасли являются одними из самых водоемких. Анализ процессов самоочищения промышленных рек показал, что происходит нейтрализация только 1/3 поступающих загрязнений. Наиболее опасными и стойкими являются отходы промышленного производства, содержащие фенол и его производные, ПДК которых (предельно допустимая концентрация) по санитарным нормам составляет 1 мг/литр. Существующие биологические и химические методы обработки таких отходов либо требуют больших капитальных затрат либо весьма дорогостоящи. Как правило, в состав отходов входит широкий спектр веществ, поэтому при биологической обработке необходим целый набор штаммов микроорганизмов, что не всегда представляется возможным в условиях крупнотоннажного производства.

Крупной проблемой, получившей широкий общественный резонанс в мире вследствие глобальных экологических катастроф в ряде районов морей и океанов, является обеззараживание балластных вод крупнотоннажного морского и речного транспорта. В дальнейшем под термином балластные воды используется следующее определение: БАЛЛАСТНЫЕ ВОДЫ (БВ) -некоторый объем воды, набираемой для увеличения осадки танкера после его разгрузки' в порту назначения' для восстановления мореходных качеств (жидкий балласт). Водяной балласт необходим для безопасной- и эффективной эксплуатации современного судна, но в то же время он может представлять серьезную угрозу экологии, экономике и здоровью. Внесение нежелательных видов в новые экосистемы признано международным сообществом одной из угроз Мировому океану.

На предотвращение, сокращение и ликвидацию такого- переноса вредных водных и патогенных организмов путем установления и осуществления-правил контроля судовых балластных вод и осадков и управления ими нацелена Международная конвенция о контроле судовых балластных вод и осадков и .управлении ими [1].

Самыми эффективными методами очистки или уничтожения* любых отходов, в том числе содержащих микрооганизмы, являются плазменные методы, так как температура плазмы значительно выше температуры диссоциации и ионизации любых молекул, что обеспечивает распад любого устойчивого загрязняющего соединения. Также в газовой плазме образуется большое количество химически активных радикалов и ионов, а также колебательно возбужденных молекул, что сильно ускоряет протекание химических реакций. Кроме того, плазменные методы являются единственными, которые позволяют в промышленных масштабах эффективно уничтожать стойкие к воздействию микроорганизмы: вирусы, споры микроорганизмов, яйцеглист.

При этом плазменные методы являются самыми энергоемкими и дорогостоящими. Они эффективны при воздействии на газовую среду, но их эффективность заметно снижается при обработке жидкости или растворенных в жидкости веществ. Непосредственный пробой в жидкости требует высоковольтную аппаратуру, а при создании плазмы в газе у границы раздела фаз газ-жидкость эффективность влияния-на растворенные в жидкости вещества лимитируется1 скоростью межфазного обмена.

В связи - с этим становится актуальным поиск методов- повышения' эффективности плазменных методов при обработке сточных промышленных и бытовых вод, уменьшения их энергоемкости, доведения состояния очищенной воды по химическим и биологическим показателям, до уровня, позволяющего производить их сброс в водоемы при полном соответствии требованиям действующих санитарных норм.

Для этого в данной работе предлагается использовать электрический-пробой в барботированной воздухом« загрязненной жидкости при высоких значениях газосодержания 30% - 99% и размере дисперсной фазы менее миллиметрам Это позволяет использовать, эффекты уменьшения- напряжения пробоя в таких средах до величин, меньше напряжения пробоя в воздухе, реализовать большой межфазный обмен благодаря высокой удельной площади раздела фаз, а так как разряд горит в этом случае в паровом слое на площади раздела фаз, то это позволяет реализовать, высокую эффективность обработки загрязненной (даже непрозрачной) среды за счет большой поверхности, где имеется плазма. Кроме того, доведение в плазменном реакторе объемного газосодержания до 98% -99% при содержании органических отходов в воде ~ 10-30% и выше позволяет окислять их кислородом воздуха. Плазма используется лишь для поддержки окисления, так как самостоятельно такая смесь не горит. При этом резко, по сравнению с другими плазменными методами и устройствами, снижаются энергозатраты. Более того, при содержании органики -20% и выше такие отходы могут использоваться как низкокалорийное топливо в энергосберегающих технологиях. Поэтому по энергопотреблению эта технология и устройства становятся конкурентоспособными с другими технологиями обработки отходов органического характера.

Известно [2-4], что пузырьковый режим течения в трубах при газосодержаниях выше 30% становится неустойчивым и переходит в поршневой, вследствие чего горение разряда становится тоже неустойчивым и процесс дезактивации происходит нестабильно и срывается. Впервые оборудование, позволяющее реализовать устойчивое течение в пузырьковом режиме при 30% < ср < 99%, было разработано в ИПРИМ'РАН [5]. Конструкция и описание работы этого устройства даны в работе [5]. Кроме того, разряд в таких средах тоже является новым физическим явлением и поэтому мало изученным. Разработка этого оборудования- шла эмпирическим путем, основанным скорее на интуиции разработчиков. Конечно, использовались для оценок простые соотношения, приведенные в [б], однако для точного описания работы таких устройств, их оптимизации необходимо использовать уравнения движения многофазных сред [2,3]. Однако известно [2-4], что эти уравнения являются незамкнутыми по отношению к коэффициентам межфазного взаимодействия, вязкости и теплопроводности. Эти данные получаются из эксперимента. Анализ существующей литературы показал, что при (р > 30% эти данные отсутствуют. Поэтому является актуальными не только разработка и отладка оборудования для обеззараживания сточных вод, но и решение ряда вопросов фундаментального свойства: -исследования структуры ударных волн, используемых в устройствах для дробления пузырьков, зависимости компонент тензора напряжений по» координате по толщине ударной волны;

-исследование электрического разряда, его свойств и его воздействия на обрабатываемые вещества;

Цель работы и исследований: Получение пузырьковых и пористых жидкостей со значительной удельной площадью поверхности раздела фаз с помощью ударной волны для быстрого межфазного обмена. Экспериментальное и теоретическое исследование неравновесных эффектов в газожидкостных ударных волнах и их влияния на дробление частиц дисперсной фазы. Исследование характеристик электрического разряда в пузырьковых и пористых жидкостях, механизма его влияния на растворенные в жидкости органические соединения и микроорганизмы. Создание на основе проведенных исследований высокоэффективных плазменных методов и устройств для очистки сточных вод от загрязняющих органических примесей и микроорганизмов.

Для достижения поставленных целей были решены следующие научно-технические задачи:

1. Исследованы зависимости величины напряжения пробоя при разных концентрациях электролита, барботированного воздухом. Измерены вольтамперные характеристики пробоя в пузырьковых и пористых жидкостях при различных газосодержаниях.

2. Определены зависимости концентрации барботированных воздухом водных органических растворов с ряда предприятий нефтехимической промышленности Республики Татарстан от времени при воздействии на них электрического разряда.

3. Разработана методика определения среднего размера пузырьков в газожидкостном потоке при высоком газосодержании на основе определения скорости поглощения озона из воздуха жидкостью. Определен средний размер пузырьков потока после ударной волны.

4. На основе экспериментальных данных по ширине ударной волны газодисперсной среде, размера пузырьков до и после ударной волны, исследованы эффекты поступательной неравновесности в ударной волне в газодисперсной среде, исследовано влияние эффектов неравновесности в ударной волне на процесс дробления пузырьков.

5. Исследованы характеристики разряда, энергопотребления, характеристики течения, обеззараживающие свойства в реакторах для обработки балластных вод разной производительности.

6. Разработан и испытан реактор для окисления сточных вод при объемном газосодержании -98-99%, что позволило сжигать токсичные органические отходы при стехиометрическом соотношении и резко снизить энергозатраты.

Методы исследований:

Исследование заключается в определении параметров разряда (ток, напряжение), расходных характеристик потока (расходы газа и жидкости), определении концентрации растворов фотоколориметрическими и химическими (химическое поглощение кислорода-ХПК) методами, определения ширины ударной волны в газодисперсной среде с помощью кино и фотокамеры со специальными фильтрами, обработки экспериментальных данных на основе теоретических зависимостей по структуре ударных волн в газодисперсной среде при высоком объемном газосодержании, определение среднего размера микропузырьков в непрозрачной среде химическими методами. Научная новизна работы:

1. Впервые проведены исследования характеристик электрического разряда в газожидкостном потоке при газосодержаниях, превышающих 30% и достигающих 99%.

2. Впервые экспериментально и теоретически исследованы эффекты поступательной неравновесности в ударной волне в гетерогенной среде при высоком объемном газосодержании, их влияние на дробление пузырьков. Впервые введено понятие числа Вебера для этого процесса.

3. Исследовано влияние электрического разряда в пузырьковой и пористой жидкости на растворенные в жидкости органические вещества.

4. Впервые разработаны и внедрены реакторы, работающие при стехиометрическом соотношении органические отходы + окислитель, что позволило резко снизить энергетические затраты по сравнению с аналогами.

5. Разработаны плазменные реакторы, работающие в исходных водах практически любой проводимости, это обеспечивается высоким объемным газосодержанием.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

Показано, что при электрическом разряде в барботированном воздухом водном растворе органических соединений происходит стимулированное окисление кислородом и кислородсодержащими соединениями из газовой фазы, что позволяет наиболее экономичным образом производить очистку сточных вод.

Исследована и подтверждена возможность очистки сточных промышленных вод от органических загрязнителей с помощью разряда в газожидкостной среде при низких энергетических и капитальных затратах. Исследована и подтверждена возможность высокоэффективной очистки сточных вод, загрязненных микроорганизмами, в том числе, и высокостойкими патогенными микроорганизмами.

Достоверность результатов обеспечивается качественным экспериментальным оборудованием и внедрением в технологические процессы, что подтверждается наличием двух актов внедрения. На защиту выносятся:

1. Зависимость напряжения пробоя в газожидкостной среде при газосодержаниях 50-90% от проводимости жидкости.

2. Экспериментальное и теоретическое: исследование структуры ударной волны в газодисперсной среде при высоких объемных газосодержаниях. Введение- понятия- числа Вебера для описания дробления пузырьков; в ударной? волне в гетерогенной среде за счет эффектов поступательной^ неравновесности.

3: Исследование* способности электрического разряда в мелкодисперсном; газожидкостном; потоке активизировать процессы* полного окисления кислородом воздуха растворенных в, воде органических соединений и. уничтожение микроорганизмов.

4. Разработка' технологического процесса: очистки воды от органических соединений»привысокой проводимости исходной среды.

5. Разработка технологического? процесса; обеспечивающего; стехиометрическое: соотношение между органическими отходами; и окислителем.

6. Рекомендации к практическому применению электрического разряда для воздействия на растворенные в воде органические вещества, микроорганизмы.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Быков, Александр Андреевич

Выводы:

1. Электрический разряд эффективно разлагает растворенные в воде органические соединения.

2. В случае, когда концентрация раствора падала не сильно, не было выполнено стехиометрическое соотношение между кислородом и органическими соединениями в растворе. Поэтому можно утверждать, что основным механизмом воздействия электрического разряда в жидкости на растворенные вещества является окисление кислородом и I кислородсодержащими радикалами из газовой фазы.

Глава 3. Исследование воздействия электрического разряда в газожидкостном потоке на микроорганизмы.

В данной« главе рассматривается применение метода дезинфекции воды электрическим разрядом в микродисперсной пузырьковой жидкости. Моделировалась обработка плазмой балластных вод морских и речных судов. В дальнейшем под термином балластные воды используется следующее определение: БАЛЛАСТНЫЕ ВОДЫ (БВ) - некоторый объем воды, набираемой для увеличения осадки танкера после его разгрузки в порту назначения для восстановления мореходных качеств (жидкий балласт).

Водяной балласт необходим для безопасной и эффективной эксплуатации современного судна, но в то же время он может представлять серьезную угрозу экологии, экономике и здоровью. Внесение нежелательных видов в новые экосистемы признано международным сообществом одной из угроз Мировому океану.

Результаты исследований показывают, что за время, достаточное для перехода морского судна из одного региона Европы в другой, например, из Балтийского моря в Северное (3-4 дня), в водяном балласте переносится все сообщество планктона без существенных изменений. В трансатлантических рейсах (10-14 дней) численность организмов в водяном балласте снижается, но некоторые виды сохраняются и вполне способны для активной жизнедеятельности. Значительное увеличение тоннажа морского флота и сокращение времени перевозок нарушило существование биогеографических барьеров и во много раз повысило опасность переноса видов - вселенцев в новую среду обитания. Участились случаи катастрофических "балластных" инвазий, вызвавших тяжелые экологические и экономические последствия.

Наиболее яркий тому пример - изменения в экосистеме Черного моря, которые произошли после заноса с водяным балластом судов из северозападных прибрежных районов Атлантического океана хищного гребневика мнемиопсиса (Мпетюр818 1еус1у1). Будучи быстроразмножающимся организмом, имеющим широкий пищевой спектр, новый вселенец явился идеальным объектом для колонизации Черного моря. Впервые появившись в Черном море в 1982 году, в 1989 году он дал колоссальную вспышку численности и биомассы, которая достигла миллиарда тонн. В результате хищничества нового вселенца численность и биомасса кормового зоопланктона резко снизилась. Значительно уменьшился его качественный состав. Став пищевым конкурентом, а также потребителем икры и личинок планктоноядных рыб (хамсы, ставриды, шпроты), мнемиопсис нанес огромный ущерб их запасам. В результате уловы этих видов значительно снизились, что ежегодно наносит значительный ущерб экономике.

В микропористой среде поверхность раздела фаз довольно развита, поэтому при обработке высокой температурой, излучением, акустическими волнами, ударными волнами, озоном (в случае барботирования воды воздухом), хлором (для соленой воды), гидроксилами и другими радикалами, электрическим током подвергается одновременно довольно большой объем биологически или химически загрязненной жидкости, так как эффективная толщина жидкой пленки сравнима с радиусом пузырьков, поэтому практически любое излучение их плазмы способно проникнуть во весь объем. Этим объясняется довольно высокий, по сравнению с другими методами, бактерицидный эффект. Отметим неоспоримое преимущество данного метода, состоящее в том, что значительная часть энергии разряда идет на уничтожение микрофлоры и разрушение химических загрязнений органического и неорганического характера.

Бактерицидный эффект установки обеспечивается посредством комплекса биофизических процессов, инициируемых при плазменном разряде в жидкой культуре микроорганизмов. Плазменный разряд характеризуется следующими дезинфицирующими компонентами:

1.Термическая компонента (температура плазмы до 5000 градусов, жидкость у поверхности раздела фаз нагревается до температуры кипения), что не могут выдержать большинство микроорганизмов.

2.Ударная волна и акустические волны высокой интенсивности.

3.Электромагнитная компонента. В сильном электрическом поле клетки микроорганизмов испытывают сильную деформацию из-за электрострикционных сил, что вызывает их повреждение.

4.Ультрафиолетовое излучение. Так как для микропузырьковой жидкости эффективная толщина пленки жидкости сравнима с радиусом пузырьков, который составляет порядка 30-100мкм, то интенсивность излучения высока во всем объеме жидкости, а не только в приповерхностном слое.

5.Воздействие радикалами (Озон, гидроксилы), наработанными в плазме и растворившимися в жидкости.

На данный момент на основе применения принципов дезинфекции биологически загрязнённых микропористых жидкостей объёмно-диффузионным плазменным разрядом сконструированы дезинфицирующие реакторы разного объёма и производительности. Был создан лабораторный биологический реактор «малой» производительности С>< 0,3 м3/ час и «большая пилотная установка» £)<25 м /час биологически и химически загрязненной воды (в том числе и разной солености).

При обработке относительно крупных микроорганизмов использовалась прямая схема - на входе в реактор подавались микроводоросли и микроорганизмы на выходе отбирались пробы. На Рис. 3.1 представлены организмы и водоросли в исходном состоянии и после обработки разрядом.

Рис. 3.1. Фотографии водорослей и рачков в жидкости до плазменной обработки и после.

Из Рис 3.1 видно, что после обработки разрядом остается осадок, который является остатками неполного окисления органических соединений.

ЗЛИсследование воздействия электрического разряда на штаммы микроорганизмов .

Для данного исследования использовались штаммы Bifidobacterium bifidum (1 штамм) и Lactobacillus acidophilus (штамм ЕР 317/402).

Измерения количества бактерий в жидкости производилось по следующей методике: отбиралась проба жидкости в количестве 0,2 мл, затем эта проба через микроскоп с увеличением 600 или 1200 фотографировалась на цифровую камеру MIKROS-400. На фотографии были видны пятна тех бактерий, собравшихся вместе, и отдельные клетки в виде отдельных пятнышек. С помощью обработки фотографии можно определить долю площади, занятую бактериями. Если бактерии живы, то площадь, занятая ими, растет в геометрической прогрессии в зависимости от времени. При съемке в течение времени из простых соотношений по изменению площади, занятой бактериями, можно определить, сколько их было в первоначальный момент. Таким образом, можно определить зависимость концентрации бактерий от времени обработки жидкости, в которой они находятся, и определяется первоначальная концентрация бактерий в растворе перед измерениями. Это необходимо делать, так как часть уничтоженных микроорганизмов хорошо видны, но определить по фотографии, мертвы они или нет, невозможно.

В таблице 3.1. показаны фотографии и измерения количества бактерий Lactobacillus sp по фотографии при обработке воды в плазменном реакторе (см. [97, 100]).

Заключение:

1. В результате экспериментальных исследований получено, что в , пузырьковой или пористой жидкости при газосодержании 50%«р<90% напряжение пробоя более чем на порядок ниже, чем в газовой фазе. Напряжение пробоя слабо зависит от газосодержания и уменьшается при увеличении проводимости жидкости. При этом ток растет. Средняя мощность при этом увеличивается, но незначительно.

2. С использованием органических водных растворов с производства нефтехимических предприятий Республики Татарстан и модельных растворов показано, что концентрация органических соединений в пузырьковой или пористой жидкости при воздействии электрического разряда уменьшается со временем приближенно по гиперболическому закону и может быть в принципе доведена до предельно допустимой концентрации. При больших концентрациях органических примесей их дезактивация до определенного момента времени происходит быстро, а затем при снижении концентрации этих примесей до некоторого уровня ее скорость резко уменьшается. Вследствие этого растут непроизводительные энергозатраты.

На основе этих исследований были предложены конструкции малоэнергозатратных, комбинированных плазменно биологических и плазменно биохимических реакторов.

3. При электрическом разряде в пузырьковой или пористой жидкости происходит стимулированное плазмой окисление растворенных в воде органических веществ кислородом и кислородсодержащими соединениями из газовой фазы. Поэтому были разработаны технология и конструкции реакторов с работой в пузырьковом режиме течения вплоть до 99%. Это позволило обеспечить стехиометрическое соотношение между органическими примесями и окислителем (кислородом воздуха).

Электрический разряд ( плазма) используется в данном случае лишь для поддержания горения, так как самостоятельно органические примеси в водных растворах не горят. В принципе, при использовании данной технологии и разработанных конструкций реакторов растворы с содержанием органики 20%-40% могут использоваться как низкокалорийное топливо в энергосберегающих технологиях. На основе проведенных в работе экспериментальных исследований по дезактивации ряда конкретных отходов предприятий нефтеперерабатывающего комплекса Татарстана доказано, что предложенный метод и технология очистки сточных вод электрическим разрядом является энергетически малозатратным и экономически выгодным в результате обеспечения стехиометрического соотношения между компонентами смеси.

4. На основе аналитического решения уравнений движения гетерогенных сред методом Тамма-Мотт-Смитта с использованием «двухжидкостной» модели для описания структуры ударной волны получены зависимости диагональных членов тензора напряжений и девиатора тензора напряжений по координате вдоль ударной волны. Показано, что основной причиной, вызывающей дробление пузырьков во фронте ударной волны является сильная асимметрия диагональных компонентов в тензоре напряжений при определенных числах Маха и объемных газосодержаниях. В результате теоретического анализа также показано, что этот эффект проявляется не всегда, то есть при определенных величинах газосодержания, даже при больших числах Маха , дробления пузырьков может и не быть из-за большой ширины ударной волны и соответственно малой величины асимметрии диагональных компонентов в тензоре напряжения. Эти теоретические выводы были подтверждены в работе экспериментально.

Кроме того, теоретически исследовались другие параметры, характеризирующие структуру фронта ударной волны: ширина фронта ударной волны, профили плотности, температур. На основе этих теоретических результатов и экспериментальных данных были получены коэффициент межфазного взаимодействия для замыкания уравнений I движения гетерогенных сред и получены оценки тензора вязких напряжений при высоком объемном газосодержании. Эти данные имеют важное прикладное и фундаментальное значение, так как были получены впервые. 5. Разработана методика определения среднего размера пузырьков в газожидкостном потоке при высоком газосодержании на основе оценки скорости поглощения озона из воздуха жидкостью. На основе данной методики экспериментально показано, что в ударной волне в пузырьковой или пористой жидкости размер пузырьков уменьшается на порядок. I

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Быков, Александр Андреевич, 2011 год

1. Международная конвенция о контроле судовых балластных вод и осадков и управлении ими, 2004г. 1.ternational Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments, 2004, - СПб.: ЗАО1. ЦНИИМФ, 2005г-120с.

2. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред/Р.И. Нигматулин. М.: Наука, 1987. - 459 с.

3. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред/Р.И. Нигматулин. М.: Наука, 1987. - 352 с.

4. Накоряков, В.Е. Волновая динамика газо- парожидкостных сред/ В.Е. Накоряков, Б.Г. Покусаев, И.Р. Шрейбер. М.: Энергоатомиздат, 1990 -233 с.

5. Циклаури, Г.В. Адиабатные двухфазные течения/ Г.В. Циклаури, B.C. Данилин, Л.И. Селезнев М.: Атомиздат,1973 - 444 с.

6. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка/ А.С.Грин, В.Н.Новиков. М.: Издательство торговый дом ГРАНД, 2002 -172 с.

7. Вишняков, В.Г. Электрохимический метод очистки сточных вод. Обзоры по отдельным производствам химической промышленности/В.Г. Вишняков, Т.Ф. Лохматова. М.: изд. НИИТЭХИМ, 1974 - вып. 12(62). - с. 71-88.

8. Хайдин, П. И. Современные методы очистки нефтесодержащих сточных вод/ П.И. Хайдин, Г.А. Роев, Е.И. Яковлев. М.: Химия, 1990. - 621 с.

9. Ю.Ковалева, Н.Г.Биохимическая очистка сточных вод предприятий химической промышленности/Н.Г. Ковалева, В.Г. Ковалев. М.: Химия, 1987. - 160 с.

10. Долин П.И., Шубин В.Н., Бруснецова С.А. Радиоционная очистка воды/ С.А. Бруснецова, П.И. Долин, В.Н. Шубин. М.:Лаука, 1973. - 152 с.

11. Проскуряков, В.А. Очистка сточных вод химической промышленности/ В.А. Прокуряков, Л.И. Шмидт. Л.: Химия, 1977. -464 с.

12. Юткин, Л. А. Электрогидравлический эффект/Л. А. Юткин. Л.: Машиностроение, 1955. - 51 с. ¡

13. Горячев, В.Л. О некоторых свойствах импульсного периодического разряда с энергией в импульсе 1 Дж, применяемого для её очистки/В.Л. Горячев, Ф.Г. Рутберг, В.Н. Федюкович// Теплофизика высоких температур. 1996. - №5. - с. 757-760;

14. Горячев, В.Л. Электроразрядный метод очистки воды. Состояние, проблемы и перспективы/ В.Л. Горячев, Ф.Г. Рутберг, В.Н. Федюкович // Изв. РАН. Энергетика. 1998. - №1. - С. 40-55;

15. Авчинников, A.B. К вопросу и вирулицидном действии низковольтных электрических разрядов в воде/А.В. Авчинников, А.Е. Недачин, Ю.А. Размарин и др.//Медицинская консультация. 1996. - №1(9). - С.9-11.

16. Chang, Chak Man Thomas, Thomas Plasma formed in a fluid // US Patent&Trademark Office US Patent Application 20060060464, Serial № 513703. Filed May 8, 2003.

17. Пат 79551 Плазменно-биологический реактор//В.Ю. Великодный; Потентообладатель и заявитель: Ю.В. Великодный; Дата поступления 26.08.2008. Входящий № 043739. Регистрационный номер 2008134445.

18. Пат 86941 Плазменно-биохимический реактор// В.Ю. Великодный, А.А. Быков, В.В. Попов; заявитель и патентообладатель Великодный, В.Ю. зарегистрировано от 09.06.2009 г.

19. Bushmanov, Е. Microporous liquid fluid flow structures/ E. Bushmanov, V. Velikodnyi, V. Vorotilin, I. Timofeev, Yu. Yunovsky, D. Van Wie.//AIAA Paper 2004-1040. P. 1-10;

20. Bushmanov, E. About an opportunity of use activated porous fuel in processesof supersonic and detonation burning/E. Bushmanov, V. Velikodnyi, I.i

21. Timofeev, Yu. Yunovsky, D. Van Wie. //41 -th Aerospace Scences Meeting @ Exhibit 5-12 January 2003 . Reno. Nevada. In: AIAA (Paper) -2003 1204. P.1.8;

22. Eremeev, A.V. Enhanced Ignition and Mixing of Kerosene Fuil in High speed Air Streams./ A. V. Eremeev, V. G. Grishin, L.K. Nikitenko, V. Yu. Velikodnyi, V. P. Vorotilin, I. B. Timofeev, Yu. G. Yunovsky, D. Van Wie.// AIAA (Paper) 2005-614. P. 1-15;

23. Robert В. Eddington (Major, USAF) Investigation of Supersonic Shock Phenomena in a Two Phase (Liquid-Gas) Tunnel/ Robert B. Eddington (Major, USAF)// Jet Propulsion Laboratory. - California Institute of Technology. - 1967. Technical Report 32-1096;

24. Великодный, В.Ю. О механизме циркуляции в барботажной колонне/ В.Ю. Великодный, В.П. Воротилин, А.В. Еремеев, Ю.Г. Яновский // Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем (процессы, модели, эксперимент). 2004. т. 18. №2. с. 104-114. i

25. Bushmanov, E.A. Study of the influence of shock wave processing of microporous activated fuel on its combustion performance/ E.A. Bushmanov,. V.Yu. Velikodniy, V.P. Vorotilin, I.B. Timofeev, Yu.G. Yanovskiy,i i

26. D.Van.Wee.//In: Combustion & Atmospheric Pollution, edited by G.D.Roy, S.M.Frolov, A.M.Staric. 2003. - p.269-273.

27. Бушманов, E.A. Теоретическое и экспериментальное исследование структуры ударной волны в микропористых жидкостях/Е.А., Бушманов, В.Ю. Великодный, В.П. Воротилин, А.В. Еремеев, И.Б. Тимофеев, Ю.Г.Яновский, Д.Ван Ви.//Ш Международный симпозиум.

28. Термохимические процессы в плазменной аэродинамике. (Трудыtконференции) Санкт-Петербург. 28-31. июля. 2003. - с. 286-296.

29. Башлыков, А.М . Структура ударных волн в газовой смеси/А'.М. Башлыков, В.Ю. Великодный//Журнал технической физики. 1991. - № 8. -с.33-42;

30. Нигматулин, Р.И. Основы механики гетерогенных сред/Р.И. Нигматулин. -М.: Наука, 1978. 336 с. е

31. Великодный, В.Ю. Структура ударных волн/В.Ю. Великодный, В.В. Струминский//Докл. АН СССР. 1982. - Т.266. № 1;

32. Гвоздева, Л.Г. Приближенный расчет параметров стационарных ударных волн в пористых сжимаемых материалах/Л.Г. Гвоздева, Ю.М. Фирсов// ПМТФ, 1986, № 1,с. 120-125;

33. Гвоздева, Л.Г. Численное исследование распространения ударной волны в газе и пористой среде/Л.Г. Гвоздева, В.Н. Ляхов, Д.К. Раевский и др. И ФГВ. 1987. - т. 23, №4. - с. 125-129;

34. Baer, M.R.A two-phase mixture theory for the deflagration to detonation transition (DDT) in reactive granular materials/ M.R. Baer, J.W. Nunziato// Int. J. Multiphase Flow. 1986. - 12:861;

35. Bdzil, J.B.Two-phase modeling of deflagration to detonation transition in granular materials: A critical examination of modeling issues./ J.B. Bdzil, R. Menikoff, S.F. Son, K. Kapila, D.S. Stewart // Phys. Fluids. 1999 - 11(2) - p: 378;

36. Федоров, А. В. К теории комбинированного разрыва в газовзвесях/ A.B. Федоров, В.М. Фомин // Физическая газодинамика реагирующих сред. -Новосибирск, 1990 - с. 128-134;

37. Cieszko, M. On the compatibility conditions in the fluid-fluid saturated porous solid contact problems/ M. Cieszko, J. Kubik // ii Arch. Mech. Warszawa. -1993 - vol. 45 - No 1 - pp. 77-9;

38. Крайко, A.H. О течениях газа в пористой среде с поверхностями разрыва пористости/ А.Н. Крайко, Л.Г. Миллер, И.А. Ширковский // ПМТФ. 1982. - № 1 - с. 111-118;

39. Киселев, С.П. Соотношения на комбинированном разрыве в газе с твердыми частицами/С.П. Киселев, В.М. Фомин// ПМТФ 1984 - № 4 - с. 112-119;

40. Протодьяконов, И.О. Гидродинамика и массобмен в системах газ-жидкость/И.О. Протодьяконов, И.Е. Люблинская.-Л.: Наука, 1990.-349с.

41. Кашинский, О.Н. Влияние дисперсности газовой фазы на характеристики опускного пузырькового течения/О.Н. Кашинский, В.В. Рандин, П.Д. Любанов, Г.В. Богословцев //Теплофизика и аэромеханика. 2005. - Т. 12. -№4. - с. 637-643;

42. Кашинский, О.Н. Опускное газожидкостное пузырьковое течение в вертивальной трубе./ О.Н. Кашинский, В.В. Рандин.//Теплофизика и аэромеханика. Т. 6. - № 2. - 1999. - с. 235-246;

43. Алексеенко C.B., Бильский A.B., Васечкин В.Н., Дулин В.М., Маркович Д.М., Харламов С.М. Крупномасштабные структуры в двухфазных потоках//Физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemph vs .edu.ru/pdf/2008-09-01-013 .pdf.

44. Горелик, P.C. Исследование опускного пузырькового течения в вертикальной трубе/ P.C. Горелик, О.Н. Кашинский, В.Е. // Журн. Прикл. мех. И техн. Физики. 1987. - №1. - с. 69-73;

45. Лобанов, П.Д. Исследование структуры опускного течения/П.Д. Лобанов, М.А. Пахомов// Докл. Молодеж. Конф. Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей. 2005. - вып. 10. - с. 114118;

46. Кашинский, О.Н. Опускное пузырьковое течение при малых расходных газосодержаниях/О.Н. Кашинский, .В.В. Рандин, П.Д. Лобанов, Т.Д. Чимитов// Теплофизика и аэромеханика. 2004. - Том 11, №4. - С. 619625;

47. Тимкин, Л.С. Измерение локальной скорости скольжения пузырьков в восходящем псевдотурбулентном течении/Л.С. Тимкин// Теплофизика и аэромеханика. 2000. - Т. 7, №1 - С. 101-114;

48. Петров, Г.П. Исследование разряда с жидким катодом/Г.П. Петров, Ф.А. Сальянов, Г.А. Меркурьев// Тр. Казан. Авиац. Ин-та. 1974. - вып. 173. - С. 11-15;

49. Гайсин, Ф.М. Исследование электрического пробоя воздуха между электролитом и металлическим электродом/Ф.М. Гайсин, Ф.А. Гизатуллина//Низкотемпературная плазма. Казань. - 1983. - С.43-51.

50. Taylor, G. J'. The stability of horizontal fluid interface in a vertical electric field/ G. J. Taylor, A. D. McEwan //J. Fluid Mech. 1965. - Vol. 22. - pt 1. - P. 1-1;

51. Ролдугин, В.И. Физикохимия поверхности: Учебник-монография/В.И.

52. Ролдугин. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект». - 2008.-568 с.- С. 29.

53. Гайсин Ф.М., Никитин А.Н., Исследование параметров потока воздуха,возбуждаемого, самостоятельным тлеющим разрядом/ Ф.М. Гайсин, А.Н. Никитин//Тепло- и массообмен в химической технологии: Межвуз. Сб. -| Казань. 1980. - С. 48-50;

54. Гайсин, Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Тепловые и электрические j характеристики разряда между электролитом и медным анодом/Ф.М.

55. Поляков, О.В. Эмиссия электронов и самоподдержание разряда в условиях водного электролитного катода/О.В. Поляков, A.M. Багдалян, JI.B. Бахтурова//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. www.chemphys.edu.ru/pdf/2007-01 -16-001 .pdf

56. Поляков, О.В. Полуэмпирическая оценка сечений и эффективности образования геминальных пар в воде медленными протонами/О.В. Поляков//Электронный журнал «Исследовано в России». http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2001/143.pdf

57. Поляков, О.В. Анионный перенос заряда из электролиного катода в казоразрядную плазму/О.В. Поляков, A.M. Бадалян, Л.Ф. Бахтурова//Электронный журнал «Исследовано в России». http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/222.pdf

58. Попов, В.И., Методы ЛПЭ-спектрометрии ионизирующих излучений./ В.И. Попов. М.: Атомиздат, - 1978. - 136 с.

59. Лунин, В.В. Физическая химия озона/В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко. М.: Издательство МГУ. - 1998.-480 с.

60. Аристова, H.A. Особенности осуществления реакции под действием вспышечного электрического разряда/Н.А. Аристова. И.М. Пискарев//Журнал технической физики. 2002. - Т. 72. - вып. 10. - С. 4144;

61. Пискарев, И.М. Выбор условий электрического разряда при генерировании химически активных частиц для разложения примесей в воде/И.М. Пискарев//Журнал технической физики. 1999. - Т. 69. - вып. 1;

62. Пискарев, И.М. Распределение по толщине жидкости продуктов окисления, образующихся под действием наносекундн ого коронного сильноточного электрического разряда/И.М. Пискарев, В.А. Ушканов, г.М. Спиров/ZNuncl. phys.sinp.msu.ru/school/s07/s0737.pdf

63. Аристова H.A. Физические методы получения экологически чистой активированной воды/Н.А. Аристова, И.М. Пискарев, В.А. Ушканов/ЯТрепринт НИИЯФ МГУ №2009-12/856.

64. Минаев. Б.Ф. Спин-катализ в процессах фото и биоактивации молекулярного кислорода /Б.Ф. Минаев// Укр. Биохим. Журн. 2009. - Т. 89. - №3. - с. 21-45;

65. Ушаков, В.Я. Пробой жидкостей при импульном напряжении/В .Я. Ушаков, В.Ф. Климкин, С.М. Коробейников, Вопатин В.В. Под ред. проф., д. т. н. В.Я. Ушакова. - Томск: Изд-во HTJI. - 2005. - 488с.: ил. с. 24.

66. Коробейников, С.М. Зажигание разряда в воде с помощью пузырьков/С.М. Коробейников, A.B. Мелехов, А.Г. Бесов//ТВТ. 2002. - Т. 40. - №5. - С. 706-714;

67. Тесленко, • B.C. Автоцикличный кольцевой пробой в электролите с вынужденным коллапсом пузырьков/В.С. Тесленко, А.П. Дрожжин, Г.Н. Санкин/Шисьма в ЖТФ. 2006. - Т 32, вып. 4.

68. Смоляк, Б.М. О влиянии электрического поля на поверхностное натяжение жидких диэлектриков/Б.М. Смоляк// Теплофизические свойства жидкостей и взрывное вскипание. Свердловск: Уральск. Научн. Центр АН СССР. -1976. - С. 79-84;

69. Коробейников, С.М. Экспериментальные исследования поведения пузырьков в воде/ С.М. Коробейников, А.В. Мелехов, В.Г. Посух и др. // Тепл. Вы. Темп. 2001. - Т. 39. -№2. -. С. 163-168;

70. Грин, А.С. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка./ А.С. Грин, В.Н. Новиков. М., 2002, Издательство торговый дом ГРАНД. 172 с.

71. Бобровский В.А. Агрегат для хранения и транспортировки жидкости // Описание изобретения к патенту. 04,04,2005. 2005109463/11

72. Ахатов, М.Ф. Струйный паровоздушный заряд между электролитическим и металлическим электродами для очистки поверхности металлов и сплавов/М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин//труды 9-й международной научно-прикладной конференции. г. Казань, 2002;

73. Поляков, О.В. Влияние минерализации раствора на разложение его компонентов в условиях разрядного электрорадиолиза/О.В. Поляков, A.M. Бадалян, Л.Ф. Бахтурова//Химия в интересах устойчивого развития. -2005.- №13. с. 633-639;

74. Подзорова, Е.А. Удаление загрязняющих веществ из бытовой сточной воды электронно-лучевой обработкой в аэрозольном потоке. /Е.А. Подзорова, А.К. Пикаев, В.А. Белышев и др. //Химия высоких энергий. -1999. Т. 33, №5. - с. 332;

75. Karpel Vel Leither N., Dor M. Role de 1'oxygen dissous dans le mecenisme de decomposition de l'acide formigue en solution aqueuse par irradiation UV en presence de peroxide d'hydrogene. //J. Chim. Phys. 1994. V.91/P.503.

76. Nicole I., De Laat J., Duguet J.P., Bonnel C. Use of UV radiation in water treatment: measurement of photonic flux by hydrogen peroxide actinometry. // Water Research. 1990. V. 24. No. 2. P. 157.

77. Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред/Г.М. Островский. СПб.: Наука. - 2000. - с. 325.

78. Физические величины: справочник/А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова.-М.; Энергоатомиздат, 1991.-1232 с. ISBN 5-238-04013-5 стр. 545.

79. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для i вузов./Л.Г. Лойцянский. -. 7-е изд., испр. М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

80. Paul N. Johnson Diffusivity of Ozon in water / Paul N. Johnson, A. Richard // J. Chem. Eng. Data. 1996. - Vol. 41(6). - pp. 1485-1487;

81. Прудников, А.Г. Определение параметров структуры свободного сдвигового слоя с помощью модели постоянной завихренности./А.Г. Прудников// Тр. ЦИАМ. №1190. - 1987;

82. Прудников, А.Г. Уравнения движения и структурные параметры свободного сдвигового слоя./А.Г. Прудников// Тр. ЦИАМ. №1190. -1987;

83. Прудников, А.Г. Вихревая механика перемежающихся сред (для всех интересующихся)/А.Г. Прудников// Ж. Авиадвигатель. 2006. - №6;

84. Вознесенский, Э.Н. Введение в механику сплошных сред./Э.Н. Вознесенский, H.H. Широков. М.: Изд-во МФТИ. г 2008г.

85. Великодный. В.Ю. Структура ударных волн в трехкомпонентных газовых смесях/В.Ю. Великодный, C.B. Качармин//физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemphys.edu.ru/pdf/2010-01-21 -001 .pdf

86. Материалы 14-й конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов и шаровой молнии. Москва, 2008. - С. 58- 70;

87. Список публикаций соискателя по теме диссертации:

88. Публикации в рецензируемых журналах:

89. Великодный, В.Ю. Плазменные технологии очистки сточных вод/В.Ю. Великодный, М.Д. Беркова, A.A. Быков и др.//Прикладная физика. -2008. №6.- С. 105-110;

90. Быков, A.A. Закрученные потоки в решении проблем очистки биологически и химически загрязненной воды (теория и эксперимент)/Быков А.А.,Великодный В.Ю., Воротилин В.П. и др.//Известия самарского научного центра РАН. 2008. - доп. выпуск. - с.

91. Великодный, В.Ю. Структура ударной волны в пузырьковой и пористой жидкости/В.Ю. Великодный, A.A. Быков//физико-химическая кинетика в газовой динамике, www.chemphys.edu.ru/pdf/2010-l 0-26-001 .pdf

92. Битюрин, В.А. Теоретическое исследование неравновесных процессов в ударной волне в пузырьковой жидкости/В.А. Битюрин, A.A. Быков, В.Ю. Великодный//Письма в журнал технической физики. 2011. - Т.37, вып. 4. - 44-52с.

93. Патенты и патенты на полезную модель:

94. Пат № 2008143435 Малогабаритный генератор синтез-газа./Быков A.A., Великодный В.Ю., Сон Э.Е.; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Московский физико-технический институт(государственный университет). приоритет 01.11.2008., Входящий № 056574;

95. Пат Плазменно-биохимический реактор/Великодный В.Ю., Быков A.A., Попов В.В.; заявитель и патентообладатель Великодный В.Ю. № 86941. от 09.06.2009 г.

96. Статьи в научных сборниках и периодических научных изданиях, публикации в материалах научных мероприятий:i

97. Berkova, M.D. Plasma technologies in ecological problems/ M.D. Berkova,

98. A.A. Bykov, V.Yu. Velikodny at alias.//International Conference on Cjndensed Mateer Nuclear Science. ICCF-13. Proceedings. Dagomys, city of Sochi June 25-July 1. 2007. - Pp. 383-393;

99. Доклады на конференциях, тезисы, краткие сообщения:

100. Великодный, В.Ю. Закрученные потоки в решении проблем очистки биологически и химически загрязненной воды (теория и эксперимент)/

101. B.Ю. Великодный, A.A. Быков, В.П. Воротилин и др.// Вихревые и закрученные потоки фундаментальные исследования и новыепрактические применения Международная научно-практическая конференция. Тезисы докладов. Киев, 2007;

102. Быков, A.A. Исследование влияния входного участка гидротрубы на установление профиля скорости/Быков A.A., Великодный В.Ю.//Труды 50-й научной конференции МФТИ. Москва, 2007;

103. Быков A.A. Исследование возможности очистки фенольных сточных вод плазменным разрядом/А.А. Быков, В.Ю. Великодный, В.В.Попов и др.//Труды 50-й научной конференции МФТИ. Москва,2007;

104. Беркова, М.Д. Плазменные технологии очистки сточных вод/М.Д. Беркова, A.A. Быков, В.Ю. Великодный и др.//ХХХУ Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС 11-15 февраля 2008 г. С. 337;

105. Беркова, М.Д. Исследование влияния плазменного диффузионного разряда в пузырьковой среде на растворенные вредные вещества/М.Д. Беркова, А.А.Быков, В.Ю.Великодный и др.//Третья школа-семинар по Магнитоплазменной аэродинамике, 8-10 апреля 2008;