Safety in Technosphere Safety in Technosphere Безопасность в техносфере 1998-071X 14802 10.12737/23762 Методы и средства обеспечения безопасности Methods and means of safety Методы и средства обеспечения безопасности Calculation Model of Photochemical Reactor with a Pulse Xenon Lamp for Water Treatment Расчетная модель фотохимического реактора с импульсной ксеноновой лампой для очистки воды Ивашкин А. Б. Ivashkin A. Б. Новиков Д. О. Novikov D. О. Камруков А. С. Kamrukov A. С. Малков К. И. Malkov K. И. 10 01 2017 10 01 2017 5 4 51 57 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/14802/view

Разработана и реализована расчетная модель фотохимического реактора на основе импульсной ксеноновой лампы, предназначенного для очистки воды от микробиологических или химических загрязнителей. Модель включает несколько расчетных модулей, каждый из которых описывает основные физические процессы, происходящие внутри фотохимического реактора: модуль расчета формы течения, модуль расчета траекторий частиц загрязнителя, модуль расчета излучательных характеристик импульсной лампы, модуль фотометрического расчета, определяющий энергетическую дозу облучения частиц загрязнителя. Расчет излучательных характеристик лампы основан на положениях физики газового разряда и на ряде эмпирических зависимостей, для расчета остальных параметров использовано численное моделирование. Верификация модели проведена при сравнении расчетной и экспериментальной эффективности двух типов конструкции фотохимических реакторов с использованием известного загрязнителя. Разработанная расчетная модель позволяет проводить много- параметрическую оптимизацию конструкции и режимных параметров импульсных фотохимических реакторов с целью повышения их энергетической эффективности и степени очистки воды от различных химических и биологических загрязнителей.

A calculation model of the photochemical reactor based on a pulse xenon lamp and intended for water treatment from microbiological or chemical pollutants has been developed and realized. The model includes several calculation modules, each one describes the basic physical processes ongoing in the photochemical reactor: current’s form calculation module, pollutant’s particles trajectories calculation module, pulse lamp’s radiating characteristics calculation module, module for photometric calculation, determining an energy radiation dose of pollutant particles. Calculation of lamp’s radiating characteristics is based on ideas of gas discharge physics and on a number of empirical dependences, for calculation of other parameters has been used the numerical simulation. Model verification has been carried out by comparison of calculated and experimental efficiencies for two types of photochemical reactors’ designs with use of the known pollutant. The developed calculation model allows perform multi-parameter optimization for designs and regime parameters of pulse photochemical reactors for the purpose of increase their energy efficiency, and level of water treatment from various chemical and biological pollutants.

 импульсная ксеноновая лампа фотохимический реактор ультрафиолетовое излучение водоочистка pulse xenon lamp photochemical reactor ultra-violet radiation water treatment

1. ВведениеФотохимическая обработка воды, осуществляемая при ее облучении ультрафиолетовым (УФ) излучением, рассматривается в настоящее время как один из наиболее эффективных и экологичных методов очистки и обеззараживания питьевой воды и жидких техногенных стоков [1, 2]. Эффективность такой обработки определяется энергетической дозой облучения (Дж/см2), равной произведению интенсивности излучения в актуальном спектральном диапазоне (Вт/см2) и времени воздействия (с) [3].С биологической точки зрения ультрафиолетовое обеззараживание воды основано на способности волн определенной длины проникать сквозь мембраны (оболочки) клеток и воздействовать на нуклеиновые кислоты РНК и ДНК. Поглощая высокоэнергетичные фотоны УФ-диапазона, нуклеиновые кислоты получают значительные повреждения, в результате которых клетка теряет способность к делению. Кроме того, УФ-излучение наносит повреждение белковым структурам и мембранам клеток, что неизбежно приводит к их гибели. Также хорошо известно, что УФ-излучение способно разрушать широкий спектр органических веществ [1, 2]. Очистка воды при помощи УФ-ламп может осуществляться за период времени порядка нескольких секунд, поэтому производительность такого процесса может быть значительной [2].

Камруков А. С., Козлов Н. П., Селиверстов А. Ф., Яловик М. С. Фотохимическая очистка воды широкополосным импульсным УФ-излучением // Безопасность в техносфере. 2006. № 1. С. 38-44; № 2. С. 21-26; № 3. С. 17-23. Kamrukov A. S., Kozlov N. P., Seliverstov A. F., Yalovik M. S. Fotokhimicheskaya ochistka vody shirokopolosnym impul´snym UF-izlucheniem. Bezopasnost´ v tekhnosfere. 2006. № 1. S. 38-44; № 2. S. 21-26; № 3. S. 17-23. Кармазинов Ф. В., Костюченко С. В., Кудрявцев Н. Н. Ультрафиолетовые технологии в современном мире: Коллективная монография. Долгопрудный: Интеллект, 2012. 392 с. Karmazinov F. V., Kostyuchenko S. V., Kudryavtsev N. N. Ul´trafioletovye tekhnologii v sovremennom mire: Kollektivnaya monografiya. Dolgoprudnyy: Intellekt, 2012. 392 s. Wols B. A. CFD in drinking water treatment. Gildeprint drukkerijen, 2010. 176 pp. Wols B. A. CFD in drinking water treatment. Gildeprint drukkerijen, 2010. 176 pp. Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод УФ излучением: МУ 2.1.5.732-99. Москва: Минздрав России, 1999 Sanitarno-epidemiologicheskiy nadzor za obezzarazhivaniem stochnykh vod UF izlucheniem: MU 2.1.5.732-99. Moskva: Minzdrav Rossii, 1999 Веб-сайт компании Light Stream UV: [сайт]. URL: http://www.lightstreamuv.com/products (дата обращения: 05.09.2015). Veb-sayt kompanii Light Stream UV: [sayt]. URL: http://www.lightstreamuv.com/products (data obrashcheniya: 05.09.2015). Камруков А. С., Кулебякина А. И. Инженерные методы расчета импульсных ксеноновых ламп. М.: ООО НИЦ «Инженер» (Союз НИО), 2010. 222 с. Kamrukov A. S., Kulebyakina A. I. Inzhenernye metody rascheta impul´snykh ksenonovykh lamp. M.: OOO NITs «Inzhener» (Soyuz NIO), 2010. 222 s. Андреев С. И., Ивасенко Н. Ф. Основы расчета импульсных ксеноновых ламп. Томск: Издательство Томского университета, 1982. 153 с. Andreev S. I., Ivasenko N. F. Osnovy rascheta impul´snykh ksenonovykh lamp. Tomsk: Izdatel´stvo Tomskogo universiteta, 1982. 153 s. Гарбарук А. В., Стрелец М. Х., Шур М. Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2012. 88 с Garbaruk A. V., Strelets M. Kh., Shur M. L. Modelirovanie turbulentnosti v raschetakh slozhnykh techeniy. Sankt-Peterburg: Izdatel´stvo Politekhnicheskogo universiteta, 2012. 88 s Ho C., Khalsa S., Wright H., Wicklein E. Computational Fluid Dynamics Based Models for Assessing UV Reactor Design and Installation. Water Research Foundation, 2011. 166 pp. Ho C., Khalsa S., Wright H., Wicklein E. Computational Fluid Dynamics Based Models for Assessing UV Reactor Design and Installation. Water Research Foundation, 2011. 166 pp. Wilcox D. Turbulence Modeling for CFD. 2nd ed. Anaheim: DCW Industries, 1998. 174 pp. Wilcox D. Turbulence Modeling for CFD. 2nd ed. Anaheim: DCW Industries, 1998. 174 pp. COMSOL. Heat Transfer Module User’s Guide. 2014. 374 pp. COMSOL. Heat Transfer Module User’s Guide. 2014. 374 pp.