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.
импульсная ксеноновая лампа, фотохимический реактор, ультрафиолетовое излучение, водоочистка
1. Введение
Фотохимическая 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].
1. 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.
2. Кармазинов Ф. В., Костюченко С. В., Кудрявцев Н. Н. Ультрафиолетовые технологии в современном мире: Коллективная монография. Долгопрудный: Интеллект, 2012. 392 с.
3. Wols B. A. CFD in drinking water treatment. Gildeprint drukkerijen, 2010. 176 pp.
4. Санитарно-эпидемиологический надзор за обеззараживанием сточных вод УФ излучением: МУ 2.1.5.732-99. Москва: Минздрав России, 1999
5. Веб-сайт компании Light Stream UV: [сайт]. URL: http://www.lightstreamuv.com/products (дата обращения: 05.09.2015).
6. Камруков А. С., Кулебякина А. И. Инженерные методы расчета импульсных ксеноновых ламп. М.: ООО НИЦ «Инженер» (Союз НИО), 2010. 222 с.
7. Андреев С. И., Ивасенко Н. Ф. Основы расчета импульсных ксеноновых ламп. Томск: Издательство Томского университета, 1982. 153 с.
8. Гарбарук А. В., Стрелец М. Х., Шур М. Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2012. 88 с
9. 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.
10. Wilcox D. Turbulence Modeling for CFD. 2nd ed. Anaheim: DCW Industries, 1998. 174 pp.
11. COMSOL. Heat Transfer Module User’s Guide. 2014. 374 pp.
