ПРОБЛЕМЫ КОНСТРУКЦИЙ

А.Б. Кожевников, кандидат технических наук

О.П. Петросян, кандидат физико-математических наук

Один из основных этапов в системе водоподготовки питьевого водоснабжения, очистных сооружений и иных аналогичных объектов является обеззараживание воды с выполнением следующих основных требований:

1. удаление патогенных и снижение индикаторных микроорганизмов до значений, определенных санитарными нормами;
2. вредные продукты, образующиеся в процессе обеззараживания не должны превышать допустимые ПДК;
3. используемые технологии должны обеспечивать сохранение процесса обеззараживания вплоть до точки потребления воды.

Разработанные в 40-50 годы основные схемы обеззараживания хлорированием при подготовке питьевой воды, удовлетворяют этим требованиям. Наиболее распространенной в России является схема двухступенчатого хлорирования. Широкое применение этой схемы обусловлено рядом полезных функций предварительного хлорирования: обесцвечивание воды, улучшение санитарного состояния емкостей за счет предотвращения роста бактерий, снижение запахов при загнивании осадков.

Однако обоснованность этих отрицательных последствий хлорирования не позволяет на сегодня отказаться от этого способа обеззараживания воды, т.к. до сих пор нет иного доведенного до промышленного применения способа, гарантирующего сохранение эффекта обеззараживания в процессе транспортирования воды до точки ее потребления. Следовательно, задача сводится к снижению дозы хлора при обеззараживании, обеспечивая при этом наличие в воде необходимого количества остаточного активного хлора, соответствующее нормативным значениям, для потенциального сохранения возможности обеззараживания воды при ее транспортировании до потребителя.

Одним из наиболее доступных способов технологии хлорирования на действующих водопроводах является эжекция газообразного хлора в воду. Этот способ заложен в вакуумные хлораторы, выпускаемые как отечественными, так и зарубежными производителями.

Работа хлораторов эжекционного типа хорошо освещена в литературе, достаточно хорошо изучена как разработчиками, так и потребителями ввиду длительного периода их эксплуатации. Кстати их длительное применение как в России, так и за рубежом свидетельствует о том, что это наиболее эффективный и наиболее промышленно обоснованный способ хлорирования воды. Например, хлоратор ЛОНИИ-100 и его модификации используются в России с 1939г. по настоящее время. Следует подчеркнуть особенность этой конструкции среди аналогичных вакуумных хлораторов, а именно: узлом, отделяющим хлоронесущие элементы конструкции от хлорируемой воды является так называемый смеситель. К сожалению, во всех публикациях отсутствует оценка этого узла и практически не описан принцип его действия. Попробуем восполнить этот пробел, движимые уверенностью, что отечественные конструкторы того периода именно этот узел рассматривали как ноу-хау в развитии вакуумных дозаторов хлора, т.к. он является принципиально новым защитным устройством хлоратора при аварийных ситуациях.

Суть аварийных ситуаций в хлораторах сводится к тому, что при прекращении эжекции хлора в воду по тем или иным причинам возникает обратный ток воды из эжектора в предшествующие узлы конструкции хлоратора. Эта вода, вступая в соединение с большим количеством хлора, образует такие агрессивные химические соединения, как хлорноватистая кислота, способная разрушать металлические конструкции в отдельных узлах хлоратора, что приводит к выходу хлоратора из строя и необходимости замены как минимум отдельных его узлов. Таким образом задача конструкторов заключалась в том, чтобы обеспечить защиту хлоронесущих узлов и элементов конструкции хлоратора от попадания в них воды в описанных аварийных ситуациях.

Одним из стратегических направлений решения этой проблемы является установка предохранительных клапанов в основном механического принципа действия, т.е. механическое перекрытие канала обратного тока воды. Принципиальная схема хлорирования хлораторами с клапанами такого типа приведена на рис. 1. Конструктивное исполнение этих устройств в принципе не может обеспечить их безаварийную работу и опыт эксплуатации хлораторов, использующих механические клапана как предохранительные показывает, что в процессе эксплуатации они текут, не обеспечивая должной герметизации. Это объясняется неточностью изготовления клапанов (несоосность, неконцентричность, некачественная притирка сопрягаемых поверхностей седла и клапана), загрязнением рабочих поверхностей клапана в процессе эксплуатации ввиду неидеальной чистоты промышленного хлор-газа и другими факторами. Сторонники данного направления стараются компенсировать этот недостаток дублированием клапанов, что, конечно, дает положительные эффекты, но не снимает проблему.

Смеситель также выполняет функцию предохранительного клапана, обеспечивая непрохождение воды в хлоронесущие узлы и элементы конструкции путем создания между ними и водой в смесителе буферной зоны, наполненной газообразным хлором, и сохранения этой буферной зоны в любых производственных ситуациях, включая аварийные. Место его установки в конструкции хлораторов с клапаном динамического типа определяется принципиальной схемой хлорирования на рис. 2. Иными словами, смеситель – это динамическая предохранительная система, поддерживающая динамическое равновесие между водой и газообразным хлором в смесителе в любых производственных ситуациях, включая аварийные.

Отличие этих ситуаций заключается лишь в подъеме или снижении уровня воды в смесителе с сохранением буферной зоны. Это достигается путем установления равенства противодействующих сил на границе раздела вода – газообразный хлор в смесителе благодаря наличию канала слива части воды, поступающей в смеситель из водопроводной магистрали. Такое конструкторское решение проблемы в принципе идеально, т.к. не имеет механически взаимодействующих частей типа “клапан – седло”, но требует точных инженерно-конструкторских расчетов, учитывающих такие факторы, как диапазон изменения давления воды в магистрали, диапазон изменения давления газообразного хлора в рабочих условиях, скорость поступления воды в смеситель, скорость ее истечения из смесителя по сливному каналу и другие. Поэтому сторонники этого направления, модернизируя хлоратор такого типа сосредоточили свое внимание, в первую очередь, на обеспечении более качественной работы этого узла (смесителя). Так, в 1991г. в конструкцию хлоратора ЛОНИИ-100 предприятием КРАВТ был включен отражатель, устанавливаемый в смеситель и предотвращающий попадание струи воды из эжектора в узел ввода хлора в смеситель, и другие конструктивные изменения, существенно повышающие надежность новой конструкции, которая была названа ХЛОРАТОР АХВ-1000.

В конструкции хлоратора АХВ-1000 кроме смесителя предусмотрены и механические клапана (редукционно-предохранительный клапан, обратный клапан эжектора, обратный клапан по хлору, обратный клапан по воде), роль которых сводится к оптимизации технологических возможностей хлоратора АХВ-1000 по диапазону рабочих условий его функционирования с точки зрения надежности, но это не исключает необходимости в смесителе по изложенным выше причинам.

Фирменное специализированное предприятие КРАВТ ( ФСП КРАВТ ) располагает методикой расчета основополагающих размеров и сечений смесителя, позволяющей в итоге разработать конструкцию хлоратора с техническими характеристиками, отличающимися от аналогичных характеристик хлоратора АХВ-1000, но способную обеспечить гарантированную защиту хлоратора эжекторного типа в иных аварийных условиях.

Как известно, “Практика – критерий истины”. 60-летняя практика эксплуатации ЛОНИИ-100 и 10-летняя практика эксплуатации АХВ-1000 подтвердила преимущества конструкций хлораторов с предохранительными клапанами динамического типа перед конструкциями с механическими клапанами.

В ФСП КРАВТ создан и постоянно действует научный коллектив, работающий в этом направлении. По результатам научно-исследовательских работ получено 3 патента на изобретения. В настоящее время РОСПАТЕНТ РФ рассматривает пять наших заявок на изобретение “Хлоратор”.

В 2000 году ФСП КРАВТ приняло участие в конкурсе научно-исследовательских проектов, организованных Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-производственной сфере при Министерстве экономики РФ. По результатам подведения итогов этого конкурса представленный нашим предприятием проект вошел в число победителей и предприятие получило государственную финансовую поддержку на реализацию проекта под названием “Модернизация хлоратора АХВ-1000 путем разработки системы автоматизированного сбора и контроля текущих значений функциональных параметров хлоратора в условиях эксплуатации”. Реализация этого проекта позволит получить современную информационную базу для исследований процессов хлорирования и на ее основе решение вопросов качественного улучшения этих процессов и возможности автоматического управления ими.

Как перспективную задачу научный коллектив рассматривает разработку аппаратов двухступенчатого обеззараживания воды на базе УФ-облучения и хлорирования или озонирования и хлорирования, что позволит повысить качество воды за счет уменьшения подаваемой дозы хлора и снижения хлорорганических соединений в обрабатываемой воде. Первые результаты нашей работы в этом направлении позволяют утверждать, что выход на российский рынок разрабатываемых нами новых аппаратов с комбинированным процессом обеззараживания воды позволит существенно повысить антибактериальную стабильность воды после прохождения объектов водоподготовки и значительно улучшить ее качество.

с клапанами механического типа

1 – контейнер с хлором; 2 – манометр; 3 – обратный клапан;

4 – запорный вентиль; 5 – фильтр хлора; 6 – манометр; 7 – редукционный

клапан; 8 – обратный клапан; 9 – ротаметр; 10 – регулировочный вентиль;

11 – обратный клапан; 12 – эжектор.

Рис. 2. Принципиальная схема хлорирования хлораторами

с клапаном динамического типа

1 – контейнер с хлором; 2 – манометр; 3 – обратный клапан;

4 – запорный вентиль; 5 – фильтр хлора; 6 – манометр; 7 – редукционный

клапан; 8 – отсутствует обратный клапан; 9 – ротаметр; 10 – регулировочный