Вода и ее применение
Общеизвестно, что жизнь на планете Земля возникла благодаря наличию воды. Именно воду или признаки ее присутствия в прошлом ищут американцы на планете Марс, чтобы ответить на вопрос, была ли жизнь на Марсе.
Вода — наиболее распространенное, доступное и дешевое вещество. В воде зародилась жизнь, вышла из нее, постепенно заселив сушу и воздух. Без воды немыслима жизнь на планете Земля, немыслима жизнедеятельность человека. Именно доступность и незаменимость воды обусловила ее широкое применение в быту, промышленности и сельском хозяйстве, медицине — во всех сферах человеческой деятельности. Трудно вспомнить, где вода не применяется. Но именно это и создает проблемы, связанные с ее подготовкой к использованию, с ее очисткой .
Вода — жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотность р = 1,000 г/см3 (при 3,98°С), Тплавл. = 0°C, Ткип = 100°C. Одно из самых распространенных веществ в природе. Гидросфера занимает 71% биосферы. Биосфера, включающая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами, ничтожно тонка — от глубин океанских впадин до высот снежных вершин слой биосферы достигает толщины всего 20 км, что составляет лишь 0,3% радиуса Земли. К тому же эта обетованная пленка на поверхности Земли в основном водная, и в этом смысле наша планета является планетой Воды.
Заглянем в «Словарь» Брокгауза и Ефрона: «минерал» (от mina — подземный ход, штольня) — это название дают однородным твердым или жидким неорганическим произведениям природы, определенного химического состава, входящим в состав твердой оболочки земли, а также и других небесных тел.
Таким образом, жидкая вода — жидкий минерал, твердая вода (лед) — твердый минерал. В последние десятилетия обнаружены большие запасы топлива в виде твердых кристаллогидратов природных углеводородов. Вода — прекрасный растворитель и потому невозможно встретить в природе жидкую «чистую» воду, то есть воду, в которой не растворены неорганические и органические вещества. Вода — прекрасная среда обитания живых организмов и потому невозможно встретить в природе «чистую» воду, т.е. воду, в которой бы не обитали микробы, бактерии, моллюски, рыбы и т.д.
Столь универсальный по свойствам и широте распространения минерал нашел чрезвычайно широкое использование в жизнедеятельности человека. Вода используется в быту, в промышленности, в сельском хозяйстве — где угодно. Приведу примеры того, в каких объемах используется вода.
В теплоэнергетике вода — теплоноситель и рабочее тело. Тепловые электростанции используют на производство одного гигаватта электроэнергии 32-42 м3 в секунду воды. В частности, на охлаждение конденсатора турбины только одного энергоблока используется от 6 до 10 тыс.м3/ч. Если учесть, что в 1990 г. СССР произвел 1,726 млрд ГВт-ч электроэнергии, а к 2010 г. планировал увеличить производство электроэнергии только на ТЭС на 50-55%, то можно считать, что развал СССР, резкое падение производства и значительное снижение объемов производимой электроэнергии спасли республики бывшего СССР от экологической катастрофы. В металлургии вода используется для охлаждения оборудования, как теплоноситель и как рабочее тело для ТЭС, которые есть на каждом металлургическом комбинате, но не относятся к Министерству энергетики. То есть, не учтены в вышеприведенных цифрах. Только на охлаждение одной доменной печи используется до 10 тыс.м3/ч.
В химии вода — растворитель; один из реагентов некоторых химических реакций; «транспортное средство», то есть среда, позволяющая перемещать реагенты, продукты реакции из одного технологического аппарата в другой; теплоноситель и хладагент в тепловых процессах. В конечном итоге, вывод в окружающую среду жидких отходов производства осуществляется тоже в виде водных растворов и суспензий. Указать общие объемы воды, используемой химической промышленностью, не представляется возможным. Чтобы иметь хоть какое-то представление об объемах используемой воды и водных растворов, укажу, что только содовые заводы СССР выпускали в год свыше 1 млн т кальцинированной соды, а на производство 1 т кальцинированной соды (только в виде раствора хлорида натрия — рассола) расходовалось 5,5 м3 рассола. Потом в технологическом процессе этот объем увеличивался приблизительно в два раза и выводился в виде жидких отходов. Перемножить между собой эти цифры сможет сам читатель.
В медицине вода — растворитель, лекарственное средство, средство санитарии и гигиены, «транспортное средство». Повышение уровня медицинского обслуживания и рост народонаселения планеты Земля естественным образом ведет к росту водопотребления на медицинские цели.
В сельском хозяйстве вода — транспортное средство питательных веществ к клеткам растений и животных, участник обменных реакций, участник процесса фотосинтеза, реакций гидролиза, регулятор температуры живых организмов. Объемы воды, которые затрачиваются для полива сельскохозяйственных растений, при кормлении животных, птицы, не уступают объемам, используемым промышленностью.
В быту вода — средство санитарии и гигиены, участник химических реакций, протекающих при приготовлении пищи, теплоноситель, транспортное средство, удаляющее продукты жизнедеятельности человека в канализацию. Норма водопотребления на одного человека существенно разная по отдельным городам. Так, например, в Санкт-Петербурге она — 0,70 м3/мес, в среднем по Украине — 0,32 м3/мес, а в Европе — 0,11 м3/мес. Вспомните о приблизительно 6 млдр. человек, населяющих планету Земля и вам станет ясно, почему время от времени возникают разговоры о все возрастающих проблемах с питьевой водой даже в «мокрых» регионах планеты.
Что такое «чистая» вода?
Понятно, что для минерала, происходящего из разных месторождений, разного состава и столь широкого диапазона применения не могут быть сформулированы единые требования по «качеству». К сырой воде, то есть воде из источника водоотбора, требования одни. К «очищенной» воде, то есть воде, подготовленной к дальнейшему использованию, требования совершенно другие.
Более того, представления о качестве используемой воды с годами меняются, отражая:
- знания о влиянии на живой организм или технологический процесс отдельных компонентов раствора, называемого водой;
- разработанные и освоенные методы анализа;
- уровень развития науки и техники;
- «обратную связь» между потребляемой человеком водой и тем набором растворенных веществ, твердых включений и микроорганизмов, которые сбрасываются в виде сточных вод, жидких отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.
Например, лет 200 назад для оценки качества питьевой воды использовались только органолептические методы: оценка цвета, вкуса, запаха. Сейчас перечень анализов, выполняемых санитарной лабораторией предприятия пищевой промышленности, размещается на двух страницах, заполненных мелким шрифтом. По традиции в таком списке остаются и органолептические показатели качества. Полученные в виде анализа знания о составе воды из источника водоснабжения должны вести к технологическим приемам очистки от тех или иных загрязнений. Так мы естественным образом переходим к обсуждению методов водоподготовки и водоочистки.
Что такое водоподготовка и очистка воды?
Обратимся к справочной литературе.
Энциклопедический словарь медицинских терминов сообщает: «Очистка воды (син. очистка природных вод) — комплекс санитарно-технических мероприятий, направленных на удаление примесей, представляющих опасность для человека».
Малая медицинская энциклопедия: «Очистка воды — обработка воды с помощью различных технологических приемов (коагуляция, фильтрация и др.) с целью улучшения ее органолептических и физико-химических свойств в соответствии с требованиями ГОСТ — см. «вода».
Сельскохозяйственный словарь: «Очистка воды — приведение качества исходной воды в соответствие с требованиями потребителя. Способы очистки воды: осветление (устранение мутности), обесцвечивание (устранение органических веществ), обеззараживание, дезодорация, опреснение, умягчение».
Большая Советская Энциклопедия: «Водоподготовка — обработка воды, поступающей из природного водоисточника на питание паровых и водогрейных котлов или для различных технологических целей. Водоподготовка производится на ТЭС, транспорте, в коммунальном хозяйстве, на промышленных предприятиях.
Подведем итог.
Водоподготовкой условились называть приведение качества воды в соответствие с требованиями промышленных предприятий. Очисткой воды, используемой для нужд человека и животных, называют приведением качества воды к нормам, обусловленным соответствующими ГОСТ.
Очисткой сточных вод, сбрасываемых промышленными и коммунальными предприятиями, по аналогии назовем приведение состава жидких стоков в соответствие с нормами ПДК (предельно допустимых концентраций).
Как уже отмечалось выше, в связи с ростом знаний и ухудшением экологической ситуации как следствием жизнедеятельности человека нормы на потребляемую воду все время пересматриваются. Чтобы им соответствовать, совершенствуются технологии очистки воды, оборудование.
Например, фармакопея США (USP) дает определение нескольким типам воды: очищенная вода, вода для инъекций, стерилизованная вода, стерильная вода для инъекций, стерильная бактериостатическая вода для инъекций, стерильная вода для ингаляций и стерильная вода для орошения. USP устанавливает нормы методов стерилизации и расфасовки для отдельных видов используемой воды.
Источник
Вода как рабочее тело
Особенности теплофизических и эксергетических характеристик воды, как рабочего тела энергетики
Одесский национальный политехнический университет
Понять воду — значит понять Вселенную,
все чудеса природы и саму жизнь.
Непрерывное производство электроэнергии является необходимым средством для существования человечества. Чрезвычайно важно для Украины, как и для других стран, эффективное превращение теплоты в механическую работу с помощью рабочего тела, обладающего определенными свойствами.
В последнее время внимание человечества приковано к использованию в различных отраслях науки и техники достижений нетрадиционной энергетики. Но по-прежнему не иссякает интерес к изучению различных особенностей воды, как самого распространенного рабочего тела энергетики.
Тепломеханический цикл У.Ренкина, состоящий из двух изобар и двух адиабат, более 150 лет служит основным средством для превращения теплоты в механическую работу, которую в дальнейшем превращают в электрическую энергию. Но, несмотря на многочисленные исследуемые и внедренные методы повышения эффективности этого паросилового цикла, его тепломеханический коэффициент (ТМК) не превышает на практике пятидесяти процентов.
В цикле У.Ренкина (рис.1) повышение начальной температуры перегретого пара, ведущего к увеличению ТМК, ограничено низкой критической температурой воды (374 о С).
Кроме того, недостатком воды является и высокая теплоёмкость СН2О = 4,19 кДж/(кг*К), что вызывает дополнительное расходование топлива на подогрев воды до температуры кипения при начальном давлении пара.
Эти особенности воды тормозят расширение температурного интервала в процессах подвода и отвода теплоты, позитивно влияющего на эффективность работы электростанций.
Рис. 1. Цикл Ренкина и эквивалентный ему цикл Карно в диаграмме T — S
Критическое состояние веществ, в котором две различные фазы, находящиеся между собой в равновесии, становятся тождественными по всем своим свойствам, давно изучаются учеными.
Примером равновесия двух фаз одного и того же вещества может служить кипящая вода и находящийся над ней пар.
Паровая и жидкая фазы воды при докритических параметрах резко различаются по своим свойствам. Жидкость имеет более значительные, чем пар, плотность и вязкость. На масштабных диаграммах T — S и P — v ясно видна граница, разделяющая жидкость и пар [1].
Если такую систему нагревать в закрытом сосуде, то по мере повышения температуры, свойства сближаются: плотность пара увеличивается вследствие испарения жидкости, а плотность жидкости уменьшается, благодаря тепловому расширению
При определенных для каждого вещества значениях температуры и давления, свойства обеих фаз становятся совершенно одинаковыми. Границы раздела между ними исчезают, и система становится однородной в критической точке.
Как это ни странно, всесторонние свойства воды и водяного пара еще недостаточно исследованы.
В частности, в литературе и на практике не встречаются количественные и графические результаты для удельных внутренней энергии (u), эксергии (e) и анергии (а) воды для граничных состояний, а также – при ее критических параметрах. Этот пробел восполнен авторами.
В таблице 1 приведены теплофизические свойства воды при ее критических параметрах.
Удельные внутренняя энергия, эксергия и анергия воды вычислены впервые, на основании формул:
где критические характеристики Н2О: удельная энтальпия h кр , давление P кр и удельный объем v кр выбраны в критической точке, а h о и s о — по давлению окружающей среды P =100 кПа и температуре окружающей среды t о =20º С — из [2].
Напомним, что э ксергия – это максимальная часть энергии, которую можно превратить в полезную работу в условиях окружающей среды неограниченной емкости. В то время, как анергия – это часть энергии, которую невозможно превратить в полезную работу ни при каких обстоятельствах.
Поэтому е стественные процессы, в связи с различными диссипативными явлениями (трением, завихрениями, флуктуациями) — всегда асимметричны и сопровождаются потерями эксергии разного вида [3,4].
Источник
Вода как рабочее тело
Вода — однородное химическое соединение, молекула которой состоит из трех атомов, принадлежащих двум химическим элементам — водороду и кислороду. Вода является прекрасным растворителем, поэтому все природные воды представляют собой растворы, содержащие разнообразные вещества — соли, газы.
Вода и водяной пар как рабочее тело и теплоноситель получили наибольшее применение в промышленности. Это объясняется широким распространением воды в природе, а также тем, что вода и водяной пар обладают относительно хорошими термодинамическими характеристиками.
Так, теплоемкость воды выше теплоемкости многих других жидкостей и твердых тел и в пределах от 0 до 100 °С при атмосферном давлении она равна 4,19 кДж/(кг- К), или 4,19 кДж/(кг °С). Теплопроводность воды Вт/(м-К), в отличие от теплопроводности других жидких и твердых тел с повышением температуры до 120. 140°С увеличивается, а при дальнейшем повышении температуры — уменьшается. Плотность воды изменяется с температурой. Наибольшей плотностью вода обладает при 4 °С.
Процесс перехода воды из жидкого состояния в газообразное (пар) называется испарением, а из газообразного в жидкое — конденсацией. Превращение воды в пар может протекать как при испарении, так и при кипении. Испарение — это процесс образования пара, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. При испарении молекулы воды отрываются от поверхности жидкости, имея относительно большие скорости. Вследствие этого средняя скорость движения молекул в массе воды уменьшается и температура жидкости понижается.
При подводе теплоты в процессе нагревания температура жидкости и интенсивность ее испарения увеличиваются, и при определенных температуре и давлении жидкость закипает.
Кипение — это процесс интенсивного парообразования во всей массе жидкости, который получает развитие при ее нагревании, т.е. подводе к системе определенного количества теплоты. При атмосферном давлении температура кипения составляет приблизительно 100 °С. С повышением давления температура кипения возрастает и, наоборот, в условиях пониженного давления (высоко в горах) температура кипения снижается.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превращения ее из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования г. С повышением давления скрытая теплота парообразования уменьшается (табл. 1.1).
Ранее было отмечено, что конденсация — это процесс превращения пара в жидкость, называемую конденсатом.
Таблица 1.1 Свойства воды и сухого насыщенного пара
Источник
