Реферат - Піменов Костянтин Юрійович - Розробка автономних регіональних комплексів водопостачання та енергозабезпечення

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение
1. Актуальность темы
2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
3. Обзор исследований и разработок
3.1 Обзор международных источников
3.2 Обзор национальных источников
3.3 Обзор локальных источников
4. Автономные комплексы водо- и энергообеспечения важнейшая составляющая глобальной экологизации
Выводы
Список источников

Введение

Проблема извлечения воды из воздушного бассейна – актуальная научная задача, которая к настоящему времени не имеет устоявшегося и доминирующего решения. В подавляющем большинстве случаев разработки остаются на уровне патентов. Конструктивные решения, подтверждающие заявленные в патенте данные, единичны. Нарастающий дефицит пресной воды на планете, вызванный перенаселением и загрязнением существующих источников, выводит задачу бесперебойного и качественного водоснабжения населения на передний план. Стоит заметить, что одним из основополагающих факторов существования человеческой цивилизации, на нынешнем этапе, является снабжение энергией. Разработка и включение в производство любых инновационных методик и конструктивных решений должны коррелировать со снижением антропогенной нагрузки.

1. Актуальность темы

Поскольку внедрение экологичных технологий затруднено в современном мире (отсутствие финансирования, топливное и энергетическое лобби, высокая стоимость единичных проектов и т.п.), разработка проектов в этом направлении, а также, их приспособление к реальным существующим условиям, является инновационной деятельностью, направленной на максимальное приближение таких технологий к рядовому обывателю. Прикладное значение выполняемой работы состоит в возможности реализовать концепцию в условиях низкого финансирования, слабой инфраструктуры и уровня развития цивилизации в данном регионе. Внедрение аппаратов водообеспечения является важнейшей задачей на пути не только экологизации, но и выживания человечества в целом.

В качестве объекта исследования в научной работе выступают комплексы автономного водо и энергообеспечения. Их создание и использование в производственных циклах, а также применение в различных условиях планеты являются основополагающей задачей. Предметом изучения выделяется комплекс из аппаратов, которые позволяют создать замкнутый цикл производства воды и электричества, на основе существующих методик.

По существующим данным, годовое испарение воды с поверхности планеты, составляет более 570 млн. тонн. Этот объём выпадает в виде осадков, совершая цикл несколько десятков раз. Речной годовой сток составляет лишь 7% от общего количества осадков. Таким образом, основной источник пресной воды – атмосферный воздух – оказывается неиспользуемым. По данным существующих работ [1] средняя абсолютная влажность близ земной поверхности составляет 11 г/см3 , а иногда и выше. Большое количество стран тропического и умеренного пояса страдает от недостатка водных ресурсов, хотя их запасы в атмосфере весьма велики. Условия климата в засушливых областях планеты не позволяют водяному пару достичь насыщенности, при которой возможно выпадение осадков. Следствием этого становится невозможность традиционного круговорота воды.

Наиболее проблемными районами, с точки зрения биогеографической классификации, можно считать климаты пустыни, с нерегулярным выпадением осадков: экваториальные климаты ( побережье Перу), тропические (юго-западная Африка, Аравийский полуостров), с заметно выраженными сезонами осадков (Сахара, Калифорния, восточный Туркестан). Климаты внепустынных областей: внутритропические с наличием или отсутствием сухого сезона, внетропические континентальные и средиземноморские, субполярные и полярные. [2] Издавна пресную воду получали путём сбора сконденсированных капель из воздуха в результате естественного суточного радиационного охлаждения земной поверхности, а также охлаждения в ночное время в пустынных областях пористых камней с образованием на них росы. Полученные объёмы были крайне незначительны. На современном этапе существуют различные методики опреснения и конденсации воды, сопряженные с выработкой и потреблением электрической, либо другой, энергии. Главный и определяющий вопрос этой проблемы – себестоимость литра воды, мобильность установки и соответствующая производительность. Естественно, имеет значение и стоимость самой установки.

Исходя из данных требований, в работе предложены пути решения задачи в условиях юга Украины, Причерноморья, Центральной Азии, Средиземноморья, умеренных широт и тропиков.

Поскольку современная концепция развития экологии в целом, а значит, и инженерной экологии, предусматривает минимизацию затрат ресурсов и энергии, будем следовать правилу наименьших затрат и нагрузки на окружающую среду.

Для решения поставленной задачи, предлагается применять альтернативные по своему подходу методы, а именно: биологический и технический. В существующей литературе описано множеств технических решений данного вопроса, однако, важным упущением является отсутствие финансового обоснования и подбора материалов для исполнения. Биологическим же путём воду человечество не добывает, из-за отсутствия приемлемых методик. Предложенный метод должен стать основополагающим в развитии этого направления экологии и биологии.

На пути решения поставленной цели необходимо исследовать существующие методики конденсации газо-воздушной смеси, а также обосновать наиболее приемлемые для использования в реализации предлагаемой концепции. Возникает задача показать связь водо- и энергоснабжения, указать на возможность сопряженного использования аппаратов и, как следствие, выявить наиболее рациональный подход в решении проблемы водообеспечения, с помощью пассивной и принудительной конденсации. В ходе работы будет разработана схема замкнутого комплекса, а также предложены варианты размещения подобных установок. Исходя из необходимости контроля и поддержания деятельности предлагаемого объекта – методики его управлением. Рассмотрение инновационных подходов и объединение их наработок позволят предложить конкретные параметры установок, материалы и стоимость их исполнения.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель исследования состоит в разработке концепции замкнутого автономного комплекса, который сможет обеспечить потребителя водой и электрической энергией. Такой подход создаст условия для жизни в любой отдельной точке планеты, где климат позволит достичь приемлемых показателей эффективности работы оборудования. В промышленном же масштабе, внедрение подобных технологий станет шагом к экологизации существующих промышленных комплексов и снижению нагрузки на природные источники водоснабжения и топливных ресурсов. На пути решения поставленной цели необходимо исследовать существующие методики конденсации газо-воздушной смеси, а также обосновать наиболее приемлемые для использования в реализации предлагаемой концепции. Возникает задача показать связь водо- и энергоснабжения, указать на возможность сопряженного использования аппаратов и, как следствие, выявить наиболее рациональный подход в решении проблемы водообеспечения, с помощью пассивной и принудительной конденсации. В ходе работы будет разработана схема замкнутого комплекса, а также предложены варианты размещения подобных установок. Исходя из необходимости контроля и поддержания деятельности предлагаемого объекта – методики его управлением. Рассмотрение инновационных подходов и объединение их наработок позволят предложить конкретные параметры установок, материалы и стоимость их исполнения.

Основные задачи исследования:

Предполагается воспользоваться системным подходом в изучении поставленного вопроса. Сбор и анализ данных позволят провести ряд теоретических, аналитических и прикладных действий. В конечном итоге, возникает возможность разработать на их основе такие инновационные, управленческие и ресурсосберегающие технологии, которые устраняют или хотя бы снижают отрицательное воздействие на окружающую природную среду и население селитебных территорий, а также мотивируют персонал на их внедрение и реализацию. Поскольку внедрение экологичных технологий затруднено в современном мире (отсутствие финансирования, топливное и энергетическое лобби, высокая стоимость единичных проектов и т.п.), разработка проектов в этом направлении, а также, их приспособление к реальным существующим условиям, является инновационной деятельностью, направленной на максимальное приближение таких технологий к рядовому обывателю. Прикладное значение выполняемой работы состоит в возможности реализовать концепцию в условиях низкого финансирования, слабой инфраструктуры и уровня развития цивилизации в данном регионе. Внедрение аппаратов водообеспечения является важнейшей задачей на пути не только экологизации, но и выживания человечества в целом.

3. Обзор исследований и разработок

1. История водоснаб. http://works.doklad.ru/view/ZGEizkLjBZA/all.html

2. Абрамов Н.Н., Водоснабжение, М., 1967

3. Фальковский Н.Н., История водоснабжения в России, М. – Л., 1947.

4. Гальперин М. В. «Экологические основы природопользования»: учебник. 2-е изд., испр. – М.: ИД «ФОРУМ», 2009. - 256 с: ил. - (Профессио¬нальное образование).

4. Неверов Л.В. «Экономика природопользования». – М.: Наука, 1991. – 320с.

5. Папенов К.В. «Экономика и природопользование». – М.: Изд-во МГУ, . – 240с.

6. Л.С. Юдасин, «Энергетика: проблемы и надежды», М., «Просвещение»,1990.

7. Е.Б. Борисов, И.И. Пятнова , «Ключ к Солнцу», М., Мол. Гвардия, 1964.

8. Проценко А.Н., «Энергия будущего» , М., «Мол. Гвардия», 1980.

9. Конденсация. Типы конденсаторов. https://ru.wikipedia.org/wiki/

10. Типы осаждения http://www.studfiles.ru/preview/5251703/page:3/

11. Межфункциональные связи. http://www.studfiles.ru/preview/407081/

12. Конюшков А.М., Водоснабжение предприятий тяжелой промышленности, М.,1950

13. Алексеев В. В. Получение пресной воды из влажного воздуха [текст]/ В. .Алексеев, К. В. Чекарев // Аридные системы, Т. 2, 1996. №2-3.

14. Andrew Delano, Design Analysis of the Einstein Refregeration Cycle. Georgia Institute of Technology, June 1998.

15. Журнал Plumping and Mechanical.

16. Получение атмосферной воды. https://rg.ru/2013/08/26/voda.html

17. Цены на электроэнергию в различных странах. http://ukrtermodom.com.ua/articles/tarify-elektroenergii-v-raznyh-stranah

18. Цены на воду. https://ria.ru/infografika/20141120/1033874028.html

19. Строение солнечной электростанции. http://greenevolution.ru/enc/wiki/solnechnaya-elektrostanciya/

20. Конструкция электростатического осадителя. http://ukrnano.net/index.php?option=com_content&task=view&id=14&catid=10

4. Автономные комплексы водо- и энергообеспечения важнейшая составляющая глобальной экологизации

Исследование проблемы водоснабжения в историческом аспекте

В ходе развития человеческой цивилизации, жизнь общества была связана с источниками воды, а затем, и с получением различных видов энергии. Большинство крупных поселений древних людей тяготели к рекам и озёрам, которые служили бесперебойными источниками пресной воды. Именно ограничение ресурсов питания и пресной воды стали лимитирующими факторами для растущей популяции человека. Первоначально методика водозабора состояла в простейшем сборе речного и прочего стока. Очистка воды, на тот момент, не была первостепенной задачей, в силу адаптированности организма древнего человека к природным загрязнителям и отсутствия острых токсикантов в потребляемой жидкости. В ходе развития поселений в города, появилась необходимость централизованного водоснабжения. Для её решения были предложены различные способы доставки воды от первоначального источника. Комплекс инженерных сооружений и устройств, предназначенных для получения воды из природных источников, ее очистки и подачи потребителям называют системой водоснабжения.

Наиболее древние водопроводные сооружения обнаружены при раскопках в 20 столетии на берегах крупных рек.

Египет

С древнейших времен воды Нила несли египтянам бедствия и процветание. Нил являлся основным источником воды в стране. Ежегодные разливы реки обуславливали необычайное плодородие речной долины. Однако иногда потоки воды несли с собой опустошение земель. Нил течет по наносной равнине, поэтому его приливы и отливы вызывают ежегодное движение земли. Когда уровень воды в Ниле становится минимальным, земля полностью высыхает. Во время разлива сухая земля впитывает воду, как губка, и разбухает на 30–70 см. После того, как вода спадает, земля вновь опускается до своего обычного уровня, но не равномерно. Древний Египет занимал всю дельту Нила на севере и тянулся на юг по песчанику и известняку. Территория государства была разделена на два отдельных царства, располагавшихся вверху и внизу по течению Нила. Около 3000 года до н. э. фараон Менес (Мена) объединил оба царства в единое мощное государство, просуществовавшее более 3000 лет. Свое правление он начал со строительства резервуаров для отвода воды во время наводнений, рытья каналов и ирригационных канав для мелиорации болотистой почвы. Развитие инженерного искусства в Египте способствовало созданию к 2500 году до н. э. обширной системы каналов, рвов и желобов, просуществовавшей до римского вторжения. Египтяне достигли довольно высокого уровня в конструировании дренажных систем благодаря особой роли, которую вода играла в их жизни и в ритуалах очищения и похорон фараонов. По религиозным представлениям египтян смерть была лишь переходом от одной формы жизни к другой. Для загробной жизни им требовались еда, одежда и другие предметы обихода. В некоторых гробницах археологи находили и ванные комнаты. Во время раскопок усыпальницы фараона Сахуры в Абусире были обнаружены ниши в стенах и развалины каменных бассейнов. Они были отделаны металлом и могли быть использованы в качестве туалета. Сток в бассейне был перекрыт свинцовой пробкой, крепившейся цепочкой к бронзовому кольцу. Бассейн мог опустошаться через медную трубу, ведущую к коллектору, расположенному ниже. Диаметр трубы был около 60 см, а толщина ее стенок составляла около 2 см. В храмовой пирамиде, построенной Аменхотепом IV (Эхнатоном), была найдена латунная дренажная труба, ведущая из верхнего храма вдоль мощеной дороги к наружному храму на реке. Древние египтяне широко использовали трубы и различные техники изготовления медных сплавов. Они применяли глиняные трубы, изготавливавшиеся из соломы и глины. Процесс их создания заключался в следющем: сначала сушили на солнце, а затем обжигали в печи. Совершенствуя глиняные трубы, египтяне смогли осушить самые низкие районы долины Нила, что позволило им превратить всю страну в цветущий сад. В Египте также была изобретена и введена в широкое применение нория. Она представляла собой цепь, на которой подвешены ковши или черпаки, передвигавшиеся по кругу при помощи колеса, для захвата жидкостей и сыпучих материалов. Египтяне были искусны в работах по металлу. Они плавили металл в горшках из огнеупорных материалов – тиглях. Высокие температуры обеспечивались тем, что люди раздували огонь при помощи тростниковых мехов с глиняными наконечниками. Расплавленный металл выливали и давали ему остыть, затем его отбивали гладкими камнями до необходимой толщины. Далее метал резали, придавая ему определенную форму. Найденная в одной из гробниц роспись показывает технологию процесса выплавки металла. Дома состоятельных египтян были очень просторными. Они включали в себя залы, спальни, столовые, ванные комнаты и комнаты для прислуги. Ванная у египтян представляла собой небольшую комнату с квадратной плитой из известняка в углу. На этой плите стоял хозяин дома, а рабы поливали его водой. Сточная вода стекала в большой бак под полом или по глиняной трубе вдоль стены в бак на улице. Воду из них затем выливали слуги. Были обнаружены также туалеты с сидениями из известняка, сток из которых, скорее всего, осуществлялся прямо в песчаную почву.

Греция

На севере Греции, на месте Олимпии (богатой метрополии, жители которой наслаждались роскошью и последними достижениями систем водоснабжения), во время раскопок были обнаружены ванные комнаты, отделанные плиткой, и бассейны со стоком. Некоторые из таких бассейнов сохранились до наших дней почти не разрушенными. Подземные трубы делались из глины, свинцовые трубы найдены не были. Древние водопроводчики с опаской относились к свинцу. Тем не менее во время раскопок в одной из ванных комнат был найден бассейн, скрепленный свинцовой скобой. Судя по форме найденных бассейнов, купальщики скорее всего сидели, опустив ноги в углубление внизу бассейна. Вероятно, такой обычай был следствием распространения идей Гиппократа, говорившего, что сидеть в ванной полезнее, чем лежать. «Отец медицины» также был сторонником холодного душа, считая его чуть ли не панацеей. Древние греки прилежно следовали всем его советам, поскольку серьезно относились к поддержанию физической и духовной формы. Их отношение к физическим упражнениям и чистоплотности нашло отражение в организации в 776 году до н. э. Олимпийских игр. В любом крупном городе, начиная с VII века до н. э., можно было найти гимнастический зал, оснащенный ванными комнатами с горячей и холодной водой. Однако, поскольку использование горячей воды считалось уделом женщин, мужчины по большей части предпочитали холодный душ. Для этой цели существовали специальные мраморные резервуары около 76 см в высоту. Частные ванные комнаты, как правило, содержали переносные глиняные кадки для дам, которые предпочитали теплые и расслабляющие водные процедуры. ля греков было очень важно проявить гостеприимство по отношению к путешественникам. Предложить путнику ванную считалось хорошим тоном. Многие дома в древней Греции были оснащены туалетами, сток из которых осуществлялся в сточные трубы под улицами. Скорее всего, эти трубы промывались водой. Некоторые из них имели вентиляционные шахты. Особое внимание греки уделяли охране своих систем водоснабжения. Чтобы избежать перекрытия подачи воды в город врагами, трубы чаще всего прятались под землю, иногда на глубину 18,3 м. Некоторые из таких подземных труб были настолько широки, что в них могли разойтись два человека. При этом самые широкие трубы соединялись с поверхностью при помощи больших скважин. Водоснабжение в Афинах обеспечивалось при помощи большого количества акведуков, поставлявших воду с гор. Жители также во многом зависели от глубоких скважин, которые им приходилось рыть в твердом каменном грунте. Вся вода, приходившая в город, направлялась в цистерны, которые по очереди обеспечивали водой множественные фонтаны, некоторые из которых используются и по сей день. Аналогично вода направлялась в дома состоятельных граждан (Рис. 1.1.1).

Рисунок 1.1.1 – Сравнение конструктивной схемы акведука и трубопровода

Для древних греков все в природе было отмечено божественным присутствием. Вода же играла ключевую роль в развитии их культуры. Например, сооружение фонтанов и источников наполнялось определенным мистическим смыслом и связывалось с обширным пантеоном богов и богинь, которым поклонялись древние греки. Свободный гражданин греческого полиса принимал три самые важные ванны в жизни: при рождении, на свадьбе и после смерти. Чтобы обеспечить долгую и счастливую семейную жизнь, невеста мылась в воде, взятой из фонтана Калиррхо с девятью трубами. В Афинах фонтан Калиррхо был также и главным источником водоснабжения, вода в который поступала из реки Иллизий. Во времена древних греков был совершен значительный скачок в развитии систем водоснабжения, в особенности снабжения холодной водой. Однако развить их успехи суждено было другим. В 201 году до н. э. под натиском римских легионов пал Карфаген, а четырьмя годами позже – Македония. Древние греки утратили самостоятельность, а также все свои завоеванные земли на Ближнем Востоке: Ассирию, Иудею, Египет.

Израиль

Столица древнего Израиля расположена на высоте 762 м над уровнем моря. В X в до н. э. Иерусалим был своеобразной буферной зоной между воюющими Ассирией и Египтом, а позже оказался под воздействием культуры, распространенной на восток Александром Македонским. К 173 году до н. э. Иерусалим превратиться в типичный греческий город, полный гимнастических залов. Затем эту территорию завоевали римляне, и воздвигли величественные сооружения с системой водоснабжения, их обслуживающей. С момента появления город полностью зависел от спрятанных скважин и подземных цистерн. Питаемый подземными водами, Источник Гиона, расположенный на восточном спуске холма Офела в Иерусалиме, был единственным источником воды в этой части города. В зависимости от сезона он обеспечивал город водой хуже или лучше. При помощи Источника Гиона осуществлялась ирригация близлежащих полей и садов по нескольким открытым каналам вдоль русла Кидрона. Еще в самых древних поселениях на месте Иерусалима городской водопровод начинался за стенами города. Как и другие цивилизации, древние иудеи вынуждены были защитить доступ к воде от врагов, которые могли отрезать водоснабжение города. Существовал туннель, который доставлял воду в город и отводил ее в подземный бассейн, скрывая драгоценный источник. Позволяя пережить возможную осаду города ассирийцами, туннель стал примером небывалого мастерства древних инженеров. Для того чтобы вырыть туннель длиной 233 м в твердом каменном грунте, потребовалось около семи месяцев. Работы велись одновременно с противоположных сторон горы к ее центру для того, чтобы соединить акведуком Вифлеем и Иерусалим. Ориентируясь лишь по трещине от воды, рабочие смогли прорыть туннель шириной примерно 91 см и 91–273 см высотой. Во время работ один человек рубил скалу, а другие за его спиной собирали обломки камня в корзины и передавали назад. В месте, где две работавшие с противоположных сторон команды встретились, археологи нашли надпись «день туннеля», в котором «ломщики камня продвигались по направлению друг к другу с каждым взмахом мотыги». Туннель доставлял воду из Источника Гиона к скрытой точке у западной стены Иерусалима. На протяжении веков Иерусалим был мало населен. Он начал расти во времена библейского царя Давида, сделавшего его столицей своего царства. Ко времени воцарения его сына Соломона в 956 году до н. э. Иерусалим превратился в город с узкими, тесными улочками и просторными помещениями для королевского двора и свиты. Жители древнего Иерусалима сначала пытались прорубить скважину до подземных вод в пределах города, но это им не удалось. Примитивных орудий бронзового века для такого масштабного труда было недостаточно. Поэтому им пришлось копать и в вертикальном, и в горизонтальном направлении, создавая угловатый и темный туннель. Он спускался, окруженный высеченными из камня ступенями, располагавшимися спиралью вокруг 13-метровой шахты, и выводил к естественной пещере за стенами города. В дальнем конце пещеры (22,9 м в длину, 7,6 м в высоту и 46 м в ширину) был найден источник, не иссякший до сих пор.

Иудеи были одним из первых народов, религиозные представления которых содержали идеи гигиены и чистоты. Во время религиозных обрядов священнослужители омывали руки и ноги, а также жертву; в обыденной жизни иудеям предписывалось соблюдать личную гигиену. Водоснабжение Иерусалима начало развиваться с древнейших времен. Дренажные системы строились для осуществления стока из домов и с улиц, в то время как твердые отходы вывозились на телегах через специальные ворота. Храму требовалась особая «чистая вода», поэтому в городе существовали две отдельные системы водоснабжения. Это требовало дополнительных расходов, но древние водопроводчики разработали систему, позволявшую использовать сточную воду. Эта вода поступала по специальным каналам в коллекторы, где она хранилась, а затем использовалась для поливки полей. Любой излишек воды применялся для разведения садов. Более тщательно разработанные системы водоснабжения были обнаружены в менее крупных городах этого региона. Они включали основную трубу с ответвлениями, ведшими к домам. Во дворе Храма царя Соломона находилось «медное море» и 10 медных умывальниц на подставках. «Море» представляло собой 2-метровый бассейн из полированной меди, 4,6 м в диаметре и 7,7 см в толщину. Он находился на спинах 12 медных волов, располагавшихся четырьмя группами по трое. Библейские ученые подсчитали, что вес «моря» составлял 33 тонны, однако подтвердить эти данные невозможно. Бассейн был расположен около «Водных ворот» храма и соединялся с системой водоснабжения за пределами комплекса. Иудейский царь Ирод Великий создал уникальную систему водоснабжения в центре пустыни, превратив вершину Масада (гора, возвышающаяся на 450 м над морем) в крепость с фонтанами и зелеными садами. Обеспечение этой бесплодной земли водой было величайшим достижением инженерной мысли. Два небольших рва располагались в отдалении от крепости. Во время дождей они быстро наполнялись водой. Чтобы удерживать воду до необходимого уровня, были построены дамбы. При необходимости они открывались, и вода направлялась по акведукам и каналам к крепости. Ирод также сконструировал сеть резервуаров на вершине крепости и соединил их со стоками. Вся система снабжала водой два больших и пять маленьких дворцов. Северный дворец Ирода делился на три яруса. На римский манер, он включал баню, состоявшую из четырех комнат: горячей комнаты (калдариум), холодной комнаты (фригидариум) с небольшим бассейном с холодной водой, теплой комнаты (тепидариум) и прихожей с раздевалками. Стены были украшены фресками, имитировавшими мрамор и алебастр. Пол в прихожей был отделан мозаикой, позже замененной треугольной плиткой. Калдариум был самой большой комнатой бани. Под ним располагалась парная, пол которой поддерживался 200 небольшими колоннами из кирпича. По пористым глиняным трубам, спрятанным в стенах парной, вверх поднимался горячий воздух, нагнетавшийся в топке, расположенной ниже. Устройство бани напоминало бани в Помпеях и Геркулануме.

Средние века.

После падения римской империи в эпоху Средневековья наступила эпоха застоя, в том числе и в развитии санитарной техники. Города находились в антисанитарном состоянии, эпидемии уносили тысячи жертв. Начальные сведения об устройстве централизованных городских водопроводов в Европе относятся к 12 веку: -в конце 12 века построен первый самотечный водопровод в Париже – в 13 веке начинается централизованное водоснабжение Лондона – в 15 веке строятся водопроводы в немецких городах – в Японии первый водопровод построен в 1590 году в Эдо-Сити (Токио) – акведук длиной 79 км и распределительная сеть из деревянных труб.

Історія водопостачання в Росії.

З історії розвитку водопостачання в Росії відомо, що в 12 столітті на Ярославському дворище був самопливний водопровід, виконаний з дерева. А перший в Москві водопровід був споруджений ще у 1491 році за наказом великого князя Івана Васильовича III. Водопровід обслуговував виключно Кремль і призначався на випадок ворожої навали або, як вказувала літопис, "стану заради сидіння". Джерелом води було джерело в підземеллі Собакиной вежі (нині це кутова Арсенальна), від якої вода самопливом надходила по цегляній трубі у напрямку до Троїцької вежі. Другий за часом кремлівський водопровід з'явився вже при першому царя з роду Романових, Михайла, в 1633 році. Він був вельми досконалий по конструкції і представляв собою водопровід "напірного типу". Вода з Москви-ріки з цього водопроводу надходила самопливом в викладений білим каменем колодязь глибиною близько 9 і діаметром в 5 метрів, споруджений в Свибловой (Водовзводной) башті Кремля. Біля криниці стояла "водопідйомна машина", яка "Взвод" воду в спеціальний, викладений свинцем резервуар, споруджений на верхотурі вежі. І вже звідти Москворецкая водичка надходила по свинцевим трубах в царські кремлівські "двори" - Ситний, Хлібний, Кормовий, Конюшенний, а також в деякі палаци і верхній палацовий сад. Цей водопровід споруджувався російськими майстрами під керівництвом англійця Христофора Галовея, що перебували в царських відомостях "годинним і Водовзводную справ майстром". Працювати цей водопровід припинив на початку XVIII століття. Через те, що Водовзводную вежу після цього двічі відбудовували майже заново, слідів водопроводу не збереглося У 1718 році в Петербурзі за наказом Петра I побудований водопровідний канал. У 1722 році Петро наказав розробити "прожект з'єднання річок", але здійснити задумане не встиг. До ідеї Петра повернулися через 100 років - на початку царювання Миколи I. За 20 років будівництва каналу, що зв'язував річки Сестру і Істру, спорудили 38 кам'яних шлюзів, побудували греблю, яка дозволила створити на місці маленького озера велике водосховище, яке отримало назву Соняшникова або Сенежское. Але гроші, як це часто буває в Росії, закінчилися, і будівництво зупинилася. А в 1844 році припинилося і почалося було судноплавство по побудованій ділянці: прийшов століття залізниць і про канал забули. У 1721 року починають будуватися знамениті Петергофские фонтани - за своїми масштабами і досконалості водопровідної техніки вони перевершують Версальські. Будувалися Петергофские фонтани до 1750 року. Напірний басейн мав ємність близько 130 тис.куб.м. До одного з фонтанів "Самсону" підводився трубопровід діаметром 600 мм, висота струменя цього фонтану 21 м. Водопровід будувався для подачі води не тільки на господарсько-питні, але і протипожежні потреби. За даними 1911 року водопровід був тільки в 1911 містах з 1 063, що становить близько 21%. Віддалені частини не мали водопроводів взагалі, наприклад, Єкатеринбург. Навіть там, де були водопроводи, вони постачали центральні частини міста, наприклад, в Москві тільки 20% будівель отримували воду з централізованого водопроводу. Норма водоспоживання становила 25-30 л на людину на добу.

Сучасне водоспоживання значно зросла, в тому числі, за рахунок промисловості і комунального господарства, для потреб якого створюються спеціалізовані установки оборотного водопостачання та водоочищення.

На даний момент існують такі основні види водозабору:

Поверхневі джерела

Поверхневими джерелами називають річки і озера, на частку яких припадає лише 0,01% від обсягу всієї прісної води на Землі. При цьому, велика її частина знаходиться в річках, і тільки 1,47% припадає на озера. Більшість річок на планеті мають такий перебіг, що забезпечити подачу води з них природним способом не представляється можливим. Тому, багато хто з них перекриті греблями, що утворюють штучні відкриті резервуари для зберігання прісної води, які в ряді випадків використовуються для виробництва електроенергії, яка виробляється при скиданні води зі сховищ на турбіни. У світі не так-то й багато річок, які здатні забезпечити скидання великих об'ємів води за одиницю часу. До них відносяться: в Росії - Єнісей, в Південній Америці - Амазонка, в США - Міссурі і Міссісіпі, в Південна Азія - Брахмапутра і Ганг, в Китаї - Янцзи, в Африці - Конго (Заїр). На другому місці за значимістю, як джерела питної води, після річок і водосховищ, стоять озера, які сумарно вміщають до 125 тисяч кубічних кілометрів води. Крім подачі води з них безпосередньо на побутові потреби, частина прісної води з озер йде на забезпечення господарської діяльності людини - це зрошення сільськогосподарських угідь, вирощування риб, промислове, а найчастіше - харчове, виробництво і т. П. Іноді, безконтрольний забір прісної води з озер, які так швидко, як річки не можуть заповнити її запас, призводить до повного пересихання озер. Яскравим прикладом служить Аральське море,

Рисунок 1.1.2 – Схема расположения водных горизонтов

Те 50%, которые доступны, так бездумно отбираются, что если кардинально не исправить ситуацию, то уже через 40-50 лет, человечеству придется бурить скважины глубиной более километра, чтобы обеспечить себя питьевой водой. Примером могут служить подземные воды пустыни Сахара, объем которых, по последним подсчетам, составляет до 625 тысяч кубических километров. Но беда в том, что область их залегания такова, что пополнение подземного резервуара естественным путем не происходит, а откачка идет весьма интенсивно. Кроме этого, недавние геологические процессе в данной местности привели к тому, что подземные воды стали выходить на поверхность в виде родников, только небольшая часть которых приходится на места компактного проживания людей. Остальная же вода, в буквальном смысле уходит в песок. Как поясняют ученые, это происходит потому, что огромный пресный резервуар под Сахарой представляет собой несколько крупных озер, поверхность которых, после подвижек земной коры, пересеклась в некоторых местах с поверхностью Земли. От чего и образовались родники и даже артезианские источники, особенно там, где вода оказалась под значительным гидростатическим давлением. Когда воды в недрах Сахары не станет вообще, сказать точно нельзя, но что этот момент не за горами, об этом экологи говорят наверняка. Ко всему прочему, не помешало бы подобную воду пропускать через бытовые фильтры, но это не всегда возможно. Добыча подземных пресных вод идет намного большими темпами, чем это было возможно еще 20-30 лет назад. И связано это с появлением высокотехнологичной буровой техники и мощных насосов для подъема воды с больших глубин, что позволяет добывать за единицу времени значительные объемы воды. Однако, в некоторых регионах планеты, растущее потребление воды несет с собой негативные последствия. Дело в том, что подземные резервуары практически не пополняются водой естественным путем, и ее откачка приводит к снижению уровня воды, что влечет за собой увеличение расходов на ее добычу. Более того, в местах, где подземные резервуары полностью истощены, наблюдается проседание земной поверхности, что делает невозможным дальнейшую ее эксплуатацию, например, в качестве сельскохозяйственных угодий. В прибрежных районах ситуация складывается еще драматичней. Опустошенные водоносные горизонты, даже те, воду из которых можно извлекать еще в течении нескольких лет, смешиваются с соленой морской или океанической водой, что приводит к засолению почвы, и того небольшого объема пресной воды, который еще остался в прибрежном регионе. Проблема засоления пресной воды имеет еще одну причину, связанную с хозяйственной деятельностью человека. Ведь источником соли могут быть не только моря и океаны, а и удобрения или вода с высоким содержанием соли, которая используется для полива полей и садов. Такие процессы засоления подземных вод и грунта называются антропогенными, и сталкиваются с ними все больше цивилизованных стран.

Получение пресной воды из айсбергов

В заключении, уделим внимание добыче питьевой воды из айсбергов. Ученые утверждают, что только в ледниках материковой части Антарктиды находится до 93% всех запасов пресной воды на Земле, что составляет около двух тысяч квадратных километров замерзшей влаги. А поскольку, в скором времени, поверхностных и подземных источник питьевой воды на планете практически не останется, то придет такой момент, когда человечество будет вынуждено обратить свое внимание на айсберги. Идею добывать питьевую воду из ледников впервые высказал еще в XVIII веке английский мореплаватель и первооткрыватель Джеймс Кук, более известный тем, что был съеден аборигенами. И хотя это, всего лишь легенда, помнят его не за революционную по тем временам идею — добывать воду с ледников Антарктиды, а за нелепую смерть в котле людоедов, которого на самом деле и не было. Почему Кук обратил внимание на айсберги, как на источники пресной воды, — доподлинно неизвестно. Но тот факт, что мореплаватель первым предложил использовать куски льда в дальних морских походах в качестве естественных хранилищ запасов воды, об этом мы знаем наверняка из ряда письменных источников, дошедших до наших дней. Современные последователи Кука пошли еще дальше, и предлагают откалывать от ледников огромные куски льда, чтобы доставлять их затем в регионы, где наблюдается дефицит питьевой воды. На первый взгляд идея гениальная, но при реализации подобного проекта могут возникнуть трудности, преодолеть которые невозможно, даже при современном развитии техники. Отколоть от ледника айсберг большого размера довольно проблематично, и традиционные механические инструменты, а также направленный взрыв, здесь не подходят, ибо айсберг может расколоться. Доставить айсберг к месту назначения, не потеряв при этом значительную его часть, которая просто растает в теплых водах и под палящим солнцем, просто невозможно. Даже если будет изобретен действенный способ «консервации» айсберга, исключающий его таяние, для его перемещения понадобится несколько мощных морских судов, работа которых должна быть максимально слаженной. Переработать на пресную воду такое огромное количество льда без значительных потерь вряд ли получится. Как видим, даже в случае, если будет изобретен эффективный способ разработки ледника и доставки его частей к месту назначения, работы эти будут настолько затратными, что стоимость одного литра пресной воды получится астрономической. Однако, ученые полагают, что какими бы трудностями не сопровождалась добыча льда в Антарктиде, и его доставка потребителям, в скором будущем мы станем свидетелями воплощения идеи Джеймса Кука в реальность. Тем более, большую заинтересованность в этом вопросе уже проявляют такие страны, как Австралия, Египет, Саудовская Аравия, Франция и США.

Выводы

В ходе первого раздела мы рассмотрели исторический процесс развития систем водоснабжения и акцентировали принципиальную связь потребностей человечества в пище, воде и источнике энергии.

На данный момент, для получения чистой питьевой воды пользуются такими методами, как: бурение скважин, опреснения морских вод, топки льда, сбор и очистка речного и дождевого стока, повторная очистка и использование стока городов и предприятий. Основной проблемой всех этих методов является полнота водных ресурсов и повсеместное загрязнение водотоков различными видами отходов. В контексте экономической науки, было показано, что экологический эффект и эффективность производства, является следствием и отражением экономических показателей и эффективности. Исходя из этого, невозможно достичь приемлемых экологических показателей, без высокой рентабельности предприятия. Вопрос менеджмента, то есть максимизации положительного эффекта от работы при минимальных затратах разного рода ресурсов, является принципиально важным, наряду с разработкой новых методик получения, передачи и использования описываемых ресурсов, которые становятся своеобразным видом товара для реализации.

Следует понимать и различать потребности человеческого общества в целом и перспективные научные разработки, позволяющие действовать в консервативных условиях среды. Общие потребности имеют необходимость в простоте и дешевизне решений, в то время, как научные разработки призваны решать сложные частные задачи, с применением избыточных ресурсов и большого финансирования для достижения цели. В нашем случае, цель заключается в формировании комплексов, которые можно применить для работы в неблагоприятных для проживания регионах планеты. Часто, здесь наблюдается низкий уровень жизни и технического развития, а значит - установки должны быть просты в использовании, эффективны, долговечны. Перспективы развития комплексов жизнеобеспечения очень широки. Рост и развитие общества влекут за собой увеличение его потребностей, а значит, любые разработки в этой области является первостепенно важными. В ходе анализа взаимосвязи получения энергии и воды, были рассмотрены некоторые виды альтернативных источников энергии, деятельность которых связана с водой, ее использованием, получением и отводом. Именно на стыке методик энерго- и водоснабжения предполагается искать рациональный подход к разработке комплексов полноценного поддержания жизни.

Большинство описанных разработок имеют высокую стоимость, поэтому необходимо предлагать и реализовывать различные виды материалов и способов реализации проектов. Массовое производство и использование приведут к удешевлению и повышению качества работы агрегатов, как это произошло с электрическим переменным и постоянным током в США. В ходе аналитической главы были подробно рассмотрены стадии проектирования и функционирования различных конденсационных комплексов. Подробно рассмотрены такие вопросы, как: подача газовоздушной смеси, отвода осушенных воздуха и жидкости, интенсификация процесса конденсации в теле осушителя, пару установок добычи воды с источниками энергии извне (в том числе ВЭС, СЭС, двигателями внутреннего сгорания). Было выяснено, что сочетанное использование имеет большие перспективы и, в некоторых случаях, применяется в повседневной жизни в работе различных аппаратов.

Исследованы и проанализированы различные существующие методики конденсации. В результате анализ показал, что наиболее перспективные АХА. Рабочее тело АХА состоит из природных компонентов, водоаммиачного раствора и инертного газа. Они условно безвредными для ОПС. Имеют нулевые значения озоноразрушающей потенциала и парникового эффекта. Абсорбция же холодильные приборы имеют и ряд таких уникальных качеств как: бесшумность, высокая надежность и длительный ресурс, отсутствие вибрации, магнитных и электрических полей при эксплуатации; возможность использования в одном аппарате нескольких источников энергии - как электрических, так и альтернативных (теплота сгорания топлива, солнечное излучение, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, горячий поток воздуха вихревой трубы, теплонагруженные элементы радиоэлектронной аппаратуры) возможность работы с некачественными источниками энергии, в том числе и электрической, в диапазоне напряжения 160 - 240 В. К преимуществам АХП следует отнести меньшую, по сравнению с компрессионными аналогами, стоимость, который, во многих случаях и определяет их популярность у пользователей. Подчеркивается, что для работы таких предприятий необходима четкая вертикаль власти и разветвленная структура управления. Перспективной в этом ключе видится матричная модель, имеющая вертикальные и горизонтальные связи. Такая модель позволит существенно расширить потенциал кадров на предприятии, а также позволит внести новые разработки в цикл работы аппаратов, за счет широкого взаимодействия и автономности сегментов управления. На основе рассмотренных данных, в прикладной части работы, было предложено несколько соединенных комплексов водо- и энергообеспечения. Развитие идеи создания замкнутых систем должно позволить расширить области, пригодные для сельского хозяйства, значительно снизить нагрузку на ОПС, за счет снижения доли традиционных источников воды и энергии. Полученная же чистая вода, повысит рентабельность соединенных с конденсатором систем, поскольку стоимость и полезность воды выше, чем в электрической энергии. В прикладной части работы мы рассмотрели техническую сторону вопроса эффективной конденсации воды из воздуха. Было показано, что в условиях высоких цен на питьевую воду на планете, существует возможность повышения рентабельности комплексов водоснабжения, за счет реализации воды на рынке. Сочетание осушителей принудительного действия и пассивных конденсаторов влаги с различными комплексами выработки электрической энергии, является важнейшим шагом на пути экологизации. Получение прибыли должно стать толчком для инвестирования в эту сферу, а рост потребления воды и энергии будут наращивать спрос на продукцию. В ходе работы были поставлены и реализованы задачи проанализировать существующие методики конденсации газо-воздушной смеси, оценены возможности применения различных конструктивных решений в реализации концепции автономного комплекса жизнеобеспечения. В результате анализа были акцентированы некоторые возможные конструкции соединенных комплексов водо- и энергоснабжения, которые могут найти свою реализацию в реальных условиях. Опираясь на экономическую составляющую реализации воды и электричества, показано, что сочетание такого рода значительно повышает рентабельность работы дорогих комплексов аккумуляции энергии Солнца, ветра и геотермальной энергии.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников