Физические и химический свойства воды

Введение

Вода, являясь главным источником жизни, играет большую роль в сельском хозяйстве и, в частности, в животноводстве. Потребности животноводства в воде в десятки раз превышают потребности населения.

Механизация водоснабжения сокращает затраты труда, способствует повышению продуктивности и созданию необходимых санитарно-гигиенических условий в животнопводческих помещениях и соблюдению правил пожарной безопасности.

Для животноводческих предприятий требуется значительное количество доброкачественной воды: на поение скота, для приготовления кормов, очистки емкостей, оборудования и помещений и на другие цели. Животноводческие предприятия и населенные пункты, как правило, стремятся снабжать водой из одного источника. В соответствии с этим качество воды должно удовлетворять всем требованиям, которые предъявляются к воде, предназначенной для хозяйственно-питьевых нужд. Качество воды оценивают по ее физическим свойствам, а также по химическому и бактериологическому составу. Оно должно отвечать требованиям ГОСТ «Вода питьевая». Она должна быть чистой, прозрачной, иметь приятный вкус, температуру 280…285К, оптимальный химический состав примесей, не содержать патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов. Общее число бактерий в 1 мл неразбавленной воды допускается не более 100, а бактерий группы кишечной палочки в 1 л - не более 3. Кроме того, вода не должна содержать извести, магния, железистых соединений и органических веществ. Если вода жесткая, то на стенках труб водогрейных установок образуются отложения, которые уменьшают пропускную способность труб и их теплопередачу. Для смягчения воду пропускают через фильтр, хорошо поглощающий кальций и магний, или нагревают до 70…800С, в результате чего кальций и магний выпадают в осадок. Для обеззараживания воды в нее добавляют чистый хлор или хлорную известь. Воду обрабатывают хлором в специальных аппаратах-хлораторах.

Заключение о пригодности воды дают органы сани тарной инспекции. Если содержание вредных примесей и бактерий превышает допустимые нормы, воду подвергают обработке.

Целью данной работы является технологический расчет водоснабжения животноводческих ферм.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих задач:

- рассмотрение общих сведений о воде, в том числе физических и химических свойств воды, значение водоснабжения;

- проведение технологического расчета водоснабжения, в том числе определения потребности в воде, гидравлического расчета водопроводной сети, выбора схемы внешней водопроводной сети, расчета высоты водонапорной башни, расчета емкости напорно-регулирующего бака водонапорной башни, выбора водоподъемной машины, графика суточного расхода воды;

- описание безопасности жизнедеятельности, в том числе техники безопасности при эксплуатации насоса, электробезопасности и пожарной безопасности;

- проведение экономической оценки работы водоснабжения фермы, в том числе стоимости добычи и подачи воды.

Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

1.Общие сведения о воде

Физические и химический свойства воды

Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0°С) и кипения (100°С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Чистая вода – плохой проводник электричества, ее удельная электропроводность равна 1,5×10^–8 Ом^–1×см^–1 при 0° С. Сжимаемость воды очень мала: 43×10^–6 см³ на мегабар при 20°С. Плотность воды максимальна при 4°С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул.

Давление паров. Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится – все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т.е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. Давление паров в равновесии зависит от температуры и называется давлением насыщенного пара (или его упругостью). Когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением, вода закипает. При обычном давлении 760 мм рт.ст. вода кипит при 100°С, а на высоте 2900 м над уровнем моря атмосферное давление падает до 525 мм рт.ст. и температура кипения оказывается равной 90°С.

Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье.

Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100° С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0°С.

Рассмотрим химические свойства воды.

Каталитическое действие. Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т.д.

Гидраты. Многие соедин ения всегда содержат определенное число молекул воды и называются поэтому гидратами. Природа образующихся при этом связей может быть разной. Например, в пентагидрате сульфата меди, или медном купоросе CuSO₄×5H₂O, четыре молекулы воды образуют координационные связи с ионом сульфата, разрушающиеся при 125° С; пятая же молекула воды связана так прочно, что отрывается лишь при температуре 250° С. Еще один стабильный гидрат – серная кислота; она существует в двух гидратных формах, SO₃×H₂O и SO₂(OH)₂, между которыми устанавливается равновесие. Ионы в водных растворах тоже часто бывают гидратированы. Так, Н+ всегда находится в виде иона гидроксония Н₃О+ или Н₅О₂+; ион лития – в виде Li (H₂O)₆+ и т.д. Элементы как таковые редко находятся в гидратированной форме.

Исключение составляют бром и хлор, которые образуют гидраты Br₂×10 H₂O и Cl₂×6H₂О. Некоторые обычные гидраты содержат кристаллизационную воду, например хлорид бария BaCl₂×2H₂O, английская соль (сульфат магния) MgSO₄×7H₂O, питьевая сода (карбонат натрия) Na₂CO₃×10 H₂O, глауберова соль (сульфат натрия) Na₂SO₄×10 H₂O.

Соли могут образовывать несколько гидратов; так, сульфат меди существует в видеCuSO₄×5H₂O, CuSO₄×3H₂O и CuSO₄×H₂O. Если давление насыщенного пара гидрата больше, чем атмосферное давление, то соль будет терять воду.

Этот процесс называется выцветанием (выветриванием). Процесс, при котором соль поглощает воду, называется расплыванием.

Гидролиз. Гидролиз – это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl3 легко вступает в реакцию с водой: PCl₃ + 3H₂O = P (OH)₃ + 3HCl

Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.

Сольватация. Вода – полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в н ей веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И.А. Каблуковым.

Тяжелая вода. В 1931 Г.Юри показал, что при испарении жидкого водорода его последние фракции оказываются тяжелее обычного водорода вследствие содержания в них в два раза более тяжелого изотопа. Этот изотоп называется дейтерием и обозначается символом D. По своим свойствам вода, содержащая вместо обычного водорода его тяжелый изотоп, существенно отличается от обычной воды.

В природе на каждые 5000 массовых частей Н₂О приходится одна часть D₂O. Это соотношение одинаково для речной, дождевой, болотной воды, подземных вод или кристаллизационной воды. Тяжелая вода используется в качестве метки при исследовании физиологических процессов. Так, в моче человека соотношение между Н и D тоже равно 5000:1. Если дать пациенту выпить воду с большим содержанием D₂O, то, последовательно измеряя долю этой воды в моче, можно определить скорость выведения воды из организма. Оказалось, что около половины выпитой воды остается в организме даже спустя 15 сут. Тяжелая вода, вернее, входящий в ее состав дейтерий – важный участник реакций ядерного синтеза.

Третий изотоп водорода – тритий, обозначаемый символом Т. В отличие от первых двух он радиоактивен и обнаружен в природе лишь в малых количествах. В пресноводных озерах соотношение между ним и обычным водородом равно 1:1018, в поверхностных водах – 1:1019, в глубинных водах он отсутствует.

1.2 Значение водоснабжения

На современных животноводческих фермах и фабриках суточный расход воды на поение и технические цели составляет десятки кубических метров. Водоснабжение ферм без механизации требует больших затрат ручного труда и средств. Так, на доставку 1 м3 воды и распределение ее животным при отсутствии механизации затрачивается до 5-6 чел.-ч, в случае автоматизации - 0,03-0,04 чел.-ч, т. е. автоматизация водоснабжения позволяет в 100 и более раз снизить затраты труда и резко сократить стоимость процесса. Кроме этого, автоматизация водоснабжения и поения способствует повышению продуктивности животных.

Практикой установлено, что в зависимости от рациона коровы в течение суток пьют воду от 40 до 60 раз.

Потребление воды животными в нужном количестве в любое время суток немыслимо без автоматического поения. Применение автопоилок повышает удойность Молочных коров на 10-15%, привес крупного рогатого скота - на 3-5 и свиней - на 14 - 18 %. Поэтому поение животных без ограничения с включением подачи воды самими животными (самопоение) является весьма важным процессом в животноводстве.

Основной формой современного водоснабжения является водопровод - совокупность сооружений с оборудованием для механизированной добычи, транспортирования и распределения воды потребителям.

В зависимости от расположения водоисточника относительно потребителей водопроводы подразделяют на самотечные и напорные. В производстве широкое применение получили напорные водопроводы. На рис. 1 показаны наиболее характерные схемы их при заборе воды: а - из открытого источника насосным агрегатом с последующим нагнетанием ее в водонапорный бак, б - из группы шахтных колодцев; в - из бурового колодца и г - из шахтного пли бурового колодцев безбашенной установкой.

Для забора воды из открытого источника (река, озеро, водоем) на берегу устраивают приемный колодец 3 (рис. 1, а), который соединяют самотечной трубой 2, имеющей на конце фильтр с источником. Вода из источника 1 по трубе 2 самотеком поступает в приемный колодец, откуда по всасывающей трубе 4 забирается насосным агрегатом станции 5 и подается по нагнетательной трубе 6 в водонапорный бак 7. Бак крепится к поддерживающей конструкцией 8 на высоте, обеспечивающей самотечную подачу воды по разводящему трубопроводу 9 всем потребителям 10 (автопоилки, водоразборные и поливочные краны, водоразборные колонки, пожарные гидранты и т. д.).

Рис. 1. Наиболее характерные схемы производственных водопроводов на фермах: 1 - источник воды; 2 - самотечная труба; 3 - приемный колодец; 4 - всасывающая труба насосного арегата; 5 - насосная станция; 6 - нагнетательная труба; 7 - водонапорный бак; 8 - опора бает; 9 - распределительная труба; 10 - объект водопотребления; 11 - буровой колодец (скважина); 12 - насосный агрегат; 13 - воздушно-водяной бак безбашенной электроводокачки.

Забор воды из закрытых источников (грунтовые воды, межпластовые безнапорные и межпластовые напорные) осуществляется по одной из схем: «б», «в» или «г». Схема «б» применяется тогда, когда источник воды имеет малый дебит (приток воды в колодец в единицу времени). В этом случае строят группу шахтных мелководных колодцев, соединяя их между собой самотечными трубами 2. Наиболь шее распространение на животноводческих фермах получили схемы водопроводов «в» и «г» с забором воды из глубоководного бурового 11 или шахтного 14 колодцев.

Как видно из рассмотренных схем водопроводов, в первых трех случаях требуются водонапорные башни. По схеме «г» вода забирается насосом 12 из шахтного или бурового колодцев и нагнетается в герметически закрытый воздушно-водяной бак и дальше под давлением сжатого воздуха подается по разводящей линии потребителям. Безбашенные напорные водопроводы можно строить для забора воды из открытых водоемов, шахтных и буровых колодцев. Эта система имеет более упрощенную схему водоснабжения и характеризуется универсальностью в отношении забора поды из различных источников.

2. Технологический расчет водоснабжения