close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2846.Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ, А.В. КОТОВ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
В АГРОИНЖЕНЕРНОМ СЕРВИСЕ
И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Рекомендовано УМО РАЕ по классическому
университетскому и техническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки:110800.68«Агроинженерия» (Профиль «Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве»)
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.311(07)
ББК 40.76
Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков, А.В. Котов
Рецензенты: д.т.н., проф. С.А. Ракутько; д.т.н., проф. В.В. Орлов
А 24: Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе
и природопользовании . – СПб: СПбГАУ, 2012. -240 с.
В учебное пособие включены электрофизические, электрохимические,
оптические, ультразвуковые и электробиологические способы интенсификации
традиционных процессов агроинженерного сервиса, процессов очистки и
обеззараживания технологических, воздушных и водных сред, а также
процессов утилизации отходов неразрывно связанных с экологомилеоративными системами сельскохозяйственного производства.
Учебное пособие составлено в соответствии с рабочими программами
дисциплины «Энергоэффективные электротехнологии агроинженерного
сервиса и природопользования» и предназначено для подготовки магистров по
направлению 110800.68 «Агроинженерия». Учебное пособие также может быть
использовано студентами, аспирантами и научными работниками,
работающими в различных областях АПК.
УДК 621.311(07)
ББК 40.76
ISBN 978-5-85-983-148-7
© М.М. Беззубцева
В.С. Волков
А.В. Котов
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
"Проблемы, которыми занимаются
исследователи, все чаще не укладываются
в рамки отдельной определенной
сложившейся науки, мы специализируемся не
по наукам, а по проблемам".
В.И. Вернадский
Это высказывание полностью применимо к проблемам экосистем
аграрного сектора экономики, отличительной чертой которого
является
междисциплинарность.
сельских
Обеспечение
устойчивого
развития
территорий предусматривает подготовку специалистов, воспитанных на
мировоззрении внедрения в практику сельскохозяйственных производств
системных знаний естественных, общественных и технических наук.
Теоретическим фундаментом рационального природопользования и
охраны природы в рамках специальности «Агроинженерия» и профиля
«Электрооборудование и электротехнологии в сельском хозяйстве» является
разработка экосовместимых энерго- и ресурсосберегающих электротехнологий
и электротехнологических установок, основанных на последних достижениях
науки и техники.
Целью учебного пособия «Электротехнологии агроинженерного сервиса
является формирование
у студентов системы компетентных знаний и
практических навыков для решения задач эффективного использования
инновационных
электротехнологий
природопользовании
с
в
формированием
агроинженерном
мировоззрения
сервисе
и
применения
экологически чистых, ресурсо- и энергосберегающих технологий и принятия
нестандартных научно-обоснованных решений при внедрении в практику
природопользования
электротехнологий,
3
обеспечивающих
реализацию
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Государственных программ, международных стандартов ИСО и Законов РФ по
энергосбережению, экологии и повышению энергоэффективности предприятий
АПК.
В учебное пособие включены электрофизические, электрохимические,
оптические, ультразвуковые и электробиологические способы интенсификации
традиционных процессов агроинженерного
сервиса, процессов очистки и
обеззараживания технологических, воздушных
процессов
утилизации
отходов
и водных сред,
неразрывно
связанных
с
а также
эколого-
милеоративными системами сельскохозяйственного производства.
Одноименная дисциплина
«Электротехнологии агроинженерного сер-
виса и природопользования» является неотъемлемой составляющей модуля
ООП «Инновационные электротехнологии и энергетические технологические
процессы АПК», основанного на общей внутренней логике дисциплин,
методически связанных между собой по признаку
целей освоения, групп
родственных компетенций и практических навыков, получаемых студентами
при их изучении. Дисциплина «Электротехнологии агроинженерного сервиса и
природопользования» является завершающей в тематике модуля и основана на
фундаментальных знаниях электротехнологий, изложенных в предыдущих
разделах.
Этим обусловлена структура изложения материала в учебном
пособии. Классификация электротехнологий построена
не на традиционном
признаке, а на признаке их целевого практического назначения в экосистемах
сельскохозяйственных производств.
Такая структура изложения материала
позволяет на завершающей стадии обучения концентрировать внимание
студентов
осваивать
на проблемных и перспективных вопросах, последовательно
учебный
материал
и
выбирать
приоритетные
отраслевые
направления исследований в области экосовместимости электротехнологий для
самостоятельной работы.
Учебное пособие состоит из предисловия, 6 глав, заключения и
обширного библиографического списка, включающего
отечественной и зарубежной литературы.
4
160
наименований
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В
первой
главе
достаточно
компактно
представлена
обзорно-
аналитическая информация об электротехнологиях гальванопластики и
гальваностегии, электрохимического травления, анодного шлифования и
полирования,
ионно-плазменных технологиях нанесения износостойких
покрытий, а также электромагнитных технологиях абразивного шлифования и
полирования
деталий
сельскохозяйственной
техники.
Представлены
и
обоснованы приоритетные направления научных исследований. Вторая глава
является
логическим
совершенствования
продолжением
процессов
и
посвящена
вопросам
электромагнитной
очистки
смазочноохлаждающих жидкостей и интенсификации методов контроля
ферропримесей
в
жидких
агропромышленного
сервиса
и
сыпучих
путем
технологических
внедрения
средах
экосовместимых
электротехнологических контрольно-измерительных приборов. В качестве
инновационной электротехнологии в главе представлены запатентованные
разработки авторов учебного пособия.
В
последующих
главах
представлены
экосистемы
очистки
и
обеззараживания водных ресурсов и воздушной среды, утилизации отходов
сельскохозяйственных
основанные
на
предприятий
и
электрофизических,
антисептирования
продукции,
электрохимических,
оптических,
ультразвуковых и электробиологических способах и методах интенсификации
традициционных технологий. Представлены инновационные запатентованные
технологии объемного облучения для дезинсекции и обеззараживания
технологических сред сельскохозяйственного производства, разработанные
коллективом
кафедры
«Энергообеспечение
производств
в
АПК
и
электротехнологий» под руководством основателя научной школы профессора
В.Н.Карпова.
Учебное пособие рекомендовано для магистров. Может быть использовано
в заочном и дистанционном обучении. Представляет интерес для бакалавров,
инженеров, специалистов и научных работников, занимающихся проблемами
экологической безопасности сельских территорий.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. ЭНЕРГО - И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ АГРОИНЖЕНЕРНОГО СЕРВИСА
Внедрение в агроинженерный сервис технологий, обеспечивающих, с
одной стороны, получение новых материалов и изделий, а с другой - снижение
энерго- и ресурсозатрат при одновременном повышении экологических
показателей является одной из актуальных задач аграрного сектора экономики.
Значительное место в ряду технологий агроинженерного сервиса занимают
электротехнологии, основанные на преобразовании энергии электрического
тока в тепловую, химическую или механическую энергии.
Традиционно выделяют пять групп электротехнологий агроинженерного
сервиса:
электротермия,
электросварка,
электрохимические,
электрофизические, электромеханические и ультразвуковые методы.
В
электротермических
процессах
используется
превращение
электрической энергии в тепловую для нагрева материала изделий с целью
изменения их агрегатного состояния, формы или свойств.
В электросварочных процессах получаемая из электрической энергии
тепловая энергия используется для создания неразъемного соединения деталей.
В электрохимических процессах с помощью электрической энергии
осуществляется разложение химических соединений и их разделение в жидкой
среде под действием электрического поля (электролиз, гальванотехника,
анодная электрохимическая обработка).
Электрофизические
методы
используют
специальные
физические
эффекты для превращения электрической энергии как в тепловую, так и в
механическую
(электроэрозионные,
ультразвуковые,
магнитоимпульсные,
электровзрывные, плазменные, электронно-лучевые, лазерные технологии).
В
аэрозольных
технологиях
(электронно-ионных)
энергия
электрического поля используется для сообщения электрического заряда
взвешенным в газовом потоке частицам и для перемещения их в заданном
направлении.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наряду с перечисленными методами нашли применение технологические
процессы и установки, в которых основные и вспомогательные операции
реализуются за счет непосредственного механического (силового) воздействия
электрического и магнитного полей на обрабатываемые изделия и материалы.
Такие методы и установки можно классифицировать по виду полей,
воздействующих на объекты технологической обработки: стационарные,
пульсирующие, вращающиеся, бегущие.
Наиболее известны и широко применяемые электротехнологические
установки (ЭТУ) используют силовое действие стационарных электрического
и
магнитного
полей.
Например,
стационарные
электрические
поля
применяются в аэрозольных технологиях (пылегазоочистка, электроокраска,
нанесение порошковых покрытий), в электрических сепараторах, в устройствах
водоочистки.
Стационарные магнитные поля используются в магнитных сепараторах
для извлечения ферромагнитных предметов и частиц из сырья и отходов, для
разделения смесей, при водоочистке, а также для захвата или фиксации
стальных заготовок и удаления металлоотходов из рабочей зоны при
металлообработке.
С использованием пульсирующих магнитных полей работает ряд
электродинамических
устройств
и
некоторые
виды
магнитных
или
электродинамических сепараторов.
Воздействие импульсных электромагнитных полей применяется в
устройствах для магнитоимпульсной обработки материалов давлением и при
электродинамической сепарации.
Вращающиеся и бегущие магнитные поля используются в МГДтехнологиях, обработке жидких металлов (перемешивание, транспортировка и
т.д.), при электродинамической сепарации и водоочистке.
Перечисленные процессы и установки, использующие механическое
действие электрического и магнитных полей, нашли достойное применение в
агроинженерном сервисе и природоохранных технологиях.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отличительной особенностью всех указанных электромеханических
технологических устройств является то, что их рабочим телом непосредственно
служат обрабатываемые изделия и материалы, т.е. отсутствуют промежуточные
электромеханические преобразования энергии.
Наличие
такого
классифицировать
четкого
обобщающего
электромеханические
признака
технологические
позволяет
процессы
и
установки как отдельную группу в ряду других электротехнологических
методов и установок агроинженерного сервиса.
1.1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ И
ГАЛЬВАНОСТЕГИИ
На ремонтных предприятиях сельского хозяйства электрохимические
процессы представлены, в основном, гальванопластикой и гальваностегией,
использующих катодные процессы при прохождении тока через электролит
(выделение вещества на катоде).
Анодные процессы (растворение анода)
являются основой электрохимического травления, шлифования, полирования.
Гальванопластика
электрохимическое осаждение металлов на
-
поверхности металлических и неметаллических изделий. Основная область
применения - получение точных копий изделий - гальванокопий. Для этой
цели с изделия снимают оттиск - обратное изображение, получившее название
матрицы. Если матрица не токопроводящая, ее поверхность обрабатывают
тонким слоем металлического порошка или графита и помещают в
гальваническую ванну. После электролиза получают точную пустотелую
копию изделия.
Гальваностегия - процесс электрохимического осаждения металла на
металлические
изделия
для
придания
им
повышенной
механической
прочности или улучшения внешнего вида (никелирование, хромирование,
кадмирование, омеднение, цинкование, золочение и т.д.).
Осажденный на катоде слой металла должен иметь мелкокристаллическую
структуру, быть равномерно распределенным по поверхности и прочно
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
связанным с основным металлом, что обеспечивается рациональным выбором
и поддержанием необходимой плотности тока через электролит.
Ванны для галваностегии питают постоянным током при напряжении на
электродах 6 - 24В и плотности тока от 100 до 1000 А/м2. При увеличении
плотности тока процесс электролиза ускоряется, а качество покрытия снижается.
Количество металла (в граммах), удаляемое с поверхности анода,
определяют по первому закону Фарадея
Qm=K е It,
(1.1)
где K е - массовый электрохимический эквивалент, г/(Ач); I - ток, A;
t - время обработки, ч.
Учитывая, что часть энергии расходуется на электролиз воды и выделение
на аноде кислорода и озона, фактическая масса удаленного с анода металла mф
оказывается меньше расчетной массы mp.
Выход по току

mф
mр
(1.2)
Общее количество анодно- растворенного металла с учетом выхода по току
определяют по формуле
Qобщ  60
It A
  Qуд h ,
S n
(1.3)
где S – площадь заготовки, см ;  – плотность металла, г/см3; Q уд –
удельный объемный съем металла, см 3 /ч; А –атомная масса металла анода; n валентность металла.
Процесс электрохимической обработки одинаков для всех методов и
осуществляется по единой схеме. Однако, изменяя материал электродов и
состав электролита, размеры реакционного пространства, а также условия
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
протекания процесса (температура электролита, плотность тока, скорость
удаления продуктов реакции и т.д.) можно получить большое число вариантов
электрохимической обработки. Важное место среди них занимает группа
методов по выполнению отделочных операций с изменением свойств или
состояния поверхности деталей или изделий.
Электрохимическое (анодное) травление
применяют
для удаления
поверхностных загрязнений, оксидов, окалины, ржавчины, снятия заусенец,
округления кромок, а также маркирования изделий. Ведется при относительно
высоких скоростях растворения металла (50 - 500 мм /мин), определяемых
регулируемой плотностью тока или температурой электролита.
Электрохимическое (анодное) шлифование и полирование
производится
при малых плотностях тока, что приводит к растворению всех выступов,
образующих макро- и микрорельеф поверхности металла. Приводит к
результату, соответствующему механическому шлифованию или полированию.
Процесс состоит в том, что в углублениях обрабатываемой поверхности
(аноде) при электролизе накапливаются продукты растворения с большим
электрическим сопротивлением и плотность тока в этих зонах уменьшается. На
выступах происходит концентрация электрического поля и плотность тока
растет. Поэтому процесс растворения выступов многократно ускоряется и
происходит постепенное выравнивание поверхности металла.
а
б
Рис. 1.1. Схема электрохимического шлифования – полирования в стационарном
электролите: а) – микрогеометрия поверхности детали и линии тока в начале обработки; б) - то же,
в конце обработки; 1 - обрабатываемая деталь; 2 - электролит; 3 - ванна; 4 - катод; 5, 6 - линии тока
вначале и конце обработки;7 – источник питания размерной обработки.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Шлифование и полирование осуществляют в одной и той же ванне
изменением плотности тока без изменения состава электролита. Удельный съем
металла составляет
мкм/мин
при
50 - 100 мкм/мин при шлифовании и 0,5 – 5,0
. полировании.
Ванны должны иметь заземление и бортовую вентиляцию. Между ваннами
настилаются
деревянные
полы,
покрыты
резиновыми
ковриками.
Электрохимическая размерная обработка металлических изделий заключается в
копировании формы инструмента
– катода в заготовке
– аноде, которая
растворяется избирательно, в соответствии с местной плотностью тока. Эффект
достигается уменьшением расстояния между электродами до долей миллиметра
и большой скоростью прокачки электролита, уносящего продукты реакции.
Достигается высокая плотность тока (до нескольких тысяч А/м2) и высокая
производительность при отсутствии износа рабочего инструмента (катода),
высокой точности копирования и чистоты поверхности заготовки.
Электрохимическая размерная обработка применяется для:
- изготовления и доводки пресс-форм высокой точности, штампов из
материалов, труднообрабатываемых
механически (рис. 1.2,а);
- вырезки, калибровки и доводки сложных полостей и отверстий в
заготовках, профилирования поверхностей сложной формы (рис. 1.2,6);
- маркировки (клеймения) и нанесения знаков на изделия (рис.1.2,в);
- затачивания режущего инструмента из твердых сплавов;
- прошивания большого числа отверстий круглых, прямоугольных,
фасонных и др.);
- разрезания заготовок и деталей из труднообрабатываемых металлов с
получением чистого среза (рис.1.2,г).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.2. Электрохимическая размерная обработка
Кроме
перечисленных
существует
комбинированных методов размерной
большое
число
обработки. Такие из них, как
анодномеханическая, электроабразивная, электроалмазная, могут выполняться
на обычных,
недостаткам
лишь
слегка измененных,
электрохимической
металлорежущих
обработки
следует
станках. К
отнести
высокую
энергоемкость процессов.
Основными
направлениями
совершенствования
процессов агроинженерного сервиса является
одновременном
совершенствования
улучшении
качества
конструктивной
электрохимических
снижение энергоемкости при
готовых
формы
изделий
электродов,
путем
оптимизации
химического состава электролита и о режимов работы установок на основании
научных исследований.
Одним
из
наиболее
производства является
неблагоприятных
загрязнение наружного
факторов
гальванического
воздуха на территории
предприятия и внутренних помещениях соединениями металлов и ядовитыми
парами с выбросами кислоты.
Гальванический шлам является побочным продуктом гальваностегии и
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гальванопластики. В состав гальваношламов кроме железа и кальция входят
представляющие опасность для природной среды и здоровья человека
соединения тяжёлых металлов (марганец, свинец, медь, никель и др.). Добыча
металла из гальваношлама приносит экономическую выгоду только при его
высокой концентрации. При этом требуется применение специальных
химических технологий. Утилизация гальванических отходов представляет
крупную научно-техническую проблему.
1.2. ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ СВАРКА, НАПЕКАНИЕ, НАПЛАВКА И
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
В электросварочных процессах получаемая из электрической энергии
тепловая энергия используется для создания неразъемного соединения
деталей.В
процессах
электроконтактной
сварки
металлические
детали
приводятся в соприкосновение и сжимаются под давлением 5...20 МПа. Через
детали пропускают электрический ток. Переходное сопротивление в месте
соприкосновения деталей значительно превышает сопротивление самих
деталей, в силу чего нагрев деталей непосредственно от тока незначителен,
тогда как в стыках выделяется большое количество энергии.
Количество теплоты, выделяемое в местах стыка, пропорционально
квадрату тока и сопротивлении контакта стыка. Переходное сопротивление
контакта:
RП  k1kT /(0,1F ) m ,
(1.4)
где k1 – коэффициент зависящий от материала свариваемых деталей (табл.
1.1.);
F – усилие сжатия, Н; m – показатель степени, зависящий от формы
поверхностей контактирующих деталей (табл. 1.1.);
kT – коэффициент, учитывающий температуру контакта :
kT  1  0,67 T (TK  293),
13
(1.5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где  T – температурный коэффициент сопротивления контактов, К;
Т – температура контакта, К.
После достижения в зоне стыка необходимой для сваривания температуры
под влиянием сжимающего усилия осуществляется пластическая сварка
контактирующих деталей. Плотность тока при электроконтактной сварке
достигает (1...1,5)108 А/м2 .Сварка принципиально может осуществляться как на
постоянном, так и на переменном токе. Но на практике применяют только
переменный ток, так как сила тока при сварке достигает десятков тысяч ампер
при напряжении всего несколько вольт, и источники постоянного тока для этих
целей были бы слишком дорогими и сложными. Различают стыковую,
роликовую и точечную электроконтактную сварку (рис. 1.3.).
Таблица 1.1Значения коэффициента и показателя степени
Материал
контактов
Форма поверхностей
контактирующих
k1
m
деталей
Алюминий–алюминий
0,006
Плоскость–плоскость
1,0
Алюминий–сталь
0,0044
Сфера–сфера
0,75
Латунь–сталь
0,003
Линейный контакт
0,5
Сталь–сталь
0,0076
Основные
технические
данные
некоторых
установок
для
электроконтактной сварки приведены в табл. 1.2.
Сущность электроконтактного напекания порошков заключается в том, что
в месте контакта двух токопроводящих поверхностей металлический порошок
спекается за счет теплоты, выделившейся при протекании электрического тока.
Плотность тока – (2...4)105 А/м2, переменное напряжение – (2...4) В, давление
между напекаемой деталью и вспомогательным медным роликом – (12...18)106
Па. Способ применим для восстановления деталей диаметром более 10 мм.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
I
2
F
а
)
I
F
б
I
1
2
2
F
2
1
2
I
I
2
в
2
)
1
I
I
2
2
F
Рис. 1.3 – Разновидности контактной сварки:
а – стыковая; б – точечная; в – роликовая; 1 – деталь; 2 – зажимной подводящий контакт
Таблица 1.2. Основные технические данные некоторых установок для
электроконтактной сварки
Тип
Номинальная
Первичное
Вторичное
Максимальный
мощность,
напряжение, В
напряжение, В
диаметр детали,
кВА
АСП-10
Назначение
мм
10
220
1,2…..3,2
8
Стыковая
55
220
2,5…..5,0
34
сварка
750
380
5,5..14,5
66
МТ-809
20
220
1,42..2,8
3
Точечная
МТ-1209
50
220
2,2…...4,4
4
сварка
МТП-400
400
380
6……12
8
МШ-1001
27
220/380
1,75..3,5
1,2
Роликовая
МШ-1601
75
220/380
3,8
1,5
сварка
МШ-200
200
220/380
4,3…..8.
2,5
М
С-1202
МСО-750
6
Электроконтактная наплавка отличается от напекания тем, что в зону
контакта вместо порошка подают присадочную проволоку. Прочность
наплавляемого слоя обеспечивается за счет частичного плавления тонких слоев
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
металла в месте контакта и за счет диффузии. Толщина наплавляемого слоя –
(0,2...1,5) мм, сила тока (4...12) кА, потребляемая мощность – (5...40) кВА. Для
восстановления деталей использует установки типа УКН-8.
Схема установки для электрошлаковой наплавки показана на рис. 1.4.
Электрический ток проходит от электрода к детали через шлак, который
разогревается
выше
температуры
плавления
электрода.
Электрод
расплавляется. Расплавленный металл оседает вниз, где приобретает форму,
задаваемую охлаждаемым водой кристаллизатором. Напряжение 34 В, сила
тока 800...900 А. Для осуществления этого способа разработана установка ОКС7755, наиболее рациональней областью применения которой является
восстановление деталей ходовой части гусеничных тракторов.
В основе электромеханической обработки лежит совместное действие
термического и силового воздействия на поверхность восстанавливаемой
поверхности (рис. 1.5.). Ток, проходя через контакт детали с инструментом сила
тока 300...1300 А, напряжение 1...6 В), очень быстро нагревает металл в месте
контакта до 1100...1200 К. Нагретый металл выдавливается, образуя выступы,
аналогичные резьбе. Далее выраженную поверхность доводят до требуемого
диаметра. Этим способом восстанавливают поверхности валов неподвижных
соединений (посадочные места под подшипники, шкивы, шестерни и т.п.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34В
6
5
Вод
а
3
2
1
Рис. 1.4. – Схема электрошлаковой наплавки:
1–охлаждаемый кристаллизатор; 2– наплавленные слои; 3 – габаритные диски;
4–восстанавливаемая деталь; 5 – шлак; 6 – стальной электрод
.
Рис. 1.5. – Схема электромеханической обработки:
1 – высаживающий инструмент; 2 – деталь; 3 – патрон станка, TV – понижающий трансформатор
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3. МАГНИТНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА
Шлифовка и полировка деталей считается трудной и дорогостоящей
работой. На финишную обработку поверхности приходиться примерно 60 %
стоимости продукции. На смену традиционным барабанам и виброустановкам
приходят более производительные методики.
Современный
характеризуется
этап
развития
поиском
технологии
путей
финишной
совершенствования
обработки
параметров
технологического оснащения с целью повышения к.п.д. процесса обработки,
снижения энергоемкости, универсализации и специализации.
Одним из перспективных методов финишной обработки деталей является
метод
магнитно-абразивного
полирования
(МАП).
Сущность
метода
заключается в том, что обрабатываемой детали или наполнителю с магнитными
и абразивными свойствами, помещенными в магнитное поле, сообщают
принудительное движение относительно друг друга. Магнитно-абразивный
наполнитель создает режущий инструмент, плотность которого можно
варьировать, изменяя напряженность магнитного поля. Силами магнитного
поля зерна наполнителя прижимаются к поверхности детали, оказывая
давление на деталь в каждой точке ее поверхности, что приводит к съему
металла и сглаживанию микронеровностей. Обработка производится при
наличии жидкого наполнителя (СОТС), который в данном процессе выступает
как носитель поверхностно-активных веществ, а не как средство охлаждения
детали.
В качестве режущего инструмента при магнитно-абразивной обработке
невозможно использование традиционных абразивных материалов, так как они
должны обладать не только абразивными, но и высокими магнитными
свойствами.
Основным свойством магнитно-абразивных порошков является прочность
соединения
ферромагнитной
и
абразивной
составляющих.
Последнее
существенно влияет на стойкость зерен порошка при воздействии термических
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и механических нагрузок. Важное значение имеет также микротвердость,
форма
частиц,
технологичность
в
изготовлении
и
стоимость
магнитноабразивного порошка. Таким образом, в качестве режущих элементов
при МАО используются порошки ферросплавов, железа, керметов и других
веществ, которые подбираются в зависимости от материала обрабатываемых
изделий, состояния его поверхности и исходной шероховатости.
Магнитно-абразивным полированием можно обрабатывать детали любой
геометрической формы и габаритных размеров из магнитных и немагнитных
материалов.
Устройство для магнитно-абразивного полирования представлено на рис.
1.6.
Устройство состоит из неподвижной рабочей камеры (изготовлена из
немагнитного материала) и диска вращающегося на оси двигателя с
закрепленными на нем постоянными магнитами .
Рис. 1.6. Схема магнитно-абразивной обработки деталей сложной формы из
немагнитных материалов:
1 – вращающийся диск; 2 – индуктор на постоянных магнитах; 3 – обрабатываемые детали;
4 – наполнитель
Индуктор выполнен из стали марки КС37 (ГОСТ 21559). При одинаковых размерах lм×hм×bм=5×20×20 мм магниты SmCo5 обеспечивают при
полировании заготовок в 2 раза более высокое давление порошка на
обрабатываемую поверхность, чем ферриты бария, и в 5 раз более высокое
давление – при полировании немагнитных заготовок. Магнитная система
индуктора состоит из магнитных ячеек, каждая из которых включает магнит и
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
два
стальных
магнитопровода,
размещенные
у
полюсных
боковых
поверхностей магнита.
Магнитная система индуктора с постоянными магнитами представляет
собой блок, составленный из магнитных ячеек. Каждый блок состоит из
поочередно расположенных магнитов 1 и стальных магнитопроводов 2, причем
магниты установлены так, что их одинаковые полюсы в каждых двух соседних
ячейках обращены друг к другу (рис 1.7). Каждый стальной магнитопровод при
этом пропускает через себя поток, созданный двумя соседними магнитами.
Верхние плоскости магнитопроводов с чередующейся полярностью являются
магнитными полюсами на рабочей поверхности индуктора, обращенной к
заготовке.
При полировании немагнитной заготовки картина силовых линий поля в
рабочем зазоре δ имеет вид, изображенный на рис. 1.7. а. Прохождение основного магнитного потока Фо и потоков рассеивания Фр показаны на рис. 1.6. б.
Основной магнитный поток проходит от одного полюса индуктора к другому
преимущественно вдоль рабочего зазора над магнитом, концентрируясь у
боковых кромок стальных магнитопроводов. Из-за этого расположение
магнитно-абразивного порошка в рабочем зазоре оказывается иным, чем при
полировании ферромагнитных заготовок: порошок концентрируется над
магнитами а не над полюсами индуктора. При использовании магнитов из
SmCo5 в рабочем зазоре δ = 0,8÷1,0 мм удается создать индукцию В = 0,8÷1,0
Тл.
а
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б
Рис. 1.7. Картины поля (а) и прохождение магнитных потоков (б) при полировании
немагнитных заготовок индуктором на постоянных магнитах [1,5]]:
1 – магниты; 2 – стальные магнитопроводы
Вращение магнитных индукторов позволяет реализовывать обработку в
«бегущем» магнитном поле комбинируя ее с центробежным уплотнением
абразивной среды. Объем загрузки рабочей среды и деталей (образцов)
составляет 80% объема рабочей камеры.
Достоинством применяемого для полирования оборудования является
простота конструкции и удобство эксплуатации.
Представленный способ является перспективным для более широкого
внедрения
в
производство
агроинженерного
сервиса.
Развитие
этого
направления позволит повысить энергоэффективность и улучшть качество
готовых изделий.
1.4.
ИОННО-ПЛАЗМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ
ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Для
нанесения
износостойких
покрытий
на
поверхность
обрабатывающего деталей и узлов используются потоки ионов и плазмы,
генерируемые в условиях вакуума или при атмосферном давлении. Наиболее
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
интенсивному воздействию подвергаются поверхностные слои деталей,
контактирующие между собой (пары трения, подшипники). Широкими
возможностями для нанесения покрытий обладают вакуумные установки,
содержащие дуговые испарители и распылительные магнетронные источники.
Скорость нанесения защитных покрытий дуговым методом выше, чем
магнетронным. Однако микрокапельный режим дугового испарения металла на
катоде приводит к образованию микрокапель размером в единицы - десятки
микрометров
на
поверхности
обрабатываемых
изделий.
При
этом
шероховатость поверхности возрастает. Магнетронный метод нанесения
покрытий обычно применяется для получения пленок толщиной до 10 мкм.
Дуговые и магнетронные источники имеют различные конструкции магнитных
систем для управления дуговым и магнетронным разрядами. Общим является
форма катода. Обычно применяются плоские дисковые и прямоугольные
катоды. Для магнетронных и дуговых установок промышленного применения
используется также длинные вращающиеся цилиндрические катоды для
увеличения степени использования материала катода. В источниках с
цилиндрическими
катодами
она
составляет
70-80%,
в
магнетронных
источниках с дисковыми и прямоугольными катодами используется только 2530% материала катода.
Технологии нанесения трибологических покрытий на внутренние
поверхности деталей и узлов начинает внедряться в промышленности.
Зарубежная компания Mahle применяет ионно-плазменное нанесение покрытий
на рабочие поверхности подшипников, маркируя их "Sputter" (катодное
распыление). Такие подшипники с плазменной обработкой поверхности
используют в производстве двигателей легковых и грузовых автомобилей Audi,
Mercedes-Benz, MAN.
1.4.1. ВАКУУМНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
Традиционная
конструкция
вакуумной
установки
для
нанесения
покрытий (рис. 1.8.) включает в себя один или несколько плазменных
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
источников магнетронного или дугового типов, расположенных на боковой
поверхности цилиндрической вакуумной камеры. Внутри вакуумной камеры
находится карусельно-планетарный механизм вращения обрабатываемых
образцов для получения однородного покрытия. Вакуумная камера оснащается
ионным источником и нагревательным элементом для предварительной
очистки и подготовки обрабатываемой поверхности.
Плазменные источники с плоскими катодами не совсем подходят для
обработки внутренних рабочих поверхностей подшипников, втулок, труб,
вентилей и других изделий, так как боковая поверхность находится в
поперечном направлении к аксиальному направлению распространения
плазменного потока. Ионы будут падать на внутреннюю поверхность деталей
под
скользящими
углами,
поэтому
скорость
осаждения
покрытия,
однородность, плотность и адгезия пленки будут низкими. С другой стороны,
будет затруднена предварительная ионно-плазменная очистка поверхности от
загрязнений перед процессом нанесения покрытий.
Рис. 1.8. Схема технологической установки для нанесения покрытий:
1, 2 - магнетроны с катодами из различных материалов, 3 - ионный источник для
предварительной очистки образцов, 4 - резистивный нагреватель, 5 - карусельный механизм
вращения образцов, 6 - вакуумная камера, 7 - дверца для загрузки образцов, 8 - регулятор потока
рабочего газа.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для обработки внутренних поверхностей деталей и узлов больше всего
подходят плазменные источники коаксиального типа, у которых радиальный
поток плазмы распространяется от внутреннего цилиндрического катода к
внутренней обрабатываемой поверхности цилиндрической формы, которая
будет являться анодом плазменного источника.
Для получения защитных пленок и дальнейшего исследования их
трибологических
свойств
разработана
вакуумная
установка
(рис.1.9.),
состоящая из плазменных источников и вакуумной камеры диаметром 420 мм и
длиной 480 мм, которая откачивается диффузионным насосом со скоростью
откачки 200 л/с. Вакуумная камера, оснащена двумя магнетронными
источниками. Один из них - это традиционный магнетронный источник со
сменным дисковым катодом диаметром 40 мм и толщиной 6 мм,
предназначенный для получения многослойных покрытий различного состава с
целью
лабораторного
исследования
характеристик
покрытий.
Другой
магнетрон коаксиального типа специально изготовлен для разработки
технологии нанесения покрытий на внутренние поверхности подшипников.
Диаметр цилиндрического катода составляет 20 мм, длина рабочей части 200
мм. Внутри катода расположена магнитная система. Магнетрон с плоским
катодом является универсальным источником, позволяющим быстро изменять
материал катода, подбирать состав покрытий, количество слоев, толщину,
расстояние до обрабатываемой детали, проводить измерения параметров
плазмы. Коаксиальный магнетрон - это базовый плазменный источник, на
основе которого будет создаваться промышленная установка для обработки
внутренних поверхностей деталей. Питание магнетронов осуществляется
инверторным источником питания с максимальной мощностью 3 кВт.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.9. Схема экспериментальной установки:
1 - магнетрон с плоским катодом, 2 - коаксиальный магнетрон, 3 - держатель образцов, 4 подложка для магнетрона с плоским катодом, 5 - цилиндрическая мишень (вкладыши подшипника), 6
- цилиндрическая вакуумная камера, 7 - диффузионный насос.
1.4.2. СОСТАВ И СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ПОКРЫТИЙ
Химический и структурный состав защитных покрытий зависит от их
функционального назначения. Для формирования слоя с заданными параметрами выбирают материал металлического катода и смесь реакционных газов
(азот, метан, кислород) с аргоном, стабилизирующим газовый разряд. Нитриды,
карбиды и бориды металлов TiN, TiC, CrN, TiBN, TiSiN, MoС и др.
характеризуются
высокой
твердостью,
коррозионной
стойкостью,
жаропрочностью, а по структурному составу могут иметь наноструктурное
строение пленки. Такие твердые покрытия относительно большой толщины
могут иметь высокие внутренние напряжения, приводящие к отслаиванию
пленки и появлению трещин. Поэтому используются многослойные и
градиентные покрытия. В многослойных покрытиях слои нитридов, карбидов
или металлов чередуются. Это регулируется изменением вида реакционного
газа или его отключением для получения металлической прослойки.
Двухслойные градиентные покрытия получают плавным или дискретным
изменением потока реакционного газа во время процесса обработки. Поэтому
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
возможен относительно плавный переход от чисто металлического слоя к более
твердому слою нитрида металла и обратно.
1.4.3. АНТИФРИКЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ
Износ деталей и узлов различных механизмов значительно зависит от
свойств тонкого поверхностного слоя подшипника скольжения. Усталостная
прочность рабочего слоя подшипника зависит от следующих свойств:
твердости, износостойкости, коэффициенте трения и противозадирочных
свойств. С одной стороны, покрытие должно обладать твердостью для
повышения износостойкости, с другой стороны, должно быть мягким для
снижения коэффициента трения. Такие свойства имеют двухслойные покрытия:
внутренний - износостойкий слой (нитрид, карбид или борид металла),
внешний - антифрикционный слой из мягких металлов (Sn, Pb), слоистого
соединения (MoS2, WS2, MoSe2), графита или гексагонального нитрида бора.
Внешнее мягкое твердосмазочное покрытие, в основном, необходимо на
начальном этапе приработки подшипника, так как из-за больших локальных
нагрузок возможно возникновение трещин и частичное разрушение основного
износостойкого покрытия. После приработки подшипника на поверхности
остается тонкий мягкий слой толщиной менее 0,5 мкм. Более толстый мягкий
слой не стирается на периферии контакта. Двухслойное покрытие, состоящее из
твердого и антифрикционного слоев, могут иметь следующий состав
TiAlN/MoS2, Mo2N/MoS2, TiC/C, WC/C.
Алюминиево-оловянные AlSn и алюминиево-свинцовые сплавы AlPb,
используемые для производства вкладышей подшипников, тоже могут
применяться для получения твердосмазочных пленок. Твердое тугоплавкое соединение AlN в мягкой матрице олова или свинца образуется при распылении
AlSn катода в среде азота с аргоном. Олово и свинец не образуют нитридов в
процессе осаждения пленки. Внешний приработочный мягкий слой металлов
получается при отключении реакционного газа в конце процесса ионно26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
плазменного напыления. При этом олово и свинец не образуют нитридных
соединений. В зависимости от относительного содержания металлов в сплаве
можно получить включения мягкой составляющей в твердой матрице нитрида
или наоборот - твердые включения в мягкой матрице.
Набор
материалов,
используемых
для
создания
трибологических
покрытий, известен и ограничен. В твердый слой могут входить тугоплавкие
металлоподобные
соединения
(карбиды,
нитриды,
бориды
металлов
переходной группы), неметаллические тугоплавкие соединения (AlN, Si3N4,
кубический BN, BC), тугоплавкие оксиды металлов (Al2O3, CrO). К
антифрикционным материалам относятся дисульфиды (MoS2, WS2), графит,
гексагональный BN, оксиды свинца и титана, а также традиционные материалы
на основе олова и свинца (алюминиево-оловянные сплавы, баббиты, бронзы).
Другим фактором, влияющим на трибологические свойства покрытия,
является внутренняя структура покрытия. Однокомпонентная углеродная
аламазоподобная пленка (DLC) состоит из сверхтвердого кубического углерода
и слоистого гексагонального углерода. Такое покрытие имеет высокую
твердость и низкий коэффициент трения. Трибологические покрытия могут
быть выполнены также в виде многослойных покрытий, в которых тонкие
твердые и мягкие слои чередуются. Если толщина отдельных слоев имеет
наноразмеры,
то
нанокристаллов
формируется
в
мягкой
наноструктура,
матрице.
Состав,
состоящая
из
твердых
структура
и
толщина
трибологических покрытий зависит от условий работы пар трения, скорости
вращения,
температуры
экспериментальный
подбор
и
уровня
состава
и
нагрузки.
Поэтому
требуется
структуры
покрытия,
а
также
лабораторные измерения различных характеристик полученных пленок.
Вакуумное ионно-плазменное оборудование можно использовать также
для нанесения коррозионностойких покрытий на внутренние поверхности втулок, трубопроводной арматуры, деталей машин и др. для увеличения их срока
службы. В качестве таких покрытий также используются твердые покрытия на
основе нитридов, карбидов, боридов и оксидов металлов и металлические
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пленки металлов (Ti, Al) и сплавов (нержавеющая сталь), которые осаждаются
ионно-плазменным методом.
Для нанесения трибологических покрытий на внутренние поверхности
деталей
необходимо
внутренним
и
использовать
внешним
двухслойное
антифрикционным
покрытие
слоем,
с
который
твердым
улучшает
первоначальную приработку поверхностей. Выбор состава и структуры
покрытий зависит от многих факторов: возможность нанесения в одном
вакуумном цикле твердых и мягких слоев двухслойных и многослойных
покрытий,
доступность
катода
с
необходимым
составом
легирующих
элементов, экологическая безопасность технологического процесса нанесения
покрытия.
Использование
коаксиальным
магнетроном
вакуумной
дает
ионно-плазменной
возможность
наносить
установки
с
покрытия
на
внутренние поверхности подшипников скольжения. Магнетрон с плоским
катодом
может
быть
использован
для
исследования
свойств
многокомпонентных пленок и отработки технологии нанесения защитных
покрытий. На этой установке будет отработана технология нанесения
трибологических покрытий, включающая в себя плазменную предварительную
очистку обрабатываемых изделий, поиск режимов нанесения покрытий и выбор
их состава.
1.5 ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ МОДИФИКАЦИИ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Первой проблемой при обработке деталей в агроинженерном сервисе
является очистка поверхности от оксидов и других загрязнений перед каждой
последующей технологической операцией.
К поверхности чистого металла непосредственно примыкает слой оксида
FeO (вюстит), следующий за ним слой состоит из Fe3O4 (магнетит) и, наконец,
наружный слой окалины состоит из Fe2O3 (гематит). В легированных сталях
состав окалины значительно сложнее, чем в углеродистых: она содержит также
оксиды хрома, никеля и т.п., в зависимости от химического состава стали.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме оксидов, на поверхности металлоизделий могут находиться защитная
консервирующая и технологическая смазка, органические красители, пластик и
другие загрязнения.
Поступающий к потребителям металлопрокат, катанка, проволока, трубы
и т.п. имеют на поверхности прокатную окалину, ржавчину и другие
загрязнения. Для их удаления
устаревшие методы
дробеструйная
используются
традиционные, но уже
- кислотно-щелочное травление, пескоструйная и
(дробеметная)
очистка,
а
также
механическая
очистка
абразивным, щеточным и иглофрезерным инструментом.
Все перечисленные способы нельзя признать экологически чистыми,
универсальными, дешевыми и отвечающими современным требованиям к
качеству очистки. Кроме того, недостатком всех перечисленных методов
очистки является то, что изделия после очистки вскоре начинают опять
интенсивно корродировать в атмосфере влажного воздуха.
Основная задача, требующая незамедлительного решения в условиях
жестких ограничений экономического характера, заключается в разработке и
внедрении в производство дешевых по стоимости и в эксплуатации
универсальных, экологически чистых,
не использующих
дорогостоящие
расходные материалы технологий очистки. Актуальной также является задача
обеспечения высокой адгезионной способности и коррозионной стойкости
очищенной поверхности.
Одним из приоритетных направлений решения указанных задач является
разработка
плазменной
электродуговой
технологии
модификации
металлических поверхностей.
Впервые этот способ обработки металлической поверхности был
реализован для удаления оксидов и любых других загрязнений с поверхности
алюминия и некоторых его сплавов при разработке аргоно-дуговой сварки
конструкций из этих металлов.
Очистка
поверхности
металлов
происходит
в
катодных
пятнах
электрической дуги, которые хаотически «перемещаются» по очищаемой
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поверхности.
В катодных пятнах из-за большой плотности тока взрывной
электронной эмиссии (1011-1012 А/м2), возникающей у микровыступов на
поверхности, где достаточно велика напряженность электрического поля и
снижена работа выхода электронов из-за эффекта Шоттки, происходит быстрый
разогрев, плавление, взрывное испарение микроучастков поверхности изделия,
ионизация паров материала катода и всех поверхностных загрязнений и
возникновение почти полностью ионизованной плазмы. При этом, очищаемой
поверхности
передается
энергия
с
плотностью
порядка
1011
Вт/м2,
температура в катодном пятне достигает (5-10) 103 К, адавление пара оксидов и
металла - 107-108 Па.
В плазме электродугового разряда молекулы оксидов и любых других
загрязнений на поверхности изделий диссоциируют. Низкоэнергетичные ионы
металлов из оксидов возвращаются обратно на поверхность, а другие атомы
образуют молекулы углекислого газа и воды, которые и являются отходами
плазменно-дуговой очистки.
Исследования показали, что скорость перемещения катодных пятен при
плотности тока порядка 1010 А/м2 зависит от толщины оксидного слоя (печная,
прокатная окалина, ржавчина и другие загрязнения), давления насыщенного
пара
материала
изделия
и
загрязняющих
веществ
на
поверхности,
теплопроводности, температуры очищаемого изделия, конфигурации и рельефа
поверхности, давления и химического состава окружающей среды.
Наибольшая
производительность и высокое качество
плазменной
электродуговой очистки достигается при понижении давления в камере
обработки до 1,33 – 1,33*102 Па. Энергозатраты на очистку 1 м2 в зависимости
от степени загрязненности составляют 0,2-3,0 кВт*ч.
Очищенная поверхность в результате модификации и активации ее
плазмой
приобретает
существующим
на
высокую
сегодня
адгезионную
защитным
способность
покрытиям
ко
всем
(металлическим
и
полимерным) и ко всем видам технологических смазок (например, к мылу при
волочении проволоки). Эксперименты показали, что адгезия к защитным
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
покрытиям возрастает в четыре и более раз по сравнению со всеми
существующими способами очистки и подготовки поверхности, а это гарантия
на десятки лет, что защитное покрытие не будет отслаиваться, а изделие не
будет разрушаться под действием коррозии.
Осажденные обратно на очищенную поверхность из оксидов атомы
металлов образуют тонкие, в несколько атомных слоев, пленки. В случае
очистки стали это пленки чистого железа, которые после обработки изделия в
дальнейшем на годы защищают его поверхность от коррозии в атмосфере
влажного воздуха, а в отдельных случаях и в воде.
Преимущества
плазменной
электродуговой
технологии
модификации
металлических поверхностей:
- Многофункциональность;
- Использование для любых металлов и сплавов;
- Использование для изделий практически любых габаритов. На сегодня
нет
технологических
ограничений
для
создания
плазменного
оборудования для обработки стальных полос шириной до 2-х метров, при
этом их длина и толщина может быть не ограничена;
- Использование
в
любых
условиях
а
-производственных,
также
«полевых», - вне зависимости от сезона;
- Возможность
одновременно
провести
термообработку
изделия
и
обезгаживание поверхностного слоя;
- Возможность
одновременно
модифицировать
и
активировать
поверхность;
- Возможность одновременно наносить металлическое покрытие.
- Экономичность;
- Не требуются существенные расходные материалы;
- Установки занимают мало производственной площади;
- Для оборудования не требуются фундаменты;
- Высокое качество очистки (на атомарном уровне);
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- Отсутствует
внедрение
посторонних
материалов
и
химических
соединений в основной очищаемый материал (шаржирование);
- В процессе обработки выявляются все трещины и другие дефекты;
- После обработки поверхность приобретает высокую адгезионную
способность (это важно для последующего нанесения покрытий,
волочения и прокатки);
- Устраняется межкристаллитная коррозия материала;
- После обработки коррозионная стойкость сохраняется в течение
длительного времени;
- Вы получаете максимально.
- Экологичность
- Отходами обработки металлических поверхностей с помощью данной
технологии являются безвредные газообразные соединения - молекулы
углекислого газа и воды.
1.6. РАЗМЕРЕННАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛИЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ
КОЛЕБАНИЯМИ
Воздействие ультразвуковых колебаний на твердые среды позволяет
осуществлять технологические процессы, не реализуемые или сложно
реализуемые, традиционными методами.
Технологический эффект от
воздействия ультразвуковых колебаний на твердую поверхность позволяет
интенсифицировать размерную обработку деталий (сверление, резание,
шлифовку, полировку, снятие фасок, выполнение пазов) хрупких и особо
твердых
материалов
материалы, стекло,
(керамика,
стеклопластики,
полупроводниковые
ферриты, сверхтвердые сплавы и стали). Применение
ультразвуковых колебаний при безобразивной финишной обработке металлов
позволяет изменить свойства поверхностей обрабатываемых металлов, такие
как чистота поверхности (шероховатость) и твердость поверхности за счет
высокочастотных деформаций. Для размерной обработки материалов при
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
воздействии ультразвуковых колебаний хрупкий материал выкалывается из
изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом
рабочего инструмента, колеблющегося с УЗ частотой. Применение УЗ
колебаний позволяет интенсифицировать процесс хрупкого разрушения
обрабатываемого материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на
поверхности. При помощи такого способа обрабатываются материалы с
высокой твердостью и/или хрупкостью. К обрабатываемым материалам с
высокой твердостью относятся вольфрамосодержащие и титанокарбидные
сплавы, алмаз, закаленные стали, магнитные сплавы из редко-земельных
элементов, термокорунд и др.
Обработка другой группы материалов, таких как германий, кремний,
ферриты, керамика, стекло, кварц затруднена их высокой хрупкостью. Такие
материалы не выдерживают усилий, возникающих
при
традиционной
механической обработке. Поскольку именно перечисленные выше материалы
во многом определяют прогресс техники, возникает необходимость эффективно
обрабатывать детали из подобных, «не обрабатываемых традиционными
способами», материалов.
1.6.1. ПРОЦЕССЫ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ И СВЕРЛЕНИЯ
Технология УЗ обработки заключается в подаче абразивной суспензии в
пространство между колеблющимся с высокой частотой торцом рабочего
инструмента 1 и поверхностью обрабатываемого изделия 4. Зерна абразива 3,
под действием ударов инструмента ударяют по поверхности обрабатываемого
изделия и осуществляют его разрушение (рис. 1.10.). В качестве абразива
используются карбид бора или карбид кремния, в качестве жидкости 2 – вода.
Вследствие
воздействия
частичек
абразива
на
поверхность
рабочего
инструмента происходит его разрушение. Для уменьшения износа рабочего
инструмента его обычно выполняют из вязких материалов, не поддающихся
действию ударных нагрузок. Частицы абразива под действием ударов
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
раскалываются. Поэтому в зону обработки непрерывно подается суспензия,
несущая зерна свежего абразива и удаляющая частицы снятого материала и
размельченный абразив.
Рис. 1.10. – Схематичное изображение процесса ультразвуковой размерной обработки
материалов
Между тем, уже в первых работах по применению был выявлен основной
недостаток
УЗ
способа
обработки
–
существенное
уменьшение
производительности процесса по мере увеличения глубины обработки. Для
объяснения этого явления используются два предположения. Согласно первому
при увеличении боковой поверхности рабочего инструмента, контактирующей
с
обрабатываемым
материалом,
амплитуда
колебаний
инструмента
уменьшается вследствие трения, а уменьшение амплитуды приводит к
снижению производительности. Это предположение до настоящего времени не
получило четкого экспериментального подтверждения. При использовании
сплошных инструментов и достаточном запасе мощности используемых
генераторов
(что
было
ранее),
рассматриваемое
предположение
не
подтверждается экспериментально. Однако при использовании трубчатых
инструментов с тонкой стенкой в комплекте с маломощными генераторами
амплитуда колебаний инструмента уменьшается и скорость обработки падает.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Второе предположение, основанное на результатах многочисленных
экспериментов, объясняет уменьшение скорости обработки с увеличением
глубины ухудшением условий подачи свежего абразива в зону обработки и
удаления продуктов обработки. Экспериментально установлено, что при
отсутствии подачи свежего абразива, имеющийся разрушается так, что за 0,5–
0,6 с размеры частиц уменьшаются в 5 раз.
В
начале
70-х
годов
прошлого
века
были
детально
изучены
основополагающие физические принципы УЗ обработки хрупких материалов.
Одновре-менно с исследованиями физических процессов создавались
УЗ
станки для промышленного использования. Типичная конструктивная схема
станка для УЗ обработки имеет ряд специфических узлов, отличающих его от
традиционных металлорежущих станков (рис. 1.11.).
УЗ станок содержит генератор электрических колебаний 1, УЗ
колебательную систему 2, обеспечивающую преобразование электрических
колебаний в механические и их введение в обрабатываемое изделие 3,
механизм подачи колебательной системы 4, систему подачи абразивной
суспензии, включающую в себя насос и устройство подачи суспензии в зону
обработки (на рисунке не показаны).
Кроме того, УЗ станок имеет ряд узлов, используемых в обычных
металлорежущих станках: стол 5, станину 6. УЗ колебательная система
содержит электромеханический преобразователь (ранее обычно использовался
преобразователь магнитострикционного типа), концентратор – усилитель
амплитуды колебаний и рабочий инструмент. Применение концентратора
обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего инструмента (10–70
мкм) на заданной рабочей частоте. Механизм подачи прижимает рабочий
инструмент к обрабатываемому изделию, укрепленному на столе, с небольшим
усилием (до 3–5 кг) и по мере съема материала осуществляет подачу
инструмента, поддерживая течение процесса. Система подачи абразивной
суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону
обработки.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.11. Станок для УЗ обработки:
генератор электрических колебаний 1, УЗ колебательную систему 2, обеспечивающую
преобразование электрических колебаний в механические и их введение в обрабатываемое изделие 3,
механизм подачи колебательной системы 4
Энергетически
выгодным
может
быть
применение
процесса
УЗ
прошивки, характеризуемого при обработке стекла энергоемкостью в пределах
2–10 Дж/мм3 (что приблизительно соответствует энергоемкости традиционного
сверления металлов). Для реализации столь низкоэнергоемкого процесса (в 10
раз менее энергоемкого, чем реализуемые ранее) необходимо применение
ультразвуковых прошивочных станков, обеспечивающих:
- выполнение отверстий диаметром до 5 мм глубиной не менее
20 мм при номинальной мощности генератора не более 50 Вт с
производительностью процесса не менее 5 мм/мин;
- выполнение отверстий диаметром до 25 мм на глубину
до 10–15 мм при использовании генераторов с номинальной мощностью не
более 150 Вт и производительностью не менее 3 мм/мин;
- выполнение отверстий диаметром до 40–60 мм при номинальной
мощности используемого генератора не более 250 Вт с производительностью
не менее 2 мм/мин;
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- выполнение отверстий диаметром до 120 мм при номинальной мощности
ультразвукового генератора не более 400 Вт с производительностью не менее 1
мм/мин.
Наряду с необходимостью создания высокоэффективных малогабаритных
станков, пригодных для выполнения отверстий диаметром более 80 мм,
необходимо решить проблему выполнения отверстий глубиной до 30–40 мм и
более.
Экспериментальные
исследования,
проведенные
с
использованием
алмазного инструмента, вращающегося с частотой от 600 до 2500 оборотов в
минуту и колеблющегося на УЗ частоте с амплитудой 10–11 мкм позволили
выполнить отверстия диаметром от 2,5 до 6 мм на глубину до 400 мм.
Применение алмазного инструмента обеспечивает значительное повышение
точности, качества поверхности и производительности обработки.
1.6.2. БЕЗОБРАЗИВНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ.
ШЛИФОВКА. ПОЛИРОВКА
Уникальность технологии безобразивной ультразвуковой финишной
обработки (БУФО) металлов состоит в том, что после обработки поверхности
ме-талла резцом возрастает твѐрдость поверхностного слоя ( в зависимости от
исходной)
на 10–150 %. При этом появляется возможность получения
шероховатости поверхности до 10–12 класса (Ra=0,04–0,1 мкм), повышается
усталостная прочность на 10–200 %, увеличивается опорная поверхность до 80–
90 %, некруглость геометрии детали после резца снижается на 25–30 %. При
условии
твердого
точения
детали
использование
БУФО
исключает
необходимость применения шлифовальных станков. Таким образом, становится
реальной технология обработки деталей, не снимая с центров, за один
«установ».
Возрастает производительность (согласно практике некоторых заводов
РФ, растет до тридцати раз). Более того, становится возможной одновременная
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обработка
детали
резанием
и
ультразвуком;
при
этом
технология
освобождается от абразива, войлока, притирочных паст и грязной ручной
работы. Естественно, исключается внутрицеховая транспортировка деталей,
возможные
припуски.
Экономится
производственная
площадь
и
электроэнергия, отпадает потребность в специалистах - шлифовщиках. При
крупносерийном производстве возможна и целесообразна автоматизация и
роботизация процесса.
С помощью оборудования БУФО можно обрабатывать большинство
известных марок стали, алюминия, меди и других металлов. Обрабатываются
различные конструктивные формы деталей: цилиндрические наружные и
внутренние поверхности, торцевые, конические и шаровые поверхности,
различные выступы, прямоугольные и радиусные канавки и т.д.
1.6.3. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Одной из ответственных частей УЗ аппарата является электронный
генератор – устройство, предназначенное для преобразования энергии
электрической промышленной сети в энергию электрических колебаний
ультразвуковой частоты.
Решение проблемы автоматической подстройки параметров генератора
при всех возможных изменениях параметров обрабатываемых сред и
разработка
электрического
генератора
для
специализированного
ультразвукового станка является сложной проблемой.
Наиболее перспективной является схема генератора с независимым
возбуждением и автоматической подстройкой частоты. К достоинству таких
схем
относятся
все
достоинства
схем
генераторов
с
независимым
возбуждением. К этому добавляется возможность автоматической подстройки
частоты в соответствии с изменением механической частоты колебательной
системы.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Между тем, у всех разработанных к настоящему времени генераторов с
автоподстройкой частоты есть следующие общие недостатки:
1. Ограничение по максимальной развиваемой мощности, обусловленное
длительным
временем
рассасывания
зарядов
в
базах
современных
высоковольтных транзисторов при протекании больших токов;
2. Диапазон перестройки рабочей частоты генератора меньше возможного
диапазона изменения собственной рабочей частоты колебательной системы;
3. Ограниченный диапазон изменения или полное отсутствие регулировок
выходной мощности генераторов;
4. Полное отсутствие или недостаточное быстродействие систем
автоматического
поддержания
амплитуды
механических
колебаний
колебательной системы;
5. Отсутствие систем защиты от нерегламентных режимов работы;
6.
Отсутствие
ультразвуковых
колебательных
систем,
способных
обеспечить максимально эффективное согласование выходного электрического
сопротивления электрического генератора и механического сопротивления
обрабатываемых сред в широком диапазоне;
7.
Снижение
производительности
(эффективности
ультразвукового
воздействия) при изменении влияния обрабатываемых сред даже при наличии
системы автоматической подстройки рабочей частоты;
На основании результатов создания электронных генераторов для
ультразвуковых аппаратов и исследований в настоящее время
разработан
электрический генератор, позволяющий исключить перечисленные недостатки.
Это стало возможным за счет обеспечения автоматической подстройки
режимов работы электронной схемы генератора при всех возможных
изменениях условий ультразвукового технологического воздействия, при
использовании
различных
колебательных
систем
с
большим
разнообразных инструментов.
Структурная схема генератора представлена на рис. 1.12.
39
числом
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.12. - Блок-схема ультразвукового технологического аппарата
Электронный генератор включает:
1 - фазовый компаратор;
2 – генератор, управляемый напряжением;
3– выходные каскады УЗ генератора;
4 – электрический LC контур;
5 – ультразвуковую колебательную систему;
6 – устройство, фиксирующее амплитуду напряжения на колебательной
системе;
7- датчики для снятия сигналов обратной связи;
8 – регулятор;
9 – тиристорный регулятор;
10 – устройство для формирования уставки, задающей стабилизируемую
мощность;
11 – блок питания низковольтной части;
12 – устройство защиты и автоматики.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При включении УЗ станка низковольтная часть его питается с помощью
источника питания 11, блок автоматики 12 запускает генератор 2 на
максимально возможной частоте из диапазона перестройки генератора, и тот
начинает поиск резонансной частоты колебательной системы. Это происходит
следующим образом: сигнал с выхода генератора 2 подается на выходные
ключевые каскады 3, этот же сигнал (опорный) поступает на один из входов
фазового компаратора 1, на ключевые каскады нагружен колебательный контур
4,
резонанс
которого
близок
к
резонансной
частоте
механической
колебательной системы. Работая как фильтр, контур 4 выдает первую
гармонику прямоугольного сигнала, который на него подается, то есть на
колебательную систему подается синусоидальное напряжение.
В электрическую цепь питания колебательной системы включены
датчики 7 для снятия сигналов обратной связи. Один из датчиков включен
таким образом, что сигнал (ток), снимаемый с него, имеет ту же частоту и фазу,
что и ток в механической ветви ультразвуковой колебательной системы. Сигнал
с этого датчика подается на второй вход фазового компаратора 1.
При неравенстве фаз и частот на входах фазового компаратора на его
выходе формируется соответствующее напряжение, подаваемое на ГУН 2,
который перестраивается в соответствии с подаваемым напряжением.
Когда равенство фаз и частот будет достигнуто, данный генератор будет
работать в условии резонанса, и любое изменение фазы и частоты будет
скомпенсировано.
Выходные каскады 3 питаются постоянным напряжением, которое поступает с тиристорного регулятора 9. Напряжение, которым питаются выходные
каскады, определяется видом работы и устанавливается устройством 10.
В результате работы на различные среды и при смене нагрузок
происходит
стабилизации
изменение
этого
напряжения
напряжения,
а,
на
колебательной
следовательно,
для
системе.
Для
стабилизации
амплитуды механических колебаний системы, напряжение на колебательной
системе отслеживается датчиком 7, затем в блоке 6 фиксируется его амплитуда,
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и
этот
сигнал,
пропорциональный
амплитуде
питающего
напряжения
колебательной системы, подается на пропорциональный регулятор 8. Это
регулятор, сравнивая уровень, задаваемый устройством 10, с приходящим от
блока 6 сигналом, вырабатывает управляющий сигнал для тиристорного
регулятора. В результате происходит автоматическая стабилизация амплитуды
механических колебаний системы.
Устройство защиты и автоматики 12 служит для ручного пуска
генератора, выключения его при аварийных ситуациях, повторного перезапуска
генератора, при срыве частоты и при срабатывании токовой защиты.
Полная
автоматизация
подстройки
параметров
УЗ
генератора,
автоматическая защита электронной части от перегрузок позволяет свести к
минимуму действия оператора, связанные с перестройкой генератора и
аварийными ситуациями. При проведении определенной работы от оператора
требуется лишь включить в сеть аппарат, выставить требуемую для данного
процесса мощность и кнопкой пуска запустить на работу данный генератор.
Далее обеспечение ультразвукового воздействия происходит в автоматическом
режиме. На рис. 1.13. представлена структурная схема системы управления
ультразвуковым технологическим аппаратом
Рис. 1.13. – Структурная схема устройства управления работой
технологического аппарата для оптимизации ультразвукового воздействия
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Информацию
о
степени
согласования
колебательной
системы
и
технологической среды несет величина разности фаз выходного напряжения и
тока генератора. Изменение напряжений, токов и их фазовых соотношений
осуществляется средствами, рассмотренными ранее.
Согласно способу управления регулировка амплитуды выходного
напряжения электронного генератора осуществляется за счет изменения
постоянного напряжения питания выходного каскада инвертора (блок ВК на
схеме). Постоянное напряжение питания выходного каскада инвертора
поступает от регулируемого источника питания (блок ИП). Величина
напряжения
устанавливается
управляющим
сигналом
VS.
Контроль
напряжения осуществляется с помощью сигнала VR. Частота выходного
напряжения
электронного
генератора
определяется
частотой
тактовых
импульсов задающего генератора (блок ЗГ). Частота тактовых импульсов
задающего генератора устанавливается сигналом FS. Контроль тактовой
частоты осуществляется сигналом FR. Значение индуктивности дросселя ДР1
устанавливается
сигналом
L1.
устанавливается
сигналом
L2.
Значение
индуктивности
Коэффициент
передачи
дросселя
ДР2
нормирующего
усилителя (блок НУ) устанавливается сигналом KS
ИП – регулируемый источник питания постоянного тока;
ВК – выходной каскад инвертора; Г – задающий генератор;
ДР1 и ДР2 – регулируемые дроссели; ИУ1-ИУ2 – исполнительные
устройства, регулирующие индуктивность дросселей;
УЗКС – ультразвуковая колебательная система;
НУ – нормирующий усилитель; ДУ – дифференциальный усилитель;
Д1-Д2 – делители напряжений; Ш1-Ш3 – токоизмерительные шунты.
Для контроля значений напряжений и токов в различных участках
электроакустической системы используются два делителя напряжения Д1 и Д2
и
три
токоизмерительных
шунта
Ш1-Ш3.
Выделение
сигнала,
пропорционального эквивалентному току через «механическую ветвь» УЗКС,
осуществляется дифференциальным усилителем (блок ДУ) и нормирующим
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
усилителем (блок НУ). Обработка измерительных сигналов и выработка
управляющих воздействий осуществляется блоком управления в соответствии с
предлагаемым
способом
управления.
Блок
управления
целесообразно
выполнять с использованием микроконтроллеров, т.к. алгоритм управления
сопряжен с выполнением вычислительных операций и гибким изменением
логики. Подходы к регулированию параметров УЗТА в режиме осуществления
ультразвукового воздействия и в режиме запуска существенно отличаются.
В
режиме
осуществления
УЗ
воздействия
требуется
лишь
компенсировать влияние изменения параметров технологических сред на
режим преобразования и передачи энергии. Знание абсолютных значений
параметров
компонентов
генератора,
колебательной
системы
и
технологической среды здесь не требуется, достаточно следящего режима
регулирования.
В
режиме
запуска
УЗТА
начальные
параметры
компонентов
электроакустического тракта ультразвукового аппарата и технологических сред
неизвестны. Поэтому перед запуском УЗТА в работу они должны быть
определены.
Фактически для полной автоматизации управления работой УЗТА
требуются два различных способа. Первый способ должен обеспечивать
установку
начальных
значений
параметров
компонентов
генератора,
обеспечивающих его запуск в работу. Второй способ управления должен
обеспечивать оптимальный режим ввода энергии ультразвуковых колебаний в
технологическую среду в условиях изменения ее параметров.
В
режиме
запуска
УЗТА
в
работу
необходимо
обеспечить
скоординированное регулирование его основных параметров. Поскольку УЗТА
второго типа практически не чувствительны к величине, приведенной к
электрическому входу УЗКС активной составляющей общего акустического
сопротивления системы УЗКС – технологическая среда, для установления
начальных
условий
согласования
необходимо
определить
значение
собственной электрической емкости пьезопреобразователя и резонансной
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
частоты УЗКС. Другие параметры системы известны. Для измерения
электрической
емкости
использована
схема
выделения
сигнала,
пропорционального эквивалентному току «механической ветви» УЗКС, которая
фактически представляет собой измерительный мост. Определение начального
значения резонансной частоты УЗКС обычно выполняется сканированием
диапазона рабочих частот электронного генератора. При этом производится
плавное увеличение частоты выходного напряжения электронного генератора
до тех пор, пока она не станет равной резонансной частоте УЗКС (или пока не
достигнет верхней границы диапазона).
В процессе изменения частоты выходного напряжения электронного
генератора производится изменение индуктивностей дросселей ДР1 и ДР2
таким
образом,
чтобы
обеспечить
равенство
резонансных
частот
колебательного контура последовательного питания (ДР1С1), колебательного
контура параллельного питания (ДР2С2+Сэ) и частоты выходного напряжения
генератора.
Если в процессе сканирования удается обнаружить резонансную частоту
УЗКС, то осуществляется переход блока управления в основной режим работы.
В основном режиме работы осуществляется следящее управление параметрами
УЗТА таким образом, чтобы обеспечить наилучшие условия ввода энергии
ультразвуковых колебаний в технологическую среду. Фактически в основном
режиме работы организуется четыре независимых контура регулирования.
Первый контур регулирования осуществляет автоматическую подстройку
частоты выходного напряжения генератора. Для этого осуществляется
непрерывный контроль разности фаз переменного напряжения питания УЗКС и
переменного тока «механической ветви» на основании информации о фазах
сигналов U2 и Iм и минимизация этой разности фаз за счет изменения
выходной частоты генератора (используя управляющий сигнал FS).
Второй контур регулирования осуществляет поддержание заданного
значения
выходной
мощности.
Для
этого
применяется
произведение
амплитудных значений сигналов U2 и Iм, которое в процессе регулирования
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обеспечивается равным заданной уставке за счет изменения напряжения
питания выходных каскадов электронного генератора (используя сигнал VS).
Третий
контур
регулирования
обеспечивает
работу
электронного
генератора с максимальным коэффициентом мощности нагрузки. Для этого
производится контроль разности фаз сигналов U1 и I1 и ее минимизация за счет
изменения индуктивности дросселя ДР1 (используя сигнал L1).
Четвертый контур регулирования обеспечивает компенсацию емкостной
составляющей входного сопротивления УЗКС. Для этого производится контроль разности фаз сигналов U2 и I1 и ее минимизация за счет изменения индуктивности дросселя ДР2 (используя сигнал L2).
Структурная схема ультразвукового аппарата (электронного генератора и
колебательной системы) показана на рис. 1.14.
Рис. 1.14. - Структурная схема ультразвукового технологического аппарата
На структурной схеме линиями нормальной толщины представлены цепи
прохождения аналоговых сигналов, а утолщенными линиями
прохождения цифровых сигналов.
46
– цепи
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Источник
питания
(ИП)
преобразует
переменное
напряжение
электрической сети в регулируемое постоянное напряжение 0–300 В,
преобразуемое транзисторным ключевым преобразователем (ПР) с выходным
повышающим трансформатором в переменное напряжение прямоугольной
формы. Возбуждение преобразователя обеспечивается от маломощного
генератора, управляемого напряжением (ГУН). Сопротивление токовых шунтов
(Ш1-Ш3) 0,1 Ом. Для увеличения амплитуды снимаемого с них напряжения (0–
0,25 В) применяются три одинаковых усилителя У1-У3 (коэффициент усиления
20). Напряжение, снимаемое с резистивных делителей, не нуждается в
усилении (его амплитуда изменяется в пределах 0–5 В). Сигналы с делителей
напряжений поступают на входы амплитудных детекторов (АД1-АД4) и
формирователей прямоугольных импульсов (Ф1-Ф4). Напряжение сигнала с
выхода
усилителя
У2
делится
цифроаналоговым
преобразователем
(коэффициент деления задается основным микроконтроллером) и вместе с
сигналом с выхода усилителя У3 поступает на вход дифференциального
усилителя ДУ, с выхода которого снимается напряжение, пропорциональное
амплитуде и совпадающее по фазе с током «механической ветви» УЗКС.
Микроконтроллер (МК1) дросселя последовательного колебательного
контура на основании сигналов с выходов формирователей Ф1 и Ф2 вычисляет
значение фазового угла между током и напряжением на выходе инвертора и его
минимизацию. Микроконтроллер (МК2) дросселя параллельного колебательного контура на основании сигналов с выходов формирователей Ф3 и Ф1
вычисляет значение фазового угла между током и напряжением на
параллельном колебательном контуре и общим током через контур и
осуществляет минимизацию этого фазового угла (обеспечивая компенсацию
емкостной составляющей комплексного электрического сопротивления УЗКС).
Устройство, реализованное по рассмотренной структурной схеме,
позволяет осуществлять автоматическое согласование выходных каскадов
электронного генератора и ультразвуковой колебательной системы при
всевозможных изменениях в акустической нагрузке (технологической среды) и
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в самой ультразвуковой колебательной системе (изменение электрической
емкости пьезоэлектрических элементов в процессе нагрева колебательной
системы).
Дальнейшее совершенствование схем УЗ-генераторов и их внедрение в
производство
позволит
повысить
энергоэффективность
процессов
металлообработки на предприятиях агроинженерного сервиса.
1.7. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА ДЕТАЛЕЙ
Среди процессов, протекающих под действием ультразвука в жидкостях,
очистка
изделий
от
различных
загрязнений
получила
наибольшее
распространение в промышленности. В обобщенном виде влияние различных
факторов на механизм очистки можно представить в виде схемы, изображенной
на рисунке 1.15.
Рисунок 1.15 – Механизм разрушения поверхностных пленок
в ультразвуковом поле
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разрушение
поверхностных
пленок
в
жидкости
под
действием
ультразвука происходит благодаря кавитации и акустическим течениям. В
некоторых случаях, например, при очистке контактным способом, когда УЗ
колебания возбуждаются в самом очищаемом изделии, определенную роль
могут играть знакопеременные напряжения, возникающие в пленке загрязнений
при изгибных колебаниях детали и способствующие отслаиванию пленки, если
ее усталостная прочность незначительна. Интенсивность, кавитация, скорость и
характер акустических течений, величина радиационного давления, амплитуда
колебаний самой детали зависят от частоты и интенсивности колебаний,
физических свойств жидкости и в особенности – от ее температуры.
Разрушение, отделение и растворение пленки загрязнений при УЗ очистке
происходит благодаря совместному действию химически активной среды и
факторов, обусловленных наложением акустического поля.
Известны три возможных механизма разрушения поверхностных пленок
кавитационными пузырьками: отслоение, струйная очистка и эмульгирование.
В первом случае пульсирующий пузырек «прилипает» к поверхности материала
и внутренней поверхности отслоившейся пленки (рисунок 1.16). При
интенсивных колебаниях пузырька на пленку начинают действовать силы,
отрывающие ее от поверхности материала. Если силы сцепления пленки с
поверхностью превосходят прочность самой пленки, то свободный кусочек ее
отрывается (рисунок 1.16). В противном случае пленка отслаивается. Во втором
случае пульсирующий кавитационный пузырек, перемещаясь по очищаемой
поверхности, оставляет в пленке загрязнений «расчищенные дорожки»,
направление которых совпадает с траекторией движения пузырька. В этом
случае разрушающее действие кавитации можно объяснить ударами струек
жидкости о поверхность материала при делении крупных неустойчивых
пузырьков на более мелкие. В третьем случае газовые пузырьки, имевшиеся в
толще пленки, пульсируя под действием звукового поля и акустических
течений, увлекают за собой часть окружающего вещества пленки загрязнений.
Перемещение массы пленки приводит к ее разрывам. Одновременно идет
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
другой процесс: кавитационные пузырьки распыляют мельчайшие капли воды
на поверхность жировой пленки, обволакивающей газовый пузырек. Поскольку
пульсирующий пузырек является своеобразным источником ультразвуковых
колебаний, капельки жидкости могут отбрасываться, дробиться, и наблюдается
явление, напоминающее распыление тонкого слоя жидкости на поверхности
излучателя. Важным параметром, влияющим на эффективность процесса
очистки, является интенсивность ультразвука. Выбор интенсивности зависит от
вида очищаемого изделия, характера загрязнения, моющей жидкости и др.
Рисунок 1.16. – Схема отслоения пленки загрязнения
а) – образование пузырька у поверхности под пленкой; б) – отрыв
кусочка пленки от поверхности при пульсации пузырька
В зависимости от вида загрязнений целесообразно использовать
следующие значения интенсивности: до 1–3 Вт/см2 – для легкоудаляемых
загрязнений (масляных и жировых при механической обработке изделий,
растворимых в моющей жидкости осадков, флюсов и т.п.); от 3 до 10 Вт/см2 –
для загрязнений типа полировочных и притирочных паст, закатанных при обработке давлением физических загрязнений и смазок, полимеризовавшихся
смазок и т.д.; свыше 10 Вт/см2 – для трудноудаляемых загрязнений (лаковых
пленок, травильных шламов и т.п.). Для очистки протяженных каналов малого
диаметра
используется
высокоамплитудная
очистка
колебаниями
с
интенсивностью до 100 Вт/см2.
Многообразие задач и объектов очистки обусловливает необходимость
учета множества специфических факторов при реализации процессов и
решения проблем автоматизации УЗ воздействия в оптимальном режиме.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ ЭКОСИСТЕМ ОЧИСТКИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД В АГРОИНЖЕНЕРНОМ СЕРВИСЕ
Неотъемлемым
элементом
технологических
процессов
обработки
материалов в ремонтных мастерских АПК являются смазочно-охлаждающие
технологические среды (СОЖ). Процессы точения, фрезерования, сверления,
шлифования и др. отличаются большими статическими и динамическими
нагрузками, высокими температурами и механическими воздействиями
обрабатываемого материала на режущий инструмент. Функцией СОЖ является
снижение температуры, силовых параметров обработки и износа инструмента.
Разработка
экологически
чистых
ресурсосберегающих
систем
применения СОЖ в ремонтных производствах АПК требует решения вопросов,
связанных с совершенствованием
систем их очистки и разработкой
научнообоснованных
устройств
способов
и
диагностики
качества
отработанных технологических сред в циклах повторной эксплуатации.
Изменение дисперсного состояния СОЖ в процессе её эксплуатации
приводит к ухудшению их функциональных и эксплуатационных свойств.
Превышение стандартизованной концентрации
микропримесей металлов,
неизбежно присутствующих в СОЖ после очистки, нарушает технологические
параметры обработки и приводит к преждевременному износу оборудования.
Анализ
научно-технической
литературы
показал,
что
наиболее
целесообразным оборудованием очистки СОЖ, как с точки зрения качества,
так и энергоэффективности процесса, являются патронные магнитные
сепараторы.
2.1
ПАТРОННЫЕ МАГНИТНЫЕ СЕПАРАТОРЫ
По характеру движения патронов патронные магнитные сепараторы
подразделяют следующим образом:
- с непрерывным движением — цепные магнитные сепараторы (ЦМС);
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- с периодическим движением — кассетные магнитные сепараторы (КМС).
Особенностью конструкции ЦМС являются форма цепного полотна и
организация потоков СОЖ (вдоль или поперек магнитных патронов).
ЦМС петле- и Г-обраэной формы целесообразно использовать в условиях,
где существуют ограничения по площади, занимаемой установкой очистки
СОЖ. а также при невозможности организации подвальной инфраструктуры
использования других устройств для очистки СОЖ. В последнем случае ЦМС
не только очищает СОЖ от ферромагнитных примесей, но и транспортирует
шлам из подвала на уровень первого этажа для последующего его удаления.
Схема ЦМС с зигзагообразной формой цепного полотна приведена на
рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема ЦМС с зигзагообразной формой цепного полотна:
1- бак-корпус; 2-магнитные патроны; 3-разъемный скребок; 4-привод
магнитной системы; 5-цепь; 6-скребковый конвейер
Загрязненная механическими примесями СОЖ подводится в бак-корпус и
медленно движется через систему магнитных патронов, размещенных на цепи
на определенном расстоянии друг от друга и шарнирно закрепленных на ней.
Цепи приводятся в движение приводом магнитной системы. Проходя вдоль
магнитных патронов, СОЖ очищается от феррочастиц и подается на
технологическое оборудование, а магнитные патроны, выходя из СОЖ
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
очищаются от шлама упругими разъемными скребками, которые при ходе в
одну сторону охватывают патроны, а при обратном ходе раскрываются. Шлам
с патронов падает на скребковый конвейер и удаляется в емкость для шлама.
Схема расположения магнитных патронов в кассете КМС приведена на
рис. 2.2.
Рис 2.2. Схема расположения магнитных патронов в кассете КМС:
1-латунная гильза; 2-магнитопроводящие шайбы; 3-магнитный элемент; 4траверса
Схема удаления шлама из КМС приведена на рисунке 2.3.
Рис. 2.3. Схемы удаления шлама из КМС
а — скребковый конвейер вне СОЖ; б — скребковый конвейер в СОЖ. 1-магнитный патрон;
2-каретка; 3-стойка; 4-скребковый конвейер; 5-гидроцилиндр
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КМС (см. рисунок 2.2.) размешают на траверсе, которая прикрепляется к
стойке бака отстойника (см. рисунок 12). Магнитные патроны, состоящие из
латунной гильзы, заполненной магнитными элементами с магнитопроводящими шайбами между ними, монтируют на траверсе (рисунок 2.2), которая
может перемещаться по стойке для подъёма и опускания патронов в СОЖ
Проходя через магнитные патроны (рисунок 2.3.), загрязненная СОЖ
очищается, а на поверхности патронов остается осадок, состоящий из
ферромагнитных частиц, масла и небольшого количества самой СОЖ. При
достижении споем осадка заданной толщины или по истечении определенного
промежутка времени кассета с магнитными патронами поднимается и
очищается от слоя осадка. При расположении кассет в верхнем положении
гидроцилиндр перемещает скребковые конвейеры по направляющим в
положении «под патронами кассет». Шлам с патронов сбрасывается в
скребковый конвейер, из которого удаляется в емкость для шлама. После этого
кассета с магнитными патронами опускается в СОЖ.
Конструкцию КМС характеризуют следующие признаки:
• расположение магнитных патронов в кассете— однорядное (рисунок
2.2.) или многорядное (в шахматном порядке);
- количество кассет — одно- и многокассетные;
- количество стоек — одностоечные и двухстоечные;
- расположение транспортного устройства для удаления шлама — над
уровнем СОЖ (для плохо коагулирующихся шламое. например, прокатных) и
на дне емкости с СОЖ (для хорошо коагулирующихся шламов, например,
шлифовальных).
Показатели эффективности магнитных сепараторов приведены в таблице
2.1.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.1.
Наименование показателя
Тонкость очистки d so ,мкм
Степень очистки Е,%
Шламоемкость, кг/м2
Потребляемая мощность, Вт·ч/м3
Среднее число отказов за год эксплуатации
Максимальная производительность установки Qmax (при условии
окупаемости за год)
Норма для сепаратора
ЦМС КМС БМС
3-5
1-3
25-75
95-98 95-98 80-90
2-3
2-3
__
15
1-2
30
15
-1
--5
900
20000 18
Возрастающие требования к экологической безопасности производств
агроинженерного сервиса выдвигают на первый план проблему рационального
применения СОЖ, которые, являясь одним из главных факторов увеличения
производительности и обеспечения высокого качества продукции, остаются
основным источником загрязнения окружающей среды.
Разработка высокоэффективных экологически чистых технологий и
систем применения (СП) СОЖ требует решения комплекса вопросов,
связанных с технологиями и техникой их очистки их от механических и иных
примесей, стабилизацию свойств в процессе эксплуатации, разложение
отработанных СОЖ, утилизацию отходов и другие операции.
Как показывает опыт эксплуатации различных устройств очистки,
наиболее
устойчиво
работают
системы
с
использованием
магнитных
патронных сепараторов (при очистки СОЖ от магнитного шлама), вакуумных
сетчатых фильтров (при очистки СОЖ от немагнитного шлама) и напорный
флотации (для очистки СОЖ от посторонних маслянных включений, колоний
бактерий, мелких твердых частиц).
2.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАТРОННОГО
МАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА
Для
создания
патронного
магнитного
сепаратора
(ПМС)
с
высокоэффективной очисткой СОЖ от ферромагнитных примесей необходимо
оптимизировать конструктивные параметры его магнитной системы. Так как
сепарация феррочастиц в ПМС является сложным процессом, то решить эту
задачу с наименьшими затратами можно с помощью математического
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
моделирования процесса патронной магнитной сепарации. Это позволит
перейти от заданных свойств СОЖ и механических примесей, качества и
производительности очистки к определению оптимальных режимов сепарации
и конструктивных параметров ПМС.
При моделировании магнитного сепаратора ферромагнитные частицы
будем рассматривать как материальные точки, так как размеры механических
примесей значительно меньше размеров магнитной системы сепаратора.
Пусть в момент времени t частица находится в точке М( x, y ) (рис. 2.4).
За время
(
частица сместится в точку
) Вектор перемеще-
ния феррочастицы
⃗⃗ ( )
⃗⃗⃗ ( )
⃗⃗⃗ ( )
⃗⃗⃗ ,
(2.1)
где ⃗⃗⃗ ( )- вектор перемещения частицы вдоль линии тока жидкости, м;
⃗⃗⃗ ( )-вектор перемещения частицы под действием магнитной силой, м; ⃗⃗⃗⃗
( )
вектор начального положения частицы, м.
Рис. 2.4. К расчету траектории движения ферромагнитной частицы
Разделив все члены уравнения (2.1) на
и перейдя к пределу при
, получим
⃗⃗
⃗⃗⃗⃗
56
⃗⃗⃗⃗
,
(2.2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
причем
⃗⃗
где
{
}
{
}
(2.3)
проекции вектора скорости жидкости.
В магнитогидродинамическом поле движение частицы подчиняется
второму закону динамики:
⃗⃗⃗м
где
m-масса
феррочастицы,
⃗⃗⃗м
кг;
феррочастицы в магнитном поле, Н; ⃗⃗⃗с
⃗⃗⃗с
(2.4)
вектор
силы
притяжения
вектор силы сопротивления движению
феррочастицы, Н.
Силу ⃗⃗⃗м вычислим так же, как ⃗⃗⃗с -по формуле Буссинеска для
⃗⃗⃗⃗ ( )
неустановившегося движения, т.е. когда ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗м
⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗
|⃗ | ;
⃗⃗⃗⃗
[
√
√
∫
(2.5)
⃗⃗⃗⃗ ( )
√
√
⃗⃗⃗⃗ ( )]
(2.6)
где
магнитная постоянная, Гн/м;
феррочастицы;
объем феррочастицы, м ; | ⃗ | напряженность магнитного
поля, А/м; R-радиус феррочастицы, м;
⃗⃗⃗⃗
магнитная восприимчивость
плотность СОЖ, кг⁄м ; ⃗⃗⃗⃗
вектор скорости перемещения феррочастицы под действием магнитного
поля, м/с; t-время движения феррочастицы в магнитном поле сепаратора, с;
переменная интегрирования, с.
Первое слагаемое в зависимости (2.6) представляет собой формулу
Стокса при стационарном обтекании, второе - учитывает присоединенную
массу жидкости.
Магнитная восприимчивость
образом:
57
зависит от | ⃗ | и R следующим
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
|⃗⃗ |
|⃗⃗ |)
(
при
|⃗⃗ |
при
|⃗⃗ |
при |⃗⃗ |
{
(2.7)
В скалярной форме уравнение движения частицы под влиянием
действующих на неё сил примет следующий вид: (формула 2.8)
(
(
(
(
)
(
(
)
)
)
)
[
)
[
√
√
√
√
∫
∫
( )
√
( )
√
√
√
( )]
( )]
{
(2.8)
В случае, когда рабочими элементами магнитного сепаратора
являются стержни круглого сечения, проекции вектора скорости жидкости
(
)
(
) определяются выражениями:
( ̃ ̃) (
̃
̃
)
( ̃ ̃)
̃
̃
(2.9)
( ̃ ̃)
(
где ̃
̃
̃
, ̃
)
(
̃
̃)
-безразмерные декартовы координаты;
и l=L/R –
безразмерные параметры; L- расстояние между центрами магнитных стержней
радиуса R, м;
- скорость невозмущенного потока, м/с.
Составляющие магнитного поля в этом случае найдем по зависимостям:
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
|⃗⃗ |
|⃗ |
(
(к)
)(
[ к
(
( ̃ ̃)
где
к )
К (к)
где
|⃗⃗ |
(
∫
⁄к
√(
к ) (с
)(
к
)
)]
к
( ̃ ̃)
̃
̃
̃
(̃
(̃
̃
{
̃
̃
⁄
)
(̃
̃
)
⁄)
⁄)
̃};
потенциал магнитного поля на поверхности патрона.
Численное решение системы обыкновенных интегро-дифференциальных
уравнений шестого порядка (2.6), приведенных к нормальной форме, выполним
на ЭВМ методом Эйлера-Коши по специально разработанной программе. На её
базе для наблюдения за движением феррочастицы в рабочей зоне ПМС на
экране дисплея была разработана программа визуализации процесса очистки
СОЖ, позволяющая вести активный контроль за процессом расчета
|⃗⃗ |А
(2.10)
где А- расстояние между магнитными элементами (патронами), м.
Поскольку - характеристика интегральная, а математически можно описать лишь траекторию движения частицы заданного диаметра
всех действующих на нее в зоне очистки сил, то рассчитать
э
под влиянием
можно на основе
расчета траектории движения частицы.
Траектория движения частицы представляет собой геометрическое место
точек, через которые последовательно проходит частица. Каждая точка имеет
определенные координаты x и y. Расчет по математической модели провели с
заданием интервала времени
. Когда в процессе расчета координаты
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
частицы x и y примут значения, принадлежащие поверхности магнитного
элемента, это будет означать, что частица извлечена из СОЖ и притянута к
поверхности элемента. На печать или на экран дисплея выводится сообщение
“Частица отфильтрована”, и расчет прекращен.
Начальную координату частицы x подбирали из условия отсутствия
искажения траектории в данной точке, которое неизбежно появится при
приближении частицы к патронам (рис. 2.5), путем предварительного
численного эксперимента с обязательной визуализацией движения частицы.
Чем ближе будет располагаться начальная точка к поверхности элемента
(патрона), тем меньше потребуется времени на расчет. Конечную координату
частицы x подбирали также на основе численного эксперимента.
Рис.2.5 Схема к расчету степени очистки СОЖ по числу частиц: x,y- координаты
частицы;
1,2,3… ,N- начальные точки траектории частицы; R- радиус магнитного элемента
Если координаты частицы х и у, получаемые в процессе расчета, во всем
принятом диапазоне (-х, +х) будут отличны от координат точек поверхности
магнитного элемента,
то появляется сообщение “Частица проскочила
ловушку”.
Чтобы найти степень очистки СОЖ от частиц диаметром
э
по их числу
(в процентах), необходимо выполнить ряд последовательных расчетов.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одиночную частицу помещают сначала в точку 1 (см. рис. 2.5), затем
поочередно в точки 2,3,…, N, каждый раз рассчитывая её траекторию. При этом
в исходных данных изменяют лишь один параметр- координату у: его
увеличивают для каждого нового расчета на определенную величину (чем она
меньше, тем точнее будет значение ) от 0 (точка 1) до
(
) (точка
N).
Значение найдем из соотношения
,
где
(2.11)
максимальное значение координаты i-ой начальной точки
траектории задержанной частицы (при
частица уже проскакивает),
значение координаты N-ой начальной точки траектории частицы,
( )
Следует отметить, что по мере увеличения y увеличивается и вероятность
проскакивания частиц.
Для получения зависимости ( э ) описанную выше процедуру нахождения
повторяли для нескольких значений
, задаваемых на основе анализа
гранулометрического состава исследуемого шлама.
Некоторые из полученных зависимостей ( э ) приведены на рис. 2.6 .
Рис. 2.6 Зависимость степени очистки СОЖ
шлама
э:
от диаметра ферромагнитных частиц
1,2,3- соответственно при
А;
эмульсия Автокат-78.
61
м с; СОЖ -5%-ная
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как следует из рис. 2.6, в магнитном поле с потенциалом
м с степень очистки
ферромагнитных частиц диаметром
составляет 51%. При увеличении диаметра частиц до 4мкм
90%, а
э
мкм
. Тонкость очистки СОЖ
составила 1,8 мкм (последовательность определения
Если потенциал поля
отделяются с
э
, при
А при
увеличивается до
при
мкм
мкм. В этом случае
А
показана на рис. 2.8 ).
А, то частицы диаметром
э
мкм
э
мкм
э
; достигает
при
мкм
Скорость частицы, как видно из рис. 2.7, существенно влияет на
например, при увеличении с
до
м
с
снижается с
до
:
.
Рис. 2.7. Зависимость степени очистки СОЖ от скорости движения ферромагнитной
частицы : 1-расчетная зависимость при
мкм;
э
зависимость, полученная при гравитационной очистке при
А 2-экспериментальная
мкм сш
э
кг⁄м
СОЖ- 5%-ая эмульсия Автокат-78.
Задавая различные значения
, т.е.
(их получали в процессе расчета
траектории по формулам (2.11) как промежуточный результат, в виде
составляющих
и
),
строили
зависимость
значениям .
62
( э ),
соответствующие
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Чтобы перейти от степени очистки
количество феррочастиц,
удаленных при очистке, и полученной по
зависимости (2.11), к характеристике
удаленных
феррочастиц,
, показывающей относительное
можно
, показывающей массовую долю
воспользоваться
аналитическим
или
графическим методом. В наших исследованиях использовали графический
метод Алландера (Allander) как более простой, наглядный и не требующий
громоздких расчетов. В качестве исходных данных при этом достаточно иметь
две характеристики: распределение частиц по размерам
( э ) или ( э ) (рис.
2.8) и зависимость ( э ).
Рис. 2.8 Зависимость накопленной части шлама q от эквивалентного диаметра частиц
шлама
э
На рис. 2.9 показан пример нахождения массовой характеристики
с
использованием метода Алландера. Из точки F опускают перпендикуляр FB к
AD до точки E так, что |BE|=|BD|. Затем строят точку С так, что |AC|=|AE|. Из
точки С восстанавливают перпендикуляр GC к AD так, что |CG|=|BF|. Через
точки А и G проводят прямую до пересечения в точке
с перпендикуляром к
AD, восстановленным в точке D. Ордината точки Н и есть искомое значение
̅
данного очистителя.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аналогичные
построения
для
м с
дают
соответствующие значения - 69,3; 62,4; 56,5; 54,6% (см. рис. 2.8). Влияние
скорости движения СОЖ
на степень её очистки
зависимостями 1,…,3 на рис. 2.10.
̅ представлено
Экспериментальные значения
э
при тех же
скоростях частиц (от 0,01 до 0,1 м/с) составили соответственно 97,5; 87,3; 78,6;
71,5; 69,4%(см. рис. 2.12).
Расхождение между расчетными
э
и фактическим (экспериментальными)
значениями степени очистки составляет в среднем 16,5%. Это свидетельст-
вует о приемлемой точности математической модели (2.8).
Рис. 2.9. Схема к определению расчетной степени очистки СОЖ
Алландера: ( э )- зависимость степени очистки СОЖ от размера частиц
методом
э;
распределение частиц шлама по размерам. Условия- по рис. 2.6 и 2.8
64
( э )-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на степень её очистки ̅ : 1,2,3-
Рис. 2.9. Влияние скорости движения СОЖ
соответственно расчетное ̅ (по зависимости (2.60)), расчетное ̅ и экспериментальное ̅
значение степени очистки. СОЖ -5%-ая эмульсия Автокат-78. Патроны состоят из кольцевых
элементов (диаметр 25 мм, толщина 1,2 мм). Шлам- порошок карбонильного железа марки
Р10 ПЖВ 2.160.26 ГОСТ 5849-86 ( ̅э
мкм)
Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований
по методике корреляционно-регрессионного анализа с использованием пакета
на
STATGRAPHICS
ЭВМ
представлена
в
табл.
2.2.
Полученные
математические модели (см. табл. 2.2) имеют тесные корреляционные связи
(
(коэффициент корреляции
)) и адекватны.
Таблица 2.2. Результаты обработки экспериментальных ( э ) и расчетных ( )
э
3
41,058
1685,78
0,999111
65
99,8
Математическая модель
ошибка оценки
Стандартная
регрессии
ициент
Коэ
парной корреляции
ициент
Коэ
Фишера
критерий
Расчетный
р
р
критерий Стьюдента
Расчетный
опытов
параллельных
Число
Степень очистки
данных по методике корреляционно-регрессионного анализа
э
⁄(
)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение Табл.2.2.
3
8
,54159
7
2,95881
0,9
80054
9
6,05
э
⁄(
)
Дисперсионный анализ математической модели (2.8) показал её
адекватность реальному процессу сепарации феррочастиц в ПМС. При
проверке адекватности использовали значения степени очистки СОЖ Е
,
характеризующие массовую долю феррочастиц, удаляемых из шлама (кривая 2
на рис. 2.10).
Математическая модель (2.8) процесса очистки СОЖ от ферромагнитных
частиц механических примесей описывает гидродинамическое и магнитное
поля ПМС, патроны которого составлены из кольцевых магнитных элементов, а
также движение частицы в магнитогидродинамическом поле с учетом
действующих на неё сил тока жидкости и сопротивления последней движению
частиц. Модель позволяет рассчитать степень очистки СОЖ в ПМС в
зависимости от размера ферромагнитных частиц механических примесей,
потенциала магнитного поля на поверхностях магнитных патронов и скорости
движения СОЖ в рабочих зазорах магнитной системы ПМС. Модель
обеспечивает возможность подбора параметров магнитной системы сепаратора
и её элементов- диаметра магнитных колец и их ширины, толщины прокладок и
их количества, расстояния между патронами и взаимного расположения
патронов, которые обеспечивают требуемую степень очистки при заданных
свойствах СОЖ и механических примесей.
2.3.СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ФЕРРОПРИМЕСЕЙ
ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД
При всем многообразии примесей различных рабочих сред многих
производств
практически
всегда
«представительной»,
а
нередко
–
доминирующей, является фракция так называемых ферропримесей, т.е.
примесей, обладающих ферро(ферри)магнитными свойствами, и, стало быть,
под влиянием неоднородного магнитного поля всегда испытывающих заметное
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
силовое воздействие, способствующее их выводу из среды (осаждению на
специально предназначенных для этого поверхностях). Роль таких примесей –
от
мелких
ферровключений
(феррочастиц)
до
сравнительно
крупных
ферровключений-предметов, образующихся вследствие износа оборудования,
его коррозии, а также в результате металлообработки, термообработки и сварки
при ремонте и обслуживании оборудования – весьма негативна. Они, ухудшая
качество сред, еще и в серьезной мере способны дестабилизировать работу
самого оборудования, снижая надежность и долговечность его эксплуатации.
Так, находясь в составе рабочих сред, в том числе и их сырьевых компонентов,
ферропримеси
попадают
на
технологически
функциональные
(и
сопрягающиеся) поверхности оборудования, интенсифицируют износ, приводят
к повреждениям, поломкам, аварийным остановкам и выходу из строя
оборудования. Следовательно, достоверная и оперативная информация о
содержании ферропримесей (их концентрации) крайне важна. Выступая одним
из квалификационных показателей качества и сортности сред (вплоть до
принятия решения об отбраковке загрязненной ферропримесями среды), она
позволяет оценить также уровень риска эксплуатации оборудования по
данному фактору. И, естественно, такая информация входит в число ключевых
для разработки очистных аппаратов, используемых для удаления таких
(магнитоактивных) примесей, а именно магнитных аппаратов, с требуемыми
эксплуатационными параметрами.
2.3.1. МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Различные, предлагаемые для практического использования, методы
(варианты) определения содержания ферровключений основаны на измерении
ряда физических характеристик анализируемой среды (жидкостно-дисперсной)
при воздействии магнитного и электрического полей .Но, к сожалению, даже в
отсутствие не только массива, но и отдельных фактовиспользования этих
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
методов,
можно
сделать
предварительное
заключение,
что
ожидать
необходимую точность и воспроизводимость результатов анализа здесь вряд ли
следует. Так, относительная магнитная проницаемость феррочастиц зависит от
магнитной
проницаемости
размагничивающего
вещества
фактора
этих
частиц.
В
частиц
свою
и
так
очередь,
называемого
магнитная
проницаемость вещества является нелинейной, экстремальной функцией
напряженности поля (и, как правило – не одинаковой по объему анализируемой
среды). Размагничивающий же фактор зависит от формы частиц, а она в
реальных условиях сугубо индивидуальна, с неодинаковыми размерами в
направлениях трех характерных осей (даже одних и тех же частиц). К тому же,
частицы
склонны
к
непрерывному
изменению
своей
ориентации
в
пространстве, в том числе в процессе измерений. Значит, измеряемые этими
методами
характеристики
всегда
будут
оставаться
непредсказуемо
вариабельными, а, стало быть, искомый результат (к слову, методы
предназначены для определения концентрации ферропримесей только в
жидкостях) – лишь оценочным.
2.3.2. АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ И АТОМНО-ЭМИССИОННЫЙ МЕТОДЫ
Эти методы позволяют довольно точно определять концентрацию
различных элементов, в частности, железа, в различных средах, в том числе
пищевых. При этом, используя атомно-абсорбционный спектрофотометр,
измеряют резонансное поглощение атомов определяемого компонента при
распылении раствора анализируемой среды в воздушно-ацетиленовом пламени,
а используя спектрометр – интенсивность линий определяемых элементов в
спектре излучения, полученном при испарении анализируемой среды под
действием электрического разряда. При несомненных достоинствах этих
современных физических методов анализа, вместе с тем необходимо заметить,
что их широкое применение в производственных условиях сдерживается
сравнительно высокой стоимостью. Но, главное, эти методы, нацеленные,
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
например,
на
определение
железа
(как
основной
составляющей
магнитоактивных примесей), давая действительно достоверный результат по
железу, все же окончательно не отвечают на вопрос «фракционного
представительства» именно ферропримесей (магнитоактивных примесей), в
которых железо – все же лишь один из составных элементов. Иначе говоря,
неясным
остается
вопрос,
в
каком
количестве
железо
входило
в
магнитоактивные включения (например, ферромагнитная сталь на основе Fe,
магнетит 3 4 Fe O , маггемит 2 3 γ − Fe O ) и/или иные включения, практически
не являющиеся магнитоактивными (например, неферромагнитная сталь на
основе Fe, гематит 2 3 α − Fe O ). Значит, несмотря, повторим, на высокую
точность измерений этими методами, тем не менее, значение определяемой
искомой величины – содержания именно магнитоактивных примесей – является
непредсказуемо неточным. И, собственно, такое заключение непосредственно
подтверждается отмеченными в
разноречивыми результатами, специально
полученными для многочисленных образцов муки атомно-абсорбционным
методом и прямым методом (характеризуемым ниже) магнитного извлечения
ферропримесей.
2.3.3. МЕТОД МАГНИТНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ ФЕРРОЧАСТИЦ ЖИДКОСТИ
В литературе описаны различные варианты этого метода (практикуемого
преимущественно для определения содержания ферропримесей в водах
электростанций). Они основаны на позиционировании магнитных полюсов в
непосредственной близости к анализируемой среде, а также при погружении
полюсной части магнита в пробу жидкости (предварительно изолируя ее
съемной,
например
целлофановой,
оболочкой
–
для
последующего
беспрепятственного снятия с нее осадка ферропримесей). Они обеспечивают
магнитное воздействие на феррочастицы для их целенаправленного дрейфа к
полюсам
и
Накоплению
накопления
(локализации)
ферропримесей
служит
69
осадка
феррочастиц-примесей.
разграничительная
перегородка,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
например, дно или стенка емкости, в которой находится проба анализируемой
среды. А для как можно более полного исключения нежелательных факторов
гравитационной седиментации или «попутного» вовлечения частиц, не
склонных к магнитному осаждению, накопление (локализацию) ферропримесей
осуществляют в верхней части анализируемой пробы жидкости (на ее
поверхности) позиционированием магнита над пробой или расположением
пробы в «опрокинутом» клинообразном зазоре между непараллельными
полюсами магнитной (электромагнитной) системы. При реализации этих
приемов магнитофореза параметрами измерения являются концентрация железа
в исходной пробе и этой же пробе после локализации осадка ферропримесей, а
также, что немаловажно, – масса локализованного (для проведения измерений –
извлеченного) осадка. При известном объеме используемой для анализа среды
(взятой пробы или контрольного потока), эти параметры позволяют судить о
содержании ферропримесей, в том числе – и в сравнении с содержанием всех
(магнитоактивных и иных) примесей, в состав которых входит железо. Тем
самым известной становится также величина фракции ферропримесей в общем
балансе всех примесей, в которые входит железо. Однако при реализации
различных приемов такого метода, даже при длительном позиционировании
полюсов магнита или электромагнита, вряд ли можно гарантировать
достаточно полное извлечение ферропримесей из покоящейся (и тем более –
движущейся) среды и, стало быть, требуемую точность измерений.
2.3.4. МЕТОД НЕОДНОКРАТНОГО ФИЛЬТРАЦИОННОГО МАГНИТОФОРЕЗА
(С ИЗМЕРЕНИЕМ ВЫХОДНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ)
В результате неоднократных операций фильтрационного магнитофореза
(проба анализируемой среды пропускается через такую зону захвата
ферропримесей как магнитный фильтр) осуществляется пошаговое (от цикла к
циклу) принудительное извлечение ферропримесей из анализируемой среды.
При этом выполняется необходимое число n циклов, обеспечивающее
практически полное извлечение ферропримесей. Во всяком случае, регистрируя
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
исходное содержание примесей и их содержание после каждого цикла
(согласно методу – концентрацию железа c), экспериментатор располагает
необходимой для соответствующего анализа зависимостью убывания этого
содержания. Так, судя по характеру этой зависимости, прежде всего, по
проявлению области «автомодельности» (с близкой к минимальной остаточной
концентрацией сост
феррочастиц),
он
, свидетельствующей о достигнутой степени выборки
вправе
принимать
вполне
объективное
решение
о
прекращении или дальнейшем продолжении таких циклов. При этом разница
между исходной с = с0 и остаточной с = с
ост
концентрациями характеризует
концентрацию железа, входящего в магнитоактивную фракцию примесей, а
отношение этой разницы к исходной концентрации – фракционную долю
магнитоактивных примесей в общем балансе железосодержащих примесей.
Кстати, по данному долевому параметру делается вполне объективный вывод о
целесообразности применения и ожидаемой эффективности работы магнитного
очистного аппарата. Данный метод требует проведения достаточного (иногда, к
сожалению, значительного) количества операций-циклов: такого, при котором
действительно появляется обоснованная уверенность экспериментатора в
минимизации
трудоемким
погрешности
выявлением
результата.
области
И
это,
повторим,
«автомодельности»
достигается
постоперационно
измеряемой концентрации, свидетельствующей о практически полной выборке
феррочастиц. К тому же, метод обязывает измерять именно концентрацию всех
железосодержащих примесей (как правило, в пересчете на железо) в
анализируемой среде: перед ее пропусканием через тест-фильтр (анализатор) и
после каждого из циклов пропускания. А это тоже ограничивает возможности
метода. Так, что касается вод электростанций, то для них широко используются
разработанные,
ставшие
уже
традиционными,
способы
определения
концентрации железа, преимущественно предполагающие перевод всех
железосодержащих примесей химическим путем в единую, растворенную
форму с последующим фотоколориметрированием. Вместе с тем, для многих
других сред, в силу различных причин (специфика сред, примесей и пр.), это
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зачастую представляет собой самостоятельную проблемную задачу, а значит,
прямое
заимствование
метода циклов
–
с поцикличным измерением
концентрации железа – для таких сред не всегда приемлемо.
2.3.5. МЕТОД НЕОДНОКРАТНЫХ ОПЕРАЦИЙ МАГНИТОФОРЕЗА
(С ИЗМЕРЕНИЕМ СУММАРНОЙ МАССЫ ОСАДКА)
Прием
неоднократных
операций
магнитофореза-извлечения
ферропримесей давно и широко используется применительно к сыпучим
средам, причем контрольным измеряемым параметром является здесь масса
извлеченных (накопленных) ферропримесей m.
В случае обычной, ручной реализации этого метода для максимально
возможного извлечения ферропримесей каждая из однотипных операций
сводится к множественным (для охвата всего объема анализируемой среды)
«продольным» и «поперечным» перемещениям магнита по поверхности
приготовленного тонкого слоя анализируемой среды (с углублением в этот
слой,
который
после
каждой
операции,
подвергаясь
перемешиванию,
восстанавливается). При этом полюса магнита снабжаются легкосъемными
оболочками для накопления на них извлекаемых и подвергаемых массовой
оценке ферропримесей.
А из рекомендуемых для этой цели многочисленных устройств неручного
магнитофореза следует выделить те, в которых заложена возможность (к
сожалению, не в полной мере реализуемая) неоднократного извлечения
ферропримесей,
например,
цикличного,
секционного,
ступенчатого,
каскадного, в частности, с использованием наклонного желоба. Как показывают
фактические результаты, данный метод, сходный с предшествующим, при
практикуемом ограниченном (из-за повышенной трудоемкости) числе операций
n недостаточно точен, тем более, при осуществлении ничем не обоснованного
числа операций n=3. «Убежденность» в достаточности именно такого числа
операций для полного извлечения ферропримесей опровергается прямыми
измерениями (с повышенными объемами проб): в подвергаемой магнитофорезу
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пробе анализируемой среды при n>3 все же остается определенная масса
неизвлеченных ферропримесей.
В
этой
связи
приходится
с
сожалением
констатировать,
что
исследователями и практиками не обращается внимание на тот бесспорный
факт, что величина этой массы по мере увеличения числа операций n
подчиняется тенденции асимптотического убывания с приближением к
абсолютно нулевому («беспримесному») значению лишь при n→∞.
Стало быть, для повышения точности рассматриваемого метода (что
может быть достигнуто извлечением упомянутой остаточной, из общих
физических представлений – всегда присутствующей массы ферропримесей)
требуется проведение значительного, чисто теоретически (вплоть до полной
выборки ферропримесей) – бесконечно большого числа операций. А это на
практике, даже при сравнительно «укороченной» процедуре, вряд ли
приемлемо.
2.3.6. МЕТОД НЕОДНОКРАТНЫХ ОПЕРАЦИЙ МАГНИТОФОРЕЗА
(С ФУНКЦИОНАЛЬНОЭКСТРАПОЛИРУЕМОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
ПООПЕРАЦИОННЫХ МАСС ОСАДКА ФЕРРОПРИМЕСЕЙ)
Обладающий оговоренным выше недостатком метод многократных (но
на практике всегда ограниченных по количеству) операций магнитофореза
ферропримесей, сопровождающийся постоперационными измерениями массы
осадка извлекаемых ферропримесей, тем не менее, можно довести до уровня
прецизионного. Исходными данными, разумеется, являются получаемые в
рамках ограниченного числа операций (циклов) n экспериментальные данные
пооперационных (убывающих) масс m осадка ферропримесей.
При этом задача определения совокупной массы осадка решается не
традиционно (в случае формального накопления масс осадка после каждой
операции никак нельзя судить об остаточной массе ферропримесей). Ключевой
здесь становится соответствующая
закономерность убывания пооперационных масс m осадка ферропримесей
по мере увеличения в зависимости от числа операций n. В таком случае
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
появляется возможность объективной экстраполяции фактически полученной
зависимости m от n до сколь угодно большого значения n, вплоть до n→∞.
Другими словами, в этом случае появляется возможность нахождения полной
(не ограниченной каким-либо конкретным значением n) зависимости m от n –
как базовой характеристики, достаточной для наиболее достоверного анализа.
Этому должны способствовать и соответствующие математические
приемы, с помощью которых можно было бы находить сумму членов этой
дискретной зависимости.
Тем самым будет достигнут основной итоговый результат: определение
общей массы ферропримесей, находящихся в анализируемой среде, в том числе
с учетом остаточной (после фактического выполнения n операций извлечения)
массы ферропримесей. Что же касается установления аналитического вида
зависимости пооперационной массы осадка ферропримесей m от числа
операций n, то этот вопрос может быть решен путем функционального
тестирования той или иной получаемой эмпирической зависимости. Как
правило, тип опытной зависимости m от n – экспоненциальный:
m = A⋅ exp(−k ⋅ n) .
(2.12)
В этом можно убедиться, изображая ту или иную получаемую
зависимость m от n в полулогарифмических координатах, в которых она
достаточно хорошо линеаризуется. Однако, вопреки кажущейся видимости,
такой подход совершенно неуместен для результатов реализации описанного
выше метода многократных операций магнитофореза ферропримесей с
постоперационным измерением концентрации железа в анализируемой среде.
Дело в том, что в данном случае, в отличие от рассматриваемого здесь случая,
значения концентрации стремятся не к нулю, а к заранее не известной (потому
не поддающейся предварительному учету, например, как поправка) величине
сост .
При этом значение входящего в зависимость (2.12) параметра A легко
определяется
графически
как
фиктивная
стартовая
(n=0)
ордината
аппроксимированной в соответствии с (1) зависимости m от n. Значение же
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
параметра k определяется обратным пересчетом на основании этой, уже
аппроксимированной, зависимости при взятой из нее произвольной паре
соответствующих друг другу значений n и m = mn .
И, что очень важно, сама зависимость (2.12), будучи дискретной
(справедливой для натурального ряда чисел 1,2,3…и т.д.), имеет ту
особенность, что она представляет собой количественный ряд в виде
убывающей геометрической прогрессии. Следовательно, располагая первым
членом (для n = 1) этой прогрессии m1 и ее знаменателем q, легко определить
массу ферропримесей, находящуюся в анализируемой среде – как суммарную
потенциальную массу осадка m1…∞ , которая могла бы быть получена при
теоретически неограниченном числе операций извлечения (n→∞), т.е.

m1...   mn 
n1
m1
A
,

1  q exp k  1
(2.13)
т.е. искомую совокупную (и извлеченную, и остаточную) массу
ферропримесей ванализируемой среде Полученное же значение 1...∞ m при
известных значениях объема V и массы M пробы анализируемой среды
используется для определения истинных значений объемной V c и/или
массовой M c концентраций ферропримесей А с учетом того, что при
осуществлении ограниченного числа операций n масса извлекаемых из
анализируемой
среды
ферропримесей
m1…n
выражается
как
сумма
ограниченного числа (n) членов данной прогрессии, т.е.

m1...   mn 
n1
количественной
оценке
m1  mn q
1  exp  k  n 
,
A
1 q
exp k  1
поддается
относительная
(2.14)
погрешность
ε
результата такой «укороченной процедуры»:

m1...  m1...n   exp  k  n 100%
m1...
(2.15)
2.3.7. РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ПОСРЕДСТВОМ НЕОДНОКРАТНОГО,
ФУНКЦИОНАЛЬНО ЭКСТРАПОЛИРУЕМОГО, МАГНИТОФОРЕЗА
Что касается контроля ферропримесей в сыпучих средах, то существуют
два варианта реализации метода неоднократных операций магнитофореза.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Первый
–
предусмотренными
ручными
перемещениями
магнита
по
поверхности тонкого слоя пробы анализируемой среды. Второй – в установке, в
которой тонкий слой самой пробы анализируемой среды перемещался по
наклонному неферромагнитному желобу, находящемуся над магнитной
системой.
Каждая из операций магнитофореза по первому варианту – это
многочисленные параллельные «продольные» и «поперечные» перемещения
магнита (с углублением в слой пробы анализируемой среды), обеспечивающие
«охват» всего объема пробы; для беспрепятственного снятия ферропримесей,
осаждающихся
на
поверхности
полюсов
магнита,
они
снабжаются
легкосъемными оболочками.
Каждая из операций магнитофореза по второму варианту – это
прохождение слоя анализируемой среды в пределах активного участка (секции)
наклонного желоба, т.е. участка, находящегося над одним блоком магнитной
системы, под влиянием магнитного поля которого осуществляется выделение
из среды ферропримесей, осаждающихся на поверхности этого участка желоба.
При этом угол наклона желоба – такой, при котором обеспечивается режим
«ползущего» перемещения анализируемой среды по поверхности желоба.
И,
следует
отметить
особо,
реализация
метода
неоднократного,
функционально экстраполируемого, магнитофореза требует, в отличие от
аналогов, идентичности условий магнитофореза в каждой из операций (секций),
разумеется, с соблюдением идентичности блоков намагничивания; иначе
нарушается корректность получаемой и используемой для дальнейшего
функционального анализа эмпирической части зависимости m от n.
Как подтвердили, даже после осуществления значительного числа
операций магнитофореза анализируемая проба полностью не освобождается от
ферропримесей;
остаточная масса ферропримесей все еще продолжает оставаться
заметной. Выполненная в соответствии с описанной методологией графическая
иллюстрация получаемых данных в полулогарифмических координатах
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(удобных с точки зрения тестирования полученной зависимости на ее
соответствие экспоненциальной функции) подтверждает экспоненциальный
характер зависимостей m от n. А это позволило определять фактическую (с
точностью,
соответствующей
точности
аппроксимации
самой
экспоненциальной зависимости m от n) массу ферропримесей, находящихся в
той или иной пробе, и их концентрацию.
Так, концентрация cМ ферропримесей в чае составила 0,37-0,56г/кг, в муке
3,8- 4,2мг/кг, в сахаре 6,7мг/кг, в песке 0,1-0,46г/кг, в полевом шпате 0,14г/кг.
Что касается контроля ферропримесей в жидких средах, то существует
вариант реализации метода неоднократных операций – путем пропускания проб
бензина и отработанного моторного масла через пять последовательно
соединенных одинаковых магнитных тест-фильтров (число тест-фильтров
соответствует
числу
операций).
В
качестве
фильтрующей
матрицы
использовались шары диаметром d=4мм из нержавеющей ферромагнитной
стали 95Х18. При этом скорость фильтрования υ – такова ,при которой
сохраняются
благоприятные
(докризисные)
условия
для
магнитного
захватаферрочастиц.
Может показаться, что процесс магнитного захвата феррочастиц остается
бескризисным исключительно при ламинарном режиме, ограничивающимся
определенным (критическим) значением числа Рейнольдса (Re =υ ⋅ d / v , где ν –
кинематическая вязкость потока). По характеру влияния Re на величину потерь
напора Δp в гранулированной матрице ламинарный режим потока, при котором
связь между Δp и Re – линейная, сохраняется до значения Re = Re г=60…70.
Вместе с тем, результаты специальных исследований свидетельствуют, что
благоприятные (докризисные) условия для магнитного захвата ферропримесей,
когда процесс магнитно-фильтрационной очистки идет в соответствии со
связью 1 α ~υ (α – показатель поглощения), сохраняются и при гораздо более
высоком значении Re – вплоть до Re = [Re]m = 500…700. Такое существенное
различие
в
указанных
критических
числах
Рейнольдса
–
чисто
гидродинамическом и технологическом – объясняется тем, что при [Re]г ≤ Re ≤
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
[Re]m , когда в разветвленных порах-каналах гранулированной матрицы
развивается турбулентный режим течения, в
окрестности точек контакта гранул, где и осуществляется захват
феррочастиц, все еще сохраняется благоприятный ламинарный режим (здесь
по-прежнему 1/α ~υ ). К тому же, в окрестности точек контакта гранул
ответственный за захват и локализацию феррочастиц силовой фактор H· ∇ H (H
– напряженность поля) достигает максимальных значений. Таким образом,
исходя из предельного технологического значения Re, предельная скорость
фильтрования должна ограничиваться условием:
. υ ≤ [υ] = [Re]m ν/d
600 ν/d Например, для бензина при ν
0,6 ⋅10−6 м2/с
(температура 20-300) эта предельная скорость в фильтр-матрице с диаметром
шаров d=4мм составляет [υ]
0,09м/с.
Выполненная в соответствии с описанной методологией графическая
иллюстрация получаемых данных в полулогарифмических координатах
подтверждает тот же экспоненциальный характер зависимостей m от n,
несмотря на совершенно иной вид магнитофореза (это свидетельствует об
универсальности описанной методологии анализа).
Соответствующий расчет приводит к индивидуальным значениям
концентрации cМ ферропримесей:0,48-1,82мг/кг в бензине и 2,6мг/кг в масле
2.4. ЭКСПРЕСС АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ
СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
СРЕД В РЕМОНТНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ АПК
Существующая практика применения СОЖ на предприятиях отрасли не
предполагает особо внимательного отношения к вопросам диагностики ее
качества при вторичном использовании.
Известные способы и устройства
определения микропримесей металлов в смазочных маслах не обеспечивают
экспрессного и качественного анализа в замкнутых системах
СОЖ.
78
подготовки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для устранения указанных недостатков на кафедре «ЭОП и ЭТ в АПК»
СПбГАУ разработан электромагнитный плотномер (ЭПЛ)
непрерывного
экспресс
анализа
загрязненности
СОЖ
для проведения
в
процессе
их
эксплуатации. Принцип действия ЭПЛ основан на электромагнитном способе
формирования сцепляющего усилия в слое ферротел в постоянном по знаку и
регулируемом по величине электромагнитном поле.
Принципиальная
схема
замкнутой
системы
подготовки
СОЖ
представлена на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Принципиальная схема замкнутой системы подготовки СОЖ:
ПР - пункт распределения; ТО- технологическое оборудование; ПС –
пункт сбора СОЖ; ( 1 ,  L ) - элементы системы очистки; ЭПЛ - электромагнитные плотномеры; f1 , f 2 - насосы
Очистители
1 ,...,  L имеют сливы, оснащенные электромагнитными
плотномерами (ЭПЛ) для проведения экспресс анализа концентрации в СОЖ
примесей.
Конструктивная схема ЭПЛ представлена на рис.2.13.
Устройство
имеет
датчик
2,
содержащий
два
горизонтально-
расположенных коаксиальных цилиндра: неподвижного наружного 5 и
подвижного внутреннего 6. Наружный цилиндр выполнен полым из
ферромагнитного материала. Посреди внутренней части расположен кольцевой
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
паз 11, в котором размещена обмотка управления (ОУ) 4, подключенная к
источнику постоянного тока (на рис. не указан). Внутренний цилиндр 6,
установленный на валу 1, выполнен из ферромагнитного сплава и имеет на
своей поверхности рёбра 7. Рёбра расположены вдоль образующих цилиндра в
два ряда и распределены по его окружности через 90  , при этом ряды друг от
друга находятся на расстоянии ширины кольцевого паза 11. Вал 1 закреплён в
подшипниковых щитах 8. С одной стороны вал при помощи устройства 16
соединён с приводом 14, а с другой стороны на вал последовательно
установлены диск 17 и маховик 18. При помощи диска 17 фиксируется
«останов» вала 1. Маховик 18 предназначен для увеличения времени выбега
вала 1. В пространство между наружным 5 и внутренним 6 цилиндрами через
отверстие 3, расположенное в верхней части неподвижного цилиндра 5,
заливается СОЖ. Температура СОЖ фиксируется при помощи датчика
температуры 12 по индикатору 19. Частота вращения подвижного цилиндра 6
устанавливается по индикатору 21, который получает сигнал от тахометра 15,
закрепленного
на
валу
двигателя
(привода)
14.
В
нижней
части
подшипникового щита 8 выполнено отверстие 13 для слива контролируемой
СОЖ из объёма 9. Устройство 16, разрывающее связь между валом 1 и
приводом 14, соединено с датчиком 20, фиксирующим время от момента
отключения привода 14 до полного прекращения вращения вала 1 с диском 17 и
маховиком 18.
Величина, характеризующая сокращение времени выбега (рис.2.14),
позволяет
оценить
степень
загрязнённости
ферромагнитными частицами 10.
80
СОЖ
примесями
и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.13. Конструктивная схема электромагнитного плотномера
Рис.2.14 . Зависимость
t В1 , t В 2 , t В 3
n   (t ) :
– время «выбега» с незаполненным рабочим объемом, с «чистым» и с
загрязнённым СОЖ соответственно
Принципиальные отличия
ЭПЛ от отечественных и зарубежных
аналогов:
 оперативный и непрерывный качественный экспресс анализ степени
загрязненности СОЖ микропримесями металла в замкнутых системах;
 анализ технологической среды любой загрязненности;
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 для проведения анализа не используются расходные материалы
(фильтровальные
материалы,
реагенты
и
др.),
исключается
необходимость их утилизации;
 простота обслуживания, высокая надежность и степень автоматизации;
 сравнительно небольшой срок окупаемости – не более одного года.
2.5. КРИТЕРИИ ИЗНОСА РАБОЧИХ ОРГАНОВ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ
(МЕХАНОАКТИВАТОРОВ) СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Загрязнение продуктов металлопримесями в процессе переработки
является одной из нежелательных явлений, ухудшающих качество готовых
изделий
и
требующих
дополнительных
затрат
на
использование
в
технологических линиях производства дополнительного оборудования –
электросепараторов. Эта проблема остро стоит на перерабатывающих
предприятиях.
Наибольший
«намол»
железа
происходит
измельчения продуктов. Эффект «намола» вызывает также
на
стадии
износ рабочих
органов измельчителей (механоактиваторов), нарушает режимы работы
оборудования
и
технологию
переработки,
приводит
к
повышению
энергоемкости продукции и к дополнительным затратам, связанным с
ремонтом оборудования. В этой связи одним из показателей, характеризующих
качество работы измельчителей (механоактиваторов), является содержание в
обработанном продукте примесей, внесенных в процессе износа рабочих
органов (эффекта намола). Наиболее перспективным способом измельчения
материалов в настоящее время является электромагнитная механоактивация,
обеспечивающая
заданный
технологией
диапазон
дисперсности
при
одновременном повышении энергоэффективности процесса переработки на
стадии диспергирования.
Исход
силового
взаимодействия
электромагнитных механоактиваторов
между
рабочими
органами
и измельчаемым продуктом (в
контактной системе шар–частица–шар) зависит прежде всего от механических
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойств
контактируемых
тел.
Эти
свойства
определяются
условным
напряжением при разрушении частиц продукта  и твердостью материала
размольных органов
(сил
В . В системе ш–ч–ш под действием внешней нагрузки
электромагнитного
поля)
происходит
внедрение
более
твердых
поверхностей в менее твердое контртело, что вызывает в нем упругие,
пластические деформации или микрорезание (разрушение).
При оценке прочности частиц обрабатываемого продукта предельные
напряжения
принято
определять
делением
разрушающей
нагрузки
на
максимальную площадь поперечного сечения испытуемого зерна. Несмотря на
условность такого способа оценки прочности, результаты испытаний дают
полезные сведения для анализа характера взаимодействия изучаемой системы
ш – ч – ш. Определение границы между понятием «твердая – мягкая» частица с
точки
зрения
развития
процесса
намола
рабочих
органов
аппарата
ориентировочно можно произвести при помощи критерия твердости
КТВ 
В
п
,
(2.16)
позволяющего априорно оценить способности частицы вызывать прямое
разрушение материала ферротел при условии, разумеется, что геометрия зоны
контакта и приложенная сила обеспечивают совершение этого процесса.
Критические значения КТВ , согласно исследованиям, находятся в диапазоне
0,5…0,7. При КТВ  0,5 частица продукта способна выдерживать сравнительно
большие нагрузки до разрушения и, следовательно, сохранять форму и
способность создавать высокий
уровень контактных напряжений, что
предопределяет
прямое
интенсивное
разрушение
микрообъемов
поверхностного слоя материала ферротел и значительные потери энергии на
совершение этого процесса. Чем КТВ  0,7 , тем ниже уровень контактных
напряжений и тем слабее интенсивность изнашивания материала.
По мере втягивания «твердой» частицы в зону контакта, сила,
действующая на частицу, постоянно возрастает, способствуя ее внедрению во
взаимодействующие поверхности размольных органов. При этом частица
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
деформирует материал поверхности феррошаров сначала упруго, затем упругопластически и пластически до тех пор, пока не достигнет глубины внедрения
hB , соответствующей ее разрушению hP . Если до разрушения частица способна
внедриться в поверхность ферротел на глубину

hB  2,4 1  

2
2 2
n 

HB 
 rЧ ,
E
 У 
(2.17)
что соответствует контурному давлению

5,4 В 2 1   n2
рс  2
ЕУ


4
,
(2.18)
где  п - коэффициент Пуассона;
Е – модуль упругости;
НВ – твердость;
 - параметр шероховатости;
(  п , Еу, НВ – механические характеристики материала ферротел)
в зоне контакта начинают проявляться пластические деформации.
Начиная с контурных давлений, превышающих значения, вычисленные
по формуле (2.18), увеличивается зона пластических деформаций при
одновременном сокращении упругой зоны. Переход в область пластических
деформаций осуществляется при глубине внедрения твердой частицы и
контурных давлениях в системе

hB  5,4 1  

2
2 2
n 

HB 
 rЧ ,
E
 У 

14,5 В 5 1   n2
рс 
2 ЕУ4

(2.19)
4
(2.20)
Нагрузка, при которой возникают пластические деформации в зонах
контакта
определяется выражением
N пл  17rЧ2


HB 3
1 
ЕУ2
84
2
п
(2.21)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Измельчение материалов электромагнитным способом характеризуется
многократными
энергонапряженными
производственными
контактами
в
системе ш – ч – ш. Превышение контурных давлений и нагрузок в системе
выше значений, вычисленных по формулам (2.18) и (2.21),приводит к
пластическому
деформированию
микрообъемов
поверхностного
слоя
феррошаров. Из теории следует, что в этом случае создаются условия для
протекания
процесса
намола в
результате
усталостного
изнашивания,
возникающего вследствие многократных воздействий твердых частиц.
При
наличии
касательных
сил,
образующихся
в
результате
переориентации феррошаров в структурных группах с созданием «слоя
скольжения», в зоне контакта возникают касательные напряжения  п ,
обусловленные
межатомными
и
межмолекулярными
взаимодействиями.
Согласно теории внешнего трения при определенных соотношениях внедрение
частицы hB в поверхностный слой материала ферротел, зависящей от действия
нормальной силы, и касательных напряжений  п , определяемых консистенцией
обрабатываемого
продукта
(или
условиями
смазывания
трущихся
поверхностей), в зоне контакта способно развиться контурное давление
0,125 В  6 п 
рс 
1 
 ,
В
2

2
(2.22)
вызывающее нарушение условий внешнего трения. При  п 
п
2

В
6
контурное давление рс  0 , т.е. внешнее трение не осуществимо. В данном
случае частица способна вызвать прямое разрушение поверхности размольных
органов при однократном взаимодействии системы ш – ч – ш.
Из представленных формул следует, что в зависимости от величины
безразмерной характеристики
будут
претерпевать
hВ
микрообъемы контактируемых поверхностей
rЧ
упругую,
упруго
85
–
пластическую,
пластическую
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
h 
деформации либо микрорезание. Введение критериев перехода:  В 
 rЧ  у  п
h 
критерий перехода от упругой к пластической деформации и  В 
 rЧ  п  м
пластической деформации к микрорезанию, позволяет на основании их анализа
оценить характер преобладающих деформаций и выявить условия протекания
процесса электромагнитного измельчения продуктов без намола (износа
рабочих органов).
Полагая максимальную глубину внедрения hB max , на которую может
внедриться твердая частица в материал поверхности, равную глубине
внедрения,
соответствующей
характеристику
разрушению
частицы
hP ,
безразмерную
hВ
можно представить в виде
rЧ
hB max hP

rЧ
rЧ
(2.23)
Разрушение частицы наступает при равенстве
Nr  NM ,
(2.24)
где N r - нормальное напряжение, приведенное к диаметральному сечению
частицы, вызывающее их разрушение;
N M - нагрузка, действующая со стороны материала на внедряющуюся
частицу.
Принимая во внимание рассмотренное выше условие втягивания частицы
в зону контакта феррошаров d  rЧ при определении сил, действующих на
частицу, можно считать, что она взаимодействует в каждой произвольной точке
с плоскими поверхностями.
В этом случае формулы для вычисления нагрузок N M и N r имеют вид
N M  2rЧ hB max HB ,
(2.25)
Nr   nrЧ
86
(2.26)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С учетом равенства hB  hB max  hp к моменту разрушения частицы
продукта можно записать
2rЧ hB max HB   nrЧ2
или
(2.27)
 hВ 
1 n
 

.
max
r
2
HB
 Ч 
Следовательно,
максимальная
величина
hВ
rЧ
выражается
через
механические характеристики частиц помола  n и материала НВ и оценка
уравнения (2.27) может указать на характер преобладающих в системе ш – ч –
ш деформаций, вызывающих процесс намола размольных органов аппарата.
При выполнении условия
 hВ 
1   h 
 
  n    В 
,
 rЧ  max 2  HB   rЧ  n  M
(2.28)
h 
где  В 
– критерий перехода от пластических деформаций к
 rЧ  n  M
микрорезанию, частица, моделируемая сферой, разрушается раньше, чем она
достигает глубины внедрения, необходимой для осуществления прямого
разрушения материала ферротел.
Согласно теории внешнего трения твердых тел в условиях смазывания
(что соответствует условиям силового взаимодействия дисперсной фазы
обрабатываемого продукта с поверхностью размольных органов) отношение
касательных напряжений, обусловленных межатомными и межмолекулярными
взаимодействиями, к твердости поверхностных слоев взаимодействующих
элементов
п
В
 0,1. Подставляя это значение в формулу (2.28), найдем, что
нарушение условий внешнего трения произойдет при значении  hВ 
 rЧ  n  M
В этом случае на частицу будет действовать сила
87
 0,2 .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
N M  0,4rЧ2 HB
(2.29)
Из анализа характера преобладающих деформаций и (аналогично) из
сравнения значений силы N M с нормальным напряжением N r , приведенным к
диаметральному сечению частиц, вызывающим их разрушение, следует, что
нарушение условий внешнего трения в системе ш – ч – ш и переход к
интенсивному изнашиванию размольных органов аппарата произойдет при
поверхностной твердости
В  2,5 п . В диапазоне нагрузок, определяемых по
формулам (2.21) и(2.22), микрообъемы поверхностного слоя ферротел будут
испытывать пластические деформации, сопутствующие развитию усталостного
процесса намола. При этом соотношение механических свойств материала
поверхностного
слоя
ферротел
и
продукта,
подлежащего
обработке,
определяется выражением
 hВ 
1   h 
,
 
  n    В 
 rЧ  у  п 2  HB   rЧ  n  M
(2.30)
или с учетом данных, представленных в работе и вычисленных по
формуле(2.22), значений
10 3...10 4 
1  n 

  0,2
2  HB 
(2.31)
При выполнении неравенства (2.31) создаются условия для разрушения
поверхности ферротел в результате многократных воздействий твердых частиц
продукта и частицы износа отделяются вследствие усталостного процесса
изнашивания
размольных
органов
аппарата.
Так
как
интенсивность
изнашивания при пластических деформациях на несколько порядков больше,
чем при упругих, то при реализации процесса измельчения продуктов
электромагнитным способом для случаев, когда процесс намола недопустим
или регламентирован стандартом, в системе ш – ч – ш необходимо создавать
нормальные нагрузки и соответствующие им контурные давления, не
превышающие значения, вычисленные по формулам (2.18, 2.20, 2.21).
При выполнении условия
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 hВ 
1   h 
 
  n    В 
 10 3...10 4
 rЧ  max 2  HB   rЧ  у  n
(2.32)
частица обрабатываемого продукта создает до момента ее разрушения в
материале поверхностного слоя ферротел только упругие деформации, что
снижает вероятность возникновения и развития процесса намола размольных
органов аппарата.
Полученные критерии целесообразно использовать при проектировании
измельчающего
оборудования
различного
конструктивного
и
целевого
назначения. Предварительный (на стадии проектирования измельчителя механоактиватора) анализ эффекта «намола» позволяет избежать загрязнения
продукции металлопримесями, увеличить срок службы оборудования, снизить
энергоемкость и себестоимость готовой продукции.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. ЭКОСОВМЕСТИМЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ И
ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
В
настоящее
время
уровень
загрязнённости
окружающей
среды
продуктами жизнедеятельности человека в густонаселённых местах достигает
критической отметки. В населенных пунктах, где не имеется подключения к
существующей
централизованной
канализационной
сети,
возникает
потребность в использовании локальных очистных сооружений, способных
производить очистку вод от хозбытовых стоков.
Использование электротехнологий при реализации разделения водных
дисперсных систем начинает постепенно занимать все большее место в
технологии
для
решения
многих
актуальных
практических
задач
сельскохозяйственного производства. Однако успехи в этом направлении еще
довольно ограниченные, несмотря на большое количество работ, выполненных
как у нас, так и за рубежом. Такое положение связано с тем, что при
электрообработке систем с жидкой дисперсионной средой в большинстве из
них протекают различные взаимосвязанные процессы, что затрудняет
технологическое оформление процесса.
В литературе мало обзоров практических работ, цель которых обобщение на теоретической основе их результатов.
При наложении внешнего электрического поля на водные дисперсные
системы как с газовой, так и с жидкой полярной или неполярной
дисперсионными
перемещаться,
средами
взвешенные
концентрироваться
и
частицы
отделяться
могут
заряжаться,
осаждением
или
фильтрованием, повышая тем самым чистоту газов и жидкостей.
Очистные устройства с применением электрического поля могут
компоноваться с другой аппаратурой в целях создания универсальных
сооружений
компактны,
многоцелевого
назначения.
высокоэффективны
и
Электроочистные
достаточно
экономичны.
устройства
Большим
достоинством метода электроочистки является то, что он позволяет создавать
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
унифицированную аппаратуру для обработки водных дисперсий, различных по
химическим
и
физическим
свойствам.
Эксплуатация
электроочистных
установок открывает широкие возможности автоматизированного управления.
В
настоящее
время
происходит
активное
освоение
методов
электротехнологий как в быту, так и для очистки сточных вод предприятий
агроинженерного сервиса, животноводческих ферм и птицефабрик. Возрастает
интерес к закономерностям, которые проявляются в поведении дисперсных
систем с газовой и жидкой неполярной и полярной средой в сильном внешнем
электрическом поле.
В последние годы повысилась степень износа очистных сооружений, что
в условиях снижения потока загрязнений от спада производства привело при
уменьшении валовых к росту удельных на единицу продукции загрязнений,
нарушающих биотическую регуляцию окружающей среды и устойчивость ее
развития.
Методы электротехнологий в указанной области классифицируют в
зависимости от явлений, происходящих в межэлектродном пространстве. Эти
явления
трудно
выделить в чистом виде
-
например, электрофорез
сопровождается электролизом, а электрокоагуляция - электрохимической
коагуляцией и т.д. В классификации принимается во внимание технологии
электрообработки, особенности внешнего электрического поля (частота,
равномерность и т.д.), а также
расположены
в
порядке
преобладающие эффекты.
увеличения
напряженности
Методы
используемого
электрического поля и характеризуются следующим образом:
1. Электродиализ - метод электротехнологии, при котором происходит
сепарация ионов (диализ) с их концентрированием у соответствующих
электродов, изменяющих рН приэлектродного пространства. Применяется для
удаления ионов из дисперсионных сред и опреснения воды.
2.
Электролиз
—
метод
электротехнологии,
при
котором
в
межэлектродном пространстве происходят химические реакции, как правило,
без образования нерастворимых соединений — дисперсной фазы, в том числе
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
за
счет
окислительно-восстановительных
реакций
на
электроде
(электроокисление - с отдачей электронов на аноде и восстановление - с
присоединением
электрона
на
катоде).
Применяется
для
изменения
химического состава дисперсионной среды. Применяется для обеззараживания
воды.
3. Электрохимическая коагуляция – метод электротехнологии , при
котором в межэлектродном пространстве под действием внешнего поля
генерируются катионы, образующие сорбирующие гидроксиды, в результате
чего под воздействием как катионов, так и гидроокиси происходит коагуляция,
сорбция и разрушается устойчивость дисперсий. Применяется для получения
коагулянта. Используется в технологии очистки и обеззараживания воды.
4.
Электрофлотация
генерируется
газ,
-
образующий
метод
электротехнологии,
высокодисперсные
и
при
котором
монодисперсные
электрически заряженные пузырьки, адсорбирующие частицы дисперсной фазы
и транспортирующие их на поверхность жидкости. Используется для очистки и
обеззараживания воды.
5. Электрофлотокоагуляция - метод, сочетающий последовательно
электрофлотацию и электрохимическую коагуляцию. Используетсядля очистки
природных и сточных вод.
6. Электрофорез - метод электротехнологии , при котором под
действием электрического поля происходит движение заряженных частиц с их
концентрированием
у
соответствующего
электрода.
Возможно
предварительное заряжение частиц. Применяется для выделения дисперсной
фазы малоконцентрированных систем.
7.
Электрокоагуляция
-
метод
электротехнологии,
при
котором
поляризованные внешним полем частицы сближаются и образуют новые
агрегаты и частицы более крупного размера. Электрокоагуляция может быть
обратимой (агрегаты после снятия поля распадаются) и необратимой.
Применяется при коагуляции в технологии обработки воды.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. Диполофорез - метод электротехнологии,
явление, при котором
движением частиц, в том числе и незаряженных, нейтральных (имеющих дзетапотенциал, примерно равный нулю), управляют неоднородным электрическим
полем. Движение частиц осуществляется за счет поляризации двойного
электрического слоя.
Применяют для направленного концентрирования
микроорганизмов, формирования структур.
9. Диэлектрофорез — метод электротехнологии, явление, при котором
поляризуется материал частиц и они и их агрегаты концентрируются в области
большей напряженности поля при диэлектрической проницаемости частиц
большей диэлектрической проницаемости среды. В случае,
если частицы
имеют меньшую, чем дисперсионная среда диэлектрическую проницаемость,
они выталкиваются в зону меньшей напряженности поля
Используются при очистке диэлектрических жидкостей и других
неполярных сред.
10. Электрофильтрование — метод электротехнологии, при котором
осаждение и удерживание частиц ведут на поляризованной внешним
электрическим полем диэлектрической загрузке - коллекторе и внутри ее.
Применяют
в
технологии,
использующей
ионообменные
смолы,
полимерные, в том числе волокнистые, загрузки.
11. Электроосмос - метод электротехнологии, при котором под
действием электрического поля происходит движение раствора относительно
капиллярного твердого тела (мембраны). Применяется в мелиорации и изделий,
упрочнении грунтов.
12.
Электрообезвоживание
реологических
свойств,
метод
-
сгущения
высококонцентрированных
и
регулирования
гидродисперсий
во
внешнем электрическом поле. Применяется при утилизации осадков бытовых,
промышленных и сточных вод.
13. Электрический разряд малой мощности - метод электрообработки,
при
котором
в
межэлектродном
пространстве,
создаваемом
системой
электродов, генерирующих неоднородное электрическое поле, возникают
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электрические разряды на фронте импульсов напряжением до 3000 В и длиной
до 0,02 с. Это могут быть и разряды импульсов высокой частоты.
14. Высоковольтный импульсный разряд - метод электрообработки, при
котором в межэлектродном промежутке генерируют разряды на о импульсах с
напряжением более 3000 В и длиной менее 10* с за счет энергии, запасаемой
предварительно в накопительном конденсаторе. Применяется в технологии
электрогидравлического удара и обеззараживания питьевых и сточных вод.
15. Комплекс электрических воздействий - метод электрообработки, при
котором
используется
в
том
или
ином
сочетании
совокупность
вышеизложенных методов.
3.1. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СУСПЕНЗИЙ.
ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЫ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ КОАГУЛЯТОРЫ И
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ
Электролизеры
Устройства, в которых проводят те или иные процессы электрохимического
воздействия
на
водные
растворы,
имеют
общее
название
—
электролизеры. Общая принципиальная схема таких устройств представлена на
рис. 3.1.
е
е
1
е
е
е
е
Н+
ОН-
4
3
2
Рис. 1. Схема электролизера:
1 — внешняя цепь; 2 — емкость; 3 — анод; 4 — катод; 5 — источник питания.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вода поступает в емкость 2, в которую погружены два электрода 3, 4,
соединенные с источником тока 5. Под действием электрического поля
положительно заряженные ионы мигрируют к отрицательному электроду —
катоду, а отрицательно заряженные ионы — к положительному электроду —
аноду. На электродах происходит переход электронов. Катод отдает электроны
в раствор, и в приэлектродном пространстве происходят процессы, связанные с
присоединением электронов к реагирующим частицам — восстановление. В
прианодном пространстве протекают процессы переноса электронов от
реагирующих частиц к электроду — окисление.
Иногда схему усложняют, разделяя полупроницаемой перегородкой
(диафрагмой или ионообменной мембраной) катодное и анодное пространства.
Тогда поступающая на обработку жидкость либо последовательно проходит
каждую из двух образовавшихся камер, либо циркулирует в одной из них.
В зависимости от природы процессов, протекающих в таких аппаратах и
обеспечивающих извлечение или обезвреживание загрязняющих компонентов,
электролизеры разделяют на следующие типы:
 электрокоагуляторы,
 электрофлотаторы,
 электролизеры
 для
проведения
реакций
окисления
и
восстановления
и
электродиализаторы.
Электрохимические коагуляторы
Коагуляция суспензий, содержащих мелкодисперсные и коллоидные
частицы, может происходить при пропуске
через электролизер с анодом,
изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием
постоянного тока ионизируется и переходит в дисперсионную среду, частицы
загрязнений которой коагулируются образовавшимися труднорастворимыми
гидроксидами алюминия или железа.
Метод электрохимического коагулирования может быть применен для
обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Компактность установок, отсутствие
реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания являются
несомненным достоинством метода электрохимической коагуляции. Однако
значительные расходы электроэнергии и металла, являющиеся следствием
образования окисной пленки на поверхности электродов, их механического
загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания обрабатываемой
сточной воды, ограничивают область применения этого метода.
На рис. 2 приведена схема электрокоагуляционной установки по очистке
производственных сточных вод, содержащих взвешенные вещества в
концентрации 0,5…8 г/л.
Рис. 3.2. Электрокоагуляционная установка:
1 –насос; 2 – бункер для осадка; 3 – гидроциклон; 4 – выпрямитель; 5 – выпуск очищенной
воды; 6 – уловленные частицы; 7 – вертикальный отстойник; 8 – электродный блок; 9 – выгрузка
осадка.
При электрокоагуляции в резервуаре (электрокоагуляторе) через систему
плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от
друга, пропускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм2 под напряжением
10…18 В. При продолжительности контакта суспензии в электрическом поле
15…30 с и пропускной способности,1,5…3 мз/ч на 1 м2 площади поверхности
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электродов
одного
полюса
эффективность
очистки
достигает
99
%.
Положительные результаты получены также при обработке
сточных вод цеха гальванопокрытий, где расход электроэнергии на 1 м3
обрабатываемой сточной воды составляет 0,4…0,5 кВт.ч.
Электрофлотационные установки
Сущность электрофлотационного способа очистки
заключается в
переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью
пузырьков газа, образующихся при электролизе.
В процессе электролиза на катоде выделяется водород, а на аноде —
кислород. Основную роль в процессе флотации частиц играют пузырьки,
выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности
электрода, зависит от величины краевого угла смачивания, кривизны
поверхности электрода, а также его конструкции.
При применении растворимых электродов (железных или алюминиевых)
на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду
переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев
гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа
обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки
называются
электрокоагуляционно-
флотационными.
При
пропускной
способности до 10…15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при
большей пропускной способности — двухкамерными горизонтального или
вертикального типа.
Расчет установок для электрофлотации или электрофлотокоагуляции
сводится к определению общего объема Vy установки, объемов электродного
отделения Va и камеры флотации Vф, м3, следовательно, Vу = Vэ + Vф.
Объем электродного отделения определяется из возможности размещения
в нем необходимой электродной системы. Так, при расчете горизонтальной
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
установки (рис.3.3) ширина секции В принимается в зависимости от
производительности Q:
если Q < 90 м3/ч, то B = 2 м, если Q = 90…180 м3/ч, то В = 2,5…3 м.
Рис. 3.3. Горизонтальный электрофлотатор:
1 — впускная камера; 2 — решетка-успокоитель; 3 — электродная система; 4 — скребки для
сгребания пены; 5 - пеносборник; 6, 7 — отвод соответственно обработанной сточной воды и шлама;
8 - отвод осадка
Число пластин электродов nэ, размещаемых в установке,
nэ = (B – 2 a1 + a2)/(δ + a2),
(3.1)
где a1 — величина зазора между крайними пластинами и стенками
камеры, равная 100мм; а2 — величина зазора между пластинами, равная 15…20
мм; δ — толщина пластин, равная 6…10 мм.
Тогда необходимая площадь пластин электродов fэ, м2, будет
fэ = fа.э/(nэ -1) ,
(3.2)
где fа.э — активная поверхность электродов, м2, определяемая по формуле
fа.э = E Q/i ,
(3.3)
здесь Е — удельное количество электричества, А.ч/м3; Q — расчетный
расход суспензии, м3/ч; i — плотность тока на электродах, А/м2.
Определив fэ и назначив высоту пластин hэ = 1…1,5 м, найдем их длину lэ
= fэ/hэ, а затем подсчитаем длину электродной камеры
Lэ = lэ + 2a1
98
(3.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда объем электродной камеры, м3, составит:
Wэ = B Hэ Lэ ,
(3.5)
где Hэ — рабочая высота электродной камеры, м, равная:
Hэ = h1 + h2 + h3 ,
(3.6)
здесь h1 — высота осветленного слоя, равная 1…1,5 м; h2 — высота
защитного слоя, равная 0,3…0,5 м; h3 — высота слоя шлама, равная 0,4…0,5 м.
Объем флотационной камеры
V ф = Q tф ,
(3.7)
где tф — продолжительность флотации, определяемая экспериментально
и принимаемая обычно равной 0,3…0,75 ч.
Длину Lф и высоту Hф флотационной камеры подсчитывают исходя из ее
объема Wф и ширины В.
При осуществлении процесса электрофлотокоагуляции необходимо
определить количество металла электродов, переходящее в раствор, а также
срок службы электродной системы:
mэ = kт Э Е,
(3.8)
где mэ — количество металла, переходящего в 1 м3 раствора, г; kт —
коэффициент
выхода
по
току,
равный
0,5…0,95
(определяется
экспериментально); Э — электрохимический эквивалент, г/(А·.ч), равный для
Fe2+, Fe3+, Al3+ соответственно 1,042; 0,695 и 0,336.
Срок службы электродной системы Т, сут,
Т = M э ·1000/(mэ/Qсут),
(3.9)
где Мэ — количество металла электродов, которое растворяется при
электролизе, кг:
Mэ=ρkэfδn,
(3.10)
здесь ρ — плотность металла электродов, кг/м3; kэ — коэффициент
использования материала электродов, равный 0,8…0,9; Qcyт — суточный
расход сточных вод, м3/сут.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример. Исходные данные:
производительность электрофлотационного аппарата Q = 15 м3/ч; время
электрофлотации t = 0,6 ч; электрофлотационный аппарат должен работать по
схеме "электрокоагуляция - флотация" с одинаковым временем пребывания
суспензиина
каждой
стадии;
концентрация
алюминия
(максимальная),
добавляемая в нефтесодержащие
Сточные воды должны пребывать одинаковое время на стадиях
электрокоагуляции и флотации, поэтому
V1 = V2 = V/2 = 4,5м3,
где V1 - объем камеры электрокоагуляции; V2 - объем флотокамеры.
3. Глубина камеры электрокоагуляции и камеры флотации выбирается с
учетом проведенных испытаний пилотной электрофлотационной установки.
При этом была рекомендована глубина камер электрокоагуляции и флотации в
пределах 1,4...1,45 м (hср =1,425 м).
4. Площадь поперечного сечения камер электрокоагуляции и флотации
S1 = S2 = V/(2.hср) = 9,0/(2.l,425) = 3,16 м2.
5. Соотношение длины (а) и ширины (b) камер электрокоагуляции и
флотации выбирается как 2:1.
Тогда
S1= а.b = 2 b2 = 3,16 м2,
где b = 1,26 м, а = 2,52 м.
6. Один пакет электродов включает n1 электродов размером a(b - 0,2) м,
причем электрическое подключение к пакету электродов - биполярное.
Толщина
пакета
электродов
d,
как
показывают
экспериментальные
исследования, должна составлять примерно 250 мм.
Расстояние между электродами δ, в качестве которых могут быть
применены дюралюминий или сталь Ст. 3, составляет около 20...22 мм в
зависимости от толщины электродов d1(d1 = 3 мм). Таким образом число
электродов в пакете:
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
n1 
d
250

 10
  d1 22  3
число пакетов электродов:
N= b/d =1260/250= 5;
общее количество анодных электродных пластин
па = n1
N = 10  5 = 50
7 Продолжительность работы τ (сут) анодных электродных пластин
может быть определена с помощью соотношения
τ = (nа ρ Sан d1)/(Q D Al(Fe)) ,
где Sан = a(b - 0,2) - рабочая поверхность анодов; ρ - плотность материала
анодов; Q -производительность электрофлотационной установки; DAl(Fe) доза алюминия (железа).
τ = (50  2,7.103  2,52  1,06.3  10-3)/(15.24.20.103.) = 105 сут.
8. Сила тока, необходимая для поддержания концентрации алюминия в
пределах до 20 мг/л:
I = (F n DAl Q)/(η A τэ),
где I - сила тока, А; F - постоянная Фарадея (96500 Кл); п - валентность,
(п = 3); η-выход металла по току (η = 120); А - атомный вес металла (А = 27); τэ время электрообработки (τэ = 24 ч).
I = (96500.3.20.10-3.15.3600.24)/(120.27.24. 3600) = 26,81 А.
9. Плотность тока в камере электрокоагуляции
j = I/Sан = 26,81/(2,52.1,04) = 10,04 А/м2.
10. В камере флотации графитовый анод располагается на днище
аппарата, а сетчатый катод - на расстоянии 20...40 мм от анода. Режим
электрофлотации, как показывают эксперименты по очистке нефтесодержащих
сточных вод, в большинстве случаевследующий: плотность тока 10...20 мА/см2
(100...200 А/м2); время электрофлотации τэф = 0,6/2 = 0,3 ч.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
Использованию электролиза для извлечения металлов из разбавленных
растворов препятствует низкая удельная производительность электролизеров,
особенно с плоскими электродами, по сравнению с такими процессами очистки
металлов, как цементация или химическое выделение.
Для увеличения интенсивности процессов электроизвлечения металлов из
сильно разбавленных по ионам металла растворов используют объемные
электроды. Принцип работы электролизеров с такими электродами заключается
в том, что подвергаемый обработке раствор пропускают через каналы в теле
объемного
электрода,
потенциал
которого
поддерживают
на
уровне,
обеспечивающем протекание процесса извлечения с максимально возможной
скоростью, т. е. при предельной силе диффузионного тока.
Электрохимические установки позволяют решать задачи, связанные с
концентрированием солей металлов, содержащихся в сточных водах, и
возвратом концентрированных растворов для повторного использования.
Принцип действия такой установки поясняется схемой, представленной на рис.
4. Электролиз сточной воды проводят в аппарате, разделенном диафрагмой или
ионообменной мембраной на две камеры — 1,2. В каждой камере установлены
пластинчатые электроды. В процессе обработки воды
периодически изменяют направление тока, чтобы изменялась полярность
электродов в камерах 1 и 2.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 3.4. Установка для концентрирования растворов солей металлов:
а — в камере 1 выделяется металл на электродах, в камере 2 происходит растворение металла;
б — в камере 1 растворяется металл, в камере 2 выделяется металл на электродах; V — поток сточной
воды; 1 V , 2 V — сточная вода, направляемая в катодную и анодную камеры электролизера
соответственно.
Сточная вода, направляемая на очистку, разделяется на два потока. Один
поток— большая часть сточной воды — направляется в камеру 1, в которой
электроды работают в режиме катода (рис. 3.4, а), и происходит разряд ионов
металла с образованием осадка. Очищенная вода в этом случае выходит из
камеры 1. Второй поток — меньшая часть сточной воды — поступает в камеру
2, где на аноде происходит растворение металла, осажденного в предыдущем
цикле его работы как катода (рис.3.4, б). При смене полярности электродов
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
одновременно перераспределяют и потоки воды. Таким образом, например,
удается повысить содержание сернокислых солей меди в промывочных водах с
0,8 г/л до нескольких десятков и вернуть раствор солей на повторное
использование.
Природа материала электродов, а во многих случаях и подготовка их
оказывают большое влияние на направление и ход реакций при очистке воды от
загрязнителей.
Аноды можно изготовлять из металлов, которые устойчивы в водных
растворах при потенциалах выделения кислорода. В кислых растворах эти
потенциалы выше +1,23 В, а в щелочных выше + 0,4 В. В этой области
потенциалов устойчивы металлы платиновой группы, графит, а также оксиды
некоторых металлов. Металлы платиновой группы не применяют так как они
дорого
стоят.
Удовлетворяют
перечисленным
требованиям
некоторые
модификации графита. Недостатком графитовых электродов является их
медленное разрушение вследствие постепенного окисления графитовой
поверхности до диоксида и оксида углерода. Скорость разрушения анодов из
графита определяется пористостью графита. Для устранения отрицательного
влияния пор аноды пропитывают различными материалами, уменьшающими
смачиваемость поверхности и препятствующими попаданию электролита в
поры.
Высокую электропроводность и достаточную химическую стойкость
электродов в щелочных средах обеспечивают оксиды таких металлов, как медь,
никель, кобальт, железо, FeO,Fe2O3. Так, в процессах очистки воды часто
используют магнетит
К катодным материалам предъявляют менее жесткие требования в
отношении их коррозионной устойчивости, чем к анодным материалам. Выбор
катодного материала зависит от назначения и условий проведения очистки;
основным показателем, служащим для его выбора — является величина
перенапряжения при выделении водорода.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По величине перенапряжения электродные материалы разделяются на две
группы: с низким (железо, никель и др.) и высоким (графит, цинк и др.)
перенапряжением.
Для процессов очистки воды, в которых определяющую роль играет
анодный процесс (деструктивные методы), а катодный процесс в большинстве
случаев имеет второстепенное значение, в качестве катодного материала
выбирают металлы из первой группы, руководствуясь энергетическими
затратами.
Для процессов обработки воды, в которых катодная реакция обеспечивает
удаление загрязнителей (выделение металлов, перевод вещества в менее
токсичное соединение и др.), целесообразно использовать электроды с высоким
перенапряжением
при
выделении
водорода,
что
позволяет
облегчить
протекание таких реакций.
При расчете электролизеров определяют полезный объем электролизера,
поверхность электродов и нагрузку по току, расход энергии на обработку воды.
Для расчета исходными данными являются: расход сточной воды, общее
содержание минеральных солей и загрязняющих компонентов в ней, время
обработки воды. Объем электролизера определяют из выражения
V = Qt ,
(3.11)
где Q — расход сточной воды, м3/с; t — время обработки, с.
Нагрузку по току находят ориентировочно из выражения
I
q C0 BT Q
,
t
(3.12)
где q — теоретическое количество электричества, необходимое для
обезвреживания или очистки загрязнителя и определяемое по закону Фарадея;
C0 – начальная концентрация загрязнителя; BT — коэффициент полезного
использования электроэнергии — выход по току, доли единицы.
Общая поверхность электродов:
S
V
,
2d
105
(3.13)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где d — расстояние между электродами, м.
Часто из предварительных экспериментов
известны коэффициент
полезного использования энергии BT (выход по току), а также оптимальные
значения удельной силы тока, приходящейся на единицу поверхности
электрода (плотность тока). В этом случае размеры электродов анода и катода
могут быть определены из выражения:
S
I
,
j
(3.14)
где I — общая нагрузка по току, А; j — плотность тока, А/м2.
При извлечении металлов, а также в том случае, когда загрязняющий
компонент претерпевает изменения исключительно в результате электродной
реакции и скорость процесса лимитируется доставкой разряжающихся частиц к
электроду, поверхность электрода можно определить из выражения
SK 
m  C H
ln 
K m  C K

 ,

(3.15)
где mυ — объемная скорость движения воды через аппарат, м3/с; Km —
коэффициент массопередачи, равный отношению D  , м/с; Сн — начальная
концентрация металлов; Ск — конечная концентрация металлов на выходе из
аппарата; D – коэффициент диффузии, м2/с; δ — толщина диффузионного слоя,
м.
Расход энергии на электрохимическую обработку является основной
величиной, определяющей эксплуатационные затраты на установки и их
конкурентоспособность.
Расход энергии W обычно относят к 1 м3 очищаемой воды или (при
утилизации ценных компонентов) к единице массы извлеченного вещества.
Величина W определяется напряжением на электродах, расстоянием между
ними, удельным сопротивлением и другими характеристиками обрабатываемой
воды.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотрим вклад каждой из перечисленных составляющих в расход
электроэнергии. Величину W можно выразить как
W
Qэл
,
U эл
(3.16)
где Qэл — количество электричества, затраченное на обработку 1 м3 воды;
Uэл — напряжение на электролизере.
Необходимое для обработки воды количество электричества зависит от
содержания загрязнителя и вида электрохимической очистки. В процессах
электрохимического окисления его удается оценить, если предположить, что
для осуществления анодной деструкции до необходимой степени окисления
органических соединений достаточно получить в результате электродной
реакции количество кислорода, равное величине ХПК; тогда значение Qэл
определяется из выражения (в А·ч/м3)
Qэл  26,8
ХПК
ВТ  8 105
(3.17)
Приближенность такого определения заключается в допущении, что как
при химическом окислении (определение ХПК), так и при электрохимической
деструкции окисление идет до одинаковой глубины, а также одинаковы состав
и количество продуктов, уносимых с газовой фазой.
Если известна анодная реакция и присутствует один токсичный
компонент, например в случае окисления в сточных водах цианид-ионов.
CN-+2OH-→CHO-+H2O+2e,
то количество электричества, необходимое для обезвреживания ионов
CN− , можно рассчитать из уравнения (в А/ч)
Qэл  2,06
C0V
,
BT
(3.18)
где C0 — исходная концентрация цианидов в сточных водах, г/м3; V —
объем сточных вод в электролизере, м3; 2,06 — электрохимический эквивалент
окисления ионов CN− , А·ч/г.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Необходимость предварительного расчета количества электричества,
потребляемого для очистки, обусловлена высокой химической активностью и
токсичностью окислителей, которые образуются в ходе электродных реакций (в
частности, хлора), и стремлением избежать накопления их в избыточных
количествах. В некоторых случаях величина Qэл известна из предварительных
исследований.
Общее напряжение на аппаратах электрохимической очистки воды
складывается из теоретического напряжения, перенапряжения на электродах,
концентрационной
поляризации,
падения
напряжения
в
электролите,
диафрагме, электродах и контактах. Напряжение на одной секции аппарата
(одна пара электродов) определяется из выражения
U  Ea  EK   a   K  Eконц  U эл  U д  U1  U 2 ,
(3.19)
где Eа и Eк —термодинамические (обратимые) значения потенциалов
анода и катода, В; ηа и ηк— перенапряжение на аноде и катоде, В; ΔEконц —
величина концентрационной поляризации, В; ΔUэл — падение напряжения в
электролите, В; ΔUд — падение напряжения в диафрагме или мембране, В; ΔU1
, ΔU2 — падение напряжения в электродах и контактах соответственно, В.
Для отдельных видов обработки вклад каждой составляющей U будет
различным. Для электрофлотаторов и электрокоагуляторов, а также аппаратов
электрохимической очистки окислением и восстановлением в общем балансе
напряжений будут преобладать значения Еа, Eк, ηа, ηк. Для электродиализаторов
основной составляющей баланса является падение напряжения на мембранах и
в растворе: ΔUд, ΔUэл.
Теоретическое напряжение разложения Ет = Еа – Ек на электролизере
можно определить, исходя из термодинамических данных:
ET 
H 0
 дЕ 
T
 ,
nF
 дТ  Р
108
(3.20)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Δ ° — энтальпия реакции разложения; п — число электронов,
участвующих в реакции; F — число Фарадея; ∂F / ∂T — температурный
коэффициент, В/К.
Для реакции разряда молекул воды величина теоретического напряжения
разложения воды в изотермических условиях Ет = 1,481 В, а величина (∂F / ∂T)
P составляет 0,00085В/ К. Для условий, отличных от стандартных, значения Еа
и Ек определяются в зависимости от рН обрабатываемой воды из уравнений
(при Т = 293 К):
Еа = 1,23 — 0,059 рН; Ек = - 0 ,059 р .
Величины перенапряжения на катоде ηк и аноде ηа зависят от реакции,
протекающей на электроде. Для реакции выделения водорода используют
уравнение Тафеля:

2
 a  b lg j ,
(3.21)
где а, b — константы, зависящие от природы материала катода
(справочные данные); j– плотность тока, А/м2.
Величина ΔEконц характерна для аппаратов, в которых удаление ионов
металлов происходит в результате катодной реакции восстановления. В этом
случае
скорость
процесса
обусловлена
замедленностью
массопереноса
удаляемых ионов к электроду.
Точный расчет концентрационной поляризации возможен лишь для
аппаратов, в которых массоперенос можно контролировать. Приближенную
оценку ΔEконц для случая стационарной диффузии можно дать на основании
уравнения
 RT  j 
 ,
Eконц  
lg
 nF   jпр.к 
(3.22)
где n — числа электронов, участвующих в реакции; j, jпр.к — плотности
тока и предельного тока диффузии электродной реакции соответственно, А/м2.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Величину
пространство
ΔUд
определяют
отделено
от
для
катодного
аппаратов,
в
диафрагмой
которых
или
анодное
ионообменной
мембраной. Для электролизеров с диафрагмой справедливо выражение
ΔUд = I·Rд ,
(3.23)
где I — сила тока (А), протекающего через электролизер; Rд —
сопротивление диафрагмы
  2 
Rд   
,
 Snд 
(3.24)
где ρ — удельное электросопротивление электролита в порах диафрагмы
с учетом газонаполнения, Ом.м; δ — толщина диафрагмы, м; β — коэффициент
извилистости пор, β =1,2…1,3; S — поверхность диафрагмы, м2; пд — объемная
пористость диафрагмы.
Падение напряжения, возникающее при прохождении тока через раствор,
для аппаратов с плоскопараллельными электродами рассчитывают по закону
Ома
ΔUэл = jρl ,
(3.25)
где j — плотность тока, А/м2; ρ — удельное сопротивление электролита,
Ом.м; l —расстояние между электродами, м.
Падение напряжения в проводниках ΔU1 первого рода рассчитывают по
закону Ома, падение напряжения в контактах определяют с учетом материала
контактирующих пар металлов (определенного по справочной литературе).
3.3.ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
УЛЬТРАЗВУКА
Сточные воды производств содержат вещества, которые могут быть
использованы в качестве корма для сельскохозяйственных животных.
Применение ультразвука в ряде случаев существенно облегчает выделение этих
веществ.
После
обработки
ультразвуком,
например,
из
сточных
вод
рыбоперерабатывающих комбинатов, удастся извлечь значительное количество
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кормового белка и жира, что не только позволяет получить цепные кормовые
вещества, но и ускорить дальнейшую очистку сточных вод. Стимуляция
сообществ микроорганизмов ультразвуком низкой интенсивности в бассейнах
биологической очистки интенсифицирует их обмен веществ, увеличивает
скорость биосинтеза биологически активных соединений, ускоряет адаптацию
клеток к новым условиям. Так, стимуляция ультразвуком клеток плесени
Aspergilus niger, играющих важную роль в процессе очистки воды, в полтора
раза ускоряет их развитие, увеличивает скорость утилизации веществ в сточных
водах, например, рыбоперерабатывающих комбинатов. Развивающаяся в
бассейнах плесень выделяет мощные ферменты – целлюлозу и целлобиазу,
разрушающие клетчатку. Выделяющаяся при этом глюкоза полностью
используется клетками плесени, превращающими ее в углекислый газ и воду.
Параллельно усиливается превращение сероводорода и серы в безвредные
сульфаты. В процессе жизнедеятельности клетками плесени Aspergilus niger
выделяются лимонная кислота и некоторые другие органические кислоты,
создающие неблагоприятную для развития бактериальных клеток среду.
Усиливается и выработка антибиотиков, которые вместе с органическими
кислотами быстро снижают в сточной воде количество бактерий, в том числе
болезнетворных. Клетки той же плесени после обработки ультразвуком активно
концентрируют в себе соединения тяжелых металлов.
В ряде случаев мощный ультразвук применяется для ускорения
окислительных процессов в сточных водах, снижения общей обсемененности,
для гомогенизации осадка и т.д.
3.4. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОБЪЕМНЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ
Высокую
энергетическим
степенью
очистки
совершенствованием
сточных
вод
технологических
можно
достигнуть
схем
объёмного
облучения . В для разработки технологических схем, используется понятия
вектора Умова-Пойтинга, при этом потери энергии бактерицидного излучения
практически сводятся к нулю, сохраняя высокую равномерность облучения
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
среды и повышая её до физически возможного предела. С помощью вектора
Умова – Пойнтинга определяется поток энергии в объёме среды через поток
энергии сквозь поверхность, ограничивающую этот объём. Если поглощающая
среда неподвижна и не содержит проводников, соответствующее выражение
имеет вид интеграла по поверхности:
,
(3.26)
где К – вектор Умова-Пойнтинга, S – поверхность, ограничивающая
объем, м2; K cosα – нормальная составляющая вектора по точкам поверхности.
Из
выражения
(3.26)
можно
приходящуюся на определённый
определить
мощность
излучения,
объём среды, равную разности потоков
втекающий в объём и вытекающей из него энергии. Для создания
энергосберегающей технологии необходимо реализовать в ней условие, при
котором энергия ультрафиолетового излучения полностью поглощается
объёмом облучаемой среды. Данное условие выполняется, когда при
направленном
потоке
внешнего
облучения
формируется
такой
объём
облучаемой среды, в котором значение вектора Умова-Пойнтинга для
вытекающей энергии очень близко к нулю и, следовательно, потери энергии
стремятся к нулю. Следовательно, если вектор скорости перемещения сточной
воды направить перпендикулярно плоскому волновому фронту, то тогда
энергия поглощенная каждым элементарным объёмом будет находиться при
помощи интегрирования не только по времени воздействия (зависит от
скорости),
но
и
по
потоку
облучения,
который
является
функцией
пространственных координат. Значение указанного интеграла при движении
среды без локальных взаимных смещений элементарных объемов будет для
каждого из них одинаковым, что, по существу, и является решением проблемы
обеспечения равномерности облучения всего объема облучаемой
Следовательно,
технологическая
схема
должна
отвечать
среды.
требованию
локализации электромагнитной энергии в виде потока с плоским волновым
фронтом и направлением движения обеззараживаемой среды в пространстве
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
локализации электромагнитной энергии перпендикулярно волновому фронту
облучающего потока.
При движении слоев среды навстречу облучающему потоку (вверх)
частота удаления верхнего слоя из зоны облучения будет определяться
выражением (3.27).
н
где
поток, Вт;
(3.27)
– падающий равномерно на поверхность среды параллельный
– нормированная доза облучения с учетом допустимой
неравномерности облучения, Дж/м2. Скорость движения облучаемой среды v:
(3.28)
где
– толщина слоя, обеспечивающая требуемую неравномерность, м.
Эффективность облучения выполняется сочетанием двух параметров:
1) высотой элементарного слоя, снимаемого с поверхности объёма
обеззараживаемой среды в единицу времени;
2) величиной падающего на поверхность облучаемой среды потока
н
о
.
(3.29)
Из (3.29) следует, что при заданной скорости перемещения среды
толщина элементарного слоя может уменьшаться при возрастании величины
потока
, что приводит к увеличению равномерности облучения. При этом
потери потока облучения не зависят от устанавливаемой дозы воздействия. Они
определяются возможностью
создания параллельного потока излучения
и
общей высотой облучаемого объема среды, обеспечивающего близкое к
полному поглощение потока облучения.
В данных технологиях обеззараживаемая сточная вода может двигаться
как вверх (навстречу ультрафиолетовому излучению), так и вниз (по
направлению с облучающим потоком). При этом выражения (3.27), (3.28) и
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(3.29) являются справедливыми для схем с однонаправленным движением
облучаемой среды и потока излучения. Для бесконечно тонкого слоя жидкости
, отстоящего на расстояние
x от дна реакционного сосуда, плотность
поглощенного площадью в 1м2 потока излучения равна:
(
где
)
,
(3.30)
– облученность поверхности жидкости, Вт/м2; h – высота слоя
жидкости в реакционной емкости, м.
Объемная
плотность
поглощенной слоем
энергии
излучения
соответствует:
(
)
,
(3.31)
где – время, с.
Рассматриваемый гидродинамический поток можно представить моде
лью идеального вытеснения (поршневое течение без перемешивания вдоль по
тока при равномерном распределении энергии излучения в направлении,
перпендикулярном движению). Для такой модели:
,
(3.32)
Таким образом, объёмная плотность поглощенная каждым слоем
обеззараживаемой жидкости энергии излучения будет одинаковой независимо
от направления перемещения жидкости. Каждый слой обеззараживаемой
жидкости, постепенно поднимаясь или опускаясь, будут суммировать
поглощенную им энергию и в результате получит интегрированную дозу
воздействия, которая определяется величинами
облучённости на поверхности жидкости
и линейной скоростью её
перемещения v .
Однако, какой бы функцией α(х) не был задан показатель поглощения,
анализ выражений дает однозначный результат:
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
∫
( )
( )(
)
(
),
(3.33)
Схемы дают одинаковые результаты если эффект пропорционален только
дозе излучения. Однако закон возрастания получаемого элементарным слоем
жидкости дозы облучения по координате «x» будет различным для
рассмотренных схем и определяется выражениями:
( )
( )
(
(
)
(
)
(3.34)
)
(3.35)
Сравнивая выражения (3.34) и (3.35), видно что в первом случае доза
облучения набирается плавно, с возрастающей скоростью, а при движении
обеззараживаемой жидкости в одном направлении с потоком УФ -облучения
скорость нарастания дозы в начальный момент максимальна, а затем
уменьшается до нуля. Данные отличия необходимо учитывать, выбирая более
эффективную
схему
Воздействие
УФ
для
-лучей
ультрафиолетового
на
жидкость
обеззараживания
характеризуется
закономерностью технологического процесса от и.
среды.
сложной
Количество бактерий в
единице объёма оставшихся после облучения определяется выражением:
(3.36)
Данное выражение получено из уравнения кинетики гибели бактерий при
воздействии на единицу объема среды потока излучения Ф:
бк
бл
бн
(3.37)
Поток излучения, поглощаемый, единицей объёма облучаемой среды
зависит от координаты «x» расположения слоя по высоте реактора.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
( )
(3.38)
Обе схемы облучения дадут одинаковые интегральные результаты, так
как движения облучаемой жидкости u( h) одинаково. Переходя к безразмерным
координатам,
соответственно
получаем
зависимости
концентрации бактерий от координаты «x»
относительной
фото реактора в процессе
обеззараживания:
(
где
бк ( )
(
бк (
(
)
(
)
)
)
;
(3.39)
,
(3.40)
) – задаваемая относительная объемная плотность
дозы облучения; x’ = x /h – текущая относительная глубина. Степень
обеззараживания жидкости определяется выражением
о
бк
бк
Таким
образом,
рассматриваемой
при
УФ-
технологической
обеззараживании
схеме
скорость
(3.41)
жидких
движения
сред
по
жидкости
определяется по выражению (3.41) при заданных необходимых значениях
степени стерилизации ψ и пороговой дозы
(
:
)
,
(3.42)
где ρ – интегральный коэффициент отражения излучения поверхностью
жидкости. Кинетика обеззараживания жидкости, несмотря на равенство
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
интегральных показателей, при разных направлениях движения будет раз
личной.
1. Движение жидкости навстречу потоку ультрафиолетового облучения:
(
)
(3.43)
2.
Движение
жидкости
в
одном
направлении
с
потоком
ультрафиолетового облучения:
(3.44)
Если сопоставить зависимости ψ и
, то следует, что в случае движения
жидкости вниз большей концентрации бактерий соответствует более высокая
объемная плотность поглощенной энергии. Поэтому следует обеспечивать
нисходящий поток жидкости, что так же подтверждается расчетами согласно
выражению
об (
где
бк
)
бк
( )
,
(3.45)
– относительная скорость обеззараживания по глубине реактора.
Рассмотренные
варианты
движения
облучаемой
жидкости
в
данных
технологиях и математический анализ параметров энергетики и качества
процесса обеззараживания в них, позволили выявить взаимное направление
движения среды и УФ -потока, при котором обеспечивается максимальный
эффект стерилизации среды с минимальными затратами электроэнергии.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ОМАГНИЧЕННОЙ ВОДЫ
3.5.1.МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОМАГНИЧЕННОЙ ВОДЫ НА
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ
В последние десятилетия получено много данных о положительном
влиянии на рост растений различных физических воздействий жесткого
излучения, электрического тока, магнитных полей. Существенные результаты
достигаются относительно простыми средствами. Кроме того, открываются
значительные перспективы освоения засоленных земель, использование
соленых вод для орошения. Перспективность применения магнитной обработки
воды для орошения посевов и рассоления почв вытекает из физико-химических
и биологических свойств омагниченной воды.
Обобщение и анализ всего комплекса работ в области сельского хозяйства
позволяет отметить большую важность этого направления использования
омагниченной воды.
Обработка
воды
магнитным
способом
заключается
в
воздействии
магнитных полей на поток воды, проходящий перпендикулярно магнитным
силовым линиям. Установлено, что энергия магнитного поля сама по себе
ничтожно мала. Однако в движущихся электролитах (воде) под влиянием
гидродинамических сил и сил Лоренца возникает эффект Холла, а под
влиянием конвекции растворенных веществ изменяется скорость и направление
движения
ионов,
появляются
пондермоторные
силы
и
индуцируется
электрический ток. Все это оказывает определенное влияние на состояние
водосолевой системы.
Известно множество процессов, теоретическое обоснование которых было
сделано только через несколько десятилетий после того, как они нашли
широкое и успешное практическое применение. Во многих же случаях
отсутствие теории сдерживает практическое применение новых процессов. К
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
такого рода проблемам относится и изменение свойств водных систем после
кратковременного воздействия на них относительно слабых электромагнитных
полей.
Трудности теоретической трактовки магнитной обработки водных систем
очень велики, поскольку приходится сталкиваться со многими нерешенными
проблемами, относящимися к обшей теории жидкого состояния, приходится
иметь дело со сложной, метастабильной системой. Bместе с тем, накопленных
экспериментальных данных пока недостаточно для построения строгой теории.
Как известно, метастабильные системы характеризуются возможностью
перехода на более низкий, а в предельном случае равновесный, уровень после
преодоления некоторого активационного барьера. Есть много оснований,
которые позволяют отнести реальную воду к метастабильным системам.
Во-первых, в водных растворах существуют неравновесные метастабильные
структуры, связанные с изменением электронной конфигурации молекул.
Время существования этого изменения очень мало (порядка 10 ... 10 с). Это
время peзкo возрастает в присутствии (обязательном для реальной воды)
различных ионов, способствующих образованию аквакомплексов.
Во-вторых,
источником
метастабильности
реальной
воды
является
неизбежное изменение во времени концентрации растворенных газов. Это
происходит
при
малейших
изменениях
температуры
и
давления
(от
турбунизации потока воды), определяющих растворимость газов в воде.
В-третьих, источником метастабильности водных систем являются наводки
разною рода, в том числе связанные с солнечной активностью, всегда
изменяющиеся во времени.
Четвёртым источником метастабильности ряда водных систем может
служить пересыщенность либо недосыщенность раствора различными солями;
такое пересыщение часто наблюдается в природных водах.
И, наконец, пятым источником метастабильности водных систем является
их микрогетерогенность, а, следовательно, и существование различных
поверхности радела фаз.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Реальная вода всегда содержит примеси различных веществ, в том числе
газов, являясь микрогетерогенной системой. Она представляет собой открытую
систему, обменивающуюся со средой не только энергией, но и веществом, и не
может рассматриваться как равновесная; ей свойственны замедленные
структурные переходы.
Обязательное условие перемещения водной системы и магнитного потока
относительно друг друга приводит к возникновению индуцированного
электрического тока. Из уравнений Максвелла вытекает, что магнитное поле
возникает как при перемещении электрических зарядов, так и при изменении
электрического поля во времени. Любое изменение во времени магнитного
поля вызывает возникновение электрического поля. Следовательно, отсутствие
учета движения водной системы в магнитном потоке принципиально искажает
исходные условия теоретического анализа электромагнитной обработки водных
систем.
Значение индуцированных электрических сил косвенно, подтверждается
тем, что совместное действие электрического и магнитного полей вызывает
большие изменения, чем действие каждого из этих полей в отдельности.
Влияние электромагнитного поля связано с такими превращениями
системы, при которых её энергия изменяется незначительно, т.е. мы имеем дело
с метастабильной системой, поэтому главное внимание должно уделялся
энергетическому барьеру, для преодоления которого необходимо сообщить
системе некоторую энергию, равную энергии активации. Известно, что энергию
активации можно существенно изменить и незначительным возмущающим
воздействием на систему.
Таким образом, можно определить следующие закономерности процесса
магнитной обработки:
1. Во всех случаях, когда во время магнитной обработки не происходят
какие-либо
изменения
системы,
эффект
магнитной
обработки
после
кратковременного возрастания постепенно самопроизвольно снижается и
исчезает,
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Обычно отмечается сложная зависимость эффектов от характеристики
магнитного поля. Чаще всею, при достаточно малом шаге напряженности
магнитного поля наблюдается полиэкстремальная зависимость.
3. Почти во всех исследованиях отмечается наличие оптимальной скорости
потока. Причины такой закономерности в настоящее время не выяснены.
Возможно, что вначале с увеличением скорости возрастает действие сил
Лоренца, а также увеличивается сила индуцированного тока; после достижения
определенного значения скорости чрезмерная турбуляция потока и снижение
времени пребывания раствора в поле каким-то образом вызывает уменьшение
эффективности обработки водных систем.
Исходя из общих соображений, механизм воздействия электромагнитных
полей на водные системы можно связать с явлениями резонансного типа.
Согласно этой гипотезе, молекулы воды, их ассоциаты, гидратированные ионы
и микрочастицы примесей совершают беспрерывные колебательные движения,
которым
соответствует
определенный
энергетический
уровень.
При
воздействии на эту систему поля оптимальной частоты возможен резонанс,
сопровождаемый возникновением квантов энергии, способных деформировать
связи, изменить структурную характеристику системы.
Такие процессы вызываются как магнитными, так и электрическими
полями. Поэтому свойства водных систем мот изменяться при воздействии как
магнитного, так и электрического полей, я также при их совместном
воздействии или наведении переменного электромагнитного поля. Именно
резонансные явления могут лежать в основе преодоления активационного
барьера.
Механизм влияния магнитного поля на воду и её примеси до настоящего
времени не достаточно четко выявлен. Высказывалось целый ряд гипотез,
которые можно классифицировать на следующие три группы.
ПЕРВАЯ, объединяющая большинство гипотез, связывает действие
магнитных полей на ионы солей, присутствующие в воде. Под влиянием
магнитного
поля
происходит
поляризация
121
ионов
и
их
деформация,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сопровождающаяся уменьшением их сольватации, что повышает вероятность
их сближения и, в конечном итоге, образование центров кристаллизации.
ВТОРАЯ группа предполагает воздействие магнитного поля на примеси
воды, находящиеся в коллоидном состоянии.
ТРЕТЬЯ
группа
объединяет
представления
о
возможном
влиянии
магнитного поля на структуру воды; это влияние с одной стороны может
вызвать изменения в агрегации молекул воды, с другой – нарушить ориентацию
ядерных спинов водорода в молекулах.
Следует отметить, что между этими группами гипотез нет четких границ;
нельзя отделять одну гипотезу от другой, как это часто делается.
Остановимся кратко на гипотезах некоторых исследователей.
Т. Веймар считает, что роль магнитного поля сводится к деформации ионов,
сопровождающейся изменением магнитного момента и даже заряда иона. По
его
мнению,
это
приводит
к
изменению
кристаллической
решетки,
выделяющейся на твердой фазе.
Е. Шумани полагает, что магнитное поле может влиять на зародыши
кристаллов карбоната и сульфата кальция, находящихся, как правило в
обрабатываемой воде. В результате уменьшения их способность прикипать к
поверхности нагрева.
С.И. Ремпель установил, что воздействие магнитного поля, не изменяя
структуру воды, влияет главным образом на свойство ионов и изменяет
ориентацию гидратированных ионов за счет взаимодействия внешнего
магнитного поля с наведенными магнитными полями ионов. Растворенные в
воде ионы солей, окруженные гидратными
оболочками, образуют агрегат,
совершающий тепловое движение, как единое целое. Кроме того, ион
взаимодействует с более удаленными молекулами воды. Величина гидратных
оболочек ионов, упорядочение их структуры, а главное – соединение их в еще
более упорядочные агрегаты с другими гидратироваными ионами ограничены
тепловым
движением
молекул
растворителя,
поэтому
большая
упорядоченность носит лишь флуктуационный характер и сохраняется лишь
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ничтожные доли секунды. Гидратным оболочкам можно помочь построить хотя
бы на время более упорядочную и поэтому более уплотненную структуру, но
для
этого
нужно
приложить
усилия
к
ним,
чтобы
преодолеть
разупорядочивающее действие теплового движения. Такая ориентация может
осуществляться за счет взаимодействия внешнего магнитного поля с
наведенными магнитными полями частиц раствора.
Практически
формирование
и
укрупнение
структурных
единиц
осуществляется при протекании жидкости через магнитный зазор. После этого
тепловое движение снова будет разрушать образующийся агрегат, но на это
потребуется значительно большее время, исчисляемое несколькими часами.
В.П. Миненко и др. указывают, что под влиянием магнитного поля
изменяется плотность электронных облачков ионов и происходит их
поляризации в молекулах воды. Это включает за собой изменение энергии
взаимодействия ионов с молекулами и изменение поляризации ионами
близлежащих объёмов воды, дальнейшей гидратации, т.е. изменение структуры
раствора. Достаточная напряженность внешнего поля приводит к изменению
среднего числа молекул, составляющих непосредственное окружение иона, т.e.
к изменению координационного числа иона. Снижение гидратации ионов
создает условия для образования ионных ассоциатов, количество и степень
которых
зависят от природы растворенных солей, их концентрации,
напряженности магнитного поля, времени пребывания раствора в зоне
взаимодействия магнитного поля и других факторов. Возникшие под влиянием
магнитного поля ионные ассоциаты являются зародышами твердой фазы и
играют роль центров кристаллизации накипи образователей при нагревании
воды. Эта гипотеза базируется на выявленном изменении физических свойств
электролита (сил поверхностного натяжения, вязкости и электрического
сопротивления) в магнитном ноле. Благодаря поляризации электронных
облачков в молекулах последние приобретают индуцированный магнитный
момент, направленный противоположно внешнему полю. Вследствие этого,
энергия водородных связей изменяется, происходит изгибание связей и разрыв,
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
что влечет за собой изменение взаимного расположения молекул, и.
следовательно, изменение структуры волы. С увеличением напряженности
магнитного поля увеличивается количество молекул, сошедших с прежних
положений. Это обуславливает повышение плотности воды, вязкости и др.
свойств.
На положительное влияние магнитной обработки воды указывают и
французские
исследователи.
Так,
Piccadi
считает,
что
наложение
знакопеременного магнитною поля на поток вызывает изменение структуры
молекул
воды.
Это
накипеобразователей
приводит
и
к
к
понижению
возникновению
устойчивости
огромного
числа
ионов
центров
кристаллизации. Выделение накипеобразователей при нагреве происходи г во
всем объеме воды, и вместо накипи образуется шлам.
А.И. Шахов и др. объясняют роль магнитного ноля коагуляцией
органических и минеральных коллоидов за счет дегидратации двойною
электрического слоя ионов и снижения дзетта-потенциала, что в свою очередь
нарушает агрегативную устойчивость коллоидов и ускоряет их слипание. Такой
же точки зрения придерживается и G.Taddei.
Таким образом, гипотезы различных авторов базируются на поляризующем
действии магнитного поля на ионы и молекулы волы. За время контакта воды с
магнитным полем должны
произойти
изменения, обуславливающие
в
дальнейшем выделение твердой фазы в форме рыхлых осадков (шлама) вместо
накипи. Между тем, время сохранения свойств, приобретаемых природной
водой, находящейся в состоянии равновесия при прохождении ее через
магнитное поле, не превышает 109 с, поэтому полученные изменения следует
объяснять ошибками опытов, так как в большей части они были не
воспроизводимы.
Изменение физических свойств воды – структуры, плотное и, вязкости,
поверхностного натяжения и др. при воздействии магнитного поля зависит от
магнитной восприимчивости воды и содержащихся в ней ионов. Соединения и
ионы, находящиеся в воде, обладают определенными магнитными свойствами,
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
характеризующимися магнитной восприимчивостью; последняя определяет
способность ионов и их соединений изменять магнитный момент под
воздействием
внешнего
магнитного
поля.
С
увеличением
магнитной
восприимчивости повышается намагниченность частиц, их индуцированный
момент, а, следовательно, и способность взаимодействовать между собой.
Рассматривая все существующие гипотезы о механизме влияния магнитных
полей на водные системы, можно сделать следующие выводы.
При воздействии магнитных полей на водные системы возникает комплекс
явлений, сложных самих по себе и во много раз взаимоусложняющихся. Все
гипотезы имеют определенное экспериментальное обоснование и в той или
иной степени соответствуют практическому опыту. Вместе с тем, не все
гипотезы позволяют полностью объяснить накопленные сведения. Положение
дополнительно
усложняется
тем,
что
многие
факторы,
казалось
бы,
обязательные, для реализации магнитной обработки, иногда отсутствуют, а
эффекты все же наблюдаются. Тогда приходится признать вероятность того,
что главной причиной может быть изменение структуры водной системы, а все
остальные факторы лишь усиливают, стабилизируют и пролангируют эти
изменения. Основным же, подлежащим теоретическому выяснению, является
способ преодоления потенциального барьера между двумя местабильными
состояниями системы, а также с сообщении ей достаточной энергии активации
и механизм пролангирования этих кратковременных изменений. Весьма
перспективным представляется и изучение резонансных взаимодействий; это
направление должно быть предметом фундаментальных исследований.
Для
создания
общей
теории
представляют
интерес
и
магнитогидродинамического явления, а также поведение растворенных газов,
роль несущих электрические заряды микрогенных примесей и процессов,
проходящих
на
их
поверхности,
поведение
противоионов,
действие
индуцирования токов и другие явления.
В качестве стабилизаторов эффектов, обуславливающих длительное
сохранение измененных свойств водных систем при электромагнитной
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обмотке, прежде всего, привлекают внимание диффузионные процессы,
фазовые переходы (растворение, выделение из растворов и агрегация
различных примесей), а также структурные перестройки воды, связанные с
этими процессами.
3.5.2. ПОВЫШЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЕВОДСТВА ПУТЕМ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОМАГНИЧЕННОЙ ВОДЫ
Первые сведении об улучшении роста растений при поливе водой,
прошедшей предварительную магнитную обработку опубликованы еще в 1965
г. (Институт биологически активных веществ Дальневосточного филиала СО
АН СССР), где указывается, что вода, обработанная магнитным нолем,
оказывает благотворное влияние на рост развитие подсолнечника, кукурузы,
сои, a также увеличивает урожай сои, не оказывая влияния на влажность и
жирность её бобов.
В
1967
г.
сотрудники
Семипалатинского
медицинского
института
опубликовали результаты своих опытов, проведенных в тепличных условиях.
При использовании омагниченной воды высота лука и моркови увеличилась на
22 %, гороха – на 37 %, помидоров – на 18 %.
Отмечено ускорение начала цветения помидоров и увеличения массы
плодов. Анализ исследований в 80-е…90-е гг. XX в. в ОПХ Волжского научноисследовательского института гидротехники и мелиорация показал, что при
поливе
гороха,
сельскохозяйственных
редиса,
растений
помидоров,
огурцов,
омагниченной
водой
кукурузы
последние
др.
лучше
развиваются, раньше наступают фазы цветения и созревания, в зависимости от
культуры на 10…45 % повышается урожайность. Опыты проводились опыты
при выращивают риса (табл. 3.1.) и пшеницы (табл. 3.2.).
Анализ табл. 3.1. и 3.2. показывает, что даже в неблагоприятные годы
урожайность культур повышается при поливе омагниченной водой.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фенологические наблюдения в процессе вегетации яровой пшеницы
показали, что при поливе омагниченной водой всходы и фазы развития
растений наступали на 3...4 дня раньше, чем при поливе обычной водой. В
первом случае наблюдалось более мощное развитие наземной массы, заметное
уже в фазе кущения. Математическая обработка полученных результатов
показала, что их точность составляет 95...97 %. Поэтому можно считать, что
полученная в полевых условиях прибавка 15...23 % к урожаю является
достоверной.
Таблица 3.1. Влияние магнитной обработки воды на урожайность риса
Урожай
Расход воды на 1ц урожая
ц/га
%
м куб./ц
%
560
100
475
85
Орошение обычной водой
42,2
100
Орошение омагниченной водой
50,0
100
Таблица 3.2. Влияние магнитной обработки воды на урожайность пшеницы
Прибавка к урожаю
Площадь опытного и
Год
опыта
Урожайность при поливе, ц/га
контрольного
участков, га
при
поливе
омагниченной водой
обычной водой
омагниченной водой
ц/га
%
1-ый
2,5
42,5
49,0
6,5
15,3
2-ой
2,5
43,0
51,5
8,5
19,8
3-ий
2,5
43,0
50,4
7,4
15,1
4-ый
2,5
17,5
21,6
4,1
23,4
5-ый
48,0
26,6
31,1
4,5
17,7
При выяснении агрохимической причины столь существенного повышения
урожайности различных культур установлено, что орошение омагниченной
водой способствует развитию более мощного ассимиляционного аппарата,
накоплению большого фотосинтетического потенциала, сухой надземной
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
биомассы. Снижение щелочности почвы до нейтральной реакции способствует
превращению азота, фосфора и калия в более усвояемую растениями форму.
Содержание этих элементов в образцах растений, поливаемых омагниченной
водой, оказалось на 10…15 % выше, чем в контрольных. Во Всероссийсуком
институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) исследовалось
влияние омагниченной воды на укоренение черенков плодово-ягодных культур.
В результате проведенных опытов установлено, что укоренение черенков
различных, культур при поливе омагниченной водой превышает на 10...15 %
укоренение контрольных образцов, возрастает суммарная длина корней первого
порядка,
приходящихся на один черенок: для смородины – на 13,9 %, для
сливы – на 15 % (по сравнению с контролем).
Исследования также проводились при использовании магнитофоров для
обработки поливной воды. Магнитофоры представляют собой намагниченные
особым
способом
пластины
резины,
в
которые
вводятся
зернышки
ферромагнитного вещества. Изменяя форму пластин индуктора,
получают
магнитофоры с полем заданной конфигурации и полярности с напряженностью
от 160 А/м до 160 кА/м. Достоинством магнитофоров является их дешевизна и
простота в эксплуатации. Недостаток – малый радиус действия, уже на
расстоянии 15 см от поверхности магнитофора напряженность магнитного поля
снижается примерно в 10 раз.
Омагничивание поливной воды в магнитофорном шланге, проведенное
предложенным способом, показало значительное увеличение урожая огурцов
(на 20...50 %). Получен существенный эффект при контактировании семян
злаков с магнитофорами в течение одной минуты. Всхожесть семян пшеницы
возросла на 7 % (рис. 3.5.), ячменя – на 33 %, при этом высота пшеницы через
месяц после посева увеличилась на 15 %, ячменя – на 20 %.
После такой же обработки семян капусты, свеклы и огурцов урожай этих
культур возрос на 15...20 %. Отмечено также бактерицидное действие
магнитных полей на семена овощных культур.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
урожай Высота, см
100
опыт
110
контроль
100
80
60
50
40
20
5
10
20
30 40
50 60 Сбор урожая, дни
Рисунок 3.5. – Всхожесть семян пшеницы
После такой же обработки семян капусты, свеклы и огурцов урожай этих
культур возрос на 15...20 %. Отмечено также бактерицидное действие
магнитных полей на семена овощных культур.
В опытах, проведенных при магнитной обработке речной воды, которую
использовали для полива сои, кормовой свеклы, лука и томатов, получены
достоверные данные по значительному росту урожайности указанных культур
(рис. 3.6).
Рис. 3.6.– Урожайность при поливе обычной и омагниченой водой
Таким образом, магнитная обработки воды позволяет значительно повысить
урожайность различных сельскохозяйственных культур, По-видимому, при
омагничивании воды играют существенную роль различные факторы:
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
агрегация частиц почвы, улучшение растворения и использования растениями
питательных веществ, ускорение их доставки к корням и повышение
проницаемости биологических мембран, приводящее к улучшению усвоения
питательных веществ растениями.
Кроме
того,
замечено,
что
предпосевное
замачивание
семян
в
предварительно обработанной омагниченной воде положительно влияет на
урожай исследуемых растительных культур (свекла, рис, горох, морковь и пр.).
Урожай повышаемся в среднем на 10...20 %.
Попробуем проанализировать повышение урожайности и улучшение
качества
растений
при
использовании
омагниченной
воды.
Биологи
утверждают, что сортность не изменяется, но раскрываются потенциальные
возможности генотипа, которые без магнитной обработки не реализуются.
Кроме того, растения меньше болеют, становятся более жизнестойкими. Если
высаживать в землю омагииченные семена и поливать их обычной водой, то
можно достичь прибавки урожая до 20 %. Если высаживать обычные семена, а
землю поливать обработанной водой, то также можно достичь прибавки урожая
20 % при прочих рампа условиях. Но если омагниченные семена поливать
омагниченной водой, то получают ту же 20 %-ную прибавку, а не 40%,
поскольку резерв генотипа именной такой, и он весь исчерпался при обработке
магнитным полем.
Следовательно, физические факторы вовлекают резервные силы организма
(в данном случае растения) в действие. Эти объяснения, которые дают биологи
и агрономы воздействию магнитного поля, вполне соответствуют объяснениям
медиков о повышении резистентности организма и подтверждают гипотезу о
биоинформационной функции магнитного поля.
3.5.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОМАГНИЧЕННОЙ ВОДЫ ПРИ РАССОЛЕНИИ ПОЧВ
Возможность использования омагниченной воды для рассоления почв
обусловлена ее повышенной растворяющей способностью, что наблюдалось
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неоднократно.
Исследователями
было
установлено,
что
плотность
омагниченной воды, прошедшей через слой почвы, на 0,1 г/см больше, чем
неомагнической, а фильтрация в 2 раза выше. В первом случае из 100 г почвы
выносятся солей на 10 г больше, чем во втором. Если подвергнуть магнитной
обработке 5 % раствора технического железного купороса, то подученный
мелиорант выносит из 100 г почвы на 20 г больше солей, чем обычная вода.
Длительные опыты, проведенные в насыпных колонках, показали, что
омагничивание воды повышает начальную скорость фильтрации на 20...30 %,
способствует улучшению агрегатного состава верхних слоев, в которых
вследствие коагуляции уменьшилось содержание тонких частиц (менее 0,005
мм). В почвах после промывки омагниченной водой увеличивается содержание
подвижных форм фосфата, повышается интрификационная способность в
верхних горизонтах (табл. 3.3).
Таблица 3.3. Изменение содержания элементов питания растений после промывки
Показатели
Глубина, см
0….20
20….40
1
2
3
1
2
3
N
0,5
0,27
PO
6,6
4,00
KO
75,3
57,80
Содержание до промывки
Содержание после промывки обычной водой
N
–
0,10
PO
7,0
3,00
KO
55,4
42,20
Содержание после промывки омагниченной водой
N
3,7
0,60
PO
8,2
4,50
KO
53,6
41,60
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Промывка двухметрового монолита засоленной почвы показала, что
омагниченная вода вымывает на 18...32 % больше солей, чем обычная (в том
числе и с применением соляной кислоты в качестве мелиората). Близкие
результаты получены и в полевых условиях (табл. 3.4.).
При этом полнее вымывались наиболее трудноудалимые сульфаты натрия.
Более 70 % солей вымывается в первые такты промывки. 8 %.
Таблица 3.4.
Показатели
Вымыто токсичных солей,
т/га
%
Обычная вода
54,5
100,0
1% раствора HCl
55,8
102,4
Oмагниченная вода
65,7
120,5
С расселением почв тесно связана и проблема полива растений соленой
водой. Соленую воду нельзя применять по двум причинам;
1. Прежде всего, происходит отложение солей в растениях, задерживает
межклеточную циркуляцию.
2.
Соли
жесткости
отлагаются
в
капиллярах
почвы,
делая
её
водонепроницаемой.
Однако, обработка соленой воды в магнитном
поле позволяет
осуществлять полив сельскохозяйственных культур этой водой и даже
значительно повысить урожайность (сорго – на 45 %, кукурузы – на 30 %).
3.5.4. ПОВЫШЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ ПТИЦЕФАБРИК И ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ
ФЕРМ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОМАГНИЧЕННОЙ ВОДЫ
Наблюдения за изменением биологических снопов природной воды после
магнитной обработки обусловили попытки использовать её для питья курам и
животным. Основанием использования омагниченной воды в птицеводстве
явились результаты экспериментальных работ, исследовавших влияние этой
воды на рост и развитие некоторых костей скелета кур. В результате
эксперимента установлено, что применение омагниченной питьевой воды
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вызывает у цыплят изменение интенсивности костеобразовательных процессов
в сторону ускорения.
Для обработки питьевой волы использовали небольшие ферро-бариевые
шайбы; напряженность магитного поля составляла
240 кА/м, вода
протекала со скоростью 6 м/с в щелях между шайбами. Среднесуточный привес
цыплят возрастает на 5...8 %, значительно повышается сохранность птицы.
Опыты использования омагниченной воды для питья курам-несушкам дал
хорошие результаты (табл.3.5).
Таблица 3.5.Сравнение результатов использования омагниченной воды для питья
курам-несушкам
Вода
Показатели
омагниченная
обычная
Среднее число кур
6110
6559
Число павших кур (за время опыта)
15
17
Вынужденный забой (за время опыта)
57
71
Валовый сбор яиц,
79560
77820
81,20
78,7
13,01
11,8
10,25
0
Яйценоскость,
шт.
%
Яйценоскость одной курицы,
Прирост яйценоскости,
%
%
Таким образом, результаты опытов показали, что омагничивание питьевой
воды простейшими магнитными аппаратами позволяет значительно повысить
эффективность работы птицефабрик.
В животноводстве использование магнитной обработки питьевой воды
также отмечено хорошими результатами: значительное снижение заболеваний
животных, особенно – у молодняка. Опыты, проведенные на звероферме
(норковое производство), показали снижение жировой, дистрофии печени и
увеличение размеров самцов при использовании обработанной воды в
магнитном ноле напряженностью 1600 А/м.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Не вызывает сомнения, что использование магнитной обработки воды в
сельскохозяйственном производстве приносит огромную пользу. При этом
необходимо подчеркнуть дешевизну и простоту устройств, реализующих
магнитную обработку. Высокопроизводительные аппараты можно широко
использовать в различных областях сельского хозяйства, даже при отсутствии
строгой теории о механизме воздействия магнитных полей на воду.
3.5.5. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ АППАРАТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ СИСТЕМ
Большой практический интерес к электромагнитной обработке водных
систем, с одной стороны, и незавершенность теоретических основ процесса с
другой стороны, обусловили появление вариантов конструкций аппаратов для
её осуществления. Лишь некоторые аппараты были выпущены серийно.
Эффективность
промышленного
применения
этих
аппаратов
редко
сопоставлялась; в первом приближении были выявлены некоторые принципы
их эксплуатации. Рассмотрим некоторые аппараты для магнитной обработки.
С целью повышения эффективности подготовки семян к посеву и
длительного хранения путем обогащения оболочки семян питательными
веществами было разработано магнитное устройство для обработки семян.
Аппарат для магнитной обработки семян состоит из корпуса, выполненного
в виде резервуара прямоугольного сечения с крышкой, каналов подвода и
отвода определенного газа и жидкости, которая заполняет резервуар,
постоянных магнитов, подвешенных к крышке (рис.3.7.). Магниты выполнены
в виде колец и расположены под косым углом по отношению к крышке с
возможностью образования с плитами вихревых камер при скоростном течении
газового потока. В качестве газа могут быть использованы воздух, дым,
выхлопные газы двигателей. Емкость корпуса, в которую засыпаются семена,
заполняется
необходимым
для
обработки
семян
водным
питательных веществ. Через компрессор внутрь корпуса
раствором
подается газовая
среда. Выходя из каналов, газовый поток приводит к завихрению жидкость, т.е.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
образуется турбулентное газожидкостное течение, вследствие чего магниты
совершают колебательные движения, создавая переменное магнитное поле в
окружающей cpеде, a семена активно перемешиваются и подвергается
обработке
в
переменном
магнитом
ноле.
Приобретя
определённую
магнитовосприимчивость, семена обогащаются питательными веществами и
образуют вокруг себя прочную оболочку.
Для магнитной обработки воды, которая используется при орошении
сельскохозяйственных культур, используются устройства, приведенные на рис.
3.8. и рис. 3.9. Обрабатываемая оросительная вода подводится к лотку, в
котором установлены кассеты со стержнями опорного каркаса, оснащенные
трубчатыми
аппаратами
с
вмонтированными
в
них
ферробариевыми
магнитными элементами.
1
Рисунок 3.7. – Магнитное устройство для обработки семян: 1 – резервуар; 2 – крышка; 3 – каналы
подвода углекислого газа; 4 – каналы отвода; 5 – семена; 6 – жидкость; 7 – постоянные магниты; 8 –
пружины; 9 – выступы для завихрения газового потока; 10 – компрессор
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.8. – Устройство для омагничивания оросительной воды (одноступенчатая
обработка): 1 – лоток; 2 – кассеты; 3 – трубчатые элементы; 4 – магнит; 5 – подвижные перегородки;
6 – зазор; 7 – проточная камера; 8 – аванкамера; 9 – всасывающий трубопровод
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.9. – Устройство для омагничивания оросительной воды: (двухступенчатая
обработка): 1 – лоток; 2 – кассеты; 3 – трубчатые элементы; 4 – магнит; 5 – подвижные перегородки;
6 – зазор; 7 – проточная камера; 8 – аванкамера; 9 – всасывающий трубопровод
Трубчатые аппараты располагаются в шахматном порядке с чередованием
полюсов по
внешнему контуру.
При необходимости
двухступенчатой
обработки воды средняя перегородка выдвигается в крайнее верхнее
положение, и обрабатываемая вода проходит через внутреннюю проточную
полость. В первых двух кассетах обрабатываемая вода проходит в направлении
сверху вниз (показано стрелками), попадает в проточную камеру и с восходящим
потоком
–
в
аванкамера
насосной
установки,
имеющей
всасывающий
трубопровод и обеспечивающей подачу обработанной воды в оросительную
систему.
Оросительная
вода,
протекая
во
внутренней
полости
аппаратов,
подвергается воздействию магнитною поля напряженностью 300 Э.
Расположение трубчатых аппаратов в шахматном порядке позволяет
использовать для обработки волы внешнее магнитное поле, образующееся по
внешнему контуру. Ширина зазора между магнитными элементами составляет
20...25 мм, при этом напряженность магнитного поля в зазоре составляет
300...310 Э. Кассеты, оснащенные трубчатыми аппаратами, устанавливаются на
глубине, при которой в момент откачки воды насосной станцией создается
напорный градиент, обеспечивающий скорость течения воды в магнитном поле
не менее 4 м/с.
При
необходимости
уменьшения
водоотбора
можно
осуществлять
переключение устройства и тем самым снизить производительность установки
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
до минимальных величин и тем установки подвижных промежуточных
перегородок в крайнее нижнее, положение, при этом сохраняются основные
технологические характеристики (оптимальная скорость и напряженность
магнитного поля).
Таким образом, подобные установки могут быть использованы практически
в любом режиме работы и для любого типа оросительных систем.
Общим недостатком всех расчетов аппаратов для магнитной обработки
является то обстоятельство, что, они построены на еще недостаточно
изученных характеристиках магнитных полей и гидродинамики потоков. То
есть, главные характеристики аппаратов недостаточно обоснованы. Результаты
обработки в общем случае не имеют простой однозначной зависимости от
средней
напряженности
магнитного
поля,
его
градиента,
величины
пондеромоторной силы.
Однако в расчетах часто постулируются именно такие однозначные
зависимости, исходя из которых выполняются детальные расчеты аппаратов –
гидродинамический (по заданной производительности) и электротехнический
(определение коэффициента использования магнитною потока, характеристики
магнитных катушек, магнитной индукции в зазоре и пр.).
При конструировании аппаратов для обработки воды магнитным полем
одним из основных условий является пересечение движущейся водой
магнитных силовых линий. Источником магнитного поля могут служить
постоянные магниты и электромагниты. В связи с этим магнитные аппараты
подразделяются на две основные группы – аппараты с постоянными магнитами
(рис. 3.10) и с электромагнитами (рис. 3.11).
Аппараты для обработки воды с постоянными магнитами имеют
определенные преимущества и недостатки.
К
преимуществам
относятся:
сравнительная
простота
конструкции,
отсутствие необходимости в электропроводке, возможность применения во
взрывоопасных местах. Основным недостатком таких аппаратов является
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отсутствие
возможности
оперативного
регулирования
напряженности
магнитного поля.
Коэрцитивная сила постоянных аппаратов зависит oт их состава. Для
магнитных
аппаратов
применяют
постоянные
магниты
различных
магнитожестких сплавов (напр., феррито-бариевые, марки ЗБА или ЮНДК–24)
и др.
Феррито-бариевые магниты по коэффициенту отдачи магнитной энергии во
внешнюю цепь уступают магнитам из сплава ЮНДК–24, но они значительно
дешевле и их удельная масса меньше. Остаточная индукция магнитов ЗБА в три
раза ниже, чем ЮНДК–24, но коэрцитивная сила во столько раз больше. Все
это отражается на геометрических размерах магнитов.
Феррито-бариевые
относительно
магниты
большую
обычно
площадь
имеют
поперечного
небольшую
сечения.
В
высоту
и
аппаратах,
оснащенных этими магнитами, площадь магнитного потока в рабочем зазоре
необходимо сильно ограничивать – она не должна превышать площади самого
магнита. Чтобы магниты обладали оптимальной отдачей, надо располагать
рабочие за юры по концам магнита и, по возможности, обходиться без
полюсных наконечников, при которых возрастают потоки рассеяния.
Рисунок 3.10. – Аппарат для магнитной обработки воды с постоянными магнитами:
1 – постоянный магнит; 2 – направление силовых линий; 3 – направление движения воды;
4 – зазор; 5 – корпус
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В магнитах же из сплавов можно принимать площадь магнитного потока в
рабочих зазорах в 2...4 раза больше площади самого магнита, но необходимо
ограничивать рабочий зазор.
Рисунок 3.11. – Аппарат для магнитной обработки воды с электромагнитом:
1 – сердечник; 2 – направление силовых линий; 3 – корпус; 4 – зазор; 5 – упоры; 6,7 – вход и
выход воды; 8 – кожух; 9 – катушка
В аппаратах с электромагнитном на сердечник (керн) наматываются
катушки, создающие магнитное поле. Сердечник с катушками заключается в
диамагнитный геометрический кожух и помешается в корпус аппарата,
играющий ту же роль, что и в аппаратах с постоянными магнитами. Между
полюсами магнитом и корпусом аппарата образуется рабочий зазор. В
аппаратах этого типа электромагниты могут быть расположены внутри корпуса
или вне его (последнее – предпочтительнее).
Конструирование, производство и эксплуатация аппаратов для магнитной
обработки водных систем чрезвычайно затруднена тем, что отсутствуют
научные основы этого процесса, доведенные до стадии инженерных расчетов, и не
проводятся четкие сравнительные испытания различных аппаратов для изучения
влияния их конструктивных элементов на процесс омагничивания.
При
создании
аппаратов
учитывается
необходимость
разработки
конструкций, которые, наряду с эффектным воздействием на водные системы,
позволяют достигнуть высокого коэффициента использования магнитных
источников, отличаются простотой и надежностью, по возможности могут быть
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сконструированы из малодефицитных материалов и не создают больших потерь
напора.
От
размера
последнего
фактора,
характеризующего
степень
гидродинамического совершенств аппарата, зависит его производительность и
в отдельных случаях, возможность использовании аппарата без реконструкции
производства.
Анализируя характеристики и эффективность применения магнитных
аппаратов, можно сделать следующие выводы:
1. Почти и во всех случаях рабочий зазор аппаратов лежит и пределах
нескольких сантиметров. Чем выше производительность аппарата, чем больше
общая протяженность этих щелей.
2.
Как
правило,
необходимо
стремиться
к
созданию
высокой
напряженности магнитного поля в рабочих зазорах.
3. Необходимо обеспечивать минимальное гидравлическое сопротивление
аппаратов (до 50 кПа).
4. Наряду с многополюсными аппаратами, в которых обеспечивается
сравнительно большое время пребывания обрабатываемой системы в поле,
имеются и высокоэффективные униполярные аппараты.
5. В рабочем зазоре почти всегда наблюдается большая скорость воды (3...8
м/с).
При серийном выпуске аппаратов очень важно максимально сократить
расход остродефицитных магнитных материалов и медного обмоточного
провода. Это достигается уменьшением бесполезного рассеяния магнитной
энергии, ее концентрацией в рабочем зазоре. Такая отдача возможна только при
оптимальных параметрах внешней магнитной цепи, что реализуется в
настоящее время не во всех аппаратах и конструкциях.
При дальнейшем совершенствовании конструкций следует уделять особое
внимание оптимизации скорости и турбулентности потока жидкости в
межполюсном пространстве. Особого внимания заслуживает совместное
действие магнитного поля и слабого электрического тока, подаваемого извне,
особенно в случае небольших значений индуцированного тока. В первом
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
приближении можно считать, что чем меньше напряженность магнитного поля
в рабочем зазоре, тем более длинным должен быть путь в нем жидкости.
Обобщая опыт эксплуатации аппаратов в промышленных условиях, можно
рекомендовать следующее:
1. Во всех случаях необходимо осуществлять предварительную настройку
аппаратов. Работу аппарата необходимо систематически контролировать.
2. Расход воды и ее состав должны быть максимально стабильными.
3. Межполюсный канал должен быть заполнен водой с тем, чтобы
исключить образование воздушных пробок и застойных зон. Для этого
необходимо подавать воду в аппарат снизу вверх и периодически промывать
канал. Для удаления от полюсов скоплений магнитных частиц аппаратного
железа необходимо систематически переключать полюса электромагнитов.
Аппараты с постоянными магнитами нужно своевременно очищать;
4. В воде, поступающей в магнитные аппараты, должны отсутствовать
оксиды железа в коллоидной форме и пузырьки газа, так как в противном
случае эффективность применения аппаратов резко снижается.
Анализ многочисленных конструкции магнитных аппаратов позволил
выявить следующие тенденции в конструировании магнитных аппаратов,
появившихся в последние годы:
1. Распределение сферы применения магнитных аппаратов во многих
технологических
процессах
определяет
требования
к
параметрам
по
температуре, давлению, коррозийной стойкости и др.
2. Появление качественно новых конструкций магнитных аппаратов: с
вращающимся магнитным полем, со скрещенными магнитными полями и т.д.
3. Сокращение числа магнитных контуров, последовательно располагаемых
на пути водного потока, снижение числа перемен полярности пересекающих
воду магнитных потоков и переходов к униполярным конструкциям.
4. Отказ от регулирования индукции в рабочих зазорах,
IBK
как
регулирование магнитных параметров в эксплуатационных условиях при
правильном выборе режима обработки является излишним.
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Улучшение параметров феррито–бариевых магнитов и отказ от
кобальтовых сплавов, как более дорогих.
6. Широкое применение аппаратов с постоянными магнитами во всех
областях
использования
магнитной
обработки
воды.
По
пропускной
способности эти аппараты уже превышают электромагнитные.
7. Усиление внимания к снижению рассеяния магнитного потока и потерь
магнитодвижущей силы, что повышает отдачу магнитоисточников. Это дает
существенную экономию магнитных сплавов в аппаратах с постоянными
магнитами или обмоточного провода в аппаратах с электромагнитами.
8. Переход в электромагнитных аппаратах к внешнему расположению
намагничивающей катушки, что упрощает технологию изготовления и
повышает надежность работы этих аппаратов.
9.
Усиление
внимания
к
требованиям
ремонтопригодности,
т.е.
возможность доступа к магнитной системе аппарата для её ревизии в
эксплуатационных условиях без демонтажа корпуса аппарата.
10. Рост пропускной способности аппаратов путем их компоновки из
отдельных
типов магнитных
блоков для уменьшения
металлоемкости
конструкции.
11. Ограничение рабочего зазора значением, равным 2...3 см, даже в
аппаратах с максимальной пропускной способностью, с целью уменьшения
турбулентности
потока
воды.
Рост
пропускной
способности
аппарата
достигается путем разделения водного потока на несколько параллельных
слоев, каждый из которых проходит через свой рабочий зазор в общем
магнитном контуре.
12. Улучшение гидравлических характеристик магнитных аппаратов
посредством снижения суммарного коэффициента местных сопротивлений.
Предпочтение
отдается
прямоточным
конструкциям
с
обтекаемыми
профилями, минимальных рабочих зазоров и малой шероховатостью их стенок.
Это позволяет повысить скорость протекания жидкости в рабочих зазорах с
1...2 м/с до 5...10 м/с.
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При
разработке
новых
магнитных
аппаратов
каждый
вариант
просчитывается на соответствие приведенным ниже критериям, причем выбор
наиболее удачного решения определяется сравнением удельных показателей
вариантов, прежде всего с целью обеспечения сокращения расходов магнитных
сплавов и цветных металлов аппарата на 1 м / ч расхода воды.
Основным критерием является обеспечение в активной зоне
аппарата
заданного значения конструкционного модуля М –комплексного показателя,
представляющего собой произведение из магнитной индукции в зазоре В,
скорости пересечения водой магнитного поля V и времени нахождения воды в
активной зоне аппарата t:
M  BV t ,
(3.46)
Для аппаратов со стационарным магнитным полем это выражение
преобразуется:
M  BL ,
(14.2)
где L – путь воды в активной зоне аппарата.
Значение модуля зависит от цели магнитной обработки и от состава
обрабатываемой жидкости. Для противонакипной обработки воды модуль М =
=0,01...0,02 Тc м.
Из этого критерия следует ряд следствий:
а) Необходимо снижать индукцию в рабочем зазоре, а заданное значение М
в рабочем зазоре можно сохранять за счет увеличения величины L. Последнее
связано с ростом массы магнитопроводов, но так как мягкая сталь в 5...10 раз
дешевле магнитов и обмоточной меди, то удельные затраты существенно
снижаются.
б) Заданное значение М достигается обычно при однократном пересечении
водой магнитного поля, поэтому технологически эффективнее использовать
одноконтурные униполярные конструкции, удельные показатели которых
лучше.
в) Необходимо обеспечивать независимость эффекта магнитной активации
от скорости воды в рабочих зазорах при обеспечении ламинарности потока,
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поскольку произведение Vt для каждого магнитного аппарата является
инвариантным.
Второй критерий нацелен на повышение коэффициента использования
потенциальных возможностей магнитоисточника;

1
 max ,
W
 f a
Wcb
(3.48)
где  – коэффициент рассеяния магнитного потока,
f – коэффициент потерь МДС,
Wa – магнитная энергия в активной зоне аппарата,
Wсb – максимальная свободная энергия магнита.
Повышение отдачи магнита от значений 0,2...0,4 до 0,6...0,8 уменьшает
удельный расход магнитных сплавов и цветных металлов в 2...3 раза.
Минимизация удельного расхода магнитов достигается при выборе
индукции и напряженности магнитного поля в рабочей точке нагрузочной
кривой, равных паспортным значениям В и
', при которых отдача магнита
максимальная.
Третьим критерием является минимизация гидравлических потерь Р:
n
P
где
1 –
 V
i 1
1
2g
2

 min ,
(3.49)
коэффициент местных сопротивлений,
V – плотность жидкости,
g – ускорение свободного падения.
Поскольку снижение скорости воды нежелательно, так как это уменьшает
пропускную способность аппарата, тo минимизация потерь достигается лишь за
счет значительного снижения:
1 S y
1  0,5
 Sm
 1 S y
  
  Sm
2

 ,

(3.50)
где Sy и Sm – поперечные сечения водоводов в местах сужения и
расширения.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В некоторых конструкциях удается снизить этот параметр от 3...5 до
0,5...1,0 за счет прямоточности и профилирования водоводов по принципу
Вентури.
Использование критериев оптимизации при расчете магнитных аппаратов
позволяет снизить удельный расход магнитов, цветных металлов и удельные
капитальные затраты на магнитную водоподготовку.
Исходя из перечисленных выше критериев оптимизации выбирается
индукция в магнитном контуре В, протяженность активной зоны L, геометрия
водоводов, скорость воды в рабочем зазоре V и ширина рабочего зазора.
В случае невозможности обеспечить принятое значение М в одном рабочем
зазоре, по ходу жидкости располагают несколько магнитных контуров. Ширину
рабочего зазора не следует брать менее 5 мм, иначе он будет быстро засоряться,
но не желательно и увеличивать зазор выше 15...20 мм во избежание
возникновении микротурбулентности в активной зоне аппарата.
После определения живого сечения рабочих зазоров и числа параллельно и
последовательно включенных по ходу воды магнитных контуров приступают к
определению
магнитного
потока
и
магнитодвижущей
силы
(МДС)
магнитоисточника. Для расчета параметров магнитоисточника (магнитов или
электромагнитов) необходимо найти коэффициент рассеяния магнитного
потока и коэффициент потерь МДС в рассматриваемой магнитной системе.
Для определения надо, помимо учета проводимости основного рабочего
зазора, найти проводимость первых и вторых краевых зазоров, потоков
рассеяния как в основной магнитной цепи, так и в параллельных цепях, если
таковые возможны. С этой целью составляется схема вероятных потоков и
путем замыкания магнитных силовых линий в воздушных зазорах и в
магнитопроводах магнитного контура. Кофигурация воздушных зазоров может
иметь разнообразные очертания и для определения их магнитной проводимости
предложено множество формул.
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В приложении приведшей программа и пример расчета электромагнитного
аппарата постоянного тока типа ЭМА – 1500. Конструкция аппарата приведена
на рис. 3.12.
Рисунок 14.8 – Элекромагнитный аппарат типа ЭМА – 1500:
1,2 –отрезки стальных труб, 3 – центральная диамагнитная часть; 4 – намагничивающая
катушка;
5 – внешний магнитопровод; 6 – бандаж; 7,8 – полюсные пластины; 9,10 – стальные кольца
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4 ЭКОСОВМЕСТИМЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ И
ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ СРЕД
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
4.1. ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
АПК
4.1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ
Электрическая очистка является одним из наиболее совершенных видов
очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана в производственных
помещениях АПК. Этот процесс основан на ударной ионизации газа в зоне
коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и
осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах.
Электротехнологическими устройствами для очистки воздушной среды
от твёрдых и жидких частиц являются электрофильтры.
Загрязненные газы, поступающие в электрофильтр, всегда оказываются
частично
ионизованными
за
счет
различных
внешних
воздействий
(рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, космических лучей, нагрева
газа и др.), поэтому они способны проводить электрический ток, попадая в
пространство между двумя электродами. Величина силы тока зависит от числа
ионов и напряжения между электродами. При увеличении напряжения в
движение между электродами вовлекается все большее число ионов и величина
тока растет до тех пор, пока в движении не окажутся все ионы, имеющиеся в
газе. При этом величина силы тока становится постоянной (ток насыщения),
несмотря на дальнейший рост напряжения. При некотором достаточно
большом напряжении движущиеся ионы и электроны настолько ускоряются,
что, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращая нейтральные
молекулы в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся новые ионы и
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электроны ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют
новые молекулы газа. Этот процесс называется ударной ионизацией газа.
Установки для электрической очистки газов состоят из электрофильтра,
агрегатов питания и систем транспорта уловленной пыли.
Ударная ионизация газа протекает устойчиво лишь в неоднородном
электрическом поле, характерном для цилиндрического конденсатора (рис. 4.1).
В зазоре между коронирующим 1 и осадительным 2 электродами создается
электрическое поле убывающей напряженности с силовыми линиями 3,
направленными от осадительного к коронирующему электроду или наоборот.
Напряжение к электродам подается от выпрямителя 4.
Рис. 4.1. Схема расположения электродов в кольцевом электрофильтре
Изменение силы тока между электродами по мере роста напряжения
показано на рис. 4.2.
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.2. Изменение силы тока между электродами
Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирующим и
осадительным электродами, адсорбируют на своей поверхности ионы,
приобретая
электрический
заряд, и получают тем
самым ускорение,
направленное в сторону электрода с зарядом противоположного знака. Процесс
зарядки частиц зависит от подвижности ионов, траектории движения и времени
пребывания частиц в зоне коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе и
дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных,
электрофильтры обычно делают с короной отрицательной полярности. Время
зарядки аэрозольных частиц невелико и измеряется долями секунды.
Необходимо отметить, что частицы, поступающие в электрофильтр, обычно
уже имеют небольшой заряд, полученный за счет трения о стенки
трубопроводов и оборудования. Этот заряд (трибозаряд) не превышает 5%
заряда, получаемого частицей при коронном разряде.
Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит
под действием аэродинамических сил, силы взаимодействия электрического
поля и заряда частицы, силы тяжести и силы давления электрического ветра.
Под действием аэродинамических сил частица движется по направлению
основного потока газа со скоростью ωг, близкой к скорости газа, которая
составляет 0,5-2 м/с.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основной силой, вызывающей движение частицы к осадительному
электроду, является сила взаимодействия между электрическим полем и
зарядом частицы. Скорость этого движения ωэ зависит главным образом от
размеров частиц и напряженности электрического поля Е. Расчетные значения
скорости приведены ниже:
Диаметр частиц, мкм
0,4 1,0
2,0
10,0 30,0
ωэ, м/c, при Е=15•104 В/м
0,012 0,013 0,015 0,075 0,15
ωэ, м/c, при Е=30•104 В/м
0,025 0,030 0,060 0,30 0,60
Силы тяжести не оказывают заметного влияния на траекторию движения
частиц пыли. За время пребывания в электрофильтре (10-15 с) частицы
размером 10 мкм падают всего на 3-5 см, поэтому в расчетах силы тяжести
обычно не учитывают.
Электрический
ветер
обусловлен
механическим
воздействием
движущихся ионов на молекулы газа и частицы пыли. Он возникает в местах
генерации ионов, т. е. у коронирующих электродов, и вызывает циркуляцию
газа в межэлектродном промежутке со скоростью до 0,5-1,0 м/с.
Электрический ветер оказывает влияние на движение частиц к
осадительным электродам и на перемешивание ионов и взвешенных частиц в
межэлектродном пространстве. Однако из-за отсутствия методики расчета
электрического ветра его влиянием на движение частиц пренебрегают.
Таким образом, отрицательно заряженные аэрозольные частицы движутся
к
осадительному
электроду
под
действием
аэродинамических
сил
и
электрических сил, а положительно заряженные частицы оседают на
отрицательном коронирующем электроде. Ввиду того,
что объем внешней
зоны коронного разряда во много раз больше объема внутренней, большинство
частиц пыли получает заряд отрицательного знака. Поэтому основная масса
пыли осаждается на положительном осадительном электроде и лишь
относительно небольшая на отрицательном коронирующем электроде.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкцию электрофильтров определяют условия работы: состав и
свойства очищаемых газов, концентрация и свойства взвешенных частиц,
параметры газового потока, требуемая эффективность очистки и т. д.
В промышленности используется несколько типовых конструкций сухих
и мокрых электрофильтров, применяемых для очистки технологических
выбросов.
Сухие электрофильтры типа УГ (унифицированные горизонтальные)
рекомендуется применять для тонкой очистки газов от пыли различных видов.
В корпусе электрофильтра установлены три группы коронирующих и
осадительных электродов. Равномерный подвод газа к электродам достигается
установкой на входе в фильтр распределительной решетки. Периодическая
очистка
коронирующих
и
осадительных
электродов
производится
встряхивающим механизмом. Технические характеристики электрофильтра
типа УГ приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1.
Техническая характеристика
Тип электро ильтра УГ
Допустимая входная концентрация
50
0,1
0,999
0,99
Гидравлическое сопротивление, Па
150
200
Наибольшая температура газов, °С
250
50
Удельный расход электроэнергии
0,3
0,45
36-950
18-36
пыли (УГ) или смолы (С) в газе, г/м
3
Эффективность очистки до:
3
на очистку 1000 м /ч газа, кВт•ч
Производительность по газу, тыс. м3/ч
Для очистки вентиляционных выбросов и рециркуляционного воздуха от
различных пылей, а также приточного атмосферного с малой концентрацией
загрязнений применяются двухзонные электрофильтры типа ФЭ, РИОН и др.
Поток воздуха в таком фильтре проходит последовательно ионизационную
зону, зону осаждения и противоуносный пористый фильтр. Накопленная пыль
периодически смывается водой. Эффективность пылеулавливания до 0,95,
гидравлическое сопротивление чистого фильтра 30-50 Па, производительность
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
по воздуху 1000 м3/ч и более, входная концентрация загрязнений не более 10
мг/м3.
Принципиальная схема двухзонного электрофильтра показана на рис. 4.3.
Загрязненный
газ
проходит
ионизатор,
в
состав
которого
входят
положительные 1 и отрицательные 2 электроды. Ионизатор выполнен так,
чтобы при скорости около 2 м/с частицы пыли успели зарядиться, но еще не
осели на электроды. Зарядившиеся частицы пыли газовым потоком увлекаются
в осадитель, представляющий собой систему пластин-электродов 3 и 4.
Заряженные частицы оседают в поле осадителя на пластинах противоположной
полярности.
Выбором
расстояния
между
пластинами
(6-7
небольшом
напряжении между пластинами (7 кВ) получить напряженность 80-100 В/м, что
достаточно для осаждения частиц субмикронных размеров.
Рис. 4.3. Схема двухзонного электрофильтра
К преимуществам электрофильтров относятся:
 высокая – до 99% степень очистки;
 низкие энергетические затраты на улавливание частиц;
 возможность улавливания частиц размером до 0,1 мкм и менее (при
этом концентрация частиц в газе может меняться от долей до 50 г/м3, а
температура газа достигать 500˚ С);
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 возможность работы под давлением и разрежением, а также в условиях
воздействия агрессивных сред, возможность полной автоматизации
процесса очистки.
Недостатком электрофильтра является:
 высокая чувствительность процесса электрической фильтрации газов к
отклонениям от заданных параметров технологического режима и к
незначительным механическим дефектам в рабочей зоне аппарата
 эффективны только при улавливании частиц второй группы по
удельному электрическому сопротивлению (см. таблицу 4.2).
Т а б л и ц а 4.2. Деление пыли на группы по удельному электрическому
сопротивлению
Группа
низкоомная пыль
среднеоомная пыль
высокоомная пыль
Удельное электрическое сопротивление слоя,
Ом∙м
менее 104
104…1010
более 1010
4.2. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ
При проектировании новых установок электрической очистки газов и при
реконструкции устаревших электрофильтров требуется обеспечить требуемые
санитарные нормы выбросов частиц из электрофильтра. Для этого необходимо
определить параметры электрофильтра, т.е. его активное сечение, активную
длину, высоту, тип электродов и целый ряд других величин.
Теория расчета процессов электрогазоочистки отстает от практических
разработок. Одной из первых зависимостей для расчёта степени очистки газа
электрофильтром, по – видимому, является степенная формула, предложенная
Андерсеном в 1919 г.
⁄
где
– постоянная электрофильтра;
электрофильтра;
154
,
(4.1)
– длина активной зоны
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– скорость газов в активной зоне электрофильтра.
Эта
формула
электрофильтра
не
нашла
широкого
применения,
т.к.
постоянная
не могла отражать ни особенности конструкции, ни
разнообразие технологических условий работы электрофильтра.
Теоретически
формула
для
определения
степени
очистки
газа
электрофильтром была выведена Дейчем в 1922 г.
(
где
- скорость дрейфа частиц,
– межэлектродное расстояние,
)
(4.2)
– длина активной зоны электрофильтра,
– скорость газов в электрофильтре
При выводе этой формулы были приняты следующие допущения:
1. Равномерный профиль концентрации пыли;
2. Отсутствие уноса пыли;
3. Постоянство скорости дрейфа по длине электрофильтра;
4. Частицы пыли монодисперсны;
5. Течение газа ламинарное;
6. Скорость газового потока по сечению постоянна.
В 1956 г. это уравнение было уточнено Роузом и Вудом и может быть
записано следующим образом:
(
где
(
)
– площадь осаждения электрофильтра;
)
– количество очищаемых
газов.
Считается, что в электрофильтре происходит интенсивное турбулентное
перемешивание газового потока в связи с высоким значением числа
е
и в
результате действия электрического ветра. Скорость дрейфа заряженных
частиц быстро достигает предельной величины. С учетом закона Стокса она
может быть вычислена по формуле:
(
155
)
(
)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где
⁄
– диэлектрическая постоянная;
– диаметр частицы
( при d > 1 мкм );
– вязкость газа;
(
(
)
)
средняя длинна пути свободного пробега молекул
С
помощью
уравнений
(4.2),
(4.4)
и
(4.5)
Можно
рассчитать
эффективность осаждения частиц разных диаметров. Стейерменд, сравнив
рассчитанные и опытные результаты (Рис. 4.4), пришел к выводу, что эти
уравнения могут служить только для учета изменений в работе данной
установки, но не могут быть основной для расчета новых конструкций.
Рис. 4.4. Кривые фракционной эффективности электрофильтра.
1 – экспериментальная кривая; 2 – теоретическая кривая
Практический
интерес
представляет
приближенный
расчет
электрофильтра, предложенный В. Н. Ужовым в его книге. Пример расчета
выполнен для двухпольного электрофильтра сушильного барабана от пыли
сырья при производстве цемента.
Исходные данные:
1. Состав газов, поступающих в электрофильтр (в объемн. %)
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Температура газов
3. Разрежение в системе
⁄
(
4. Содержание пыли в газе
⁄
(
)
)
5. Фракционный состав пыли:
Средний радиус частиц, мкм
Содержание, масс. %
00,5
22,5
55,0
110 115 220 225
55,0
110,0 110,0 115 220 220 220
⁄
6. Скорость газов в электрофильтре
7. Радиус коронирующего электрода
8. Расстояние между коронирующими электродами в ряду
9. Активная длина коронирующих электродов
10.Количество осадительных электродов
11.Площадь осадительных электродов
12.Расстояние
между
плоскостями
осадительных
и
коронирующих
электродов
13.Длина активной зоны электрофильтра
14. Напряжение (среднее значение)
15.Активная площадь сечения электрофильтра
Расчет электрических параметров
Относительная плотность газов:
Б  pi
273  20 1,013  10 5 273  20




 0,68
1,013  10 5 273  t
1,013  10 5 273  150
Критическая напряженность электрического ноля (
(
√
)
(
Критическое напряжение короны (В)
157
):
√
)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(
(
)
Линейная плотность тока короны (
) будет:
(
⁄
При
⁄(
)
(
)
)
⁄
)
Таким образом:
(
(
)
)
Напряженность электрического ноля (
⁄
) составит:
√
√
Принимаем, что
.
Скорость дрейфа частиц диаметром от 2 до 50 мкм определяется по
формуле:
А для частиц диаметром от 0,1 до 2 мкм по формуле:
(
где
м: для газов
;
)
– средняя длина свободного пробега молекулы,
Вязкость газов (
)
⁄
(
)
⁄
(
)
Вязкость газа определяется как сумма вязкостей:
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Так как относительная молекулярная масса газов (
)
– содержание компонента в долях единицы
(
то вязкость газов (
)
):
Скорость дрейфа частиц диаметром от 2 до 50 мкм в электрическом поле
(м/с):
(
)
Скорость дрейфа частиц диаметром от 0,1 до 2 мкм (при А= 1)
(
)
Для разных размеров частиц скорость дрейфа составит:
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2.1. РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
Степень очистки газов в соответствии с формулой
рассчитана по фракциям, причем удельная поверхность осаждения
Действительные скорости дрейфа частиц в электрическом поле
электрофильтра, как в то время было установлено на практике (что было близко
к действительности для существовавших в шестидесятых годах условий)
примерно в два раза меньше теоретически рассчитанных, поэтому при подсчете
показателя степени в формуле Дейча для частиц любого размера полученные
значения скоростей дрейфа уменьшаются в два раза:
⁄
⁄
0,253
1,055
⁄
⁄
2,1
⁄
4,22
6,32
⁄
8,43
⁄
10,54
⁄ ) ,будет
(
и фракционная степень очистки газов
равна (%):
22
2
6
65
87,8
8
9
98,6
99,8
9
9
99,98
9
99,99
Общая степень очистки газов в (%):
где Ф - фракция пыли, %
На практике целесообразно проводить предварительное испытание
опытного электрофильтра, когда трудно получить требуемые результаты на
уже
действующей
установок
установке.
электрогазоочистки
Отечественная
показывает,
практика
проектирования
что
прогнозирование
эффективности электрофильтра на основании теоретических предпосылок, или
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
механического копирования аппаратов, работающих в кажущихся одинаковых
условиях, приводит к существенным ошибкам.
Главной рекомендацией проектировщику A.M. Белевицкий считает,
максимально тщательный поиск аналога и получение достоверных данных об
условиях и результатах его работы.
Для
использования
аналога
при
проектировании
установки
электрогазоочистки предлагается выполнять расчеты по следующей формуле:
(
где
- L/
)
;
L – длина активной зоны электрофильтра; Н – разрядное расстояние;
– скорость газов в активном сечении электрофильтра.
Индексы «ан» и «пр» относят параметры соответственно к аналогу или
прототипу. Следует, однако, отметить, что использование формулы (4.6) не
позволяет получить корректные результаты.
Для учета изменения эффективной скорости дрейфа при изменении
скорости газа и введения поправки на другие, не учитываемые формулой Дейча
факторы, на основании анализа экспериментальных данных предложен вариант
формулы для условий улавливания золы из дымовых газов энергетических
  1  exp  f 0,5
котлов:
(4.7)
В ряде случаев представляет практический интерес расчет очистки газов
по эмпирической формуле предложенной Селзлером и Уотстоном
(
где
( )
( )
()
),
(4.8)
при сжигании угля в распыленном состоянии;
при использовании топки циклонного типа или если перед
электрофильтром
стоит
механический
осадитель
(т.е.
использование
механической предочистки снижает скорость дрейфа пыли примерно на 30 %).
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
S – площадь осаждения,
;
Q – количество очищаемого гаи в электрофильтре, тыс.
/мин;
Р – потребляемая мощность, кВт;
с/з — отношение массы серы в золе к массе золы.
Для
электрофильтров,
улавливающих
золу,
влияние
напряжения
зажигания короны UQ на степень очистки газов может быть ориентировочно
учтено с помощью формулы:
(
где
(
)
)
(4.9)
в зависимости от УЭС слоя золы на
;
осадительных электродах.
4.2.2. ВЫБОР ТИПОРАЗМЕРА ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА ПРИ НАЛИЧИИ АНАЛОГОВОЙ
УСТАНОВКИ
Наиболее простым вариантом выбора типоразмера электрофильтра
является случай, когда имеются надежные данные о работе аналогового
аппарата в таких же или близких технологических условиях.
В
этом
случае
при
электрофильтра
и
электрофильтра
расчеты
незначительных
аналогичных
изменениях
технологических
эффективности
конструкции
условиях
нового
проекта
работы
установки
электрогазоочистки могут производиться по формуле Дейча с использованием
скорости дрейфа электрофильтра – аналога.
Однако
во
вновь
проектируемых
установках
для
обеспечения
возрастающих требований к выбросам пыли в атмосферу разработчики, как
правило, вынуждены изменять геометрические параметры электрофильтров
(длину полей, их количество, высоту электродов, межэлектродное расстояние и
др.)
Кроме
того,
естественно
используются
аппараты,
имеющие
усовершенствованные элементы конструкции, существенно повышающие
эффективность электрофильтра.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Так, например, применение коронирующих электродов СФ-1, СФ-2,
имеющих пониженное напряжение зажигания позволяет снизить выбросы из
электрофильтра в три раза, использование осадительного элемента Эко МК
4x160, имеющего отклонения от размеров прямолинейности не более 3-х мм на
длине 18 м , позволяет снизить выбросы пыли не менее чем в два раза.
Повышение эффективности за счет применения в системах регенерации
электродов частотных преобразователей позволяет снизить выбросы до 3-х раз,
микропроцессорных
устройств
управления
высоковольтными
преобразователями типа БУЭФ – более чем в 2,5 раза.
Для
учёта
изменившихся
условий
работы
и
влияния
новых
конструктивных элементов электрофильтра обозначим в формуле Дейча
относительные выбросы 1 –
= В, прологарифмируем и, взяв соотношение
выбросов пыли для аналога и прототипа получим:
(
)
(
)
Где
S – площадь осаждения,
; Q – количество очищаемых газов,
длина активной зоны электрофильтра, м;
– скорость газов в электрофильтре;
/с; L –
– межэлектродное расстояние, м;
– время пребывания газов в
электрофильтре.
Используя формулы (4.10) и (4.11) можно определить параметры разных
вариантов реконструкции.
Рассмотрим в качестве примера введение в расчеты
поправки,
обусловленной влиянием изменения длины активной зоны электрофильтра на
величину скорости дрейфа.
Расчетная скорость дрейфа частиц, улавливаемых в электрофильтре пыли
определяется по формуле:
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
⁄
(
)
где Е – напряженность электрического поля в межэлектродном
промежутке, В/м;
– радиус частицы, мкм; - динамическая вязкость среды, (H
с) / м.
Из
формулы
пропорциональна
(4.12)
радиусу
следует,
что
частиц.
Тогда,
величина
скорости
используя
дрейфа
формулу
для
распределения размера частиц по длине электрофильтра, при улавливании золы
экибастузского угля
(
)
(
)
можно выполнить расчет изменения скорости дрейфа в зависимости от
длины электрофильтра (см. рис 4.5)
При расчете степени очистки газов электрофильтром используют понятие
эффективной скорости дрейфа, которая рассчитывается по экспериментально
определенной степени очистки газов и учитывает все известные (и
неизвестные) параметры, влияющие на эффективность улавливания пыли
электрофильтром.
Добавление пятого поля при улавливании золы экибастузского угля на
Рефтинской ГРЭС позволило снизить выбросы пыли из электрофильтра в два
раза. На основании этого эксперимента, зная степень очистки газов в
четырёхпольном и пятипольном электрофильтре, определим изменение
эффективной скорости дрейфа по формуле (4.14).
(
)
где Q – количество очищаемых газов,
электрофильтра,
;
(
)
/с; S – площадь осаждения
– экспериментальная величина степени очистки газов.
Расчетные и экспериментальные данные по изменению скорости дрейфа
при изменении длины активной зоны электрофильтра приведены на рис.4.5.
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных данных
позволяет предположить правомерность расчета, с учетом формулы (4.14).
Рис. 3. Зависимость, скорости дрейфа от длины активной зоны электрофильтра.
1 – расчет, 2 – эксперимент
С учетом зависимостей (4.10) и (4.11) выражение для определения
проектной дайны электрофильтра будет иметь следующий вид:
,
(4.15)
где k – коэффициент, учитывающий изменение величины скорости
дрейфа при изменении длины активной зоны.
Рассмотрим в качестве примера выбор электрофильтра при наличии
аналога со следующими параметрами:
Межэлектродное расстоянии
;
Длина активной зоны
;
Скорость газов в электрофильтре
Степень очистки газов
Скорость дрейфа
;
;
.
Пусть требуется снизить выбросы пыли в 6 раз, оставив неизменным
корпус электрофильтра.
Выполним расчеты по формуле ( 4.15) при неизменной скорости дрейфа.
Тогда
.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
т.е. длину электрофильтра для достижения шестикратного снижения
выходной запыленности необходимо увеличить в 1,5 раз.
С учетом уменьшения скорости дрейфа при увеличении длины
электрофильтра к - 0,75, и тогда
составит 30,7 м. Отсюда следует, что для
сохранения длины активной зоны электрофильтра при реконструкции
необходимо скорость дрейфа увеличить в 2 раза.
Однако если внести конструктивные изменения (например, установить
коронирующие элементы СФ-1 и прибор управления высоковольтным
агрегатом типа ВУЭФ), то скорость дрейфа возрастёт, а длина активной зоны
электрофильтра
останется
прежней,
т.е.
электрофильтр
может
быть
реконструирован в том же корпусе, и выбросы пыли из него будут снижены в 6
раз; Учитывая длительный срок эксплуатации электрофильтров и естественное
снижение степени очистки газов в процессе длительной эксплуатации,
целесообразно дополнительно: увеличить эффективность электрофильтра,
например,
за
счет
установки
устройств
управления
с
частотным
регулированием скорости вращения приводов.
Приведенный
пример
является
иллюстрацией
учета
одного
из
изменяемых параметров во время реконструкции электрофильтра при наличии
аналоговой установки.
Обычно при реконструкции установок электрогазоочистки используют
комплекс, предусматривающий ряд мероприятий, включающий режимные и
конструктивные, а при необходимости (когда этих мероприятий не достаточно)
могут дополнительно
применяться более дорогостоящие проектные и
технологические мероприятия.
Учет влияния какого-либо параметра на изменение степени очистки газов
может быть произведен с приемлемой для практических целей точностью на
основании имеющейся базы экспериментальных данных «СФ НИИОГАЗ» и
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«Кондор-Эко», например, в виде зависимостей скорости дрейфа от высоты
электродов, междуэлектродного расстояния, количества нолей при неизменной
длине активной зоны и т.н.
В тех случаях, когда аналоговая установка отсутствует, расчет
электрофильтра может быть выполнен теоретически по РДРТМ 26-14-80.
Нормативный метод расчета электрофильтров для теплоэнергетики. В
настоящее время в связи с усовершенствованием этой методики она
применяется для электрофильтров различных отраслей промышленности.
Расчет
степени
очистки
газов
электрофильтрами
по
этой
методике
производится по фракционным степеням очистки и дисперсному составу пыли.
∫(
( )
)
(4.16)
Расчет фракционных степеней очистки газов производится на ЭВМ по
специальной программе, разработанной на основе математического описания
физических процессов электрической очистки газов. Выбор требуемого
электрофильтра может производиться в диалоговом режиме.
Уравнение Дейча предполагает полную зарядку частиц непосредственно
на входе в электрофильтр. Погрешности при этом для большинства
промышленных электрофильтров невелики. Однако при расчетах режимов
встряхивания величина отклонения интервалов встряхивания при отсутствии
запирания короны может составлять до 20%, а при запирании короны будет
значительно больше.
В.Страус предлагает определять степень очистки газов следующим
образом
⁄
(
)
(
)
Где L – длина электрофильтра; V – скорость газа; R – радиус; t –
эквивалентное время предварительной зарядки, определяемое из уравнения
⁄(
)
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(4.18)
где
Для учета турбулентности, вихревой диффузии, и вторичного уноса
частиц в уравнение Дейча вносят поправки. Анализ зависимости скорости
дрейфа от скорости газов был выполнен Робинсоном и Фриландером.
Качественно
этот
анализ
подтверждается
экспериментами
на
промышленных электрофильтрах - зависимость скорости дрейфа от скорости
газов имеет максимум. Снижение скорости дрейфа начинает происходить после
того как вторичный унос в процессе осаждения превышает увеличение
осаждения пыли за счет турбулентных пульсаций. Уильямс и Джексон,
предположили, что происходит повторное смешение не осажденных частиц по
причине вихревой диффузии в турбулентном ядре газового потока. Это
теоретическое предположение было качественно подтверждено экспериментом.
Учет явлений турбулентности в уравнении степени очистки газов
электрофильтром производился Инюшкиным Н. В. и Авербухом Я.Д.:
{
где
и
(
) },
(4.19)
– скорости дрейфа, обусловленные электрическими силами и
турбулентной пульсацией; к – коэффициент, учитывающий распределение
частиц пыли.
Изучением проблемы степени очистки газа занимался Куперман. Он
учитывал вихревую диффузию, электростатическую миграцию и повторное
увлечение частиц в процессе осаждения. Однако им не получено численных
решений, совпадающих с экспериментом.
Экспериментальные исследования на лабораторном и промышленном
электрофильтрах показали, что унос пыли в процессе осаждения заключается в
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
выбивании из осажденного слоя частиц пыли частицами, имеющими
кинетическую энергию более, чем
Дж. Выбитые частицы уносятся
потоком газа. В результате многочисленных экспериментов, выполненных из
сухой и липкой поверхности осаждения, было установлено, что унос пыли из
осажденного слоя можно оценить с помощью коэффициента
(
где
(
При величинах
)
),
(4.20)
⁄
величина к0 = 1, т.е. уносом пыли в процессе
осаждения в промышленных электрофильтрах в этих случаях можно
пренебречь. Физически, это объясняется тем, что кинетическая энергия частиц
по причине уменьшения их размера по длине электрофильтра становится
недостаточной для выбивания частиц из слоя.
Для уточненного расчета степени очистка газа электрофильтром
необходимо учитывать все виды проскока и уноса пыли, приведенные на рис.
4.6.
Рис. 4.6. Классификация выбросов пыли из электрофильтра
В настоящее время еще нет разработок, позволяющих учесть с помощью
расчетов все виды выбросов пыли электрофильтров. Поэтому применение
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эмпирических методик расчета электрофильтров в целом ряде случаев
представляет практический интерес.
4.3. АЭРОНИЗАЦИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ
Аэроионизация
эффективных
животноводческих
способов
снижения
помещений
является
заболеваемости
и
одим
из
повышения
продуктивности животных за счет улучшения качества воздушной среды и ее
биологических свойств.
В животноводстве применяют ионизаторы, основанные на использовании
коронного разряда. К рабочему органу, выполненному в виде вытянутой вдоль
помещения проволоки, подводится отрицательный полюс тока высокого
напряжения. Положительным полюсом служат заземленные предметы - пол,
стены, потолок. Между полюсами создается электрическое поле, в котором
происходит перезарядка и движение молекул частиц воздуха. Высокое
напряжение 60-80 киловольт подается высоковольтными выпрямителями. С
пульта управления на выпрямитель подается обычное напряжение сети 220
вольт. Количество ионов и их качество (отрицательные или положительные,
легкие или тяжелые) измеряют спектрометрами аэроионов. В основе
конструкции
счетчиков
(спектрометров)
лежит
принцип
просасывания
исследуемого воздуха через электрические конденсаторы. Создаваемый на
обкладках конденсатора заряд зависит от количества и качества ионов и
улавливается электрометром.
Схема и формулы к расчету зарядных устройств аэроионизаторов
различных конструктивных модификаций
170
приведены в таблице 4.3.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
…. Таблица 4.3.
Схема
расположения Напряжение зажигания короны,
коронирующих
В, при атмосферном давлении
электродов
1,013·103Па и 200С
1.Коаксиальные цилиндры
R
 0,0298 
U   30,3  10 3  l 
r ln
r
r 

-
Ток короны
i
2
2. Провод – плоскость
r
3.Провод
плоскостями
между
2h
 0,0298 
U   30,3  10 3  l 
r ln
r
r 

i
4h
 0,0298 
U   30,3  10 5  l 
r ln
r
r 

i
8 0 kU p U p  U 3 
. А/м
R
2
R ln
r
 2 0 kU p U p  U 3 
2h
h ln
r
. А/м
2
h
r
171
4 0 kU p U p  U 3 
. А/м
4h
2
2h ln
r
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 4.3.
3. Провод между плоскостями
4h
 0,0298 
U   30,3  10 5  l 
r ln
r
r 

i
4 0 kU p U p  U 3 
. А/м
4h
2
2h ln
r
r
4. Игла – плоскость
4h
 0,0298 
U   30,3  10 5  l 
r1 ln
r1
r 

i
1,5k 0 1  0,042h U p  U p  U 3 

h I  1,5  10 2
А/м
172

.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Схема размещения аэроионизационной установки в животноводческом
помещении представлена на рис 4.7.
Рис.4.7. Схема размещения аэроионизационной установки в животноводческом
помещении: 1 – щит силовой; 2 – блок питания аэроионизатора; 3,5 – кабель РК=75-17-21,
соединяющий блок питания с разрядной линией; 4 – изоляторы; 6 – трос; 7 – линия разрядная (провод
ПБД 1×2); 8 – устройство натяжное.
Высокое напряжение получают в схеме умножения напряжения.
Пример одной из таких схем показан на рис. 4.8.
Рис.4.8. Схема выпрямления и умножения напряжения
В первый полупериод напряжения конденсатор С1 заряжается до
напряжения
Ucl=U2max.
Во второй полупериод С2 заряжается через С1 и
вентиль VD2 до напряжения Cc2=U2max+Ucl=2U2max, в третий – С3 через С2, VD3 и
С1 до Uс3= U2max+Uc2 - Ucl=2U2max и т. д. Каждый конденсатор за исключением
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С1 заряжается до напряжения 2U2max. Выходное напряжение схемы умножения
на холостом ходу Uр=рU2max, где р – число конденсаторов в схеме.
Максимальное обратное напряжение на вентиле Uобр=2U2max.
Несимметричная
схема
выпрямления
с
умножением
напряжения
содержит общую точку для трансформатора и нагрузки, которая может быть
заземлена. Это важное преимущество таких схем, с точки зрения безопасности.
Зоотехнические рекомендации по дозам и режимам ионизации
воздуха в помещениях представлены в табл. 4.4.
Т а б л и ц а 4.4. Зоотехнические рекомендации по дозам и режимам ионизации
воздуха в помещениях
Вид
животных,
помещения
птицы,
Концентрация
отрицательных аэроионов,
105 ион/м3
Телята до 1 мес.
Коровы
2,0
2,5
Быки-приозводители
3,0
Поросята
4,0
Свиньи
5,0
Цыплята
0,25
Птица
0,3…1,6
Бройлеры
0,65
Куры-несушки
1,5…2,5
Инкубаторы
0,13
Режим аэроионизации в
течении суток
Ежедневно по 6…8 ч
В течение 15…20 дней по 5…8 ч,
перерыв на 15…20 дней, повтор
В течение 2 мес. По 8…10 ч.
Перерыв на 20…30 дней, повтор
В течении 3…4 недель по
0,5 ч 2 раза в день, перерыв 1 мес,
повтор
В течении 3…4 недель по 0,5 ч 2
раза в день, перерыв 1 мес, повтор
Возраст 3…20 сут. – 1…2 ч,
20…40 сут. – 3 ч., 40…60 сут. – 4
ч.
Возраст 60…80 сут. От 0,5 до 4 ч.,
80…100 сут. От 5 до 10ч.
Чередование 5 сут. Ионизация, 5
сут. Перерыв
3…18 сут. – 0,5 ч., 11…40 сут. – 2
ч., 40…65 сут. – 3 ч. Три дня
ионизация, три дня пауза
Увеличение от 4 до 12 ч.
Чередование: 1 мес. Ионизация, 1
мес. Перерыв
Круглосуточно 19 дней
4.4. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ОБЛУЧЕНИЕ ЖИВОТНЫХ И ПТИЦЫ
Излучение с длиной волны в диапазоне от 180 до 400 нм называется
ультрафиолетовым.
По
техническим
соображениям
ультрафиолетовую
радиацию разбивают на три области. Область С – дальняя ультрафиолетовая
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
радиация с длиной волны от 180 до 280 нм. Обладает сильным бактерицидным
действием и используется для стерилизации воздуха, воды, посуды и
оборудования. В селекции УФ-С используется для получения новых свойств
растений.
Область В - средняя ультрафиолетовая радиация с длиной волны от 280 до
320 нм. Вызывает загар и эритему, оказывает общее благотворное воздействие
на организм животных. Обладает антирахитным действием, т.к. способствует
превращению
провитамина
D
в
активно
действующий
витамин
D,
управляющий отложением солей кальция в костных тканях животных.
Область А - ультрафиолетовая радиация с длиной волны от 320 до 400 нм.
Применяется для люминесцентного анализа и возбуждения светящихся веществ
в сигнальных устройствах. Биологическая активность излучения в области А
относительно мала.
Установки ультрафиолетового излучения в области С (УФ-С) нашли
наибольшее применение в свиноводческих комплексах и комплексах КРС, а
также на птицефабриках.
В час свиноводческий комплекс на 108 тысяч свиней выбрасывает в
окружающую среду 1,5млрд. микробов, 159 кг аммиака, 145 кг сероводорода и
26 кг пыли от кормов, а птицефабрика на 720 тыс. голов производит 175 млрд.
микробов, что представляет серьезную экологическую опасность.
В установках УФ-С используются лампы типа ДБ, ДРБ, ЛЭ, ЛЭР, ЛЭО,
ДРВЭД и ДРТ мощностью от 30 до 1000 Вт. Наиболее распространенные
бактерицидные дампы ДБ (низкого давления с разрядом в парах ртути) имеют
80 % излучений на длине волны 254 нм.
Цилиндрическая колба ламп изготавливается из увиолевого стекла (40 %
кварца), хорошо пропускающего УФ излучение. УФ излучение ионизирует
воздух, а ионы, соединяясь с взвешенными частицами, утяжеляют их, что
способствует очистке воздуха.
При установке бактерицидных ламп в помещениях необходимо исключить
воздействие излучения на людей и животных.
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обеззараживание воды в потоке осуществляется на установках ОП-1П (рис.
4.9.).
2
во
да
3
1
Рисунок 4.9. – Установка обеззараживания воды: 1 – лампа Дб;
2 – кварцевый чехол; 3 – корпус облучателя
Лампа ДБ-30 концентрично расположена в металлической трубе большого
диаметра и отделена от потока воды чехлом из кварцевого стекла.
Процесс отмирания бактерии протекает по экспоненциальному закону
Б  Б0е

ЕБ
Б
,
(4.21)
где Б - плотность бактерий после воздействия облучения
времени τ; Б0 исходная плотность бактерий;
Б
Е
в течение
– сопротивляемость бактерий,
Б
= 2,4 мбс/см
Откуда:
ЕБ  К з
Б
1
ln
Б
Б0 ,
(4.22)
Б
где Б  1 / 100....1 / 1000 – для обеззараживания поверхностей и воздуха;
0
К з – коэффициент запаса.
В
воздухе
и
воде
бактерицидный
поток
рассеивается
по
экспоненциальному закону:
Eh  E0 e ah ,
176
(4.23)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Е0 , E h – облучаемость на поверхности среды и на глубине h; a –
показатель поглощения, см;  0 – коэффициент пропускания бактерицидного
потока.  0  exp ah .
Методика расчета состоит в определении времени облучения, если
известны объем или площадь облучения и выбран источник излучения.
Ультрафиолетовое излучение в области В (УФ-В) имеет большое значение
в образовании и поддержании жизни на Земле. Недостаток ультрафиолетового
облучения особенно сказывается на развитии молодых организмов и может
привести к заболеванию, в первую очередь к рахиту. Витамин
D,
регулирующий рост и развитие скелета животных и кроветворных органов,
получается из неактивного провитамина D под действием УФ-В. В
естественных условиях радиация УФ-В достаточна и составляет несколько
процентов
в
спектре
солнечного
излучения.
Помещения
практически
полностью изолируют живые организмы от УФ-В излучения.
УФ-недостаточность
заметно
снижает
продуктивность
всех
видов
животных. К кожному покрову УФ-излучение проникает через покров шерсти,
которая работает как своеобразный волновод. Куры воспринимают УФ излучение гребешком и сережками.
УФ-излучение должно строго дозироваться.
Начальное облучение составляет 25 % от нормированной дозы и
увеличивается постепенно до полной дозы. Рекомендуется делать перерыв на
2...3 дня после каждых 5...7 дней облучения.
УФ-излучение используется для лечения кожных заболеваний (стригущий
лишай, нарывы, чесотка), а также при легочных заболеваниях, заболеваниях
крови и других воспалительных процессах. В этих случаях используют ударные
дозы для отдельных участков кожи.
Стационарные (или передвижные) установки УФ–излучения ОРК и ЛРК
комплектуется лампами ДРТ (рис. 4.10).
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
2
4
3
Рисунок 4.10. – Устройство лампы ДРТ: 1 – кварцевая трубка; 2 – вольфрамовый электрод;
3 – держатель; 4 – лента из медной фольги
Лампа ДРТ (дуговая ртутная) имеет колбу в виде трубки, изготовленной из
кварцевого стекла 1, впаянных электродов с оксидным покрытием 2, ленты из
медной фольги 3 и держателей 4.
Зажигание лампы происходит при холодных электродах, что требует
высокого напряжения зажигания. Схема включения лампы приведена на рис.
4.11. а.
При замыкании кнопки SB ток течет через дроссель LL и конденсатор С1.
Импульс напряжения для зажигания лампы возникает при размыкании
предварительно замкнутой кнопки SВ, т.к. при сворачивании магнитного
потока в обмотке дросселя LL наводится э.д.с. самоиндукции, значительно
превышающая
напряжение
сети
.
Полоска
фольги,
включенная
последовательно с конденсатором С2, служит для облегчения зажигания за счет
электрического воздействия на разрядное пространство лампы.
УФ-излучение
LL
С
С2
SB
Uc
С1
EL
В
Видимое
А
Ф
С
Г З Ж Ор
12
10
8
6
4
2
200
250
а)
300
350 400 450 500
λ,нм
б)
Рисунок 4.11 – Схема включения (а) и спектр излучения (б) лампы ДРТ
Спектр излучения – линейчатый и в его состав входит бактерицидное и
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
видимое излучение (рис.4.11.б).
В установках ОБУ1х30 м и ББП01хЗО м
используются лампы ДБ-30, а в установках ОЭСП02 – лампа ЛЭР-40 и ЛБР-40.
Характеристики ламп УФ -излучения приведены в табл. 4.5.
При эксплуатации ламп УФ - излучения интенсивность излучения
снижается из-за их старения и необходимо увеличивать время облучения,
чтобы доза облучения оставалась постоянной.
Применение УФ - установок позволяет снизить падение молодняка
животных на 70...80 %, увеличить продуктивность взрослых животных в
стойловый период на 7...8 % .
Эффективность бактерицидных установок определяется при сравнении с
другими способами обеззараживания.
Для ультрафиолетового облучения животных и птицы промышленность
выпускает облучатели и установки, в которых используются эритемные лампы
ЛЭ-30-1 и ЛЭР-40 и ртутно-кварцевая лампа ДРТ-375.
Эритемный облучатель типа ЭО-1-30 используется для облучения поросят,
телят, коров, а также при содержании на полу цыплят и кур. В облучателе одна
лампа ЛЭ-30-1.С помощью подвесок облучатель крепится к потолку и при
высоте подвеса 2...2,2 м облучает 18...20 м площади пола. Облучатели
изготавливается со стартерной (Э01-Э0С) и бесстартерной схемой включения
(Э01-Э0М). Питание от сети переменного тока напряжением 220 В.
Механизированная подвесная установка УО-4М для облучения коров,
телят, поросят, а также при содержании на полу цыплят и кур. Установка
состоит из четырех облучателей с ртутно-кварцевыми лампами ДРТ-375,
устройства для подвески и перемещения облучателей, приводной станции и
кабеля.
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бк
идный,
Бактериц
(эр)
ый, вит
Витальн
, лм
Световой
Потоки
диапазоне
Поток в этом
излучения, мм
активного
Диапазон
Ток, А
В
Напряжение,
Мощность, Вт
Тип лампы
Таблица 4.5.
Дуговые бактерицидные низкого давления
ДБ-30-1
30
108
0,36
254
6,6
140
0,04
6,6
ДБ-60
60
108
0,7
254
8,0
180
0,04
8,0
Дуговые ртутные трубчатые высокого давления
ДРТ-230
230
70
3,8
240–450
22–24
4800
3,0
6,7
ДРТ-400
400
135
3,25
240–450
37–39
8000
4,75
10,5
ДРТ-1000
1000
140
7,5
240–450
125–
26000
16,5
39,5
128
Люминесцентные эритемные низкого давления
ЛЗ-15-
15
54
0,33
280–400
-------
40
0,3
0,055
30
104
0,34
280–400
-------
110
0,75
0,125
ЛЭР-30
30
104
0,36
280–400
-------
90
1,35
0,105
ЛЭР-40
40
103
0,43
280–400
------–
130
1,6
0,15
ХЛ4.2
ЛЗ-30ХЛ4.2
Эритемно-осветительные
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ЛЗО-15
15
54
0,33
280–600
------–
650
0,11
–-----
ЛЗО-30
30
104
0,36
280–600
------–
1350
0,27
–------
ЛЗО-40
40
103
0,46
280–600
–-----
1850
0,37
–------
Ртутные лампы высокого давления: спектр (эритемный, видимый, ближний ИК) близок к
солнечному
ДРВЭД-160
160
220
0,8
280–2000
70–75
1600
0,35
–------
ДРВЭД-250
250
220
1,25
280–2000
100–
3250
0,6
–------
120
Облучатели перемещаются по двум стальным струнам диаметром 5…6 мм
вдоль животноводческого помещения на высоте 2,8...3 м от пола. Питание ламп
осуществляется по кабелю ШРПС-Зх1,5 мм, подвешенному на кольцах к струне
(«шторка»), от сети переменного тока напряжением 220 В. Возвратнопоступательное движение облучателей обеспечивается приводной станцией
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
через трос со скоростью 0,3 м/мин. Площадь облучения 60х12 м.
Светильник – облучатель СП02-2х40/п5х01 предназначен для освещения
животноводческих помещений и ультрафиолетового облучения находящихся в
них животных. Для освещения используется одна лампа ЛБР-40, для облучения
– одна эритемная лампа ЛЭР-40. Лампы включаются раздельно, схема
бесстартерная.
Самоходная установка с ртутно-кварцевыми УОК-1 применяется для
облучения кур при их содержании в клетках. Источник УФ - излучения – две
лампы ДРТ-375, установленные на вертикальной металлической стойке,
закрепленной на тележке. Электропривод и пульт управления смонтирован на
основании тележки. Скорость движения тележки – 0,5 и 1 м/мин. Питание от
сети переменного тока через гибкий кабель с резиновой изоляцией типа
ШРПСЗх1.5-1х1 мм. Одна установка облучает 20 тыс. кур.
Переносной получатель с ртутно-кварцевой лампой ДРТ-375 для облучения
инкубационных яиц и цыплят в первые дни после вывода. Облучатель состоит
из лампы с отражателем и пускорегулирующего устройства, соединенных
между собой гибким кабелем длиной 20 м.
Применение
эффекта
УФ
облучения
способствует
повышению
энергоэффективности, улучшению качества и снижению себестоимости
сельскохозяйственной продукции.
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 5. УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Существующие системы переработки отходов сельского хозяйства и
животноводства можно объединить в следующие группы:

производство кормов и кормовых добавок;

производство органических удобрений;

получение топлива, биотоплива и биогаза;

использование в качестве строительных материалов;

использование в качестве специальных видов сырья, полуфабрикатов и
добавок для применения в различных отраслях промышленности и
техники (производство бумаги, пластификаторов, сорбентов и др.).
Применение той или иной системы переработки отходов для получения
различных видов продуктов определяется экономическими и экологическими
факторами. Листья, ботва, стебли сельскохозяйственных культур, отходы при
обработке подсолнечника, риса, проса, гречи могут перерабатываться на
кормовые концентраты. Содержание в них легкогидролизуемых полисахаридов
достаточно велико. Для улучшения кормовой ценности этих отходов
желательно их измельчение до размеров менее 1 см. В отходах пищевой и
овощеперерабатывающей промышленности содержится много брака овощей и
фруктов, отходов их хранения и переработки. Они также являются ценным
сырьем
для
получения
кормовых
концентратов и
пищевых
добавок.
Полученные из этих отходов продукты по питательности не отличаются от
зерновых кормов и годятся для использования в животноводстве. Отходы
животноводства, птицеферм и птицефабрик используются для производства
органических удобрений. Но если отходы животноводческих комплексов
крупного рогатого скота перерабатываются без особых затруднений, то отходы
птицеводческих комплексов пока еще не имеют достаточно разработанных
экономически доступных в реализации методов утилизации. Поскольку птичий
помет
обладает
высокой
коррозионной
182
активностью
(вследствие
его
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
переувлажненности),
имеет
специфический
резкий
запах,
патогенную микрофлору, загрязняет окружающую среду,
содержит
то возникают
значительные трудности при его утилизации. В основном способы переработки
таких отходов сводятся к приготовлению компостов из древесных опилок,
соломы или коры (в буртах на открытых площадках). Предлагаемый метод
может быть реализован в любом хозяйстве при наличии неиспользуемых
отходов окорки древесины, опила, соломы и т.д.
5.1. УТИЛИЗАЦИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ УДАРОМ
Электрогидравлический эффект (эффект Юткина) заключается в резком
увеличении гидравлического давления при импульсном электрическом разряде
в жидкости. При электрическом разряде в жидкости электрическая энергия
выделяется на активном сопротивлении контура, близком к критическому, т.е.
при 1/С < R /4L, где R, L и С – соответственно активное, индуктивное и
емкостное сопротивления контура.
Основными
факторами,
определяющими
высокий
КПД,
являются
амплитуда, крутизна фронта и длительность импульса тока. При длительности
импульса
в
несколько
микросекунд,
мгновенная
мощность
импульса
выражается в сотнях тысяч киловатт.
Электрический разряд в жидкости создает сверхвысокие импульсы
гидравлического
давления,
ударные
волны
звуковой
и
сверхзвуковой
скоростей, импульсные перемещения масс жидкости со скоростью до сотен
метров в секунду, мощные кавитационные процессы, инфра– и ультразвуковые
излучения, мощные резонансные явления с большими амплитудами, магнитные
поля
в
десятки
тысяч
эрстед,
интенсивные
световые,
тепловые,
ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма– и нейтронные излучения. Разряд
оказывает заметные воздействия на ионные процессы и их химические реакции
в растворах.
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В диэлектрических жидкостях разряд возникает при определенном уровне
напряженности электрического поля. В жидкостях с ионной проводимостью
мощность разряда мала и для создания мощного длинного разряда с крутым
передним фронтом требуется создание определенных условий.
Для жидкостей с ионной проводимостью создание короткого импульса тока
удается осуществить введением в цепь контура формирующего воздушного
искрового промежутка.
Воздушный искровой промежуток позволяет длительно производить
зарядку рабочей ёмкости С и при достижении определенной разности
потенциалов на воздушном промежутке импульсом подавать энергию на
рабочий промежуток, что приводит к сокращению длительности и созданию
крутого фронта импульса тока в рабочем промежутке.
Регулирование воздушного искрового промежутка позволяет в широких
пределах изменять режимы и параметры разряда в жидкости.
Условно весь диапазон режимов подразделяют на три рабочих режима:
жесткий – U  50 кВ,
средний –
мягкий –
С  0,1мФ ;
20  U  50 кВ, 0,1 С  0,1мФ;
U  20 кВ,
С  0,1мФ.
Электрическая схема для создания электрического разряда в проводящей
жидкости представлена на рис. 5.1.
Рисунок 5.1. – Электрическая схема для создания электрического разряда в
проводящей жидкости: R – сопротивление; Тр – трансформатор; V – диод; С – ёмкость;
ВИП – воздушный искровой промежуток; РП – рабочий промежуток в жидкости
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При конструировании устройств для утилизации животноводческих стоков
электрогидравлическим ударом необходимо учитывать, что на эффективность
процесса влияет их электропроводность, которая определяет величину рабочего
промежутка
и
зону эффективного
воздействия
электрогидравлического
эффекта.
Снижение энергозатрат при обработке жидких субстратов достигается за
счет увеличения длины искры путем инициирования канала разряда лучом
лазера, другого источника излучения или с помощью теплового взрыва ВТЭ, а
также осуществлением электрогидравлических ударов в воде и передачей их
воздействия на высокопроводящий субстрат через эластичную оболочку,
окружающую электроды.
В электрогидравлическом устройстве для приготовления торфонавозного
удобрения
уменьшение
потерь
на
проводимость
решается
за
счет
предварительного внесения в навозные стоки фрезерного торфа и последующей
их совместной обработки.
Установка имеет две технологические линии: подготовки исходных
компонентов и приготовления комплексного органического удобрения. Линия
подготовки исходных компонентов содержит навозоприёмник, снабженный
устройством для перемещения навоза, насос для подачи навоза в смеситель с
устройством для измельчения остатков корма, содержащихся в навозе. В нее
входят элементы для подготовки и транспортировки в смеситель торфа:
приемный
магнитный
содержит
бункер,
вибросито,
сепаратор.
смеситель,
Линия
транспортер,
механическая
приготовления
электрогидравлическую
дробилка
органического
дробилку,
и
удобрения
соединенную
трубопроводами со смесителем и другими элементами линии, блок питания
(генератор
импульсных
токов),
накопительную
емкость
для
хранения
промежуточного продукта и ёмкость для хранения готового продукта.
Предварительно подготовленные на линии исходных компонентов жидкий
навоз и фрезерный торф поступают в смесительный реактор, соединенный с
электрогидравлической дробилкой, где циркулируют по цепочке: смеситель –
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электрогидравлическая дробилка – смеситель. Полученный продукт насосом
перекачивается в накопительную емкость. Предусмотрена возможность прямой
выдачи продукта для дальнейшего его использования или последующей
электрогидравлической обработки при циркуляции по цепочке накопительная
емкость
–
электрогидравлическая
дробилка
–
накопительная
емкость.
Продолжительность циркуляции определяется числом электрогидравлических
ударов на единицу объема обрабатываемого продукта. После завершения
обработки готовый продукт поступает в хранилище.
Установка
позволяет
получать
качественное,
обеззараженное,
гомогенизированное органическое удобрение.
5.2. БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ УТИЛИЗАЦИИ НАВОЗА
ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Перспективным комплексным ресурсо- и энергосберегающим методом
является обеззараживание органических отходов с выходом биогаза и
уничтожением патогенной микрофлоры. При получении биогаза из навоза
одновременно решаются две проблемы: получение дешевой энергии и
утилизация бесподстилочного навоза крупных животноводческих комплексов и
фекалий птицефабрик. Особенно актуально производство биогаза в рамках
крупных агропромышленных комплексов, где обеспечивается практически
безотходный технологический цикл (86% биогазового потенциала содержится в
сельскохозяйственном сырье и лишь 8% в промышленных и коммунальных
отходах). Собственный энергоноситель - биогаз, может быть преобразован в
тепловую или электрическую энергию, напрямую использован в газовых
приборах и т.д., что способствует внедрению на предприятиях АПК
энергосберегающих технологий.
В настоящее время мировой рынок биогаза имеет стойкую тенденцию к
увеличению. По теплотворной способности кубометр биогаза эквивалентен 0,6
кубометра природного газа, 0,7 л мазута, 0,4 л бензина. В среднем тонна
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
биомассы, подвергаемой метановому сбраживанию, дает около 500 кубометров
биогаза, что эквивалентно 350 л бензина. Большая часть производимого сейчас
в мире биогаза применяется для получения электроэнергии и обогрева, что
особенно важно для энергоемкомого сельского хозяйства.
Многообразие существующих видов биогазовых установок затрудняет
их стандартизацию. Самые существенные признаки различия проявляются в
технологических системах, поэтому классификации основаны на технологии,
применяемой
на
использованы
традиционные
Качественный
установках.
переход
к
В
известных
теплогенераторы
прогрессивным
технологических
различных
технологиям
схемах
модификаций.
возможен
с
использованием СВЧ объемного метода подвода тепловой энергии к
биореактору и объединения трех стадий сбраживания навоза в единый цикл.
Структурная схема по переработке навоза представлена на рисунке 5.2.
П
П П П
С С
М
П П н аво з ;
б и о газ ;
Г
Б
С
С
переработанный субстрат;
в о д а;
свежий воздух;
э л е к т р о э н е р ги я ;
удобрение.
У сл о в н ы е о бо з н ач ен и я:
П - п р е д п ри я т и е АП К ;
М - м ет ан т ен к ;
Г - э н е р г е т и ч е с к и й п р е о б ра з о в а т е л ь ;
Б - х ра н и л и щ е б и о м а с с ы ;
Рисунок 5.2. – Структурная схема линии по переработке навоза
Схема трехстадийного метантенка биогазовой установки с СВЧ нагревом
приведена на рис 5.3.
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
7
8
5
газ
2
pН
3
М
М
9
10
11
12
6
50Гц
2 2 0 /3 8 0 V
4
Рисунок 5.3. – Схема трехстадийного метантенка биогазовой установки с СВЧ
нагревом
Трехстадийный метантенк биогазовой установки
с СВЧ нагревом
состоит из корпуса, систем контроля и управления. Сбраживаемая масса
подогревается устройством диэлектрического нагрева в центральной секции до
температуры 55°С, которая контролируется термодатчиками 8 нижнего и
верхнего уровня. Перемешивание происходит периодически 2...3 раза в сутки
при помощи перемешивающих устройств 3. Выделяющийся биогаз, собирают и
хранят в резервуаре низкого давления. Получившийся в процессе сбраживания
шлам поступает в ёмкость 9 для дальнейшей переработки. Реактор
сконструирован так, что идет непрерывный процесс газообразования, так как
присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.
На рис. 5.4. представлена кинетика получения биогаза в едином цикле
сбраживания при контактном и СВЧ нагреве.
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.4. - Кинетика получения биогаза в едином цикле сбраживания:
а – контактный нагрев, б - СВЧ нагрев
Психрофильное сбраживание (первая стадия) при температуре 8…25оС,
обеспечивается за счет загрузки исходного сырья температурой 0…10°С,
конвективного и контактного нагрева от материла следующей стадии и
перемешивания (частотой 1 раз в сутки час с продолжительностью 10 мин и со
скоростью вращения мешалок 24…33 об/мин).
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мезофильное сбраживание (вторая стадия) при температуре 25…40оС,
обеспечивается
за счет поступления сырья из зоны первого периода
сбраживания температурой 20…25°С, конвективного и контактного нагрева от
материла следующей стадии и перемешивания (частотой 1 раз в 2 часа с
продолжительностью
10
мин
и
со
скоростью
вращения
мешалок
42…51 об/мин).
Термофильное сбраживание (третья стадия) при температуре 40…55оС,
обеспечиваетсяза
сбраживания
счет
поступления
температурой
сырья
25…40°С,
из
зоны
объемного
второго
периода
диэлектрического,
конвективного и контактного нагрева от источника СВЧ излучения и
перемешивания (частотой 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со
скоростью вращения мешалок 51…60 об/мин).
Метод объемного энергосберегающего нагрева процесса метанового
сбраживания навоза позволяет наиболее полно использовать энергетический и
питательный потенциал исходного сырья, может быть перспективен для
получения
новых
продуктов
функционального
назначения
и
кормов,
конкурентноспособных на отечественном рынке.
Экономический эффект от применения СВЧ нагрева за счет мер по
энергосбережению (объемный, равномерный разогрев, использование потерь
энергии
с
высокотемпературной
зоны
для
разогрева
предыдущих
низкотемпературных зон сбраживания) дает экономическую выгоду от выхода
биогаза более 0,5млн. руб. при сроке окупаемости биогазовой установки около
шести лет.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 6. ЭКОСОВМЕСТИМЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ АНТИСЕПТИРОВАНИЯ И
ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
6.1. ЭЛЕКТРОАНТИСЕПТИРОВАНИЕ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ
6.1.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНА
Одним из современных, экологически чистых и эффективных способов
нейтрализации вредных химических и биологических примесей в воде и
воздухе является способ их окисления озоном. С помощью озона можно
очищать выбрасываемые промышленными предприятиями газы, природные и
сточные воды, производить санитарную обработку помещений, увеличивать
сроки хранения сельхозпродуктов, обрабатывать гноящиеся раны, очищать
кровь,
повышать КПД
двигателей
внутреннего сгорания, уменьшать их
токсичность и т.д.
Озон является сильным окислителем. Его применение для хранения
плодоовощной продукции способствует резкому снижению обсемененности ее
поверхности гнилостной микрофлорой, снижает уровень метаболических
процессов и препятствует ее прорастанию, т. е. устраняет основные причины
порчи сельскохозяйственной продукции, давая значительный экономический
эффект.
Озонный метод пригоден для хранения сочной овощной продукции. Для
каждого ее вида необходим подбор времени обработки и дозы озона.
Озонирование микробов Fusarium solani и Rhizoctonia solani в режиме
12…15 мг/м3 периодически по 3…6 часов в сутки ежедневно, и непрерывно до
48 часов замедляет их развитие. При этом
уменьшая скорость их роста
уменьшается в 3…5 раз. Рост гриба Phitoftora infestans (фитофтора) подавляется
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полностью при озонировании в течение 6…10 часов при концентрации озона
15…18 мг/м3.
Обработка озоном не ухудшает питательные свойства и вкусовые
качества продукции при одновременном увеличении сроков хранения.
Озон, как активный дезинфектант, применяется для увеличения сроков
хранения зерна различной влажности и семян пшеницы, овса, ржи и ячменя.
Применение озоно-воздушной смеси в процессах послеуборочной
обработки семян и зерна позволяет:
- увеличить срок безопасного хранения семян (зерна) в 1,5…2 раза
по сравнению с вентилированием материала наружным воздухом.
При этом предотвращается порча и потеря зернового материала.
Данный технологический прием применим для хозяйств, не
располагающих
необходимыми
сушильными
мощностями,
например, в фермах и крестьянских хозяйствах;
- повысить качество семенного материала (энергию прорастания и
всхожесть) при незавершенном периоде его послеуборочного
дозревания;
- озоно-воздушная смесь освобождает зерновую массу (особенно
влажную и засоренную) от насекомых и вредителей, отпугивает
грызунов и птиц;
- после
окончания
материала
срока
влажностью
дополнительное
безопасного
19%
и
временного
более
одно–двукратное
хранения
рекомендуется
вентилирование
его
озоно-
воздушной смесью с концентрацией озона 15…20 мг/м3, что
увеличивает срок безопасного хранения на 15…20%;
- озонированный
рекомендуется
материал
высушивать
после
в
временного
установках
хранения
активного
вентилирования низкотемпературным (до 35 0С) озонированным
(3…5 мг/м3) теплоносителем, что обеспечивает повышение
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
всхожести семян и снижение длительности процесса сушки до
25% с соответствующим уменьшением энергозатрат.
Озон,
являясь
кислорода,
обладает
метастабильной
сильнейшими
аллотропической
окислительными
модификацией
свойствами.
Его
окислительный потенциал намного превосходит потенциал иных окислителей,
таких как хлор, перекись водорода и т. д. Действие озона на различные виды и
формы микрофлоры, одноклеточные организмы по своему механизму
одинаково и сводится к разрушению мембран и поверхностного слоя
протоплазмы клеток. Он оказывает губительное действие на простейшие и даже
многоклеточные организмы. С точки зрения экологии озон является идеальным
реагентом, так как самопроизвольно в течение непродолжительного времени
распадается до кислорода.
В процессе решении задач озонирования необходимо в обрабатываемом
объеме создать определенную пороговую концентрацию озона, при которой
наблюдается эффект озонирования.
Этот фактор необходимо учитывать при санации. При часовой обработке
для инактивации гриппозного вируса требуется концентрация озона 0,0002
мг/л. Для разрушения стафилококка – не менее 0,001 мг/л. Стерилизующее
действие озона на бактерии перевязочного материала достигается в течение
45…60 минут при концентрации не менее 20 мг/л. Концентрации около 0,03
мг/л угнетают процессы размножения и роста плесневых грибов и дрожжей.
Концентрации озона около 1,5 мг/л разрушают их вегетативные формы, а
свыше 20 мг/л разрушают споры.
Выживаемость тестовых культур при озонировании приведена в таблице
6.1.
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.1.
Концентрация
озона,
мг/м3
2,5
5,0
5
15
25
35
45
Концентрация
озона,
мг/м3
-0,47
0,40
0,26
Шигеллы (Sh. sonnel)
0,81
0,56
0,71
0,21
0,10
0,00
0,06
0,00
0,00
0,04
0,00
0,00
0,24
0,00
0,00
0,00
0,00
2,5
5,0
20,0
5
15
25
35
45
Концентрация
озона,
мг/м3
0,41
0,40
0,16
Стафилококк (St. aureus)
0,68
0,41
0,32
0,65
0,19
0,03
0,28
0,05
0,00
0,05
0,00
0,00
0,00
0,01
0,00
0,00
0,00
5
15
25
35
45
7,5
7,5
10,0
10,0
20,0
2,5
5,0
7,5
10,0
20,0
Кишечная палочка (E. coli)
0,19
0,15
0,1
0,09
0,09
0,07
1,00
1,00
0,05
0,02
0,00
0,93
0,56
0,00
0,00
0,00
0,85
0,37
0,00
0,00
0,00
Экспозиция, мин
30,0
2,5
5,0
7,5
10,0
20,0
30,0
Сальмонеллы (S. java)
0,06
0,78
0,74
0,57
0,00
0,66
0,49
0,00
0,00
0,51
0,09
0,01
0,00
0,00
0,47
0,08
0,002 0,00
0,00
0,00
0,44
0,02
0,001 0,00
0,00
Экспозиция, мин
30,0
2,5
5,0
7,5
10,0
20,0
0,37
0,00
0,00
0,00
0,00
30,0
Антроконд (B. cereus)
0,21
0,55
0,21
0,08
0,00
0,53
0,14
0,03
0,00
0,64
0,36
0,03
0,01
0,00
0,00
0,48
0,28
0,07
0,01
0,00
0,00
0,00
0,26
0,11
0,01
0,00
0,00
Экспозиция, мин
30,0
2,5
5,0
7,5
10,0
20,0
30,0
Дикие дрожжи, молочно- и уксусно-кислые
бактерии
(Micrococus, Sarcinia, Lactobacillus)
0,39
1,00
1,00
0,90
0,63
0,00
1,00
0,71
0,40
0,00
0,00
0,53
0,27
0,07
0,00
0,00
0,00
0,44
0,20
0,11
0,00
0,00
0,00
0,00
0,17
0,1
0,00
0,00
0,00
0,00
6.1.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОДАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
МИКРОБНЫХ КЛЕТОК ПОД ДЕЙСТВИЕМ ОЗОНА
Процесс подавления жизнедеятельности микробных клеток под действием
озона неравномерен, причем кривые выживаемости микроорганизмов могут
быть представлены в виде ломаной линии (см. рис. 6.1), угол наклона каждого
из прямолинейных отрезков которой к оси абсцисс характеризует средние
темпы подавления микрофлоры на данном отрезке времени.
Для исследования влияния электрического ветра на культуру грибов
Penicillum expansum подвергали обработке в поле коронного разряда при
максимальной мощности нагрева коронирующих проводов PH =120 Вт.
Концентрация озона в опытах не превышала 0,1 мг/м3, скорость электрического
ветра варьировалась в пределах 2,5 м/с. Эксперименты показали, что
воздействие электрическим ветров приводит к угнетению жизнедеятельности
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
микроорганизмов вследствие иссушения питательной среды. Визуально
иссушение питательной среды проявлялось в ее растрескивании. Степень
подавления жизнедеятельности микроорганизмов зависит от экспозиции и
скорости электрического ветра. Значительное растрескивание питательной
среды имеет место при скоростях электрического ветра более 1,0 – 1,2 м/с и
экспозиции более 4 – 5 ч. На рис 6.1. представлена экспериментальная кривая
порога
чувствительности
исследованных
тест-культур
к
воздействию
электрическим ветром. Под порогом чувствительности следует понимать
первую стадию подавления жизнедеятельности микроорганизмов, которая
проявляется в угнетении роста мицелий.
t,ч
0
0,5
1,5
1,0
2,0
Рис. 6.1. Порог чувствительности тест – культур к воздействию электрическим ветром
При
таких
средних
темпах
результаты
воздействия
озоном
будут
одинаковыми для равных промежутков времени, охватывающих процесс на
каждом конкретном отрезке ломаной линии выживаемости микроорганизмов.
Выражение для скорости разрушения микроорганизмов, характеризующей
интенсивность бактерицидного воздействия озоном, имеет вид
(
где
⁄
)
,
— скорость разрушения микроорганизмов;
бактерицидной обработки озоном.
195
(6.1)
— продолжительность
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если же при данной интенсивности
процесс продолжается в течение
времени
—
,то для средней скорости разрушения микроорганизмов на -м
прямолинейном отрезке с координатами ( ⁄
⁄
) можно
записать
∫
где
)
∫
(
)
(6.2)
— . При этом будет разрушена часть совокупности
, 1,…,
микрофлоры
(
(
). Сумма элементарных воздействий в процессе
бактерицидной обработки
∑
∫
(
)
(6.3)
С учетом выражения (6.2) формула (6.3) примет вид
∫
∑
(
)(
(
)
∑
)
(6.4)
Для завершения процесса необходимо, чтобы сумма этих элементарных
воздействий привела к подавлению всех микроорганизмов. При этом должны
выполняться граничные условия
;
;
, подставляя которые в
формулу (6.4), получаем
∫
где
(6.5)
— продолжительность бактерицидной обработки озоном, в течение
которой микрофлора полностью погибает.
В символической форме условие полной деструкции совокупности вредной и
патогенной микрофлоры запишется в виде
∫
(6.6)
Уравнение (6.6) дано в безразмерной форме. Суммарное действие процесса
не может быть меньше единицы. Таким образом, получен нижний предел для
расчетного
суммарного
эффекта
процесса
196
электроантисептирования.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Верхний предел зависит от качества предварительной мойки технологического
оборудования,
тары
и
других
обеззараживаемых
объектов
пищевых
производств и от требуемого запаса надежности. Так, для системы
электроантисептирования производственных емкостей, гарантирующей полный
контакт озона с внутренней поверхностью резервуаров после тщательной
мойки последних от физических загрязнений, суммарный эффект, равный 1, не
только необходим, но и достаточен.
Уравнение
(6.6)
суть
запись
известного
критерия
Пастера
(Ра),
определяющего степень завершенности процесса бактерицидной обработки
∫
(6.7)
Тогда при бактерицидной обработке озоном условие надежной дезинфекции
можно записать в виде
∑
где
,
(6.8)
— значение критерия Пастера для i-го отрезка кривой выживаемости
микроорганизмов.
Вывод выражения (6.8) основан на замене переменной скорости подавления
микрофлоры усредненной величиной. Однако такое упрощение оправдано
возможностью получить метод математического выражения бактерицидного
эффекта процесса электроантисептирования.
Формула (6.8) формально отражает основное требование ко всем системам
для бактерицидной обработки озоном технологического оборудования и других
объектов сельскохозяйственных производств.
6.1.3. ПРОИЗВОДСТВО ОЗОНИРОВАННОГО ГАЗА В БАРЬЕРНОМ ОЗОНАТОРЕ
Наиболее эффективным средством получения озонированного газа кислорода, воздуха или другой кислородно-газовой смеси - является коронный
разряд в барьерном озонаторе.
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Барьерный озонатор был предложен немецким ученым, изобретателем и
предпринимателем Вернером фон Сименсом
Барьерный озонатор Сименса и Гальске представлял собой (рис 6.2.) два
вставленных друг в друга герметичных стеклянных сосуда 1,2, через которые
прокачивалась охлаждающая вода, разделенные воздушным промежутком 3,
через который пропускался воздух. Вода в сосудах подключалась к цепи
высоковольтного генератора переменного тока. Таким образом оба слоя воды
образовывали конденсатор, разделенный воздушным промежутком и
двумя диэлектрическими барьерами в виде тонких стенок стеклянных сосудов
и слоя воздуха.
Рис.6.2. Барьерный озонатор
Простейшая схема разрядной области озонатора изображена на рисунке
2. К пластинам конденсатора подсоединен электрический генератор 3 с
напряжением U.
Внутрь конденсатора вставлена диэлектрическая пластина 4 с
диэлектрической проницаемостью  толщиной . Будем считать, что  < D, где
D - расстояние между пластинами конденсатора, а промежуток (D-)
198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
заполняется озонируемым газом, диэлектрическую проницаемость которого
примем равной единице.
При малом напряжение U электрический разряд ни в воздушном
промежутке (D-) , ни в диэлектрике толщиной  не возникает.
Распределение полей в этом случае описывается уравнениями:
уравнение напряжений U  ( D   )E  E
равенство электрических смещений
0E  0 E
(6.9)
(6.10)
Рис.6.3.схема разрядной области озонатора
Из уравнений (6.9, 6.10 ) значения напряженности электрического поля в
диэлектрике и в воздушном зазоре определяется выражениями
E 
E
U
( D   )  
U
( D   )  
(6.11)
(6.12)
Для наглядного представления, что произошло с электрическим полем
после того, как в воздушный конденсатор вложили диэлектрическую пластину,
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
преобразуем последние выражения в безразмерную форму, обозначая
безразмерность чертой над соответствующими величинами. Введем за единицу
новых измерений E0 =
U
- напряженность электрического поля в воздушном
D
конденсаторе до помещения в него диэлектрической пластины ( D - расстояние
между пластинами последнего).
Введем
 

< 1,
D
относительную
толщину
диэлектрической
пластины
относительные напряженности электрического поля в диэлектрике
E
E
E   и в воздушном промежутке E 
.
E0
E0
Формулы (6.11) и (6.12) в этом случае преобразовываются к виду
E
1
E   
E0   (  1)
E
Так как

  (  1)
(6.13)
(6.14)
0 <  < 1, то 0 < E < 1 и 1< E <  , то есть вложение
диэлектрической пластины ("барьера") в пустой конденсатор приводит к
уменьшению электрического поля внутри барьера 0 <E < E0 и его увеличению
в воздушном промежутке E0 < E < E0 . Так, например, диэлектрическая
проницаемость стекла с примесью окислов титана  = 4,2, напряженность
электрического поля в достаточно тонком воздушном промежутке (D-)<<D
будет увеличена почти в 4,2 раза по сравнению с E0 , а в достаточно тонком
стеклянном барьере  << D - уменьшена в то же число раз.
При увеличении приложенной к электродам разности потенциалов U в
первую очередь достигает значения электрического пробоя Er напряженность
электрического поля в воздушном промежутке ( Для сухого воздуха Er = 1,8106
В/м). Внутри диэлектрического барьера напряженность электрического поляв 
раз меньше, поэтому она не достигает значений пробоя ( например, для
кварцевого стекла Er = 30106 В/м). При достижении пробоя воздух в зазоре (D200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
) теряет свои диэлектрические свойства и начинается ионный процесс
переноса зарядов и выравнивание потенциалов на воздушном промежутке, в то
время, как в диэлектрике напряженность электрического поля возрастет до
значений
E 
U

.
Значение разности потенциалов Ur, при которой начинается
режим ионизации воздушного промежутка можно получить из формулы (6.11)

U r  Er ( D    )

Анализ
изменения
энергии
(6.15)
электрического
поля
при
переходе
напряжения через предел ионизации воздушного промежутка Ur показывает,
что этот предел может преодолеваться двумя путями - приданием U значения
выше Ur или уменьшением D, или смещением одной из пластин конденсатора.
Оба способа эквивалентны и будут освобождать энергию электрического поля.
Величину энергии конденсатора на единицу площади для условия U <
Ur можно записать как
W 
0 E2
2
 (D   )
0 E 2
2
(6.16)
или с учетом соотношений (6.11) и (6.12)
W
Максимальное значение
0U 2
2 D      
(6.17)
энергия достигает при выполнении условия
UUr :
Wr 
0U r2
2 D      
(6.18)
В момент достижения напряжения U > Ur воздушный промежуток будет
заполнен плазмой коронного разряда, энергия электрического поля в ней
уменьшится во много раз и ее уже можно не учитывать, но электрическая
энергия в диэлектрике возрастет до значения
Wr 
0U 2
2
201
[ Дж/м2]
(6.19)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, переход через потенциал зажигания Ur и обратно будет
сопровождаться обменом энергией "конденсатор  электрическая цепь"
порцией энергии, которую можно рассчитать как
Wr  S

0U r2  1
D 
 
  0,5U r2  C  CD  ,
2    D      2 

(6.20)

где S - площадь конденсатора.
Если такие переходы будут совершаться с частотой  ( [] = 1/сек), то в
рассмотрение можно ввести мощность обмена, аналог реактивной мощности в
теории переменного тока
Pr  Wr  0,5 ( C  CD )U r2
(6.21)
При каждом возникновении электрического разряда в воздушном
промежутке будет безвозвратно теряться энергия, которая частично идет на
химическое преобразование О2О3 ,
 E2
  2U 2 ( D   )
,
Wa  S 0
S 0
2
 D      2
(6.22)
что образует аналог активной мощности в теории электрических цепей
переменного тока
Pa  S
 0 2U 2 ( D   )
 D      2
(6.23)
Используя полученные выражения (6.21) и (6.23), коэффициент
полезного действия барьерного озонатора можно представить как

Pa
Pa  Pr
(6.24)
В связи с разнообразием сфер
применения
озона
в сельском
хозяйстве существует потребность в конструировании озонаторов с очень
разнообразными целевыми назначениями и с соответственно заданными
производительностью и концентрацией озона в выходящем газе.
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В
настоящее
время
разработано
большое
количество
конструктивных форм озонаторов. Между тем, принцип их действия основан на
идентичной физической модели, представленной на рис.
В озонаторе,
аппарате для электросинтеза озона (см. схему на рис.6.4.), газ пропускается
через узкий зазор (2) между электродами (1) и (4), подключенными к источнику
переменного электрического тока высокого напряжения. Между электродами
находится диэлектрический барьер (3), обеспечивающий тихий разряд, в
котором и
происходит образование озона.
Рис. 6.4. Физическая модель барьерного электрического озонатора
Интенсивность и эффективность процесса электросинтеза озона в
основном зависит от геометрических размеров разрядного промежутка,
частоты
и
амплитуды
диэлектрического
барьера,
напряжения
расхода
переменного
озонируемого
тока,
газа,
его
качеств
исходной
температуры и влажности, интенсивности теплоотвода от зоны разряда. Так
как при разработке новых конструкций озонаторов в настоящее
время
конструкторам приходится опираться, в основном, на результаты поисковых
физических экспериментов, то очень актуально получить возможность для
численных расчетов параметров и переменных конструируемых озонаторов в
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зависимости от требуемых производительностей и необходимых концентраций
озона.
Первое по времени удачное кинетическое уравнение синтеза озона в
проточных условиях было предложено Х.Беккером
a1
С
где
P
Q
P
a 2  a3
Q
(6.25)
С - объемная концентрация озона, а1, а2, а3, постоянные, Q -
объемный расход газа, P - мощность разряда.
Васильев С.С., Кобозев Н.И., Еремин Е.Н. предложили более
приемлемое кинетическое уравнение образования озона в виде:
k
С 0
k1
P
 k1 

1  e V  ,




(6.26)
где k0, k1- константы, соответственно, образования и разложения озона,
P - мощность разряда; V- объемный расход газа в единицу времени.
Расчеты по уравнению (6.26) достаточно хорошо согласуются с результатами
экспериментов при различных расходах газа, но только для малых значений
удельной энергии разряда
P
, означающей энергию разряда, приходящуюся на
V
единицу объема газа.
В работах Филиппова Ю.В., Кобозева Н.И. и др. экспериментально
установлена зависимость констант образования и разложения озона от
температуры.
Проведенное Филипповым Ю.В., Вобликовой В.А. и Пантелеевым
В.И. сравнение концентрации озона, рассчитанной по уравнению (6.26), с
результатами экспериментов, показало, что уравнение (6.26) не отражает
имеющего место в экспериментах значительного снижения концентрации
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
озона при переходе мощности разряда через некоторую точку экстремума.
Отсюда возникают предположения о том,
что изменение температурных
условий при повышении мощности разряда влечет за собой изменение поля
концентрации озона. Остается только установить аналитическую форму этой
зависимости.
Экспериментальные данные по температурному полю в зоне разряда
приводятся в работах Филиппова Ю.В., Вобликовой В.А., Пантелеева В.И.,
Самойловича В.Г., Гибалова В.И., Козлова К.В. и др. Они свидетельствуют об
изменениях температурных условий в газе как по длине, так и по ширине
разрядного промежутка. В одномерной постановке задача о распределении
температуры в разрядном
промежутке
рассмотрена Филипповым Ю.В.,
Вобликовой В.А. и Пантелеевым В.И. Однако учета влияния неоднородности
поля
температуры на пути
газа по разрядному промежутку на поле
концентрации озона ими не проведено.
Строгий учет фактора удельной энергии, входящего в уравнение
(6.26) и зависящего от времени пребывания газа в зоне
разряда,
требует
исследования характера течения газа и времени его пребывания в разрядном
промежутке. Учет неоднородности полей температуры и скоростей течения
газа является актуальной проблемой при уточнении теоретических основ для
расчетов барьерных электрических озонаторов.
Схема зависимостей выходных характеристик озонатора от его
входных параметров и переменных (см.рис.6.5),
возможные
позволяет
пути решения повышения энергоэффективности.
стрелок в схеме отражают
влияние
одних характеристик
рассматриваемого процесса на другие.
205
наметить
Направления
и
параметров
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.5. Схема зависимостей выходных характеристик озонатора от его входных
параметров
6.2. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СТЕРИЛИЗАЦИЯ ЖИДКИХ СРЕД
Обработанные ультразвуком растворы, эмульсии, суспензии и отвары в
течение некоторого времени после обработки остаются стерильными.
Работами И.Е. Эльпинера и др. установлено, что при ультразвуковом
воздействии
повышается
дезинфицирующим
веществам.
чувствительность
Поэтому
микроорганизмов
концентрации
антисептиков
к
и
консервантов в сочетании с УЗ обработкой могут быть уменьшены в десятки и
сотни раз.
Стерилизующее действие ультразвука проявляется на частотах 20 кГц и
выше, при интенсивности более 0,5 Вт/см2. Механизм стерилизующего
действия ультразвука весьма сложен и раскрыт не полностью. Доказано, что
основным стерилизующим фактором является кавитация.
При стерилизации различных жидких сред ультразвуком необходимо
учитывать следующее.
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Бактерицидное действие ультразвука зависит от состояния среды и ее
состава, а также от количества микроорганизмов. Так, в дистиллированной воде
процесс стерилизации происходит быстрее, чем в растворах солей, белков,
высокомолекулярных соединениях.
2. При ультразвуковой обработке в первую очередь погибают плесени,
затем дрожжи, слизеобразующие и в последнюю очередь – спороносные
бактерии.
3. Ультразвуком разрушаются кишечная, брюшнотифозная, дифтерийная,
сенная палочки, бациллы дизентерии, столбняка, сальмонеллы, кокки,
гонококки, трипаносомы, трихамонады, возбудитель паратифа, тифа и др.
4. При высоких интенсивностях ультразвука, т.е. в непосредственной
близости от рабочего инструмента, разрушаются вирусы табачной мозаики,
полиомиелита, энцифалита, сыпнотифозные, гриппа. Бактериофаги больших
размеров также чувствительны к действию ультразвука.
5. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость проявляют
штаммы туберкулезных палочек.
6. В ряде случаев 100 % стерилизации добиться невозможно, т.к. для этого
потребовалось бы бесконечно долгое время. Однако в течение 10–20 мин
ультразвуковой обработки в фитомиксере количество микроорганизмов
уменьшается до 1–10% от первоначального количества.
7. В сочетании с ультразвуком бактерицидными свойствами обладают
бура, сульфит и бисульфит натрия и калия, соли фенилртути, мертиолит,
кислоты,
отдельные
красители
(генциановый,
фиолетовый,
фуксин,
бриллиантовый зеленый), соли аммониевых соединений, окислители (хлор,
йод, перекись водорода), газы (озон, углекислый, сероводород).
На основании изложенного можно считать, что с помощью УЗ или
его сочетаний с антисептиками стерилизацию можно проводить значительно
быстрее, чем обычными способами, с меньшими экономическими затратами,
экономией антисептиков, сохраняя биологически активные вещества, ферменты
и витамины.
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ В
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Способ обеззараживания разработан основателем научной школы
профессором В.Н. Карповым и запатентован в 1997 году, как способ объемного
электромагнитного облучения поглощающих сред. Его научно-практическая
значимость доказана в работах . Способ реализован в технологических схемах
обеззараживания
технологических
сред
в
гидропонных
теплицах,
инновационных технологиях сублимационной сушки с комбинированным
энергоподводом и производства биогаза из отходов животноводческих ферм.
Практическое
недостатки
использование
предшествующих
способа
устраняет
технологических
схем
практически
и
дает
все
хороший
экономический эффект от внедрения в сельскохозяйственные производства.
Рассмотрим
пример
обеззараживания
воды
ультрафиолетовым
облучением. Ослабление УФ потока в воде подчинено закону Бугера:
Ф  Ф 0 e ah ,
(6.27)
где Ф – поток, прошедший сквозь слой высоты h; Ф0 – поток, падающий
на облучаемую поверхность; а – показатель ослабления потока в воде (для воды
из поверхностного источника а=0,2…0,3 1/см).
Гибель бактерий при УФ-облучении происходит в соответствии с
закономерностью
Б  Бо e

Εбt
Hб
,
(6.28)
где Б – число бактерий, оставшихся в живых после облучения; Бо –
начальное количество бактерий; Еб – бактерицидная облученность;
летальная доза облучения.
208
б
–
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для воды расчет ведется применительно к бактериям коли. Принимают
Б0=1000 бактерий на литр, Б=3 (Колииндекс), Н б  2,4
мб  с
.
см2
Определим высоту слоя hi, для которой неравномерность облучения по
высоте Z 
E min
 0,8 ; 0,8=е-0,2h; hi=1,1 см.
E max
Общая глубина воды h, на которой УФ - поток действует обеззараживающе, а сам поток ослабляется до 0,05 Ф0
0,05 = e0,2h; h=15 см.
Определяем число слоев на полной глубине n=h/hi=13, высота каждого
1,1 см, причем i=1 для верхнего слоя. Приведем для сравнения расчет
обеззараживания традиционным и предлагаемым способами.
Традиционный способ, при котором направления потоков воды и энергии
взаимоперпендикулярны.
Определим
доли
пропущенного
Ф1*  e 0,2h1
и
поглощенного каждым слоем потока по формуле:
 0 (1  e 0, 2 h1 )
 
 1  e 0, 2 hi
0
*
1
Ф1*= 0,8;
ΔФ1* = 0,2;
Ф2* = 0,64;
ΔФ2* = 0,16;
Ф3*= 0,51;
ΔФ3* = 0,13;
Ф4*= 0,4;
ΔФ4* = 0,11;
Ф5*= 0,33;
ΔФ5* = 0,07;
Ф6*= 0,27;
ΔФ6* = 0,06;
Ф7* = 0,21;
ΔФ7* = 0,06;
Ф8*= 0,17;
ΔФ8* = 0,04;
Ф9*= 0,14;
ΔФ9* = 0,03;
Ф10* = 0,11;
ΔФ10* = 0,03;
209
(6.29)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ф11* = 0,09;
ΔФ11*= 0,02;
Ф12* = 0,07;
ΔФ12* = 0,02;
Ф13*= 0,06.
ΔФ13*= 0,01.
Определим частоту удаления верхнего слоя для предлагаемого способа с
тем, чтобы рассчитать время облучения для традиционного способа. Примем,
что направленный поток облучения создает на поверхности облученность:
Ео  4
мб
.
см2
Для заданной степени обеззараживания воды (Б/Б0=0,003) запишем
0,003  e

Et
2,4
В этом выражении Et представляет собой дозу облучения, которая
обеспечивает требуемую степень обеззараживания, т.е. это произведение и
является нормируемой дозой Qн.
Qн
мбс
 1n0,003; Q н  5,81  2,4  13,9 2 .
2,4
см
Для принятого значения Е о  4
t
мб
получаем время облучения:
см2
Qн 13,9

 3,5 с.
E
4
Определяем число оставшихся в живых бактерий в намеченных слоях
(снизу вверх) после облучения в течение 3,5 с традиционным способом (т.е.
слои неподвижны), считая, что поверхность облучения равна 1 см 2 (это
позволяет считать Е=Ф0 на поверхности, а в толщине каждого слоя считать
число оставшихся в живых бактерий зависящим от поглощенного потока ∆Ф, а
не от облученности). То есть
Б1*
e

ΔФ1t
Нб
Учитывая, что ∆Фi=∆Фi*.4; t=3,5 с. Нб=2,4
210
мбс
, запишем:
см2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Б1*  e ΔΦ1 43,5/2,4  e ΔΦ1 5,81
*
(сомножитель 5,81 в показателе степени был ранее точно определен через
ℓn 0,003).
*
*
*
*
Б13
= е-0,015,81 = 0,94. Б12 = е-0,025,81 = 0,88. Б11 = е-0,015,81 = 0,88. Б10 = е-0,035,81
= 0,84.
Б *9 = е-0,015,81 = 0,84. Б *8 = е-0,045,81 = 0,79. Б *7 = е-0,065,81 = 0,70. Б *6 = е-0,065,81 =
0,70.
Б *5 = е-0,115,81 = 0,53. Б *4 = е-0,115,81 = 0,53. Б *3 = е-0,135,81 = 0,47. Б *2 = е-0,165,81 =
0,39.
-0,025,81
Б1* = е
= 0,31.
В верхнем слое традиционный способ не обеспечивает за 3,5 с нужный
эффект обеззараживания (0,31>>0,003). То есть, если бы поток воды толщиной
в один слой перемещался горизонтально, то условная смена слоя должна была
бы происходить реже, чем через 3,5 с из-за потерь излучения.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
При перемещении слоя снизу вверх в облучаемом объеме в каждой
позиции i им поглощается определенный поток ∆Фi. Для трех смежных слоев
можно записать ∆Ф как разницу между падающим и прошедшим сквозь слой
потока-ми:
∆Ф(i-1) = Ф(i-1) пад -Ф(i-1) прош.
∆Ф(i) = Ф(i) пад -Ф(i-1) прош.
∆Ф(i+1) = Ф(i+1) пад -Ф(i+1) прош.
Необходимо учесть, что Ф(i-1) прош.= Ф(i)
пад,
Ф(i)
прош.=
Ф(i+1) пад. Поэтому
при сложении ∆Ф в правой части остается только сумма двух крайних
слагаемых, т.е. ∆Ф=Ф(i-1)пад - Ф(i+1) прош.. Для слоя, прошедшего все позиции от
нижней до верхней ∆Ф=Ф0-0=Ф0 (где Фо – поток, падающий на поверхность
облучаемого объема). В каждой позиции за время tc слой поглотит энергию
tc∆Ф.
За
полный
цикл
перемещения
211
энергия
будет
равна:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
 t c ΔΦ i  t c  Φ i  t c  Φ 0 .
При правильной организации процесса облучения
n
эта энергия должна иметь то значение, которое обеспечивает ожидаемый
эффект облучения и которое должно быть равно нормируемому параметру Qн.
Таким образом, должно соблюдаться условие Qн = tсФ0. Отсюда частота снятия
слоев f 
1 Φ0
.

t c Qн
Для принятых в примере параметров и для условия единичной поверхности определим частоту удаления верхнего слоя:
f
Φо
4

 0,29 1/с .
Qн 13,9
Соответственно время облучения этого слоя в верхней позиции
tc=1/f=3,45 c (в примере при прямом расчете tc=3,5 с). Эффект обеззараживания
с учетом перемещения слоя вверх определяем в соответствии с выражением:
Б*i  Бi1  Бi
*
Значение Б i 1 показывает относительное количество оставшихся в живых
бактерий в позиции i+1 за время пребывания в ней слоя в течение 3,5 с
*
(значения Б i заимствуются из предыдущего расчета, а Б *i +1 определяется в
рассматриваемом примере).
*
*
*
 = 0,94. Б12
 = 0,94  0,88 = 0,83. Б11
 = 0,83  0,88 = 0,73. Б10  =
Б13
*
0,73 0,84 = 0,61. Б *9  = 0,61  0,84 = 0,51. Б *8  = 0,51  0,79 = 0,40. Б *7  = 0,4  0,7
= 0,28.
Б *6  = 0,28  0,7 = 0,19. Б *5  = 0,19  0,53 = 0,10. Б *4  = 0,1  0,53 = 0,053.
Б *3  = 0,053  0,47 = 0,025. Б *2  = 0,025  0,39 = 0,010. Б1*  = 0,01  0,31 =
0,0031.
Требуемый результат обеззараживания в удаляемом слое достигнут (т.к.
0,0031  0,003) при рассчитанной частоте удаления слоев f=0,29 1/с.
212
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При перемещении слоев сверху вниз, т.е. при удалении слоев в нижней
части облучаемого объема, расчет выполняется аналогично.
Б1*  = 0,31. Б *2  = 0,31  0,39 = 0,12. Б *3  = 0,12  0,47 = 0,056. Б *4  = 0,056
.
0,53 = 0,03. Б *5  = 0,056 0,53 = 0,016. Б *6  = 0,016  0,7 = 0,011. Б *7  = 0,011  0,7
= 0,008.
Б *8  = 0,008  0,79 = 0,0063. Б *9  = 0,0063  0,84 = 0,0053. Б10  = 0,0053 
*
*
*
*
0,84 = 0,0044. Б11
 = 0,0044  0,88 = 0,004. Б12
 = 0,004  0,88 = 0,0035. Б13
=
0,0035  0,94 = 0,0033.
Требуемый уровень обеззараживания также достигнут (0,0033  0,003).
Результаты обеззараживания воды представлены на рис. 6.6. Кривые
показывают преимущество предлагаемого способа, т.к. требуемый результат
традиционным способом не достигнут (за то же время и при больших затратах
энергии).
. На самом деле в ЭТП происходят одновременно два процесса,
контролируемых законами сохранения – для технологической среды и для
подводимой энергии. При этом параметры движения среды считаем заданными,
т.к. целью ЭТП является обеспечение заданного значения производительности
результата, следовательно, производительности по массе среды. Условно
разделим движение среды на два участка – вертикальный со скоростью vв и
горизонтальной со скоростью vг. Если задана массовая производительность при
известном сечении выхода Аг, то это означает, что задана выходная
(горизонтальная) скорость. При известной площади сечения вертикального
потока среды Ав должно соблюдаться равенство:
Ав  vв  Аг vг
(6.30)
Оно дает основание считать заданной и вертикальную скорость. Обратим
внимание на то, что в процессе движения среды также как для энергии имеется
213
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
два взаимно перпендикулярных направления. Но принципиальное отличие заключается в том, что в случае с энергией процесс происходит в общем объеме, а
в случае движения среды – в сопряженных объемах.
Рис. 6.6. Результаты обеззараживания воды
Однако в обоих случаях составляющая потока через боковую поверхность представляет собой интеграл по длине пути движения. В рассматриваемой модели
Р в  Р н   Р(h)dh.
(6.31)
Если учесть, что dh=vвdt, то выражение примет вид:
Рн  vв  P[h(t)]dt
(6.32)
t
Таким образом, по заданной скорости, конструктивным параметрам
совмещенного объема и известным свойствам среды определяется подводимая
мощность.
214
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.4. ИНАКТИВАЦИЯ МИКРОФЛОРЫ МОЛОКА УФ - ИЗЛУЧЕНИЕМ
Установка для инактивации микрофлоры молока УФ-излучением (рис. 6.7)
изготовлена на базе молочного сепаратора. Ротор 1 закреплен на вертикальном
валу 2. Ротор состоит из двух соосных цилиндров: внешнего 3, изготовленного
из кварцевого стекла и внутреннего 4, выполненного из нержавеющей стали. В
центральной части ротора установлен цилиндр 5 малого диаметра (полый вал),
предназначенный для подачи молока в рабочую камеру барабана 7 через
впускные отверстия 13. Отвод обработанного молока производится через
отверстия 8 и патрубок 9. По периферии ротора на кожухе 11 установлены
ультрафиолетовые лампы 10. Молоко принудительно через вертикальный
входной патрубок 12 подается через отверстия 13 в рабочую камеру 7 ротора
центрифуги 1.
При вращении ротора 1 под действием центробежных сил бактерии,
находящиеся в дисперсной среде и имеющие плотность большую, чем
плотность этой среды, перемещаются от центра к периферии и располагаются
тонким слоем (толщина слоя определяется размерами бактерий) на внутренней
поверхности внешнего кварцевого цилиндра. Этот слой обличается УФ лампами 10. Корпус 11 служит защитным экраном от УФ - излучения.
Для полной инактивации микроорганизмов молока требуется УФ облучение с энергетической экспозицией 210... 250 Дж/м .
Расчет параметров производится по формуле:
V  8,77n 2  R  r 2  б   м  /  ,
где n – частота вращения ротора в центрифуге, 1/с;
цилиндра, м ; r – минимальный размер бактерий, м;
и молока, кг/м;

(6.33)
R–
радиус внутреннего
б и  м –
плотность бактерий
– среднее значение динамической вязкости молока, Па·с.
Время перемещения бактерий от стенки внутреннего цилиндра до зоны
облучения:
t
h
,
v
215
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где h– толщина слоя молока, м.
Производительность установки при n=200 1/с; D2=0.325 м и высоте ротора
0,5 м равна 1090 кг/ч. Повышенная эффективность инактивации обеспечивается
тем,
что
облучению
подвергаются
все
микроорганизмы
молока,
сосредоточенные в тонком периферийном слое, а все компоненты молока
(жиры, белки и др.) экранированы слоем микроорганизмов от воздействия УФ излучения.
9
12
11
10
8
10
11
6
7
5
4
3
13
1
2
Рис. 6.7. – УФ – установка инактивации молока: 1 – ротор; 2 – вал; 3 – цилиндр из кварцевого
стекла; 4 – внутренний цилиндр; 5 – полный вал; 6 – ввод молока; 7 – рабочая камера; 8 – отверстия;
9 – патрубок; 10 – УФ – лампы; 11 – кожух; 12 – входной патрубок; 13 – впускные отверстия
6.5. ДЕЗИНСЕКЦИЯ ОТХОДОВ КОНДИТЕРСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
(КАКАОВЕЛЛЫ) В ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИКОРМОВ
Какаовелла составляет 15% от массы дорогостоящего импортного
сырья семян какао-бобов и является побочным продуктом (отходом)
перерабатывающей промышленности.
содержится
белок,
крахмал,
Между тем,
дубильные
в какаовелле
вещества,
алкалоид,
аминокислоты (лейцин, изолейцин, аланин, валин, тирозин, фениланин),
216
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
клетчатка, крахмал, пектин и пентазан. На долю углеводов приходится
41 - 46%, массовая доля белка, клетчатки и пентозанов превышает их
массовую долю в ядре.
Содержание витаминов в какаовелле в два раза
выше, чем в ядре какао - бобов.
Использование такого ценного по
химическому составу вторичного сырья в производстве комбикормов
ограничено отсутствием технологии переработки, обеспечивающей его
энергоэффективное обеззараживание и дезинсекцию. При использовании
существующих способов дезинсекции (термическая обработка, облучение
СВЧ)
теряются
витамины
и
полезные
свойства
продукта.
При
дезинсекции инсектицидом, фосфином и бромистым метилом на
обрабатываемых продуктах остаются следы этих веществ. Дезинсекция
какаовеллы инфракрасным объемным облучением в псевдоожиженном
слое
с
ультазвуковой
активацией
позволяет
избежать
данных
недостатков.
Использование объёмного облучения в дисперсной среде -какаовелле,
находящейся во взвешенном
состоянии, позволяет
осуществлять
технологический процесс дезинсекции принципиально новыми возможностями:
- значительно снижать неравномерность облучения материала;
- осуществлять циклический процесс облучения с любыми временными параметрами цикла;
- проводить одновременно многоцелевую обработку материала при
оптимальных параметрах псевдоожиженного слоя;
- автоматизировать управление процессом по качеству.
Использование ультразвука обеспечивает импульсное псевдоожижение,
способствующее устранению застойных зон и агломерации твердой фазы,
увеличению турбулизации потока, снижению продольного перемешивания,
уменьшению внешнедиффузионного сопротивления, что улучшает качество
псевдоожижения при одновременном снижении энергозатрат.
Способ дезинсекции каковеллы в псевдоожиженном слое объемным
облучением имеет следующие преимуществам:
217
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- экономия энергии при дезинсекции;
- сохранение витаминов и полезных свойств кормового сырья какаовеллы;
- отсутствие
остаточных
химических
веществ
на
обработанном
продукте;
- аналитически прогнозируемые параметры процесса дезинсекции при
масштабном
переходе
к
крупнотоннажным
комбикормовым
производствам.
6.6. ДЕЗИНФЕКЦИЯ ЗЕРНА И СЕМЯН ЭНЕРГИЕЙ СВЧ
Повышенное влагосодержание и легкодоступные питательные веществ
зерна являются благоприятной средой для развития микрофлоры. В результате
зерно быстрее и в большей степени поражается грибком.
Эффективной мерой борьбы с зараженностью зерна микроорганизмами
является тепловая обработка, в частности, использование для этой цели СВЧ –
энергии, которая обладает высоким бактерицидным действием.
Обработка зерна в поле СВЧ на ленте транспортера в непрерывном потоке
под излучателем СВЧ в виде усеченного волновода при частоте поля 2375 МГц
в слое толщиной 20 мм в течение 1,5… 2 мин показала, что температура зерна
составила 600С, в обработанном зерне количество бактерий и плесневелых
грибов уменьшилось на 90...95 %.
Снижение содержания микрофлоры зерна обусловлено высокой скоростью
нарастания температуры микроорганизмов при воздействии СВЧ - энергии. За
одну секунду она повышается на несколько градусов, причем нагрев идет
изнутри организма. Вследствие этого происходит термоудар клеток живого
организма.
СВЧ энергию используют также для предпосевной обработки семян (ПОС).
При этом поверхность семян увлажняют и помещают семена на несколько
секунд в поле высокой частоты, в котором они интенсивно нагреваются (в
218
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
основном, увлажненная поверхность).Таким образом уничтожаются вредные
микроорганизмы, вирусы и бактерии и одновременно стимулируется всхожесть
семян. В результате ПОС урожайность культур повышается на 10…25 % по
сравнению со способами химического протравливания.
При предварительном увлажнении (20...30 кг воды на 1 т
семян)
поверхность зерен хорошо смачивается Поскольку споры грибов и твёрдой
головни
обладают
большой
влагопоглотительной
способностью,
они
впитывают воду в десятки раз быстрее, чем зерно. Через 3…15 мин сухие
споры набухают, влажность их достигает 80…90 %. Семена же за этот
промежуток времени не успевают увлажниться и остаются сухими. При
помещении таких семян в поле СВЧ основная часть энергии поглощается
спорами и поверхностью пленки воды, и они интенсивно нагреваются. При
этом споры гибнут, а температура семян повышается незначительно. Кроме
того, в данном случае благодаря прогреву семян стимулируется рост и развитие
растений.
Однако обеззараженные таким способом семена при попадании в почву
легко заражаются инфекциями из почвы и воздуха. Следовательно, необходимо
не только обеззараживать семена, но и защитить их от воздействия вторичной
инфекции в период прорастания.
Для достижения этой цели при увлажнении семян в воду добавляют
микроэлементы
и
клеющие
вещества.
Микроэлементы
подбирают
в
зависимости от вида почвы и сельскохозяйственных культур. Обычно
применяют те, которых недостает в семенах. В качестве клеющих веществ
используют полимеры из отходов фенольной промышленности, например
латекс.
В результате СВЧ - обработки поры погибают, а микроэлементы, благодаря
клеющим веществам в виде сухой пленки остаются на поверхности семян и
защищают их от поражения болезнями в период прорастания.
Технологическая схема обработки семян такова (рис. 6.8).
219
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 11.19 – Установка для дезинфекции семян и зерна: 1 – накопительный
бункер;
2 – транспортер; 3 – объёмный резонатор; 4 – магнетрон; 5 – блок питания
Семена подают в смеситель, куда поступает раствор микроорганизмов
температурой 10...200C в количестве 10…15 л на 1 м3 зерна. После
перемешивания зерно попадает в бункер-накопитель 1, где его выдерживают в
течение 0.5...3 мин, а затем транспортером 2 переносят в объемный резонатор 3
для обработки в поле СВЧ. Подача энергии в объемный резонатор
осуществляется от магнетрона 4 через функциональный блок 5 питания.
Обработанное зерно по транспортеру поступает в приемный бункер.
Дезинфекция зерна и семян энергией СВЧ является эффективной мерой
обеззараживания.
Дальнейшее
совершенствование
данного
направления
позволит повысить урожайность сельскохозяйственных культур и снизить
энергоемкость продукции.
220
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антошин О.А., Белогловский А.А. и др. Высоковольтные технологии. – М.:
Изд-во МЭИ, 1999. – 204с.
2. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. – М.: Высшая школа. 1984. –
519 с.
3. Андронов С.Ф. Электроконтактная шовная наварка металлических лент и
порошков //Сварочное производство. – 2001. №12. – с. 25 – 26.
4. Андронов С. Ф., Гарипов Б. М. Электроконтактная наплавка порошковополимерных материалов //Сварочное производство. – 2000. №5. – с. 6 – 7.
5. Ахиезер А.И., Ахиезер И.А. Электромагнетизм и электромагнитные волны.
– М.: Высшая школа. 1985.
6. Багаев А.А., Багаев А.И., Куликова Л.В. Электротехнология: Учебное пособие. Барнаул: Изд–во АГАУ, 2006. – 315 с.
7. Баранов Л.А., Захаров В.А. Светотехника и электротехнология. Учебное
пособие. – М.: КолосС, 2006. – 344с.
8. Барон Ю.М. Магнитно–абразивная обработка изделий и режущих инструментов. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие, 1986. – 176с.
9. Барсуков Р.В. Исследование процесса ультразвукового воздействия на технологические
среды
и
повышение
эффективности
технологических
аппаратов: автореф. ... канд. техн. наук: Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. - Бийск, 2005. - 22 с.
10. Басов А.М., Быков В.Г. и др. Электротехнология.– М.: Агропромиздат,
1985.– 256 с.
11. Беззубцева М.М. Специальные виды электротехнологии. Электрофизическая, электрохимическая и электробиологическая обработка материалов.
Конспект лекций. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2008. – 48с.
12. Беззубцева М.М., И.Н. Назаров. Электромагнитный способ диагностики загрязненности технологических сред. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2009.
– 94с.
221
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. Беззубцева М.М., Тюпин С.В. Ультразвуковые технологии в овощехранилищах. Монография. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2009. – 108с.
14. Беззубцева М.М., Мазин Д.А. Энергетика технологических процессов в
АПК. Лабораторный практикум. – СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2009. – 122 с.
15. Беззубцева М.М., Волков В.С. Электротехнология. Практикум по электротехнологическим расчетам. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2009. – 147с.
16. Беззубцева М.М. Электромембранная технология. Учебно-методическое
пособие. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2009. - 48с.
17. Беззубцева М.М., Волков В.С. Энергетика технологических процессов в
АПК. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2008. – 254с.
18. Беззубцева М.М., В.Н.Карпов, Волков В.С. Обеспечение безопасности сельских регионов путем мониторинга энергетических систем и совершенствования технических средсв. Монография. –СПб: Изд-во СПбГАУ,
2009. - 264с.
19. Беззубцева М.М., В.Н.Карпов, Волков В.С.Энергетическая безопасность
АПК. Учебное пособие. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2012. – 264с.
20. Беззубцева М.М., Халатов А.Н. Магнитные мешалки. Теория и технологические возможности. Монография. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2009. – 124с.
21. М.М. Беззубцева. Практикум по процессам и аппаратам. Учебное пособие. –
СПб.:Изд-во СПбГАУ, 2005, – 150с.
22. Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки.
Учебное пособие. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2011. – 254с.
23. Беззубцева М.М., Ковалев М.Э. Электротехнологии переработки и хранения
сельскохозяйственной продукции. Учебное пособие. – СПб:
Изд-во
СПбГАУ, 2012. – 258 с.
24. Беззубцева М.М. Теоретические основы электромагнитного измельчения –
СПб: Изд-во СПбГАУ, 2005. – 158 с.
25. Беззубцева М.М., Волков В.С. Теоретические основы электромагнитной
механоактивации. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2012. – 258 с.
222
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26. Беззубцева М.М., Зубков В.В.
Экспресс диагностика эффекта намола с
использованием методов элктротехнологий. //Научное обеспечение Развития АПК в условиях реформирования. – СПб: Изд-во СПбГАУ, 2011. С.
332 – 337.
27. Беззубцева М.М., Назаров И.Н. Исследование электромагнитного способа
оценки
степени
загрязненности
технологических
сред
примесями
Энергетический вестник СПбГАУ, 2010
28. Беззубцева М.М Волков В.С. Перспективы использования какаовеллы в
кормопроизводстве и энергосберегающая технология ее переработки.
Материалы
Междунар.
агропромышленного
конгресса
//
«АГРОРУСЬ-
2010» . Инновация – основа развития агропромышленного комплекса. –
Спб.: Ленэкспо. –2009. С. 75. М.М.
29. Беззубцева,
А.В.
Котов.
Нормализация
удельного
электрического
сопротивления воды для котлов. Мет. указания. – СПб: Изд-во СПбГАУ,
2008. – 16 с.
30. М.М. Беззубцева. Будущее энергетики человечества. Конспект лекций. –
СПб: Изд-во СПбГАУ, 2008. – 48 с.
31. Беззубцева
М.М.,
Волков
В.С.
Повышение
энергоэффективности
безотходной технологии производства корма. Материалы Международной
научно-практической конференции / Под.ред. А.В. Павлова. – Саратов:
Издательство «КУБиК», 2019. С.85–91
32. Беззубцева М.М. Электромагнитный плотномер. Свидетельство РФ на
полезную модель № 11343. Опубл. 27.09.1997.
33. Белый И.В., Фертик С.М. и др. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. Харьков: Вища школа. 1977. –248 с.
34. Басов А.М. и др. Электротехнология. – М.: Агропромиздат. 1985. – 256 с.
35. Болога М.К., Савин И.К. Электрогидродинамические испарительно-конденсационные системы/Под ред. Л.Л. Васильева; АН Респ. Молдова; Ин-т
прикл.физики. – Кишинев: Штиинца, 1991. –276 с.
223
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
36. Болога М.К., Литинский Г.А. Электроантисептирование в пищевой промышленности. – Кишинев: Штиница, 1988. – 92 с.
37. Болотов А.В., Шепель А.В. Электротехнологические установки. – М.: Высшая школа. 1988. – 366 с.
38. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. Научный аналитический
обзор. Москва. 2007
39. Бойко Н.И. Высоковольтные импульсные электротехнологии очистки и
обеззараживания воды и газовых выбросов //Вода и экология, 2008, N1.
С.60–72.
40. Булыжев Е.М., Богданов А.Ю. Математическое моделирование и исследование технологии и техники применения смазочно-охлаждающих жидкостей в
машиностроении и металлургии. – Ульяновск: УлГТУ, 2001. – 126 с.
41. Бутков В.В., Вишняков В.В. Процессы и аппараты химической технологии с
использованием электрических полей. – М.: НИИТЭХИМ, 1982. – 48 с.
42. Верещагин И.П., Котлярский Л.Б.и др. Технология и оборудование для
нанесения
полимерных
покрытий
в
электрическом
поле.
–
М.:Энергоатомиздат, 1990. – 132 с.
43. Верещагин И.П., Левитов В.И. и др. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. – М.: Энергия, 1974. – 132 с.
44. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 198 с.
45. Ветошкин А. Г.. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 2008. – 639с.
46. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы. Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. –188с.
47. Воропай Л.М. Гительман Е.Б. Игнашева С.И. О возможности применения
ионизационного способа для очистки промышленных газовых выбросов от
органических соединений //Экология промышленного производства, 2003,
N2.C.62-64.
224
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48. Вигдорович В.Н., Исправников Ю.А., Нижаде-Гавгани Э.А. Проблемы
озонопроизводства и озонообработки и создание озоногенераторов второго
поколения, –Москва ( Шатура) - Санкт-Петербург (Колпино), 1994. –105 с.
49. Вячеславов П. М., Волянюк Г. А., Электролитическое формование. – М.:
Высшая школа, 1979. – 139с.
50. Казначей Б. Я., "Журнал Всесоюзного химического о-ва им. Д.И. Менделеева", 1980, т. 25, № 2, с. 192-202
51. Грановский М.Г., Лавров И.С., Смирнов О.В. Электрообработка жидкостей.
– Л.: Химия, 1976. – 216 с.
52. Глуханов Н.П., Федорова И.Г. Высокочастотный нагрев диэлектрических
материалов в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1983. – 160 с.
53. ГОСТ 121006–84 Электромагнитные поля радиочастот.
54. ГОСТ 121002–84. Электромагнитные поля для промышленной частоты.
55. Дончева А. В., Дьяконов К. Н. Экологическое проектирование и экспертиза.
Учебник. – М.: Изд-во «Аспект-пресс», 2002. – 139с.
56. Дончева А. В. Покровский С. Г. Основы экологических технологий производства.– М.: Изд-во Московского университета , 1999. – 170с.
57. Душкин С.С.. Евстратов В.Н Магнитная водоподготовка на химических
предприятиях. – М.: Химия, 1986.– 144 с.
58. Драганов Б.Х.., Кузнецов А.В., Рудобашта С.П. Теплотехника и применение
теплоты в сельском хозяйстве. – М.: Агропромиздат, 1990.–463 с.
59. Ерошов А.И. Радиационная инактивация возбудителей инфекционных
болезней в животноводческих стоках – Автореф. дис. канд. техн. наук. –
Минск., 1992 . – 33 с.
60. Жданов В.М. Ролдугин В.И, Шерышева Е.Е. О газоразделительных свойствах бислойных пористых мембран//Коллоидный журнал, 2010, N5. С.627–
634.
61. Малкин В.П. Кузин В.И. Обезвреживание промышленных сточных вод
термическим методом//Экология и промышленность России, 2001, N6.С.912.
225
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62. Каган Н.Б., Кауфман В.Г. Электротермическое оборудование для с.х. производства. – М.: Энергия, 1980.–192 с.
63. Каминский А.М., Живописцев Е.Н. Элктронно – ионная технология в сельскохозяйственном производстве. – М.: Агропромиздат. 1985. – 93 с.
64. Келлер, О.К. Ультразвуковая очистка [Текст] / О.К. Келлер, Г.С. Кро-тыш,
Г.Д. Лубяницкий. – Л.: Машиностроение, 1977. – 325 с.
65. Ильин С. Н. Ресурсосберегающая технология переработки свиного навоза с
получением биогаза: автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.20.01– Улан-Удэ:
2005. – 23 с.
66. Карасенко В.А. Использование электрического тока для обработки кормов //
Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1983. – N9. С.44–46.
67. Карнаушкин Ю., Борисов Н. и др. Коррозия, старение, биоповреждения и
защита от них. // Стандарты и качество. 2001, № 2.
68. Карпенко В. М., Катренко В. Т., Пресняков В. А. Электроконтактная наплавка с применением порошковых материалов, заключенных в металлическую оболочку //Автоматическая сварка. – 1999. – №5. – с. 56
69. Карпенко В. М., Катренко В. Т., Пресняков В. А.В. Электроконтактная
наплавка порошковых материалов в металлической оболочке Краматорск.:
КИИ, 1999, 126 с.
70. Карпов
В.Н.,
Юлдашев
З.Ш.
Энергосбережение.
Метод
конечных
отношений: монография.– СПб.: СПбГАУ. –2010.
–147 с.
71. Карпов В.Н., Беззубцева М.М. и др. Способ контроля и управления энергопотрелением. Патент № 2212746 РФ. Опубл. 20.09.2003. Бюл. № 26.
72. Карпов В.Н. Способ объемного электромагнитного облучения поглощающих сред. Патент № 2073527 РФ. Опубл. 20.02.97. Бюл. № 5
73. Карпов
В.Н.
Фотометрические
основы
повышения
эффективности
использования электроэнергии в облучательных установках: Учеб. пос. – Л.:
ЛСХИ, 1984. – 32 с.
226
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
74. Карпов В.Н., Ракутько С.А.. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах. Патент № 2357342 РФ .Опубл. 27.05.2009. _Бюл. №15.
75. Карпов В.Н., Ракутько С.А. Измерительно-вычислительный комплекс
периодического контроля и тестирования источников света для облучения
растений. Патент № 2368875 РФ. Опубл. 27.09.2009. Бюл.№27.
76. Карпов В.Н. О содержании специальных дисциплин для подготовки энергосервисных
специалистов
в
АПК.
//
Материалы
Междунар.
агропромышленного конгресса «АГРОРУСЬ-2010» «Инновация – основа
развития агропромышленного комплекса». – Спб.: Ленэкспо. –2010. С. 66
77. Карпов В.Н., Зарубайло В.Т., Саакян А.З. Сборник избранных научных статей сотрудников ОНИЛ кафедры « Электротехнологии в сельском хозяйстве». СПб: СПБГАУ, 2009. - 252с.
78. Келлер, О.К. Ультразвуковая очистка [Текст] / О.К. Келлер, Г.С. Кро-тыш,
Г.Д. Лубяницкий. – Л.: Машиностроение, 1977. – 325 с.
79. Классен В.И. Омагничивание водных систем. – М.: Химия, 1982. –296 с.
80. Клименко Ю. В. Электроконтактная наплавка. Москва.: «Металлургия»,
1998, 128 с.
81. Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. – М.: Агропромиздат. 1991. – 239 с.
82. Концепция энергетического обеспечения сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономики. – М.:РАСХ, ВНИИЭСХ,
ВНИИМСХ, 1993. – 22 с.
83. Коробова Н.Л. Аэробиологический мониторинг: методы визуальной биоиндикации загрязнения атмосферы//Инженерная экология, 2010, N2.-с.56-60.
84. Колесников Е. В. Создание системы технико-экономических расчетов и
средств для обеспечения максимальной эффективности электротехнологических процессов и установок. Автореф. дисс… док. техн. наук. –М:
2006. – 44 с.
227
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
85. Костюченко С.В., Васильев С.А. Технологическое обследование очистных
сооружений канализации и выбор УФ-оборудования // Водоснабжение и
санитарная техника. – 2000. - № 10. – с. 16 – 17.
86. Круглицкий Н.Н., Ничипоренко С.П Физико–химическая механика дисперсных структур в магнитных полях. Киев Наук думка. 1976, –193с.
87. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев магнитной стали на промышленной
частоте //Электротехнология. Т.2./ВИНиТИ. – М, 1976.–С22–28. (Итоги
науки и техники).
88. Кузьминых Ю.В. Международная практика квотирования выбросов загрязняющих
веществ
и
парниковых
газов//Правовые
вопросы
охраны
окружающей среды. Экспресс-информация, 2007, N9. С.22-29.
Кузнецов В.А. Способ охлаждения озонатора. Патент № 4952761/26
РФ. Опубл. 12.05.91.
89. Кузнецов В.А. Математическая модель тепломассообмена в барьерном
электрическом озонаторе //Основные направления
научно-методических
исследований преподавателей физико-математического факультета. –
Магнитогорск: Магнитогорский пединститут,1992.С.10– 16.
90. Кузнецов В.А. Алгоритм и программа математической модели барьерного
электрического озонатора (с примерами расчетов)/Магнитогорский гос.
пед.ин-т. – Магнитогорск,1993.-80 с.- Рукопись деп. в ВИНИТИ N 2592–
В93 от 15.10.93 (РЖ "Электроника".-1994.– N 8. – А89)
91. Кузнецов В.А. Исследование динамики работы барьерного электрического
озонатора без принудительного охлаждения//Наука-ВУЗ - Школа: Тезисы
докладов
31-й
научной
конференции
преподавателей
МГПИ.
–
Магнитогорск,1993.С.247– 248.
92. Куликова Л.В. Электротехнология в кормопроизводстве: Учебное пособие/
Алт.гос.ун–т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд–во АлтГТУ, 2001. – 28 с.
93. Куликова Л.В., Багаев А.И., Багаев А.А. Электротехнологические установки
сельскохозяйственного производства: Учебное пособие: В 3-х ч. Ч. 3. / Алт.
гос. техн. ун–т им. И.И. Ползунова. –Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998. – 98 с.
228
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
94. Куликова Л.В., Никольский О.К. Численный анализ энергетических соотношений поляризованной среды при воздействии ЭМП на растительные
материалы // Вестник АлтГТУ им. И.И. Ползунова / Алт. гос. техн. ун-т им.
И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000, №3. С. 192–196.
95. Куликова Л.В. Моделирование ЭМП в неоднородных средах // Вестник
ЧГАУ. – Челябинск. – 1998. – Т.25. С. 86–92.
96. Куликова Л.В. Интенсификация электротехнологических процессов в кормопроизводстве
на
основе
использования
электромагнитного
поля:
Автореф. дисс… док. техн. наук. – Барнаул: АЛТГТУ, 2001. – 44 с.
97. Клименко Ю. В. Электроконтактная наплавка. – М.: «Металлургия», 1998, –
128 с.
98. Леонов В.В., Зиновченко А.Н. Исследование вращающегося электрического
поля тока в проводящем слое//Известия вузов. Электромеханика, 1981.–
№1.–С.11–15.
99. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. – Киев: Техника, 1976.
100.
Лившиц
П.Л.,
Отто
М.Ш.
Импульсная
электротехника.
–
М.:
Агропромиздат. 1983. – 140 с.
101. Маноилов В.Е. Основы электробезопасности. – Л.: Энергоатомиздат. Ленигр. отд–ние. 1991 –480 с.
102. Мешков А.А., Ровба В.В., Коновцев С.А. Электроэнергетический агрегат
для уничтожения сорных растений // Использование электронно-ионной
технологии: Сб. научн. трудов ЧИМЭСХ. – Челябинск, 1985. с
103. Мирдель Г. Электрофизика. – М.: Мир, 1972. – 608 с.
104. Молоснов Н.Ф., Антонов Ю.М. Эффективное энергообеспечение и
энергосбережение в АПК. // Техника в сельском хозяйстве, 2004, №5. С.37 –
38.
105. Морозов Н.М. Экономические и социальные аспекты энергосбережения в
животноводстве // Механиз. и электриф. с.х.–№12.–1998.–С.8–10.
229
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
106. Немчин А.Ф. Новые технологические эффекты тепломассопереноса при
использовании кавитации // Пром. теплотехника. – 1997. – Т. 19, № 6. – С.
39 – 47.
107. Николаев В. П. Неорганическая химия: М.: «Наука». – 1984.
108. Новиков А.Н. Суровцева Е.С. Инновационно – инвестиционня сфера в
системе управления отходами производства и потребления//Инженерная
экология, 2004, N2. – C.25– 34.
109. Остроумов С.А. Об экологическом механизе формирования качества
воды в водных объектах. Элементы теории и ее приложения//Вода и экология, 2004, N3. – C.66– 74.
110. Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц. СН №
3206–85.
111. Попов В.М. Выбор параметров электропропольщиков // Применение
электромагнитных полей в процессах сельскохозяйственного производства:
Сб. науч. трудов ЧИМЭСХ. – Челябинск, 1986. с. 39–41.
112. Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве. Справочник. Под ред. Акад. ВАСХНИЛ П.Н. Листова. М.: Колос,
1974. –623 с.
113. Применение метода магнитной обработки для интенсификации технологических процессов /Н.А. Розно, В.Г. Зерницкий, Я.И. Мисулович и др. –
М.: НИИТЭХИМ, 1987. – Вып. 4. – 44 с.
114. Проектирование
комплексной
электрификации/Л.Г.Прищеп,
А.П.Якименко, Л.В.Шаповалов и др.; Под ред. Л.Г. Прищепа. –М.: Колос,
1983.–271 с.
115. Промтов М.А.Машины и аппараты с импульсными энергетическими
воздействиями на обрабатываемые вещества: Учебное пособие. – М.:
«Издательство Машиностроение-1», 2004. – 136 с.
116. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электротехника сверхвысоких частот –
М.: Радио и связь, 1981. 350 с.
230
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
117. Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов –
М.: Агропромиздат, 1988. с–650.
118. Приходько С.П. Магнитно-абразивное полирование с применением индукторов на постоянных магнитах. Автореф. дисс. канд. техн. наук. — Л.,
1983. – 20с.
119. Радж Балдаев Применения ультразвука. – М.: Издательство Техносфера,
Паланичами, 2006. – 576 с.
120. Рогов И.А., Некрутман С.В., Лысов Г.В. Техника сверхвысокочастотного
нагрева пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.
– 400 с.
121. Романов Д.И. Электроконтактный нагрев металлов. М.: Машиностроение,
1981. – 168 с.
122. Решетникова,
И.В.
Отходы
–
на
службу
сельской
энергетике.
//Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. - №12. –
С.56-57.
123. Решетникова И.В., Савушкин, А.В. Альтернативное топливо в сельском
хозяйстве. //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. №4. - С.37-38.
124. Решетникова И.В. Кошкин, М.В. Перспективы использования биогаза.
//Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. - №6. – С.3334.
125. Решетникова И.В., Валиулин и др. Биогаз и установки по использованию
биогаза для предприятий АПК. //Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России.
Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г./
ФГОУ ВПО ИжГСХА. - Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. –
Т.IV. - С.188-195.
126. Савлук
О.С.,
Потапченко
Н.Г.,
Илляшенко
В.В.
Изучение
обеззараживания питьевой воды в макетной УФ-установке // Химия и
технология воды. – 1993. – т. 15, № 11 – 12. – с. 797 – 803.
231
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
127. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда.– М.:МГУ,1989.– 175с.
128. Самсонов В.Т.. Контроль концентрации пыли в вентиляционных
выбросах//Водоснабжение и сантехника, 1992, N8. С.14-15
129. Сокольский Ю. М. Омагниченная вода: правда и вымысел Л.: Химия,
1990 – 144с.
130. Справочник по теплоснабжению сельскохозяйственных предприятий
/В.В.Жабо, Д.П.Лебедев, В.П.Мороз и др. Под общ. ред.В.В.Уварова.–М.:
Колос,1983.–320 с.
131. Стратегия инновационного развития агропромышленного комплекса
российской Федерации на период до 2020 года. Москва. 2011.
132. Тамаркин В.О. Технологические основы оптимизации процессов обработки деталей свободными абразивами. Дис. докт. техн. наук. – Ростов-наДону, 1995. – 285с.
133. Тимонин А.С. Основы расчета и конструирования химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник: В 3 т. Т.2. - Калуга:
Изд-во Н.Бочкаревой, 2002.
134. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов: Учеб. пособие для
вузов, – М.: Химия, 1984. 320 с.
135. Тебенихин Е.Ф., Гусев В.T. Безреагентные методы обработки воды магнитным полем э теплоэнергетике. М.: Энергия 1970 – 144 с.
136. Тулапин П.Ф. Развитие научного направления инженерно-технического
обеспечения АПК. // МЭСХ, 2004, №6.с.35 – 36.
137. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона.
М.,1987.– 237с.
138. Филиппов Ю.В., Кобозев Н.И. Электросинтез озона: Влияние температуры электродов озонатора на синтез озона// ЖФХ.-1961. –Т XXXV.-N9. –
с.20782– 082.
232
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
139. В.И. Федоренко. Производство ультрачистой воды методом непрерывной
электродеионизации // Химико-фармацевтический журнал, Том 37 №3,
2003,с. 49-52.
140. Цугленкок Н.В. Обеззараживание и подготовка семян к посеву // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1984. – №4. – с. 44.
141. Федеральный закон РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической
эффективности
и
о
внесении
изменений
в
отдельные
законодательные акты Российской Федерации». Закон РФ от 23 ноября
2009г
142. Хмелев В.Н, Сливин А.Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 203c.
143. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В. и др. Ультразвуковая размерная обработка
материалов – Барнаул: АлтГТУ, 1999. – 123 с.
144. Хмелев В.Н. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве.
Электронный учебник. Барнаул: Изд-во АлтГТУ,2005. – 183 с.
145. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена
распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009г.
146. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности Л Машиностроение. Ленингр. отд–ние,1986.–253с.
147. Яковлев С.В. [и др.]. Технология электрохимической очистки воды. - Л.:
Стройиздат, 1987.
148. Юшин В.В., Лапин В.Л.. Техника и технология защиты воздушной среды.
– М.: Высшая школа, 2008. –399с.
149. Якименко А.В., Костюченко С.В., Васильев С.А.и др. Опыт эксплуатации
систем УФ-обеззараживания сточных вод // Водоснабжение и санитарная
техника. – 1998. - № 11. – с. 17 – 20.
150. Ярошевич В. К., Генкин Я. С., Верещагин В. А. Электроконтактное упрочнение. – Минск.: Наука и техника, 2002, 256 с.
233
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
151. Bagajew A.I. Kulikowa L.W. Glowne aspekty bezpiecenstwa elektrycznega
przyekspoloataji urzadzen elektrotechnologieznycn w rolnictwie.
X
Miedzy-
narodowa konferencja naukowo–techiczna “Ochrona przeciwporazeniowa w
urzadzeniach elekrycznych” Polska. Wrozlav. 1995. С. 51–56.
152. Brief aus England // Galvanotechnik. – 2000. – B. 91, № 9. – S. 2509 – 2510
153. DIN VDE 0848 Teil 2.4 Al Sicherheit Lei elektromagnetishen Feldarn. 1991.
154. Esposizione umataai campi elektromacnetici ad alta fregenza Rapporto di
Sottocomitato CEI SC 111 В Feb. 1993.
155. Grover G.M., Cotter T.P., Ericckson G.F. Structures of very high thermal
conductance.– J.Appl. Phys., 1964, v.35, p.1990.
156. ISO 14000. Экологический менеджмент
157. ISO 50001:2011. Системы менеджмента потребления энергии
158. Kulikowa L.W. Bezpieczenstwo technologii wielkich czestotliwosei stosowanych w produkcji rilnej. 12 – ht Micdzynarodowa konferercja naukowa –
techniczna. Bezpieczenstwo elektryczne. Wroclaw. Poland. 1999. – Tom I. – S.
517 – 521.
159. Khmelev V.N. Adaptive Phase Lock System of Ultrasonic Electronic Ge-nerators // International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials
EDM'2006: Workshop Proceedings / NSTU. – No-vosibirsk, 2006. – P. 229–231.
160. Zabolotsky V.I., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D., Istoshin A.G. Electrodialysis technology for deep demineralization of surface and ground water //
Desalination. – 1996. – v. 108. – p. 179–181.
234
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
3
Предисловие
Глава 1. Энерго - и ресурсосберегающие электротехнологии
агроинженерного сервиса
6
1.1. Электрохимические процессы гальванопластики и гальваностегии
8
1.2. Электроконтактная сварка, напекание, наплавка и
электромеханическая обработка
13
1.3. Магнитно-абразивная обработка
18
1.4. Ионно-плазменная технология нанесения износостойких
покрытий на поверхности деталей
21
1.4.1. Вакуумные установки для нанесения покрытий
22
1.4.2. Состав и структура твердых покрытий
25
1.4.3. Антифрикционные покрытия
26
1.5 Плазменная электродуговая технология модификации
металлических поверхностей
28
1.6. Размеренная обработка деталей ультразвуковыми колебаниями 32
1.6.1. Процессы размерной обработки и сверления
33
1.6.2. Безобразивная ультразвуковая финишная обработка металлов.
шлифовка. Полировка
37
1.6.3. Ультразвуковые генераторы
38
1.7. Ультразвуковая очистка деталей
48
глава 2. Электротехнологии экосистем очистки технологических
сред в агроинженерном сервисе
51
2.1
51
Патронные магнитные сепараторы
235
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2. Математическое моделирование патронного магнитного
сепаратора
55
2.3.Совершенствование методов контроля ферропримесей жидких и
сыпучих сред
66
2.3.1. Методы, основанные на измерении физических характеристик 67
2.3.2. Атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный методы
68
2.3.3. Метод магнитной локализации феррочастиц жидкости
69
2.3.4. Метод неоднократного фильтрационного магнитофореза
(с измерением выходных концентраций)
70
2.3.5. Метод неоднократных операций магнитофореза
(с измерением суммарной массы осадка)
72
2.3.6. Метод неоднократных операций магнитофореза
(с функциональноэкстраполируемой характеристикой
пооперационных масс осадка ферропримесей)
73
2.3.7. Результаты контроля посредством неоднократного,
функциональноэкстраполируемого, магнитофореза
75
2.4. Экспресс анализ загрязненности смазочно-охлаждающих
технологических сред в ремонтных производствах АПК
78
2.5. Критерии износа рабочих органов измельчителей
(механоактиваторов) сельскохозяйственного назначения
82
Глава 3. Экосовместимые электротехнологии и
электротехнологические установки очистки и обеззараживания
водных ресурсов
90
3.1. Установки для электрохимической очистки суспензий.
электролизеры, электрохимические коагуляторы и
электрофлотационные установки
94
3.2. Электрохимические установки для извлечения металлов из
сточных вод
102
236
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3.Интенсификация очистка сточных вод с использованием
ультразвука
110
3.4. Очистка сточных вод объемным облучением
111
3.5. Интенсификация технологических процессов
сельскохозяйственного производства путем использования
омагниченной воды
118
3.5.1.Механизм воздействия омагниченной воды на
физиологические процессы в живых организмах
118
3.5.2. Повышение продуктивности растениеводства путем
использования омагниченной воды
126
3.5.3. Использование омагниченной воды при рассолении почв
130
3.5.4. Повышение продуктивности птицефабрик и
животноводческих ферм путем использования омагниченной воды
132
3.5.5. Конструктивные схемы аппаратов для электромагнитной
обработки водных систем
134
Глава 4 Экосовместимые электротехнологии и электротехнологические установки очистки и обеззараживания воздушных
сред сельскохозяйственных помещений
148
4.1. Электрофильтры производственных помещений АПК
148
4.1.1. Принцип действия и конструкции электрофильтров
148
4.2. Обзор методов расчета электрофильтров
4.2.1. Расчет степени очистки газов
154
160
4.2.2. Выбор типоразмера электрофильтра при наличии аналоговой
установки
162
4.3. Аэронизация животноводческих помещений
170
4.4. Ультрафиолетовое облучение животных и птицы
174
Глава 5. Утилизация отходов сельского хозяйства
182
237
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.1. Утилизации животноводческих стоков электрогидравлическим
ударом
183
5.2. Биогазовые установки утилизации навоза животноводческих
ферм электротехнологическими методами
186
Глава 6. Экосовместимые электротехнологии и электротехнологические установки антисептирования и обеззараживания
сельскохозяйственной продукции и технологических сред
191
6.1. Электроантисептирование в сельскохозяйственном
производстве
191
6.1.1. Технологический эффект применения озона
191
6.1.2. Математическая модель подавления жизнедеятельности
микробных клеток под действием озона
194
6.1.3. Производство озонированного газа в барьерном озонаторе
197
6.2. Ультразвуковая стерилизация жидких сред
206
6.3. Энергоэффективный способ обеззараживания жидкостей в
сельскохозяйственном производстве
208
6.4. Инактивация микрофлоры молока уф – излучением
215
6.5. Дезинсекция отходов кондитерской промышленности
(какаовеллы) в производстве комбикормов
216
6.6. Дезинфекция зерна и семян энергией свч
218
Список литературы
221
238
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В
АГРОИНЖЕНЕРНОМ СЕРВИСЕ
И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ
Учебное пособие
Марина Михайловна Беззубцева
Владимир Сергеевич Волков
Александр Валентинович Котов
Редактор В.Н. Карпов
Корректор С.Г. Ахутина
239
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подписано в печать 20.02.12
Бумага офсетная. Формат 60/90 1/16
Печать трафаретная. 15 усл. печ. л.
Тираж 100 экз
Заказ № 12/02/29
Отпечатано с оригинал-макета заказчика
в НП «Институт техники и технологий»
Санкт-Петербург-Пушкин, Академический пр., д. 31, ауд. 715
240
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа