close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

286.Савицкас Р.К.Электротехнологий в АПК учебное пособие для студентов вузов Агройнженерия Р.К. Савицкас В.В

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Воронежский государственный аграрный университет
имени императора Петра I»
Р.К. Савицкас, В.В. Картавцев
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В АПК
Допущено учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по агроинженерному образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению «Агроинженерия»
Воронеж
2014
УДК 621:631.17 (075)
ББК 40.76 я7
С 12
Рецензенты:
В.П. Шелякин, кандидат технических наук, профессор
(ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический
университет»)
А.Н. Низовой, кандидат технических наук, доцент
(ФГБОУ ВПО «Воронежский международный институт
компьютерных технологий»)
С 12
Савицкас Р.К.
Электротехнологии в АПК: учебное пособие / Р.К. Савицкас, В.В. Картавцев. – Воронеж: ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ, 2014. – 163 с.
ISBN 978-5-7267-0684-9
Учебное пособие написано в соответствии с Федеральным
государственным стандартом высшего профессионального образования по направлению «Агроинженерия», учебным планом
профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК» и
учебной программой по дисциплине «Современные электротехнологии в растениеводстве и животноводстве».
В учебном пособии приведены сведения о материалах и основных видах электротехнологических процессов, применяемых в
современном АПК. Даны некоторые технические характеристики
электротехнологических процессов и применяемых установок.
Рассмотрены некоторые вопросы перспектив развития отдельных
технологических процессов.
Для студентов аграрных вузов
Табл. 11. Ил. 73. Библиогр.: 10 назв.
ISBN 978-5-7267-0684-9
© Савицкас Р.К., Картавцев В.В., 2014
© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный
университет имени императора Петра I», 2014
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современное сельскохозяйственное производство базируется на широком использовании энергии в качестве привода рабочих машин и в качестве средств воздействия на обрабатываемые
объекты в различных электротехнологических процессах. Процесс этот может происходить в специальных устройствах или в
самом обрабатываемом объекте (воде, почве).
Электротехнологические методы обработки отличаются очень
высокой эффективностью, универсальностью, их можно использовать для воздействия на растения, животных, птиц и среду их обитания, элементы питания (удобрения, корма, воду) и сельскохозяйственную продукцию. Благодаря таким воздействиям повышается
продуктивность животных и птицы и урожайность растений или
изменяются свойства обрабатываемых материалов. Так, семена растений, прошедшие обработку в электрическом поле, имеют большую энергию прорастания, большую всхожесть и обеспечивают
более высокую урожайность.
Электрические разряды позволяют экономично и с большей
прочностью скреплять металлические детали, дробить каменные и
керамические предметы, чистить шерсть, превращать бесплодные
почвы в плодородные, стимулировать рост растений и уничтожать сорняки.
Электро-ионные технологии позволяют заряжать частицы
(красок, гербицидов, лекарственных средств и других материалов)
и целенаправленно их перемешать в электрическом поле, обеспечивая получение высококачественного продукта при минимальной затрате дорого сырья и энергии.
При помощи современных электромагнитных и электрических полей различной частоты и напряжённости можно избирательно нагревать магнитные и диамагнитные материалы, закалять
поверхности стальных деталей, сушить и пастеризовать продукты
сельскохозяйственного производства. Полив растений, водой
прошедшей обработку в электромагнитном поле, позволяет влиять на урожайность растений, а поение животных «омагниченной» водой повышает продуктивность животных и птицы.
Искусственное освещение сильно влияет на весь ход сельскохозяйственного производства как в животноводстве, и особен3
но в птицеводстве, так и в растениеводстве. В большинстве районов нашей страны, особенно в северной зоне, лишь благодаря
искусственному оптическому облучению можно вырастить зимой
овощную продукцию, а весной огурцы и помидоры. Для этой цели наиболее эффективным источником оптического излучения
фотосинтетического диапазона являются светодиоды.
Для рационального использования в электротехнологиях осветительных и облучающих устройств большое значение имеет
знание их устройства и методов расчёта. В противном случае, как
показывает практика, эффект может быть незначительным или
даже отрицательным.
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………...…...………………..…….3
ГЛАВА I. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ.................................................................... 8
1.1. Современное сельхозпроизводство России. Проблемы и
перспективы развития ................................................................... 8
1.2. Классификация электротехнологических процессов.............. 11
1.3. Классификация материалов по восприимчивости к
воздействию электрических полей ............................................ 16
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА
ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГОГ ТОКА ............................ 19
2.1. Обработка кормов электродным процессом ............................ 19
2.2. Обработка соломы электрическим током ................................ 21
2.3. Электромелиорация почвы ........................................................ 25
2.3.1. Реализация процесса промывки засоленной почвы с
использованием электрического тока. ................................. 29
2.4. Обеззараживание сельскохозяйственных сред и
оборудования................................................................................ 29
2.4.1. Обеззараживание ветеринарного и дойного
оборудования........................................................................... 29
2.4.2. Комплексная очистка и обеззараживание
питьевой воды ......................................................................... 30
2.5. Применение электроэнергии в ветеринарии............................ 30
2.6. Использование электроэнергии в полеводстве........................ 31
2.6.1. Стимуляция растений электрическим током ..................... 31
2.6.2. Расчет установки для борьбы с сорняками ........................ 32
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ И ИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯХ ........ 37
3.1. Общие сведения об электрических разрядах ........................... 37
3.2. Электроимпульсная технология (ЭимТ) .................................. 40
3.3. Электроэрозионная обработка металлов.................................. 41
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ И
ЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯХ ................................................ 43
5
4.1. Основы теории электрокинетических и электрокапиллярных
явлений .......................................................................................... 43
4.2. Установки обезвоживания травы перед сушкой ..................... 49
ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ .......................................................................... 56
5.1. Общая характеристика электронно-ионных процессов.......... 56
5.2. Применение коронного разряда ................................................ 67
5.3. Предпосевная обработка семян в электрическом поле........... 68
5.4. Электроаэрозольные установки ................................................ 70
5.5. Электронные ионизаторы воздуха ............................................ 76
5.6. Электроионные фильтры............................................................ 78
ГЛАВА6. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯХ ................................................ 82
6.1. Теоретические основы электрогидравлического эффекта ..... 82
6.2. Способы повышения эффективности электрогидравлического
разряда........................................................................................... 85
6.3. Электрогидравлический эффект в обработке почвы .............. 87
6.4. Электрогидравлические устройства для орошения ................ 93
6.5. Устройства для очистки, обеззараживания и утилизации
животноводческих стоков........................................................... 94
6.6. Установки для дражирования семян......................................... 95
6.7. Устройства комплексной обработки сельхозпродукции........ 95
6.8. Устройства дробления органических материалов и
приготовления кормов................................................................. 97
ГЛАВА 7. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ МАГНИТНЫМИ
ПОЛЯМИ ............................................................................. 100
7.1. Общие сведения о влиянии магнитного поля ........................ 100
7.2. Создание магнитных полей...................................................... 100
7.3. Магнитная очистка семян ........................................................ 101
7.4. Активация воды омагничиванием и ее использование в
растениеводстве ......................................................................... 104
7.5. Воздействие магнитного поля на природную воду............... 105
7.6. Эффективность применения омагниченной воды
для орошения посевов ............................................................... 110
7.7. Рассоление почв с использованием омагниченной воды ..... 114
7.8. Омагниченная вода в птицеводстве и животноводстве........ 116
7.9. Аппараты для магнитной обработки воды............................. 117
6
7.10. Живые организмы в магнитном поле ................................... 121
ГЛАВА 8. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ......................... 124
8.1. Ультразвук и его воздействие на физические и биологические
объекты........................................................................................ 124
8.2. Магнитострикционные преобразователи ............................... 126
8.3. Пьезокерамические преобразователи ..................................... 129
8.4. Акустические трансформаторы и ультразвуковой
генератор ..................................................................................... 131
8.5. Области применения ультразвука ........................................... 131
8.5.1. Применение ультразвука в сельскохозяйственном
производстве ......................................................................... 132
8.5.2. Ультразвуковая очистка ..................................................... 134
8.5.3. Ультразвуковая пайка и лужение ...................................... 135
8.5.4. Механическая обработка сверхтвердых и хрупких
материалов............................................................................. 136
8.5.5. Ультразвуковая дефектоскопия ......................................... 137
8.5.6. Ультразвук в медицине....................................................... 139
ГЛАВА 9. ТЕПЛИЧНЫЕ ОБЛУЧАТЕЛИ ....................................... 141
9.1. Типы тепличных облучательных установок .......................... 141
9.2. Расчет стационарных облучательных установок .................. 141
9.3. Расчет облучательных установок с линейными источниками
излучения .................................................................................... 144
9.4. Газоразрядные новейшие тепличные излучатели ................. 145
9.5. Светодиоды в тепличных облучателях................................... 147
ГЛАВА 10. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ОБЛУЧЕНИЯ..................... 151
10.1. Биологическое действие УФ облучений .............................. 151
10.2. Амальгамные бактерицидные и осветительные лампы
низкого давления........................................................................ 152
10.3. Ультрафиолетовое облучение в технологических процессах
сельскохозяйственного производства...................................... 155
10.4. Расчет установок для обеззараживания воздуха в
помещениях, стерилизации и дезинфекции поверхностей ... 159
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................... 163
7
ГЛАВА I. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ
1.1. Современное сельхозпроизводство России.
Проблемы и перспективы развития
Сельское хозяйство России в конце XX и в начале XXI веков
находилось в состоянии глубочайшего кризиса и упадка. Это положение вызвано как объективными, так и субъективными причинами. Высокая энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции, как показывает анализ таблицы 1.1, которая в
2…5 раз выше, чем в странах ЕЭС, низкая энерго- и электровооруженность труда в сельском хозяйстве, а также низкое годовое
потребление электрической энергии в расчете на одного сельского
жителя – вот основные энергетические показатели сельскохозяйственного производства в это время. Для вывода из кризисного
состояния сельского хозяйства учеными РАСХН разработаны и
реализуются программы фундаментальных исследований, государственные научно-технические программы и Федеральная государственная программа развития АПК (Постановление Правительства Российской Федерации №446 от 14 06 2007 г. О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулировании сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на
2008-2012 г., скорректированной и пролонгированной Постановлением №717 от 14 07 2012 г. на период 2013-2020 г.). Эти программы наряду с развитием сельскохозяйственного производства
предусматривают создание и освоение энергосберегающих технологий производства сельскохозяйственной продукции, новых
электрофизических методов воздействия на биологические объекты и технических средств комплексной механизации, электрификации, теплофикации, электромеханизации процессов производства, первичной обработки и хранения сельскохозяйственной продукции.
Несбалансированность молочного производства, дефицит
ресурсов, слабая экономическая заинтересованность производителей сельскохозяйственной продукции, наукоемкость высокопродуктивного молочного и мясного животноводства привели к
8
сокращению поголовья скота, количества животноводческих
ферм и, соответственно, к значительному снижению производства
мяса и молока.
Таблица 1.1. Удельные затраты электрической энергии при
производстве основных видов сельскохозяйственной продукции
Наименование
Ед. изм.
Страны
ЕЭС
Количество
Россия
Животноводство и птицеводство
Мясо – молочное животноводство:
привязное содержание
кВтч/гол. 950…1500
*
пастбищное содержание
кВтч/гол. 320…400 90…110
Выращивание и откорм свиней
кВт'ч/гол. 220…250 60…70
Содержание кур-несушек
кВтч/шт. 110…115 25…30
Полеводство и тепличное хозяйство
Системы орошения
кВтч/га 65…130
*
Зерноочистительно-сушильные
кВтч/т
10…15
*
пункты
Создание микроклимата в теплицах
кВтч/м2 150…210 45…55
Выращивание овощей в теплицах
кВтч/т 120…170 25…30
Облучение электрическими лампами
кВтч/м2 100…150
*
Обогрев (почва, воздух)
450…500
*
Переработка продукции сельскохозяйственного производства
Производство мяса говядины, свинины кВтч/т
65…80
15…25
Производство мяса птицы
кВтч/т 140…150 25…35
кВтч/
65…75
10…15
Производство яиц
1000 шт.
Производство комбикормов
кВт'ч/т
35…45
*
Производство животного масла
кВтч/т 100…110
*
Производство сыра
кВтч/т 110…115 60…65
Производство сухого молока
кВт’ч/т 300…310 180…200
Производство растительного масла
кВтч/т 300…330 55…60
* Данные установить не удалось.
Электротехнология как современное направление в производстве, основанное на непосредственном воздействии электро9
магнитного поля на обрабатываемый материал, находит все
большее применение в сельском хозяйстве. Значительный вклад в
развитие сельскохозяйственной электротехнологии внесли ее основоположники: М.Г. Евреинов, JI.Г. Прищеп, И.Ф. Бородин,
А.М. Басов, Ф.Я. Изаков, B H. Гайдук, Е.П. Виноградов,
A.A. Климов, В.А. Карасенко, Е.М. Заяц, Г.С. Беженарь и др.
Именно в трудах этих ученых заложены основы теории, даны рекомендации по практическому использованию элекгротехнологии в сельском хозяйстве.
Диапазон частот электромагнитного поля, используемых в
электротехнологии, простирается от постоянного тока до гаммаизлучения. Наиболее глубоко разработано применение энергии
электростатического поля, постоянного тока, токов низкой, средней и высокой частот, инфракрасного и ультрафиолетового излучений.
Электростатическое поле применяется в процессах очистки,
сепарирования и повышения качества зерна, копчения мяса, рыбы. Постоянный ток используется для электродиализа, обеспечивающего очистку продуктов свеклосахарного производства, деминерализацию молочной сыворотки, электрофлотации – очистки
и разделения взвешенных частиц, электрофореза. Высоковольтный разряд нашел применение в устройствах измельчения
пищевых продуктов, гомогемезации и обеззараживания жидкостей. Переменный ток низкой (промышленной) частоты является
наиболее распространенным и доступным видом электромагнитной энергии. Токи промышленной частоты нашли самое широкое
применение для прямого нагрева воды, молока, выпечки хлеба,
мясных изделий, измельченного картофеля и мелассы, используются для подготовки кормов к скармливанию
Весьма перспективно использование в сельскохозяйственной электротехнологии токов средней, высокой и сверхвысокой
частот. Сказанное особенно относится к BЧ и СВЧ–энергии. Преимуществом электромагнитного поля этих частот является возможность сквозного прогрева на определенную глубину практически без перепада температуры.
Действие электрической энергии как технологического фактора возможно практически в любых условиях, ибо электричество
некоторым образом вездесуще, и на Земле не происходит почти
10
ни одного процесса, не сопровождаемого какими-либо электрическими явлениями, основанного на электробиологических и электрохимических процессах.
В результате длительной эволюции биологические организмы
приобрели восприимчивость к электрическим воздействиям внешней среды, а всякая биологическая клетка обладает электрическим
потенциалом, изменяющимся в зависимости от внешних воздействий, в том числе и от собственного магнитного поля Земли.
Более того, сама жизнь есть не что иное, как взаимодействие
электромагнитных полей с биологическим объектом, и в основе
не только всех информационных, но и энергопреобразующих систем биологического организма, в том числе и сельскохозяйственного, лежат электробиологические и электрохимические закономерности, проявляющиеся на клеточном уровне.
В основе этих процессов лежат явления, связанные с ионным
переносом через мембраны, и электрические явления в мембранах
(электрические токи и потенциалы).
1.2. Классификация электротехнологических процессов
Под электротехнологией, понимают область науки и техники, охватывающую изучение и использование технологических
процессов, в которых электрическая энергия участвует непосредственно и является основным инструментом воздействия на объект, при этом, преобразуясь в рабочей зоне и в объекте обработки
в тепловую, электромагнитную, химическую, механическую, биологическую и (или) другие виды энергии. В зависимости от вида
преобразованной энергии различают процессы электротермии,
электрохимии, электрофизики, электробиологии и процессы электронно-ионной технологии, протекающие в различных средах и
специфически воздействующие на объект обработки. В сельском
хозяйстве объектами электротехнологической обработки являются продукты растениеводства, полеводства и животноводства,
корма, животные, почва, растения, жидкие, газообразные и пастообразные среды и другие.
Большинство объектов электротехнологической обработки
характеризуются ионной проводимостью, что позволяет интенсифицировать процессы массообмена в электрических полях, так
11
как ионы – это не только заряженные частицы, но и частицы, обладающие значительной по сравнению с электроном массой.
Классификация электротехнологических процессов по фактору воздействия (электрическое поле, электрический ток, магнитные поля), базируется на основных положениях электродинамики сплошных сред при различной интенсивности воздействия на обрабатываемый объект.
Приведенные в классификации технологические процессы
(рис. 1.1–1.6) не претендуют на полное освещение вопроса, а могут служить примером возможностей и областей применения
электротехнологических методов. Следует учесть, что приведенная классификация не может отразить все возможности химического действия излучений, так как здесь возможно возникновение
и различных вторичных факторов.
В настоящее время можно считать доказанной практическую
возможность интенсификации электротехнологических процессов
путем использования электроконтактного метода, а также высокочастотных и сверхвысокочастотных полей. Применение этих
методов резко ускоряет течение процессов, повышает производительность труда, снижает потребность в производственных площадях. Кроме того, повышается качество продукции, а также резко улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Специфическим преимуществом указанных методов перед традиционными является возможность достаточно равномерного распределения подводимой энергии по всему объему обрабатываемого материала.
12
13
Электробиологическое
воздействиие
Электрохимическое
воздействие
ВЧ и СВЧ
Низкая частота
Электроконтактная
обработка
Электрическое
поле постоянного
тока
Изменение кормовых
свойств
Электрофизическое
воздействие
Электростатическое поле
Тепловое воздействие
Электротехнологические методы
обработки
Электрическое поле
Электрический ток
Электроимпульсная
технология
Рис. 1.1. Классификация электротехнологических процессов
Электротехнологические методы
обработки
Применение электрических полей
Обработка электрическим током
Электроимпульсная технология
Электросепарация
семян, электростатическое распыление, ионизация,
очистка и озонирование воздуха,
обработка травы,
зерна и других
кормов
Обработка кормов, навозных
стоков, электрорассоление почвы, электрофлотация, электролиз
Электроимпульсный разряд в жидкости (очистка,
мойка, обеззараживание) электроискровая обработка (обезвоживание,
сушка, прополка,
обмолот
Рис. 1.2. Классификация электротехнологических методов обработки
по характеру используемой электрической энергии
ё
Электростатическое поле
и поле коронного разряда
Очистка
Сепарация
Изменение
качества
Аэрозольные
установки
Очистка воды
(электрофильтры),
очистка
сточных вод,
обеззараживание жидкостей
Установки для
сортировки и
очистки семян,
разделение
различных веществ, посев
семян, сепараторы
Предпосевная обработка семян, обработка травы, зерна,
отходов полеводства
Распыление газов,
смесей, жидкостей, лекарственных препаратов,
окраска, ионизация, очистка и
озонирование
воздуха
Рис. 1.3. Электротехнологические процессы с использованием
электростатического поля и поля коронного разряда
14
Электрическое поле постоянного тока
Электрофорез,
электроосмос
Электролиз
Получение
различных
веществ, нанесение покрытий
Электрофлотация
Установки для очиОчистка сточстки воды, обезвожи- ных вод, раздевание травы, элекление жидких
троплазмолизаторы, неоднородных
соковыжималки, обсистем
работки грубых кормов
Электроимпульс
ЭГЭ, электроимпульсные установки различного назначения, обработка травы, соломы,
дробление и гомогенизация
Рис. 1.4. Электротехнологические процессы с применением э
лектрического поля постоянного тока
Электромагнитное поле ВЧ и СВЧ
Нагрев
Сепарация
Изменение
качества
Сушка
Установки диэлектрического
нагрева различного назначения, установки
индукционного
нагрева
Установки
для сортировки и очистки семян,
разделение
различных
веществ
Предпосевная обработка семян, обработка травы, зерна, отходов полеводства
Различные
установки
для сушки
разнообразных материалов
Рис. 1.5. Электротехнологические процессы при использовании
электромагнитного поля ВЧ и СВЧ
15
Электрический ток промышленной частоты
Электрокоагуляция
Электроплазмолиз
Электроимпульс
Электропастеризация
Установки для
обработки различных материалов
Установки для
обработки травы
и других материалов и различных
веществ
Предпосевная
обработка семян,
обработка травы,
зерна, отходов
полеводства
Дезинфекция,
дезинсекция
Рис. 1.6. Электротехнологические процессы при использовании тока
промышленной частоты
1.3. Классификация материалов по восприимчивости
к воздействию электрических полей
Для характеристики биологических материалов с точки зрения
способности их поглощать энергию электрического поля, а также
для определения зависимостей распределения мощности и напряженности электрического поля в объекте обработки, для обоснованного выбора частоты рассмотрим относительную диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и активную удельную проводимость материалов как наиболее значимые
электрофизические свойства объектов обработки. Все эти показатели зависят от частоты, поэтому их абсолютное значение следует относить к конкретному участку диапазона частот.
Области электромагнитного спектра, имеющие значение для
практического использования в сельском хозяйстве, приведены в
таблице 1.2.
При взаимодействии электрического поля с рассматриваемой средой часто возникают потери проводимости и диэлектрические потери. Связь между этими величинами выражается через
тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и через комплексную
диэлектрическую проницаемость ε.
16
Таблица 1.2. Области электромагнитного спектра, имеющие
значение для практического использования в сельском хозяйстве
Воздействующий фактор
Электростатическое поле
Постоянный ток
Ток промышленный
ВЧ и СВЧ
Инфракрасное излучение
Ультрафиолетовое излучение
Энергия кванта, эВ
0
0
0,65·10-13
4,14( 10-13-10-5)
1,65(10-3-1)
12-12,39
Частота, Гц
0
0
50
3
10 -1010
4(1011-1014)
4(1015-1017)
Абсолютная величина tgδ позволяет оценить среду с точки
зрения проводимости: проводящая среда – γ, полупроводящая
среда - tgδ = 1, диэлектрическая среда - +tgδ.
Сельскохозяйственные продукты необычайно сложны по составу и обширны по ассортименту. Среди них встречаются диэлектрики, полупроводники и проводники, а также их композиции
в различных сочетаниях, поэтому довольно сложно дать единое
описание их электрофизических свойств, но, тем не менее, можно
выявить основные закономерности, характеризующие электротехнологнческие процессы. Так, в постоянном электрическом поле заряженные частицы перемещаются, а дипольные молекулы
ориентируются вдоль силовых линий.
При постоянном напряжении мембрана, окружающая клетку,
ведет себя как диэлектрик (поверхностное сопротивление составляет
порядка 108OM/M2). С увеличением частоты электрического поля
значительно изменяются и электрофизические свойства материалов.
В некотором приближении биологические материалы можно представить в виде трехфазной системы: одна фаза – межклеточная ткань
– полупроводник с ионной проводимостью, вторая фаза – внутриклеточное вещество – электролит, третья фаза – оболочка растительной клетки – несовершенный диэлектрик.
Таким образом, воздействие электрического поля на биологические материалы будет значительно отличаться в зависимости
от составляющих клетки, так как эти составляющие, как отметили
выше, имеют различные величины показателей диэлектрической
проницаемости и электропроводности.
Сельскохозяйственные материалы, подвергающиеся обработке в электрическом поле, условно можно разделить на две
17
группы: к первой группе будем относить сельскохозяйственные
материалы с влажностью 12....35%, ко второй – материалы, у которых влажность составляет более 35%. Такое условное деление
растительных кормов основано на форме энергии связи влаги с
материалом. Различные формы связанной влаги обуславливают
разные по величине и природе энергии связи с сухим веществом.
Такое представление материалов очень важно с точки зрения воздействия ЭМП на обрабатываемый материал, так как электрофизические свойства этих материалов (удельная электропроводность
и диэлектрическая проницаемость) при различных диапазонах
частот обуславливают разный характер воздействия на обрабатываемый материал и позволяют по-разному моделировать электротехнологические процессы.
Контрольные вопросы
1. Какие электроттехнологические методы обработки с/х объектов вы знаете?
2. Какие виды обработки можно произвести при помощи
электрических полей?
3. Какие объекты можно обрабатывать с помощью электрического тока?
4. Какие техпроцессы можно реализовать с помощью ИПЭ к
объектам и какие преимущества у ИПЭ?
5. В каких электротехнологиях используется электрическое
поле коронного разряда?
6. В каких электротехнологиях используется постоянный
электроток?
7. В каких электротехнологиях используется переменный ток
промышленной частоты?
8. В каких электротехнологиях используются токи ВЧ и СВЧ?
Каковы преимущества этих процессов?
9. Какова величина кванта энергии тока промышленной частоты?
10. Какова величина кванта энергии тока ВЧ и СВЧ при частотах 103-1010 Гц?
11. Какова величина энергии кванта ИК-излучения при частотах 4 (1011-1014) Гц?
12. Какова величина энергии кванта УФ-излучения при частотах 4 (1015-1017) Гц?
18
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГОГ ТОКА
2.1. Обработка кормов электродным процессом
Целью термической обработки (варки, запаривания) кормов является улучшение их поедаемости и усвояемости животными. При
внешнем энергоподводе теплота внутри материала распространяется
за счет его теплопроводности. Малая теплопроводность сельскохозяйственных продуктов обуславливает длительность и неравномерность прогрева, что сопровождается потерей питательных веществ и
повышенным расходом энергии на обработку.
Для термической обработки увлажненных кормов (картофель,
корнеплоды, смоченная солома, меласса и др.) перспективно применять электродный нагрев, который позволяет интенсифицировать
процесс обработки, уменьшить потери тепла, снизить температуру
обработки и затрат энергии (табл. 2.1). Равномерность распределения
электрического и температурного полей и, следовательно, энергии
по всему объему материала обеспечивается плоскопараллельной
системой электродов. Надежный контакт с электродами обеспечивается измельчением, увлажнением и уплотнением материала. Материал электродов – нержавеющая сталь (для обработки грубых кормов и фуражного зерна), графит (для обработки картофеля и корнеплодов), титан (для обработки мелассы). Методика расчета электродных электротермических установок для обработки кормов аналогична таковой для электродных водонагревателей. При этом следует учитывать, что электрофизические свойства кормов находятся в
большой зависимости от температуры, степени измельчения, напряженности электрического поля и влажности корма, но для большинства практических расчетов бывает достаточным учитывать лишь
влияние температуры материала на его удельную проводимость.
Таблица 2.1. Методы обработки кормов
Процессы
Запаривание картофеля
Термохимическая обработка соломы
Подогрев мелассы
Электродная обработка Обработка паром
уд. расход
уд. расход
длительдлительэнергии,
энергии,
ность, мин
ность, мин
МДж/кг
МДж/кг
5...8
0,32
40...60
0,4... 0,44
15...25
0,5...0,8
120...180
1,0...2,3
1,5...2
0,09...0,1
35
0,165
19
Низкая температуропроводность корма и, как следствие, неравномерность распределения температурного поля в межэлектродном промежутке является причиной значительного изменения объемной мощности по ходу движения материала. Это нежелательное
явление устраняют путем изменения межэлектродного расстояния
или путем изменения направления движения продукта.
Оба эти способа реализованы в подогревателе мелассы, схема которого показана на рисунке 2.1.
Рис. 2.1. Электроподогреватель мелассы: 1 – электроды;
2 и 3 – камеры нагрева; 4 – промежуточные электроды (нулевые)
Холодная меласса поступает в камеру 3, огибает промежуточные секционные электроды 4 и поступает в камеру 2. Межэлектродное расстояние в камере 3 меньше, чем в камере 2. Электрический ток последовательно проходит по объему холодной мелассы в
камере 3 и нагретой в камере 2. Благодаря этому удается стабилизовать по высоте сопротивление межэлектродного промежутка и
удельную мощность.
Установки с плоскопараллельными электродами рассчитываются в такой последовательности:
1. Расчетная мощность определяется по формуле, исходя из
заданного времени нагрева, массы обрабатываемого материала,
его теплоёмкости, начальной и конечной температур.
2. Мощность на одну фазу
20
PФ = PP / m ,
(2.4)
где m – число фаз.
3. Напряженность электрического поля:
- для корнеплодов и грубых кормов Е=700...1000В/м;
- для мелассы Е=5000...6000 В/м.
4. Межэлектродное расстояние:
l=
UФ
,
E
(2.5)
где UФ – фазное напряжение, В.
Выбирают ширину электродов b, исходя из конструктивных
соображений.
2.2. Обработка соломы электрическим током
Существуют два вида электрической обработки соломы: обработка соломы в щелочных средах и в смеси с влажными кормами – силосом, корнеплодами и др. Основной целью обработки соломы является повышение переваримости и кормовой ценности.
Обработка соломы электрическим током в щелочных средах называется электрохимической обработкой. В измельченную солому
вводят 0,1…0,2% растворы химически активных реагентов (например, Na2СО2, NaCl), вступающие в химическую реакцию с
целлюлозно-лигниновым комплексом. В результате нарушаются
химические связи лигнина с клетчаткой, образуются соли лигнина, а клетчатка становится доступной перевариванию микроорганизмами рубца жвачных животных. Скорости химических реакций повышаются при повышении температуры. Объемный ввод
электрической энергии оказывает тепловое, биологическое, физико-химическое и химическое воздействие на протекание химических реакций. Химическая реакция делигнификации растительной
ткани в значительной степени ускоряется под действием электрического тока. Влияние электрического тока на скорость химических реакций определяют как технологическое действие электрического тока. При протекании тока через массу увлажненной и
спрессованной соломы происходит ее нагрев, что приводит к повышенным затратам энергии. Следовательно, обработка должна
вестись в режиме, при котором технологическая составляющая
тока была бы наибольшей, а активная составляющая, опреде21
ляющая нагрев, по возможности наименьшей. Такой режим определяется степенью увлажнения, плотностью электрического тока,
величиной электрической напряженности, формой кривой тока и
напряжения, временем обработки и др.
Расчет параметров режима производится на базе схемы замещения элемента электрической схемы, состоящего из двух
электродов и межэлектродного пространства, заполненного соломенной массой с определенной степенью увлажнения химическим
реагентом (рис. 2.2, а).
RF
is
ic
iF
Cw
Rw
Rэ
Cэ
i
Rp
is
а)
б)
Рис. 2.2. Составляющие тока (а) и электрическая схема замещения (б)
Ток, подводимый к обрабатываемой массе с помощью электрода, протекает по ее составляющим, распределяясь в соответствии с электрическими свойствами компонентов. Часть тока протекает между частицами по сплошным жидкостным мостикам и
поверхностным пленкам – ток сквозной проводимости is. Другая
часть тока - iF – протекает через границу раздела фаз и по растительной ткани. Этот ток оказывает технологическое действие.
Третья составляющая тока iC участвует в перезарядке двойных
электрических слоев.
Полная электрическая модель системы представлена на рисунке 2б. Электрическая модель системы позволяет оценить тепловое и технологическое действие тока. Если к схеме приложено
синусоидальное напряжение u=Umsinωt, то входное сопротивление схемы выражается формулой
é
êæ
1
1
= êçç R + R +
W jwC
Z BX ê F
W
è
ë
Общий ток
22
ö
÷
÷
ø
-1
ù
ú
+ jwC g ú
ú
û
-1
+
1
.
Rr
(2.6)
éì
1
êï éæ
iO = U m sin wt êí êçç RF + RW +
jwC N
êëïî êëè
-1
-1
ù
ü
ù
ö
1 ú
ï
÷÷ + jwC X ú + R X ý ú.
R
úû
r
ø
ïþ
úû
-1
(2.7)
Технологическая составляющая тока определяется потоком
ионов
iF =
U m sin wt (1 - R g )
ìéæ
1
ï
íêçç RF + RW +
jwCW
ïîêëè
ù
ö
÷÷ + jwC 0 ú
úû
ø
-1
-1
üæ
1
ï
+ R0 ýçç Rr + RW +
jwCW
ïþè
. (2.8)
ö
÷÷
ø
Технологическое действие электрического тока увеличивается с повышением RF, т.е. при уплотнении обрабатываемой массы и при снижении ее влажности до определенного значения.
Одним из вариантов аппаратурного оформления процесса
электрохимической обработки (ЭТХО) соломы является установка с
поворотным поршнем. Установка (рис. 2.3) содержит уплотняющий
орган 1, загрузочный бункер 2, установленный на корпусе 3.
Рис. 2.3. Установка электрохимической обработки соломы:
1 – уплотняющий орган; 2 – загрузочный бункер; 3 – корпус;
4 – электродная камера; 5 – изоляционные перегородки; 6 – электроды;
7 – вал; 8 – боковая сторона камеры; 9 – шарнир; 10 – пружина;
11 – регулировочный винт; 12 – выгрузное отверстие
Каждая секция корпуса является электродной камерой 4 и
изолирована от соседних камер перегородками 5, на которых укреплены электроды. Уплотняющий орган выполнен в виде сектора, укрепленного на валу 7, расположенном между электродными
камерами 4. Боковая стенка камеры 4 установлена на шарнире 9 и
подкреплена пружиной 10, надетой на регулировочный винт 11. В
нижней части камеры 4 находится выгрузное отверстие 12. Пред23
варительно измельченная и пропитанная раствором солома подается в загрузочный бункер 2, захватывается и перемещается уплотняющим органом в электродную камеру. При транспортировке
масса уплотняется. Попадая в рабочую камеру, масса подвергается воздействию электрического тока, и в ней протекают электрохимические процессы, повышающие ее кормовые достоинства.
Питание электродов осуществляется от преобразователя
трехфазной системы напряжения в однофазную с одновременным
снижением частоты (рис. 2.4).
Преобразователь состоит из силового трансформатора TV,
блока тиристоров VD1...VD6, блока согласования управляемых
импульсов и деления частоты 2, блока управления тиристорами 3.
Электродная камера на схеме представлена сопротивлением RH.
Напряженность электрического поля 11·102 В/м, частота 35 Гц,
время обработки 5...8 мин. Установка монтируется в комплект
кормоцеха КОРК-15. Смачивание соломы химреагентом производится в смесителе. В климатических условиях средней полосы
России и в Сибири в зимний стойловый период при отрицательных температурах смачивание становится проблемой, которую
нужно решать путем предварительного подогрева смачивающей
воды. При протекании тока через увлажненную растительную
ткань, имеющую сложную структуру с чередованием комплексных электролитов и диэлектриков, механизм разрушения оболочки также представляется комплексным.
Рис. 2.4. Структурная схема преобразователя трехфазного напряжения
в однофазное с одновременным снижением частоты: 1 – блок согласования управляемых импульсов; 2 – блок деления частоты; 3 – блок
управления тиристорами
24
В комплекс разрушающих воздействий входят:
– тепловой пробой изоляции (оболочка клетки между двумя
жидкостными электродами);
– электрогидравлический эффект, возникающий при пробое
изоляции;
– повышение давления газов, образованных в результате
электролиза;
– электростатические и электродинамические усилия, возникающие между элементами системы с разными диэлектрическими
свойствами.
Количественно оценить величину того или иного воздействия очень сложно, т.к. эта величина изменяется в зависимости от
формы кривой тока, частоты, состава электролита, температуры,
влажности, плотности и т.д.
2.3. Электромелиорация почвы
Восстановление плодородия засоленных почв, т.е. почв с повышенным содержанием токсичных для растений солей, производится различными способами: мелиоративная вспашка, биологическая, химическая и электрическая мелиорация. Наиболее часто
производят промывку почвы пресной водой, хотя это процесс
длительный (от 1 года до 3 лет) и связан с большим расходом воды (до 30 тыс. м3 воды на гектар). Сократить срок мелиорации в
3...6 раз и снизить расход воды в три раза позволяет электромелиорация почв. В зависимости от степени засоленности и фильтрующих свойств почв для электромелиорации используются установки с горизонтальным и вертикальным расположением электродов (рис. 2.5). При мелиорации солонцовых и солончатосолонцовых почв с низкими фильтрационными свойствами используют систему горизонтальных рабочих электродов. Почву
при этом увлажняют и монтируют горизонтальную дренажную
систему. Аноды устанавливаются на меньшую глубину, чем катоды. В каждом конкретном случае глубина закладки катодов определяется агротехническими требованиями. Положительно заряженные ионы перемещаются на глубину залегания катодов и
отводятся через дренажную систему.
25
Рис. 2.5. Установки электромелиорации почв с горизонтальным (а)
и вертикальным (б) расположением электродов
Сопротивление растеканию тока с анода
Ra =
r
2l 2
,
ln
2pl bh
(2.9)
где ρ – удельное электрическое сопротивление почвы, Ом м;
l – длина анода, м; d0 – диаметр анода, м; b = 2d0; h – глубина заложения анода, м.
По этой же формуле определяется сопротивление RK растекания
току с катода, но при других значениях h и l.
Сопротивление системы электродов
RC = Ra + RK .
(2.10)
Сила тока, потребляемая системой электродов
U .
(2.11)
I=
RC
Изменение потенциала φ и плотности тока вдоль линии
«анод – катод» показано на рисунке 2.6 а, б.
Рис. 2.6. Изменение потенциала φ (а) и плотности тока j (б) вдоль
линии «анод – катод»
26
Наиболее часто для рассоления почв применяются схемы с
вертикальными электродами. Основное требование заключается в
равномерном выносе токсичных солей при оптимальной мощности источника питания. Анодные электроды имеют длину около 1
метра, катодные – до 5 м. Анодные, как и катодные электроды,
располагаются в чередующиеся линии. Расстояние между линиями электродов 40...80 м. Расстояние между электродами в линиях
определяется коэффициентом использования. Физическая сущность коэффициента использования заключается в следующем.
Один вертикальный электрод обладает сопротивлением Rc в зависимости от конкретных условий. При установке параллельно второго электрода сопротивление должно уменьшаться в два раза, но
при условии, что расстояние между ними будет бесконечно большое. Если это расстояние конечно, то сопротивление уменьшается
менее чем в два раза из-за так называемого экранирования (рис.
2.7), т.е. из-за взаимного наложения электрических полей при стекании тока с электродов в землю.
Коэффициенты использования вертикальных электродов в
заземляющем устройстве тем ниже, чем их больше и чем меньше
относительное расстояние между ними.
a=
a
,
l
(2.12)
где а – среднее расстояние между электродами, м; l – средняя длина
электрода, м.
Рис. 2.7. Схема растекания тока с одиночного электрода (а),
системы электродов (б)
Нагрузка на источник зависит от общего числа электродов и расстояния между ними. При условии, что все электроды в ряду одинаковы по длине и имеют одинаковые конструкции, коэффициент использования определяется формулой
27
h=
RC
,
nR
(2.13)
где n – число электродов в ряду; R – сопротивление электродов, Ом;
RС – сопротивление единичного электрода, Ом.
На рисунке 2.8 приведены графики зависимости коэффициента
использования n от относительного расстояния α между ними.
Рис. 2.8. Графики зависимости коэффициента использования
ц от относительного расстояния а между электродами
Система анодных и катодных электродов, являясь собственно
технологической установкой, предназначена для равномерного выноса токсичных солей из почвы. Следовательно, потенциалы электродов должны иметь определенные значения, но так как подвод
энергии производится проводом, то при больших токах на участках
между электродами наблюдаются значительные потери напряжения.
Расчет сети постоянного тока базируется на условии равенства потенциалов на концах всех однополярных распределительных линий.
Сечение проводов может изменяться в зависимости от величины токов и межэлектродных расстояний. Для электрически однородной почвы и при равенстве напряжений между разнополярными распределительными линиями через все однополярные электроды
должны протекать токи одинаковой величины. Из-за потерь напряжения токи через электроды в конце распределительных линий
меньше, чем токи, стекающие с электродов у магистрали.
Максимум тока наблюдается в первые часы включения установки, затем нагрузка постепенно уменьшается, так как сопротивление почвы увеличивается из-за выноса ионов легкорастворимых
солей.
28
2.3.1. Реализация процесса промывки засоленной почвы
с использованием электрического тока
Промывка солончаков по обычной технологии требует 8…12
месяцев, и затраты пресной воды составляют 25…30 тыс. м3. На мелиорируемом участке забивают стержни или трубы, выполняющие
роль электродов диаметром 35-70 мм. Катоды забивают на глубину
3…5 м, аноды на глубину 0,6…1,8 м. После заполнения участка
промывной водой электроды подключают к выпрямляющему устройству и подают на электроды напряжение 75…100 В, плотность
тока в почве 1…10 А/м2, расход электроэнергии 5…20 тыс. кВт-ч/га.
В результате расход промывочной воды сокращается в 3 раза, срок
промывки до 1…2 месяцев. Затраты энергии на электромелиорацию
почв велики и составляют около 10 тыс. кВт ч/га, но при этом в 3...4
раза сокращается время мелиорации и расход воды.
2.4. Обеззараживание сельскохозяйственных сред
и оборудования
К обеззараживаемым средам относятся: почва парников, навоз, навозные стоки. Процесс обеззараживания проводят пропусканием через эти среды электрического тока, который оказывает
на среду термическое, химическое и бактерицидное действие.
Процесс реализуют с помощью стационарных или передвижных
установок. Грибковая микрофлора в почве уничтожается обработкой при 60…65°С при напряженности электрического поля
Е=5…7 кВ/м в течение 1,5…4 мин, оптимальная влажность почвы
– 25…30%, расход электрической энергии – 25…30 кВт-ч/м3.
Обеззараживание навоза требует еще больших энергозатрат –
50…60 кВт-ч/м3 переменного тока. При обеззараживании навоза
постоянным электрическим током процесс сопровождается, помимо нагрева до 60…65°С, электролизом и электрофлотацией,
благодаря чему энергозатраты сокращаются до 3…4 кВт-ч/м3 при
плотности электрического тока 3 кА/м2.
2.4.1. Обеззараживание ветеринарного и дойного оборудования
Обеззараживание проводят дезинфицирующим раствором,
получаемым электролизом (NaCl) поваренной соли. Дезинфи29
цирующий раствор готовят при помощи установки ЭДР-1 в течение 1,5…2 часов.Для приготовления 1 кг активного хлора требуется 8…10 кг NaCl и 5,5…7 кВт-ч э/э. Электрохимические реакции в процессе приготовления раствора:
2Na++2e→2Na,
2Na++2Cl-→2Na+Cl2; С12+Н2O→НСlO+НСl 2Сl--2е→С12
2Н20 + 2Na → 2NaOH + H2↑
2NaOH + HCl + HClO →NaCl + NaClO + 2H20
Рис. 2.9. Схема простейшего электролизера: 1 – электроды;
2 – диэлектрическая емкость; 3 – раствор, подвергаемый электролизу
2.4.2. Комплексная очистка и обеззараживание питьевой воды
Комплексную очистку и обеззараживание питьевой воды
производят с помощью установки УВ-0,5 производительностью
10 м3/сутки пищевой воды. В состав установки входит гипохлоритный фильтр-электролизер для электрокоагуляции и удаления загрязнений, в том числе и бактериальных, потребляемая
установкой мощность – 2,5 кВт.
Активация водных растворов производится в установках Я8ФЭА производительностью Q=2м3/час, аналитовой воды – Uпит=
30В , IH = 300А. Мощность установки – 11,5 кВт.
2.5. Применение электроэнергии в ветеринарии
Гальванизация – лечение слабыми электрическими токами,
приложением электродов к больному месту.
Лечение происходит при напряжении 220/127В и плотности
тока j=5A/м2, потребляемая мощность – 15 Вт.
30
Дорсонвализация – лечение импульсными токами величиной
не более 15…20 мА с частотой 200…500 кГц, при напряжении U–
20 B. Используют аппараты «Искра–1» и «Ультраток», длительность импульса – 100 мкс с интервалом 0,02 с.
Диатермия – прогревание глубоколежащих тканей эндогенным теплом, создаваемым электрическими токами от 1 до 3 А
и имеющими частоту 1…5 Гц при напряжении 200…250В. В peзультате воздействия локально повышается температура на
2…5°С, что приводит к расширению кровеносных сосудов, улучшению кровоснабжения и активации биологических процессов.
УВЧ-терапия – лечение токами смещения частотой
30…300 мГц. В нашей стране используется аппаратура с частотой
40,68мГц. При УВЧ-терапии костные, мышечные и жировые ткани нагреваются интенсивнее, чем кровеносные сосуды и лимфоузлы, на этом и основано терапевтическое действие процесса.
Микроволновая терапия – основана на глубинном воздействии на костные и мышечные ткани электромагнитными волнами с частотой 2375…2450 мГц, получаемыми в магнетронах и
направляемыми на объект обработки специальными излучателями.
Электронаркоз в электрохирургии – это обезболивание переменным электрическим током или импульсным током. К электродам подается напряжение с частотой 1 кГц с силой тока
80…100 мА. Например, для овец необходима частота 5 кГц и сила
тока 15…30 мА.
2.6. Использование электроэнергии в полеводстве
2.6.1. Стимуляция растений электрическим током
Электрический ток может стимулировать или угнетать рост
растений. При эксплуатации линий электропередач замечено, что
вдоль трасс линий электропередач растения выглядят лучше и пышнее, чем в стороне от них. Положительное влияние электризации
почвы было отмечено еще Мичуриным при выращивании сеянцев
винограда, груши, яблони и других растений. Исследования Шустова в СПСХИ выявили, что урожай салата и редиса можно повысить
на 40%, если через почву по 12часов в сутки пропускать постоянный
электрический ток плотностью 0,1 А/м2 или переменный ток f=50 Гц
31
плотностью 5А/м2, превышение указанных величин ведет к угнетению растений и снижению урожайности.
Электрические токи в зоне корневой системы влияют на процессы почвенного питания, а в атмосфере оказывают влияние на
процессы фотосинтеза. Под действием электрического тока питательные вещества быстрее и легче усваиваются растениями вследствие электролиза. Кроме того, изменяется микрофлора почвы. Натягивая над растениями металлическую сетку, подключенную к отрицательному полюсу, а землю подключая к положительному полюсу,
можно создать потенциал между землей и атмосферой, который может стимулировать или угнетать растения в зависимости от величины потенциала. При определенных величинах потенциала может
протекать процесс плазмолиза в растениях.
2.6.2. Расчет установки для борьбы с сорняками
Сокращение потерь урожая от вредителей, болезней и сорняков имеет большое значение. Для уничтожения сорной растительности электрическим током необходимо передать сорнякам
определенное количество энергии, которой должно быть достаточно для их гибели.
Мощность любой энергетической установки определяется
суммой мощностей отдельных потребителей с учетом потерь на
ее передачу
PУСТ = nPn ,
(2.14)
где Pуст – мощность энергетической установки, кВт; Р n – мощность, потребляемая одним растением, кВт; n – число растений,
одновременно касавшихся электрода.
Количество энергии, необходимое для гибели сорного растения данного вида, определяется как мощность, приложенная к
растению за время τ
W = Pn × t ,
(2.15)
тогда
P = W / t.
(2.16)
После подстановки (2.16) в (2.14) получим
PУСТ = n × (W / t) .
(2.17)
Таким образом, для определения мощности источника электрической энергии необходимо знать число сорняков, одновременно ка32
сающихся электрода, а также время контактирования и количество
энергии, необходимой для гибели сорняка.
Агрегат, двигаясь по полю со скоростью V, касается растения, наклоняет его и скользит по нему, отрезок пути Δl = l – l1
(рис. 2.10).
При этом по всей длине электрода в контакт с ним могут вступить ещё несколько растений. Если допустить, что сорняки распределены равномерно, то количество растений, одновременно контактирующих с электродом, равно
N = n × l × Dl ,
(2 .18 )
где п – количество сорняков на 1 м2, высота которых превышает уровень установки электродов l>l1 шт/м2; L – длина электродов, м.
Рисунок показывает, что время контактирования растения с
электродом при движении установки прямо пропорционально
длине отрезка д/ и обратно пропорционально скорости движения
установки V
l = Dl / V .
(2.19)
Подставив (2.18) и (2.19) в (2.17), получим
P = K× W× n×V×L.
1
Dl
V
(2.20)
l
2
l1
Рис. 2.10. Схема взаимодействия электрода установки с растением:
1 – растение; 2 – электрод
Для наиболее распространенных видов сорных растений и фаз
их развития конкретные значения летальных доз энергии W могут
быть получены экспериментальным путем. Скорость агрегата задается, исходя из времени контакта, достаточного для уничтожения
сорняка. Ширина захвата (длина электродов) агрегата устанавливается в зависимости от засоренности (количества сорняков на 1 м) и
33
конструктивных особенностей электродов. Засоренность определяется многолетними наблюдениями по данному району.
Выражения (2.18–2.20) справедливы для электродов, конструкция которых не влияет на значения параметров N и I, например, штанговых.
Схема электродов, разработанных фирмой «Lasco», приведена на рисунке 2.11.
N
2
1
4
3
а)
2
б)
Рис. 2.11. Схема электродной системы со штанговым электродом: а – схема соединения; б – общий вид электрода; I – вспомогательный заглубленный электрод; 2 – рабочий штанговый электрод; 3 – растение; 4 – изолятор
Достоинствами таких систем является простота и малая металлоемкость. Подобные электродные системы рекомендуется использовать для борьбы с сорняками в посевах, когда их высота превышает
высоту культурных растений (осот в пшенице, овсе и др.). Избирательность воздействия обеспечивается регулированием расстояния от
электрода до культурного растения. Эффективность обработки тем
выше, чем больше разность длин культурных растений и сорняков.
Штанговые электроды в рабочем положении не имеют непосредственного контакта с землей, поэтому электрическая цепь «источник-электрод-растение-почва-источник» создается путем использования дополнительного заглубленного в почву электрода.
Недостатком штанговых электродных систем является то, что
их невозможно использовать в междурядьях овощных культур.
На кафедре применения электрической энергии в сельском
хозяйстве ЧГАУ разработан, изготовлен и прошел полевые испытания электроэнергетический агрегат для уничтожения сорных
растений электрическим током.
Мобильный агрегат состоит из колесного трактора (МТЗ-80,
Т-40) с фронтальной навеской изолированных друг от друга и от
34
корпуса четырех электродов-штанг. При движении агрегата штанги соприкасаются с сорными растениями и передают электрическую энергию сначала на листья и стебли, затем на корневую систему, образуя через почву замкнутую электрическую цепь. Скорость движения трактора 1…4 км/ч, ширина обрабатываемой полосы – 0,5 м. Затраты электрической энергии 20…90 кВт×ч/га. Засоренность снижается на 90%.
Напряжение, подводимое к штангам, выбирается таким
(6...10 кВ), чтобы ток в цепи обеспечивал гибель сорняков (более
0,12 А).
Штанги с помощью опорных изоляторов крепятся к поворотной раме, чем обеспечивается регулировка высоты электродов
над уровнем почвы. В состав агрегата входит тележка, на которой
смонтирована электростанция ПЭС-15, повышающий трансформатор 0,4/10 кВ мощностью 30 кВт, пульт управления.
Уничтожение сорных растений, высота которых на 5...10 см
и более превышает высоту культурных растений, осуществляется
следующим образом. Электроды-штанги по высоте устанавливаются над посевами основной культуры, не касаясь ее листьев, а
касаясь стеблей и листьев сорняков. На штанги подается высокое
напряжение от трансформатора. Каждая штанга соединена со своей фазой, причем крайние штанги присоединены к одной фазе.
Таким образом, соседние штанги находятся под напряжением
10 кВ. Благодаря тому, что удельное сопротивление сорняков примерно в 10 раз ниже сопротивления почвы, электрический ток
протекает в основном по сорным растениям, разрушая стебель и
повреждая корень на глубину 10...15 см. Часть тока протекает и
через почву, и через корни культурных растений, но плотность
тока здесь не достигает летальных для этих растений доз и не повреждает их. Опасность повредить культурные растения наступает тогда, когда электроды касаются их стеблей и листьев.
Борьба с сорняками провокацией преждевременного прорастания обработкой токами СВЧ. Установка, сходная с предыдущей, только режим работы другой: напряженность электрического поля меньше, так как цель не угнетать и убивать, а стимулировать семена сорняков к прорастанию перед осенней вспашкой, чтобы и растущие сорняки при вспашке были уничтожены.
Предпосевная электростимуляция семян в электрическом
поле высокой напряженности. Стимуляция необходима для по35
вышения энергии прорастания, повышения их всхожести и урожайности, а также устойчивости к неблагоприятным условиям погоды и окружающей среды. Электростимуляцию проводят между
обкладками конденсатора при E=l…4 кВ/см=100…400 кВ/м, с
выдержкой 20…180 с, энергоемкость обработки – 30…60 Вт–
ч/тонну. Урожайность растений зерновых из обработанных семян
возросла на 10…15%,зеленая масса кукурузы – на 25%.
Положительные результаты опытов по уничтожению сорных
растений электрическим током позволяют сделать вывод о перспективности использования данного процесса в технологической
цепочке возделывания культурных растений.
Контрольные вопросы
1. С какой целью проводят обработку кормов электродным
процессом?
2. Какова продолжительность обработки электродным процессом картофеля и соломы?
3. Какова продолжительность обработки паром картофеля и
соломы?
4. Какие соли вводят в солому перед ЭТХО электродным
процессом и сколько?
5. Что такое делигнификация соломы?
6. Нарисуйте электрическую схему ЭТХО соломы.
7. Нарисуйте электрическую схему установки ЭТХО соломы.
8. Перечислите комплекс разрушающих воздействий на солому при ЭХТО.
9. Нарисуйте схему установки электромелиорации почвы при
горизонтальном и вертикальном расположении электродов.
10. Нарисуйте и объясните схему растекания тока с электродов при мелиорации.
11. Каковы затраты электрической энергии и воды при рассолении 1 га солончаков?
12. Какие среды можно обеззараживать электрическим током?
13. В каких процессах применяется электроэнергия в ветеренарии?
14. Как можно стимулировать растения электрическим током?
15. Как проводится предпосевная электростимуляция семян?
16. Как можно вести борьбу с сорняками при напряженности
поля 10 кВ?
36
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ
И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯХ
3.1. Общие сведения об электрических разрядах
В электротехнологиях наиболее часто находят применение
электродуговой, коронный (КР) и искровой (ИР) разряды. Искра,
одна из форм электрического разряда в газах, возникает обычно при
давлении, близком к атмосферному, и сопровождается характерным
звуковым эффектом – «треском» искры. В природных условиях наблюдается искровой разряд в виде молнии. Искровой разряд происходит, если мощность источника его энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового или тлеющего разряда. В этом
случае, одновременно с резким возрастанием разрядного тока, в течение очень короткого времени (от нескольких мк/сек. до нескольких сотен мк/сек.) напряжение падает ниже напряжения погасания
искрового разряда, что приводит к погасанию искрового разряда.
Затем разность потенциалов вновь возрастает, и зажигание искрового разряда повторяется. Искровой разряд представляет собой пучок
ярких, быстро исчезающих и сменяющих друг друга нитевидных,
часто сильно разветвленных полосок плазменных каналов. Эти каналы заполнены плазмой, в состав которой в мощном искровом
разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества
электродов, интенсивно испаряющегося под действием разряда.
Механизм формирования каналов и возникновения искрового разряда объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов.
В газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако число их настолько мало, что газ
практически не проводит электричества. При достаточно большой
напряженности поля кинетическая энергия, накопленная электроном в промежутке между двумя соударениями, может сделаться
достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон
и положительно заряженный остаток – ион. Схема возникновения
лавины показана на рис 3.1.
Свободный электрон – 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон – 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с ней37
тральными молекулами снова расщепляет их на электроны 3 и 4 и
свободные положительные ионы и т.д.
Рис.3.1. Схема возникновения электронной лавины
Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а
ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание
электрона от атома, – работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов. Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивают число зарядов в газе, причем, в свою очередь,
они приходят в движение под действием электрического поля и
могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление это аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.
Согласно этой теории из электронных лавин, возникающих в
электрическом поле разрядного промежутка, при определенных
условиях образуются стримеры – тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, содержащие ионизированные атомы газа и
отщепленные от них свободные электроны. Стримеры, удлиняясь,
перекрывают разрядный промежуток и соединяют электроды непрерывными проводящими каналами. Происходящее превращение стримеров в искровые каналы сопровождается резким возрастанием тока разряда и количества энергии, выделяющейся в кана38
ле, вследствие чего в канале скачкообразно возрастает давление,
что приводит к возникновению ударной волны. Совокупность
ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает
звук, воспринимаемый как треск искры (в случае молний – как
гром). Типичный представитель искрового разряда в природе –
грозовой разряд – молния. Подсчитано, что в атмосфере Земли
одновременно происходят 1800 гроз, которые дают в среднем
около 100 молний в секунду. Напряжение зажигания ИР в атмосфере составляет несколько тысяч кВ/см в момент пробоя и снижается до сотен В/см спустя несколько микросекунд в момент погасания. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде
может достигать нескольких тысяч кА.
Электрогидравлическая установка для очистки шерсти имеет
генератор импульсов тока на базе трансформатора-выпрямителя
ВТМ–15/50 и импульсных конденсаторов КЭМ 50-1. Процесс очистки протекает при параметрах U=50 кВ, с=(1…4)·10-6 Ф, запасенная энергия (1,25…3,75) кДж, l=(4,5…6)·10-2 м, L≤5·10-6 Гн, f=1
Гц. Производительность установки 250 кг/ч, потребляемая мощность 15 кВт.
Электрический искровой разряд (ЭИР) находит широкое
применение в практике, так как сопровождается многими физическими факторами:
1) электротоком большой плотности;
2) мощной ударной волной;
3) высокой температурой искрового канала;
4) обеспечением подвода к обрабатываемому объекту любых
доз электроэнергии. Как правило, искровой разряд осуществляет
импульсный подвод электроэнергии ИПЭ к обрабатываемому объекту.
ИПЭ позволяет источникам небольшой мощности выделить
в локальной зоне обрабатываемого материала весьма значительную мгновенную мощность. Концентрированный подвод электроэнергии при ИПЭ позволяет интенсифицировать многие техпроцессы при одновременном снижении их энергоемкости, а в отдельных случаях получить эффект, недостигаемый при непрерывном подводе электроэнергии даже очень большой мощности.
Пример применения искрового разряда в сельскохозяйственном
39
производстве представлен на рисунке 3.2 как метод электрогидравлической очистки шерсти.
1
1
Рис. 3.2. Схема камеры электрогидравлической очистки шерсти:
1 – электроды; 2 – корпус; 3 – моющая жидкость; 4 – шерсть;
5 – сборник отработавшей жидкости; 6 – крышка; h – воздушный зазор; стрелками показаны вход и выход моющей жидкости
3.2. Электроимпульсная технология (ЭимТ)
Процессы ЭимТ характеризуются прерывистым подводом
электроэнергии с определенной длительностью, частотой и
скважностью. Благодаря концентрации мощности при этом интенсифицируются многие технологические процессы при снижении их энергоемкости, а порой получаются результаты, недостижимые при традиционных методах. Структурная схема
электроимпульсной технологии представлена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Структурная схема электроимпульсного воздействия:
ИП – источник питания; СУ – система управления; АЭ, КЭ – аккумулирующие и коммутирующие элементы; РО – рабочий орган; ТМ – технологический материал (обрабатываемый); П – продукт
40
Технологические процессы, основанные на ЭИмТ в сельсехозяйственном производстве, – дробление материалов, очистка
шерсти, управление животными на пастбище (электроизгородь).
Электроизгородь включает генератор электрических импульсов и изгородь, состоящую из опорных стоек с изоляторами и
токоведущих проводов. Стойки ставят через 10…20 м, токоведущий провод из мягкой стальной проволоки 01,2…2,0 мм.
Высота подвеса – 30…90 см, в зависимости от* вида животных.
Применение электроизгороди основано на биологическом действии
электрического тока, который вызывает у животного неприятное сокращение мышц и нервный шок. После нескольких «ударов» у животных вырабатывается боязнь прикосновения к проводам. Напряжение импульса 2…12 кВ при токе 0,15…10 А, частота 1…2 Гц,
продолжительность воздействия 60 мс. Типы генераторов для электроизгороди: ИЭ-200; ЭК-1М; ЛСХА; ГИЭ-1 и др.
3.3. Электроэрозионная обработка металлов
Электроэрозионная обработка металлов, разработанная в
1943 году русскими учеными Б.Р. и Н. И. Лазаренко, позволяет
обрабатывать сверхтвердые материалы мягким инструментом.
Генератор импульсов типа RC с накопительным конденсатором С,
заряжаемым от источника постоянного тока через токоограничительный резистор R. При некотором напряжении межэлектродный промежуток пробивается, образуется плазменный канал
сквозной проводимости с температурой 104 К, длительность импульса – 10-5-10-7с, при этом теплота успевает нагреть только поверхностный микрослой металла, который испаряется и выбрасывается за пределы электрода, застывая в жидком диэлектрике в
виде мелких шариков металла. При снижении напряжения конденсатора до напряжения ниже пробоя разряд прекращается, далее процесс зарядки повторяется. Поверхность электрода-заготовки постепенно приобретает форму зеркального отображения
электрода-инструмента; чтобы сохранить постоянным межэлектродный промежуток, электрод-инструмент постепенно приближают к электроду-заготовке.
41
Рис. 3.4. Схема электроискровой об работки металлов: 1 – электродинструмент; 2 – жидкий диэлектрик; 3 – электрод-заготовка
Преимущества электроэрозионной обработки
1. Этот метод позволяет изготавливать сложнейшие детали с
большой степенью точности при помощи инструмента, который
не испытывает механических деформаций и усилий.
2. Электрод-инструмент может быть из любого легкообрабатываемого материала, но им можно обрабатывать любые сверхтвердые и труднообрабатываемые материалы.
Этот метод особенно эффективен при изготовлении штампов
сложнейших конфигураций из особо твердых сплавов.
Контрольные вопросы
1. Какие виды электрических разрядов применяются в электротехнологиях?
2. Объясните условия возникновения искрового разряда и
причины его быстрого погасания.
3. Что собой представляет искровой разряд?
4. Объясните с помощью стримерной теории механизм формирования плазменного канала электрического пробоя газов.
5. Каких типичных представителей искрового разряда в природе вы знаете и какими электрическими параметрами они характеризуются?
6. Перечислите области применения электрических искровых
разрядов.
7. Чем характеризуются электроимпульсные технологии и
каковы их основные особенности?
8. Объясните принцип действия электропастуха.
9. Объясните процесс электроимпульсной штамповки.
10. Нарисуйте схему электроэрозионной обработки металлов
и объясните принцип ее действия.
11. Перечислите основные преимущества электроимпульсной обработки металлов.
42
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ
И ЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯХ
4.1. Основы теории электрокинетических
и электрокапиллярных явлений
Электрокинетические явления отражают связь между относительным движением двух фаз (твердой и жидкой) и электрическими свойствами границ их раздела. Основные электрокинетические явления: электроосмос, электрофорез, потенциал течения и
потенциал осаждения.
Электроосмос – движение жидкости через капилляр или пористое тело под действием сил внешнего электрического поля.
Электрофорез – движение твердых частиц, диспергированных
в жидкости под действием сил внешнего электрического поля.
Потенциал течения – это возникновение разности потенциалов между точками, расположенными на некотором расстоянии друг от друга, по направлению течения жидкости через пористое тело или капилляр.
Потенциал осаждения (седиментации) – разность потенциалов
в точках на разных уровнях трубы при осаждении твердых частиц в
жидкости. Открытие этих явлений относится к началу 19 века.
Электрокинетические явления могут широко использоваться
при обезвоживании сельскохозяйственного сырья, пропитке разнообразных материалов, выделении сока из трав и плодов, разделении сложных составов и т.д.
Существование электрокинетических явлений обусловлено
наличием двойного электрического слоя на границе раздела твердой и жидкой фазы.
В растворах величина тока обусловлена перемещением как
отрицательно заряженных частиц, так и положительных, т.е. существует электронноионная проводимость, а в металлах – только
электронная. Так как масса иона в тысячи раз больше массы электрона, то появляется возможность через посредство электрических сил воздействовать на массоперенос. Между направлением и
скоростью электрофореза и электроосмоса, с одной стороны, и
направлением и напряженностью приложенного электрического
43
поля – с другой, существует связь, позволяющая определить знак
и величину заряда твердых частиц относительно жидкости и соответствующий скачок потенциала.
Скорость электроосмоса V и потенциал течения E связаны
зависимостями:
e e Dy
x;
(4.1)
V = 0 ×
h Dx
ee P
E= 0 ;
(4.2)
hg 0
ee P Dy
E= 0 S
x ,
(4.3)
h
Dx
где ε – диэлектрическая проницаемость жидкой фазы; Δψ/Δx –
напряжённость электрического поля в направлении, параллельном
границе раздела фаз; η – вязкость жидкой фазы; γ0 – электропроводность; P – давление, вызывающее перемещение жидкости; S –
сечение взвешенной частицы или поры.
Величина ξ называется электрокинетическим потенциалом,
или дзета-потенциалом. Рассчитанная по формуле величина ξ может значительно отличаться от истинной, т.к. напряженность поля,
удельная электропроводность, диэлектрическая постоянная и вязкость жидкой фазы на границе раздела фаз могут значительно отличаться от соответствующих значений в глубине жидкой фазы.
Теорию строения двойного электрического слоя предложил
Гельмгольц, который уподобил двойной электрический слой заряженному плоскому конденсатору, одна из обкладок которого
совпадает с плоскостью, проходящей через центры тяжести зарядов на поверхности твердого тела (электрода), другая – с плоскостью, соединяющей центры тяжести зарядов ионов, находящихся
в растворе, но притянутых электростатическими силами к поверхности твердого тела.
Толщина двойного слоя l принималась равной радиусу ионов
ru. Двойной электрический слой электронейтрален, т.е. число ионов на поверхности твердой фазы равно числу ионов в жидкости у
поверхности раздела
q1=-qП .
Емкость двойного слоя
44
(4.4)
где l – толщина двойного слоя (3*10-10 м).
Строение двойного электрического слоя по Гельмольцу
представлено на рисунке 4.1 а, б, по Дебаю-Гюккелю на рисунке
4.1 в, г.
Теория Гельмгольца дает правильные значения емкости и
толщины двойного слоя, но не может объяснить целый ряд опытных закономерностей и может быть использована как первое приближение к действительности.
Теории двойного слоя Гуи-Чапмана, и в дальнейшем ДебаяГюккеля, предполагают диффузионное распределение ионов у
границы раздела сред (рис. 4.1 в, г). Взаимодействие электрических и термодинамических сил распределяет ионы в жидкости по
убывающей при удалении от границы раздела.
Существование двойного электрического слоя раскрывает
суть электрокинетических явлений.
Рис. 4.1. Строение двойного слоя: а) по Гельмгольцу; в) по ДебаюГюккелю; б), г) распределение потенциала на границе раздела фаз
Электрофорез – это движение частиц твердой фазы суспензии вместе с адсорбированными на их поверхности ионами, которые под действием сил внешнего электрического поля будут перемещаться в сторону противоположно заряженного полюса.
Поверхность частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости, приобретает электрический заряд определенной полярности. Частицы имеют возможность перемещаться в жидкости, и
45
следовательно, при наложении внешнего поля частица будет перемещаться к электроду, имеющему противоположный заряд.
В биологических системах и сбросных водах большинство
коллоидов имеют отрицательный заряд. Одним из решений удаления или концентрирования коллоидов является конструкция
(рис. 4.2), состоящая из двух катионообменных мембран и одной
нейтральной (фильтра).
P
N
P
H2O
+
+
-
K
-
+
+
Рис. 4.2. Схема ячейки электрофореза
Через нейтральный фильтр свободно проходят вода и небольшие ионы. Через катионообменную мембрану под действием электрического тока проходят небольшие ионы и очень трудно – вода.
Поэтому при создании давления с одной стороны фильтра (нейтральная мембрана) вода проходит через нее, а катионы не проходят
из-за действия электрического поля. Таким образом, внешний электрический потенциал заставляет соль оставаться в секции исходного раствора, а внешнее давление выдавливает воду через нейтральный фильтр. Мембранный процесс осуществляется под действием
электрического поля и давления. Главное достоинство – малые затраты энергии.
Электроосмос – это движение жидкости через капилляр или
пористую диафрагму под действием сил внешнего электрического
поля. Электроосмос обусловлен тем, что на границе двух фаз
(твердой и жидкой) за счет перераспределения электрических зарядов образуется двойной электрический слой. Если вдоль границы этих сред приложить разность потенциалов от внешнего источника, то заряженный слой жидкости под действием сил внешнего поля будет перемещаться в сторону противоположно заря46
женного источника, увлекая за собой за счет внутреннего трения
и слои незаряженной жидкости. Так возникает движение жидкости относительно твердой фазы.
В капилляре, заполненном жидкостью, ионы, находящиеся у
границы раздела сред, перемещаются под действием внешнего
электрического поля (рис. 4.3) и создают перепад давлений.
P
+
+
+ + + + + +
+ + + + + +
Dh
P
а)
б)
Рис. 4.3. Явление электрофореза:
а) в капилляре; б) в пористой мембране
Если жидкостью заполнено пористое тело, вместо капилляра
следует рассматривать его поры, а само тело считается своеобразной
мембраной. Разность уровней Δh определяется перепадом давлений
Δ P=P2-Pr . Пористое тело с капиллярами малой длины носит название мембраны. Естественные мембраны присущи всем живым организмам. Это мембраны органоидов растительной клетки и сама оболочка клетки. В некоторых случаях в качестве мембраны можно рассматривать стенку стебля и эпидермис листа. Отличительной особенностью электроосмоса является перенос через поры мембраны
растворителя под действием электрического поля. Скорость через
единицу поверхности мембраны определяется выражением
V
e ¢zI ,
(4.5)
=
St
4pml
где S – площадь мембраны; V – объемный поток; τ – время; ε`–
диэлектрическая постоянная; I – ток; μ – вязкость; λ – удельная
теплопроводность.
Перенос ионов выражается суммой двух скоростей потоков,
обусловленных градиентом концентрации растворов и градиентом электрического потенциала
47
V b1DE b2 DDC ,
=
+
St
R¢
l
(4.6)
где b1, и b2 – коэффициенты пропорциональности; ΔE – разность
потенциалов; R’– электрическое сопротивление ячейки; D – коэффициент диффузии; ΔC – разность концентрации; l – толщина
мембраны; V – объёмный поток; S – площадь мембраны; τ – время.
Электродиализ – перенос ионов через ионоселективные
мембраны под влиянием внешнего электрического поля.
При значительной напряженности внешнего электрического
поля катионы из исходного вещества переносятся в поток концентрата через катионообменную мембрану, находящуюся со стороны
катода. Анионы движутся в противоположном направлении и переносятся в поток концентрата через анионообменную мембрану. Катионы в потоке концентрата задерживаются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы – катионообменной мембраной
со стороны анода. Установки электродиализа эффективно используются при опреснении солёной воды и еще более эффективны при
опреснении солоноватых вод.
Электродиализ отличается от электроосмоса переносимым
компонентом. В электроосмосе переносится растворитель, в электродиализе – растворенное вещество. При использовании электрического градиента оба процесса могут протекать одновременно. В
электродиализе направление переноса может быть любым в зависимости от соотношения концентраций растворов по обе стороны
мембраны и направленности электрического поля.
При электродиализе образуются анолитовый и католитовый
растворы.
Анолитовый р-р (кислый) обладает хорошими активирующими свойствами, заживляющими раны, убивает бактерии,
стимулирует процессы регенерации и развитие клеток живых организмов.
Католитовый (щелочной р-р) может быть использован как
моющее средство, кроме того, ускоряет биопроцессы силосования, процессы приготовления бетона и др.
Электродиализ – перенос ионов через ионоселективные
мембраны под влиянием внешнего электрического поля. Хорошим примером является очистка засоленной воды электродиализным процессом, представленным на рис. 4.4.
48
Рис. 4.4. Схема электродиализа
4.2. Установки обезвоживания травы перед сушкой
Плазмолиз – это отслаивание протоплазмы растительной
клетки от оболочки в результате диффундирования воды из вакуоли в более концентрированный наружный раствор. При снижении концентрации наружного раствора вода проникает сквозь
протоплазму в вакуоль, давление повышается, и протоплазма
прижимается к оболочке, т.е. наступает состояние тургора. Процесс плазмолиза обратим, но до определенного предела, после которого свойства протоплазмы не восстанавливаются, клетка гибнет, а биологически связанная с ней жидкость выходит в межклеточник. Электроплазмолиз, в отличие от термолиза, не разрушает
стенки клеток, поэтому исключает переход пектиновых веществ в
сок и образует более крупные фрагменты оболочек, которые легко
задерживаются стенками клеток.
Эффективность электроплазмолиза зависит от:
1) градиента напряжения;
2) длительности обработки;
3) температуры;
4) от электрофизических свойств растительного сырья и не
зависит от частоты электрического тока.
С увеличением градиента напряжения длительность электроплазмолиза сокращается, причем зависимость эта носит обратно квадратичный характер
K
t= 2,
E
49
где К – величина, характеризующая плазмолиз, В2с/см2; Е2 – напряженность электромагнитного поля, В/см (рекомендуется
Е≥2000 В/см).
Плазмолиз получил название из-за отслоения протопласты
клетки от ее оболочки, сопровождающегося сжатием протоплазмы, в результате чего освобождается связанная внутри клетки вода. Этим ускоряются процессы сушки, а также улучшается соковыделение при переработке сельхозпродукции (фруктов и овощей). Плазмолиз проводят в специальных электроплазмолизаторах, вальцевого типа. Два цилиндра-электрода вращаются навстречу друг другу. Один подключен к положительному, а другой
к отрицательному полюсу. В зазор толщиной 5-6 мм между вальцами помещается обрабатываемый материал. Напряженность
электрического поля между вальцами Е=700 В/см=70 кВ/м, скорость прохождения материала между вальцами 30 м/с. В процессе
обработки материал подвергается раздавливанию валками и обработке электрическим полем высокого напряжения, а также электрическим током, проходящим через него между вальцами.
Наиболее широко встречаются (см. рис. 4.5):
а) валковый электроплазмолизатор;
б) электроплазмолизатор камерного типа, в котором за основу принята прямоугольная камера с сетчатым дном-электродом, а
верхняя подвижная крышка типа пуансона позволяет изменять
давление на массу;
в) электроплазмолизатор транспортерного типа;
г) то же шнекового типа.
Валковый электроплазмолизатор (см. рис. 4.5, а) состоит из
двух металлических валков – электродов, вращающихся встречно.
Скошенная трава подается в зазор между валками. На валки через
токосъемники подается переменное напряжение. В опытных образцах косилки-электроплазмолизатора, выполненных на базе косилкиплю-щилки КПВ-3,0, электроплазмолиз производится при одновременном плющении стеблей травы. Для равномерного распределения
тока по ширине валков на поверхности последних располагают рифли специфической конструкции. Напряженность электрического поля в слое травы между валками равна 60...75 кВ/м. Продолжительность сушки травы уменьшается в 1,3…2 раза, а содержание каротина в сене (при влажности 18%) на 50% выше, чем в сене, скошенном на той же косилке, но без электроплазмолизатора.
50
Рис. 4.5. Примеры различных видов плазмолизаторов
Рис. 4.6. Схема установки для совместной электроискровой и механической обработки травы перед сушкой: 1 – тяга; 2 – заземленный ролик; 3 – изолирующая тяга; 4 – копирующий ролик; 5 – изоляционный
корпус; 6 – электрод разрядника; 7 – отверстие; 8 – изоляционная транспортерная лента; 9 – обрабатываемая трава; 10 – бункер; 11 – плющильные вальцы; 12 и 13 – барабаны транспортера
Питание валков осуществляется от генератора переменного
тока и повышающего трансформатора. Частота переменного напряжения варьируется в пределах 20…150 Гц, но наиболее часто
используется промышленная частота 50 Гц. Электроплазмолиз
51
определяется наличием эффекта электроосмоса, а в качестве мембран рассматриваются мембраны органоидов растительной клетки, плазмолемма, сама оболочка клетки. Элетроосмос наблюдается и при постоянном токе, однако плазмолизаторы обычно питаются от сети переменного тока.
В АлтГТУ проведены опыты по исследованию электроосмоса на переменном токе. В качестве мембраны использовался стебель травы. Опыт был проведен с использованием простейшей
кюветы (рис. 4.7), заполненной дистиллированной водой.
Влага
Сушка
Фракционирование
Дробление
Сырая трава
Гранулирование
Рис. 4.7. Технологическая схема фракционирования
зеленой массы травы
Установка электроосмического обезвоживания (рис. 4.8)
легко встраивается в технологическую линию АВМ-1,5 и состоит
из цилиндра 1 с внутренним диаметром 400 мм, поршня 2, кривошипно-шатунного механизма 3, редуктора 4, маховика 5 и асинхронного электродвигателя 6. Зеленая масса загружается в бункер
7 и упаковщиком 8 подается в цилиндр в момент, когда поршень
находится в левом положении. Во время рабочего хода поршень
уплотняет зеленую массу в камере 9 и перемещает ее в рабочий
орган установки 10. Рабочий орган установки представляет собой
систему трубчатых электродов длиной 2,5 метра.
Система электродов питается от трехфазного трансформатора, вторичная обмотка которого развязана с целью создания вращающегося электрического поля (рис. 4.9). Вращающееся электрическое поле (направление тока через зеленую массу поворачивается вокруг центра окружности, по которой расположены электроды) создается за счет сдвига на 120° в пространстве пар электродов и временного сдвига на 120° направления тока. Использо52
вание кругового вращающегося электрического поля обусловлено
анизотропностью отдельных отрезков стеблей травы, т.е. различной проводимостью вдоль и поперек стебля. Во вращающемся
поле все частицы зеленой массы находятся в одинаковых условиях, что обеспечивает полноту обработки. Выделенный в процессе
обработки сок удаляется с помощью вакуумной системы через отверстия в Трубчатых электродах. Мощность установки – 60 кВт,
производительность – 5000 кг в час по зеленой массе. Напряженность между электродами – 600 В. Затраты дизельного топлива на
производство одной тонны сухой травы снижаются на 40...50%.
10
7
9 8
6
1
5
4
2
3
3
Рис. 4.8. Общий вид установки обезвоживания травы
Мембранная установка для обезвоживания травы с использованием переменного и постоянного электрических полей изготовлена в АлтГТУ. Как было показано выше, использование постоянного тока при электроосматической обработке травы исключено. В связи с этим предлагается следующая схема на рис. 4.8.
Рис. 4.9. Электрическая схема рабочего органа
53
Свежескошенная трава помещается между двумя электродами,
которые включаются в сеть переменного тока. Перераспределение
влаги в растительной ткани происходит в связи с наблюдаемым вентильным эффектом влагопереноса. При этом изменяются виды связи
воды, и значительное количество ее переходит в свободное состояние. Проводимость слоя травы при этом резко повышается, увеличивается составляющая тока проводимости, затраты энергии на нагрев
возрастают, а технологическое действие тока снижается. Для устранения этого эффекта необходимо отвести выделенную в зеленую
массу травы влагу. Отвод влаги может быть осуществлен с помощью
вакуумной установки или центрифуги. В этой установке отвод влаги
производится с помощью искусственной мембраны и дополнительного электрода. Схема установки представлена на рисунке 4.10.
3
6
5
4
2
1
Рис. 4.10. Центробежная установка для выделения сока из лекарственных растений: 1 – электродвигатель постоянного тока; 2 – шарнирный
подвес; 3 – ротор; 4 – токосъемное устройство; 5 – сокосборник; 6 – кожух
Интенсивно выделить сок из лекарственных растений позволяет центробежная установка (АлтГТУ). В основу ее работы положен принцип одновременного воздействия на растительную
ткань электрических и центробежных сил. Установка (рис. 4.10)
периодического действия представляет собой центрифугу фильт54
рующего типа и состоит из электродвигателя постоянного тока 1,
шарнирного подвеса 2, ротора 3, токосъемного устройства 4, сокосборника 5, кожуха 6.
Ротор 3 состоит из внешнего конического ротора с перфорированной поверхностью и внутреннего конического ротора,
имеющего возможность перемещаться вдоль вертикальной оси.
Такая конструкция позволяет регулировать зазор между внутренним и внешним ротором, заполненным обрабатываемым материалом. Обрабатываемый материал (резка лекарственных трав) должен иметь хороший контакт с внешним ротором-электродом, что
обеспечивается при вращении ротора за счет центробежных сил.
Внутренний ротор – электрод состоит из нескольких подпружиненных секторов. Под действием центробежных сил сектора растягивают пружины и прижимаются к кольцевому слою материала,
обеспечивая контакт с обрабатываемым материалом.
Контрольные вопросы
1. Что такое электроосмос и электрофорез?
2. Что такое потенциал течения и оседания?
3. Что представляет собой теория строения двойного электрического слоя и какова его роль в электротехнологических явлениях.
4. Нарисуйте и объясните схему ячейки электрофореза.
5. Что такое электродиализ?
6. Нарисуйте схему электродиализной установки и объясните
её работу.
7. Что такое анолитовый и католитовый растворы и каковы
их свойства, а также область применения?
8. Что такое плазмолиз? Электроплазмолиз?
9. Области применения электроплазмолиза.
10. Виды электроплазмолизаторов и их схемы
11. Установки обезвоживания травы.
55
ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
5.1. Общая характеристика электронно-ионных процессов
Электронно-ионные технологии – область электротехнологии,
в которой используют взаимодействие сильных электрических полей с заряженными частицами твердого или жидкого вещества с целью придания им целенаправленного упорядоченного движения,
необходимого для реализации некоторых технологических процессов. В качестве источника энергии в электронно-ионных технологиях наиболее часто применяется коронный разряд.
Коронный разряд – неполный пробой газового промежутка.
Коронный разряд, электрическая корона, разновидность тлеющего
разряда возникают при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов. Подобные
поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). При коронном разряде эти
электроды окружены характерным свечением, также получившим
название короны, или коронирующего слоя. Примыкающая к короне несветящаяся («тёмная») область межэлектродного пространства называется внешней зоной. Корона часто появляется на
высоких остроконечных предметах (огни святого Эльма), вокруг
проводов линий электропередач и т.д.
Появление коронного разряда объясняется ионной лавиной.
Для получения коронного разряда натянем на двух высоких изолированных подставках металлическую проволоку ab, имеющую
диаметр несколько десятых миллиметра, и соединим ее с отрицательным полюсом генератора, дающего напряжение несколько тысяч вольт. Второй полюс генератора отведем к Земле. Получится
своеобразный конденсатор, обкладками которого являются проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются с Землей.
При определенной величине напряженности электрополя наблюдается появление на проволоке светящихся зарядов короны, которые
впоследствии будут стекать на землю.
Трехмерные поля – очень сложные системы, например равноотстоящие шары или электроды, иглы и др.
56
Коронный разряд может иметь место при различных давлениях газа в разрядном промежутке, но наиболее отчётливо он
проявляется при давлениях не ниже атмосферного.
Разряд начинается, когда напряжение U между электродами
достигает так называемого "начального потенциала” короны Uo
(типичные значения – тысячи и десятки тысяч В). Ток коронного
разряда пропорционален разности напряжений U-Uo и подвижности образующихся в разряде ионов газа, он обычно невелик (доли
мА на 1 см длины коронирующего электрода). При повышении
напряжения U яркость и толщина коронирующих слоев растут.
Когда напряжение U достигает потенциала "искрового перекрытия”, коронный разряд переходит в искровой разряд.
Рис. 5.1. Некоторые системы электродов для создания поля коронного
разряда: а – провод по оси цилиндра; б – провод-плоскость; в – провод
между двумя плоскостями; г – ряд проводов-плоскость; д – ряд проводов посредине между двумя плоскостями; е – ряд стержней с иглами –
плоскость. 1 – стержень; 2 – игла
Если коронирует только анод, корона называется положительной. В этом случае первичные электроны высвобождаются на
внешней границе коронирующего слоя в результате фотоиониза57
ции газа фотонами, испускаемыми внутри короны. Ускоряясь в
поле анода, эти электроны ударно возбуждают атомы и ионы газа
и в актах ударной ионизации порождают электронные лавины. Во
внешней зоне носителем тока являются положительные ионы:
пространственный заряд, образуемый ими, ограничивает ток коронного разряда.
В отрицательной короне положительные ионы, ускоренные
сильным полем вблизи коронирующего катода, выбивают из него
электроны (вторичная электронная эмиссия). Вылетев из катода,
электроны ударно ионизуют газ, порождая лавины и обеспечивая
воспроизводство положительных ионов. В чистых электроположительных газах ток во внешней зоне переносится электронами, а
в присутствии электроотрицательных газов, обладающих сродством к электрону, – отрицательными ионами, возникающими при
’’слипании” электронов и нейтральных молекул газа. Эти электроны или ионы образуют во внешней зоне отрицательный пространственный заряд, ограничивающий ток коронного разряда.
В двуполярной короне коронируют оба электрода. Процессы
в коронирующих слоях аналогичны описанным во внешней зоне,
ток переносится встречными потоками положительных ионов и
электронов или отрицательных ионов.
При периодическом изменении полярности электродов (коронный разряд переменного тока) малоподвижные тяжёлые ионы
во внешней зоне не успевают достичь электродов за время одного
полупериода, и возникают колебания пространственного заряда.
Коронный разряд на частотах порядка 100 кГц и выше называется
короной высокочастотной, а при частотах более 10 мГц и значительной мощности питающего источника энергии высокочастотная корона переходит в факельный разряд.
В коронном разряде электрическая энергия преобразуется,
главным образом, в тепловую – в соударениях ионы отдают энергию своего движения нейтральным молекулам газа. Этот механизм вызывает значительные потери энергии на высоковольтных
линиях передач. Полезное применение (кроме обработки поверхности пленок) коронный разряд нашёл в процессах электрической
сепарации, а также в электрических фильтрах, электрической окраске (в частности, для нанесения порошковых покрытий), а так58
же при регистрации ионизирующего излучения (счётчиками Гейгера – Мюллера).
Физические тела электронейтральны или электрически заряжены. Разноименно заряженные тела притягиваются, одинаково
заряженные – отталкиваются.
Если две заряженные материальные точки неподвижны, находятся в вакууме на некотором расстоянии друг от друга, между
ними возникает сила взаимодействия, направленная вдоль линии,
соединяющей тела.
Эта сила описывается формулой
,
(5.1)
где к, – константа,
; q1, и q2 – заряды
материальных точек; r1-2 – расстояние между ними; ε0, – диэлектрическая проницаемость вакуума.
.
Это закон Кулона – основной закон электрического взаимодействия тел.
Электрический заряд не может самопроизвольно появиться
или исчезнуть, то есть суммарный электрический заряд замкнутой
системы тел не может измениться во времени. Это закон сохранения электрического заряда.
Элементарный заряд – это заряд электрона. Численное значение заряда электрона с = 1,60219*10-12 Кл. Заряды тел могут
быть равны или кратны этому заряду.
Так как между заряженными телами действуют электрические силы, то, следовательно, заряженное тело создает вокруг себя некоторое силовое поле, называемое электрическим. Если заряды неподвижны, то поле называется электростатическим.
При внесении в электрическое поле пробного заряда (тело с
зарядом, приближающимся к нулю), который не исказит поля, на
него будет действовать сила
(5.2)
где qn – пробный заряд.
59
Вектор , зависящий от величины зарядов, создающих электрическое поле, и от места расположения пробного заряда, называется напряженностью поля E (Н/Кл или В/м)
.
Напряжённость поля точечного заряда в вакууме
1
q
E=
×
,
1) в векторной форме
4pe 0 r r0
где – единичный вектор;
2) в скалярной форме
.
(5.3)
(5.4)
(5.5)
Если в электростатическом поле находится диэлектрик, состоящий из атомов и молекул, то поле оказывает на последний
определенное воздействие. Это воздействие проявляется в поляризации молекул. Суммарный положительный заряд молекулы
находится в одном центре «тяжести», а суммарный отрицательный заряд той же молекулы находится в другом центре «тяжести». Между центрами «тяжести» имеется какое-то расстояние. В
этом случае мы имеем дело с диполем, т.е. с системой двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+q и -q), расстояние между которыми - 1.
При внесении диэлектрика в однородное электрополе получим картину (см. рис. 5.2).
Рис. 5.2. Диэлектрик в электрическом поле
Некомпенсированные заряды –σ` и +σ` называются связанными. В результате не всё поле E компенсируется зарядами диэлектрика: часть линий напряженности поля пройдет сквозь диэлектрик, другая часть оборвется на связанных зарядах. Связанные заряды создают дополнительное поле E', направленное против поля E0 .
60
Поле внутри диэлектрика
или
.
(5.6)
Тогда
.
(5.7)
Собственная зона короны незначительна по протяженности и
непосредственно окружает коронирующий электрод. В этой зоне
происходит самостоятельный разряд, а также ионизационные и
рекомбинационные процессы. При интенсивных ионизационных
процессах возникает светящаяся корона, в связи с чем коронный
разряд подразделяют на видимый и невидимый.
Внешняя зона короны – все остальное межэлектродное пространство. В этой зоне происходит несамостоятельный разряд. Коронирующий электрод может иметь положительный или отрицательный потенциал (униполярный коронный разряд) и знакопеременный потенциал (биполярный коронный разряд). Процессы, протекающие при коронном разряде, зависят от рода тока. Следует различать коронные разряды при постоянном, переменном, пульсирующем (в частности, выпрямленном) и импульсном токах.
Под начальным напряжением коронного разряда понимают
межэлектродное напряжение, при котором несамостоятельный
разряд переходит в коронный. Начальное напряжение коронного
разряда распределяется между зоной короны и внешней зоной короны. Начальное напряжение зоны короны значительно меньше и
определяется величиной напряженности электрического поля, при
которой могут возникать ионизирующие процессы.
Для систем «проволока – коаксиальный цилиндр» или «проволока – параллельная ей плоскость» начальная напряженность E0
определяется по формуле Пика:
1) при положительной полярности проволоки
æ
0,242 ö÷
(+)
ç
E 0 = 33,7 1 +
(5.8)
ç
÷ ;
d
r
ïð
è
ø
61
2) при отрицательной полярности проволоки
æ
0,308 ö÷
E (0- ) = 30,02ç 1 +
,
ç
÷
d
r
ïð ø
è
(5.9)
где δ – приведённая плотность воздуха, δ =0,392/Т при р = 760 мм
рт.ст. и T = 300° К; r– радиус проволоки, мм; E0 – начальная напряжённость, кВ/см.
При разряде между проволокой и параллельной плоскостью
E 0 сильно возрастает с увеличением расстояния между ними.
Для системы «проволока-параллельная плоскость»
U0 = f(Е0) выражается уравнением
U 0 = E 0 r0 A ,
(5.10)
где А – функция геометрических параметров электродов
A = ln
r
.
r0
(5.11)
Для системы «игла-плоскость» при отрицательном заряде
U (0+ )
иглы U0 меньше, чем при положительном заряде. Отношение ( - )
U0
уменьшается с уменьшением радиуса кривизны конца иглы.
При U ≥U0 вольтамперная характеристика коронного разряда описывается уравнением
(5.12)
I = ke 0 G ,
где I1 – удельная сила тока коронирующего провода, А/м; k – подвижность ионов, м2/В·c; ε0 – электрическая постоянная; G – функция напряженности и геометрических параметров принятой системы электродов, В2/м2 .
При развитой униполярной кроне напряженность поля Е,
В/м и объемную плотность электрических зарядов р3, Кл/м3 вблизи некоронирующего электрода можно найти по формулам
E = D I t / 2pe 0 k , r3 = L I1e 0 / 2pk ,
(5.13)
где D, L – параметры, зависящие от системы электродов.
Значения параметров A,G, D, L коронного разряда для простых электродов можно найти по формулам.
Для системы «провод – плоскость»
62
(
)(
A = ln (2h / r0 ); G = 2,35p 3 / h ×
2
)
3
2
U 0 / A (U - U 0 ) ; D = 2,5 (5.14)
L = 3,525 / xh ,
(5.15)
где x – расстояние от провода до текущей точки центральной
силовой линии, для которой приведены значения D и L.
Заряды, осевшие на поверхности частицы, создают свое
электрическое поле, которое впоследствии отталкивает одноименные заряды, поэтому примерно через 0,1 сек. зарядка частиц
прекращается, и частица приобретает предельный заряд Qmax, величина которого зависит от геометрической формы и размеров
частиц. Примеры использования коронного разряда на практике
покраски деталей и распыления ядохимикатов представлены на
рисунках 5.3, 5.4.
Рис. 5.3. Распылитель РПУ–10 с контактной зарядкой частиц: 1 – сменные рассекатели; 2 – корпус распылителя; 3 – канал; 4 – диэлектрический конус; 5 – трубка; 6 – перфорированный электрод; 7 и 8 – штуцера
подачи чистого воздуха и пылегазовой смеси; 9 – игла; 10 – ограничительный резистор: 11 – блок умножения и выпрямления напряжения;
12 – разъем; 13 –трансформатор
Частицы материалов в сельскохозяйственных технологиях
имеют, как правило, форму двухосного эллипсоида (например
зерно), степень вытянутости которого определяют коэффициентом формы
кф = b/а,
где b и а – малая и большая оси эллипсоида, м; Qmax – заряд частиц при ориентации большой оси вдоль оси поля.
Q max = Epe 0 b 2 e r /[1 + (e r - 1)d a ] .
(5.16)
63
При ориентации большой оси поперек поля
Q max = Epe 0 abe r /[1 + (e r - 1)d b ] ,
(5.17)
где E – напряженность ЭП в месте нахождения частицы, В/м; εr – относительная диэлектрическая проницаемость материала частицы; da,
db – коэффициенты деполяризации эллипсоида, характеризующие
степень искажения им внешнего поля в направлении большой и малой осей и зависящие от коэффициента сферичности.
Рис. 5.4. Схема центробежного распылителя электроаэрозоля с индукционной зарядкой:1 – высоковольтный конический электрод; 2 – игла;
3 – шприц; 4 – распыляемый аэрозоль; 5 – пленка жидкости; 6 – вращающийся заземленный конус
Для сферичной частицы a=b, da = d. = 1/3, тогда
Q max = 3pe 0 e r a 2 /(e r + 2) .
(5.18)
Ионная зарядка универсальна и относится к частицам, проводящим и непроводящим электрический ток.
Силы, действующие на заряженные частицы
в электрическом поле
На частицу в электрическом поле действуют силы, имеющие
механическую и электрическую природу.
64
Механические силы – это силы тяжести, трения, центробежная сила, сопротивление среды и др.
Электрические силы – силы, определяемые зарядом частицы
и взаимодействия с такой же соседней частицей, а также силы,
обусловленные неоднородностью электрического поля.
1. Сила действия электрического поля на заряд частицы, Н.
FK = EQ.
(5.19)
2. Сила взаимодействия с такой же соседней заряженной частицей (кулоновское взаимодействие).
F3 = - Q 2 / ape 0 (2h ) 2 ,
(5.20)
где h – расстояние от заряда до частицы.
Рис. 5.5. Схема сил действующих на заряженную частицу в электрическом поле коронного разряда: 1 – бункер приемный; 2 – щетка; 3 – бункер загрузочный; 4 – зерно; 5 – коронирующие электроды; 6 – барабан c
Rδ
3. Сила, вызванная неоднородностью электрического поля,
обусловленная поляризацией
pe 0 d 3 (e r - 1)
Fn =
×
× EgradE .
(e r + 2)
2
(5.21)
Траектория движения частицы в электрическом поле определяется равнодействующей этих сил. На зерна в электриче65
ском поле оказывают действия выше рассмотренные силы механической и электрической природы.
Если большая ось вытянутой частицы (зерна) в электрическом поле составляет угол β с направлением вектора напряженности электрического поля Е, то силы электрического поля, действующие на заряды частицы, создают вращающий момент, Нм.
æk ö
M Э = e 0 E 2 VЭ k 0 ç Ф ÷ sin 2d / 2 ,
(5.22)
e
è ø
3
где Vэ – объем частицы, м ; τ(kФ:ε) – функция
k Ф = [1 + (e - 1)k 0 ] / e ,
(5.23)
где kФ – диэлектрический коэффициент формы частицы; k0 – коэффициент деполяризации; δ – угол, дополняющий угол β до 90°.
Зерно оторвется от барабана, когда результирующая сила,
перпендикулярная поверхности барабана, будет равна нулю, а условие отрыва зерна в зоне коронного разряда описывается равенством
FK + FЗ + Fд × cos a 0 = Fц ,
(5 .24 )
где α0 – угол отрыва, отсюда:
F - FK - F3
,
cos a 0 = Ц
Fд
p
mV 2
но FЦ =
, а Fд = mg m = V × r = ab 2 × r ,
6
Rd
2
где ρ – плотность зерна, g=9,8 м/сек , Rδ – радиус барабана, м;
Q2
а F3 =
, подставив значения сил в первое равенство и преобpe 0 b 2
разовав его, получим
V 2 6e 0
cos a 0 =
× E 2Cd ,
gR d
g
(5.25)
где
Cd =
é a
mK ×e r
mK ×e r ù
1
+
×
.
ê
ú
[
(
)
]
(
)
br 1 + e r - 1 d В ë b 1 + e r - 1 d В û
66
(5.26)
5.2. Применение коронного разряда
Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным,
если внести в него острые металлические электроды, соединенные
с электрической машиной, тогда все твердые и жидкие частицы
будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в
следующем: как только у проволоки зажигается корона, воздух
внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к
частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует
сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся
под действием поля к электродам, где и оседают (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Схема некоторых электроионных сепараторов:
а) барабанный; б) транспортерный; г) «горка»; д) диэлектрический
67
Рабочим органом в аппаратах электроионных технологий является электрическое поле напряженностью более 100 кВ/м, а
объекты обработки – частицы материалов от микрометров до десятков миллиметров.
В сельскохозяйственном производстве электроионные технологии используют для очистки и сортировки семян, смешивания и осаждения из воздуха пыли и микроорганизмов, распыления лекарств, нанесения ядохимикатов на растения, а также
нанесения краски на окрашиваемые изделия и др.
В основе электроионных технологий лежат четыре операции:
1) подача материала;
2) зарядка его частиц;
3) движение заряженных частиц в электрическом поле;
4) формирование готового продукта.
5.3. Предпосевная обработка семян в электрическом поле
Обработка семян в достаточно сильных электрических полях, естественно, ставит вопрос о влиянии электрических полей
на их жизненные функции. После зимнего хранения жизнеспособность семян значительно снижается. Для стимуляции семян
перед посевом используется множество способов: воздушнотепловой, яровизации, скарификации, обогащение микроэлементами, гамма-облучение, обработка лучом лазера и т.д.
Проведенные исследования по воздействию электростатического поля и поля коронного разряда на биологические процессы
в зерне дали положительные результаты.
Установка для обработки семян в электростатическом поле
представляет собой металлический транспортер (сетка), на который засыпается зерно в один или несколько слоев. Над зерном
располагается неподвижный электрод (рис. 5.7).
Зерно на подвижном электроде может быть в электрическом
контакте с ним, а может быть изолировано с помощью диэлектрической пленки. При обработке в поле коронного заряда неподвижный плоский электрод заменяется электродом из нескольких
параллельных проволок малого диаметра. В опытах изменялись
полярность электродов, степень заполнения межэлектродного
68
пространства, напряженность электрическою поля Е, время экспозиции. Контролировались энергия прорастания, всхожесть и сила
начального роста.
Рис. 5.7. Схема установки обработки семян в электростатическом поле
Механизм воздействия электрического поля на семена весьма
сложен и слабо изучен. Воздействие поля на семена проявляется в
зарядке нейтральных молекул, в изменении величины и знака заряда клеток, появлении токов проводимости и смещения.
При обработке семян в электрическом поле со средней напряженностью 250...600 кВ/м и длительностью 2...3 с ускоряется рост
растения, что приводит к повышению урожайности на 5...15%. Содержание белка в зернах пшеницы увеличивается на 0,5...1,2%, содержание крахмала в клубнях картофеля увеличивается на
2,5...5,7%, сахаристость сахарной свеклы повышается на 0,2...0,8%.
На рис. 5.8. показано приспособление к выгрузному транспортеру картофельно-сортировочного пункта КСП–15, обеспечивающее предпосадочное стимулирование картофеля полем коронного разряда. При этом переделки конструкции транспортера минимальны: под верхней транспортерной лентой закрепляется
стальной лист 9, который служит некоронирующим элктродом,
само приспособление с коронирующими электродами монтируется над транспортером.
Производительность установки 750 кг/ч, Р = 15 кВт, U =
250…600 кВ, длительность обработки 2…5с.
Важное значение имеет и время между обработкой и посевом. Так, для зерновых культур этот срок составляет 10…15 суток, для картофеля – 1…10 суток.
69
Рис. 5.8. Приспособление для перепосадочной обработки семенных
клубней картофеля электрическим полем коронного разряда: 1 – болт
с набором шайб; 2 – изолятор; 3 – корпус; 4 – муфта; 5 – высоковольтный кабель; 6 – рамка коронирующих электродов; 7,8 – поперечная
планка и верхняя ветвь транспортерной ленты; 9 – металлический лист
5.4. Электроаэрозольные установки
Аэрозолями называются мелкие капли или твердые частицы,
взвешенные в газовой среде. С уменьшением размера частиц их
масса убывает пропорционально кубу, а площадь пропорционально
квадрату радиуса. При распылении единицы массы вещества его
поверхность увеличивается в тысячи раз. С увеличением площади –
вещества возрастает его химическая и биологическая активность.
Аэрозоли, несущие электрический заряд, носят название электроаэрозолей. Так как электрический заряд уменьшает силу поверхностного натяжения, то величина отдельных капель снижается с
200...400 мкм до 10...20 мкм, что ведет к тысячекратному увеличению поверхности капель при одинаковом массовом расходе.
Так как частицы заряжаются одноименными зарядами, то
под воздействием электростатических сил взаимоотталкивания
аэрозольное облако значительно увеличивается в объеме.
Если объект, на поверхность которого должны осаждаться
заряженные аэрозольные частицы, имеет равномерный поверхностный заряд противоположного знака, то аэрозоль равномерно
распределяется по поверхности объекта и даже осаждается на обратной стороне объекта.
70
Наиболее известны аэрозоли, применяемые в быту и изготавливаемые в аэрозольной упаковке. Жидкие вещества: одеколоны, лаки, краски, освежители воздуха, инсектициды – превращаются в аэрозоли при распылении с помощью сжатого воздуха. Аэрозоли твердых веществ образуются как с помощью сжатого воздуха (газа), так и с использованием механических устройств, например, с помощью вращающегося диска.
Зарядка частиц аэрозоля может производиться тремя способами: контактным, в поле коронного разряда и индукционным.
Контактный способ зарядки частиц наиболее просто осуществляется, если в момент отрыва частицы от конечного распыляющего
устройства последнее заряжено, и следовательно, частица, находящаяся некоторое время в контакте с ним, приобретает заряд той
же полярности.
Так, в устройстве для электростатического распыления пестицидов заряд частиц производится при контакте с вращающимся
металлическим диском, к которому подведен электрический потенциал. Опрыскиватель ручной питается от гальванических элементов (рис. 5.9).
В полой ручке из электроизоляционного материала 1 размещены генератор высокого напряжения 2, батарея 3, выключатель 4,
заземляющая цепочка 5. Ручка соединена с агрегатом, состоящим из
диска 6, двигателя 7, форсунки 8 и емкости для пестицида 9.
Напряжение на выходе генератора – 35 кВ, напряжение батареи – 12 В.
Рис. 5.9. Электростатический ручной распылитель
71
Незаряженные частицы не осаждаются на нижней части трубы, а при зарядке не только увеличивается плотность на верхней
части трубы, но появляется и значительная плотность на нижней
части.
При напылении жидкости на заземленную горизонтальную
трубу с расстояния 0,5 м, скорости перемещения распылителя
3 км/ч и расходе жидкости 60 см3/мин.
Существенным недостатком способа электроконтактной зарядки частиц является возможность выноса потенциала на все агрегаты установки при повышенной электропроводности распыляемой жидкости.
Для увеличения сопротивления жидкости трубопровод от резервуара до форсунки изготавливают длинной до 20 м из пластмассовой трубки с хорошими изоляционными свойствами.
Индукционный способ зарядки частиц заключается в том,
что перед форсункой располагается кольцевой электрод, которому
сообщается положительный потенциал, а форсунка заземляется.
На форсунке и, следовательно, в жидкости индуктируется отрицательный заряд, обусловленный положительным потенциалом
электрода (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Схема индукционной зарядки частиц
Заряд капель жидкости обусловлен способностью их заряжаться, что определяется постоянной времени
,
(5.27)
где ρ – удельное сопротивление жидкости, Ом·м.
Процесс образования капель и их зарядка происходят одновременно, и успешная их зарядка возможна при условии, если
время зарядки меньше времени образования капель, т.е. tá t КП .
72
Время образования капель
lk
,
(5.28)
n
где lс – расстояние от среза форсунки до точки образования капель, м; ν – скорость струи, м/с.
Напряжённость поля на поверхности струи при коаксиальности струи и электрода
n
EC =
,
(5.29)
rЭ
rC ln
rC
где rC – радиус струи, м; rЭ – радиус электрода, м, если непрерывная струя имеет длину не менее 4rЭ.
Плотность поверхностного заряда на струе
d 3 = e 0 EC
.
(5.30)
Величина конвективного тока
t КП =
i0 =
2e 0n Q
r ,
rС2 ln Э
rС
(5.31)
e 0s ,
(5.33)
где Q – расход жидкости, м3/с.
При скорости воздуха, большей скорости истечения жидкости, последняя срывается в виде цилиндрической пленки и дробится на капли. В этом случае конвективный ток распыления равен
2 × e 0 vQ
i0 =
,
(5.32)
rЭ
S 0 rC ln
rC
где S0= 0,3…0,6 мм.
Эффективность зарядки частиц следует определять сравнением получаемого ими заряда с максимально возможным:
3
2
ч
q = 8pr
где σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.
Если rч – радиус капелек заряд частицы – превосходит qmax,
то частица дробится на более мелкие.
73
Схема форсунки для индукционной зарядки частиц пестицида приведена на рисунке 5.11.
Рис. 5.11. Схема форсунки индукционной зарядки частиц
Предельным напряжением следует считать напряжение возникновения короны:
r
U 0 = 10 r C s + 9 rC r lg Э
rC
,
(5.34)
где ρ – относительная плотность воздуха.
Зарядка аэрозольных частиц в поле коронного разряда
Коронный разряд образуется при наличии неравномерного
электрического поля. Зарядка частиц аэрозоля происходит при
соприкосновении с ионами. Величина заряда частиц
æ
k ö
çç ne
÷÷ × t r
4
e
æ
e -1ö
0 ø
÷÷ 4pe 0 E 0 r×2 ,
qr = è
× çç 1 + 2 r
er + 2 ø
æ
k ö
çç ne
÷÷ × t r + 1 è
è 4e 0 ø
(5.35)
где n – концентрация ионов, м3; е – заряд электрона, е = 1,6х 10 -19
Кл; ε0 – электрическая постоянная; к – подвижность ионов, м / (B с);
εr – диэлектрическая проницаемость материала; τr – время пребывания частицы в поле коронного разряда, с; rч – радиус частицы, м.
74
Заряд частиц пропорционален времени пребывания их в поле
коронного разряда. Заряд, равный половине предельного, воспринимается за время
t r = 4e 0 r( nek ) ,
(5.36)
т.е. несколько миллисекунд. Это время можно регулировать, изменяя скорость воздушного потока.
+
+
КВН
2
3
1
-
Рис. 5.12. Схема устройства распыления лекарственных препаратов
Опрыскиватель с зарядкой частиц в поле коронного разряда
представлен на рисунке 5.13.
Жидкость подается через форсунку I и срывается потоком воздуха в сопле 2. Образовавшиеся аэрозольные частицы заряжаются в
поле коронирующих электродов 3. Напряжение на электроды подается от генератора 4, получающего питание от батареи 5.
Рис. 5.13. Опрыскиватель с зарядкой частиц в поле коронного разряда
75
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что электростатическое опрыскивание не наносит вреда
растениям. В верхней части короны деревьев осаждение увеличивается на 80...85% в сравнении с традиционным опрыскиванием
без изменения в нижней части растения. Равномерность распределения опрыскиваемого материала значительно возрастает по
сравнению с механическим опрыскиванием растений, которое
может быть осуществлено воздушным потоком.
Величина конвективного потока линейно зависит от напряжения на электроде и расхода жидкости. Схема устройства распыления и зарядки частиц показана на рис. 5.11.
На диск 1 через загрузочное устройство 2 подается лекарственный препарат. На электрод 3, расположенный над диском, подается положительный потенциал от источника высокого напряжения. На заземленном диске индуцируется отрицательный заряд.
Конвективный ток линейно зависит от напряженности и угловой скорости диска. Угол факела увеличивается с ростом напряженности поля.
5.5. Электронные ионизаторы воздуха
Под действием различных физических факторов в воздухе,
почве, воде и других средах (радиоактивные излучения, космические
лучи, ультрафиолетовые излучения, газовые разряды и т.д.) непрерывно происходит естественная ионизация воздуха. Атмосферные
ионы можно разделить на две группы: легкие k>0,1–0,5 см2/В·с, где к
– коэффициент подвижности ионов.
Легким аэроионом называют ионизированную молекулу, окруженную группой нейтральных молекул водяного пара. Тяжелый
аэроион состоит из аэрозольных частиц (пылинок, капелек влаги,
микробных тел), несущих электрический заряд.Тяжелые ионы с
подвижностью k<0,1 см2/Вс бывают средние, тяжелые и ультратяжелые. В 1 см3 чистого воздуха у поверхности Земли содержится от 500 до 1000 легких аэроионов и до нескольких тысяч тяжелых ионов каждого знака.
Установлено, что легкие отрицательные аэроионы в определенных дозах благоприятно влияют на людей и животных, в то
время как легкие положительные ионы такое воздействие оказы76
вают довольно редко. Тяжелые ионы, прежде всего заряженные
положительно, оказывают крайне неблагоприятное воздействие
на физиологические объекты.
В животноводческих и других производственных помещениях ионный состав воздуха может быть сильно искажен по
сравнению с ионным составом наружного воздуха. Последнее
объясняется тем, что живые организмы выдыхают большое количество тяжелых ионов, поэтому в таких помещениях концентрация тяжелых ионов сильно возрастает. В то же время легкие
отрицательные аэроионы частично осаждаются на элементах приточной вентиляции: калориферах, трубопроводах, вентиляторах, а
также расходуются внутри помещения на образование тяжелых
аэроионов при встрече с неионизированными тяжелыми частицами, взвешенными в воздухе помещения.
При длительном пребывании животных и птиц в таком
обедненном отрицательными легкими ионами воздухе снижается
их сопротивляемость к заболеваниям, ухудшается аппетит и, как
следствие, понижается продуктивность. Ослабить или полностью
исключить это влияние можно обогащением воздуха помещения
легкими отрицательными аэроионами.
Хотя биологическое действие отрицательных аэроионов до
сих пор недостаточно изучено, но факт лечебного положительного влияния на здоровье и продуктивность животных неоспоримо доказан.
Аэроионны при оптимальных дозах усиливают в биоорганизмах окислительно-восстановительные и обменные процессы,
повышают легочный газообмен, активность ферментов, а также
защитные функции организма.
При реализации режима аэроионизации воздуха выводимость цыплят повышается на 2...6%; сохранность в период выращивания возрастает на 2... 10%; яйценоскость кур-несушек – на
2...10%; прирост живой массы телят возрастает на 10...20%; удои
коров – на 8%; прирост живой массы поросят – на 10...15%; молочность свиноматок – на 18%.
Искусственную аэроионизацию осуществляют с помощью
аэроионизаторов, причем в качестве аэроионизаторов используют
чаще всего коронные аэроионизаторы: проволочные или игольча77
тые, которые размещают либо в приточной вентиляционной системе, либо внутри помещения.
Расчет аэроионизатора с коронирующими электродами
осуществляется в такой последовательности:
1. Оценивается средняя необходимая концентрация легких
отрицательных аэроионов в помещении по рекомендациям таблицы в 1 см3 воздуха пл.
2. Определяется удельная объемная сила тока коронного разряда Iv, мк А/м3 по формуле Н.М. Багирова
Iv = 0,44 – 10-12 • nл2.
(5.37)
3. Определяется общая сила тока всех коронирующих электродов в данном помещении
I = I V – V n – 10-6А,
(5.38)
где Vn – объем помещения, м3.
4. Определяется удельная (на единицу, длины коронирующего электрода) сила тока, А/м
Il = I / l ,
(5.39)
где l – общая длина коронирующих электродов (всех), м.
5. Решением уравнения вольтамперной характеристики либо
экспериментально определяется напряжение, которое необходимо
подать на коронирующие электроды, чтобы получить необходимую величину I
Ie = e0k .
(5.40)
5.6. Электроионные фильтры
В птицеводческих помещениях запыленность достигает
20 мг/м3, а на участках содержания молодняка – до 300 мг/м3 при
норме 3…5 мг/м3. Очищая воздух, можно довести содержание взвешенных частиц до допустимой нормы, но снизить энергозатраты на
создание здорового микроклимата можно только с помощью электроионных фильтров, где в качестве источника энергии используется
коронный разряд. Эти фильтры могут обеспечить очистку до 99% с
удалением из воздуха частиц от долей до сотен микрон, причем при
78
этом можно проводить одновременно и аэроионизацию воздуха.
Электронно-ионные фильтры бывают трубчатые и пластинчатые.
Очищаемый воздух проходит через электрическое поле коронного
разряда, где взвешенные частицы (пыли, дыма, тумана) заряжаются,
а потом под действием электрических сил осаждаются на электродах. Существуют одно- и двузонные электрофильтры. В однозонных
зарядка и осаждение частиц происходит в одной зоне, в двузонных
эти операции происходят в разных зонах.
Кроме того, при аэроионизации помещений воздух очищается от пылевидных и микробных частиц. Сущность этого процесса заключается в ионной зарядке аэрозольных частиц с последующим их осаждением под действием электрического поля.
Степень очистки газов
h ОГ = ( z1 - z 2 ) / z1 ,
(5.41)
где z1 – содержание пыли; z2 – после очистки.
В двузонных фильтрах Е = 6–15 кВ потребляемая мощность
Р=10–30
Вт - ч
.
1000м 3
Степень очистки 90…95% пыли и 80…85% микроорганизмов, скорость воздуха через фильтр V= 2 м/с, аэродинамическое
сопротивление электрофильтра – 10…90 Па.
Рис. 5.13. Схема двухзонного фильтра: 1 – вентилятор; 2 и 3 – пластины заземленная и с потенциалом; 4 и 7 – заряженная и нейтральная
частицы пыли; 5 – заземленная плоскость; б – коронирующие электроды; 8 – входной патрубок
79
Рис. 5.14. Установка УОВ-1 для очистки и ионизации воздуха: 1 – вентилятор; 2, 3 – пластины с потенциалом; 4 и 7 – заряженная и нейтральная частицы; 6 – коронирующий электрод; 8, 9 – входной и выходной патрубок.
Контрольные вопросы
1. В чем сущность электронных технологий?
2. В чем сущность коронного разряда? Откуда появилось название «коронного» разряда и где чаще всего он появляется?
3. Чем объясняется появление коронного разряда и механизм
его появления? Какие необходимы условия для возникновения
коронного разряда.
80
4. Что такое положительная и отрицательная корона?
5. Что такое биполярная корона? Пространственный разряд?
6. Что такое факельный разряд?
7. Области применения коронного разряда.
8. Как используется коронный разряд в электронных фильтрах и при очистке и сортировке зерна?
9. Назовите простые типы электронных систем для создания
полей коронного разряда.
10. Изложите сущность биполярной короны на проводных
линиях электропередач.
11. Какие последствия бывают от появления биполярной короны на ЛЭПах? И как с ними бороться?
12. Что такое униполярная корона? Объясните ее применение в сельскохозяйственных электротехнологиях.
13. Какие способы зарядки частиц вы знаете? Объясните физическую природу процессов зарядки.
14. Какие типы электросепараторов зерна вы знаете?
15. В чем сущность работы электросепараторов?
16. В чем заключается различие механического и электрического процесса разделения зерновых смесей?
17. Перечислите области применения электронных технологий.
18. Как выполняется предпосевная обработка семян в электрическом поле коронного разряда?
19. Какие операции входят в электроионный технологический процесс?
20. Что представляют собой электроаэрозольные установки и
какие обработки ими проводятся?
21. Способы зарядки частиц материалов в электроимпульсных электротехнологиях.
22. Охарактеризуйте аэроионы и объясните природу их появления. Какие виды аэроионов бывают?
23. Роль аэроионизаторов в животноводстве и птицеводстве.
24. Охарактеризуйте электроионные фильтры и принцип их
действия. Каковы технические характеристики работы электроионных фильтров?
25. Какие требования безопасности предъявляются при работе с установками электронных технологий?
81
ГЛАВА 6. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯХ
6.1. Теоретические основы электрогидравлического эффекта
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 заметное воздействие на ионные процессы и их химические реакции в растворах.
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 регулирующий промежуток позволяет
длительно производить зарядку рабочей ёмкости С, а при достижении необходимой разности потенциалов на воздушном проме82
жутке обеспечивает импульсную подачу энергии на рабочий промежуток, что приводит к сокращению длительности разряда 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…70кВ,С=1500мкФ; средний –
20 <U <50 кВ, 0,1 < С < 1мФ; мягкий – U ≤20 кВ, С<0,1 мФ.
τ=10…40мкс, f=0,125…2Гц, L≤5*10 -6 Гн.
Рис. 6.1. Электрическая схема для создания электрического разряда в проводящей жидкости: R – сопротивление; ТV – трансформатор; VD – диод;
С – ёмкость; F1– воздушный промежуток; F2 – рабочий промежуток
Искровой разряд развивается путем возникновения стримеров
в межэлектродном пространстве. Канал стримера заполнен разрядившимися ионами ОН- и нейтральными к процессу роста стримера ионами Н+. Область стримера электрически нейтральна и изолирует канал от среды, т.е. происходит процесс самоизоляции.
Изолирующую оболочку образуют атомарные и молекулярные кислород и водород, газообразная перекись водорода и электрически нейтральные радикалы Н+ и ОН- паров воды. Образование стримера определяет появление кавитационной полости из
пузырьков газа вокруг стримера. Давление внутри полости мало.
83
Начало собственного разряда после того, как стример замыкает
электроды, приводит к росту кавитационной полости и повышению температуры канала до 10000°С.
Резкое повышение температуры канала и противодавление
окружающей среды определяют взрывной характер повышения
давления до 109 Па.
Сообщенное массе жидкости ускорение раздвигает ее в стороны, увеличивая объем полости. Оболочка канала является электрической и тепловой изоляцией канала. Состояние вещества в
полости канала неоднородно, переходит от плазмы к жидкости.
Образование кавитационной полости порождает ударную
волну, энергия которой сосредоточена в сравнительно небольшом
объеме жидкости вблизи зоны разряда. Достигая определенного
размера, кавитационная полость останавливается в своем движении и затем захлопывается. Взаимодействие прямой и обратной
волн приводит к образованию кавитирующего кольца, состоящего
из сотен тысяч пузырьков, располагающихся в виде тороида,
плоскость которого перпендикулярна линии разряда.
От оболочки к центру разряда давление быстро падает, а в
центре канала может образоваться разрежение (вакуум).
Парогазовая оболочка, окружающая оболочку канала, невелика, но значительно смягчает ударное воздействие волны и тем самым
значительно снижает механический КПД разряда. Схема разрядки и
график распределения давления показаны на рисунке 6.2, а.
В первой стадии разряда вся энергия, накопленная в конденсаторе, передается в канал стримера, ток достигает максимального значения, диаметр канала увеличивается, давление и температура в канале достигают максимума. Напряжение падает, начинается движение жидкости, кавитация в этот момент еще не наблюдается, возрастают магнитное поле, звуковой эффект и световое
излучение (см. рис. 6.2, б).
На стадии заднего фронта напряжение и ток снижаются, переходя через ноль, процесс становится колебательным. Давление
резко падает, скорость перемещения жидкости достигает максимума, образуется кавитирующее кольцо, растут кавитационные
процессы, электрическое поле меняет полярность, магнитное поле
сворачивается.
84
Рис. 6.2. Электрогидравлическая установка: а – кавитирующее кольцо
при захлопывании полости; б – деформация полости под воздействием
кавитирующего кольца; 1 – электроды; 2 – кавитационная полость;
3 – кавитирующее кольцо; 4,5 – пузырьки
6.2. Способы повышения эффективности
электрогидравлического разряда
Использование электрогидравлического эффекта в технологических условиях определяется мощностью, т.е. значительной
длиной разряда и крутизной переднего фронта волны. Основные
разработки сделаны автором электрогидравлического эффекта.
Наиболее часто жидкостью, в которой производится разряд, является вода, в которой существует только два вида ионов: положительные Н+ и отрицательные ОН-. Существование разряда, его
длину определяют отрицательные ионы ОН-. Положительные ионы Н практически не участвуют в росте стримеров, т.е. не оказывают прямого влияния на процесс разряда. Для длинного разряда
следует создать условия образования большого количества ионов
ОН- и сократить число ионов Н+. Такие условия возникают при
сокращении до минимума активной, соприкасающейся с водой
поверхности положительного электрода за счет изоляции его по
всей длине, кроме переднего конца, и значительном увеличении
активной поверхности отрицательного электрода. Такая асимметрия способствует прорастанию стримера. Ионы Н+ свободно разряжаются на обширный отрицательный электрод, а ионы ОН- генерируются отрицательным электродом и разряжаются не на положительный электрод, а на стример.
85
Разряды в воде становятся в десятки раз длиннее при выполнении описанных условий. Высокая напряженность электрического поля образуется на острие положительного электрода и при
росте стримера перемещается, совпадая с его растущим передним
концом.
Широко распространен метод теплового взрыва, когда электроды предварительно замыкаются тонкой проволокой, лентой
или трубкой, т.е. взрывающимся тепловым элементом (ВТЭ).
Искровой разряд в этом случае заменяется тепловым взрывом проводящего ток элемента.
Применение ВТЭ позволяет создать направленный удар по
заданному контуру заданной конфигурации, осуществить разряд в
растворах сильных электролитов и вблизи токопроводящих поверхностей. Сечение и длина ВТЭ подбираются из условия мгновенного их испарения. Взрывающие тепловые элементы разового
использования изготавливаются из алюминия, меди, нихрома,
фольги, металлизированной бумаги и имеют самую разнообразную форму (рис. 6.3).
При температуре в десятки тысяч градусов создаются условия для цепных взрывных реакций. Взрывные химические реакции значительно увеличивают длительность и энергию механического действия электрогидравлического удара.
Рис. 6.3. Схема устройства для осуществления теплового взрыва: а – с
вогнутым ленточным ВТЭ; б – с плоским ВТЭ; в – с объемным ВТЭ; г
– устройство из двух спаренных конусов; д – устройство из двух спаренных конусов со вставкой; е – с проволочным ВТЭ и отражателем
86
При электрогидравлическом ударе в большом объеме жидкости кавитационная полость обычно имеет правильную форму. При
необходимости создать направленную волну используются разнообразные отражатели из упругих материалов, стойких к разрушающему действию гидроудара: полиэтилен, капрон, нейлон и др.
6.3. Электрогидравлический эффект в обработке почвы
В процессе исследований Л.А. Юткиным было обнаружено,
что при ЭГ обработке горных пород и других материалов многие
химические элементы и их соединения, входящие в состав обрабатываемых материалов, переходят в раствор в количествах, достигающих 90…95% от массового их содержания в исходном материале. При обработке образцов почвы в ЭГ дробилке было установлено, что в водный раствор переходит более 30 химических
элементов в виде различных соединений, а всего из 1 т почвы могут быть получены десятки килограммов этих растворимых соединений вместо 250 г при естественном растворении. Почва является полидисперсной системой, в которой высокодисперсная
часть обеспечивает плодородие почвы и играет главную роль в
питании растений. В процессе ЭГ обработки большая часть почвы
измельчается до размера 2 мкм, что мельче наиболее высокодисперсных илистых фракций. При ЭГ обработке воды из любого водоема она быстро обогащается растворимыми окислами азота и
аминогрупп. Чтобы увеличить содержание в растворе азотистых
соединений, следует сквозь воду непрерывно продувать воздух
или выхлопные газы двигателя трактора.
ЭГ обработка почвы позволяет переводить в раствор содержащиеся в почве и в воздухе азот, фосфор, микроэлементы и снизить потребность в минеральных удобрениях. В процессе дальнейших экспериментов был разработан ряд почвообрабатывающих устройств с использованием ЭГЭ.
В простейшем почвообрабатывающем электрогидравлическом устройстве (рис. 6.4) в качестве основного агрегата, в котором происходит обработка почвы, используют ЭГ дробилку. Кроме почвы, ЭГ обработке в дробилке подвергают воду, предназначенную для полива растений, воздух, выхлопные газы трактора
или газообразный азот.
87
Для увеличения выхода соединений азота из воздуха и выхлопных газов перед пропусканием их через ЭГ дробилку подвергают обработке электрическими разрядами в камере воздушного разрядника. Несвязавшийся азот повторно направляют из
дробилки в камеру воздушного разрядника.
Устройство монтируется на тракторе. При движении трактора специальное приспособление подает почву на транспортер, по
которому она направляется в ЭГ дробилку. Одновременно туда же
подается вода, используемая для полива и выхлопные газы трактора. Удобренная почва в виде пульпы поступает в разбрасыватель – дозатор распределения ее по полю.
В целях минимизации объема ЭГ обработки почвы посев семенами или посадку клубнями, саженцами, рассадой или черенками целесообразно производить в предварительно образованные
в почве ЭГ обработанные линии или гнезда, либо вместе с небольшим количеством предварительно электрогидравлически обработанной почвы – в необработанные линии или гнезда.
Рис. 6.4. Устройство для электрогидравлической обработки почвы:
1 – устройство для забора почвы; 2 – транспортер; 3 – дробилка;
4 – электроды; 5 – разбрасыватель
Наиболее ценным качеством почвообрабатывающих электрогидравлических устройств является то, что они не только не
оказывают угнетающего действия на глубокие слои почвы (что
имеет место при работе на полях мощных тяжеловесных тракторов), но одновременно улучшают структуру почвы, повышают ее
плодородие. Различные почвообрабатывающие электрогидравли88
ческие устройства разработаны с учетом типа почвы, влажности и
климатических условий.
ЭГ плуг для сухой почвы (рис. 6.5,а) состоит из плужного,
поддерживаемого колесами корпуса, на раме которого укреплены
одни или несколько последовательно перемещающихся передних
и задних ножей. Задние ножи заземляются. В передние ножи
встроены изолированные электроды, проходящие через отверстия
труб, по которым в почву на разрядный рабочий промежуток подают воду или жидкое удобрение. Электроэнергия по кабелю,
вмонтированному в передний нож (ножи), поступает от ГИТ (генератора импульсных токов), размещенного на тракторе и питающегося от его двигателя. Концы кабелей, вмонтированные в
передние ножи, и острия задних ножей образуют рабочие искровые промежутки. Плоским и узким ножам ЭГ плуга почва оказывает значительно меньшее сопротивление, чем при работе обычного плуга.
Работает электрогидравлический плуг следующим образом.
При повороте кронштейна поднимаются колеса, а ножи-электроды соответственно заглубляются в почву. По трубопроводу в рабочий промежуток непрерывно поступает вода, а по кабелю от
ГИТ к электродам плуга подаются импульсы тока. После обработки почвы электрогидравлическим плугом вокруг зоны разряда
нижний слой почвы уплотняется, образуя корытообразный лоток
для удобренного слоя, а верхний слой почвы с располагающейся в
ней корневой системой растений разрыхляется.
Электрогидравлический плуг для распутицы (рис. 6.5,б)
предназначен для обработки почвы в осенний и весенний периоды, когда поля залиты водой и представляют собой «кашу» из воды и почвы, а также для работы на полях при поливном земледелии. Он представляет собой горизонтальный разрядник, защищенный ножом и безотвальным лемехом от разрушения о грунт.
Искровые разряды, возникающие в этом разряднике внутри насыщенного водой грунта на уровне корневой системы растений,
интенсивно диспергируют этот слой, рыхлят вышерасположенные
слои, не переворачивая их, и эффективно уплотняют нижние слои
почвы. Особенно ценно то, что в зоне разряда погибают личинки
различных сельскохозяйственных вредителей.
89
а)
б)
Рис. 6.5. Электрогидравлический плуг: а – для сухой почвы; б – для
работы в распутницу и при поливном земледелии: 1 – плужная рама;
2 – колеса; 3 – токопровод; 4 – передний нож; 5 – пластина сошника
(отрицательный полюс); 6 – положительный полюс тока; 7 – трубопровод для подачи воды или жидкого удобрения; 8 – высевающее устройство; 9 – лыжа по влажной почве; 10 – коленчатая ось отключения
транспортных колес
В настоящее время особое значение приобретает ЭГ обработка торфа, так как он содержит комплекс органических веществ
и является уникальным сырьем для различных отраслей народного хозяйства. Органические вещества торфа и входящие в них гуминовые кислоты в значительной мере определяют плодородие
почв, являясь источниками физиологически активных веществ,
90
повышающих процессы жизнедеятельности живых организмов.
Однако эти свойства проявляются только после соответствующих
процессов разложения органического торфа и перехода ряда его
соединений в доступное для усвоения растениями состояние. В
природе этот процесс протекает крайне медленно, поэтому применение торфа в чистом виде эффективно лишь при чрезвычайно
высоких дозах его внесения в почву, что весьма затратно. Для повышения эффективности использования торфа в качестве удобрения обычно применяют различные методы активации органики и
азота торфа: термические, химические, биологические.
ЭГ обработка многофакторным физико-химическим воздействием на сложные органические структуры является перспективным методом его активации. Для этого используют ЭГ дробилки,
входящие как основной агрегат в технологическую линию.
Таким образом, обработанный торф также может быть использован в микробиологической, бродильной и комбикормовой
промышленности.
Эксперименты показали, что массовое содержание питательных веществ и микроэлементов в электрогидравлически обработанном торфе резко возрастает. Так, массовое содержание аммиачного азота возрастает в зависимости от вида торфа в 1,4…4,5
раза, а водорастворимого органического вещества в 1,5…5раз.
Экспериментально установлено, что при хранении ЭГ обработанного торфа при положительных температурах происходит на 10–
15-й день хранения резкое (в 5…10 раз) увеличение массового
содержания в нем растворимых соединений азота NH4 (табл. 6.1)
за счет бактериального взрыва.
Это свидетельствует о том, что процессы, инициированные
электрогидравлическим эффектом, продолжаются еще некоторое
время после его прекращения.
Использование ЭГ обработанного торфа в защищенном
грунте позволяет снизить потребность в таком дефицитном материале, как подстилочный навоз, улучшить за счет дезодорирующего эффекта санитарно-гигиенические условия работников теплиц, снизить затраты на производство овощей в теплицах. Кроме
того, ЭГ обработанная пульпа (смесь воды с торфом) обладает
бактерицидными свойствами, что очень важно при выращивании
овощей в закрытых грунтах. Также эффективно может приме91
няться в тепличном хозяйстве и электрогидравлическая стерилизация почвы с одновременным ее удобрением.
Таблица 6.1. Увеличение массового содержания растворимых
в торфе соединений азота
Содержание NH4 на 1 кг сухого торфа
Номер
До
После электрогидравлической обработки
месторожобработки через 3-4 дня через 14 дней через 30 дней
дения
мг/кг
мг/кг
%
мг/кг
%
мг/кг
%
1
23,4
73,6 314,5 760 3247,9 759 3243,6
2
17,3
295,2 1706,4 1115 6445,1 1020,4 5898,2
3
40,6
83,8 206,4 211 519,7 213 524,6
* Примечание: Исследования выполнены в НИИ агропочвоведения
Белоруссии
Высокая дисперсность, вязкость и клеящая способность, а
также хорошие удобрительные свойства и физиологическая активность электрогидравлически обработанного торфа позволили с
успехом применить его в качестве основного компонента дражировочной массы. При этом отпала необходимость в использовании синтетических или дефицитных клеящих веществ, упростилась технология дражирования и снизилась его стоимость (затраты труда на дражирование сократились на 30 %).
При внедрении дражирования ЭГ обработанным торфом семян корнеплодов и овощных культур в хозяйствах Ленинградской
области прибавка к урожаю составила: моркови 11.5% или
35…90 ц/га, свеклы 10…28% или 26…73 ц/га.
Предложенный Л. А. Юткиным способ экономии удобрений
приведет к быстрому истощению ресурсов почвы и падению урожайности. Этот метод обработки почвы успешно может быть использован для повышения эффективности использования вносимых удобрений и снижения их расхода во избежание перенитрачивания продукции.
ЭГ обработка может быть высокоэффективно использована
также в следующих аспектах:
1) для получения азотистых удобрений из прудовой и болотной воды;
2) для переработки торфа в органические удобрения;
3) для дражирования семян;
92
4) для повышения урожайности при высеве (посадке) семян
в линии почвы, обогащенные удобрениями и влагой после ЭГ обработки.
6.4. Электрогидравлические устройства для орошения
Устройство для орошения состоит из трубопровода с размещенными по всей длине отверстиями-форсунками. Трубопровод
состоит из отрезков определенной длины, соединенных коленами.
На одном конце каждого отрезка трубопровода находится электрогидравлическое устройство, создающее продольную волну с
помощью электрогидравлического удара, а на другом – плоский
отражатель ударной волны. Вода в трубопровод подается под небольшим давлением, чтобы из форсунок били фонтанчики высотой 10...20 см. Одновременно в трубах на электрогидравлических
устройствах осуществляют электрогидравлические удары, которые создают ударную волну. Она идет по трубопроводу и тратит
энергию на то, чтобы на выходе из трубопровода в каждое отверстие-форсунку ответвить часть своей энергии. Если из отверстияфорсунки бьет струя, ответвленная часть волны входит в струю и
доходит до того места, где струя распадается на капли. Здесь
энергия ответвленной волны расходуется на превращение верхушки струи в дисперсную пыль (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Электрогидравлическое устройство для орошения: а, б – виды сбоку и сверху; 1 – трубопровод; 2 – отверстия-форсунки; 3 – устройство, создающее продольную ударную волну; 4 – плоский отражатель ударной волны
93
Электрогидравлическое устройство резко снижает расход
воды и повышает качество полива. При его использовании можно
осуществить полив горько-солеными водами, мелкодисперсная
водяная пыль, испаряясь, насытит пресными водами слои атмосферы, а в выброшенных форсунками более крупных капельках
образуется концентрированный рассол, который можно направить
по заданному руслу.
6.5. Устройства для очистки, обеззараживания и утилизации
животноводческих стоков
При конструировании таких устройств необходимо учитывать, что на эффективность электрогидравлической обработки
стоков влияет их электропроводность, определяющая 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
достигается 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 бункер, вибросито, транспортер, механическая
дробилка и магнитный сепаратор. Линия приготовления органического удобрения содержит смеситель, электрогидравлическую
дробилку, соединенную трубопроводами со смесителем и други94
ми элементами линии, блок питания (генератор импульсных токов), накопительную емкость для хранения промежуточного продукта и ёмкость для хранения готового продукта.
6.6. Установки для дражирования семян
Высокая дисперсность, вязкость, клеящая способность и хорошие удобрительные свойства электрогидравлически обработанного торфа позволили применить его в качестве основного компонента дражирования массы.
Для внедрения в практику разработана линия для дражирования семян. Фрезерный торф погрузчиком подается на виброгрохот, где производится отсев крупных включений. Просеянный
торф по транспортеру поступает в смеситель, где смешивается в
заданной пропорции с водой. Затем суспензия идет на обработку в
бункер электрогидравлической дробилки, после которой пульпа
направляется в ёмкость готового продукта, далее через сито – в
распылитель дражиратора. В качестве второго компонента дражировочной массы используют сухой торф. После обработки в
дражираторе семена поступают в сушилку, затем – в калибратор,
в котором осуществляется сортировка дражированных семян по
фракциям. Дражирование семян может производиться формированием удобрительной гранулы с размещением внутри нее семени. Формирование осуществляется выдавливанием компонентов
гранулы из концентрических трубопроводов, охватывающих семяраспределитель. Сформированные драже отсекаются дозирующим отсекателем.
Можно формировать и многокомпонентные гранулы с комплексным запасом питательных элементов, необходимых растениям на всех фазах их развития. Удобрения вносятся к корням
растений одновременно с посевом благодаря объединению в грануле семени и удобрений. Концентрация удобрительных смесей в
гранулах позволяет повысить экономичность внесения удобрений.
6.7. Устройства комплексной обработки сельхозпродукции
Многоцелевое электрогидравлическое устройство для чистки шерсти, мойки фруктов и овощей, отделения кожицы и семян
от мякоти и других работ приведено на рисунке 6.7.
95
Устройство состоит из ванны, заполненной моющей средой
или иной рабочей жидкостью, и двух ленточно-сетчатых транспортеров: верхнего и нижнего. Транспортеры образуют между собой
полость (канал), в которой находится обрабатываемый материал.
Рабочая среда входит в ванну через входной штуцер. Несколько пар
электродов помещаются под обоими транспортерами. Под электродами устанавливаются отражатели. Количество пар электродов определяется мощностью генератора импульсных токов.
Рис. 6.7. Устройство для комплексной электрогидравлической обработки сельскохозяйственных продуктов: 1 – ролики транспортеров;
2 – рабочий объем между сетками транспортеров; 3 – накладная
крышка для работы методом «воздушной кавитации»; 4 – подача исходного материала; 5 – вывод отработанной очистной жидкости или
отработанных жидких продуктов; 6 – электроды; 7 – отражатели;
8 – наклонное днище ванны; 9 – ввод рабочей жидкости; 10 – вывод
очищенного материала или мезги
Материал, подлежащий обработке, подается на транспортеры и проходит над искровыми разрядными промежутками. Чередование электрогидравлических ударов происходит так, чтобы в
ванне возникала «бегущая волна» в направлении выхода обрабатываемого материала. Обработанный материал выносится транспортерами и сбрасывается в бункер-приемник. Электрогидравлическую обработку можно вести в полностью заполненной рабочей
жидкостью ванне, а также при низком уровне жидкости, что позволяет применять метод «воздушной кавитации», для этого предусмотрена наклонная крышка ванны.
96
6.8. Устройства дробления органических материалов
и приготовления кормов
Ботва многих сельскохозяйственных растений, водоросли,
древесная зелень содержат много биологически активных веществ, регулирующих жизненно важные процессы организма.
Все эти питательные вещества заключены в прочную, трудноперевариваемую лигнифицированную оболочку. Электрогидравлическая обработка разрушает эту оболочку, высвобождая заключенные в ней питательные вещества. Установлено, что при
электрогидравлической обработке сырья в нем возрастает содержание сырого жира, растворимых и редуцирующих сахаров.
Структурные изменения корма повышают его питательность, а
также позволяют использовать полученный субстрат для выращивания дрожжей.
Для электрогидравлической обработки растительных и животных кормов используют электрогидравлические дробилки. Для
измельчения различных волокнистых и эластичных материалов
осуществляют одновременное с дроблением интенсивное перемешивание всего объема, занятого жидким субстратом, либо производят дробление в большом активном объеме, либо комбинацией этих методов получают одно и другое одновременно. Решить эти задачи можно с помощью методов «воздушной кавитации» (рис. 6.8) или «пузырьковой кумуляции» (рис. 6.9).
Устройство для дробления методом «воздушной кавитации»
содержит камеру, в которую из трубопровода поступают смешанные в заданной пропорции вода и материал, подлежащий измельчению. Выводной канал, закрытый сеткой с калиброванными отверстиями, обеспечивает постоянный уровень жидкости в камере.
Разряды возникают между электродами вблизи поверхности жидкости, выбрасывая некоторую часть жидкости вверх, где она ударяется об отражающую поверхность поворотного препятствия.
Обработка в таких камерах, соединенных последовательно, доводит материал до необходимой степени измельчения.
97
Рис. 6.8. Устройство для дробления методом "воздушной кавитацой”:
1 – отражающая поворотная поверхность; 2 – подача материала и жидкости; 3 – электроды; 4 – рабочий объем; 5 – сетка отверстий в днище
и сетках рабочей камеры; 6 – отвод переработанного материала
Рис. 6.9. Устройство для дробления методом «пузырьковой кумуляции»:
1 – подача материала и жидкости; 2 – электроды; 3 – сетка выходных отверстий для обработанного материала; 4 – приемный бункер для обработанного материала; 5 – выводной патрубок; 6 – подвод газа или пара
Устройства для измельчения методом «пузырьковой кумуляции» аналогичны электрогидравлическим дробилкам с той разницей, что к имеющемуся в нижней части дробилки выходу, закрытому сеткой с калиброванными отверстиями, присоединен
трубопровод для регулируемой непрерывной подачи газа или пара
в объем жидкости, находящейся в дробилке.
98
Электрогидравлические дробилки для комплексной обработки пищевых отходов, торфа, соломы и других органических продуктов имеют большие перспективы промышленного внедрения.
Все описанные электрогидравлические устройства универсальны. С помощью одной силовой установки и комплекта электрогидравлических устройств различного назначения можно осуществить дробление и измельчение материалов, приготовление
комплексных удобрений, обработку почв и многое другое.
Контрольные вопросы
1. Что такое электрогидравлический эффект и в чем его сущность?
2. Какие факторы действуют на обрабатываемый объект при
этом эффекте?
3. Каковы виды рабочих режимов электрогидравлического
эффекта и их характеристика?
4. Роль радикалов Н+ и ОН- при образовании стримера и кавитационной полости.
5. Каковы способы повышения эффективности элетрогидравлического разряда?
6. Применение электрогидравлического эффекта при обработке почвы и его эффективность.
7. Виды устройств для электрогидравлической обработки
почв и их действие.
8. Электрогидравлические устройства для орошения, их устройство и принцип действия.
9. Устройства для очистки, обеззараживания и утилизации
животноводческих токов и их действие.
10. Устройства для дражирования семян.
11. Устройства комплексной обработки с/х продукции и
принцип их действия.
12. Устройства для дробления органических материалов и
приготовления кормов, схемы установок и их действие.
99
ГЛАВА 7. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
7.1. Общие сведения о влиянии магнитного поля
Магнитное поле – одна из составляющих электромагнитного
поля, оказывающая определенное физико-химическое и биологическое воздействие на объекты живой природы.
Физико-химическое воздействие – деформация материалов,
перемещение в пространстве, изменение физикохимических
свойств среды, иногда и материалов.
Биовоздействие обусловлено тем, что Земля – естественный
магнит. Значение вертикальной составляющей магнитного поля у
экватора = 0, а у магнитных полюсов – 53 А/м. Горизонтальная
составляющая магнитного поля в Москве – 32 А/м. Показатели
составляющих магнитного поля Земли оказывают влияние на
формирование и функционирование биообъектов. Искусственное
изменение составляющих магнитного поля, например при переезде в другой регион, вызывает различные изменения в биообъектах, последствия которых пока никем не изучались, но могут оказаться весьма неблагоприятными.
7.2. Создание магнитных полей
В технологических процессах, как правило, используют магнитные поля с индукцией до 4 Тл. Такие поля создают в основном
при помощи электромагнитов и постоянных магнитов.
Постоянные магниты получают путем предварительного намагничивания магнитно-твердых материалов, т.е. таких материалов,
которые после устранения намагничивающего поля продолжают сохранять значительную магнитную индукцию. Для этой цели применяют постоянные магниты из ферритобариевых сплавов, сплавов
магнетико (Fe - Ni - А1 - Со - Сu), альни (Fe - Ni - А1 - Сu) и др.
Постоянные магниты по сравнению с электромагнитами дешевле и проще по конструкции, не требуют электропроводки и
источников питания, безопасны в электро и пожарном отношении. При их использовании магнитное поле не может внезапно
исчезнуть. Основные их недостатки – затрудненность регулирования магнитной индукции, ослабление магнитного поля с тече100
нием времени, что вынуждает периодически намагничивать постоянные магниты.
7.3. Магнитная очистка семян
Установки магнитной очистки семян очень просты, основаны на использовании шероховатости поверхности большинства
сорняков (повилика, плевел, подорожник, василек, горох разный)
в отличие от семян клевера, пшеницы, ржи, люцерны, льна и других, имеющих гладкую поверхность.
Принцип очистки состоит в предварительной обработке семян магнитным порошком (окислы железа) с последующим магнитным разделением компонентов. Порошок прилипает к шероховатым поверхностям.
Очистительные машины ЭМС- 1А, К590А лаб. К295, СМЦ-0,4.
а)
б)
Рис. 7.1. Установка магнитной очистки семян: а – технологическая
схема; б – схема сил, действующих на семя в магнитном поле; 1, 2 и 3
– бункера для зерновой смеси, воды (или масла) и магнитного порошка; 4 – подающий транспортер; 5 – барабан; 6 – магнитный сектор;
7 – кассета для избыточной воды и крупных предметов; 8 – кассета
для очищенных семян; 9 – кассета для семян сорных растений и магнитного порошка; 10 – чистик; 11 – транспортер-смеситель
Для этой установки находим силу, удерживающую семена на
барабане
Fm ³ Fц + P × cos b ,
где Fm – сила МП напряженностью Н, А/м; Fц – центробежная сила
101
mv 2
FЦ =
,
Rd
где Rδ – радиус барабана; Р = mg – сила тяжести; β – угол между
Р и Fц , град.; т– масса порошка на семени, кг.
gradH =
H
,
l
(7.1)
a
,
180o
(7.4)
где l – расстояние от центра семени до магнитного сектора;
χ – магнитная восприимчивость порошка окалины.
Fm = m 0 × c × m п ×n × H × gradH ,
(7.2)
где μ0 – магнитная постоянная; В – магнитная индукция, Тл;
L – активная длина магнитного сектора; Фс – магнитный поток
сектора, удерживающий частицу на барабане
a
фе = B × S = m 0 × H 0 × p × L × Re ×
,
(7.3)
180o
S = pLR C
где S – площадь сечения магнитного сектора; Rс – радиус магнитного сектора.
(7.5)
B = mH 0 ,
g × cos b + V 2
H=
× k × m0 × l × n ,
g
m
k= n ,
n
B×l
FHK = H C × R C + K P ×
,
m0
(7.6)
(7.7)
(7.8)
где FHK – сила намагничивающей катушки; КР – коэффициент рассеяния МДС – магнитодвижущая сила
Кр> 1,05-2,5.
Диаметр сердечника катушки
d = 1,13 S .
(7.9)
Определение длины обмоточного провода, м
l пр = n × p × d cp ,
(7.10)
где d – диаметр жилы обмоток провода; h – высота катушки;
d cp = d +
h
– средний диаметр катушки.
2
102
Определение числа витков катушки намагничивания
4F
F ×K
(7.11)
n= H
= 2 HK .
I
pd × iдоп
Активное сопротивление катушки в рабочем состоянии:
4l пр
é
ù
,
(7.12)
R = r 20 ê 2
o ú
(
(
)
)
d
+
t
p
1
a
20
ë
û
1
где ρ20 – удельное сопротивление провода, Ом/м; at – температурный коэффициент сопротивления провода.
Напряжение на зажимах катушки
Rpd 2
(7.13)
U HK = RI =
× iдоп .
4
Применение магнитной обработки:
1. Для очистки кормов от металлических предметов, попадающих в процессе обработки кормов.
2. Установки магнитной обработки воды. Обработанная вода оказывает положительное биологическое действие: полив растений омагниченной водой повышает урожайность и ускоряет
рост и развитие растений.
3. Омагниченная вода в двигателях и паровых котлах
уменьшает накипеобразование, так как соли в омагниченной воде
теряют способность образовывать крупные кристаллы.
4. Омагниченная вода применяется также для стимуляции
различных биологических процессов.
5. Магнитно-импульсная обработка металлов.
Рис. 7.2. Схемы установок для магнитно-импульсной обработки:
а – индуктивно-импульсной; б – электродинамической; 1 и 3 – заготовка исходная и после деформации; 2 – индикатор; 4 – матрица; TV – повышающий трансформатор; VD – высоковольтный выпрямитель;
SA – устройство коммутации; С – конденсаторная батарея (накопитель)
103
7.4. Активация воды омагничиванием и ее использование
в растениеводстве
В настоящее время применяются различные электротехнологические методы для стимуляции роста и развития растений путем воздействия на семена перед высевом электрическим полем,
УФ облучением, пропусканием электрического микротока через
корневую систему растений и др. К числу наиболее эффективных
стимуляроров развития растений следует отнести и омагниченную воду (ОМВ). ОМВ успешно была опробована для стимуляции всхожести семян, орошения растений с целью повышения
урожайности и рассоления почвы.
ОМВ получают пропусканием обычной воды, используемой
для полива через аппарат, в котором создается магнитное поле.
Экспериментально доказано, что вода под действием магнитного
поля, хоть и незначительно, изменяет свои характеристики (вязкость, плотность, диэлектрическую проницаемость, электропроводность, поверхностное натяжение, растворение кислорода и
др.), благодаря чему ускоряются процессы диффузии, растворения, адсорбции, кристаллизации и коагуляции, а также осаждение
взвесей. Следствием изменения этих свойств является повышение
биологической активности воды. Свойства ОМВ в значительной
мере зависят от времени, прошедшего после ОМВ до ее использования, а также от температуры воды и степени ее минерализации.
ОМВ свои биоактивные свойства сохраняет, по данным разных
исследований, от нескольких часов до суток, постепенно ослабевая, поэтому воду после обработки магнитным полем следует использовать по возможности сразу.
Исследованиями установлено, что процессом ОМВ можно
управлять, а эффект омагничивания зависит от напряженности
магнитного поля, скорости течения воды в магнитном зазоре, количества магнитных зон в аппарате. На ОМВ также оказывает
влияние перепад давления воды в момент прохождения ее между
полюсами электрического магнита, а также концентрация коллоидов, ионов и газов, находящихся в воде. Вследствие многофакторного влияния на процесс ОМВ эффект обработки не всегда
поддается прогнозированию. Несмотря на сложность вопроса и
трудность прогнозов, однозначно можно сказать, что эффект
104
ОМВ наблюдается в широком диапазоне напряженности магнитного поля (от нескольких эрстед до тысячи эрстед) при скорости
протекания воды между магнитными полюсами от 0,3 до 5 м/с и
обработке как постоянным магнитным, так и переменным ЭМП.
7.5. Воздействие магнитного поля на природную воду
Обобщение и анализ всего комплекса работ в области сельского хозяйства позволяет отметить большую важность этого направления использования омагниченной воды.
Обработанную магнитом воду (ОМВ) получают воздействием 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 пондеромоторные 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. В то же время отсутствие теории тормозит практическое применение новых процессов. К 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 общей
теории жидкого состояния, и приходится иметь дело со сложной,
метастабильной системой. Вместе с тем, накопленных экспериментальных данных пока недостаточно для построения стройной
теории.
Как известно, метастабильные системы характеризуются
возможностью перехода на более низкий, а в предельном случае
равновесный уровень после преодоления некоторого активацион105
ного барьера. Есть много причин, 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 этих структур
очень мало (порядка 10 -6... 10-8 с), но это время резко 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 турбулизации потока воды), определяющих
растворимость газов в воде.
В-третьих, источником метастабильности водных систем являются наводки разного рода, в том числе связанные с солнечной
активностью, всегда изменяющиеся во времени.
Четвёртым источником метастабильности ряда водных систем может служить перенасыщенность либо недонасыщенность
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 поверхностей радела фаз. 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.
Перемещение 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.
106
Значение индуцированных электрических сил косвенно подтверждается тем, что совместное действие электрического и магнитного полей вызывает бόльшие 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 следует уделять энергетическому барьеру, для
преодоления которого необходимо сообщить системе некоторую
энергию 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 значительные изменения системы, эффект магнитной
обработки после кратковременного возрастания постепенно самопроизвольно снижается и исчезает.
2. Обычно отмечается сложная зависимость эффектов от характеристики магнитного поля. Чаще всего при достаточно малом
изменении напряженности магнитного поля наблюдается полиэкстремальная зависимость.
3. Почти во всех исследованиях отмечается наличие оптимальной скорости потока. Причины такой закономерности в настоящее время пока не выяснены. Возможно, что вначале с увеличением скорости возрастает действие сил Лоренца, а также увеличивается сила индуцированного тока; после достижения определенного значения скорости чрезмерная турбулизация потока и сокращение времени пребывания раствора в магнитном поле, возможно, снижает эффективность обработки водных систем.
Исходя из этих 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 магнитного поля оптимальной частоты возможен резонанс, сопровождаемый возникновением квантов
107
энергии, способных деформировать связи, изменить структурную
характеристику системы.
Такие процессы вызываются как магнитными, так и электрическими полями. Поэтому свойства водных систем могут изменяться при воздействии как магнитного, так и электрического полей, а также при их совместном воздействии или наведении переменного электромагнитного поля. Именно резонансные явления
могут лежать в основе преодоления активационного барьера.
Как упоминалось, механизм влияния магнитного поля на воду и её примеси до настоящего времени недостаточно четко выявлен. Высказывался целый ряд гипотез, которые можно разделить
на следующие три группы.
ПЕРВАЯ, объединяющая большинство гипотез, связывает
действие магнитных полей на диссоциированные ионы солей,
присутствующих в воде. Под влиянием магнитною поля происходит поляризация ионов и их деформация, сопровождающаяся
уменьшением их сольватации, что повышает возможность их
сближения и, в конечном итоге, образование центров кристаллизации.
ВТОРАЯ группа отдает предпочтение воздействию 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 твердой фазы.
Е. Шумани полагает, что магнитное поле может влиять на
зародыши кристаллов карбоната и сульфата кальция, находящихся, как правило, в обрабатываемой воде. В результате уменьшается их способность прикипать к поверхности нагрева.
108
С.И. Ремпель установил, что воздействие магнитного поля, не
изменяя структуру воды, влияет главным образом на свойства 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 ничтожные доли секунды. Гидратным оболочкам
можно помочь построить хотя бы на время более упорядоченную 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.
На положительное влияние магнитной обработки воды указывают и французские исследователи. Так, Piccadi считает, что
наложение знакопеременного магнитного поля на поток вызывает
изменение структуры молекул воды. Это приводит к понижению
устойчивости ионов накипеобразователей и к возникновению огромного числа центров кристаллизации. Выделение накипеобразователей при нагреве происходит во всем объеме воды, и вместо
накипи образуется шлам.
А.И. Шахов и др. объясняют роль магнитного поля коагуляцией органических и минеральных коллоидов за счет дегидратации двойного электрического слоя ионов и снижения дзеттапотенциала, что в свою очередь нарушает агрегативную устойчивость коллоидов и ускоряет их слипание. Такой же точки зрения
придерживается и G.Taddei.
109
Таким образом, гипотезы различных авторов базируются на
поляризующем действии магнитного поля на ионы и молекулы
воды. 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 10-9 с, поэтому полученные
изменения можно объяснять ошибками опытов, так как большей
частью они были невоспроизводимы.
Рассматривая все существующие гипотезы о механизме
влияния магнитных полей на водные системы, можно сделать
следующие выводы:
1. При воздействии магнитных полей на водные системы
возникает комплекс явлений, сложных самих по себе и во много
раз взаимоусложняющихся.
2. Все гипотезы имеют определенное экспериментальное
обоснование и в той или иной степени соответствуют практическому опыту.
3. Вместе с тем, практически все гипотезы не позволяют
полностью объяснить накопленные факты.
4. 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 пролонгируют
эти изменения. Главным фактором, подлежащим теоретическому
объяснению, является способ преодоления потенциального барьера
между двумя метастабильными состояниями системы, а также придание ей достаточной энергии активации и механизм пролонгирования этих кратковременных изменений. Отсюда перспективным
представляется и изучение резонансных взаимодействий, и это направление должно быть предметом фундаментальных исследований.
7.6. Эффективность применения омагниченной воды
для орошения посевов
Первые сведении об улучшении роста растений при поливе
водой, прошедшей предварительную магнитную обработку, в
110
СССР опубликованы еще в 1965 г. (Институт биологически активных веществ Дальневосточного филиала СО АН СССР), где
указывается, что вода, обработанная магнитным полем, оказывает
благотворное влияние на рост, развитие подсолнечника, кукурузы, сои, а 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 увеличение массы плодов. Анализ исследований в 80...90-е гг. XX в. в
ОПХ Волжского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорация показал, что при поливе гороха, редиса, помидоров, огурцов, кукурузы, др. сельскохозяйственных растений
омагниченной водой последние лучше развиваются, раньше наступают фазы цветения и созревания, в зависимости от культуры
на 10...45% повышается урожайность. Опыты проводились при
выращивании риса (табл. 7.1) и пшеницы (табл. 7.2).
Анализ таблиц 7.1 и 7.2 показывает, что даже в неблагоприятные годы урожайность культур повышается при поливе омагниченной водой.
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. 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 биомассы.
111
Таблица 7.1. Влияние магнитной обработки воды на урожайность риса
ц/га
42,2
50,0
Урожай
Расход воды на 1 ц урожая
%
м3/ц
%
Орошение обычной водой
100
560
100
Орошение омагниченной водой
100
475
85
Таблица 7.2. Влияние магнитной обработки воды на урожайность пшеницы
Прибавка к урожаю
Площадь
Урожайность при
при поливе омагниопытного и
поливе, ц/га
Год
ченной водой
опыта контрольного
обычной омагниченной
участков, га
ц/га
%
водой
водой
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
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 Всероссийском институте
электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) исследовалось
влияние омагниченной воды на укоренение черенков плодовоягодных 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 задан112
ной 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. 7.1), 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.
Рис. 7.3. Всхожесть семян пшеницы
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. 7.2).
Таким образом, магнитная обработка воды позволяет значительно повысить урожайность различных сельскохозяйственных
культур. По-видимому при омагничивании воды играют существенную роль различные факторы: афегация 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.
113
Соя
129%
100%
Свекла
кормовая
120%
100%
Лук
129%
100%
Томаты
130%
100%
Опыт
Контроль
Рис. 7.4. Урожайность при поливе обычной и омагниченной водой
Кроме того, замечено, что предпосевное замачивание семян
в предварительно омагниченной воде положительно влияет на
урожай исследуемых растительных культур (свекла, рис, горох,
морковь и пр.). Урожай повышается 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
омагниченные 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 на 20% при прочих равных условиях. Но если омагниченные семена поливать омагниченной водой, то получают ту же
20%-ную прибавку, а не 40%, поскольку резерв генотипа именно такой, и он весь исчерпался при обработке омагниченной водой.
Следовательно, физические факторы вовлекают резервные
силы организма (в данном случае растения) в действие.
7.7. Рассоление почв с использованием омагниченной воды
Возможность использования омагниченной воды для рассоления почв обусловлена ее повышенной растворяющей способностью, что наблюдалось неоднократно. Исследователями было установлено, что плотность омагниченной воды, прошедшей через
114
слой почвы, на 0,1 г/см3 больше, чем неомагниченной, а фильтрация в 2 раза выше. В первом случае из 100 г почвы выносится солей на 10 г больше, чем во втором. Если подвергнуть магнитной
обработке 5% раствора технического железного купороса, то полученный 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. 7.3).
Таблица 7.3. Изменение содержания элементов питания
растений после промывки
Глубина, см
Показатели
0....20
20....40
1
2
3
1
2
3
Содержание до промывки
N
0,5
0,27
РО
6,6
4,00
КО
75,3
57,80
Содержание после промывки обычной водой
N
0,10
РО
7,0
3,00
КО
55,4
42,20
Содержание после промывки омагниченной водой
N
3,7
0,60
РО
8,2
4,50
КО
53,6
41,60
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 мелиоранта). Близкие результаты получены и в полевых
условиях (табл. 7.4).
115
При этом полнее вымывались наиболее трудноудалимые
сульфаты натрия. Более 70% солей вымывается в первые такты
промывки.
Таблица 7.4. Результаты полевых испытаний
Вымыто токсичных солей
Показатели
т/га
%
Обычная вода
54,5
100,0
1 % раствора НС1
55,8
102,4
Омагниченная вода
65,7
120,5
С рассолением почв тесно связана и проблема полива растений
соленой водой. Соленую воду нельзя применять по двум причинам.
1. Прежде всего, происходит отложение солей в растениях,
что 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%).
7.8. Омагниченная вода в птицеводстве и животноводстве
Наблюдения за изменением биологических свойств 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 вызывает у цыплят изменение интенсивности костеобразовательных процессов в сторону ускорения.
Для обработки питьевой воды 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.
Таким образом, результаты опытов показали, что омагничивание питьевой воды простейшими магнитными аппаратами позволяет значительно повысить эффективность работы птицефабрик.
116
Опыты использования омагниченной воды для питья курамнесушкам дали хорошие результаты (табл. 7.5).
Таблица 7.5. Результаты опытов омагниченной воды на курахнесушках
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, шт.
79560
77820
Яйценоскость, %
81,20
78,7
Яйценоскость одной курицы, %
13,01
11,8
Прирост яйценоскости, %
1,25
0
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 поле напряженностью 1600 А/м.
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.
7.9. Аппараты для магнитной обработки воды
Большой практический интерес к электромагнитной обработке водных систем с одной стороны и незавершенность теоретических основ процесса – с другой стороны обусловили появление множества вариантов конструкций аппаратов для её осуществления. Лишь некоторые аппараты были выпущены серийно. Эффективность промышленного применения этих аппаратов редко
сопоставлялась; в первом приближении были выявлены некото117
рые принципы их эксплуатации. Рассмотрим некоторые аппараты
для магнитной обработки.
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. 7.5). 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 раствором питательных веществ. Через
компрессор внутрь корпуса подается газовая среда. Выходя из каналов, газовый поток приводит к завихрению жидкость, т.е. образуется турбулентное газожидкостное течение, вследствие чего
магниты совершают колебательные движения, создавая переменное магнитное поле в окружающей среде, а семена активно перемешиваются и подвергается обработке в переменном магнитом
ноле. Приобретя определённую магнитовосприимчивость, семена
обогащаются питательными веществами и образуют вокруг себя
прочную оболочку.
4
7
2
8
10
5
6
3
9
1
Рис. 7.5. 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
118
Для магнитной обработки воды, которая используется при
орошении сельскохозяйственных культур, используются устройства,
приведенные на рисунках 7.5 и 7.7. 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
5
3
2
6
9
8
Рис 7.6. 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
Рис. 7.7. 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
119
Продолжение рис. 7.7
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 восходя120
щим потоком – в аванткамеру насосной установки, имеющей всасывающий трубопровод и обеспечивающей подачу обработанной
воды в оросительную систему.
Оросительная вода, протекая во внутренней полости аппаратов, подвергается воздействию магнитного поля напряженностью
300 Э.
Расположение трубчатых аппаратов в шахматном порядке
позволяет использовать для обработки воды 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
создастся 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 до минимальных величин путем 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.
7.10. Живые организмы в магнитном поле
Мелкие животные, помещенные в магнитную камеру, (в камеру с ослабленным магнитным полем), переносят без видимых
изменений даже сильно ослабленное магнитное поле. Однако у
них изменяется скорость окислительных процессов, изменяются
биопотенциалы и состав крови. Длительное пребывание животных в таких условиях оказывает влияние на потомство. Пребывание здорового человека в течение трех суток в камере с 100кратным ослаблением магнитного поля не сказывается на его самочувствии, но сопровождается нарушением суточных циклов.
Отклонение магнитной индукции от средних значений, к которым
приспособился биологический вид, в процессе эволюции приво121
дит к нарушению биологических циклов и процессов. В эксперименте кроликам на 30 мин. изменяли величину магнитной индукции, при этом у кроликов сначала замедлялся пульс, который восстанавливался через 30 мин, но снижалось артериальное давление.
Если изменение магнитного импульса небольшое, то все изменения вскоре исчезают, но если изменение магнитного импульса
значительное, то отклонения восстанавливаются через 3-е суток, а
при очень больших отклонениях магнитного импульса происходят нарушения белкового и жирового обмена, нарушается структура белков, изменяется форма мышечных волокон, возникают
микротромбы. Некоторые из этих нарушений затем сохраняются в
течение года.
В другом эксперименте взяли две группы кроликов по 28
особей и всем зверькам под наркозом сломали лапки и сразу начали лечить перелом: концы сломанной кости соединили стержнем, а лапку, поместили в гипс. В одной группе каждому кролику
поверх гипса прикрепили постоянные магниты, а в контрольной
группе магниты не применяли, и у них в первую неделю развился
отек в зоне повреждения и появились признаки нагноения. В
опытной группе осложнений не было, а после срастания перелома
и удаления стержня костная мозоль прочно удерживала обломки
костей, чего не наблюдали у контрольной группы. Отсюда можно
сделать вывод, что магнитное поле способствует заживлению
тканей и срастанию костей и обладает противовоспалительным
действием. Магнитотерапия как способ повышения резистентности организма стала одним из методов физиотерапии. В Большой
Медицинской Энциклопедии отмечается как общепризнанный
факт, что магнитное поле оказывает обезболивающее, противовоспалительное, противоотечное действие, влияет на обмен веществ и артериальное давление. Магнитотерапию применяют
вместе с другими методами лечения. Например, магниты устанавливают в аппаратах конструкции Г.И. Илизарова для лечения переломов, что оказывает благоприятное влияние на процесс лечения и его результаты.
122
Контрольные вопросы
1. Каково физико-химическое и биологическое действие
электромагнитных полей на объекты?
2. Способы получения магнитных полей.
3. Установка магнитной очистки семян и ее устройство
4. Применение магнитной обработки материалов в с/х производстве
5. Активация воды омагничиванием.
6. Гипотезы, объясняющие воздействие магнитного поля на
природную воду. Причины трудностей создания теории магнитной обработки воды.
7. Эффективность и применение ОМВ при орошении посевов
8. Эффективность ОМВ при укоренении черенков.
9. Рассоление почвы с использованием ОМВ.
10. Омагниченная вода в птицеводстве и животноводстве
11. Аппараты для ОМВ.
12. Живые организмы в магнитном поле.
13. Влияние МП на процессы в живом организме.
123
ГЛАВА 8. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
8.1. Ультразвук и его воздействие на физические
и биологические объекты
Периодические механические колебания среды с частотами
выше предела слышимости человеческого уха называются ультразвуком. Упругие механические колебания делятся на инфразвук –
частота до 16 Гц, слышимый звук – от 17 до 20000 Гц, ультразвук
выше 20000 Гц – до 1010 Гц и гиперзвук – выше 1010 Гц. В ультразвуковых технологиях наибольший интерес представляют скорость распространения УЗ волны, развиваемое волной давление и
интенсивность. Скорость распространения УЗ волны определяется по формуле
C=
E
,
r
(8.1)
где Е – модуль Юнга, ρ – плотность материала или C=fλ, где f частота, λ – длина волны УЗ.
Давление УЗ волны будет равно
p = Am ´ w ´ r ´ c ´ cos w (t - x / c ) ,
(8.2)
где p m = A m ´ w ´ r ´ c = g * Z a амплитуда звукового давления в Па,
амплитуда скорости распространения УЗ волны, м/с,
n = Am ´ w
(8.3)
где Аm – амплитуда смещения частицы, м; ω – угловая частота колебаний; z а=ρ×с – удельное акустическое сопротивление среды; τ –
текущее значение времени, с; х – текущая координата частицы, м.
Плотность энергии УЗ волны
E = 1 / 2 r ´ w 2 ´ Am2 .
(8.4)
Интенсивность или сила ультразвука определяется по выражению
I = E ´ c или I = r ´ n / 2 .
(8.5)
Интенсивностью УЗ волны называют мощность, приходящуюся на единицу площади поверхности, перпендикулярной
направлению распространения УЗ волны, Вт/м2.
124
Таблица 8.1. Значения скорости УЗ с и плотности
r
среды
СкоНаименова- Плотность Скорость, Наименова- Плотность
рость,
3
э
r кг/м
r , кг/м
ние среды
м/с
ние среды
м/с
Пермендюр
Воздух
1,3
343
8080
5200
К49Ф2
Вода
997
1497 Альфер
6650
5100
Титанат
Ртуть
13595
1451
5300
4400
бария
Железо
7800
5850 П-ьезокварц
2650
5700
При переходе УЗ волны из среды с одной плотностью в другую
всегда имеет место частичное отражение УЗ волны от границы раздела фаз, т.е. сред с разной плотностью. Отношение интенсивности
отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом отражения. Наличие отраженной волны от границы
раздела фаз используется в ультразвуковой дефектоскопии, с помощью которой удается зафиксировать координаты дефекта внутри материала, а потом уже вскрыть его и устранить. При распространении
УЗ волны через среду часть ее энергии поглощается, т.е. переходит в
другие виды энергии, например, в теплоту.
Прохождение УЗ через среду сопровождается первичными и
вторичными эффектами.
Первичные эффекты имеют механическую природу и обусловлены свойствами УЗ. К ним относятся: переменное ультразвуковое давление, постоянный ток, кавитация, поверхностное
трение.
Кавитация – образование в жидкости в процессе разряжения
полостей или разрывов сплошности, которые захлопываются во
время сжатия, вызывая микрогидравлические удары, давление во
время которых достигает нескольких мегапаскалей.
Вторичные эффекты – следствие первичных, которые подразделяются на механические, тепловые, акустические, химические и биологические. К механическим эффектам относятся
также коагуляция (слипание частиц), дегазация жидкостей и диспергирование – измельчение твердых или жидких веществ в какой-либо среде (пример – приготовление эмульсии бензина: 70%
бензина+30% воды).
125
Преобразователи в ультразвук бывают механические и электрические. Механические (свистки, сирены и др.) преобразуют скорость и давление потока газа или жидкости в УЗ колебания. Они
очень просты, но маломощны. Поэтому в технике шире применяют
электроакустические преобразователи, работающие на основе магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.
Акустические трансформаторы – волноводы, концентраторы – служат для ввода УЗ колебаний в обрабатываемый материал, а также для согласования параметров преобразователя с
нагрузкой.
Источники питания УЗУ – это ультразвуковые генераторыустройства, предназначенные для преобразования электроэнергии
переменного тока промышленной частоты в энергию электрического тока высокой частоты, равной по частоте ультразвуку.
8.2. Магнитострикционные преобразователи
В основу работы магнитострикторов положено изменение
размеров (деформация) ферромагнетика при изменении окружающего электромагнитного поля. Магнитостриктор выполняют
из пластин в виде замкнутых двух- и многостержневых магнитопроводов. В качестве материала для пластин используют никель,
железо, кобальт или сплавы – альфер, пермендюр и другие. Магнитострикционная деформация зависит от напряженности электромагнитного поля, температуры и вида материала, из которого
изготовлены пластины магнитостриктора. При возрастании напряженности МП деформация у сплавов платиножелезистых
Pt+Fe увеличивается, а у никелевых пластинок уменьшается. В УЗ
технике широко используется альфер железистоалюминиевые
сплавы марок: Ю-10, Ю-12, Ю-14 и железокобальтовые сплавы
К49Ф2; К50Ф2.
Так как частота колебаний сердечника магнитострикционных преобразователей в два раза выше, чем у возбуждающего
ЭМП (за каждый полупериод сердечник претерпевает удлинение
и укорочение), чтобы предотвратить удвоение частоты и получить
большие по величине деформации, применяют подмагничивание
постоянным током или постоянным магнитом.
126
Рис. 8.1. Схема магнитострикционного преобразователя: а – схема установки, б – пакет пластин магнитостриктора, в – пластина магнитостриктора
Рис. 8.2. График изменения магнитострикционной деформации
Упрощенный расчет магнитострикционного преобразователя
выполняют в следующем порядке:
1. Выбирают удельную излучающую мощность Рв в зависимости от материала пластин: для никеля – Рв=5*104 Вт/м2, альфера – Рв=30-35*104 Вт/м2, пермендюра – Рв=70- 75*104 Вт/м2.
2. В зависимости от технологического процесса по потребной интенсивности УЗ определяют частоту и амплитуду А
f=
1
E
;
2l r(1 + b / 21)
A=
127
I
I
=
,
p + Za
p + rc
(8.6)
где Z a = rc – удельное акустическое сопротивление среды.
3. Находят мощность, которую необходимо подвести к преобразователю, Вт.
I × Su
Pв = Pв × Su =
,
(8.7)
ha
где Su – площадь излучающей поверхности преобразователя, м2;
η – 0,4-0,8 – электроакустический КПД преобразователя.
4. Выбирают напряжение питания UB обмотки возбуждения
UB=200…400B.
5. Находят силу тока обмотки возбуждения, А
IB =
PB
,
U * cos j
(8.8)
где cosφ=0,5-0,7 коэффициент мощности преобразователя.
6. Вычисляют число витков обмотки:
n=
UB
,
4, 44 + BC * SC
(8.9)
где ВС – магнитная индукция (находят по кривой намагничивания
в зоне, близкой к насыщению, ТЛ); SC – площадь поперечного сечения стержня, м2.
7. Вычисляют силу тока подмагничивания, А
I0 =
H0 * lm
,
n
(8.10)
где Н0 – напряженность МП подмагничивания определяют по
кривой
Dl
= f (H ) при желаемой амплитуде; Lm – длина пути магl
нитного потока, м.
8. Определяют суммарную силу тока в обмотке
I S = I 2P + I 02 .
(8.11)
9. Определяют площадь сечения провода обмотки, мм2
S ПР =
IS
,
jдоп
(8.12)
где jдоп – допустимая плотность тока в проводе с учетом укладки и
охлаждения обмотки преобразователя.
Площадь сечения провода выбирают ближайшей к расчетной
стандартной.
Промышленность выпускает магнитострикционные преобразователи следующих типов: ПМС мощностью от 0,4...4 кВт
128
при частоте 18...44 кГц; типа ПМ мощностью 1,6...4 кВт при частоте 18 кГц; типов МЭ, ЦМС и ПП мощностью 63 1600 Вт; ферритовые магнитострикционные преобразователи типов УЗДМ,
2С- 25, 2С- 44 мощностью 25...630 Вт. Интенсивность ультразвука
от таких преобразователей достигает сотен киловатт на один
квадратный метр при КПД η = 50- 65%.
Главные недостатки магнитострикционных преобразователей – низкий КПД и высокая стоимость активных материалов.
8.3. Пьезокерамические преобразователи
При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов на их поверхности появляются электрические
заряды, обусловленные поляризацией. Это явление называется
прямым пьезоэлектрическим эффектом и используется в приемниках УЗ. Обратный эффект деформации кристаллов под действием электрического поля применяют в излучателях УЗ. Пьезокерамические преобразователи часто выполняют в виде изготовленной из пьезоэлектрического материала пластинки с нанесенными
на ее грани электродами, к которым подводится переменное напряжение от генератора УЗ частоты. При изменении приложенного электрического поля пластинка изменяет толщину и излучает
УЗ в окружающую среду.
Пьезоэлектрические материалы: кварц, сегнетовая соль, титанат бария, титанат-цирконат свинца 3Pb0×Ti02×Zr02, ВаО·ТiO2. Пьезоэлектрические преобразователи способны работать при больших
частотах (до десятков МГц), так как эти системы практически безинерционны и не связаны с потерями на гистерезис. Однако их мощность небольшая – не более сотен ватт из-за низкой механической
прочности пьезоматериалов. Напряжение питания – 50…400 В для
пьезокерамики и 2…20 кВ для кварца, интенсивность усльтразвука
достигает 100 кВт/м2, или 10 Вт/см2. Пьезокерамические преобразователи в основном применяются в измерительной и информационной технике. С повышением температуры пьезоэффект ослабевает, а при 537°С у кварца пьезоэффект пропадает.
Пьезоэлектрические преобразователи чаще всего имеют
форму стержней или пластин и работают в узком диапазоне частот вблизи резонанса их механической системы.
129
Рабочую частоту преобразователя можно уменьшить частотно-понижающими пассивными накладками. Обычно пьезокерамические пластины соединены отражающей 2 и излучающей
4 прокладками. К последней крепят волновод-инструмент. Питание к пластинам подают через токоподводы 3, элементы соединяют между собой болтом, либо с помощью клея (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Пакетный пьезокерамический преобразователь с пассивными
накладками: 1 – пьезокерамические пластины; 2 и 4 – отражающая и излучающая накладки; 3 – токоподвод; 5 – стягивающий болт; 6 – волновод-инструмент
Оптимальная частота преобразователя определяется по формуле
f=
k
,
d
(8.13)
где k – постоянная излучения, зависящая от материала: кварц –
2280; сегнетовая соль – 1540; титанат бария – 2200 Гц; d – толщина пьезопластинки, м.
Kn ´ f 2 ´ U2
I=
,
r´ c
(8.14)
где I – интенсивность УЗ колебаний, генерируемых пьезоэлектрическим преобразователем, Вт/м2; U – напряжение возбуждения, В; ρ×c
– акустическое сопротивление среды Нс/м3; Кn – коэффициент, зависящий от вида материала: кварц, сегнетовая соль, титанат бария –
соответственно: 1,44·10-8; 5,4·10-6, 1,44·10-6 Вт·Н·с3/В2·м3.
Мощность, потребляемая пьезокерамическим преобразователем, Вт
130
PB =
Pa I ´ S
=
,
ha
ha
(8.15)
где S – площадь излучающей поверхности, м2;
ηа – КПД кварца 0,6-0,8 BaO·TiO2 – 0,5…0,7.
8.4. Акустические трансформаторы и ультразвуковой генератор
Акустические трансформаторы – это стержни разнообразной
формы, предназначенные для усиления колебаний магнитострикторного преобразователя (трансформаторы скорости) и для согласования
механического сопротивления технологической нагрузки с сопротивлением пакета преобразователя. Трансформаторы скорости еще называют концентраторами. Они представляют собой стержень, присоединяемый к пакету преобразователя более широким торцом. Меньший торец подводит УЗ колебания к технологической среде, благодаря чему энергия ультразвука может усилиться в 10…15 раз. Ультразвуковые генераторы бывают ламповые, тиристорные и транзисторные. Примеры марок ультрозвуковых генераторов: УЗГ 1-0,04/22 –
выходная мощность 0,04 кВт, частота – 22кГц; УЗГ 1-0,1/18 – выходная мощность 0,1 кВт, частота – 18 кГц; УЗГ 10-1,6/18 – выходная мощность 1,6 кВт, частота 18 кГц.
8.5. Области применения ультразвука
Мощные ультразвуковые колебания находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее
время в промышленности используется ультразвуковая очистка и
обезжиривание различных изделий. Ультразвук применяется для
получения высокодисперсных эмульсий, диспергирования твердых тел в жидкости, коагуляции аэрозолей и гидрозолей, дегазации жидкостей и расплавов. Установлено влияние мощных ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства
кристаллизующегося расплава.
Ультразвуковые колебания позволяют снимать остаточные
напряжения в сварных швах, при дуговой сварке. Обнаружено
весьма эффективное воздействие ультразвука на интенсивность полимеризации клеев. Широко внедрена в промышленность обработка твердых и сверхтвердых материалов с помощью ультразвука.
Одним из интересных и перспективных промышленных
применений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС).
131
Этот способ сварки характеризуется весьма ценными технологическими свойствами: возможностью соединения металлов без
снятия поверхностных пленок и расплавления; особенно хорошей
свариваемостью чистого и сверхчистого алюминия, меди, серебра,
молибдена, титана, тантала; возможностью соединения тончайших металлических фольг со стеклом и керамикой.
Из существующих методов ни один не подходит для сварки
разнородных металлов или для приваривания к толстым деталям
тонких пластин. В этом случае ультразвуковая сварка незаменима.
Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в
холодном состоянии, но окончательного представления о механизме образования соединений при УЗ-вой сварке нет. В процессе
сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при
этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной
оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.
Ультразвуковая сварка происходит при температуре, значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение
деталей происходит в твердом состоянии. Наилучшие результаты
получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и
приварке к толстым деталям тонких листов. При ультразвуковой
сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки.
Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки.
Ультразвуком сваривается большинство известных термопластичных полимеров. Ультразвуковая сварка пластмасс тем более
ценна, что для ряда полимеров она является единственно возможным
надежным способом соединения. Полистирол – один из наиболее
распространенных полимеров для изготовления различных изделий
крупносерийного производства – наиболее рационально сваривать
ультразвуком. Особое внимание исследователей привлекла возможность внедрения УЗС при производстве изделий микроэлектроники.
8.5.1. Применение ультразвука в сельскохозяйственном
производстве
1. В ремонтном производстве: мойка деталей, дефектация,
пайка, наплавка.
132
2. В информационно-измерительных приборах: влагомеры,
измерители белка и жира в молоке, супоросности свиней и т.д.
Слабые УЗ колебания применяют в измерительной технике и
дефектоскопии. УЗ распространяется узким пучком и отражается
от границы раздела фаз, что позволяет определить координаты и
размеры дефектов в детали или толщину жира и мышц животного. Для определения толщины жира в с/х производстве используют приборы «Супор-314», ГТУДС и УТ-40 СЦП.
а)
б)
Рис. 8.4. Ультразвуковой диагностический прибор ПУД С: а – общий
вид; б – характер индикации показаний при определении толщины
мягких тканей; 1 – пьезоэлектрический преобразователь; 2 – электрический блок; 3 – зарядное устройство; 4 – щуп (акустическая нагрузка); 5 – гибкий кабель
133
Средние УЗ колебания. Удельную мощность 1…12 кВт/м2
используют для отпугивания грызунов, терапии глаз, лечения костных повреждений и фурункулеза. Для этой цели используют
аппараты УРСК-7Н, УСТ-1, ВУТ-1 и другие.
Мощные УЗ колебания – мойка деталей, пайка, сварка, размерная обработка деталей. В основе мойки и чистки – кавитация
(частота 20-25 кГц) для сложных и мелких – 200…1600 кГц, интенсивность ультразвука – 5…10x104 Вт/м2.
Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука.
· Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание различных жидкостей и получить устойчивые
эмульсии (даже такие, как вода и ртуть).
· Смешивание несмешиваемых жидкостей – эмульсия
70% нефти + 30% воды. Такая эмульсия обеспечивает лучшее и
более полное сгорание топлива и уменьшает количество токсичных выбросов при работе двигателей внутреннего сгорания.
· Воздействуя ультразвуковыми колебаниями большой
интенсивности на жидкость, можно получить тонкодисперсные
аэрозоли высокой плотности.
· Сравнительно недавно начали применять ультразвук
для пропитки электротехнических намоточных изделий. Применение ультразвука позволяет сократить время пропитки в 3,5 раза и
заменить 2-3-кратную пропитку одноразовой.
· Под действием ультразвука значительно ускоряется
процесс гальванического осаждения металлов и сплавов.
· Если в расплавленный металл вводить ультразвуковые
колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость.
· Ультразвук применяется при обработке металлов и
сплавов в твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению»
структуры и к искусственному их старению.
· Ультразвук при прессовании металлических порошков
обеспечивает получение прессованных изделий более высокой
плотности и стабильности размеров.
8.5.2. Ультразвуковая очистка
Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до
134
80% загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при
ручной – около 20%, а при ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме
того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места,
хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое
преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.
Ультразвуковая очистка – сложный процесс, сочетающий
местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.
Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности
среды. Если поместить УЗ-вой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. В чем
сущность УЗ-вой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они слипаются, и размер их увеличивается. Процесс укрупнения частиц
называется коагуляцией. В дальнейшем укрупненные и утяжеленные частицы улавливаются специальными фильтрами.
8.5.3. Ультразвуковая пайка и лужение
В промышленности все большее значение приобретает ультразвуковая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и
других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что
его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует
соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.
135
В настоящее время одним из эффективных методов пайки
алюминия является ультразвуковой, пайка с применением ультразвука производится без флюса. Введение механических колебаний
ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и
облегчает смачивание припоем поверхности.
Принцип ультразвуковой пайки алюминия заключается в
следующем. Между паяльником и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием ультразвуковых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную
пленку. Перед пайкой детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для
пайки керамики и стекла (см. рис. 8.5).
Рис. 8.5. Схема ультразвукового паяльника: 1 – магнитострикционный
излучатель; 2 – обмотка излучателя; 3 – головка паяльника; 4 – нагревательный элемент; 5 – жало; 6 – припой; 7 – кавитационные пузырьки; 8 – окисная пленка; 9 – алюминиевая пластина
8.5.4. Механическая обработка сверхтвердых
и хрупких материалов
Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и
обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов
(рис. 8.6).
136
Рис. 8.6. Ультразвуковая обработка материалов: 1 – ультразвуковой
инструмент; 2 – абразивные зерна; 3 – обрабатываемая деталь
Кинематика ультразвуковой обработки складывается из
главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть
продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка
обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от
зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы,
можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы.
Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать
матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, карбиды, кварцевый песок.
Размерная обработка УЗ основана на том, что в пространство между обрабатываемой деталью и УЗ инструментом,
колеблющимся с частотой 18-45 кГц и амплитудой 10-15 мкм, подают зерна мелкого абразива, взвешенные в воде, инструмент
ударяет по зернам, откалывает от детали микрочастицы. Так обрабатывают и сверлят хрупкие материалы (например, стекло).
8.5.5. Ультразвуковая дефектоскопия
Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной
среде направленно и без существенных затуханий, а на границе
раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью
137
отражаться, позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.
При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров,
так как глубина проникновения УЗ в металл достигает 8... 10 м.
Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 1 0 - 6 мкм).
УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.
Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении
отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного
дефектоскопа показан на рис. 8.7. Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор,
который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю
раньше посылки следующего импульса.
Рис. 8.7. Схема импульсного метода ультразвуковой дефектоскопии
138
Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что
он позволяет определить, на какой глубине находится дефект.
8.5.6. Ультразвук в медицине
Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в
биологических тканях при прохождении через них УЗ-вых волн.
Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ – локальное нагревание их. Одновременно под действием УЗ происходят физикохимические превращения в биологических средах. При умеренной интенсивности
звука эти явления не вызывают необратимых повреждений, а
лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют
жизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в
УЗ-вой терапии (интенсивность УЗ до 1 Вт/см2). При большой интенсивности сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в ультразвуковой
хирургии. Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения
окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже
тысяч Вт/см2). В хирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы и
т.п. Наложение ультразвуковых колебаний на такие, обычные для
хирургии инструменты, придает им новые качества, существенно
снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции;
кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований.
Воздействие мощного УЗ на биологические ткани применяется для разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских инструментов и лекарственных веществ.
УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия
зубного камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро
удалять зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется
139
слизистая полости рта и обеззараживаются «карманы» полости, а
пациент вместо боли испытывает ощущение теплоты.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение ультразвука. Приведите классификацию
механических колебаний среды в зависимости от частоты.
2. Что включает в себя понятие УЗ волны?
3. Чем характеризуется коэффициент отражения УЗ волны?
4. Какими первичными эффектами характеризуется воздействие на среду УЗ волны?
5. Какие виды преобразователей в УЗ вы знаете?
6. Что положено в основу работы магнитострикторов?
7. Какие материалы применяются для изготовления магнитостикторов?
8. Приведите пример расчета магнитострикционного преобразователя.
9. Какие виды магнитострикционных преобразователей вы
знаете?
10. В чем принцип действия пьезоэлектрического преобразователя?
11. Какие виды материалов применяют в пьезоэлектрических
преобразователях?
12. Область применения пьезокерамических преобразователей.
13. Перечислите область применения ультразвука.
14. В чем принципиальная особенность УЗ сварки и где она
применяется?
15. В каких целях применяются слабые УЗ колебания?
16. В каких целях используют средние УЗ колебания?
17. Области применения мощных УЗ колебаний.
18. В чем принципиальная причина эффективности УЗ очистки деталей?
19. Область применения УЗ пайки и лужения, и в чем суть их
эффективности?
20. Как производится размерная обработка сверхтвердых и
хрупких материалов с помощью УЗ?
21. Где применяют эмульсии несмешиваемых жидкостей?
22. Неразрушающий УЗ-контроль материалов и деталей.
Объясните основные принципы процесса контроля.
23. Где и как применяются УЗ в медицине?
140
ГЛАВА 9. ТЕПЛИЧНЫЕ ОБЛУЧАТЕЛИ
9.1. Типы тепличных облучательных установок
Облучательные установки, используемые в овощеводстве, по
конструктивным признакам делятся на стационарные и передвижные. Стационарные облучательные установки (ОБУ) как
правило работают с газоразрядными лампами высокого давления
ГРЛВД высокой единичной мощности 400-600-1000-2500 Вт. Обслуживание их требует меньших трудозатрат, но больше установленной мощности, что повышает капитальные затраты и расход
электроэнергии при эксплуатации. Передвижные ОБУ при прочих
равных условиях позволяют снижать установленную мощность в
2 раза, при той же облученности и тех же затратах электроэнергии, так как в разное время суток они могут работать на разных
участках. Передвижные облучательные установки чаще всего бывают с линейными источниками излучения. Но по конструкции
эти установки сложнее и дороже, поэтому широкого развития они
не получили. Работы над ними велись во Владикавказе в НИИ
Горского сельхозинститута.
Важнейшие требования к облучательным установкам:
1. Спектральный состав излучения должен быть благоприятным для фотосинтеза и не содержать излучений, угнетающих растениям.
2. Облученность должна распределяться равномерно по растениям и быть достаточной для фотосинтеза.
3. Установка не должна перегревать растения и мешать уходу за ними.
4. Применение ОБУ должно быть рентабельным.
5. Устройство и эксплуатация ОБУ должны соответствовать
требованиям электроустройств, работающих в особо опасных условиях.
9.2. Расчет стационарных облучательных установок
Высота подвеса не зависит от типа источника излучения и
выбирается так, чтобы обеспечить заданный уровень облученности, но при этом необходимо не перегреть растения (т.к. температура на поверхности ламп 250…350ºС).
141
HP =
I0
.
E min
(9.1)
Расчет ОБУ следует вести по минимальной облученности,
причем минимальный коэффициент облученности z =
E min
³ 0.8 .
E max
Минимум облученности для томатов Emin=7500 лк, или
Еф=10 фит/м2, для огурцов Emin=6500 лк, или ЕФ=8,5 фит/м2.
Расчет ОБУ выполняется в следующем порядке:
1. Выбирают светильник – облучатель и источник света, исходя из условий помещения и спектрального состава излучения. В
паспорте облучателя указывают тип КСС, или приводится кривая
силы света в виде графика.
Рис. 9.1. Зависимость облученности в точке от расстояния между точкой симметрии облучателя и рассматриваемой точкой и схема расчета
расстояния между облучателями
Продолжение рис. 9.1.
142
I0
.
E min
3. Пользуясь типовой КСС или графиком КСС, приведенной
в паспорте, строим кривую облученности Нр = const; E=f(r). Рассчитываем по формуле облученность
2. Определяют высоту подвеса H P =
E = (I a * cos 3 a )/ H 2P ;
(9.2)
r = H P * tga .
(9.3)
4. На кривой находим точки EA=0,8Emin; Ев=0,8/2; Emin
Ес=0,8/4 Emin и опускаем перпендикуляры из точек А, В и С на ось
абцисс, и таким образом находим rA,rB,rc , соответствующие расстояниям от светильника до этих точек. В точке А облученность
0,8Emin обеспечивает один облучатель. В точке
0,8
* E min * 2 = 0,8E min
2
облученность обеспечивают два облучателя, в точке С= 0,4Emin
облученность обеспечивают четыре облучателя.
5. Строим расчетную модель для определения расстояния
между облучателями из треугольника 02АВ:
AB = O 2 B 2 - O 2 A 2 = rB2 - rA2 , но L A = 2 rB2 - rA2
(9.4)
1
2
6. Из треугольника O2DC O 2 D = O 2 C 2 - CD 2 , но CD = AB L 2
тогда O 2 D = rC2 - rB2 + rA2 отсюда L B = 2 rC2 - rB2 + rA2 .
7. Определяем количество облучателей вдоль участка
(9.5)
A - 2rA
+1 .
(9.6)
LA
8. Определяем количество облучателей поперек участка
NA =
B - 2rA
+1
(9.7)
LB
9. Определяем количество облучателей на участке
NS = NA - NB .
(9.8)
10. Определяем установленную мощность на площадке
Py = N S × PЛ .
(9.9)
NB =
143
9.3. Расчет облучательных установок с линейными
источниками излучения
Среднюю фитооблученность Еф.ср. под установкой с люминесцентными лампами, смонтированными в рамках-кассетах, определяют по приближенной формуле
(n - 1)Ф Л h ИСП К Ф
E Ф.СР. =
,
(9.10)
lLK 3
где Еф.ср. – средняя облученность расчетной поверхности под облучательной установкой, фит/м2; n – количество ламп на один метр длины рамки-кассеты, шт*м2; ФЛ – световой поток одной лампы, лм;
1, L – ширина и длина рамки-кассеты, м; К3= 1,2… 1,3 коэффициент
запаса, учитывающий уменьшение светового потока при старении
ламп; Кф – коэффициент перевода светового потока в фитопоток,
фит*лм-1; ηисп – коэффициент использования светового потока.
Выражение может быть записано в виде
E Ф = me Ф ,
(9.11)
где μ – постоянная, зависящая от каталожных данных облучателя;
еф = (п-1)ηисп – относительная облученность, зависящая от высоты
НР (рис. 9.2) при заданной длине рамки-кассеты.
1. Определяем постоянную
Ф К
m= Л Ф .
(9.12)
lL
2. Относительная облученность
E
eФ = Ф .
(9.13)
m
3. По графику (рис. 9.3) для заданной высоты HP=h определяют требуемое количество ламп.
Рис. 9.2. К определению облученности под рамкой-кассетой
144
Рис. 9.3. Зависимость относительной облученности от числа ламп
в рамке-кассете
9.4. Газоразрядные новейшие тепличные излучатели
Земля получает от Солнца поток энергии мощностью 4*1023
кВт, а облученность площадки, перпендикулярной лучам Солнца,
в летнее время превышает 1000 Вт/м2.
Около 60% этой энергии, поглощенной землей, вызывает
круговорот воды в природе, 30% аккумулируется в нагретой поверхности Земли и в течение суток рассеивается в мировом пространстве. Только около 0,003% (4,2·102 кВт) от поступившей
энергии используется растениями для восстановления 175 млрд.т.
углерода из углекислоты воздуха для обеспечения всего живого
кислородом и продуктами питания. Очевидно, что биологическая
жизнь на Земле тесно связана с количеством преобразованной
энергии оптических излучений Солнца. Сейчас человечество научилось искусственно воспроизводить отдельные участки солнечного спектра. КПД синтеза с искусственными источниками уже
достигает 2%. Искусственный ультрафиолет стимулирует жизненные процессы человека и животных, помогая избавиться от
многочисленных болезней. Кванты их излучения – непременное
условие биохимических реакций. В природе ОИ комплексно действуют на живые организмы, являясь не только энергетической
базой строительства клеток, но и регулируют процессы роста и
развития организмов.
145
Основные составляющие солнечного спектра: синий –
400…500 нм – 33%; зеленый – 500…600 нм – 34%; красный –
600…700 нм – 33% .
Натриевые лампы фирмы Sylvania ФРГ SHP – TS600W имеют спектр: синий – 400…500 нм – 8%; зеленый 500…600 нм –
65%; красный – 600…700 нм – 27%. Характеристика лампы SHP –
TS600W: мощность – 600В; рабочее напряжение – 95…125В; срок
службы – 30000 час; световой поток – 90 клм; цветовая температура – 2050 К.
Отечественные натриевые лампы типа ДНаЗ, или Reflux, изготавливаемые совместным предприятием с фирмой Osram, имеют схожие технические характеристики.
Значительно ближе к солнечному спектру получается облучение от установки, состоящей из 50% натриевых ламп SHP TS
600W и 50% ламп ДРИ HSI – TS * 400 W/4K фирмы Britelux
Sylvania (ФРГ). Характеристика ламп HSI – TS 400W/4K: световой
поток – 40клм, мощность 400Вт, срок службы 14000 часов. Снижение потока в конце службы не более 10%, цветовая температура – 4200К. Для облучения растений фирмы Sylvania и Osram
(ФРГ) выпускают специальные лампы с улучшенным спектром
для растений, а также лампы для облучения растений в теплицах.
Ниже приведена таблица 9.1 с характеристиками новейших
тепличных излучателей, применяемых при тепличном выращивании овощей – огурцов и помидоров.
Таблица 9.1. Характеристики новейших тепличных излучателей
Фирма Sylvania
Фирма Osram
ДнаЗ или
Planta Planta
Reflux
SHP 600W
SHP 400W
star
star
400
Grolux
Grolux
600W 400W
Мощность, Вт
615
425
645
450
400
Рабочее напряжение, В 40–145 105–135 110
100
130
Срок службы, ч
24000 24660
–
–
25000
Световой поток, лм
90000 58000 90000 55000
55000
Цветовая температура, К 2050
2050
2000
2000
2050
Зажигание, кВ
4…5
4…5
4…5
4…5
4…5
146
9.5. Светодиоды в тепличных облучателях
Спектр излучений газоразрядных ламп, длительное время применяемых для освещения растений в теплицах, содержит значительное количество излучений, к которым растения не чувствительны,
вследствие чего из общего потока излучения растения усваивают
лишь 40…60%. Несмотря на впечатляющий прогресс газоразрядных
источников света сверхвысокого давления расход электроэнергии на
освещение растений в теплицах остается высоким. Если в 70-ые
средняя удельная устанавливаемая мощность в теплицах составляла
120…130 Вт/м2, 80–90-ые годы – 110…130 Вт/м2, 90…2000 –
100…105 Вт/м2, а в настоящее время 85…90 Вт/м2. По-прежнему
спектр излучения газоразрядных ламп включает значительные интервалы длин волн, которые растениями не усваиваются, т.е. значительная часть энергии затрачивается неэффективно, т.к. не было
возможности исключать неэффективные длины волн из спектра излучения.
Появление в XXI веке мощных светодиодных источников
света [1], которые работают в узких интервалах длин волн, создает возможность использовать лишь эффективные длины волн, исключив неэффективные, что позволит сократить расход э/э на освещение в 4…5 раз.
Ещё в начале XX века было установлено [1], что растения
имеют два фотосинтезных максимума: меньший находится в интервале длин волн 400…500 нм и больший – в интервале
610…700 нм. Более поздними исследованиями было уточнено,
что меньший максимум находится в фиолетовом диапазоне при
длине волны, по одним данным – 420 нм, по другим – 435 нм, по
третьим – 445 нм, а больший максимум находится в красном диапазоне при длине волны 650 нм, по другим данным – 660 нм, по
третьим – 675 нм. Хотя отмечаются некоторые колебания длин
волн максимумов фотосинтеза, они незначительные и укладываются в диапазон излучения одного светодиода. Фиолетовый светодиод InGaN излучает в интервале 400<λ<450 нм при ширине запрещенной зоны 2,76 эВ<ΔV<4,0 эВ, красный светодиод AlGaAs
610 нм<λ<760 нм при ширине запрещенной зоны 1,68
эВ<ΔV<2,03 эВ, т.е. эти отклонения укладываются в зону излуче147
ния одного светодиода и на практическое применение никакого
влияния не оказывают.
Все растения на Земле появились, развились и функционировали под влиянием солнечного излучения, которое представляет собой полный спектр оптического излучения, причем, как показывают исследования, почти все компоненты спектра ОИ играют определенную роль в жизни растений [2, 3]. Только бактерицидный УФ<280 нм ведет к гибели растений после 10…15 минут
облучения, но в дозированном количестве это излучение вызывает мутации и изменение генофонда растений. Витальный ультрафиолет 280…315 нм действует на растения как пониженная температура, способствует закалке растений, повышая их холодостойкость. УФ-А длиной волны 315…380 нм способствует обмену
веществ и росту растений. Эти излучения сдерживают вытягивание стебля и способствуют накоплению витамина C.
Фиолетовые (390…440 нм) и синие лучи (440…480 нм) тормозят рост стеблей, листовых черенков и пластинок, формируют
более компактные растения и более толстые листья, позволяющие
лучше поглощать и использовать свет. Они стимулируют образование белков и органосинтез растений. Зеленые (510…550), желто-зеленые (550…575), желтые (575…585) практически не оказывают влияние на растения.
Оранжевые (585…620 нм), красные (620-770 нм) лучи – основные поставщики энергии для фотосинтеза. Наиболее эффективен интервал 625…685 нм, способствующий интенсификации роста листьев и осевых органов растений. Этот спектр излучения почти
на все 100% поглощается хлорофилом и увеличивает выработку углеводов при фотосинтезе. Оранжево-красный свет играет решающую роль при всех физиологических процессах в растениях.
Если длительно использовать для освещения растений усеченный спектр от двух светодиодов фиолетового 400-450 нм и
красного 610…760 нм при отсутствии других излучений, нельзя
быть уверенным, что это не приведет к каким-либо мутациям в
генофонде растений, т.е. требуется полноценное исследование
этого аспекта проблемы.
В настоящее время во многих регионах России: в Ростове,
Курске, Воронеже, Барнауле и др. делаются попытки начать про148
изводство и внедрить светодиоды для досвечивания растений в
теплицах.
Для создания светодиодных облучателей растений в теплицах на рынке имеются качественные, мощные светодиоды с
большой светоотдачей до 160…180 лм/Вт, производства фирм
Японии, Ю.Кореи, Тайваня, Китая и др.
Сверхмощные светодиоды – это сборка на общей подложке
специально подобранных кристаллов полупроводников, уложенных с помощью нанотехнологий [1] в многослойные структуры.
Сверхмощные светодиоды, работающие при токах 1500 мА и более очень быстро нагреваются до температуры более 60°С и при
отсутствии эффективного охлаждения очень быстро деградируют,
поэтому их срок службы зависит от наличия эффективного охлаждения и может колебаться от сотен часов до нескольких десятков тысяч часов.
Рис. 9.4. Светильники со светодиодными лампами
В интернете имеется реклама ООО «Рубикон», созданного
при Алтайском агроуниверситете, который изготавливает, поставляет и эксплуатирует под авторским надзором (по договору)
в тепличных хозяйствах тепличные облучатели типа «Алтай»
P-100; P-200;P-300; P-600; P-1200 (рис. 9.5), которые состоят из
красных и синих светодиодов со светоотдачей от 410 до
460 мВт/Вт. Рекламируемый срок службы для всех марок изделий
– 60000 часов.
149
Рис. 9.5. Тепличные облучатели источниками света типа «Алтай»
Контрольные вопросы
1. В чем принципиальные отличия стационарных и передвижных тепличных облучательных установок?
2. Перечислите основные требования к облучательным установкам.
3. Приведите пример роста тепличной стационарной облучательной установки.
4. Определите среднюю фитооблученность линейных источников облучения.
5. Перечислите основные типы источников излучения и облучателей, применяемых в теплицах.
6. Приведите характеристики новейших тепличных излучателей фирм Sylvania, Osram и отечественных совместных с Osram
изделий для тепличных облучательных установок.
150
ГЛАВА 10. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ОБЛУЧЕНИЯ
10.1. Биологическое действие УФ облучений
Биодействие УФ облучений выражается через фотохимические реакции в кожных покровах, слизистых оболочках органов
зрения, а также через воздействие озона и аэроионов, образующихся при прохождении УФ лучей через воздух. В передовых
хозяйствах современного животноводства и птицеводства частью
технологии выращивания и содержания животных и птиц стали
оптические облучения, благодаря которым осуществляется узконаправленное влияние на их рост, развитие и продуктивность.
Ультрафиолет класса С длиной волны 100-280 нм оказывает
мутагенное и бактерицидное действие. Дозированное количество
УФ - С излучения может вызвать положительные мутации наследственности растений, животных, птицы. Чрезмерные дозы
оказывают отрицательное влияние на организмы и происходит
гибель мелких организмов, поэтому УФ-С нашел широкое применение в различных технологических процессах.
Ультрафиолет класса Б длиной волны 280-315 нм в разумных дозах оказывает сильное тонизирующее и терапевтическое действие на организмы животных и птиц. Оно усиливает обмен веществ, процессы дыхания, активизирует кровообращение,
увеличивает содержание в крови гемоглобина, активизирует работу желез внутренней секреции, повышает половую функцию,
кроме того, оказывает сильное антирахитное действие, превращает провитамин D в витамин D, способствующий повышению усвояемости кормов, общему оздоровлению, сохранности и повышению продуктивности животных и птицы. При недостатке витамина D нарушается минеральный, белковый и углеродно-жировой
обмен веществ в организме, вследствие чего развиваются болезни:
ацидоз, остеомаляция, рахит и др. В результате задерживается
рост и развитие молодняка, а у взрослых животных падает продуктивность. Поэтому этот вид облучения получил название эритемного, или витального, т.е. жизненного облучения.
Недостаток витамина D может быть ликвидирован путем:
1) добавления в корм витаминных добавок;
2) облучения кормов эритемным УФ облучением;
3) эритемного УФ облучения животных и птицы.
151
Последнее наиболее эффективно и экономически выгодно.
Дозы эритемного УФ облучения рекомендованы Министерством сельского хозяйства на основании выполненных биоисследований, рассчитываются по формуле
HЭ = EЭ ´ t ,
где ЕЭ – эритемная облученность, мэр/чм2, τ – время облучения, ч.
Наиболее целесообразно использовать меньшую величину
эритемной облученности при большей продолжительности облучения.
Облучательные установки бывают: стационарные Э01-30,
ОЭ1, ОЭ2 с лампами ЛЭ 30 и передвижные УОК-1 и УО-4 с лампами ДРТ 400.
Ультрафиолет класса А длиной волны 315-380 нм не оказывает биовоздействия, но вызывает сильную люминесценцию
облученных веществ, поэтому используется для люминесцентного
анализа качества различных материалов и сельхозпродуктов.
Наиболее целесообразно использовать меньшую величину
эритемной облученности при большей продолжительности облучения.
10.2. Амальгамные бактерицидные и осветительные лампы
низкого давления
Многолетняя эксплуатация бактерицидных и осветительных
ламп низкого давления показала, что после первых 1,5-2 тыс. часов работы поток бактерицидного излучения и света люминесцентных ламп снижается на 20-25% от первоначального. После
следующих 2000 часов работы бактерицидный поток снижается
до 40-50% от первоначального, после чего дальнейшая эксплуатация таких ламп становится экономически нецелесообразной.
Причиной быстрой деградации потоков излучения люминесцентных и бактерицидных ламп низкого давления, по общему
мнению, являются щелочные элементы Na, К, Са, содержащиеся в
увиолевом стекле, которые, выделяясь из стекла, блокируют ртуть
в разряде, уменьшая поток УФ излучения.
Отмечено, что спад потока излучения бактерицидных ламп
низкого давления с колбами из кварцевого стекла идет значительно медленнее (за 6500ч), чем у ламп с колбами из увиолевого
152
стекла, так как в кварцевом стекле отсутствуют щелочные и щелочноземельные элементы.
Снижение потока излучения ртутных ламп с колбой из кварцевого стекла обусловлено особенностями структуры внутренней
поверхности кварцевой колбы. При формировании колбы из
кварцевого стекла, имеющего при температуре формования 16001650°С очень высокую вязкость, на внутренней поверхности колбы образуются неровности (шероховатости), в которые при работе может попасть ртуть и вступить во взаимодействие с разрыхленным кварцевым стеклом, о чем свидетельствует почернение
кварцевой колбы.
В результате этого с течением времени ртути в дуговом разряде становится меньше и поток бактерицидного излучения заметно уменьшается.
Эффективным способом устранения дефектов на внутренней
поверхности кварцевых колб является кратковременное огневое
оплавление водородно-кислородной горелкой.
Основополагающим методом борьбы с выходом ртути из дугового разряда стало использование в бактерицидных люминесцентных лампах вместо ртути амальгам. Механизм благоприятного влияния амальгамы на срок службы и постоянство потока
излучения состоит в том, что из амальгамы в дуговой разряд переходит столько паров ртути, сколько необходимо для обслуживания процесса разряда. Появляющийся небольшой избыток паров ртути сразу блокирует дальнейшее испарение ртути из амальгамы и тем самым уменьшает возможность вступления ртути в
разные нежелательные реакции. Благодаря этому ее хватает на
более длительный срок службы лампы при значительно меньшем
снижении бактерицидного потока.
В дальнейшем были сформулированы следующие требования к компонентам технологии изготовления ламп:
1. Инертные газы, заполняющие колбу, должны быть спектрально чистыми.
2. Предварительная термообработка электродов со специальным оксидным покрытием должна исключать газовыделения в
процессе работы, а все газы до запайки колбы должны быть удалены.
3. Специальное внутреннее покрытие колбы оксидами редкоземельных элементов препятствует выходу щелочных элемен153
тов из увиолевого стекла. После выполнения всех этих мероприятий срок службы амальгамных люминесцентных ламп повысился
до 16 тыс. часов, а амальгамных бактерицидных – до 11…12 тыс.
часов при спаде потоков излучения в конце срока службы не более 10-15% от первоначального.
Введение высокочастотного питания ламп привело к заметному повышению технических характеристик всех амальгамных ламп низкого давления. Причины повышения качества
света (исчезновение мерцания, стробоскопии, расширение температурного диапазона работ) очевидны. Но повышение первоначального потока излучения люминесцентных источников на 1015%, а бактерицидных ультрафиолетовых ламп в 1,8-2 раза нуждаются в серьезном объяснении. С этой целью была выдвинута
гипотеза, что при повышении частоты питания ламп изменяются
процессы, происходящие в дуговом разряде амальгамных источников бактерицидного излучения.
Для толкования этого феномена была предложена такая гипотеза, согласно которой при повышении частоты питания ламп
появляются следующие особенности в их работе:
1. При повышении частоты питания свыше нескольких сот
Гц снижается падение анодного напряжения и, как следствие,
увеличивается суммарный КПД процесса. Уменьшение энерговыделения в прианодной области способствует повышению срока
службы электронных ламп, что особенно ценно для излучателей,
работающих с большими токами.
Увеличение частоты питания до нескольких десятков кГц
изменяет процессы, протекающие в плазме разряда, которые зависят от продолжительности таких процессов, как:
τP – время амбиполярной диффузии в плазме; τ* – среднее
эффективное время жизни возбужденного состояния атома ртути,
определяемое радиационным распадом и перепоглощением резонансного излучения;
τЕ – время релаксации энергии электронов;
ω – круговая частота разряда.
При этом концентрация возбужденных атомов ртути соответствует максимальной температуре электронов за период.
Сравнение процессов в плазме дугового разряда постоянного
тока с высокочастотным разрядом переменного тока показывает,
154
что максимальная концентрация атомов ртути, удовлетворяющая
вышеотмеченному соотношению при высокочастотном дуговом
разряде, достигается при более низкой электронной температуре,
благодаря чему уменьшаются потери энергии электронов в упругих взаимостолкновениях.
3. Совместное влияние всех этих факторов повышает эффективность разряда и потока излучения, что позволяет получить
повышение мощности бактерицидного излучения в 1,8 раза и снизить деградацию потока в конце службы до 10…15%.
10.3. Ультрафиолетовое облучение в технологических
процессах сельскохозяйственного производства
УФИ используется в более чем 20 технологических процессах сельскохозяйственного производства, помимо эритемного облучения животных и птиц, еще шире в различных технологических процессах применяется бактерицидное УФИ. Особенно
эффективными сферами применения бактерицидного облучения
являются обеззараживание помещений (хирургических, осеменения, хранения овощей, фруктов, мяса и мясопродуктов), обеззараживание молокопродуктов, молочной посуды, а также животноводческих стоков, пастеризация молока и другие.
УФ обеззараживание животноводческих стоков необходимо
перед их использованием в качестве удобрения. Исследования показали, что при УФ облучении свободно стекающего по поверхности
лампы слоя животноводческих стоков толщиной 1,5 мм через 3-4 сек
на 100% гибнут яйца фасциол и 20- 30% яиц свиной аскариды. Современные мощные источники демонстрируют еще большую эффективность, но в целом процесс дорогостоящий.
УФ инактивация молока облучением длиной волны 253,7 нм
в 6-8 раз дешевле по энергопотреблению тепловой пастеризации.
Дозированное УФ облучение молока при температуре 10…24 °С
снижает содержание микроорганизмов в молоке на 93…99,7%,
повышает содержание в нем витамина D, не меняя свойств натурального молока.
Установка для инактивации микрофлоры молока УФ-излучением выполнена на базе молочного сепаратора ОСТ-3. Уста155
новка (рис 10.1) состоит из ротора 1, закрепленного на вертикальном валу 2. Ротор 1 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 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.
9
12
11
10
8
10
11
6
7
5
4
3
13
1
2
Рис. 10.1. 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 крепления кварцевого цилиндра; 9 – патрубок; 10 – УФ-лампы; 11 – кожух;
12 – входной патрубок; 13 – впускные отверстия
При вращении ротора 1 под действием центробежных сил
бактерии, находящиеся в дисперсной среде и имеющие большую
плотность, чем плотность этой среды, перемещаются от центра к
периферии и располагаются тонким слоем (толщина определяется
156
размерами бактерий) на внутренней поверхности внешнего цилиндра. Этот слой облучается 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, 77 n 2 × R × r 2 ( r 6 - r m ) / m .
(10.1)
Время перемещения бактерий от стенки внутреннего цилиндра до зоны облучения
t=
h
,
v
(10.2)
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.
УФ обеззараживание воздуха применяется в продуктовых
складах, овощехранилищах, молочных отделениях, профилакториях, хирургических кабинетах, пунктах осеменения, в цехах мясокомбинатов и в холодильниках. Для обеззараживания воздуха
стен и находящихся там предметов используют бактерицидные
лампы ДБ-30-01, ДБ 60 М. Удельная мощность облучения должна
быть в больших помещениях до 0,3 Вт/м3, а в малых – 2,5 Вт/м3.
Если обработка помещения ведется в присутствии людей, то во
избежание воспаления слизистых оболочек глаз и дыхательных
путей облученность не должна быть более 5·104мкб/м2 при восьмичасовом нахождении людей в помещении, а при двадцатичетырехчасовом нахождении людей – не более 0,1 мкб/м2.
Весьма эффективно УФ обеззараживание воздуха в птицеводческом помещении лампами ДБ-30-01 из расчета одна лампа
на 50 м3 воздуха. При включении ламп 3 раза в сутки на 1 час
микрофлора сокращается на 50…70%. Яйценоскость повышается
на 5…7%.
Очень эффективно УФ обеззараживание в вентиляционных
каналах подаваемого в помещение воздуха установкой в канал
157
диффузора с 30 лампами ДБ-30-01. Благодаря ему бактериальная
загрязненность птичника снизилась на 80-95%, улучшился ионный состав воздуха, уменьшилась концентрация сероводорода и
угарного газа. Одновременно произошла дезодорация воздуха в
результате окисления озоном меркаптанов.
Для обеззараживания воздуха в помещениях хранения скоропортящихся продуктов (мясо, овощи, фрукты) удельная облученность должна быть не менее 0,6 Вт/м3 при продолжительности
облучения 9 час/сутки, при этом температура хранилища может
быть повышена на 4…5 °С при W=95…98% и воздухообмене
5…6 раз в час.
Стерилизация посуды и тары – это широко используемая
сфера УФ обеззараживания. Известны установки для обработки
молочных цистерн, подойников, молокопроводов, бидонов, винных емкостей на железнодорожном транспорте (разработка ЛИИЖТа с двумя лампами ДБ-30-01 снижает бактериальную загрязненность емкости на 84-97% за 40 минут облучения); установка с
лампой ДРТ-400 проводит 100% стерилизацию этой емкости
за 24 минуты, а с лампой ДРТ-1000 – за 3…6 мин. Облучение
лампой ДБ-15 оцинкованного железа или деревянных поверхностей с расстояния 0,2 м за первые 30 секунд уничтожает 90-95%
неспорообразующих микроорганизмов.
Обработка картофеля перед хранением на транспортере.
Установка из 2-3 ламп ДРТ-1000, установленных на высоте
0,4…0,5м над лентой транспортера на расстоянии 0,6 м (через 20
см), продолжительность облучения 5…6 с. Скорость движения
ленты 100-150 м/мин. После облучения картофель за 3-4 дня залечивает раны, полученные при копке и транспортировке, после чего микроорганизмы гниения не проникают в клубень и сохранность возрастает на 50…60%.
УФ обработка семенного материала повышает всхожесть,
энергию прорастания, устойчивость к неблагоприятным воздействиям погоды, а также повышает урожайность и сокращает сроки
созревания. Так, УФ облучение семян сахарной свеклы привело к
повышению урожая на 7…9%, содержание сахара возросло на
15%, срок созревания сократился на 1,5 недели. Для обработки
семян используется установка УОЗ-2 с вибролотком, по вибролотку, облучаемому 10 лампами ДРТ-1000 в течение 55…60 с, пе158
ремещаются семена. Длина лотка – 6 м ширина – 0,9 м. Привод
электродвигателя – 0,6 кВт, производительность – 1…1,5 т/ч.
Привлечение и уничтожение насекомых в садах. УФ излучение в ночное время привлекает к излучателю насекомых, которых
засасывает вентиляторная установка в специальный мешок, после
чего их уничтожают электрическим разрядом или механическим
способом. Это позволяет снизить применение ядохимикатов и получать экологически чистую продукцию. Применяют стационарные и мобильные (на тракторе) установки. Используют лампы ЛЭ,
ДБ, ДРТ.
10.4. Расчет установок для обеззараживания воздуха
в помещениях, стерилизации и дезинфекции поверхностей
Установки бактерицидного действия применяют для обеззараживания воздуха помещений, пищевых продуктов, тары и т.п.
Эффективным является использование бактерицидных облучателей
в каналах приточно-вытяжной вентиляции.
Установку для обеззараживания воздуха, поступающего в
помещения от приточной вентиляции, можно рассчитать по формулам. Коэффициент запаса в этом случае зависит от запыленности поступающего воздуха. При малом содержании пыли, дыма
или копоти в воздухе К3 – 1,8, среднем – 2,2 и большом – 3,0.
Рис. 10.2. Схема к расчету установки для обеззараживания воды
с погруженными источниками: 1 – корпус; 2 – чехол; 3 – лампа
159
В помещениях без искусственной вентиляции предполагают,
что обеззараживание наиболее удаленного от источника места
обеспечивает обеззараживание всего помещения. Бактерицидная
экспозиция для обеззараживания воздуха
æБö
kK Э 4pl 2 lnçç ÷÷
è Б0 ø
,
Фбу tср = 360
a
é
отр ù
ê1 - r Э
ú exp(- al )
360
ë
û
где 1 – расстояние от источника до наиболее удаленного места
обеззараживания, м.
Минимальная бактерицидная экспозиция для полного уничтожения бактерий в воздухе равняется 8,3 мбк·ч·м2, максимальная
– 40мбк·чвм‘2.
Бактерицидная экспозиция при стерилизации и дезинфекции
поверхностей
æ Б ö
SkK Э lnçç ÷÷
è Б0 ø .
Фбу t ср = h И exp(- al )
По формулам определяют и продолжительность облучения
тср при известном значении бактерицидного потока установки Фбу
или количество источников и бактерицидный поток установки Фбу
при заданной продолжительности облучения тс. При обеззараживании воздуха в продуктовых складах и овощефруктохранилищах,
молочно-товарных и животноводческих помещениях облучатели
по ним равномерно распределяют. Удельную мощность принимают: для больших складов со скоропортящимися продуктами –
0,3…0,6; для малых камер хранения – до 2,5; для венткамер – до
3,0 Вт×м-3.
Обеззараживание воздуха в присутствии людей (в больницах, поликлиниках, школах, детских учреждениях) неэкранированными бактерицидными лампами запрещено. В этих помещениях облучатели устанавливают на высоте 1,8...2,0 м выходным отверстием вверх. Установленная мощность источников не
должна превышать 0,75...1,0 Вт×м3. Максимальная бактерицидная
облученность в зоне пребывания людей (на высоте 1,8 м от пола)
160
5 мбк·м2 при 8-часовом и 1 мбк·м'2 при круглосуточном пребывании людей в зоне облучения. Степень обеззараживания Б/Б0 для
операционных помещений принимают равной 10-5.
Пример. Рассчитать время работы установки для обеззараживания воздуха в зооветеринарном помещении без искусственной вентиляции. Исходные данные для расчета принять по
таблице «Исходные данные к задаче». Материал отражателя – обработанный алюминий.
Исходные данные к задаче
Тип источника Степень обез- Размер
Высота
осетр,
излучения
зараживания помещеподвеса
град
ния, м облучателя, м
2
ДБ-30-1
1 * 1 О*
6x6
1,9
180
1. Расстояние от облучателя до наиболее удаленной точки
(рис. 10.3)
2
2
2
2
æ Aö æ B ö
æ6ö æ6ö
l = h + ç ÷ + ç ÷ = 1,92 + ç ÷ + ç ÷ = 4, 69 м.
è2ø è2ø
è2ø è2ø
2
(10.3)
1. Коэффициент отражения материала отражателя ρэ=0,75.
Коэффициент поглощения среды α = 6,0·10-2 м-1.
2. Воздух обеззараживают с целью подавления стафилококков.
3. Коэффициент сопротивляемости бактерий к=4,1·104 мбк·с/м2.
4. Принимаем степень обеззараживания Б/Б0 = 1·10-2.
5. Бактерицидная экспозиция
4,1*104 *1,8* 4*3,14*ln(10-2 )
Фбуt ср = = 411338,9 мкб·с .
360 - 180 ù
é
-2
êë1 - 0, 75* 360 úû *exp(-6*10 * 4, 69)
(10.4)
6. Поток излучения лампы Фл=6000 мбк.
tср =
Ф бу tср
3600Ф Л
=
4113385,9
= 0,190 ч.
6000 × 3600
161
(10.5)
Рис. 10.3. К расчету обеззараживания воздуха
в зооветеринарном помещении
Контрольные вопросы
1. Какое влияние на животных и растительность оказывает
ультрафиолет класса УФ-С, длиной волны 100-280 нм?
2. Какое влияние на живые организмы оказывает ультрафиолет класса УФ-В длиной волны 280-315нм?
3. Недостаток каких веществ вызывает развитие рахита, ацидоза, остеомаляции?
4. Каким путем можно ликвидировать недостаток витамина?
5. Какой величины должна быть эритемная или витальная
облученность?
6. Как следует дозировать эритемную или витальную облученность?
7. В каких электротехнологических процессах сельскохозяйственного производства применяется бактерицидное УФоблучение?
8. Как обеззараживают с помощью УФ облучения животноводческие стоки?
9. Как пастеризуют с помощью УФ-С облучения молоко?
10. Как обеззараживают с помощью УФ-С облучения воздух
в помещениях?
11. Как стерилизуют посуду и тару с помощью УФ-С облучения?
12. Как повысить сохранность картофеля обработкой УФ-С
излучения на транспортере перед хранением?
13. Как произвести активацию семян перед посевом УФ излучением?
14. Как выполнить расчет установки обеззараживания воздуха и стерилизации поверхностей УФ облучением?
162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Багаев, А. А. Электротехнология / А.А. Багаев, А.И Багаев,
Л.В. Куликова. – ФГБОУ ВПО АГАУ, 2006. – 320 с.
2. Баранов Л.А. Светотехника и электротехнология / Л.А. Баранов, В.А. Захаров. – М.: Колосс, 2006. – 344 с.
3. Живописцев, Е.А. Электротехнология, электрическое освещение и облучение / Е.А. Живописцев, О.А. Косицын. – М.: Агропромиздат, 1990. – 380 с.
4. Электротехнология / А.И. Басов [и др.]. – М.: Агропромиздат, 1985. – 256 с.
5. Электротехнология / В.А. Карасенко [и др.]. – М. Колосс,
1992. – 304 с.
6. Картавцев, В. В. Электротехнологии в растениеводстве и
животноводстве / В.В. Картавцев, Р.К. Савицкас. – Воронеж,
ФГБОУ ВПО ВГАУ, 2010. – 87 с.
7. Гайдук, В.Н. Практикум по электротехнологии / В.Н. Гайдук, В.Н. Шмигель. – М.: Агропромиздат, 1989. – 175 с.
8. Юткин, Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л.А. Юткин. – Л.: Машиностроение,
1986. – 253 с.
9. Классен, В.И. Омагничивание водных систем / В.И. Классен.
– М.: Химия, 1982. – 296 с.
10. Баев, В.И. Практикум по электрическому освещению и облучению / В.И. Баев. – М.: Колосс, 2008. – 191 с.
163
Учебное издание
Савицкас Роман Казимирович
Картавцев Владимир Владимирович
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В АПК
Учебное пособие
Редактор Е.В Семенова
Компьютерная вёрстка И.А. Остапенко
Подписано в печать 12.03.2014. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Таймс.
П.л. 10,2. Тираж 128 экз. Заказ № 9557
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Воронежский государственный
аграрный университет имени императора Петра I»
Типография ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ
394087 Воронеж, ул. Мичурина, 1
164
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
260
Размер файла
2 696 Кб
Теги
вузов, агройнженерия, электротехнологии, учебно, пособие, 286, савицкас, студентов, апк
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа