Факторы конструктивной оптимизации процессов в аппаратах вихревого слоя

Введение. Мировое производство искусственно выращиваемой рыбы (аквакультура) увеличивается ежегодно почти на 6 %. Для сравнения можно привести соответствующие данные, например, по домашней птице — 4 % и по свинине

Процессы и машины агроинженерных систем

— 1,7 %. В 2014 году мировое производство рыбы составило 158 млн т. Почти половина этого количества — 66 млн т выращивается в искусственных условиях. Аквакультура развивается и в России, и во всем мире [1]. В 2014 году в рыбоводческих хозяйствах нашей страны выращено 3,68 млн т рыбы.

Обеспечение в бассейне постоянной температуры, состава воды и содержания в ней кислорода позволяет достичь наилучших показателей по скорости выращивания, экономному расходу воды, кормов, экологичности. Если выращивание одного килограмма рыбы в естественных условиях требует 650 л воды, то в бассейне — только 9 л [2]. Однако выращивание рыбы в бассейнах с поддержанием определенной бактериальной среды затрудняется рядом факторов, в частности требует существенных затрат. В России не производится оборудование, позволяющее обеззараживать и обогащать кислородом воду для аквакультуры. Отечественное рыбоводство зависит от поставок импортной техники — дорогостоящей и не всегда высокоэффективной. Это тормозит развитие производства рыбы в искусственных условиях.

Данная работа посвящена вопросам создания оборудования для обогащения воды кислородом в замкнутых системах водоснабжения. При этом в качестве обязательного свойства такого оборудования рассматривается наличие эффекта обеззараживания без необходимости добавления кислорода в воду из специальных емкостей.

Используемое в аквакультуре оборудование для обеззараживания и обогащения кислородом воды должно соответствовать определенным требованиям:

• —    относительная простота конструкции;

• —    возможность производства оборудования в России из отечественных комплектующих;

• —    уровень производительности, достаточный для обслуживания существующих и перспективных рыбоводческих хозяйств;

• —    сочетание обогащения кислородом с такими полезными эффектами, как обеззараживание, фильтрация;

• —    исключение вредных эффектов: повышение содержания в воде азота, железа, хлора и т. п.;

• —    приемлемая энергоемкость процессов;

• —    экономическая эффективность.

Выполнить эти требования, основываясь только на существующих технологиях и оборудовании, невозможно.

До сих пор физическая сущность явлений, происходящих в аппаратах вихревого слоя (АВС), до конца не выяснена [3]:

• —    не ясна роль отдельных факторов воздействия на воду при обработке;

• —    не проработано теоретическое обоснование оптимизации процесса обработки воды во вращающемся магнитном поле;

• —    отсутствует принципиальное конструктивное решение по снижению удельной энергоемкости аппаратов вихревого слоя (другой используемый термин — установка активизации процессов, УАП) за счет уменьшения паразитного выделения тепла;

• —    АВС (УАП) не рассматривались как оборудование для обогащения воды кислородом.

Постановка задач:

• —    выявить среди факторов, действующих в УАП, наиболее существенные;

• —    определить способ регулирования существенных факторов;

• —    найти конструктивные пути повышения воздействия существенных факторов на процессы обеззараживания и обогащения воды кислородом.

Методы исследования:

• —    логический анализ имеющихся сведений по процессам, происходящим в УАП;

• —    аналитические методы решения задач;

  
  

• —    отсеивающие исследования по влиянию отдельных факторов с использованием известного контрольного оборудования;

• —    статистическая обработка данных.

Содержание кислорода определялось оксиметром, уровень кавитации — кавитометром.

При исследовании принят ряд допущений, которые не оказывают существенного влияния на результат рассмотрения процессов, но позволяют упростить проведение замеров и последующую обработку результатов.

За среднюю скорость движения ферромагнитной частицы принята скорость ее центра тяжести. Небольшое повышение температуры воды (1–3 0 С) при обработке не влияет на растворимость кислорода. При этом переход части металла с ферромагнитных стержней в воду не влияет на ее свойства, процессы обеззараживания и насыщения воды кислородом.

Во внимание принимались эффекты, проявляющиеся в период от нескольких десятков секунд до минуты, что не противоречит требуемому технологией аквакультуры условию поточности обработки воды.

Общие положения. Аппараты вихревого слоя достаточно хорошо исследованы [4, 5], разработаны конструкции с цилиндрическими и аксиальными активными частями (рис. 1), найдены их рациональные параметры, предложены [6, 7]

и реализованы различные конструкции.

а)

б)

Рис. 1. Аппараты вихревого слоя с радиальными активными частями — цилиндрические аппараты (патенты [8, 9] и др.) (а): с аксиальными активными частями — аксиальные аппараты (патент [10] и др.)

(б): 1 — индуктор, 2 — обмотка, 3 — рабочая камера, 4 — ферромагнитные стержни, 5 — аксиальный магнитопровод

В АВС можно установить повышение содержания кислорода при обработке воды, определить причину этого явления и добиться требуемых значений. Что же касается УАП, то их можно использовать в технологических линиях аквакультуры по подготовке возвратной воды.

Если исследовать аппараты вихревого слоя как черный ящик и разрабатывать статистические модели, используя метод планирования эксперимента, то такие модели описывают только конкретные исследуемые установки, и их нельзя использовать для других конструкций. Соответственно, и оптимизировать можно только исследуемую установку. Конструкции этих типов аппаратов еще не установились, нет какой-то общепринятой схемы. Поэтому установки в зависимости от назначения, требований к выполняемому процессу и наличия ресурсов изготавливаются с цилиндрическим или аксиальным расположением обмоток, одной или несколькими зонами воздействия на обрабатываемый материал. В качестве обмотки электромагнитов в УАП чаще используются статоры асинхронных электродвигателей или им подобные, в которых из-за уменьшения сопротивления самоиндукции резко возрастают пусковой и рабочий токи. При отсутствии якоря в УАП выделяется большое количество тепла, и обязательное жидкостное охлаждение увеличивает энергозатраты. В таких условиях параметрическая оптимизация без конструктивной бесперспективна.

Ряд исследований, в том числе наши эксперименты [11, 12], позволили установить следующие факты.

• 1.    Под воздействием электромагнитного поля (в зоне вихревого слоя) УАП ферромагнитные стержни вращаются, совершая возвратно-петлевые движения, перемешиваются и соударяются. Это является причиной ускорения физико-химических реакций и физико-механических процессов и, соответственно, их производных. Вследствие этого наблюдаются эффекты измельчения делимых частиц и обеззараживание.

• 2.    Поток среды движется и разгоняется силой, возникающей в ферромагнитных стержнях при воздействии на них вращающегося магнитного поля. Вращающееся движение среды (воды, газа, жидкого навоза и др.) создается гребным действием ферромагнитных элементов, хаотично вращающихся с переменной угловой скоростью. Удельная энергия вращающегося электромагнитного поля весьма велика и достигает 10 кВт/м [4].

• 3.    Магнитное поле влияет на воду не только непосредственным образом (структурирование водяных кластеров и некоторое силовое воздействия на них), но также вызывает иррегулярное вращательное движения стержней и их столкновения. Отмечаются прямые и скользящие удары, трение (как между стержнями, внешними стенками камеры, так и с обрабатываемым веществом). Поэтому скорости соседних струй потока могут существенно различаться. Следовательно, в микрообластях создаются перепады давления, сопровождаемые кавитацией [13]. Схлопывание кавитационных каверн разрушающе действует на примеси и микрофлору [14], меняет свойства обрабатываемой воды.

• 4.    Обрабатываемая среда (в нашем случае — вода) движется по трубе при определяющем воздействии на нее хаотично вращающихся ферромагнитных стержней. От 1/2 до 1/3 объема трубы занимает воздух. Он увлекается пото-

  Процессы и машины агроинженерных систем

  
  

• 5.    Магнитное поле оказывает определенное влияние на ферромагнитные стержни. Каждый стержень во вращающемся магнитном поле является ярко выраженным магнитом. При их вращении происходит смена полярности на полюсах, т. е. стержни перемагничиваются. При этом возникает явление магнитострикции, что влечет за собой изменение линейных размеров частиц, которое происходит с очень высокой скоростью, порождая дополнительную кавитацию в жидкости.

• 6.    Магнитный поток проходит от одного полюса магнита через магнитопровод индуктора, затем через рабочую зону реакционной камеры и замыкается по магнитопроводу на другом полюсе. В рабочей зоне возникает вращающееся электромагнитное поле, увлекающее за собой ферромагнитные частицы. Из-за наличия больших зазоров рабочей зоны сопротивление магнитным силовым линиям возрастает, магнитная индукция значительно ослабевает, а энергия переходит в тепловую. Кроме того, в центре УАП отсутствует массивное ферромагнитное тело по типу якоря в асинхронном двигателе, в котором возникают токи и поле самоиндукции, препятствующие росту тока в обмотках статора. Ток с пониженным магнитным сопротивлением возрастает в 8–10 раз от номинального при обычной работе статора. Таким образом, обмотки перегреваются, возникает необходимость их охлаждения и, следовательно, непродуктивный расход энергии.

• 7.    Для достижения достаточной производительности УАП, например 5–10 м 3 /ч, скорость движения жидкости должна быть значительной — время обработки измеряется десятками секунд. Из этого следует исходить при изучении влияния отдельных факторов на степень обеззараживания и насыщения кислородом.

• 8.    Содержание кислорода в воде — один из самых значимых факторов обеззараживания. Кислород разрушает оболочки микроорганизмов окислением. Кроме того, содержание кислорода в воде является сопутствующим индикатором при действии других обеззараживающих факторов — в частности, кислород выделяется при электрических разрядах в воде, при механической кавитации и др. Поэтому на первом этапе в опытах контролировалось только изменение количества растворенного кислорода.

ком воды, распадается на мелкие пузырьки, смешиваясь с водой. Создаются условия для растворения и повышения концентрации в воде кислорода воздуха.

Во вращающемся магнитном поле движущиеся стержни на короткое время создают замкнутые цепи, которые под воздействием внешнего поля индуцируют токи, нагревающие частицы до значительной температуры. Кроме того, при разрыве цепей появляются электроразряды. Указанные явления способствуют нагреву среды, ее ионизации.

Таким образом, гипотетически существенными факторами, влияющими на процесс обеззараживания и обогащения кислородом воды, могут быть:

• —    магнитное поле;

• —    электрические разряды;

• —    ультразвуковые волны, порожденные магнитострикцией стержней;

• —    механическая кавитация;

• —    физическое растворение при перемешивании кислорода воздуха, содержащегося в камере обработки;

• —    диссоциация молекул воды с выделением свободного кислорода.

Кроме перечисленных факторов необходимо учитывать время обработки и температуру. Известно, что растворимость кислорода в воде зависит от температуры. В табл. 1 приведены значения растворимости при давлении 0,101308 МПа.

Таблица 1

Нормальная концентрация кислорода в воде

Температура воды, С	0	10	20	30	40
Растворимость О 2 , мг/дм	14,6	11,3	9,1	7,5	6,5

Очевидно, что проводить обработку воды с целью ее обогащения кислородом необходимо при возможно более низких температурах.

Растворение любого вещества в воде занимает время при определенном давлении, концентрации, перемешивании и пр. Соответствующие данные необходимо устанавливать в ходе исследования.

Результаты поисковых и отсеивающих экспериментов. Концентрация кислорода в воде К зависит от многих факторов, и эту зависимость можно представить в виде функции f. Серия однофакторных экспериментов была проведена с целью проверки значимости

К = f (I, H, M, l/d, Т , Vo 2 ), где К , мг/л — содержание кислорода в воде; f — обозначение функции в общем виде; I, А — сила тока; H, А/м — напряженность магнитного поля; M , г — масса ферромагнитных стержней; l/d , — отношение длины к диаметру стержней; T , мин — время обработки; Vo 2 — количество доступного кислорода из окружающего воздуха.

При установлении возможной зависимости К = f (I ) через жидкость пропускался постоянный и переменный ток 220 В. При заметном выделении газа на электродах содержание кислорода за 1 минуту увеличилось на 0,5–1 мг/л, то есть в пределах ошибки измерения (водород не учитывался, так как его растворимость на порядки меньше растворимости кислорода).

Запуск установки без ферромагнитных стержней при наличии вращающегося магнитного поля не обеспечивает вращательное движение воды. В этом случае можно оценить действие одного поля. За контрольное время (1 мин) содержание кислорода в воде осталось на уровне 7,5–7,8 мг/л. Опыт проводился с постоянными магнитами с тем же результатом. При кратковременном воздействии напряженность магнитного поля в достижимых пределах не оказывает определяющего влияния на воду (которая является диамагнетиком), на изменение количества кислорода в воде и, соответственно, на жизнеспособность микроорганизмов.

Влияние соотношения l/d на процесс проверялось на нескольких конфигурациях. При l = d ферромагнитные шары диаметрами 2 мм и 3 мм не вращались. Вращение ферромагнитных тел в магнитном поле начинается при значительной разнице l и d . Так, при d = 2 мм использовались стержни 15, 25 и 30 мм ( l/d = 7,5; 12,5 и 15). При этих значениях наблюдалось стабильное вращение стержней. Обработка продолжалась 1 минуту. В табл. 2 показано изменение значений содержания кислорода в водопроводной воде (начальная температура — 18 0 С).

Таблица 2

Влияние отношения дины стержня к диаметру на процесс обогащения воды кислородом в УАП

№	l/d при d = 2 мм	Содержание кислорода, мг/л
		Начальное	Конечное
1	7,5	7,8	8,8
2	12,5	7,9	8,4
3	15	7,8	8,6

При стабильном вращении стержней влияние больших значений l/d на изменение содержания кислорода неявное. Увеличивать l возможно в пределах беспрепятственного движения стержней в обрабатываемом потоке жидкости относительно диаметра трубы.

Суммарная масса стержней М должна быть соотнесена с массой обрабатываемой воды в единицу времени. Масса М влияет на время разгона воды до постоянной средней скорости. В случае, если масса воды постоянна и суммарная масса стержней достигает определенного предела (в описываемой установке — 40 г), характер их движения не меняется. При увеличении М до 50 и 100 г содержание кислорода увеличивается на постоянную величину, незначительно превышающую пределы статистической ошибки.

Процессы и машины агроинженерных систем

Средняя частота вращения стержней под действием электромагнитного поля составляет 700–1000 мин ^– 1 , что значительно меньше скорости вращения поля (3000 мин ^– 1 ).

Количество кислорода увеличилось максимально (с 2,8 до 7,8 мг/л) при следующих условиях:

• —    температура — 17 o С;

• —    наличие свободного пространства для воздуха;

• —    заполнение емкости обрабатываемой водой менее чем наполовину;

• —    свободный доступ воздуха в вертикальном положении камеры с аксиальными активными частями.

Следует отметить, что такой рост количества кислорода наблюдался при увеличении времени обработки до 8 минут и сочетался с кавитационными процессами.

В действующей УАП процессы значительно сложнее — и по комбинированности, и по эффектам (электромеханический износ стержней с выделением в воду компонентов стали, диссоциация воды из-за прохождения по ней тока и др.). Так, ультразвук кроме губительного воздействия на микроорганизмы порождает кавитацию. Кавитация вызывает также некоторую диссоциацию воды с выделением атомарного кислорода. Растворение атомарного кислорода может повышать его общее содержание в воде и одновременно убивать микроорганизмы. Тем не менее, перечисленные выше условия дают представление об основных явлениях в процессе обработки воды вращающимся электромагнитным полем, и проведенный теоретический анализ позволил предварительно ранжировать указанные факторы по степени значимости.

Для определения важности факторов времени и температуры обработки было проведено исследование по методике полного факторного эксперимента Бокса — Уилсона. Матрица планирования эксперимента и натуральные значения факторов представлены в табл. 3. Функцией отклика является степень обогащения воды кислородом — Yк, мг/л, при начальном содержании кислорода Yн, мг/л.

Таблица 3

Влияние различных факторов на абсолютное и относительное содержания кислорода в воде

Рандомизированный	10	8	12	11	9	15	4	2	5	14	16	3	6	1	13	7
№ опытов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Факторы
Время обработки воды, X 1 , сек	60	60	20	20	60	60	20	20	60	60	20	20	60	60	20	20
Масса ферромагнитных стержней Х 2 , гр	100	50	100	50	100	50	100	50	100	50	100	50	100	50	100	50
Температура воды начальная, Х 3 , 0 С	24	24	24	24	16,3	16,3	16,3	16,3	24	24	24	24	16,3	16,3	16,3	16,3
Выходные параметры
Температура воды конечная, Y T , 0 С	24	25,5	24,4	23,8	22,7	21,7	20,3	22,2	22,3	25,2	24,2	18,7	22,3	21,6	20,2	22
Степень содержания начального уровня кислорода, Yн , мг/л	5,3	5,3	5,3	5,3	7,7	7,7	7,7	7,7	5,3	5,3	5,3	5,3	7,7	7,7	7,7	7,7
Степень обогащения воды кислородом, Yк , мг/л	8,5	8,35	7,8	8,8	8	9,15	8,9	9,17	8,4	7,9	8,3	9,9	8,1	9,2	8,8	9,1

Факторами, изменяемыми в ходе эксперимента, были Х 1 — время обработки, Х 2 — масса ферромагнитных стержней, Х 3 — начальная температура воды.

Для проведения каждого опыта использовалась заготовленная вода. Объем воды, ее состав, вязкость, плотность, кислотность не изменялись, так как на практике для рыбных бассейнов также берется вода из одного источника.

Пределы изменения факторов были взяты достаточно широкие и в то же время реальные, чтобы при изменении в выбранных границах максимум Y наверняка оказался внутри поверхности отклика.

Данные экспериментов обработаны по общепринятой методике. По результатам экспериментов построено уравнение регрессии процесса:

Y = Y к – Y н = 8,46 – 0,2 X 1 – 0,298 X 2 – 0,154 X 3 + 0,098 X 1 X 2 + 0,008 X 1 X 2 + 0,054 X 2 X 3 + 0,308 X 1 X 2 X 3 .

Знаки «минус» перед коэффициентами факторов показывают, что для получения большей насыщенности не надо форсировать режимы обработки, чрезмерно увеличивать время воздействия, содержание ферромагнитных элементов и повышать температуру. Таким образом, анализ уравнения свидетельствует о возможности экономичной обработки воды.

Обращает на себя внимание значимость коэффициента при тройном взаимодействии факторов — 0,308 X 1 X 2 X 3 . Это наводит на мысль о кумулятивном эффекте сочетания факторов. Совместное сочетание времени воздействия, массы ферромагнитных активирующих элементов и температуры дает более значимый эффект, чем отдельные факторы. Следовательно, если в УАП одновременно проявляется действие нескольких факторов, то уровень каждого отдельного воздействия может быть снижен, и, значит, обработка может проводиться в более экономичных режимах.

По результатам эксперимента видно, что холодная вода нагревается больше (в среднем на 5,3 0 С), чем теплая (в среднем на 0,8 0 С). Это означает, что при насыщении воды кислородом в зимний период она, изменяя температуру до Y T , будет подогреваться. Летом же этот эффект будет практически незаметным.

Проведенные исследования позволили обоснованно и целенаправленно провести конструктивную оптимизацию устройства типа УАП, обеспечивающую требуемые параметры и режимы. В настоящее время оформляется патент на разработанное устройство.

Заключение . При функционировании УАП в процессе обогащения воды кислородом необходимо:

• —    обеспечить время воздействия в пределах 1 минуты;

• —    избегать подогрева воды в процессе обработки;

• —    создать условия для поступления в камеру обработки воздуха;

• —    усилить кавитационные процессы.

В предложенной установке определяющими факторами являются интенсивность кавитации и использование кислорода воздуха.