Исследование режимных характеристик двухступенчатого мокрого электрофильтра в лабораторных условиях

Введение . Рынок мяса и мясопродуктов является крупным сегментом отечественного продовольственного рынка, который в настоящее время динамично развивается. Развитие отрасли позволит к 2020 г. полностью обеспечить потребность населения РФ в мясе и мясных продуктах за счет повышения объемов внутреннего производства. Форсированию развития отрасли в том числе способствуют и вводимые против нашей страны экономические санкции.

За счет реализации основных положений, изложенных в Постановлении Правительства РФ от 15 июля 2013 г. № 598 [1], к 2020 г. ожидается увеличение производства мяса всех видов до 9,7 млн т, в т. ч. свинины – до 3,4 млн т, что на 43,4 % больше по сравнению с показателями 2010 г.

В рамках такого масштабного развития наиболее принципиальными направлениями становятся техническое переоснащение, освоение инновационных ресурсосберегающих и наукоемких технологий производства [2].

Интенсивное ведение животноводства на промышленной основе характеризуется увеличением количества поголовья на фермах, размеров животноводческих построек и плотности содержания животных. Экономическая эффективность отрасли во многом зависит от условий содержания животных, которые большей частью определяются параметрами микроклимата в помещении. При содержании в закрытых помещениях без создания качественного микроклимата животные, даже самые породистые и племенные, не смогут проявить свои потенциальные производительные способности.

Микроклимат животноводческих помещений определяется комплексом физических факторов (влажность, температура, скорость движения воздуха, атмосферное давление, солнечная радиация, освещенность и др.), газовым составом воздуха (углекислый газ, сероводород, аммиак, кислород и др.), количеством взвешенных частиц пыли, аэрозоля, а также наличием микроорганизмов, бактерий и вирусов. На формирование микроклимата в животноводческих помещениях большое влияние оказывают уровень воздухообмена, качество отопления и вентиляции.

Одна из нерешенных проблем – создание оптимального микроклимата. В результате неудовлетворительного состояния микроклимата осенью, зимой и ранней весной фермерские хозяйства несут большие потери от снижения технологических показателей животноводства (привесы, воспроизводственная способность, падеж), а также от увеличения затрат кормов на производство единицы продукции, снижения ее качества.

В предыдущих исследованиях [3–6] обосновывалось применение электрофильтров для создания оптимальных параметров микроклимата в животноводческих помещениях. Развитие данного направления привело к разработке двухступенчатого мокрого электрофильтра ДМЭФ [7–12].

Цель работы. Получение эксперименталь- ных данных об оптимальном значении напряжения коронирующих электродов на первой и второй ступени электрофильтра, эффективности очистки вентиляционного воздуха от пыли и микроорганизмов на ступенях электрофильтра, как по отдельности, так и в совокупности.

Объекты и результаты исследования . Лабораторные испытания мокрого электрофильтра проводились на базе ГАПОУ ТО «Тюменский лесотехнический техникум».

Программой работ предусматривалось исследование коронирующей системы ДМЭФ; эффективности улавливания пылевых и аэрозольных частиц размером 0,3; 0,5; 1; 2; 5; 10 мкм отдельно для первой ступени, для второй ступени, совместно для обеих ступеней.

Для проведения лабораторных исследований был изготовлен экспериментальный стенд, оснащенный опытным образцом двухступенчатого мокрого электрофильтра.

При выборе основных конструктивных параметров опытного образца был учтен опыт конструирования предыдущих моделей мокрых электрофильтров [3–6].

Конфигурация и форма игольчатых корони-рующих электродов была принята аналогичной [5, 6]. Межэлектродное расстояние было принято для первой ступени – 25 мм, для второй ступени – 15 мм.

Корпус выполнен из черной стали толщиной 2 мм, осадительные электроды – из дюралюми- ния толщиной 1,5 мм. Для уменьшения металлоемкости ДМЭФ, снижения затрат на его изготовление верхняя часть корпуса ДМЭФ была выполнена из влагостойкой фанеры ФБС-1 (фанера бакелизированная со спирторастворимой смолой). Направляющие для осадительных электродов также были выполнены из ФБС-1.

Вращение осадительных электродов на каждой из ступеней осуществлялось мотор-редуктором червячным одноступенчатым 2МЧ-40 (Р=3,0 кВт, U =380 В).

Для создания необходимого воздушного потока был использован вентилятор пылевой марки ВЦП 3-15 с подачей 3000 м3/ч.

Для предотвращения пробоя межэлектродного промежутка по поверхности изоляторов, на которых крепились коронирующие электроды, использовались изоляционные плиты.

Приборное оснащение включало в себя: источник высокого напряжения Плазон ИВНР-30/10; киловольтметр С-196 (класс точности – 1,5; предел измерения – U=0…30 кВ); миллиамперметр М109/1 № 3966 (класс точности – 2; предел измерения – I=0...3 мА); вольтметр Э 378 (класс точности – 1,5; предел измерения – 0…250 В); лабораторный трансформатор ЛАТР № 479 (I нагр ≤ 4 А; U вх = 220 В, U вых = 0…250 В).

Электрическая принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рисунке 1.

- 380В

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема экспериментального стенда:

1 – ЛАТР; 2 – плазон ИВНР-30/10; 3 – двухступенчатый мокрый электрофильтр; С – выходной фильтр; М 1, М 2 – электроприводы осадительных электродов первой и второй ступени соответственно; М 3 – электропривод вентилятора; R 1, R 2 – активное сопротивление систем ко-ронирующих электродов первой и второй ступени соответственно; Rдоб – добавочное активное сопротивление второй ступени; mA – миллиамперметр; kV – киловольтметр

Измерение концентрации пылевых частиц стиц), основные характеристики которого при-осуществлялось счетчиком взвешенных частиц ведены в таблице.

FLUKE 983 (шесть каналов по размерам ча-

Технические характеристики FLUKE 983

Показатель	Значение
Каналы	0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0 µm
Частота выборки потока	0,1 куб фт/мин (2,83 л/мин), контролируется внутренним насосом
Режимы подсчета	Концентрация, итоговый, аудио
Потери при совпадении	5 % при 2 000 000 частиц на ft3
Относительная влажность	± 7 %, 20–90 %, без конденсации
Температура	± 3 °C, от 10 до 40 °C (50–104 °F)

Для исследования коронирующей системы использовались контрольно-измерительные приборы: киловольтметр С 196; миллиамперметр М109/1.

Вольтамперные характеристики снимались отдельно для первой и для второй ступени, при этом в нижние части обеих ступеней была залита омывающая жидкость, осадительные электроды вращались.

Ввиду различного межэлектродного расстояния на первой и второй ступени напряжение пробоя для первой ступени составило 14,5 кВ, для второй ступени –10,5 кВ. Значения рабочих напряжений были приняты на 10 % меньше напряжения пробоя и составили для первой и второй ступеней 13 и 9,4 кВ соответственно.

При одновременной работе от одного источника питания это накладывает ограничение на работу первой ступени (U раб1 = U раб2 ≈9,4 кВ, как на второй ступени) и снижает ее эффективность. Кроме того, при разных значениях рабочего напряжения не обеспечивается надежность работы средств защитной автоматики.

Для исключения данного явления в цепь ко-ронирующих электродов второй ступени было последовательно введено добавочное сопротивление R доб , расчетная величина которого составила 465 кОм (см. рис. 1).

Таким способом питание обеих ступеней может осуществляться от одного источника на напряжении 13 кВ.

Снятие вольтамперных характеристик (ВАХ) заключалось в фиксации разрядного тока при увеличении напряжения на коронирующей си- стеме от 0 до Umax=13 кВ с шагом 1 кВ. Замеры производились как в направлении от 0 кВ до Umax, так и в обратном, с трехкратной повторностью. После чего усреднялись полученные данные и строилась зависимость I = f (U).

Для исследования эффективности улавливания ступенями очистки пылевых и аэрозольных частиц различных размеров помещение с экспериментальной установкой было подвергнуто искусственному засорению пылевыми частицами, в качестве которых использовались мелкодисперсные элементы корма и подстилки животноводческих помещений.

Перед началом эксперимента с трехкратной повторностью измерялось число пылевых и аэрозольных частиц, взвешенных в воздушной среде лаборатории в каждом диапазоне размеров улавливаемых частиц r, для чего включался вентилятор, создавалась принудительная циркуляция воздуха внутри помещения и через электрофильтр. Определенное количество аэрозольных частиц принималось как количество частиц на входе электрофильтра n вх. .

При проведении эксперимента в нижние части первой и второй ступеней ДМЭФ была залита омывающая жидкость, осадительные электроды вращались.

В первую ступень была залита вода, во вторую – водный раствор медного купороса с концентрацией 1 моль/л. Данная концентрация, согласно проведенным ранее исследованиям [6], является оптимальной для очистки рециркуляционного воздуха от сероводорода как с технической, так и экономической точки зрения.

Далее на коронирующую систему подавалось напряжение U max =13 кВ. С помощью счётчика взвешенных частиц производилась фиксация количества данных частиц различного диаметра отдельно после первой ступени, после второй ступени электрофильтра.

Исследование проводилось для частиц размером 0,3; 0,5; 1; 2; 5; 10 мкм. Замеры проводились с помощью счетчика взвешенных частиц FLUKE 983.

Все замеры проводились с трехкратной повторностью.

Эффективность очистки от аэрозольных частиц с помощью первой и второй ступени, общая эффективность очистки, согласно получен- ным данным, рассчитывались по формуле [3]

с -с

η = ^{вх вых} ⋅ 100%

^Свх              ,          (1)

где С вх и С вых – концентрации загрязняющих веществ на входе и на выходе из электрофильтра соответственно, ед/м³.

Исследование коронирующей системы . Для опытного образца двухступенчатого мокрого электрофильтра снимались вольтамперные характеристики первой и второй ступени. Результаты приведены на рисунке 2.

Рис. 2. ВАХ первой и второй ступени электрофильтра:

U пр1 , U пр2 – напряжение пробоя для первой и второй ступени ДМЭФ соответственно

Установлены зависимости разрядного тока от напряжения на коронирующей системе I = f(U) для обеих ступеней (см. рис. 2). При этом напряжение пробоя составило 14,5 и 10,5 кВ для первой и второй ступеней соответственно.

Исследование эффективности очистки воздуха от пылевых и аэрозольных частиц . Проводилось при температуре воздуха внутри помещения плюс 20 ºС, относительной влажности 50 %.

На рисунке 3 представлены результаты замеров концентрации пылевых частиц размером 0,3…10 мкм.

По формуле (1) была рассчитана эффективность очистки для первой, второй ступени, общая эффективность очистки (1-я+2-я ступень). Результаты расчета эффективности очистки воздуха от пылевых частиц размером 0,3 …10 мкм приведены на рисунке 4.

■ На входе            ■ После 1 ступени            ■ После 2 ступени

Рис. 3. Результаты замеров концентрации пылевых частиц размером 0,3 …10 мкм

• ■    1 ступень

• ■    2 ступень

• ■    1+2 ступени

Рис. 4. Эффективность очистки воздуха от пылевых частиц размером 0,3 …10 мкм

Из рисунка 4 видно, что эффективность очистки воздуха от пылевых частиц с помощью ДМЭФ изменяется от 32,92 до 98,31 % для первой ступени, от 20,29 до 50 % для второй ступени и от 46,53 до 99,15 % для обеих ступеней. Это различие эффективностей объясняется различными геометрическими размерами улавливаемых пылевых частиц. Как правило, более мелкие частицы хуже подвергаются электрической зарядке, и поэтому эффективность очистки от них с помощью ДМЭФ невысока.

Выводы

• 1.    Двухступенчатый мокрый электрофильтр (ДМЭФ) является универсальным высокоэффективным фильтрующим устройством, позво-

• ляющим не только очищать вентиляционный воздух от пылевых частиц с высокой эффективностью, но и производить высокоэффективное обеззараживание и дезодорирование воздушной среды животноводческого помещения.

• 2.    Разработанная и созданная лабораторная установка позволяет достаточно подробно и качественно изучить режимные характеристики ДМЭФ в лабораторных условиях и подготовиться к проведению экспериментов на производстве.

• 3.    Исследованные режимные характеристики: рабочее напряжение, при котором стабильно и эффективно работают обе ступени электрофильтра, составляет 13 кВ; эффективность очистки – 32,9…98,31 % для соответствующих размеров частиц; эффективность дополнительной очистки – 20,29…50 %; общая эффективность очистки воздуха от пылевых и аэрозольных частиц – 46,53…99,15 %.