Обоснование устройства для электрогидравлической обработки водных растворов

Введение. Достоинствами электрогидравличе-ских технологий являются высокая эффективность процессов и получение экологичного продукта с минимальным негативным воздействием на окружающую среду. Применяя дешевое сырье, можно существенно улучшить качественные и экономические показатели сельскохозяйственных предприятий. В настоящее время увеличивается интерес к применению электро-гидравлических технологий в сельском и народном хозяйстве. Связано это с тем, что за последние годы на территории многих стран наблюдается тенденция по снижению плодородности почвы. Почвенный покров чаще всего подвержен загрязнению, тем самым теряет способность к восстановлению свойств, а также воспроизводству плодородия. Вносимые дозы минеральных и органических удобрений не компенсируют потерю (при сборе) урожая питательных веществ в почве. Также эффективно может применяться в тепличном хозяйстве и электрогидравлическое обеззараживание почвы с одновременным удобрением. Большие перспективы имеет также электрогидравлическая обработка торфа, включающая дробление, последовательное отстаивание и сушку. Наиболее изучен теоретически процесс электрогидравлической обработки почвы, но не воды. При электрогидравлической обработке происходит измельчение большей части почвы до частиц, имеющих диаметр 0,002 мм. Размер образующейся поверхности становится большим, чем даже у наиболее высокодисперсных илистых фракций обычной почвы. Это способствует экономически выгодному переводу в раствор содержащихся в почве солей и в воздухе азота, фосфора, микроэлементов, которые в растворимом состоянии легко усваиваются растениями [3].

Для резкого увеличения концентрации высвобождаемого из почвы и воздуха азота после электро-гидравлической обработки почву целесообразно засевать штаммами различных нитрифицирующих и аммонифицирующих бактерий, используя возможности «бактериального взрыва». Авторами предлагается применять электрогидравлическую обработку воды и ее растворов, используя основные преимущества результатов обработки почвы. В электрогидравлических технологиях реализуется принцип «электрогидравли-ческого эффекта», когда электрическая энергия переходит в механическую, при появлении электрического разряда [7]. Чтобы появился разряд, нужен импульс тока с достаточной крутизной фронта до 2∙1011 А/с и с абсолютным значением тока до 250 КА [1]. Различается всего несколько стадий появления разряда: возникновение между электродами токопроводящего канала, выделение энергии в канале разряда, конечная стадия (все электрические процессы заканчиваются). При электрогидравлическом эффекте происходят физические и химические процессы. Основной проблемой для полива растений является получение питательного раствора с определенными параметрами. Вода входит в состав растительного организма, в ней растворяются минеральные соли, которые поступают в растения через корневую систему. Потребность в воде колеблется в зависимости от вида, сорта, фазы развития растений. Для получения питательного раствора необходимо учитывать химический состав воды.

Методика исследования. Авторами выявляется актуальность моделирования технического средства для реализации электрогидравлического метода в части определения параметров, которые не представляется измерить существующими методиками и техни- ческими средствами. Техническое устройство для реализации электрогидравлических технологий моделируется в графическом редакторе Kompas-3D с учетом соблюдения размеров и технических особенностей конструкции для выдерживания необходимых технологических режимов электрогидравлической обработки сельскохозяйственного сырья [9]. Таким образом авторами обосновываются преимущества применения полусферического электрода, разработанного ими. Авторами разработано электрогидравлическое устройство, которое относится к растениеводству в сельском хозяйстве и может быть использовано для получения питательных водных растворов, которые предлагается использовать в качестве удобрений в условиях полива тепличных овощных культур в личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйствах.

Результаты исследований и их обсуждение. Известно электрогидравлическое устройство, которое состоит из погруженных в проводящую жидкость плоского отрицательного электрода и положительного стержнеобразного электрода, к которому электрически присоединяется металлическая пластинка [10]. Недостаток этой конструкции заключается в возможности регулирования длины искрового разряда первоначально лишь в сторону уменьшения его за счет приближения пластинки к отрицательному электроду, что влечет за собой увеличение потерь и, как следствие, уменьшение длины искрового разряда в жидкости. И только затем, вследствие поворота пластинки из положения, параллельного плоскости электрода, в положение, перпендикулярное этой последней, достигается резкое уменьшение величины потерь и, следовательно, увеличение длины искрового разряда. Поэтому авторами для устранения этого недостатка разработано устройство для электрогидравлической обработки воды с оригинальной конструкцией отрицательного электрода, о котором подробнее будет сказано далее в соответствии с моделью на рисунке 1.

1 – вентиль; 2 – крепление болтовое крышки верхней; 3 – корпус; 4 – втулка сборки положительного электрода;

5 – гайка-заглушка положительного электрода; 6 – изолятор положительного электрода; 7 – стержень-шпилька положительного электрода; 8 – крепление болтовое крышки нижней; 9 – втулка сборки отрицательного электрода; 10 – гайка-заглушка отрицательного электрода; 11 – изолятор отрицательного электрода; 12 – стержень-шпилька отрицательного электрода;

13 – наконечник полусферический; 14 – крышки

Рисунок 1 – Модель устройства для электрогидравлической обработки растворов

Устройство имеет цилиндрическую форму, корпус 3 которого служит контейнером для набора обрабатываемой жидкости – водного раствора. Сверху и снизу относительно устройства монтируются посредством болтового крепления 2, 8 крышки 14. Нижняя крышка выполняется из металла. Верхняя крышка может быть выполнена из прозрачного органического стекла для визуальной оценки и наблюдения за процессом. Резервуар содержит входные и выходные патрубки для подачи и удаления обрабатываемой жидкости соответственно посредством вентилей 1. Функционально устройство может использоваться в различных технологических режимах – от периодического до непрерывного в зависимости от условий процесса полива. Устройство имеет технологические от- верстия, в которых устанавливаются втулки 4, 9 для фиксации электродов импульсов высокого напряжения в соответствии с рисунком 2.

Положительный и отрицательный электроды конструктивно изготавливаются из медного сердечника с изолятором, материалом которого должен быть диэлектрик. Электроды удерживаются, утапливаются и уплотняются гайками-заглушками 5 и 10. В качестве изолятора 6, 11 целесообразно использовать фторсодержащие полимеры в соответствии с уровнем напряжения более 15 кВ. Стержень-шпилька положительного электрода 7 имеет сечение 5 мм, наконечник имеет форму острия-иглы с минимальной площадью. Стержень-шпилька отрицательного электрода 12 имеет сечение 10 мм.

Рисунок 2 – Реальное исполнение устройства для электрогидравлической обработки растворов

Отрицательный электрод имеет аналогичную конструкцию с некоторыми функциональными и конструктивными отличительными особенностями касательно положительного электрода. Это регулировка воздушного зазора между электродами, в котором происходит искровой разряд, за счет чашеобразного полусферического исполнения рабочего наконечника – диска в форме полушария 13. Это позволяет направленно концентрировать и уплотнять электромагнитное поле, собирать пучности мод, то есть увеличивать напряженность электромагнитного поля на единицу площади, а следовательно, уменьшать рассеиваемую энергию на плоскости электрода. Плоскость острия положительного электрода должна быть в уровень с плоскостью граней полусферического наконечника отрицательного электрода для формирования разряда максимальной мощности при минимальных величинах напряжения в соответствии с рисунком 3.

1 – положительный электрод; 2 – отрицательный электрод Рисунок 3 – Схема устройства для электрогидравлической обработки растворов (вид сверху)

В качестве сырья используется дистиллированная, водопроводная, речная, озерная и морская вода. Авторами разрабатывается схема электрическая принципиальная устройства для электрогидравличе-ской обработки, на примере воздействия на воду из различных источников в соответствии с рисунком 4.

Питание подается на схему при помощи магнитного пускателя КМ, который замыкает контакты КМ1.1 и КМ1.2. Для замыкания контактов КМ1.1 и КМ1.2 необходимо воспользоваться системой управления, которая состоит из автоматического выключателя QF, выполняющего функцию ограничивающего устройства для размыкания цепи при прохождении аварийного тока. В системе управления расположена кнопка «пуска» SB1, которая подает сигнал на магнитный пускатель, замыкающий контакты КМ 1.1 и КМ 1.2.

В свою очередь кнопка «стоп» SB2 служит элементом управления, который размыкает контакты КМ1.1 и КМ1.2 в случае необходимости. Также в систему управления входит блокиратор SB3, фиксирующий контакты КМ1.1 и КМ1.2 в определённом положении.

В состав установки «электрогидравлического разрядника» входят:

TV – однофазный повышающий трансформатор для преобразования электрической энергии. Трансформатор имеет две обмотки низкого 220 В и высокого напряжения 50 кВ;

VD1 – выпрямляющий диод необходим для преобразования переменного тока в постоянный и разрядки-зарядки конденсатора;

С – высоковольтный конденсатор запасает энергию, которая выделяется на искровом промежутке;

Рисунок 4 – Схема электрическая принципиальная устройства для электрогидравлической обработки растворов

• R1, R2 – резистивный делитель понижает напряжения для подключения вольтметра;

• V – вольтметр предназначен для измерения напряжения в электрической цепи;

PE – устройство, предохраняющее человека от поражения электрическим током;

И – в искровом промежутке формируется искровой разряд, вследствие которого происходит гидроудар;

Р – устройство (резервуар) необходимо для формирования электрогидравлического удара; в нем размещаются электроды из меди;

Ф – формирующий промежуток нужен для измерения напряжения на вторичной обмотке.

Перед началом работы необходимо удостовериться в отсутствии напряжения на установке и произвести осмотр установки на наличие дефектов и неисправностей. После выполнения предпускового обслуживания необходимо выдержать ряд мер и условий для безопасной работы установки для электрогидрав-лической обработки растворов:

• 1)    переводится в положение «вкл» автоматический выключатель QF;

• 2)    производится запуск нажатием кнопки SB2, что вызывает срабатывание магнитного пускателя KM, который замыкает контакты KM1.1 и KM1.2;

• 3)    переводится блокиратор SB3 в рабочее положение;

• 4)    как следствие подачи напряжения трансформатор TV начинает преобразовывать энергию;

• 5)    проходя через выпрямляющий диод VD1, переменный ток преобразовывается в постоянный;

• 6)    при подаче постоянного напряжения на обкладки происходит накапливание заряда;

• 7)    источником накопления и выдачи энергии разряда в данной схеме выступает конденсатор; после того, как конденсатор С будет полностью заряжен, он начнет разряжаться в цепь [5]; при достижении определенного потенциала пробивается воздушный промежуток Ф, энергия, запасенная в конденсаторе, переходит на искровой промежуток, сосредоточенный в жидкости рабочего устройства (резервуара) Р, тем самым появляется электрический импульс, имеющий достаточную мощность разряда;

• 8)    в рабочем устройстве (резервуаре) между электродами происходит разряд, сопровождающийся возникновением дуги;

• 9)    появляются хлопки, сопровождающиеся всплеском и движением воды.

Потери энергии, которые затрачиваются на образование канала разряда, отрицательно влияют на результат процесса [8]. Приемлемо для избавления от этих потерь прибавлять энергию импульса, но она влияет на срок службы электродных элементов, а именно на изоляцию электродов. Данный процесс принятых емкостей и напряжения возобновляется с частотой, которая зависит от подобранной мощности трансформатора.

Технологический процесс электрогидравличе-ской обработки растворов происходит следующим образом. Обосновывается на примере водопроводной воды. Устройство заполняется водопроводной водой до уровня, который должен быть выше электродов более чем на 50 мм в зависимости от режимов обработки. Выявляется получение электрического разряда при напряжении 30 КВ на зазоре формирующего промежутка 10 мм. Установлено, что при тех же режимах напряжения и формирующего промежутка использование плоского диска или острия наконечника отрицательного электрода не генерирует искровой разряд, необходимо либо повышать напряжение, либо увеличивать промежуток. Наблюдается электрогидравличе-ский эффект [2], то есть имеются колебания и движение воды, которая получает ускорение в результате образования кавитационных полостей при возникновении сверхвысоких гидравлических давлений в зоне разряда [6].

Периодически порционно подаваемая в устройство вода обрабатывается за счет электрогидравличе-ского воздействия. За 1 минуту обрабатывается 5 л водопроводной воды для достижения необходимых результатов, а именно:

– в результате электрогидравлического воздействия на жидкости с ионной электропроводностью снижается патогенная микрофлора в ней, увеличивается содержание азота, таким образом обеспечивается универсальность технологии, то есть одним устройст- вом имеется возможность выполнять несколько операций [4].

Площадь поверхности полусферического наконечника отрицательного электрода – 1700 мм2. Максимальные зазоры рабочего и формирующего промежутков составляют 5–20 мм, рабочее напряжение при этом до 15–50 КВ в водопроводной воде при разрядной емкости 0,1–0,2 мкФ. Производительность установки достигает 300 л/ч.

Выводы. Обосновано разработанное устройство для реализации электрогидравлического воздействия на водные растворы с целью активации. Аргументированием в пользу использования полусферического наконечника отрицательного электрода являются требуемые меньшие величины напряжений при формировании разряда одинаковой длины. Показаны конструктивные параметры устройства в качестве модели в графическом редакторе для отработки режимов. Представлено реальное исполнение устройства в виде фотоматериалов. Аргументированно обосновано достижение положительных результатов проведенных экспериментальных исследований в части обеззараживания водных растворов и увеличения концентрации азотных соединений в обрабатываемых водных растворах.