Технические средства повышения эксплуатационных показателей электроактиваторных установок для приготовления консерванта при силосовании кукурузы
На правах рукописи
ОСЬКИН Александр Сергеевич
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОАКТИВАТОРНЫХ УСТАНОВОК
ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОНСЕРВАНТА
ПРИ СИЛОСОВАНИИ КУКУРУЗЫ
Специальность: 05.20.02 – «Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар - 2012 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Курзин Николай Николаевич
Официальные оппоненты: Газалов Владимир Сергеевич доктор технических наук, профессор, ГНУ «Северо Кавказский научно-исследовательский институт меха низации и электрификации сельского хозяйства», ве дущий научный сотрудник отдела электроэнергетики Чеба Борис Павлович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженер ная академия», доцент кафедры электрических машин
Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образова тельное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»
Защита состоится «23» мая 2012 года в 1330 часов на заседании диссертаци онного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аг рарный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, Кубан ский ГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубан ский государственный аграрный университет».
Автореферат размещн на сайте ВАК РФ http://vak2.ed.gov.ru «_» апреля 2012 года.
Автореферат размещн на сайте Кубанского ГАУ http://kubsau.ru «_» апреля 2012 года.
Автореферат разослан «_» апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В. С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. В последние годы АПК России стал устойчиво развиваться. Сегодня перед сельским хозяйством стоит задача повы шения эффективности его функционирования и конкурентоспособности про дукции на основе инновационного пути развития и широкой модернизации про изводства. Одним из основных направлений развития сельского хозяйства стра ны является всемерное развитие кормопроизводства. Так, например, правильное сбалансированное минеральное питание дойных коров приводит к их высокой продуктивности. Для этого необходимо создать эффективные технические сред ства для процессов заготовки и хранения кормов. Экологическая безопасность продуктов питания является особо важным критерием качества сельскохозяйст венных культур. К сожалению, в последние годы значение этого критерия бы ло на втором плане относительно прибыли, получаемой за счет резкого увели чения урожайности растений и привесов животных. В процессе заготовки и хранения кормов общие потери питательных веществ могут достигать более 30%. Консервирование кормов за счет внесения химических и биологических препаратов позволяет довести сохранность силосуемых кормов до 90-92%. В последние 10-20 лет приобрела распространенность технология консервирова ния с применением электроактивированных водных растворов. Как показывают результаты анализов силоса, качество корма очень высокое и зачастую превы шает по отдельным показателям даже корм, полученный с применением биодо бавок.
В настоящее время предприятиями выпускается большое количество элек троактиваторов, предназначенных для работы в различных отраслях производ ства, в том числе и для сельского хозяйства. Однако применение таких агрега тов в сельском хозяйстве ограничено в связи с их низкими эксплуатационными характеристиками: не могут работать в условиях низкого качества электроэнер гии;
требуют дополнительное оборудование для очистки первичной воды (вода из артезианских скважин содержит большое количество примесей);
требуется частая профилактическая промывка установок кислотами;
большая стоимость оборудования. Одна из основных причин низкой эффективности работы элек троактиваторов конструкции Бахира В.М. – очень малые зазоры межэлектрод ного пространства.
Значительный вклад в разработку электроактиваторов, способных работать в условиях сельского хозяйства, внесли профессоры Симонов Н.М., Чеба Б.П., Стародубцева Г.П. Оригинальные установки предложили Болтрик О.П., Сюсю ра Н.А. При всем многообразии выпускаемых агрегатов есть проблемы и в тео ретическом обосновании их режимов работы. Анализ литературных источни ков показал, что отсутствуют аналитические выражения, связывающие степень активации растворов с величиной потребляемой мощности, отсутствует мето дика расчета электроактиваторов под заданную производительность.
В нашей работе мы предлагаем новую конструкцию электроактиватора, разработанную с учетом специфики сельскохозяйственного производства. В хо де исследований была также разработана методика расчета параметров устрой ства, связывающая его мощность и значение водородного показателя. Работа выполнена согласно плану НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006-2010 гг. (ГР 01.2.00606851) и 2011 – 2015 гг. (ГР 01.2.01153641).
Научная гипотеза – в условиях сельскохозяйственного производства пока затели эксплуатационной эффективности электроактиваторных установок для заготовки кукурузного силоса можно увеличить, модернизировав конструкцию активатора путем увеличения водяных каналов и согласования параметров сис темы управления с параметрами электроактиватора.
Цель работы – повышение эксплуатационных показателей электроактива торных установок для силосования кукурузы путем разработки системы управ ления с модернизацией конструкции электроактиватора с повышенным межэ лектродным зазором.
Задачи исследования:
1. Получить аналитические зависимости потребляемой электроактиватором мощности от величины водородного показателя.
2. Разработать систему управления электроактиватором без нулевого про вода, максимально адаптированную к сельскохозяйственным условиям, обосно вать уровень необходимого диапазона регулирования напряжения.
3. Модернизировать конструкцию электроактиватора с увеличенными во дяными каналами, экспериментально проверить ее работоспособность.
4. Экспериментально определить параметры предлагаемого электроактива тора и проверить работоспособность схемы управления совместно с электроак тиватором.
5. Разработать инженерную методику расчета электроактиватора с улуч шенными эксплуатационными показателями.
6. Произвести производственную проверку электроактиваторной установки с анализом качества законсервированного кукурузного силоса.
7. Определить экономическую эффективность внедрения электроактива торной установки при силосовании кукурузы.
Объектом исследований является электроактиватор водного раствора и система управления его режимом работы при приготовлении анолита для кон сервирования кукурузного силоса.
Предметом исследований являются показатели эксплуатационной эффек тивности электроактиватора, параметры самого активатора и его системы управления.
Методика исследований базировалась на математическом анализе, на тео ретических основах электротехники, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации полученных данных.
Научная новина работы:
- впервые введен параметр d - удельная энергоемкость жидкости для изме нения концентрации ионов, который вошел в формулу расчета мощности элек троактиватора в зависимости от требуемого значения водородного показателя для отдельных камер по анолиту или католиту;
- получена аналитическая зависимость для определения значения водород ного показателя активатора от его конструктивных и режимных параметров, а также от характеристик проходящей жидкости;
- в качестве режимных параметров введены: напряжение, производитель ность, постоянная времени по водородному показателю и удельное сопротивле ние смеси «жидкость-газ» в камере;
регулировку и поддержание выходного зна чения водородного показателя необходимо проводить по напряжению и с уче том их квадратичной зависимости;
- согласованы параметры схемы управления с параметрами электроактива тора путем расчета углов управления синхроимпульсами тиристоров, что по зволяет иметь широкий диапазон управления выходным напряжением, также предложена силовая схема выпрямления с оригинальным включением тиристо ров, не имеющая связи с нулевым проводом, что позволяет разгрузить нейтраль сети и равномерно нагружать питающие фазы.
Практическая ценность результатов исследований:
- в соответствии с предложенными параметрами можно разрабатывать кон струкции электроактиваторов для жидкостей с различным составом солей и раз личного назначения, обладающих высокоэффективными эксплуатационными показателями;
- разработана методика расчета электроактиватора, позволяющая получить необходимые конструктивные размеры отдельных составляющих установки и установить режимы работы в соответствии с характеристиками исходной жид кости;
- сконструировано устройство управления электроактиватором с парамет рами, соответствующими электроактиватору, и максимально адаптированное сельским электрическим сетям;
- полученные вольт-амперные характеристики электроактиватора могут быть использованы при определении рационального режима установки при ре гулировании производительности во время эксплуатации;
- на основе анализа теоретических и экспериментальных данных сделан вывод о возможности расчетов степени активации по полученным формулам как по анолиту, так и по католиту, принять значение параметра d равным 10, кДж/кг, что позволит производить расчеты электроактиваторов и на другую производительность.
На защиту выносятся следующие положения:
- аналитическое выражение для расчета параметра d - удельная энергоем кость жидкости для изменения концентрации ионов, - который вошел в форму лу расчета мощности электроактиватора в зависимости от требуемого значения водородного показателя для отдельных камер по анолиту или католиту;
- функциональная зависимость для определения значения водородного по казателя активатора от его конструктивных, режимных параметров, а также от характеристик проходящей жидкости;
- установленные режимные параметры электроактиватора: напряжение, производительность, постоянная времени по водородному показателю и удель ное сопротивление смеси «жидкость-газ» в камере;
основным регулирующим параметром принято напряжение;
- результаты расчета углов управления синхроимпульсами тиристоров на базе устройства типа БУСТ, предложенная силовая схема выпрямления с ори гинальным включением тиристоров, не имеющая связи с нулевым проводом;
- модернизированная конструкция электроактиватора с увеличенными рас стояниями от электродов до диафрагмы (рекомендуется 3-5 мм), увеличена дли на канала в камерах за счет введения поворотов на всей площади электродов;
- результаты экспериментальных испытаний электроактиватора в лабора торных и производственных условиях;
- методика расчета электроактиватора, его конструктивных и режимных па раметров, связанных с характеристиками исходной жидкости;
- результаты сравнения показателей эксплуатационной эффективности электроактиватора типа «АКВАЭХА (АГРО)» с предлагаемой установкой по лучения анолита для консервации кукурузного силоса.
Реализация и внедрение результатов исследований. Электроактиватор с улучшенными эксплуатационными характеристиками внедрен в ЗАО «Про гресс» Гулькевического района Краснодарского края на ферме 1000 голов КРС.
Методика расчета электроактиваторов и монография используются в учебном процессе Кубанского ГАУ.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: 4-й Всероссийской научно-практической конференции моло дых ученых (г. Краснодар, 2010 г.);
научно-практических конференциях Став ропольского ГАУ (г. Ставрополь, 2010, 2011 г.);
Международной научно практической конференции (г. Саратов, 2010 г.);
научно-практических конфе ренциях Кубанского ГАУ (г. Краснодар, 2008 - 2011 гг.).
Публикации результатов работы. Основные результаты работы опубли кованы в 12 печатных работах, в том числе одна монография и одно свидетель ство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 138 страницах, со держит 66 рисунков и 18 таблиц, введение, четыре главы, основные выводы по работе, список использованных источников и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность исследований. Сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены требования к качеству кукурузного силоса.
Основу силосования составляет процесс молочнокислого брожения под воздей ствием микроорганизмов, размножающихся в анаэробных условиях. Эта широко используемая технология позволяет повысить кислотность зеленой массы, что способствует подавлению развития плесневых грибов, гнилостных и масляно кислых бактерий. Существенная особенность кукурузы заключается в относи тельно высоком содержании фракции растворимых углеводов. Высокое содер жание сахаров при высокой влажности (70-75 %) может привести к образованию в больших количествах органических кислот (главным образом, молочной и ук сусной), что придает силосу кислый вкус и приводит к снижению его поедаемо сти животными. Для предотвращения потерь сухого вещества и сохранения вы сокой питательности в заготавливаемом кукурузном силосе используют различ ные закваски для силосования и консерванты. До создания специальных заква сок использовали, главным образом, химические консерванты. Сегодня приме няются для силосования кукурузы: биопрепарат 'Биотроф-111', Биосиб - бакте риальный препарат на основе молочнокислых и пропионовых бактерий. Исполь зуется микробиологический силосный консервант «Кормовая добавка «Лактоф лор», биоконсервант БСК-1. О качестве силосованного корма можно судить по составу органических кислот, накопившихся при брожении (таблица 1).
Таблица 1 - Примерное соотношение кислот в силосе разного качества Качество Реакция Соотношение кислот силоса среды Очень 4,2 и ниже Молочная -60% и более, уксусная - 40% и хорошее менее, масляная - 0% Хорошее 4,5 и ниже молочная - 40-60 %, уксусная - 60-40%, масляная - следы Среднее около 4,5 молочная - 40-60%, уксусная - 60-40%, масляная - до 0,2% Плохое выше 4,7 молочная - мало, масляная - значительно Очень плохое выше 5,5 преобладают летучие кислоты, в том числе и масляная Рассмотрены производимые сегодня установки для получения электроакти вированных растворов. Наибольшее распространение получило оборудование, разработанное под руководством Бахира В.М. Так, например, НПП «ИЗУМ РУД» предлагает установку «АКВАЭХА (АГРО)» для получения электрохими ческих активированных растворов для консервирования кормов. Данный рас твор получают из воды и высокоочищенной поваренной соли способом элек трохимической активации (ЭХА). Основной частью установки является элек трохимический реактор, который представляет собой блок гидравлически па раллельно соединенных электролитических элементов, каждый из которых яв ляется самостоятельным проточным электрохимическим реактором. Через каж дые 2000 - 2500 литров получения раствора анолита АКВАЭХА необходимо проводить техническое обслуживание установки, заключающееся в промывке реакторов кислотным раствором с целью удаления катодных отложений на электродах. Для получения электроактивированных растворов при консервации силоса может также использоваться установка «Изумруд-Алмаз - 500». Все рас смотренные установки имеют низкое напряжение на электродах – до 24 В, что приводит к необходимости включения понижающего трансформатора и разра ботке габаритного выпрямительного устройства, работающего с большими то ками нагрузки. Как правило, все установки связаны с подготовкой солевого рас твора, что приводит к монтажу дополнительного оборудования, а это не всегда возможно в условиях сельскохозяйственного производства.
В электроактиваторе при протекании тока через электролит и находящуюся в растворе диафрагму происходит явление электродиализа. Кроме процесса электродиализа в межэлектродном пространстве происходит электрохимическая активация раствора. Электрохимическая активация – технология получения ме тастабильных веществ униполярным электрохимическим воздействием для по следующего использования этих веществ в различных технологических процес сах в период сохранения ими повышенной физико-химической и каталитиче ской активности. Вода, активированная у катода (католит), обладает повышен ной активностью электронов и имеет ярко выраженные свойства восстановите ля. Вода, активированная у анода (анолит), характеризуется пониженной актив ностью электронов и проявляет свойства окислителя.
В процессе электроактивации в камерах изменяется значение водородного показателя - одного из важнейших свойств водных растворов – их кислотность (или щелочность), которая определяется концентрацией ионов Н+ и ОН–. Раз личные микроорганизмы весьма чувствительны к кислотности среды. Так, па тогенные микробы быстро развиваются в слабощелочной среде, тогда как кис лую среду они не выдерживают. Поэтому для консервирования продуктов ис пользуют, как правило, кислые растворы.
В растворе, помимо диссоциации солей, происходит слабая диссоциация воды.
NaCl - Na+ + Cl H2O - H+ + OH- (1) В итоге в растворе образуется два вида катионов (Na+ и H+), если рас сматривать только соль NaCl, и два вида анионов (Cl- и OH-). В ряду напряже ний металлов натрий стоит намного левее водорода. Следовательно, восстано вительные свойства атома натрия сильнее, чем атома водорода. Зато окисли тельные свойства иона Na+ выражены слабее, чем иона H+, следовательно, на катоде будет восстанавливаться не металлический натрий, а водород:
2H2O + 2 - H2 + 2OH- (2) Ионы натрия будут находиться в растворе до тех пор, пока полностью не разрядятся ионы водорода. К аноду направятся анионы Cl- и OH-, восстанови тельные свойства которых также неодинаковы (ряд анионов, расположенных в порядке увеличения способности к окислению). Анионы Cl- окисляются легче, чем OH-, поэтому на аноде будет происходить процесс:
Cl- - Cl0, 2CI0 Cl2 (3) В большинстве случаев анионы, состоящие из атомов одного элемента, такие, как Cl-, Br-, I-, S2-, окисляются на аноде быстрее, чем гидроксид-ион. При электролизе раствора поваренной соли на электродах получаются водород и хлор, а в растворе остаются ионы Na+ и OH-. Следовательно, при работе проточ ного активатора с анодной камеры будет выходить раствор с гидроксид-ионами, а с катодной раствор с ионами Na+ и c ионами других металлов.
Производительность электроактиваторов зависит от содержания солей в исходной воде и от величины межэлектродного пространства. Чем меньше это расстояние, тем меньше затрачивается энергии на получение активированного раствора. Однако при малых расстояниях большая вероятность «забивания»
межэлектродного пространства выпавшими в осадок солями. В связи с этим не обходима дополнительная водоочистка исходного продукта. Как показывают исследования, на процесс электроактивации будет оказывать влияние вид тече ния жидкости – ламинарный или турбулентный. При турбулентном движении процесс активации будет происходить более активно. Турбулентный режим можно создать только при увеличинных межэлектродных расстояниях (свыше мм). Опыт эксплуатации диафрагменных активаторов доказывает постепенное повышение сопротивления мембраны, вследствие «забивания» ее выпадающи ми в осадок солями. Это необходимо учитывать в системе управления электро активацией. Такая система должна также учитывать возможные изменения дав ления исходной воды. Устройство управления должно иметь широкий диапазон регулирования по напряжению и возможность подключения потребителя мощ ностью до 50 кВт.
Качество сельских электрических сетей очень низкое (низкая пропускная способность сети из-за малого сечения проводов, пониженное напряжение, ко лебания питающего напряжения, зачастую высокая несимметрия напряжений трехфазной сети) и поэтому лучше схемы управления электроактиваторами де лать трехфазными или без нулевого провода, или с нулевым, но максимально разгруженным. Анализ литературных источников показал, что отсутствуют ана литические выражения, связывающие степень активации растворов с величиной потребляемой мощности.
В работе выдвинута научная гипотеза, сформулирована цель работы и зада чи исследований.
Во второй главе, на основе аналогии расчетов для проточного водонагре вателя получены формулы для определения основных параметров электроакти ватора. Сделано предположение о равенстве постоянных времени по нагреву и водородного показателя. Так, по аналогии с формулой для электроводонагрева теля и учитывая законы Фарадея для электролиза, получена формула для расче та мощности электроактиватора (отдельной камеры по анолиту или католиту):
Cи Q ж d lg Cвых Р, (4) рн где d - удельная энергоемкость жидкости для изменения концентрации ионов, Дж/кг;
Cи Cвых - концентрация ионов, соответственно, в исходной в выходной рн - кпд активатора по изменению концентрации ионов;
Q жидкости, моль/л;
производительность, м3/с.
Формулу (4) лучше представить в виде Q ж d ( pH и pH вых ) Р, (5) рн где pH и pH вых - значения водородного показателя соответственно входной и ж - плотность жидкости, кг/м3.
выходной жидкости;
Физический смысл постоянной d заключается в следующем – количество энергии, которое необходимое сообщить 1 кг жидкости, для того, чтобы кон центрация ионов в ней изменилась в 10 раз (или изменился водородный показа тель на единицу). Значения этой постоянной будут зависеть от содержания со лей и других примесей в исходной воде, а также от эффективности диафрагмы.
Коэффициент полезного действия активатора будет зависеть от его конструк ции, в частности от межэлектродного расстояния, от формы каналов, и т.д. Па раметр d можно определить экспериментально при известных остальных физи ческих величинах.
d d / - удельная энергоемкость жидкости для изменения Обозначим рн концентрации ионов с учетом кпд активатора. Так как общая мощность элек троактиватора будет складываться из двух составляющих камер - анодной и ка тодной, то формула для расчета мощности активатора будет выглядеть следую щим образом Робщ РА РК Р Д QА жА d / pH А QК жК d / pH К Р Д d / QА жА pH А QК жК pH К Р Д, (6) где РА РК - мощности, выделяемые в анодной и катодной зонах, соответствен но;
Р Д - мощность, выделяемая в порах при прохождении тока через диафрагму.
Водопроводная вода содержит в растворенном виде соли и другие химиче ские соединения, молекулы которых диссоциируют в воде на ионы, сообщая ей ионную (электролитическую) проводимость. Удельное электрическое сопро тивление воды зависит от концентрации солей. Электрическое сопротивление электролитов существенно зависит от температуры. Удельное сопротивление воды подчиняется известной зависимости только до наступления заметного парообразования, интенсивность которого зависит от давления и плотности тока в электродах. Кроме процесса парообразования в активаторе на электродах идет процесс газообразования: на катоде восстанавливается водород, а аноде – хлор.
Получена формула для определения изменения водородного показателя для анодной камеры:
U А pH А А см QА Dж К, (7) l где K - конструктивный параметр активатора, связан только с конструкци S ей самого активатора;
Dж d жА - параметр жидкости, связан с ее плотно / стью и способностью к активации;
см - удельное сопротивление смеси «вода – А хлор» или «вода-водород»;
U А - напряжение на анодной камере;
Q А - произво дительность анодной камеры.
Аналогично будет выглядеть формула для расчета водородного показателя катодной зоны.
При создании систем автоматического управления режимом электроактива тора требуется учитывать постоянные времени для анодной и катодной зон электроактиватора. Таким образом, общий вид функциональных зависимостей будет выглядеть следующим образом:
pH А f (Т А,U А, QА, см, К, Dж ) А, (8) pH К f (Т К,U К, QК, см, К, Dж ) К где Т А Т К - постоянные времени соответственно для анодной и катодной зон электроактиватора.
В результате исследований, была получена электрическая схема, представ ленная на рисунке 1. Чтобы не перегружать нулевой провод 3-х фазной сети была изменена схема управления тиристорами. Особенностью схемы управле ния является применение серийно выпускаемого устройства для управления ти ристорами БУСТ. В отличие от стандартного включения устройства БУСТ яв ляется подключение цепей управления тиристоров и отсутствие нулевого про вода сети. Тиристоры открываются попарно VS1 и VS2;
VS3 и VS4;
VS5 и VS6, но управление получают от синхроимпульсов с разных фаз. В моменты прохож дения фазных синусоид через ноль в устройстве БУСТ формируется синхроим пульсы, необходимые для управления тиристорами, то есть через каждые 60° (все полуволны фазных напряжений сдвинуты во времени на 60°). Таким обра зом, по каждой фазе и каждому тиристору углы управления составят:
1 00 k1800 ;
А 1800 k А В 240 k180 ;
В 60 k180, (9) 0 0 2 0 С 120 k180 ;
С 300 k 0 0 2 0 где А - С - соответствующие фазовые углы управления тиристорами, k - ко 1 эффициент управления, изменяется от 0 до 1.
На рисунке 2 представлена диаграмма линейного напряжения АВ с зонами управляющих синхроимпульсов от каждой фазы. Если пару тиристоров из фазы А включить на линейное напряжение АВ, то видно, что управление начнется только через 30° и закончится на 180°. При этом форма напряжения при мини мальном угле открытия тиристоров будет такая, как представлена на рисунке 2, а при максимальном - как на рисунке 3. Включение тиристоров и соответст вующие углы управления следует переключить следующим образом:
АВ С 1200 k1800 ;
АВ С 3000 k А В 1 С СА В 240 k180 ;
СА В 60 k, (10) А 1 0 0 2 0 В ВС А 180 k180 ;
ВС А 0 k В 2 0 0 1 0 L L L VS VS VS VS х1 х 1 БУСТ VS 2 2 VS 3 4 4 R R 5 6 7 8 PV 9 10 10 PA 11 ЕК R3 12 13 14 15 16 Рисунок 1 – Схема электрическая принципиальная управления электроактива тором для силосования кукурузы 1, 0, -0,5 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 - -1, - AВ А В С Рисунок 2 – Диаграмма линейного напряжения трехфазной цепи с нанесением зоны управляющих импульсов 0, амплитуда, о.е.
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 -0, - период, град.
AВ BС АC Рисунок 3 – Диаграммы напряжений при выпрямлении и при максимальном уг ле открытия тиристоров Регулирование можно будет производить как в ручном режиме – с помо щью резистора R3, так и автоматически по сигналам, поступающим от датчиков тока или проточного pH-метра с использованием ПИД-регулятора.
Третья глава посвящена экспериментальной проверке теоретических ис следований. Целью лабораторного эксперимента было получить графики изме нения температуры и водородного показателя при изменении подводимой мощ ности, а также расхода жидкости. Изготовив макетный образец однофазного электроактиватора, было произведено его подключение по гидравлической схе ме (рисунок 4).
активатор расходомер католит анолит Входные вентили расходомер Входная вода Рисунок 4 - Внешний вид установки и ее гидравлическая схема На основании экспериментальных данных построены графики изменения водородного показателя и температуры от времени при постоянной производи тельности и регулировании подаваемой мощности (рисунок 5).
время, с 0 5 10 15 20 25 30 35 2 водородный показатель, о.е.
температура, С 5 0 5 10 15 20 25 30 35 время, с при мощности 3,1 кВт при мощности 2,8 кВт при мощности 3,1 кВт при мощности 2,8 кВт при мощности 2,6 кВт при мощности 2,3 кВт при мощности 2,6 кВт при мощности 2,3 кВт Рисунок 5 - График изменения водородного показателя и температуры на выходе от времени при различной подаваемой мощности Как видно из графиков (рисунок 5), они имеют очень схожий вид переход ного процесса и близкие постоянные времени. Постоянную времени определяли известным методом трех точек. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показывает, что относительная ошибка по рассматриваемым физиче ским характеристикам находится в интервале от 0 до 8,4%.
Графическая интерпретация совпадения теоретических и эксперименталь ных данных по постоянным времени приведена на рисунке 6.
постоянная времени, с 20 60 60 60 60 90 90 производительность, л/ч графический эксперимент теоретические значения водородный показатель экспериментальные значения Рисунок 6- Графическое представление совпадения теоретических и экспери ментальных данных по постоянной времени.
На основе полученных экспериментальных данных определяли удельную / энергоемкость жидкости для изменения концентрации ионов d :
Р d / рн Q ж ( pH и pH вых ). (11) / Были рассчитаны значения d, определена необходимая мощность акти рн вации, сделан вывод о возможности расчетов степени активации по полученным формулам как по анолиту, так и по католиту. Из эксперимента также видно, что фактическая мощность выше, чем расчетная, особенно при малых производи тельностях (рисунок 7). Это можно объяснить процессом смешивания растворов уже на выходе активатора, а также появлением второй стадии химических про цессов – нейтрализацией ионов гидроксила и восстановлением металлов, в пер вую очередь натрия. В дальнейших расчетах необходимо принять значение па кДж раметра d рн 10, /.
кг 3, мощность, кВт 2, 2, 1, 1, 0, 0, 1 2 3 4 5 6 7 номер измерений анолит, по температуре анолит, по рН католит по температуре католит, по рН Рисунок 7 - Графическое представление совпадения расчетных значений мощ ности по температуре и водородному показателю для анолита и католита Анализ вида вольт-амперной характеристики и зависимостей сопротивле ния раствора от напряжения (рисунок 8) показывает, что сначала сопротивление падает, что закономерно и связано с повышением температуры, а затем увели чивается. Это можно объяснить появлением пузырьков газов – активно начина ют проходить процессы первой фазы активации, связанной с появлением газо образного водорода и хлора. Предложена методика расчета электроактиватора одновременно с расчетом установки, все конструктивные и режимные парамет ры сведены в таблицу 2.
9, 8, 7, сопротивление, Ом 6, напряжение, В 5, 4, 3, 2, 1, 0, 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 5 10 15 20 25 напряжение, В ток, А при производительности 30 л/ч при производительности 120 л/ч производительность 150 л/ч производительность 360 л/ч при производительности 240 л/ч производительность 240 л/ч Рисунок 8 – Вольт-амперные характеристики и зависимость сопротивления рас твора анолита от напряжения активатора при различных производительностях Таблица 2 – Конструктивные, режимные параметры активатора и характе ристики жидкости Конструктивные Жидкость Режимные параметр значе- параметр значе- параметр значе ние ние ние Конструкт. К 0,38 см-1 Начальная температу- 15°С Производительность 520 л/ч ра по анолиту Активная пло- 0,138 м2 Конечная температу- 26°С Диапазон потребляе- 16 - щадь электродов ра мой мощности кВт Расстояние от 5 мм Удельное сопротив- Диапазон регулиро- 152-184 В электрода до ление при 20°С Ом·см вания напряжения диафрагмы Толщина диа- 2 мм Удельная энергоем- Диапазон регулиро- 0-220 В 10, фрагмы кость жидкости для кДж/кг вания напряжения от изменения концентра- блока питания ции ионов d / Коэффициент Параметр, связанный Диапазон изменения 103-120 А 0,66 уменьшения ес- с ее плотностью и тока активатора кДж/м тественной пло- способностью к акти щади диафрагмы вации D Масса активато- 28 кг Водородный показа- Сопротивление анод- 0,58 Ом 7, ра тель исходной жид- ной камеры кости Габаритные раз- 900Х190 Водородный показа- Диапазон изменения 0,31 Ом меры Х142 мм тель анолита сопротивления диа- 0,62 Ом фрагмы Объем анодной 690 см3 Водородный показа- 11 0,11 А/см Плотность тока камеры тель католита Общая длина 1,94 м Постоянная времени 5с пути активации Хозяйственный эксперимент проходил в ЗАО «Прогресс» Гулькевического района. Контроль водородного показателя проводился с помощью прибора И 500. Транспортирование консерванта производилось в прицепных емкостях по 2,5 м3 (рисунок 9). Подачу консерванта проводили насосом, установленном на прицепе (рисунок 9). Неравномерность внесения консерванта по поверхности слоя не превышает (5-10)±2 %, неравномерность проникновения в зеленую мас су на глубину до 40 мм (толщина слоя 50-70 мм) составляет (20-34)±4 %.
После закладки на хранение пробы силоса отправлялись на заключение в специальную лабораторию. В этих заключениях говорилось о высоких качест венных показателях. Отмечено также значительное снижение нитратов по срав нению с консервированием на основе биологических заквасок.
В четвертой главе проведено определение эксплуатационных показателей экономической эффективности оборудований. Сравнение производилось с уста новкой «АКВАЭХА (АГРО)», а также с биологическим консервантом для сена жа и силоса БИОТРОФ-111. Чистый дисконтированный доход, при уровне до ходности 14% и уровне инфляции 8% ЧДД будет равен 606 тыс. руб. на молоч но-товарной ферме на 2000 голов КРС.
Рисунок 9 - Заправка в емкости электрохимического консерванта и внесение его в силос ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Получена формула расчета мощности электроактиватора в зависимости от требуемого значения водородного показателя для отдельных камер по ано литу или католиту. В расчетной формуле впервые введен параметр d - удельная энергоемкость жидкости для изменения концентрации ионов.
2. Выведена аналитическая зависимость для определения значения водо родного показателя активатора от его конструктивных, режимных параметров, а также от характеристик проходящей жидкости. В качестве режимных парамет ров введены: напряжение, производительность, постоянная времени по водо родному показателю и удельное сопротивление смеси жидкости-газа в камере.
Регулировку и поддержание выходного значения водородного показателя необ ходимо проводить по напряжению с учетом их квадратичной зависимости.
3. Разработана схема управления режимами работы электроактиватора. Со гласованы параметры схемы управления с параметрами электроактиватора пу тем расчета углов управления синхроимпульсами тиристоров, что позволяет иметь широкий диапазон управления выходным напряжением, также предложе на силовая схема выпрямления с оригинальным включением тиристоров, не имеющая связи с нулевым проводом, что позволяет разгрузить нейтраль сети и равномерно нагружать питающие фазы.
4. Произведена модернизация электроактиватора – увеличены расстояния от электродов до диафрагмы (рекомендуется 3-5 мм), что позволяет подавать напряжение на активатор соизмеримое с напряжением сети;
увеличена длина канала в камерах за счет введения поворотов на всей площади электродов, что привело к повышению конструктивного коэффициента и созданию турбулент ного движения воды.
5. Подтверждено предположение о равенстве постоянных времени нагрева и водородного показателя. Относительная ошибка расхождения между физиче скими постоянными не превысила 10%. Анализ экспериментальных данных по зволяет сделать вывод о возможности расчетов степени активации по получен ным формулам как по анолиту, так и по католиту, и принять значение параметра d, равным 10,1 кДж/кг. Относительная ошибка теоретических расчетов не пре вышает 15%.
6. Анализ вольт-амперных характеристик электроактиватора показывает, что его сопротивление первоначально уменьшается, что закономерно и связано с повышением температуры, а затем постепенно увеличивается. Такое увеличе ние можно объяснить появлением пузырьков газов – протекание химических процессов первой фазы активации, связанной с появлением газообразного водо рода и хлора. В процессе испытаний разработанного устройства управления подтвержден проектируемый диапазон регулирования напряжения и возмож ность точной установки водородного показателя на выходе электроактиватора.
7. Разработана методика расчета электроактиваторной установки для сило сования кукурузы, которая позволяет получить необходимые конструктивные и режимные параметры одновременно с характеристиками активируемой жидко сти. На основе данной методики рассчитан и изготовлен электроактиватор про изводительностью 520 литров в час, проведены его хозяйственные испытания в ЗАО «Прогресс», Гулькевического района на ферме КРС. С помощью данного активатора заготовлено 1600 т кукурузного силоса 1-й категории.
8. На примере молочно-товарной фермы на 1000 голов КРС произведено сравнение показателей эксплуатационных затрат электроактиваторов и биопре парата на заготовку кукурузного силоса в объеме 15000 тонн. Сравнение произ водилось нового электроактиватора с установкой АКВАЭХА (АГРО) и с ис пользованием экологически чистого биопрепарата БИОТОРФ -111. Было уста новлено, что применение нового электроактиватора для получения консерванта приводит к удельным эксплуатационным затратам в размере 399,5 руб./м 3, а ис пользование установки АКВАЭХА (АГРО) – 669 руб./м3, что в 1,7 раза меньше, чем в предлагаемом варианте. Общие эксплуатационные затраты по новому электроактиватору составили 63920 руб., по установке АКВАЭХА (АГРО) – 107040 руб., а по биопрепарату – 214660 руб.
Основные положения диссертации опубликованы - в изданиях рекомендованных ВАК:
1. Оськин А.С. Расчет электроактиватора воды /А.С. Оськин, Н.Н. Курзин, - Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар:
КубГАУ, 2011. -№ 5(32). - С. 195-198.
2. Оськин А.С. Основы расчета параметров электроактиватора воды / А.С.
Оськин // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: Куб ГАУ, 2011. - № 05(69). – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20/.
- в прочих изданиях:
3. Оськин А.С. Пути повышения эффективности проточных электроакти ваторов водных растворов для силосования кукурузы /А.С. Оськин // Универси тет. Наука: Научный журнал /1. - Краснодар: ЭДВИ, 2010. - С. 197-199.
4. Оськин А.С. Повышение эффективности проточных электроактиваторов водных растворов для силосования кукурузы / А.С. Оськин, С.В. Оськин, Н.Н.
Курзин, А.Г. Запашный. - Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологиче ская безопасность. №1-2, 2010. - С. 91-93.
5. Оськин А.С. Использование электротехнологического способа получения консерванта для кукурузного силоса / А.С. Оськин, Н.Ю. Курченко // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: Материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Краснодар: КубГАУ, 2010. - С. 418-420.
6. Оськин А.С. Использование электротехнологического способа получения консерванта для силоса / А.С. Оськин, Н.Ю. Курченко // Университет. Наука.
Идеи и решения: Научный журнал /2. - Краснодар: КРОН, 2010. - С. 147-149.
7. Оськин А.С. Способ расчета основных параметров электроактиватора воды / А.С. Оськин // Университет. Наука. Идеи и решения: Научный журнал /2.
- Краснодар: КРОН, 2010. - С. 159-160.
8. Оськин А.С. Пути повышения эффективности проточных электроактива торов водных растворов / А.С. Оськин // Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы международной научно-практической конференции. - Сара тов: «КУБиК», 2010. - С. 256-258.
9. Свид. РФ № 201164146. Программа для расчета электроактиватора / Ось кин А.С., Волошин А.П.;
заявитель и правообладатель КГАУ. - № 2011612233;
заявл. 1.04.2011;
опубл.26.05.2011. - 23 с.
10. Оськин А.С. Технология силосования зеленой массы кукурузы с ис пользованием экологически чистого электроактивированного консерванта / С.В.
Оськин, А.С. Оськин, Н.М. Симонов, Е.Н. Симонова // Монография, Краснодар:
ООО «Крон», 2011. - 172 с.
11. Оськин А.С. Особенности работы электроактиваторов экологически чистых водных растворов /А.С. Оськин, Н.М. Симонов. - Чрезвычайные ситуа ции: промышленная и экологическая безопасность. №1-3, 2011. - С. 124-131.
12. Оськин А.С. Расчет электроактиватора воды / С.В. Оськин, А.С. Оськин // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрического оборудования в промышленности и сельском хозяйстве: Сб.
научн. тр. Ставропольский ГАУ.- Ставрополь: Агрус, 2011. – С. 202-210.