автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка теоретических основ и технических средств магнитной активации оросительной воды

V Г 5 ой

п г и «РСЙ № правах рукописи.

9 ДСП Ы»«

АЛЕКСАНДРОВ Ачексей Борисович

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ ОРОСИТЕЛЬНОЙ ВОДЫ

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар, 1998

Работа выполнена в Кубанском государственном аграрном университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Куценко АН.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, член-корреспондент АЭН РФ, доктор технических наук, профессор Гайтов Б.Х.

Заслуженный изобретатель РФ, кандидат технических наук, профессор Потапенко ИА

Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятие

«Крайводоканал»

Защита диссертации состоится »

.1998 г. в

_часов на заседании специализированного совета К 120.23.07 в

Кубанском государственном аграрном университете по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КГАУ, факультет электрификации сельского хозяйства, зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан « » 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук, доцент

■14.

Стрижков И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность • темы. Многие -регионы Российской Федерации ляются районами интенсивного' развития сельскохозяйственного юизводсгва й засушливой зоне и требуют применения широкой дротехнической мелиорации зейель. При этом возникает задача здания технически совершенных оросительных установок, а также щиональцого и грамотного использования воды для орошения

г

льскохозяйственных культур.

Одним из важных путей повышения эффективности орошения, юбенно при нарастающем дефиците поливной воды, является ее лагничивание. Многочисленными • исследованиями установлено гучшёние роста различных сельскохозяйственных культур и 5елнчение урожайности их при поливе водой, прошедшей магнитную 5работку. С учетом этого на дождевальные полиьные машины" типа Кубань», «Фрегат», «Волжанка» и др. в ряде хозяйств были :тановлены аппараты АМОВ-ЗМ или АМОВ-К для магнитной зработки оросительной воды и получены положительные результаты.

Однако, до сих пор не проводилось систематических работ по ыяснению механизма магнитного воздействия на оросительную воду, то сдерживает развитие более рациональных технических решений по росительным установкам с магнитным воздействием и не позволяет ироко, целенаправленно и эффективно внедрять омагничивание росительной воды в сельском хозяйстве.

Учитывая' вышеизложенное, данная диссертационная работа, освященная разработке теоретических основ и технических средств агнитной активации оросительной воды, является актуальной и имеет эльтлое научное и практическое значение.

Цель работы — разработка механизма магнитной активации росительной воды; на основе результатов теоретических исследований азработка и внедрение новых способов и электромагнитных япаратов длл интенсификации сельскохозяйственного производства.

Основные задачи исследования:

-теоретически и расчетным путем доказать возможное ионизации воды в условиях кратковременного воздействия магнитно поля;

-разработать методику расчета основных параметр электромагнитных аппаратов;

-разработать и внедрить новые способы и технические устройст дая активации воды магнитным шлем.

Научная новизна работы заключается в следующем: -разработаны три возможных механизма магнитной ионизац] воды в условиях: 1) равномерного распределения энергии магнитно поля, 2) резонанса электромагнитных процессов, 3)интерференш магнктных когерентных волн;

-дано выражение для описания распределения потенциал ионизации в ввде вероятностно^ функции;

-предложено ввести параметр энергетической излучаемое магнитного поля дня количественной характеристики облучен вещества этим полем в- сравнении с другими (тепловым, световы лазерным); .

-создано новое устройство дая магнитной обработки жидкости управляемым выпрямителем, позволяющее автоматически изменять т в обмотках, поьышая -энергетические показатели. Подана заявка предполагаемое изобретение;

-разработан новый электромагнитный аппарат в виде конусно соленоида с внутренней конусной укладкой водопроводной труб позволяющий получить дополнительный эффект активащ оросительной воды.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

-разработана методика расчета основных параметр электромагнитного аппарата в виде конусного соленоида;

}

-разработан способ повышения активации оросительной воды вдевальными «машинами типа «Кубань», «Фрегат» и др. за счет вого размещения магнитных аппаратов АМОВ-ЗМ или АМОВ-К, иводящего к многократной обработке при одновременном вращении на одну треть количества магнитных аппаратов. Этот особ и электромагнитный аппарат п виде конусного соленоида были едрены в АО им.С.М.Кирова Абинского района Краснодарского края.

Электромагнитное устройство с управляемым выпрямителем спонировалось в 1998 г. на международной агротехнической гстазке в ■ г.Краснодаре и отмечено дипломом. Оно используется в учной работе на факультете электрификации сельского хозяйства ГАУ. Теория магнитного воздействия на оросительную воду (полня ет раздел магнетизма в учебных пособиях по физике, ;ектрическим машинам и энергетике сельскохозяйственного юизводства.

Апробация работы. Основные вопросы, составляющие ¡держание диссертации, докладывались и получили одобрение на шференциях и семинарах: научно-практической конференции по тросам улучшения характеристик электротехнических комплексов, кргетических систем и систем промышленного электроснабжения, в убанском государственном технологическом университете, 1996г.; раевой конференции по вопросам научного обеспечения угьскохозяйственного производства в рамках «Второй школы-семинара олодых ученых», ВНИИ риса, 1997 г.; ежегодных научных энференциях Кубанского государственного аграрного университета 395-98 г. г.

По результатам исследований опубликовано 11 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, глав, выводов, списка литературы, включающего 160 источников и риложения. Она содержит 170 страниц, 16 таблиц, 40 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ»

; Введение содержит краткое обоснование актуальное! диссертационной работы.

В первой главе представлен литературный обзор, включающи рассмотрение эффективности магнитной обработки воды пр орошении, а также критический анализ состояния разработо установок для омагничивания водных -систем и механизма магнитно

V

активации воды. > Литературные данные позволили сделать вывод, чт большинство "разработанных конструкций магнитных аппарате предназначено для-очистки воды в системах питания энергетически установок и, лишь некоторые - для активации воды "'при орошенш Для повышения рентабельности применения магнитных аппаратов пр оро.иении необходимо усовершенствовать имеющиеся и разработат

-г

новые электромагнитные аппараты и более эффективные способ1 магнитной обработки оросительной воды. Рассмотрение механизме омагничивания воды было направлено, в основном, на решение таки технических задач, как очистка и осветление воды, борьба накипеобразованием. Теоретическое обоснование причин магнитно] активации воды, особенно применяемой в сельскс'л! хозяйстве да орошения, в литературе отсутствует. Литературный обзор обоснова. постановку задач диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются водные системы как объек исследования. Приводятся качественный и количественный составь природных ' поверхностных вод различных районов России. Большо( внимание уделяется Характеристике кислотности или щелочнсст! водных растворов, так как для разных сельскохозяйственных культ] существуют оптимальные значения водородного показателя рН, щн которых растения растут и развиваются наиболее эффективно. Так ка! в настоящее время нет государственного стандарта на воду ди орошения почв Краснодарского края и большинства других регионо!

юсии, приняты за основу и рассмотрены подробно общие требования )СТа 2500-83 для оросительных вод юга Украины.

В третьей ' главе представлены результаты разработки юретических основ магнитного воздействия на оросительную воду с шью ее активации. Расчеты показывают, что, исходя из

5щепринлтой теории равномерного распределения энергии магнитного

^

зля в окружающем пространстве при его напряженности # =/о3 — , на

м

аждуго молекулу воды приходится энергия е, ~ 1,9 ■ ] В то же

ремя работа ионизации одной молекулы воды составляет

Л1=еи,=1,6-10-"Кл-13,6эВ«2-10-"' Дж, (1)

де е-заряд электрона; -потенциал ионизации атома водорода или ислорода.

Как видно, величина ei меньше А, в я/раз. Поэтому ■ главное шимание при обосновании механизма активации водного раствора в югнитном поле уделялось выявлению условий для преодоления этого жергетического барьера. В работе теоретически обоснована юзможность магнитной ионизации молекул зодь; при условиях: I) равномерного распределения энергии магнитного поля; 2) резонанса электромагнитных процессов; 3) интерференции магнитных когерентных волн.

1-е условие — равномерное распределение энергии мшнитного поля. Для обоснования этого механизма ионизации исходили из того, что справочные данные о потенциалах ионизации водорода и,=13,59эВ и кислорода и, = 13,б!эВ соответствуют их наиболее вероятным, значениям. В соответствии с квантово-механическими представлениями о строении атома и. законами статистической термодинамики можно предположить, что в каждый момент времени при данной температуре имеется некоторая доля молекул, для ионизации которых необходимо приложить значительно

меньшее напряжение, чем и,=13,6зВ. При этом распределен! величин потенциалов ионизации для каждого из составных элементе воды должно описываться некоторой функцией вероятностного тип Чами предложено такое уравнение (2)

8-я-к-Е а \и —и г

_0 ' В1 >>

¿п

-~пь

\т,-к-Т

У,

(а-Т)и

т ■с-к

(2)

где ц, - концентрация атомов (молекул); щ,,е - масса и заря, электрона, Ь -постоянная Планка; £0 -электрическая постоянная; с скорость света; Ъ - постоянная Больцмана; (X - температурньи

коэффициент; Т - температура т Кельвину; иБ- вероятное значени« потенциала ионизации для данной атома по справочным данным; и, значения потенциалов для ионизированных атомов. '

На рис.1 представлена кривая распределения ' ^ потенциалов ионизации, рассчитанная по формуле (2). В соответствии с формулой и кривой распределения, как показали расчеты, в 1 м3 воды может содержаться 104 молекул, у которых потенциал ионизации всего лишь 1,18-10'6 зВ, и эти молекулы будут способны ионизироваться под действием магнитного поля при данных условиях.

2-е условие - резонанс электромагнитных процессов. В

данном случае рассматривается возможность частотного резонанса прецессионного движения электрона, возникающего под действием

юю ю10'' 10 ыю" ю' Рис. 1

и, В

ешнего магнитного поля с частотой дополнительного переменного ектромагнитного поля.

гдельный магнитный момент электрона атома, помещенного в 1гнитное поле, будет прецессировать с частотой Лармора

gf^(|H = /л0Не/т,, где g=e/me- гиромагнитное отношение; Мп-агнитная постоянная, Н - напряженность магнитного ноля. Явление ¡ектронного резонанса в случае циркуляции водного раствора через агнитное поле может произойти естественным путем, если в иркулирующем водном растворе имеются заряды в виде ионов или ругих заряженных частиц. Под действием силы Лоренца азноименные заряды ± Ч начнут двигаться в разные стороны в

лоскостч, перпендикулярной векторам индукции В магнитного поля скорости потока раствора Сила Лоренца придает заряженным астицам ускорение а

а = -

(3)

они з момент соприкосновения со стенкой трубопровода, по :оторому течет раствор, достигнут скорости 9

9 = у]2-а-гтр , (4)

де г„р- радиус трубопровода; <\,тя - заряд и масса частицы (иона); Р-относительная магнитная проницаемость раствора.

Заряженная частица, имеющая такую скорость, в момент ;олрикосновения со стенкой трубопровода, будет обладать атлетической энергией п'к

I излучать электромагнитную волну с энергией А-с

частота которой у = =г> -Ч'^-м-Н-э, ^

При действии внешнего магнитного поля на атомы водорода ш кислорода вектор магнитного момента электрона и его орбиталь буд прецессировать с частотой у1

2л 4-х-те

При равенстве этих частот у = уь наступит явление резонанса поглощение энергии электромагнитной волны заряженной частиц прецессирующим электроном а':ома. Таким образом, условие:

резонанса является г ■$„ =—-— = 5,8-10~1~ (9)

4 • я ■ т1 с

По. аналогии с колебательным контуром показано, что за сче резонанса амплитуда прецессионного колебания электрона може возрасти в 10" раз, что является вполне достаточным условием да ионизации молекулы воды. ■

3-е условие - интерференция магнитных когерентных волн Расчеты показали, что в магнитном поле тока проводимости энергия ] пучностях, приходащаяся на одну молекулу воды, может достигнут! £■„ = 3,15-/г2Дж при условии, что все валентные электроны металл; являются-электронами проводимости. Эта энергия в 1016 раз больше чем необходимая для ионизации одной молекулы воды. Однако, с учетом* реальной доли электронов, принимающих участие е проводимости (приблизительно 10~11 от общего количества валентных электронов), " а также наличия дифференцированных скоростей направленного движения электронов величина г„ становится близкой к работе ионизации А = 2-/0"иДж.

Все три рассмотренные условия ионизации молекул воды в магнитном поле могут быть реальными и проявляться как раздельно, так и вместе, обеспечивая суммарный эффект. Наиболее важным в

акткческом отношении является второй механизм магнитного здействия. на воду - резонанс электромагнитных процессов.

Вышеизложенные теоретические разработки позволили выдвинуть обосновать концепцию ионизационной активации оросительной воды ш воздействии' магнитного поля, так как ионы обладают большей [ернической и химической активностью по сравнению с олекулами. Магнитная активация оросительной воды заключается в шолнительной ее ионизации и росте величины ионного произведения эды [ОН-МН1. Последнее приводит к увеличению степени гидролиза астворимых в воде солей и в зависимости от их состава и онцентрации, а тагаке растворения в воде углекислого газа С02 - к зменению водородного показателя рН среды. Величина же рН водных итательных сред, формируемых на основе почвенных и оросительных одных растворов, является весьма важным фактором,- регулирующем (ействие • ферментов - биологических катализаторов процесса шзнедеятельности растений. Экспериментальным доказательством ¡вдвинутой концепции является установленная зависимость рН воды уг напряженности магнитного поля "Н и кратности магнитных обработок п (рис. 2).

В четвертой главе представлены выполненные разработки новых

I

способов и технических устройств магнитной активации оросительной воды. Для сравнительной оценки эффективности ' воздействия имеющихся магнитных устройств с вновь разрабатываемыми, а также уточнения факторов, влияющих на степень магнитной активации воды предварительно был выполнен теоретический поиск и рекомендовано -ввести новую характеристику - энергетическую излучаемость магнитного поля Г^,.

^даИН)-''' ■ <10)

где /,-время изменения силы тока в цепи, N - число витков соленоиде I - его длина/ / - сила тока; ^„.^ магнитная постоянная вакуума 1 относительная магнитная проницаемость среды; ^-индукция магштноп поля; -параметр, характеризующий скорость изменения - силы тока I учетом всех витков соленоида и представляющий удельную величину э.д.с. самоиндукции.

ег

(П)

где 3-сечение соленоида; я-число витков на "единицу длины I соленоиде.

о 1 г 3 4 5 6 ' Кратность магнитных обработок

Рис. 2

С учетом Б^ выражение энергии магнитного* поля, соленоида преобразуется к виду "

(12)

где ¿-время облучения магнитным полем; ^„-поверхность облучения.

При этом степень облучения вещества магнитным полем зависит от частоты питающего электромагнит тока и времени облучения.

поэтому эти факторы были учтены при разработке новых технических стройств и способов магнитного воздействия на оросительную воду.

1. Способ усовершенствованного размещения маггагтиых аппаратов на дождевальных машинах

Применяемые дождевальные машины типа «Фрегат», «Волжанка» и (р. оборудованы 50-54 магнитными аппаратами АМОВ-ЗМ, а «Кубань» -16 аппаратами АМОВ-К, устанавливаемыми перед каждой деждевальной насадкой. При такой компановке вода. проходит щюкратно магнитное поле, в то время как. экспериментально и расчетным путем установлено, что более эффективной является многократная обработка воды магнитным полем. Поэтому предложен способ повышения эффективности магнитной активации воды с применением того же оборудования, но при новом размещении магнитных аппаратов. Рекомендуется убрать магнитные аппараты непосредственно от насадок и разместить после водозаборного, стояка последовательно 4 магнитных аппарата, а затем: по первой схеме -устанавливать по одному магнитному аппарату перед каждой крестовиной дождевальной машины или по второй схеме - размещать по два магнитных . аппарата перед каждой второй крестовиной дождевальной машины. В этом случае эффективность активацич воды повышается за счет многократности ее магнитной обработки, и уменьшается на одну треть количество устанавливаемых магнитных аппаратов на каждой дождевальной машине.

2. Разработка новых электромагнитных устройств Для повышения результативности орошения сельскохозяйственных культур в тепличных хозяйствах предлагаются два электромагнитных аппарата: _ конусный соленоид с конусной укладкой водопродной трубы и устройство с управляемым выпрямителем.

2.1 Конусный соленоид

Предлагаемое устройство для магнитной обработки оросители воды представляет • конусный соленоид, ' внутри которого в и конусной- спирали размещена водопроводная ПВХ трубка(рис. 3), Новизна технического решения обусловлена . размещени водопроводной трубки не с внешней стороны соленоида, а внутри е! где сконцентрировано магнитное поле. При этом напряженность по (Н) максимальна около проводника соленоида и убывает к цент! Для обоснования такого характера изменения напряженное магнитного поля вдоль радиуса соленоида проведеа расч' напряженности в точках, отстоящих на разном расстоянии < проводника

Для этого в первом приближении рассматривается сектор I четверть окружности (рис.4). Он разделяется на элементарные участи М=0,1Ку от каждого из которых по принципу суперпозиции £ определенной точке пространства формируется общая величине, напряженности поля.

Н

Конусная дклрлкл у яодопроааднон трубы

Рис. 3

Если принять, что ток направлен против часовой стрелки, го утлы а2,а3,а4...а7 между радиусами-векторами r2,r3,r4...r7 и элементами контура ¿¿ъ zV4...zy7 будут меньше 90а, а углы между радиусами-векторами r8> г9...г15 и элементами контура ¿¿8, будут больше

90°. но меньше 180°. В этом случае "в течке А по правилу суперпозиции суммируются напряженности магнитного поля от АН, до дя„:

J Ы . J М J ( I \ J , . . ч

дн, =---7swa, =----- =--= - •- (так как Л ¿=л

4п Г; 4л г/ 4п■ (0.1 R) \0.4к) Л

... J И . J И J siAa, J sida, 1 J ., 1 ЛО J ., n

m, ----;sim, ----zsida, ----- ----1 -----smarctg- aQS— •sinarct U, r

1 4к t 4x f ^ 4к г, 4к № 4k R %5 R

ДН„ = —Ц-51П(180"-а1}) =......................= -0,8 ■ — ■ ¡т' агс1р,0,13

4к г,, Л

.Результирующая величина напряженности' магнитного поля на расстоянии г=0,Ш от проводника в точке А будет равна

Я = £дЯ, =£(ЛЯ'+ДЯ:+ДЯ; + Д/^+Л/Г,+ЛЯ,!+.......+ дя„) = дя; =сл-~

В

центре соленоида

н = — = о,5—. Следовательно, на 2Я я

расстоянии г=0,Ш от,

проводника внутри соленоида напряженность поля в 1,6 раза выше, чем в центре. Вдоль длины конусного соленоида также должно быть изменение наиояженности магнитного поля, так как в центре соленоида величина напряженности Рис. 4

магнитного поля обратно пропорциональна радиусу витка проводника

и = . Чем меньше диаметр витка ■ соленоида, тем выше

2К

напряженность магнитного поля.

• Таким образом, расчеты подтверждают изменение напряженности магнитного поля конусного соленоида как по радиусу, так и вдоль длины и, следовательно, применение предложенного 'устройства на основе конусного соленоида является более эффективным для повышения степени магнитной активации оросительной воды.

С учетом резонанса электромагнитных процессов и полученного

критерия г & >5.8-10'' —, а также выражения энергии магнитного поля с

соленоида и введенного параметра времени облучения разработана методика расчета параметров электромагнитного устройства в виде конусного соленоида.

Методика расчета устройства в виде конусного соленоида для магнитной активации воды Исходя из практической задачи и производительности насоса задается расход воды СЗ(м3/ч); принимается линейная скорость потока воды через трубку в пределах 1-10 м/с(.5„)

По формуле л = 2,1-2- рассчитывается внутренний диаметр ПВХ V

трубки и выбираются ближайшие значения внутреннего (<У и

внешнего (су диаметров изприменяемых на практике.

Для выбранного номинального диаметра трубки уточняется скорость

потока Эп = ~т. Определяется параметр г = (г, - зп), который должен

лс!,

1

быть не меньше ткр = 5.8-10"—. Принимается минимальная величина

напряженности магнитного поля соленоида в пределах (10-100)А/м, обеспечивающая энергосбережения.

По формуле , (где т„- масса иона (кг); ц0-

1/да.й

магнитная постоянная; ^-относительная магнитная проницаемость среды (для воды ц«/); ^"-относительная вязкость воды в сравнении с газом • (7* =13,67)) оцештается минимальная длина водопроводной трубки в соленоиде для. наиболее характерного иона оросительной поды. Корректируется длина трубки с учетом оптимального количества необходимых воздействий магнитного поля на воду (из практических исследований принимается П)=6), т.е. 1^=б-1тт.

С учетом принятого диаметра водопроводной ПВХ трубки с12,' обеспечивая ее наиболее плотную упаковку в виде стирали, определяется минимальный диаметр спирали д,„ и по формуле

~(Рт„ -0.584,) + -0.581],)' +0.7351^, , "2 ~ 1,154,

рассчитывается количество оборотов (п,) конусной (под углом 60°)

спирали трубки.

Рассчитывается длина спирали водопроводной трубки как Лт = п,й,. Для снижения краевых эффектов длина соленоида принимается из условия' ¡ю,=(1а+б-Ю'7)и

Выбирается диаметр провода <1^, и рассчитывается число витков N

1 • N

соленоида: и число витков на единиц}' длины » = —

Рассчитьюается средний диаметр конусного соленоида ■ _щР^+0.5774(п-1)Ыг

с" я . *

П2

Определяются общая длина проводника соленоида =лЕ>ч,Ы1 и

I 41

активное сопротивление его проводника К= = гдер,^-

удельное сопротивление и сечение проводника.' Рассчитывается

индуктивность соленоида =Л/и

^где к,-

--МоМ

объем соленоида, -среднее сечение соленоида. Определяется общее сопротивление Хк соленоида для переменного, тока х„ +(шь)г, где" со = 2XV-круговая частота питающего тока; (для промышленного тока при и =50 Гц, и =314 )

и V

Рассчитывается значение силы тока J=— = - __,

где

и-

напряжениь сети.

Определяется потребляемая соленоидом мощность р = зи к расход электроэнергии в час Э=лл [Вт-ч]

Находится . удельныч расход электроэнергии Э = —

Вот

„з

По

предложенной методике проведен • расчет параметров ряда магнитных устройств, представленных в таблице 1. Таблица 1.

Примеры рассчитанных параметров магнитных аппаратов

Вода ■ Трубка полиэтиленовая Провод нихром

в. М3/ч 9„. м/с . мм о2 мм м щ Аттр * м гА-м* . м2/с й, мм ч„. м & Ом

5 4,42 20 22 .4,45 7,17 0,158 4,42 0,5 272,4 1527

1 0,885 20 22 6,29 9,06 0,2 0,885 ■1,0 182 255

1 0,885 20 22 6,29 9,06 0,2 0,885 0,5 364 2040

Соленоид . Р, Вт в Вт м3

\М Вер, М ^сол> м N ' п 1 А Н 1С-1,-м '

0.12 0.199 0.218 435 2000 0.144 0.97 31.68 6.336

0.12 0.223 0.26 '260 1000 0.86 2.5 189.2 189.2

0.12 0.223 0.26 520 2000 0.10С 0.63 23.76 . 23.76

2.2 Устройство для мапиггной обработки жидкости с управляемым выпрямителем.

Устройство (рис.5) состоит из выходного патрубка 1, трехфазной обмотки 2, неподвижного ротора 3, корпуса 4, магштопровода-статора 5, герметичной камеры 7, размещенной между ротором и статором. Ротор выполнен из магнитного материала, а корпус из немагнитного. Скорость потока жидкости в зазоре между ротором и статором одинакова со скоростью потока во входном и выходном патрубках. Техническим решением предлагаемого

устройства является повышение энергетических и экономических показателей и стабилизации параметров при различных расходах жидкости. Для этого в

выходном патрубке установлен датчик давления 9, (рис.5), который реагирует на изменение расхода и. управляет выпрямителем на оптронных тиристорах. Таким образом, в зависимости от расхода жидкости автоматически изменяется ток в обмотках.

Рлс.5

3. Результаты внедрения разработанных способов и технических средств магнитной активации ороаггельной воды

Способ нового размещения магнитных аппаратов АМОВ-К на дождевальных машинах «Кубань» и электромагнитное устройство в виде конусного соленоида с конусной укладкой водопроводной трубки были внедрены в АО им.Кирова Абинского района Краснодарского края соответственно при орошении помидоров в открытом грунте и огурцов в теплице. Экономическая эффективность этих разработок ог внедрения техничесютх средств магнитной активации оросительной воды в АО им.Кирова представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Показатели Помидоры (в открытом грунте) Огурцы (в теплице)

При существующем орошении до внедрения При новом размещении магнитных аппаратов При существуй щей технологии до внедрения С применением омагничивания воды элмпромагнит-ньм конусным соленоидом

Урокайкость с 1/а, ц 253 ц/га 305 ц/га 23,2 кг/м2 29,2 кг/м2

Затраты труда на 1ц, чел ч 2,30 2,0 30,0 27,2

Себестоимость 1ц, руЗ. 70,6 62,6 498,5 427,2

Прибыль, руб на 1 ц на 1 га 31, S 8070 39,9 12163 261,5 677,0* 332,8 972,0*

Уровень рентабельности, % 44,7 63,7 52,5 77,9

* в тыс. руб на 1 га

При поливе омагаиченной водой помидоров и огурцов урожайность их возрастает соответственно на 21% и 26%, снижаются затраты труда и себестоимость продукции, возрастает сумма прибыли на 1 ц и на 1 га, а также рентабельность. На обработанной площади помидоров и огурцов хозяйство получило дополнительно 368,2 тыс. руб. Капитальные вложения окупаются в течение-одного года.

Выводы.

1. Теоретически и экспериментально доказана возможность дополнительной ионизации воды в условиях кратковременного воздействия магнитного поля малой энергии.

2. Разработаны три возможных механизма магнитной ионизации воды в условиях: равномерного распределения энергии магнитного поля; при резонансе электромагнитных процессов; при интерференции магнитных когерентных волн. Эти механизмы могут действовать как раздельно, так и вместе, обеспечивая суммарный эффект. Наиболее важным в практическом отношении является резонанс электромагнитных процессов.

3. Предложено математическое выражение для описания распределения потенциалов ионизации в виде вероятностной функции. Составлена программа и выполнены расчеты на ПЭВМ.

4. Показано, что дополнительная ионизация оросительной воды под действием магнитного поля способствует ее активации. Увеличение ионизации воды приводит к повышению степени гидролиза растворенных в ней солей и, как следствие этого, изменению водородного, показателя рН среды - важного фактора, регулирующего действие ферментов, катализирующих процессы жизнедеятельности растений.

5. Дня количественной характеристики облучения вещества магнитным полем в сравнении .с различными другими (тепловым, световым, лазерным) предложено ввести параметр энергетической излучаемости магнитного поля и дано теоретическое обоснование этого параметра применительно к магнитному полю соленоида.

6. Предложен и внедрен способ повышения активации оросительной воды за счет нового размещения магнитных аппаратов АМОВ-К или АМОВ-ЗМ на дождевальных машинах типа «Кубань», «Фрегат», «Волжанка» и др. Этот способ приводит к многократной магнитной обработке и сокращению на одну треть количества магнитных аппаратов.

7. Создано устройстве для магнитной обработки жидкости с управляемым выпрямителем, позволяющим автоматически, в зависимости от расхода жидкости, изменять ток в - обмотках, что стабилизирует параметры обработки и повышает энергетические показатели.

6. Ддя магнитной обработки проточной воды разработано и внедрено новое электромагнитное устройство - конусный соленоид с конусной спиралевидной укладкой водопродной трубки, конструктивные особенности которого обеспечивают дополнительный длительный и многократный эффект активации жидкости.

9. Разработана методика расчета параметров электромагнитных устройств для активации жидкости на примере конусного соленоида и даны расчеты аппаратов по этой методике для разных расходов жидкости.

Рекомендации производству.

1. При использовании дождевальных машин типа «Кубань», «Фрегат», «Волжанка» и др., оборудованных магнитными аппаратами типа АМОВ-К или АМОВ-ЗМ, проводить их размещение по одной из

феддоженных схем, позволяющих осуществлять многократную лагнитную обработку и сократить количество используемых аппаратов.

2. При использовании электромагнитных аппаратов для орошения зоды применять предложенные в работе новые конструкции, повышающие эффективность активации воды.

3. При выборе источников орошения учитывать требования, предъявляемые к оросительной воде с учетом особенностей почвы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Чеснюк Е.Е., Рабинович А.И., Александров АБ.Силовое воздействие электромагнитных полей на загрязненные в оды. //Труды КРАУ-1995. Вып. 346(374).

2. Куценко А.К., Кондратенко Л.Н., Мельников Н.М., Александров АБ. О влиянии вибраций на распределение давлений в многофазных средах. //Труды КГАУ-1995. Вып. 346(374).

3. Куценко КН., Атександров АБ., Бойко В.П. Действие магнитного ноля на изменение вязкости воды. //Тезисы докладов научно-практической конференции по вопросам улучшения характеристик электротехнических комплексов, энергетических систем и систем промышленного электроснабжения. - Краснодар: Изд-во КубПУ, , 1996 г.

4. Александров БЛ., Александров АБ. Электромагнитные и радиоационные поля в сельскохозяйственном производстве. //Труды

. КГАУ-1Э96. Вып. 354(332).

5. Александров А.Б., Александров Б Л. Об электронной проводимости металлов. //Труды КГАУ-1997. Вып. 360(388).

6.Куценко АН., Чеснюк Е.Е., Егхистратов В.В., Александров АБ. Электромагнитные аппараты для разделения многофазных сред

различных технологических процессов в с/х производстве //Труды КГАУ - 1997. Вып.360(388).

7. Александров А.Б., Александров БЛ. О потенциале ионизации атомов и молекул. //Труды КГАУ-1998. Вып. 370(398).

8. Александров А.Б., Александров БЛ., Богатырев Н.И. Ионизация воды в магнитном поле в условиях резонанса электромагнитных процессов. //Труды КГАУ-1998. Вып. 370(398).

Э.Александров А.Б., Александров БЛ. Возможности сравнительного анализа различных физических полей облучения веществ. //Тезисы докладов научно-практической конференции. КГАУ, Краснодар, 1998 г.

10. Александров А.Б., Александров БЛ., Куценко А.Н. Теоретические основы активации воды в магнитном поле. //Тезисы докладов научно-практической конференции КГАУ, Краснодар, 1998г.

" 11. Александров А.Б., Куценко А.Н. Магнитные аппараты для подготовки воды технологических процессов. //Научное обеспечение сельскохозяйственного производства. Сборник тезисов докладов второй краевой школы-семинара молодых ученых. Краснодар: Изд-во "Просвещение"-1998.



Кубанский государственный аграрный университет

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ Алексей Борисович

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ ОРОСИТЕЛЬНОЙ ВОДЫ

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Куценко А.Н.

Краснодар, 1998

Оглавление

Введение ..................................................................... 4

1. Анализ существующих разработок магнитных аппаратов

и воздействия магнитного поля на водные системы...... 8

1.1. Эффективность магнитной обработки оросительной воды. 8

1.2 Состояние разработок аппаратуры для магнитной обработки воды............................................................ 15

1.3 Существующие представления о механизме магнитного воздействия на водные системы..................................... 30

2. Водные системы как объект исследования...................... 46

2.1 Состав чистой природной воды,. ......................... 46

2.2 Классификация природных вод и :йх характеристика........ 48

2.3 Основные показатели качества воды.............................. 53

2.4 Требования, предъявляемые к воде для целей орошения..................................................................... 58

3. Разработка теоретических основ магнитной активации оросительной воды........................................................ 66

3.1 Предпосылки ионизационной активации оросительной воды в магнитном поле................................................. 66

3.2 Взаимодействие магнитного поля с атомом вещества...................................................................... 69

3.3 Научное обоснование возможности ионизации молекул воды в магнитном поле............................................85

3.3.1 1-е условие - равномерное распределение энергии магнитного поля ............................................................................................87

3.3.2 2-е условие - резонанс электромагнитных процессов........ 92

3.3.3 3-е условие - интерференция магнитных когерентных волн............................................................................. 99

3.4 Экспериментальное исследование и научное обоснование

влияния магнитного поля на величину рН водных систем........................................................................ 114

4. Разработка способов и технических устройств магнитной

активации оросительной воды........................................ 123

4.1. Научное обоснование новой характеристики магнитного поля - энергетической излучаемости............................... 124

4.2. Разработка усовершенствованного способа размещения магнитных аппаратов на дождевальных машинах.............. 131

4.3. Разработка электромагнитных устройств для магнитной обработки жидкостей..................................................... 133

4.3.1. Конусный соленоид........................................................ 134

4.3.2. Устройство для магнитной обработки жидкости с управляемым выпрямителем "Универсал-3"...................... 143

4.4. Результаты внедрения разработанных способов и технических средств магнитной активации оросительной

воды............................................................................ 149

Выводы........................................................................ 152

Литература................................................................... 154

Введение.

Интенсификация сельского хозяйства предполагает значительное увеличение урожайности сельскохозяйственных культур за счет выведения и широкого внедрения новых сортов, улучшения агротехники, применения прогрессивных приемов возделывания.

Одним из эффективных методов интенсификации сельскохозяйственного производства является орошение сельскохозяйственных культур [1-18]. По этому пути идут многие передовые сельскохозяйственные страны. Так например, площадь орошаемых земель в США на протяжении последних 30-50 лет ежегодно увеличивается [16]. Во многих штатах все орошаемые земли поливают способом дождевания. В прошлые десятилетия дождевание применялось, в основном, для полива таких дорогостоящих культур, как ягоды, овощи, табак, цветы, а также в садах и питомниках. Теперь же этим способом поливают значительную площадь посевов кукурузы, арахиса, сои и других культур.

Российская Федерация является одним из регионов интенсивного развития сельскохозяйственного производства в засушливой зоне на основе широкой мелиорации земель. Особенно за последние 15-20 лет заметно увеличились площади орошаемых земель, которые достигли 5,8 млн. га, при поливе их, в основном, дождеванием с использованием различной дождевальной техники, включая ДЦА-100М, «Волжанка», «Фрегат», «Кубань» и др. Это позволило получать более высокие и устойчивые урожаи зерновых, овощных, кормовых и других культур.

Анализ результатов исследований показал, что регулярное орошение является могучим фактором, воздействующим на водный и тепловой режимы черноземов. Поскольку сельскохозяйственное производство на орошаемых землях, как правило, сопровождается

ростом трудовых, материальных и денежных затрат на 1 га посевов, то основная задача работников водного и сельского хозяйства -максимально повысить отдачу каждого мелиоративного гектара. Поэтому одна из важнейших проблем мелиорации в условиях нарастающего дефицита пресной воды для орошения - изыскание приемов и методов повышения эффективности ее использования.

В последние 15-20 лет в нашей стране проведены глубокие исследования по практическому применению водных систем, активированных различными физическими воздействиями, с целью решения задач интенсификации технологических процессов и сельскохозяйственного производства [19-123]. Улучшая качество оросительной воды и ее полезное использование растениями для увеличения биомассы, можно снизить затраты по применению воды. Примером такого воздействия может служить применение воды с повышенной биологической активностью. Установлено, что такими свойствами обладает снеговая талая вода, дождевая, термически обработанная и омагниченная. Отмечено, что при поливе растений этими водами увеличивается урожайность культур, ускоряется рост и развитие растений [6]. Однако, широкое применение дождевой и талой воды сдерживается целым рядом технических причин. Так, для сбора этих вод требуются специальные накопительные емкости, а для термической обработки - дорогостоящие и малопроизводительные установки. Более перспективной для сельского хозяйства является омагниченная вода.

В решениях сессии ВАСХНИЛ по ускорению научно-технического прогресса в механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства, состоявшейся еще в мае 1979г., было отмечено, что «...одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в области электрификации сельского хозяйства является разработка методов и технических средств применения электрофизических способов воздействия на

биологические объекты для повышения их продуктивности с учетом требований охраны окружающей среды. Широкие перспективы в повышении продуктивности зерновых, овощных и других культур, их устойчивости к болезням, стимулировании роста, а также качества урожая открывает применение электромагнитных и магнитных полей в процессах предпосевной обработки семян и воздействия на растения, а также подготовки поливочной воды в оросительных системах».

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал [1,3,21-27,41-44,83,84], свидетельствующий о положительном влиянии магнитного воздействия оросительной воды на рост, развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур.

Однако, теоретическое обоснование наблюдаемых эффектов в имеющихся работах не приводится, а выдвинутые гипотезы по данному вопросу различны и часто противоречивы. До сих пор не проводилось и систематических работ по выяснению механизма магнитного воздействия на оросительную воду и оценки ее энергетической активности. Это сдерживает развитие более рациональных по сравнению с существующими технических решений по оросительным установкам с магнитным воздействием и не позволяет широко, целенаправленно и эффективно внедрять омагничивание оросительной воды в сельском хозяйстве.

Учитывая вышеизложенное, данная диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ и технических средств магнитной активации оросительной воды.

В отличие от большинства ранее выполненных работ в данной диссертации выдвигается концепция ионизационной активации оросительной воды при воздействии магнитного поля; теоретически и расчетным путем доказывается возможность ионизации воды в условиях равномерного распределения энергии магнитного поля, резонанса электромагнитных процессов и при интерференции

магнитных когерентных волн; разрабатываются новые способы и технические устройства для магнитной активации воды, а также методика расчета их параметров.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК МАГНИТНЫХ АППАРАТОВ И ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА

ВОДНЫЕ СИСТИЕМЫ

1.1. Эффективность магнитной обработки оросительной воды

Первые сведения об улучшении роста растений (подсолнуха на 21%, сои - на 40%) при их поливе водой, прошедшей предварительную магнитную обработку, опубликованы Дардымовым И.В., Брехманом И.И. и Крыловым А.В. в 1965 г. [85]. В 1967 г. Лисин В.В. и Молчанов Л.Г. [86] отметили, что при использовании омагниченной воды высота лука и моркови увеличилась на 22%, гороха - на 14%, помидоров - на 18%.

Орошение риса омагниченной водой впервые ввели в практику в 1970 году в рисосовхозе «Восход» Чимкенской области Казахстана. Вода обрабатывалась постоянным магнитным полем с напряженностью 96 кА/м со скоростью протекания воды порядка 0,8 метра в секунду [43]. На Кубани и в других регионах страны внедрена предпосевная обработка семян риса магнитным полем, и в работе [87] опубликованы результаты опытов полива риса омагниченной водой в Казахстане (1970 г.) и на Кубани (1971 г.), показавшие возможность уменьшения расхода оросительной воды на 25% и повышение урожая на 18%.

В течение 1971 - 1980 гг. Яковлев Н.П. и Колобенков К.И. проводили систематические опыты в вегетационном домике и на полях опытно-производственного хозяйства Волжского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации. Результаты опытов 1971-1972 гг. «...свидетельствуют о том, что при поливе гороха, сои, редиса, помидоров, огурцов, кукурузы и других сельскохозяйственных растений омагниченной водой последние

лучше развиваются, на 1 - 3 дня раньше наступают фазы цветения и созревания, на 10 - 45% повышается урожайность» [88].

В 1974-80 гг. опыты проводились в производственных условиях при поливе яровой пшеницы агрегатом ДДА - 100М с постоянными магнитами и дождевальными аппаратами «Фрегат». Напряженность магнитного поля не превышала 4 А/м. Прибавка к урожаю при поливе омагниченной водой составила 15-23%. Наблюдения в процессе вегетации яровой пшеницы показали, что при поливе омагниченной водой всходы и фазы развития наступали на 1-3 дня раньше, чем при поливе обычной водой. В первом случае наблюдалось более мощное развитие надземной массы, заметное уже в фазе кущения [88].

В хозяйствах Александровского района Кировоградской области использовали магнитную обработку воды (магнитогидродинамический способ) при орошении в растениеводстве [44]. Воду обрабатывали магнитотронами М30-40-1. Технология обработки заключалась в том, что обычную воду пропускали со скоростью 1,5-2м/с через магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям. Опытные поля в двух хозяйствах площадью от 3 до 50 га орошали дождевальными машинами ДЦА-100МА и «Волжанка». Дифлекторные насадки одного их крыла оборудовали аппаратами МЗО-40-1 дня магнитной обработки воды напряженностью магнитного поля 32 кА/м с магнитной индукцией 40 мТл. При прочих равных условиях омагниченная вода оказала положительное влияние на высоту растений, число листьев, цветков, плодов, способность к лежке. По результатам экономического расчета чистый доход благодаря применению омагниченной воды ( только в двух хозяйствах района) составил 52,77 тыс.руб. [44].

В работе [41] приводится описание крупномасштабных опытов по магнитной обработке оросительной воды в зерносовхозе «Кубанский» Краснодарского края. Речную воду обрабатывали

шестью параллельно установленными магнитными аппаратами местного производства. Урожай гороха и овса на участке, поливаемом омагниченной водой, был на 21% больше, чем на контрольном. Урожай сахарной свеклы возрос на 14%. Одновременно отмечена возможность снижения расхода оросительной воды на 1118%, а также удаление из активного слоя почвы 23% солей. Результаты полевых опытов в Поволжье и на Кубани показали хорошее соответствие.

Эксперименты, проведенные во ВНИИ масленичных культур [83, 84], показали, что рассада, поливаемая омагниченной водой, была более крепкой и отличалась лучшей приживаемостью при пересадке ее в грунтовые теплицы. Полив омагниченной водой растений горчицы в течение всего периода вегетации при выращивании их в камерах искусственного климата способствовал формированию более продуктивных растений с высоким коэффициентом размножения.

В работе [41] описаны эксперименты Мамедова С.М., который подвергал омагничиванию минерализованную (14 г/л) воду Каспийского моря, которую затем использовали для орошения овощных и кормовых культур, что привело к повышению урожайности (в ц/га) баклажанов - на 90%, кукурузы - на 30%, сорго - на 24%.

Эргун Ар [92] отмечает, что для бедной почвы существенного различия в урожайности помидоров, поливаемых обычной и омагниченной водой, не обнаружено, а на плодородной «...растения, поливаемые магнитной водой, по всем показателям превосходили контрольные на 30%. ... Предполагается, что обработка воды влияет на кальциевый баланс и на усвоение растениями питательных веществ».

Мартене А. и Мартене Б. в рубрике «Живая вода» [58] отмечают, что омагниченная. и снеговая вода проявляют большую

активность в биохимических процессах, чем вода обыкновенная. Орошение омагниченной водой кукурузы дало прибавку урожая на 7,8 ц/га по сравнению с контролем. Полив омагниченной водой моркови и помидоров способствовал ускоренному их росту и развитию, обеспечивая прибавку урожая на 10-30%. Успешно прошло и рассоление почвы с помощью омагниченной воды. Опыт проводили в одном из таджикских совхозов.

Длительные исследования в период 1971 - 1986 г.г. ВолжНИИГиМе [1] при поливах дождевальными машинами с магнитными аппаратами АМОВ-3 подтвердили повышение продуктивности с/х культур: яровой пшеницы - на 17,7%, кукурузы -на 38%, люцерны - на 17,2%. Многолетние лабораторно-полевые и полевые исследования [1] по орошению с/х культур омагниченной водой показали, что:

1) орошение способствует развитию мощного ассимиляционного аппарата, накоплению больше сухой надземной биомассы и получению более высокого урожая;

2) повышается микробиологическая активность почвы, что в итоге способствует интенсификации процесса корневого питания растения;

3) реальный экономический эффект от орошения яровой пшеницы дождевальными машинами ДЦА-100МА и «Фрегат», оборудованными аппаратами АМОВ-ЗМ, составляет в среднем более 50 р., а от орошения люцерны и кукурузы - 180...200 доминированных руб. на 1га в год.

На основании полученных результатов Минводхоз СССР, Министерство с/х СССР и Минплодовощхоз СССР наметили необходимые мероприятия по проведению в 1983 г. производственных испытаний эффективности использования омагниченной воды для орошения с/х культур в Саратовской, Волгоградской, Астраханской обл., в Краснодарском и

Ставропольском краях на площади не менее 9 тыс. га (испытания были продолжены в 1984 и в 1985 гг.). Минводхоз СССР обеспечил изготовление, распределение и контроль за установкой 10 тыс. аппаратов АМОВ-ЗМ в 1983 г. и 40тыс. - в 1984 г.

Использовали дождевальные машины «Фрегат», ДДА-100МА и «Волжанка», оборудованные (по рекомендациям ВолжНИИГиМа) аппаратами АМОВ-ЗМ. Испытания проводили по единой методике, разработанной научными и производственными организациями Минводхоз СССР, Министерства с/х СССР и ВАСХНИЛ. В производственных испытаниях, кроме ВолжНИИГиМа и его опытных станций, приняли участие Саратовский СХИ, Всероссийский НИИОЗ, Всесоюзный НИИ орошаемого овощеводства и бахчеводства, Ставропольский НИИГиМ , Кубанский СХИ.

Значения средневзвешенных прибавок урожая основных с/х культур, полученных от полива водой, активированной магнитным полем, приведены в таблице 1.1 [1].

Авторы [1] отмечают, что прибавка урожаев тем выше, чем выше число поливов. Поэтому, например, томаты, число поливов которых составляет 12-14, имеют прибавку до 36,5% (Ставропольский край), а число поливов зерновых обычно не более трех, и прибавки урожая за три года проверки не превышали 14,8%. Следует также отметить, что выпадающие осадки очень сильно нивелируют разность урожаев между опытом и контролем.

Анализ качества зерна яровой пшеницы сорта Ершовская 32, проведенный лабораторией ВНИИОЗ в 1984 г., показал, что полив водой, обработанной магнитным полем, способствует увеличению содержания азота в зерне на 0,68% , клейковины - на 9,8% и выхода хлеба из 100 кг муки -на 24 кг.

Таблица 1.1

Средневзвешенные прибавки урожая �