автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Влияние электромагнитных полей на образование твердых отложений в аппаратах технологических процессов сельскохозяйственных производств

гч.

О?

О

3

На правах рукописи

со

со I

- Кондратенко Лариса Николаевна

Влияние электромагнитных полей на образование твер -дых отложений в аппаратах технологических процессов сельскохозяйственных производств.

Специальность 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

диссертации на соискание ученой степе!а! кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

. Краснодар -1997

Работа выполнена в Кубанском государственном аграрном университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Куцснко А.Н. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущее 11рсд1 фиятие: АООТ "Динсксахар"

Защита состоится " 1997 г в ю час

на заседании диссертационного совета К 120.23.07 Кубанского ордена Трудового Красного Знамени государственного аграрного университета по адресу: 350044, г.Краснодар, ул.Калинина, 13, факультет электрификации сл. зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан " ^ " 1997 г.

Учетлй секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук,

профессор Ксенз Н.В., заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Гайтов Б.Х.

доцент

Общая характеристика работы Актуальность темы. Общеизвестно, что тепловая обработка водных растворов сопровождается образованием твердой фазы в виде осадков различной прочности на стенках тепловых аппаратов. В связи с малым коэффициентом теплопроводности накипеобразований, последние приводят к значительному снижению теплопередачи, уменьшению проходного сечения в трубах, перегреву аппарата, перерасходу топлива, вследствие чего снижается КПД установки, нередко случаются и аварии. Коэффициент теплопередачи вследствие накипеоб-разования не является постоянной величиной. Для реальных условий работы выпарной станции он непрерывно и значительно изменяется во времени, причем термическое сопротивление накипи для отдельных корпусов выпарной станции нередко достигает 50-60% от общего термического сопротивления теплопередачи. Отечественные сахарные заводы перерасходуют за сезон производства вследствие накипеобразования до 100 тыс.т топлива, до 10 тыс.т кислоты и соды, а потери производственного времени достигают 1100 заводо-суток.

Чтобы восстановить производительность тепловой аппаратуры необходимо произвести снятие никипи. Очистка аппаратуры от накипи весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс, связанный с изменением режима работы тепловых аппаратов, с применением химических реагентов, изменяющих солевой состав водного раствора.

В настоящее время с целью предупреждения накипеобразования и снижения его интенсивности в аппаратах технологических процессов сельскохозяйст-

венных производств обычно применяют дорогостоящий химический метод обработки и очистки воды.

Проблема снижения накипеобразования в теплообменных аппаратах требует разработки простого и дешевого метода водоподготовки, обеспечивающего эффект, сравнимьп1 со способами химической водоподготовки. Таким методом является электромагнитная обработка воды.

Целью работы является теоретическое обоснование параметров и характеристик электромагнитного поля для обработки водных растворов в АПК и разработка методов и моделей регистрации эффекта действия электромагнитных полей на образование твердых отложений.

Научная новшна заключается в следующем :

- изучены физические свойства и механизм действия электромагнитных полей на многофазные системы;

- получены уравнения движения многофазных сред в эекгромагнитных полях;

- гаучены режимы осаждения и всплывания механических примесей сточных вод под воздействием электромагнитных полей;

- разработаны: методика контроля эффекта действия электромагнитных полей на водные системы; методика определения количества содержащейся твердой

- фазы в жидкой среде, методика расчета гранулированного состава твердой фазы в водной среде;

-разработаны теоретические предпосылки для построения методов и моделей

регистрации образования твердых отложений многофазных сред в электромагнитных полях.

1 фактическая ценность выполненных исследований заключается в продлении срока службы водонагревательных аппаратов в АПК с сохранением их базовых фтических и технико-экономических характеристик. Отпадает необходимость в регулярном отключении котловых установок для очищения их от накипи, а бесперебойная работа нроизводсгва влечет за собой большой экономический эффект.

Методика исследований включает аналитические и экспериментальные методы. Аналитические методы исследования базируются на современных теориях : теории электромагнитного поля ; теории линейных и нелинейных электрических и магнитных цепей; аппарат функционального анализа. Экспери-' ментальные исследования проводились на базе сахарного завода в станице Динская Краснодарского края.

Реализация результатов и использование электромагнитных аппаратов для создания электромагнитных полей с целью борьбы с твердыми отложениями в тегсюобменной аппаратуре проводились на базе производства сахарного завода в сганице Динская.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы и основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах:

1). Международная научно-техническая конференция "Механика маши-носгроения", Камский политехнический институт, Набережные Челны, 1995.

2). Научно-практическая конференция, КГГГУ, Краснодар, 1995.

3). Научно-практическая конференция молодых ученых, КГАУ, Красно-, дар, 1995.

4). Научный семинар, КГАУ, Краснодар, 1996.

Публикации результатов. Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 139 наименований и приложения, содержит 128 страниц, включая 14 рисунков и 8 таблиц.

Содержание работы

В первой главе проведен анализ химического состава воды, сделаны некоторые теоретические предпосылки к эффекту магнитной обработки водных растворов для предупреждения образования твердой фазы. Борьба снакипеоб-разованием идет по двум направлениям: в направлении предупреждения наки-пеобразования пу тем соответствующей обработки и очистки воды и в направлении снятия образовавшейся накипи путем очистки внутренних поверхностей аппаратуры.

Магнитная обработка воды до некоторой степени совмещает эти два на- . правления, при которых происходит шламообразование и разрыхление образовавшейся накипи, легко удаляемых при очистке.

Намапшчевание вещества происходит в следствие ориентации векторов магнитных моментов молекул и появления дополнительных молекулярных токов индуцированных полем. Процессы в теплообменниках, рассматриваемые нами, протекают в средах со слабой магнитной восприимчивостью. В твердых магнетиках их взаимодействие с магнитным полем проявляется в выталкивании диаматистоков и втягивании парамагнетиков; в водных растворах это явление может проявляться в противонаправленное™ движения парамагнитных и д иамагнитных ионов по отношению к приложенному магнишому полю.

Магнитный момент, согласно квантовой теории парамагнетизма, имеет определенное направление и в случае наложения магнитного поля внутри данного тела возникает весьма сложный процесс, который характеризуется боль- . шой поляргоуемостью, взаимодействием ионов друг с другом путем обменного взаимодействия. В зависимости от напряженности поля при его наложении, на атомы возникает добавочная сила Лоренца Р= 1 /С (Неот ), которая вызывает изменения движения электрона, где Н - напряженность поля; С- заряд электрона; V/ - круговая частота; Г - рад иус; С - скорость света.

Действие магнитного поля на состояние среды подтверждается и термодинамикой процесса. Изменение магнитного состояния магнетиков при бесконечно малых обратимых процессах определяется основным уравнением термо-

динамики "" ~ ~

5и = Тб8-р5У+-1нбВ,где5и-

----- „ ^ - изменение пол*

4л

ной энергии;

5 V - изменение объема магнеггика; 5 Б - изменение энтропии; Р - внешнее давление; Т - температура.

В случае адиабатно-изохорического процесса, когда 5 Б^бУ = 0, тогда

5 и = —— Н б В , т. е. шменение полной энергии пропорционально юмене-471

ник) магнитного состояния машет пса. •

Воздействие магнитного поля на среду зависит от состояния обрабатываемой среды в теплообменной аппаратуре, которая характеризуется наличием частично осевшей накипи на внутренних стенках аппарата и водным раствором с пересыщенным состоянием в некоторых областях нагрева. Жидкая фаза является слабым раствором электролита, заключенного в металлический корпус, в котором соли частично диссоциированы на ионы. Внутри теплообменника происходит теплопередача от стенок нагревательных труб к воде, сопровождаемая медленной кристаллизацией солей как в объеме жидкой фазы, так и на стенках теплообменника.

Вторая глава посвящена физическим свойствам й уравнениям движения многофазных сред, помещенных в силовые поля.

Сумма всех сил, действующих на примеси в сосуде, будег:

р=<РтЧ-Рж(1-6В)> где рх - плотность механических примесей;

Рж - плотность жидкости;

4 - ускорение силы тяжести;

5 - плотность тока;

В - индукция магнитного поля. Представим себе, что в некоторой системе координат электромагнитное поле характеризуется векторами напряженности электрического поля Б и магнитной индукции В магнитного поля. По отношению к этой системе координат частица с зарядом С} движется в зазоре магнитного аппарата со скоростью V. Со стороны электрического н магнитного полей на эту частицу действует сила

?=ЯЁ + Ч[у"&] , где Ц Ё - сила со стороны электрического поля; Ц [ V В ] - сила со стороны магнитного поля. На частицу будут действовать электрическая £» и магнитная сн-ли, совпадающие по направлению. Кроме сил и частицу будет

действовать сила потока Тп водной системы, вдутая но направлению V, а также сила £ш от взаимодействия Вр и тока, протекающего в водной среде. Таким образом, результирующая сила будет равна

-10? =.?э+1 +1 + ?эм

Под действием названных сил частица в зазоре магнитного аппарата будет совершать движение по спирали вокруг магнитного аппарата. Для частиц заряда одного знака (+) направление спиралеобразного вращения будет одинаково, для частиц заряда (-) направление спиралеобразного вращения будет противоположно частицам знака (+).

Известно, что одной из причин, препятствующих осаждению твердых частиц в жидких средах является присутствие заряда одинакового знака на частицах. Из вышеизложенного становится очевидным тот факт, что в результате прохождения воды через зазор магнитного аппарата происходит нейтрализация зарядов на частицах, а следовательно, их коагуляция, конечный результат которой влияет на увеличение скорости осаждения твердой фазы в аппаратах технологических процессов сельскохозяйственных производств.

В третьей главе проведено исследование режимов осаждения и всплывания механических примесей водных растворов, исследование режимов образования твердых отложений в теплообменной аппаратуре.

Сближение частиц механических примесей водных растворов АПК может быть вызвано броуновским движением (тепловая коагуляция), либо же на броуновское движение накладывается упорядоченное движение частиц, под действием гидродинамических, электрических, магнитных, гравитационных и тд. сил. Под влиянием теплового или какого-либо силового

движения механические примеси могут попадать в сферу действия вокруг какой-то частицы, при этом происходит их соударение, слипание. В то же время может происходить процесс адсорбции высокодиспсрсных частиц относительно более 1рубодишерсными при совместном осаждении. Если на всех расстояниях между частицами силы притяжения преобладающ над силами отуалкивадаи, то будет происходить быстрая коагуляция, вызывающая образование крупных ахрегатов. В ходе этого процесса отдельные частицы сближаются вплоть до непосредственного контакта, а зртем укрупняются вследствие слияния. На процесс коагуляции существенное влияние оказывают внешние факторы, в частности электрически и магнитные -»

поля. Каждая частица любого вещества, кроме диамагнитного обладает* магнитным моментом. Так как механические примеси водных растворов АПК принадлежат в основном к группе парамагнетиков с ферромагнитными включениями, то они обладают магнитным моментом. Таким образом, между механическими примесями вод АПК будет возникать электростатическое и магнитное взаимодействия, которые окажут существенное влияние на процесс коагуляции.

С увеличением времени контакта и силы взаимного сжатия тонких и более крупных частиц степень покрытия частицы тонкими частицами возрастает. Механизм этого покрытия аналогичен случаю прилипания частиц к пузырькам. Сила столкновения мелких частиц с более крупными будет больше силы столкновения мелких частиц. Поэтому мелкие частицы ак-

гивнее налипают на более крупные, чем слипаются друг с другом. Пленка ш мелких частиц, покрывающая более крупные частицы, повышая гидра-тированность поверхностей и изолируя пузырек от частицы, препятствует прилипанию ее и к пузырькам, т.е. препятствует всплыванию и способствует коагуляции.

В четвертой главе разработаны методы и модели регистрации образования твердых отложений многофазных сред, помещенных в силовые поля.

Влияние магнитного поля в отношении предотвращения накепеобра-¡ованпя и осаждения частиц механических примесей следует рассматривать как фактор, влияющий на процесс кристаллизации накипеобразователей. 11роцесс кристаллизации можно рассматривать состоящим из трех основных стадий: достижение пересыщения, образование центров кристаллизации, роет кристаллов.

Пересыщение еще не является достаточным условием для начала кристаллизации. Наряду с ним, необходимо, чтобы в растворе находилось не* которое количество мельчайших твердых частиц, известных под названием центров кристаллизации, "затравок" или зародышей. Образование центров кристаллизации может начаться самопроизвольно или их можно вызвать искусственным путем.

Смещение твердых частиц небольших размеров относительно воды происходит не по границе твердой частчцы, а по поверхности, находя-

щейся на некотором расстоянии от частицы. Иными словами, частицы перемещаются в воде, прочно удерживая очень тонкий слой воды, покрывающий эти частицы. Благодаря укрупнению частиц диффузионные силы уменьшаются и становится возможным осаждение взвеси. Наличие у частиц одноименных электрических зарядов препятствует их сближению, а вследствие этого не происходит укрупнения и осаждения взвешенных в воде частиц. При рассмотрении вопрос коагуляции будем исходить из предположения, что частицы коагулируют, т.е. слипаются при каждом соприкосновении.

Так как шарообразные частицы соприкасаются, когда расстояние между их центрами делается равным сумме их радиусов, то одну частицу можно заменить "поглощающей" сферой с радиусом 2г. Другие частицы - их центрами. Обозначим ф(а, 1)' вероятность того, что центр частицы, находящейся в момент 1—0 на расстоянии а от цен фа "поглощающей" сферы, соприкоснется с ней за время I.

Если счетная концентрация частиц равна С, то с "поглощающей" сферой соприкоснется за время 1 в среднем

частиц, центры которых находились в момент 1—0 на расстоянии ('Л, а+ёа) от центра "поглощающей'' сферы. Всего же с нем соприкоснется

за время 1

Ф=4тсС] ф(а, О а2 ёа, частиц, За время (г',

• I

соприкоснется:

дФ °> 5<р(а ^

—- сН = 4п С<й/ —~— а2с1а частиц, а за время (0,1) :

от а!

ф =4тгСЯ^^а2аа(11 частиц. Эх

Количество вещества Q, диффундирующего сквозь единицу

I

площади плоскости будет пропорционально градиенту

с1С|_

концентрации частиц в этой плоскости, т. е. I — £. . Коэффициент пропорциональности между О и--- обозначим К. Величина

бZ

этого коэффициента зависит как от свойств среды, так и от свойств частиц и называется коэффициентом диффузии. Итак : СЛ — К"" .

Величина О , количество частиц, диффундирующих за единицу времени

через единицу площади, равно С\Л , где V - скорость движения частиц под действием градиента сил.

Иодставив вместо

С^р^р-С^р^р Ка

ас

его значение

получим

?. = -

Подставив в последнее выражение вместо С1(р,2)Ьр и С2 (р, 2)с!р их значения соответственно:

С1(р,2)с1р = ~/С(р-р1С2^р-С(р,2)у(р1 — р12,р,)х

С. О

8(р-р1,р,^р - - г

х / с! V • е*р

-о> 1с

Чо-1)'+(Чо-1)~Чм)2)?

252

х ехр

252

х /<А/2/<1Ч2/сП/12ехр

—ОЭ —СО —00

Ч2+(Ч-ч)2

25'

х ехр

25 ^

получим выражение, описывающее градиентную силу, возникающую при осаждении твердых частиц в жидких средах.

В пятой главе приведена конструкция электромагнитного аппарата для обработки воды с целью борьбы с твердыми отложениями в аппаратах технологических процессов АПК, представлен расчет экономической эффективности аппарата

Принципиальная схема аппарата*для машигнон обработки воды с электромагнитом 1-сердечник; 2-направление силовых линий; 3-корпус; 4-зазор; 5-упоры; 6,7-вход и выход воды; 8-кожух; 9- катушка.

Для определения эффективности действия магнитного поля на изменение физических свойств воды была разработана и опробована методика принудительной циркуляции с нагреванием. Установка состоит га следующих элементов:

1- устройства для циркуляции насоса с -электродвигателем, мощностью 80 Вт;

2- емкости для приема циркулирующей жидкости;

3- зажима для регулирования скорости;

4- охладителя для охлаждения жидкости;

5- ротаметра типа РС-3 для определения расхода жидкости:

6- электромагнитного аппарата с шестью полосами:

7- электронагревателя с регулируемой мощностью:

8- контрольной трубкой с ловушкой.

Части установки соединены между собой резиновыми трубками.

В контрольную трубку помещалась

собой набор металлических

ловушка, представляющая сеток. Ловушка предназначена для увеличения площади соприкосновения мегал;,ической поверхности с нагретой жидкостью. При циркуляции жидкости твердые отложения

солеи будут отлагаться на нагретых поверхностях контрольной трубки и ловушки.

в процессе проведения экспериментов продолжительность циркуляции Зл залитой жидкости составляла один час. После циркуляцию прекращали, нагреватель выключали, контрольную трубку вместе с ловушкой отсоединяли, извлекали из нагревателя, промывали струей дистиллированной воды и просушивали в термостате. Выделившиеся отложения солей определяли по привесу контрольной трубки, взвешиваемой на аналитических весах.

Результаты исследования влияния электромагнитных полей на образование твердых отложений в теплообменной аппаратуре.

О. Sí 0,36

QSf

SSO Ato $Ю 380 ¿30 too л /Ог A/M .

Зависимость вязкости воды от напряженности магнитного поля

С,г/Л

6

б

Ц

Ь 2 1

•

\ Л \\ \

\ > \ X Л > \

\ \\ \ \

г\ •V • \ • • .

•1 ^ 1 Ь \ \ X •

О 20 40 60 80 100 ш т

мин

Кинетические кривые влияния магнитного поля на кристаллизацию сульфата кальция.

I- контрольная кривая; 2- 10x103 А/м; 3- 25x103 А/м; 4- 30x103 А/м; ^ 5- 35х103 А/м; б- 38x10» А/м; 7- 40x103 А/м.

Экоцомическнй эффект от применения электромагнитной обработки водно-дишершон системы связан прежде всего с тем, что карбонатной накипи на поверхности нагрева образуется значительно меньше, Мем при использовании необработанной воды. В связи с этим отпадает надобность в химических реагентах, предназначенных для обработки воды, увеличивается период между чистками теилоагрегата, повышается производительность агрегатов. Благодаря отсутствию накипи на нагревательных поверхностях можно достичь значительной экономии в расходе топлива: при чистке котлов от накипи расходуются реактивы (кислоты, сода), электроэнергия, специальные инструменты для чистки. Применение электромагнитной обработки освобождает персонал от необходимости расходовать реагенты докотловой и виутрикотловой химической обработки воды.

Годовая экономия состоит из экономии по топливу, химическим реактивам, экономии на чистках тегшообмеиной аппаратуры, экономии от ликвидации простоев предприятия.

Расчеты годового экономического эффекта

«

Э=((4,02+Ю,15х95Н1Д28+ОД5х16))х5800=в5 млн.руб.

Э= ((С1+КХК1НС2+ЕХК2)) х П - формула для вычисления годового

экономического эффекта.

С1 и Сг - эксплуатационные расходы.ио вариантам;

Е=0,15 - нормативный,коэффициент эффективности капвложении;

1м и Кг - капвложения по вариантам;

П - объем очищаемой воды.

Заключение

1. В результате анализа лабораторных и промышленных данных установлено, что в процессе эксплуатации установок теплообменной аппаратуры происходит процесс отложения твердой фазы многофазной среды (жидкая, твердая, газообразная) на стенках теплообменной аппаратуры, и результате чего уменьшается пропускная способность и срок службы аппаратуры. Рекомендуется с целью увеличения срока службы аппаратуры использовать воду и указанных установках, подг отовленную эл.м. методом.

2. Созданы методы и методики определения параметров вода и эл.м.аппаратов (твердые отложения, вязкость, напряженность магнитного поля, эл.м.сила и др.), позволяющие исследовать ряд зависимостей воды от соответствующих параметров с целью выбора оптимального режима работы установок теплообменной аппаратуры.

3. Разработаны и нашли применение в практике конструкции и методики расчета эл.м.аппаратов, а также методы интенсификации

при эксплуатации установок теплообменной аппаратуры с использованием воды, подготовленной эл.м.методом.

4. Исследован механизм действия эл.м.полей на многофазные среды (жидкая, твердая, газообразная) с цепью выяснения, эффекта действия на воду, используемую' в установках теплообменной аппаратуры для борьбы с твердыми отложениями.

5. Определены оптимальные параметры воды и эл.м.аппаратов при подготовке воды эл.м.мётодом, с целью использования в установках теплообменной аппаратуры для уменьшения твердых

отложений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Куценко А.Н., Кондратенко Л.Н., Мельников Н.М. К вопросу о выводе дифференциального уравнения осаждения твердых часгиц.в жидких средах под влиянием магнитных полей. Медународная научно-техническая конференция "Механика машиностроения". Камский Политехнический институт. Набережные Челны. Тезисы докладов, 1995, с.61.

' 2. Куценко А.Н., Кондратенко Л.Н. Влияние электромагнитных пален ' на образование твердых отложений в технологических процессах сельскохозяйственного производства. Труды КГАУ, Краснодар, 1993, Вып.331 (359), с.39.

3. Пота![ако И.А., Куценко А.И., Кондратенко Л.Н. Новый метод обработай котловой воды на предприятиях АПК. Труды КГАУ, Краснодар, 1993, Вын.ЗЗ 1(359), с.65.

4. Куценко А.Н., Кондратенко Л.Н. Влияние магшгтной обработки воды на некоторые свойства воды и водных растворов. Труды КI 'А У, Краснодар, 1996, Вып.352(380).

5. Кондратенко Л.Н. Некоторые теоретические представления о механизме действия мал нгптого поля на воду и ее примеси. Труды КГАУ. Краснодар, 1996, Вьи 1.352(380).

-246. Куценко А.Н., Кондратенко Л.Н., Мельников Н.М. Расчет электромагнитных сил в многофазных средах, помещенных в силовые поля. Труды КГАУ, Краснодар, 1995, Вып.346(374),с.16. 7. Куценко А.Н., Кондратенко Л.Н. О математическом моделировании воздействия электромагнитных полей на осаждение твердых частиц в водных растворах. Куб. ГТУ, Сб. науч. трудов "Вопросы прикладной математики и механики", Вып. 2, Краснодар, 1996.