Инженерная методика по определению параметров электроактиватора

В ходе проведения многочисленных исследований было доказано, что для улучшения экологической безопасности и улучшения качества рабочего раствора возможно применение инновационных электротехнологий, в частности применение электроактиватора [1,3,4].

Для изучения параметров и режимов электроактиватора была представлена система, включающая в себя электроактиватор, рабочий раствор, сорную растительность и рассмотрена подсистема «Электроактиватор».

Полученные уравнения системы описывают параметры раствора на выходе из электроактиватора и его режим работы. Первое уравнение системы определяет степень опреснения воды на выходе относительно исходной минерализации. Второе уравнение позволяет определить температуру выходного раствора при заданной производительности, степени опреснения и учитывает при этом коэффициент газообразования. Третье уравнение позволяет произвести расчет коэффициента концентрирования без использования номограмм, что значительно упрощает процедуру расчета. Четвертое уравнение получено для расчета водородного показателя при заданном токе и производительности. Пятое уравнение системы позволяет производить расчет тока, который необходим для опреснения воды до нужной степени. Так же это уравнение позволяет рассчитать критический ток, при превышении которого начнется активное газовыделение. Уравнение позволяет определить эффективный режим управления с оптимальными энергозатратами. Энергические параметры так же учитывает предложенная математическая модель. Они отражены в пятом и шестом уравнениях системы (1) и позволяют при заданном режиме работы определить мощность электроактиватора и расход электрической энергии, что очень важно при определении экономической эффективности.

Исходя из анализа математической модели электроактиватора и в зависимости от режимных и конструктивных параметров появилась возможность получения номограмм (рис. 1−3) для уменьшения трудоемкости при решении инженерной задачи построения электроактиватора для источников воды с различным минеральным составом и получения необходимого объема раствора.

Рисунок 1. Номограмма зависимости рН раствора от тока и конечной минерализации при различной производительности и начальной минерализации автоматизация программный электроактиватор управление Данная номограмма позволяет определить ток для необходимого обессоливания раствора при различной производительности установки и графически определить уровень кислотности при заданном режиме работы. Существенным достоинством данной номограммы так же является возможность определения эффективного диапазона воздействия тока при нужной степени обессоливания. Данное достоинство позволит графически определить границы режима управления тока при приближении показателя степени минерализации к нулю и избежать превышения затрат электроэнергии и увеличению коэффициента газонаполнения.

Номограмма (рис 2.16) позволяет определить температуру раствора на выходе из камеры при различной электропроводимости и конечной минерализации и известной температуре исходной воды. Так же график позволяет убедиться в возможности регулирования температуры меняя коэффициент производительности d.

Рисунок 2. Номограмма зависимости электропроводности от начальной температуры и температуры электролита на выходе из камеры при различных коэффициентах смещения температуры и конечной минерализации Для получения энергетических характеристик согласно математической модели получена номограмма (рис. 2). Исходя из полученной электропроводимости, при известном токе задав геометрические размеры канала протекания раствора через конструктивный параметр К_к возможно определить сопротивление камеры, что в свою очередь позволяет найти величину мощности на камере. При заданной производительности далее возможно графически определить затраты электроэнергии для производства 1 литра анолита.

Рисунок 3. Номограмма зависимости электропроводности, сопротивления и расхода электроэнергии при различных токах, конструктивных параметрах и производительности В результате графического анализа была получена следующая методика:

• 1. Необходимо определить тип используемого гербицида. В зависимости от этого препарата установить соответствующие требования к качеству воды на выходе из камеры анолита. Для примера работы с методикой примем гербицид Раундап, принадлежащий к группе глифосат. Требования к качеству рабочего раствора для данного препарата: рН = 6ч7; С_к=0,15 г./л; t_вых=25°С
• 2. Определяется необходимый объем рабочего раствора, задается время обработки и производительность активатора. Предположим, площадь земель отводимых в хозяйстве под обработку гербицидом составляет 50 га. Время для проведения работ — 14 дней. Расход рабочего раствора 150 л/га. Следовательно, необходимо подготовить: 7500 литров анолита. В день необходимо получить 535 л. Предположим обработка будет происходить в утренние и вечерние часы, значит достаточная производительность по анолиту будет составлять Q_ан=50ч75 л/ч.
• 3. Определить параметры воды из источника, который будет использоваться для приготовления рабочего: водородный показатель, минеральный состав (Са, Mg, Na, SO4, HCO₃, Cl), электропроводность, температура. Данный анализ может произвести химическая лаборатория, либо самостоятельно с помощью лабораторных приборов. Возьмем следующие данные предположительного анализ воды (табл. 1).

Таблица 1. Данные анализа воды.

• 4. Определить по выражению (2.8) коэффициент концентрирования К_с. При заданной характеристике воды коэффициент концентрирования будет равен:
• 5. По номограмме (рис. 2.15) при заданной производительности определяется ток, необходимый для достижения нужных параметров и далее переходя по номограмме (рис. 2.15) определяется уровень водородного показателя при заданном режиме. Для принятых параметров получено значение (рис. 2.18): I = 6,2 А, значение водородного показателя при этом 6,8. Кроме того область 1 и 2 (рис. 2.18) показывает графически область управления. Анализируя полученные данные, можно сделать заключение, что при необходимости изменения концентрации возможно производить регулирование тока, либо производительности в пределах зоны 2 (рис. 2.18). При выходе из этого диапазона режим работы будет неэффективен, т.к. основная часть энергии будет затрачена на газообразование.

Рисунок 4. Номограмма примера методики расчета электроактиватора.

6. Следует определить температуру раствора на выходе из камеры и электропроводность раствора. Примем параметры воды для определения коэффициента смещения температуры: d=1; К_с=5,3; Y = 0,36. Тогда по выражению (2.13) = 0,15, температура на выходе составит 21 °C и электропроводность будет равна X_кан=0,32 мСм/см. Рисунок 2.19 отображает полученные данные.

Рисунок 5. Номограмма примера методики расчета электроактиватора по начальной температуре Проведя анализ полученных графических данных, можно сделать заключение о возможности регулирования меняя производительность отдельно по каждой камере. При этом температура раствора будет меняться от 18 до 23 °C.

• 7. По номограмме (рис. 2.17) определяются энергетические параметры: сопротивление анодной камеры, мощность на анодной камере, и удельные затраты электроэнергии. Так же, как отмечалось ранее, достоинством данной номограммы является возможность определения геометрических параметров электроактиватора. Конструктивный параметр К_к будет характеризовать геометрические данные канала: толщину камеры (расстояние от электрода до диафрагмы), длину и высоту канала.
• а)
• б)

Рисунок 6. — а) Номограмма примера методики расчета электроактиватора по конструктивному параметру; б) область регулирования По данным номограммы (рис. 6а) определяется регулирование геометрических параметров в границах указанной области (рис. 6б). Примем значение К_к=0,001, при этом размеры камеры примем L_к=127 см, a=3 см, b=0,4 см. При полученном значении конструктивного параметра, сопротивление анодной камеры составит R_a=3,5 Ом. Далее переходя по номограмме (рис. 2.20) при заданном токе I=6А определим мощность, выделяемую на анодной камере Р_а=100 Вт, и далее при установленной производительности определяются энергозатраты для приготовления рабочего раствора нужного качества исходя из параметров исходной воды. Эноргозатраты при производительности 75 л/ч равны W_а =3,16 Втч/л.

В результате получили режим работы установки для достижения нужного качества рабочего раствора. Ток необходимо поддерживать в диапазоне 6−9 А, производительность 75−85 л/ч, при этом водородный показатель на выходе составит 6,5−6,9, минерализация 0,05−0,15 г./л, температура 18−23°С, электропроводность 0,28−0,32 мСм/см, мощность анодной камеры 100−130 Вт, энергозатраты составят 3,16−4,5 Втч/л.

По разработанной математической модели рассчитаны конструктивные и режимные параметры для конкретной водопроводной воды. Если характеристики воды отличаются от приводимых, то при сохранении конструкции можно подобрать значения режимных параметров графически или экспериментально. Так же необходимо отметить, что при эксплуатации будут изменяться режимы работы. Это связано, в первую очередь, с выпадением солей в осадок и забиванием пор в диафрагме. Со временем живое сечение пор в диафрагме будет уменьшаться, что приведет к увеличению сопротивления диафрагмы. Как следствие начнет уменьшаться напряжение на анодной и катодной камерах. Повышенное напряжение приведет к увеличению потерь энергии в диафрагме. Некоторое время активатор сохранит свои выходные характеристики, работая с повышенным потреблением мощности. Однако, повышенная мощность в диафрагме приведет к повышению температуры воды в ячейках и, при определенных условиях, начнет увеличиваться количество выпадения солей в самой диафрагме. При дальнейшем росте температуры может происходить закипание жидкости, что увеличит удельное сопротивление диафрагмы (за счет парообразования) и будет происходить более интенсивное дальнейшее забивание пор. В конечном счете, увеличение выходного напряжения регулятора не будет приводить к увеличению тока через активатор. В таком случае нужно производить промывку диафрагмы или ее полную замену.

В результате разработки математической модели и инженерной методики расчета установлено, что необходимо изменять режим работы. Определены некоторые требования к системе управления и оснащенности оборудованием мониторинга режима работы. Функциональная схема управления представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Функциональная схема управления электроактиватором Для выпрямления напряжения возможно использование выпрямительного моста UZ1 состоящего из 4-х диодов. Преобразовательное устройство должно иметь возможность регулирования тока. Для решения задачи регулирования тока управления предусмотрим твердотельное реле KA1 и переменный резистор R1. Так же в конструкции преобразовательного устройства необходимо иметь приборы измерения: амперметр PA1, вольтметр PV1. Для измерения показателей воды: водородного показателя, электропроводности, минерализации, температуры используются сертифицированные лабораторные приборы. Расход воды можно определять поверенными расходомерами. Их необходимо установить на выходных клапанах камер электроактиватора. Для регулирования производительности необходимо учесть установку кранов на выходах камер.

Описанная выше схема учитывает только ручное управление, но имеется возможность разработки системы автоматизированного управления и мониторинга параметров. Для этого в преобразовательном устройстве необходимо установить оборудование промышленной автоматизации: программируемого логического контроллера A2 (ПЛК), модуля дискретного ввода / вывода A3 (МДВВ), модуля аналогового вода A4 (МАВ), а в конструкции электроактиватора датчиков различного назначения. В качестве головного устройства будет выступать ПЛК. С его помощью возможна реализация дистанционного управления тока без использования резистора. Данные о водородном показателе, минерализации и температуре будут сниматься соответствующими датчиками, установленными в корпусе электроактиватора на входе и выходе из камер. Для определения расхода воды на подаче из источника и выходных кранах устанавливается расходомер с функцией передачи данных. Регулирование производительности, возможно, реализовать посредствам аналоговых заслонок. Так же для поддержания постоянного давления в камерах электроактиватора необходимо предусмотреть насос и датчик давления. Все устройства сбора информации и регулирования подключаются к МДВВ и МВА в соответствии с типом передаваемого сигнала, которые в свою очередь необходимо подключить к ПЛК посредствам канала связи RS-485. Электрическая принципиальная схема представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Электрическая принципиальная схема управления электроактиватором Функционирование схемы происходит по следующему алгоритму: установка подключается к сети переменного тока, замыкается контакт SA1…3. В это время заслонки S1 и S2 находятся в положении слива раствора. Датчик рН1, ЕС11, ТЕ1 производят измерения исходной воды и передают данные в ПЛК А2 через МВА А4. Контроллер производит расчет необходимого тока и производительности. Подает сигнал на частотный преобразователь М1 подключенных к МДВВ А3. Включается насос для поддержания давления. Давление в системе измеряется датчиком давления РЕ7 и сигнал передается в ПЛК. Расход воды определяется расходомерами QF8 и QF9. Контроллер ожидает наступление установившегося режима производительности и после этого посылает сигнал на твердотельное реле КА1. Подается ток на активатор А1. Данные о токе и напряжении поступают с приборов РА1 и РV1 в ПЛК. Алгоритм управления поддерживает диапазон в рассчитанном диапазоне. Программа ожидает достижения необходимого установившегося режима. После этого заслонка S1 переключается в режим подачи раствора и происходит наполнение емкости опрыскивателя. Во время работы измеряется измерение температуры исходной воды и воды на выходе из камеры при помощи датчиков температуры ТЕ1,4,5. В случае возрастания температуры выше расчетной критической согласно алгоритму управления с помощью заслонок S1 и S2 происходит регулирование производительности по камерам (регулирование коэффициента производительности d). В случае достижения при регулировании тока критической система переходит в аварийный режим работы. Снижается ток управления до нуля. Заслонка S1 переключается в режим слива воды. После восстановления система по алгоритму возобновляет процесс получения анолита.

Регулировать и отслеживать за системой возможно через ПК либо программируемой панели оператора. Кроме того предложенная система позволит сохранять данные о изменении параметров в системе, строить графики изменения параметров, учитывать аварийный режим работы и выводить сообщение о приближении режима к критическому.

• 1. Курзин Н. Н. Расчет электроактиватора воды /Курзин Н.Н., Оськин А. С. // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2011 № 32 с. 169−199
• 2. Курченко Н. Ю. Классификация установок для электрохимической активации жтдкостей /Курченко Н.Ю., Ковка В. А. // Научное обеспечение агропромышленного комплекса. 2012. С 355−357.
• 3. Курченко Н. Ю. Анализ конструктивных параметров электроактиватора воды для улучшения его энергетических характеристик. Политематический сетевой электронный журнал научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 95. С. 470−485.
• 4. Оськин С. В. Повышение экологической безопасности сельскохозяйственной продукции. Механизация и электрификация сельского хозяйства № 5, 2011, с. 21−23.
• 5. Оськин С. В. Инновационные способы повышения экологической безопасности сельскохозяйственной продукции. Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2013. № 8 (104). С 75−80.
• 6. Оськин С. В. Инновационные установки для повышения экологической безопасности. Журнал Чрезвычайные ситуации: Промышленная и экологическая безопасность. 2013. № 3−4 (15−16). С. 174−183.
• 7. Оськин С. В., Инновационные пути повышения экологической безопасности сельскохозяйственной продукции. Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2010. № 24. С. 147−154.