Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса магнитной водоподготовки
1.1 Водоподготовка в котельных для сооружений защищенного грунта 8
1.2 Воздействие магнитного поля на воду 16
1.3 Технологические схемы водоподготовки 21
1.4 Аппараты магнитной обработки воды 27
1.5 Выводы 40
2 Теоретическое обоснование аппарата магнитной обработки воды
2.1 Математическое моделирование магнитной системы аппарата методом конечных разностей 42
2.2 Расчет температурных полей методом конечных разностей 65
2.2.1 Особенности расчета методом сеток 65
2.2.2 Разработка программного обеспечения для расчета температурных полей методом последовательных итераций 70
2.3 Расчет обмоточных данных аппарата 76
2.4 Выводы 78
3 Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Разработка конструкции аппарата магнитной обработки воды 79
3.2 Математическая обработка результатов эксперимента 82
4 Результаты экспериментальных исследований
4.1 Исследование магнитной системы аппарата 89
4.2 Исследование нагрева аппарата магнитной обработки воды 95
4.3 Контроль эффекта от обработки воды магнитным полем 97
5 Технико-экономическое обоснование аппарата магнитной обработки воды 100
5.1 Расчет затрат на стадии исследования и разработки 100
5.2 Расчет себестоимости изделия 105
5.3 Расчет капитальных вложений 107
5.4 Расчет общих экономических показателей 109
Выводы 113
Литература
- Воздействие магнитного поля на воду
- Расчет температурных полей методом конечных разностей
- Математическая обработка результатов эксперимента
- Исследование нагрева аппарата магнитной обработки воды
Введение к работе
В агропромышленном комплексе Российской Федерации эксплуатируется около 400 тысяч котлоагрегатов и других тепловых установок разных типов и мощностей. Этими установками ежегодно потребляется около 85 млн. тонн условного топлива.
Анализ технического состояния теплотехнического оборудования показывает, что оно эксплуатируется с нарушением требований, установленных правилами безопасности и технической эксплуатации. Несвоевременно устраняется накипь с поверхностей, нагрева теплообменников. Накипь, обладая низкой теплопроводностью, затрудняет передачу тепла котловой воде, вызывает перегрев стенок котла. Наличие 1мм накипи связано с перерасходом топлива до 10%. Соответственно это приводит к увеличению расхода денежных средств.
Также существует такая проблема, как солеотложение в магистральных трубопроводах. Отложение соли способствует снижению срока службы в четыре раза и возникновению аварийных ситуаций теплопровода. Замена вышедших из строя труб требует дополнительных капитальных вложений, которые исчисляются в миллионах рублей.
Существующие способы водоподготовки дорогостоящие и не соответствуют требованиям экологической безопасности. В связи с этим, приоритетное значение приобретают физические методы водоподготовки. Использование магнитной водоподготовки позволяет предотвратить образование накипи а так же избавиться от ранее отложившейся.
Существует большое количество аппаратов магнитной обработки воды отечественных и зарубежных производителей. Определенный ряд недостатков этих аппаратов ограничивает их широкое применение в различных отраслях сельского хозяйства. Отсутствие единой теории, позволяющей связывать характеристики магнитного поля аппарата с эффективностью обработки воды, вызывает ряд проблем при их эксплуатации.
Актуальность темы.
В водяных и паровых котлах и прочих теплоэнергетических аппаратах, на поверхностях нагрева в результате ряда физико-химических процессов образуются твердые отложения - накипь.
Предохранение котлов и других тепловых агрегатов от накипи достигается в основном двумя способами: удалением накипеобразователей до поступления воды в котел (предварительная обработка воды) и созданием условий внутри котла с образованием шлама (внутрикотловая обработка). Выделяющийся шлам периодически или непрерывно удаляется и таким образом, вредные последствия связанные с накипью, в большей или меньшей степени предотвращаются.
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.
Магнитная водоподготовка не требует химикатов и больших капитальных вложений в оборудование и в отличие от химической, является экологически чистой.
Существующие аппараты магнитной обработки воды имеют ряд недостатков, которые ограничивают возможность их применения. Существует необходимость создания аппарата, в котором гидравлические потери будут сведены к минимуму. Кроме того, необходимо снизить стоимость аппаратов за счет уменьшения расхода цветных металлов или сплавов, не снижая характеристик магнитного поля. Снижение стоимости можно осуществить за счет технологичности устройства.
Цель диссертационной работы.
Обоснование конструкции аппарата магнитной обработки воды, в котором обработка осуществляется полями выпучивания (рассеяния).
Объект исследования.
Магнитная система аппарата магнитной обработки воды.
Вода, прошедшая обработку в магнитном поле.
Предмет исследования.
Закономерности изменения магнитного и теплового полей аппарата, их влияние на свойства воды прошедшей обработку и его технико-эксплуатационные показатели.
Методы исследования.
В работе использованы элементы теории магнитного и теплового полей, математического планирования эксперимента и регрессионного анализа.
Научная новизна.
- обоснованы схема и параметры аппарата, работающего по принципу
обработки воды потоками выпучивания (рассеяния);
- оценено влияние конструкции магнитной системы аппарата на
эффективность обработки воды;
-установлена зависимость между конструкцией магнитной системы и величиной магнитной индукции в зоне обработки;
- получена регрессионная модель величины конструкционного модуля
при изменении угла скоса полюсов, а так же длины тонкой стенки.
Практическая ценность работы.
- разработан технологичный аппарат магнитной обработки воды;
- разработана методика инженерного расчета магнитной системы
аппарата с помощью программного комплекса Elcut;
- разработана методика расчета температурных полей аппарата методом
конечных разностей, создана компьютерная программа;
- получена регрессионная модель конструкционного модуля, при
изменении конструктивных параметров магнитной системы.
На защиту выносятся следующие положения.
способ получения потока выпучивания, для обработки воды;
оптимизация магнитной системы аппарата;
- регрессионная модель конструкционного модуля.
Реализация результатов работы.
разработанный аппарат используется в тепличном хозяйстве «Нежинское» Предгорного района Ставропольского края и колхоза им.Ленина Новокубанского района Краснодарского края;
- результаты работы используются в учебном процессе на кафедре
«Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» СтГАУ при
изучении дисциплин «Электротехнологии», «Электротехнологии и
энергосбережение в сельском хозяйстве»;
- изготовлена опытная серия аппаратов в ОАО Ставропольский радиозавод «Сигнал».
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях СтГАУ (2000-2003 г.г.), Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» СтГАУ (2001, 2003), Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых г.Нальчик (2003).
Публикации результатов работы.
По результатам проведенных исследований опубликовано 7 статей, получено свидетельство на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает: введение, пять глав, общие выводы, список литературы и приложения. Работа изложена на 175 страницах, включая 72 рисунка, 15 таблиц, библиографический список из 129 наименований из них 3 на иностранном языке и 46 страниц приложений.
Воздействие магнитного поля на воду
Накопленные научные знания не дают однозначного ответа на вопрос о влиянии магнитного поля на физико-химические процессы, происходящие в водных растворах. Однако можно считать установленным, что магнитное поле оказывает определенное влияние на кинетику кристаллизации, вызывая, увеличение концентрации центров кристаллизации в массе воды вследствие чего вместо накипи образуется взвесь (шлам).
Процессы, протекающие в воде при наложении магнитного поля, можно представить следующим образом. При прохождении воды через зону обработки магнитным полем, и наличии ферромагнетиков в пересыщенном по накипеобразователю растворе (воде), образуются зародыши центров кристаллизации. Тебенихин Е.Ф. совместно с Кишневским В.А. провел детальное исследование механизма образования центров кристаллизации в присутствии окислов железа /113/. Эти окислы, под воздействием магнитного поля в зоне обработки аппарата, укрупняются до размера больше критического для данного пересыщения и адсорбируют избыток кристаллизующегося вещества (накипеобразователя), превращаясь в затравку. Понятием критический характеризуется размер частиц (около 0,5 мкм), выполняющих роль центров кристаллизации.
Центром кристаллизации может быть частица той же природы, что и накипеобразователь, любая другая изоморфная с последним частица.
Кристаллизация происходит значительно быстрее и легче, если в растворе уже существует твердая поверхность. По данным Р.Ф.Стринклер Констэбл выделение твердой фазы на готовой поверхности протекает значительно легче, так как энергия, необходимая для этого, меньше, чем для возникновения зародыша в объеме раствора. Поверхностью, на которой происходит кристаллизация, может служить не только кристалл данного вещества, но и любой другой предмет, на котором возможна адсорбция ионов или молекул, находящихся в растворе. Механизм процесса, в этом случае, может быть представлен следующим образом. Частицы вещества адсорбируют, на своей поверхности, молекулы или ионы кристаллизующегося вещества, в результате чего образуется адсорбционный слой. Этот слой постепенно уплотняется и превращается в слой кристаллического вещества. Дальнейший рост происходит за счет растворенного вещества, кристаллизующегося на поверхности частицы. Центром кристаллизации может служить частица размером несколько больше критического для данного пересыщения и состоящая из кристаллизующегося вещества, изоморфного ему, или любое другое образование, способное адсорбировать выделяющееся вещество. Частицы, выполняющие роль центров кристаллизации, обладают значительной суммарной поверхностью и ускоряют объемную кристаллизацию.
Примером влияния готовой поверхности на кристаллизацию может служить тот факт, что зародыши кристаллизации обычно образуются на поверхности нагрева или охлаждения теплоагрегата, так как энергия, затрачиваемая на образование около твердой стенки, будет значительно меньше энергии, необходимой для образования в объеме воды. При этом, на образование зародыша и кристаллизацию будут влиять так же электрическое взаимодействие и характер поверхности (наличие шероховатости). Трещины, являются факторами увеличивающими поверхность. В их присутствии величина работы образования зародыша может быть настолько уменьшена, что выделение твердой фазы в известных условиях может произойти даже из не пересыщенного раствора.
В природной воде, главным образом, находится карбонат кальция, значительно реже сульфат кальция и гидроокись магния.
Карбонат кальция в природе встречается в двух кристаллических модификациях - кальцита и арагонита. Кальцит кристаллизуется в форме ромбоэдров, удлиненных призм; арагонит относится к ромбической системе и может приобретать различные формы.
Имеющиеся в литературе сведения противоречивы. Одни исследователи считают, что уменьшение накипи под влиянием магнитного поля связано с образованием, главным образом, стабильной формы карбоната кальция - кальцита. Другие полагают, что это явление вызвано выделением метастабильной модификации - арагонита.
В связи с этим Тебенихиным Е.Ф. было проведено исследование влияния различных факторов на характер выделяющейся из воды твердой фазы. Им установлено, что из моно - раствора бикарбоната кальция при температуре, не превышающей 50" С, выделяется кальцит, а при более высокой температуре - арагонит в иглообразной форме. При сравнительно медленной кристаллизации (до 50" С) твердая фаза кальцита успевает сформироваться. С повышением же температуры и, соответственно, увеличением скорости разложения бикарбоната кальция, образуется неустойчивая форма - арагонит. Процесс этот можно затормозить увеличением парциального давления.
Изучение наложения магнитного поля на выделяющуюся твердую фазу карбоната кальция из нестабильной среды (при t=20"C и t=100C) показало, что изменяются только размер и количество кристаллов, но не характер фаз.
Расчет температурных полей методом конечных разностей
Для численного решения задач теплопроводности широко применяется метод конечных разностей или метод сеток. Область непрерывного изменения аргументов х, у, z, t заменяется множеством дискретных точек, отстоящих друг от друга на интервалы Лх, Ду, Az, At, называемые шагами изменения. Линии, проведенные через указанные интервалы параллельно осям координат, образуют сетку; точки их пересечения, называемые узлами, рассматриваются как представительные точки, температуры которых могут характеризовать температурное поле тела в целом по принципу параболической интерполяции /107/.
Дифференциальное уравнение теплопроводности (ДУТП) и граничные условия (ГУ) заменяются на сетке уравнениями в конечных разностях. Поэтому, вместо ДУТП и ГУ, будет получена система алгебраических уравнений с числом уравнений и неизвестных узловых температур, равным числу узлов. Ввиду большого числа узлов сетки, система уравнений обычно, решается методом последовательных приближений. При этом важную роль играет проблема сходимости решения, состоящая в том, что при уменьшении значения шагов, решение системы алгебраических уравнений должно приближаться сколь угодно близко к точному решению исходного ДУТП.
Применим метод сеток к двумерному стационарному полю с распределенными источниками теплоты (рисунок 2.34), которое описывается уравнением Пуассона: д2в/дх2 +д2в/ду2 +р0Л. = 0. (2.11) В сетке с шагами Дх и Лу выделены узел 0 и соседние с ним узлы 1...4. Определим значения производных по х справа и слева от точки 0 (в точках (О и О"): д$ /& \х0 + Ах/2,у, = (02-00) -, Зв1 \х9-бх12,у= -&\)1 -- (2-13) Вторая производная в точке 0: Дх1аЛ+Дї/2"У dx1 -""2- } . (2.14) = (0,+0,-20о) /(Ах)2 Аналогично, для оси у: Ц-\Хо =(в2+в4-2Є0)/(Ьу)2. (2.15) дх Подставив вторые производные в (2.11) при условии Дх = Ду =Д, получим так называемую разностную схему: (01 +62+в2+в4-4в0)/&2 +р0/Л = 0, (2.16) или 6х+в2+9ъ+0л-4в0+вр=Ъ, (2-17) где в = р0А2 / Я - свободный член уравнения, составляющая температуры, пропорциональная источнику теплоты в ячейке abed, содержащей точку 0; А- шаг сетки; Ро- мощность источника теплоты; Х- коэффициент теплопроводности.
Выражение (2.17), это алгебраическое уравнение для узла 0. Аналогичные уравнения, составленные для всех узлов сетки, образуют систему уравнений, решение которой позволяет найти температуры узлов. При небольшом числе узлов (до нескольких десятков) можно применить прямой способ решения, например способ подстановок Гаусса, при условии использования ЭВМ. Но обычно решение выполняется методом итерации.
Расчет сетки методом итерации. Предварительно нужно задаться ожидаемыми (произвольными) температурами узлов, после чего осуществляется последовательный многократный обход узлов. В уравнение для очередного узла і подставляются известные температуры и вычисляется ошибка R., обусловленная приблизительным значением этих температур.
Например, для узла О; в1+е2+вг+в,-4в0+вр=Яг (2.18) Итерация состоит в том, что на основе (2.18) вычисляется следующее, уточненное, значение температуры рассматриваемого узла по итерационной формуле, которая в данном случае имеет вид: e0 = e0+RJA. (2.19)
Для улучшения сходимости итерационного процесса можно применить метод Зейделя, при котором в расчете очередного узла берутся температуры узлов, рассчитанных ранее, в этом же цикле обхода. Обход узлов повторяется до достижения допустимой погрешности, пока максимальная из ошибок не станет меньше некоторого заданного значения, например 0,001 С.
Уравнения (2.17) и (2.18) относятся к внутренним узлам сетки, каждый из которых окружен со всех сторон другими узлами. Схемы для граничных узлов, находящихся на поверхности тела, имеют особенности, обусловленные граничными условиями (рисунок 2.35).
Математическая обработка результатов эксперимента
Планирование эксперимента - это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых для решения поставленной задачи с определенной точностью /97/. Планированием можно исключить из результата опытов ошибку, то есть рандомизировать порядок проведения опытов - расположить их один за другим в процессе исследования в случайном порядке. Этот вопрос особенно важен, когда существует неоднородность влияния неконтролируемых факторов на отклик и большой неоднозначности условий эксперимента. Рандомизация проведения опытов обеспечивает равномерное внесение элемента случайности влияния неуправляемых и неконтролируемых факторов на отклик, позволяет использовать аппарат математической статистики при обработке результатов эксперимента.
Так же необходимо решить вопрос о числе повторностей опыта при определении измеряемой величины. Для определения количества повторностей измерений необходимо задаться следующими величинами: - доверительной вероятностью а (вероятность того, что значения измеряемой величины х не выйдут за пределы ±Дх). Для обычных исследований в технике OF= 0,7...0,9; - допустимой ошибкой , выраженной в долях среднеквадратичного отклонения о. Для сокращения числа повторностей можно задаться ошибкой За.
Приборы, используемые при измерениях должны проходить периодическую поверку. Перед проведением эксперимента следует выяснить, будут ли действовать какие-либо факторы, дающие дополнительную ошибку.
Систематическая ошибка возникает из-за известной причины, действующей по определенным законам и в определенном направлении. Эти ошибки необходимо знать и вносить соответствующие поправки в показания приборов. Обычно это класс точности приборов.
Случайные ошибки- причины которых неизвестны и их не возможно учесть заранее. Ошибкой измерения называется разность между результатом измерения х и истинным значением а измеряемой величины /70, 72/. Д=х-а, (3.1)
Ошибка измерения обычно неизвестна, как неизвестно и истинное значение измеряемой величины. Главной же задачей математической обработки результатов эксперимента является оценка истинного значения измеряемой величины по полученным результатам. То есть после неоднократного измерения величины а и получения ряда результатов, каждый из которых содержит некоторую неизвестную ошибку, ставится задача вычисления приближенного значения а, с возможно меньшей ошибкой. Необходимо измерять величину несколько раз и брать среднюю арифметическую этих измерений. Прежде чем планировать и проводить эксперимент, необходимо выбрать критерий оптимизации, то есть параметр, по которому оценивается исследуемый объект и который связывает факторы в математическую модель. Задача состоит в том, чтобы созданием математической модели максимизировать конструкционный модуль путем подбора соответствующих факторов, действующих на объект. 0
При составлении плана эксперимента нужно выбрать независимые факторы и расположить их априорно по значимости (ранжирование). Для сокращения объема исследований малозначащие факторы исключаются. Исходя из формулы: Iw Ф = (3.9) R можно сказать, что на величину конструкционного модуля (М) оказывают влияние следующие факторы: - магнитодвижущая сила (МДС) (F=Iw); - длина тонкой шунтирующей стенки каркаса намагничивающей катушки; - угол скоса полюсов каркаса намагничивающей катушки.
Если принять, что значение МДС остается неизменным, то особый интерес для исследования представляют собой два фактора. Первый- угол скоса полюса (XI). Второй- длина тонкой стенки (Х2). Анализируя полученные зависимости для диагонального, вертикального и горизонтального ряда, можно сделать следующий вывод: - основным фактором увеличения конструкционного модуля является увеличение длины тонкой стенки; - увеличение угла скоса полюсов от 15 до 90 приводит к снижению конструкционного модуля.
В соответствии с теорией планирования эксперимента наиболее экономичным является варьирование факторами на двух уровнях. Для двухфакторного эксперимента каждый фактор варьируется на двух уровнях: (-1) и (+1). Для моделирования характеристик магнитного поля АМОВ по /66, 72/ составим план двухфакторного эксперимента.
Используя данную таблицу, возможно, многократно выполнять расчеты и проводить их проверку.
Далее представлена расчетная матрица эксперимента. Чтобы получить определенное значение функции отклика для данной модели, необходимо определить коэффициенты уравнения регрессии. Уравнение регрессии имеет следующий вид: Y=7,95+0,16X+0,53X2-0,16XX2. (3.10) Из полученного уравнения видно, что основным фактором, влияющим на функцию отклика, является величина тонкой стенки. Отрицательный знак говорит о том, что увеличение конструкционного модуля способствует сочетанию факторов XI и Х2 на разных уровнях.
Исследование нагрева аппарата магнитной обработки воды
Потери энергии, которые происходят в аппарате, вызывают его нагрев. Для надежной работы аппарата необходимо чтобы температура нагрева его элементов не превышала определенных допустимых значений. Аппарат устанавливается на подпитывающую и на обратную систему теплоснабжения. В подпитывающей системе температура воды не превышает 15 С, а в обратной магистрали находится в пределах 70-80 С /108/.
Допустимый нагрев аппарата определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов. При расчете обмоточных данных принимался класс изоляции F. Допустимая предельная температура нагрева 155 С/77/.
Результатом расчета температуры нагрева аппарата методом конечных разностей, явилась матрица температур. Каждая из строк матрицы содержит данные температуры в отдельных точках в осевом направлении.
Экспериментальные исследования сводятся к определению температуры на поверхности аппарата и вдоль его проходного сечения. Результат исследования представлен на рисунке 4.11.
Для определения температуры нагрева намагничивающей катушки используется метод сопротивлений и пересчитывается по формуле: а (4.1)
Где а - температурный коэффициент сопротивления, (а =0,0043); R#- сопротивление обмотки при температуре в, Ом; R„- сопротивление обмотки при начальной температуре, Ом; вИ- начальная температура обмотки, С.
По экспериментальным данным построена кривая нагрева аппарата (рисунок 4.12)
Контроль за обработкой воды магнитным полем заключается в сравнении показателей качества воды или характера выделяющейся твердой фазы до и после ее обработки. Эти показатели могут служить индикатором происшедших изменений. Индикация составляет неотъемлемую часть процесса обработки воды с применением магнитного поля.
В настоящее время индикатором магнитной обработки являются лишь электрические параметры установки, скорость потока воды, и результаты осмотра теплоагрегата в отношении накипи, чего не достаточно для определения оптимального режима работы аппарата. Существует два способа индикации основанных на: косвенных показателях; непосредственной оценки количества накипи. К первому числу относится определение изменения кристаллов, а также количества кристаллов выпавших в осадок.
Для оценки эффективности обработки воды магнитным полем используем методику, рекомендованную Харьковским инженерно-экономическим институтом /85/. Для этого отмеривают по 200мл исследуемой воды в стаканы емкостью 250мл и доводят ее до кипения. Предварительно в стаканы помещают предметные стекла для осаждения кристаллов. По истечении некоторого промежутка времени кипячения стекла извлекают и сушат, а выделившиеся кристаллы рассматриваются под микроскопом. По результатам опытов сделаны фотографии кристаллов соли выпавших в осадок, при помощи микроскопа. Основываясь на литературные источники можно сказать о том, что уменьшение размера кристаллов свидетельствует об эффекте действия магнитного поля. При чем уменьшение средних линейных размеров кристаллов в 1,5- 2 раза характеризует значительное снижение накипеобразования, а в 3 раза и более, практически безнакипное состояние.
Обработка воды производилась при различных схемах питания аппарата (промышленная частота сети 50 Гц, однополупериодное выпрямление, двухполупериодное выпрямление) а так же изменении длины тонкой стенки (0, 15, 30, 45, 60, 154мм). Результаты кристаллооптического способа для воды обработанной при питании АМОВ от источника двухполупериодного выпрямления представлены на рисунках 4.13- 4.16.
Для исследования использовалась вода из родников, расположенных в районе станицы Новомарьевской Ставропольского края.
Проведенные опыты показали, что из воды прошедшую магнитную обработку выпадает больше соли, чем из необработанной воды. Это говорит о том, что соль выделяется во всем объеме воды, а не только возле поверхности нагрева. Нужно сказать еще и об образовании центров кристаллизации. Особым критерием при определении эффективности магнитной обработки, является снижение линейных размеров кристаллов выпавших в осадок.
Результатом кристаллооптического способа контроля за эффективностью обработки, оптимальной конструкцией является аппарат с длиной тонкой стенки 60мм.
