Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема выбора метода, схемы подготовки воды и конструкции аппарата магнитной обработки 13
1.1 Качество воды для котельных в АПК 13
1.2 Выбор метода и схемы подготовки воды для сельскохозяйственных котельных 14
1.3 Технологические схемы подготовки воды с использованием аппарата магнитной обработки воды (АМОВ) 25
1.4 Воздействие магнитных полей на соли воды 31
1.5 Анализ конструкций и область применения аппаратов магнитной обработки вещества 46
1.5.1 Классификация аппаратов магнитной обработки вещества 46
1.5.2 Конструкции АМОВ, выпускаемые серийно 51
1.6 Область применения АМОВ 59
1.7 Выводы и задачи исследования 63
2 Обоснование математического моделирования магнитной системы технических средств для предотвращения образования накипи 66
2.1 Общая постановка задачи проектирования АМОВ 66
2.2 Применение метода конечных элементов для
расчета магнитной системы цилиндрического АМОВ 69
2.3 Определение векторного магнитного потенциала на внутренних границах раздела сред 78
2.4 Основные элементы оптимизации АМОВ 82
2.5 Магнитодинамическая модель АМОВ на основе метода конечных элементов 97
2.6 Математическое моделирование магнитной системы модульного АМОВ 100
2.6.1 Прямоугольное отображение конечного элемента 100
2.6.2 Параметрическое отображение конечного элемента 108
2.7 Оптимизация полюсов конструкции модульного АМОВ 116
2.8 Применение метода конечных разностей для
расчета магнитного поля цилиндрического АМОВ 125
2.9 Исследования характеристик цилиндрического аппарата с изменяющимся количеством активных зон обработки 137
2.10 Выводы 142
3 Исследование температурных режимов работы амов 144
3.1 Тепловой расчёт аппарата магнитной обработки воды методом конечных элементов 144
3.2 Нахождение оптимальной температуры цилиндрического АМОВ 154
3.3 Тепловая модель АМОВ с использованием четырехугольных конечных элементов 160
3.3.1 Разбиение области исследования на прямоугольные элементы 160
3.3.2 Отображение конечного элемента в параметрической форме 167
3.3.3 Определение температуры нагрева модульного АМОВ 177
3.4 Искусственное охлаждение аппарата магнитной обработки
воды 183
3.4.1 Характеристика процесса охлаждения в установившемся режиме работы 183
3.4.2 Распределение температуры по радиальному сечению АМОВ
с использованием водяного охлаждения 188
3.5 Выводы 196
4 4 Динамические процессы, протекающие в амов 198
4.1 Нахождение индуктивности АМОВ 198
4.1.1 Определение индуктивности для прямоугольного сечения намагничивающей катушки 198
4.1.2 Расчет индуктивности для пятиугольного сечения намагничивающей катушки 205
4.2 Подключение АМОВ к различным источникам питания 210
4.2.1 Принципиальные схемы подключения противонакипных аппаратов 210
4.2.2 Подключение аппарата магнитной обработки воды к источнику переменного напряжения промышленной частоты...214
4.2.3 Подключение АМОВ к источнику постоянного тока однополупериодного выпрямления 217
4.2.4 Подключение аппарата магнитной обработки воды к источнику с кусочно-полиномиальным воздействующим напряжением 223
4.2.5 Подключение аппарата к источнику постоянного напряжения...228
4.3 Выводы 230
5 Результаты экспериментальных исследований амов 232
5.1 Цель и задачи исследований 232
5.2 Принципиальные конструкции аппаратов магнитной обработки воды 233
5.2.1 Аппарат магнитной обработки воды с косыми полюсами 233
5.2.2 Модульный аппарат магнитной обработки воды 236
5.2.3 Аппарат магнитной обработки воды с прямоугольными полюсами 239
5.3 Методика определения проводимостеи воздушных промежутков в функции формы полюсов 240
5.4 Нахождение оптимальной магнитной индукции в функции угла полюсов 261
5.5 Определение максимальной магнитной индукции внутри трубы модульного АМОВ 267
5.6 Исследование геометрии магнитной системы АМОВ 271
5.6.1 Нахождение критической температуры нагрева 271
5.6.2 Измерение магнитной индукции с целью выявления длины активной зоны обработки 275
5.7 Сравнение результатов математического и физического экспериментов 279
5.8 Эффективность магнитной обработки воды магнитными полями, полученными от различных источников питания 282
5.9 Магнитная обработка воды различной жесткости 290
5.10 Влияние магнитного поля на жесткость воды 293
5.11 Выводы 298
6 Технико-экономическое обоснование амов 300
6.1 Расчет затрат на стадии исследования и разработки 300
6.2 Определение себестоимости изделия 305
6.3 Нахождение капитальных вложений 308
6.4 Расчет общих экономических показателей 310
Общие выводы 313
Список используемых источников
- Технологические схемы подготовки воды с использованием аппарата магнитной обработки воды (АМОВ)
- Определение векторного магнитного потенциала на внутренних границах раздела сред
- Нахождение оптимальной температуры цилиндрического АМОВ
- Подключение АМОВ к различным источникам питания
Введение к работе
Актуальность проблемы. В водяных и паровых котлах, охлаждающих системах и прочих теплоэнергетических аппаратах на поверхностях нагрева или охлаждения в результате ряда физико-химических процессов образуются твердые отложения - накипь.
Наличие накипи на внутренних стенках теплообменных устройств и трубопроводов приводит к снижению теплопередачи, уменьшению проходного сечения труб, перерасходу топлива, сокращению срока эксплуатации и производительности используемого оборудования.
В настоящее время в агропромышленном комплексе (АПК) России в котельных небольшой мощности находятся в эксплуатации свыше 400 тыс. котлов низкого давления, которые используют около 46% топлива на тепловые нужды. Средний срок службы котлов составляет от 8 до 12 лет. В сфере их обслуживания занято более 1 млн. человек.
Образование накипи толщиной в 1мм создает перерасход топлива на 12%, или около 15 млн. тонн условного топлива в год. В условиях постоянного роста цен на энергоносители это ведет к ежегодным денежным потерям, выражающимся в миллиардах рублей.
Отложение накипи на трубах систем горячего водоснабжения приводит к снижению проходного сечения и сокращению срока эксплуатации почти в четыре раза (с 25 до 7лет) . Замена засорившихся труб раньше установленного срока требует дополнительных капитальных вложений, связанных с преждевременной их реконструкцией /80/.
Поэтому борьба с накипью имеет важное и актуальное значение для экономической и народнохозяйственной деятельности страны.
Одним из путей решения существующей проблемы в АПК является разработка, внедрение и широкое использование новейшей техники и современных технологий /171/.
7 Очистка аппаратуры от накипи весьма трудоемкий и дорогостоящий
процесс, связанный с изменением режима работы тепловых аппаратов, с
покупкой и применением химических реагентов, изменяющих солевой состав
водного раствора, а также использованием специальной службы, следящей за
составом и качеством обрабатываемой воды.
Использование специалистов для химической очистки воды и закупку дорогостоящих химикатов могут себе позволить только крупные котельные, находящиеся на балансе рентабельных предприятий, или получающие субсидии непосредственно из муниципального бюджета /37/.
Большинство котельных агропромышленного комплекса из-за остаточного финансирования, как правило, не имеют службы, отвечающей за химоводоподготовку, и не производят закупку химических реагентов, что ведет к резкому снижению срока эксплуатации котлов и котельного оборудования.
Анализ использования указанных методов для борьбы с отложениями солей на стальных поверхностях теплообменного оборудования приводит к выводу, что в существующих условиях для котельных АПК приемлем один из самых дешевых и эффективных способов борьбы с накипью - магнитная обработка воды. Все остальные способы требуют значительных материальных и трудовых затрат.
Ориентировочные расчеты показывают, что для вод среднего качества (жесткость 5мг-экв/кг) стоимость обработки 1м воды при помощи противонакипных устройств обходится в 200...250 раз дешевле химической обработки /160/.
Аппараты магнитной обработки воды (АМОВ) могут генерировать затравочные кристаллы накипеобразователей, что изменяет характер отложений на теплопередающих поверхностях /161/.
Широкое внедрение этих конструкций в сельскохозяйственное производство и промышленность выявило одну важную особенность, связанную с конструктивными особенностями работы аппаратов, которая
8 заключается в том, что ширина воздушного рабочего сечения серийно
выпускаемых аппаратов для магнитной обработки воды не превышает
10...20мм и в процессе эксплуатации устройств быстро засоряется,
проходящим через зазор шламом, т.е. создается грязевая пробка.
Несвоевременная очистка проходного отверстия приводит к авариям в
системах холодного и горячего водоснабжения и выходу из строя
дорогостоящего оборудования.
Для устранения указанной конструктивной особенности применяемых магнитных устройств необходимо создать аппарат, у которого диаметр рабочего сечения соответствовал бы внутреннему диаметру трубопровода.
Разработка нового аппарата для магнитной обработки не возможна без создания новой теории конструирования, суть которой заключается в отказе от использования основных магнитных потоков, пересекающих перпендикулярно водную среду, и переходе на потоки выпучивания, силовые линии которых могут быть направлены либо поперечно движению жидкости, либо параллельно ей.
Использование принципиально нового подхода к созданию АМОВ требует разработки оригинальных математических моделей на основе теории поля, достоверно описывающих электрические, магнитные и тепловые процессы, протекающие в аппаратах для борьбы с накипью, поскольку традиционные - цепные методы расчета не позволяют с достаточной точностью рассчитать параметры магнитного поля в рабочем пространстве.
Научная проблема состоит в том, что отсутствуют методологические и теоретические концепции, позволяющие создавать аппараты магнитной обработки воды нового поколения для предотвращения образования накипи на поверхностях теплообмена в котельных АПК, работающие на принципе использования магнитных полей выпучивания и имеющие диаметры рабочих сечений аналогично размерам магистральных трубопроводов.
Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в соответствии с госбюджетными
9 темами: ФГОУ ВПО СтГАУ "Аппараты магнитной обработки вещества1'
на 2000 - 2005 г.г. (№ 39.5) и КубГАУ "Разработка и использование
сберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для
АПК" (ГР 01200113477).
Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологии подготовки воды в котельных АПК низкого давления путем разработки методов оптимизации снижения солевых отложений и средств магнитной обработки воды.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретически обоснована возможность создания АМОВ, принцип работы
которых основывается на использовании магнитных потоков выпучивания;
- разработаны методики и математические модели на основе полевых
методов математической физики, позволяющие рассчитать и оптимизировать
магнитные системы противонакипных аппаратов в статическом и
динамическом режимах работы;
па основе использования вариационного принципа созданы математические модели расчета тепловых процессов, протекающих в АМОВ, и рассмотрены вопросы естественного и искусственного охлаждения устройств;
разработаны методики расчета индуктивностей намагничивающих катушек, имеющих различную геометрическую конфигурацию, и математические алгоритмы, дающие возможность оценить работоспособность АМОВ при подключении к источникам питания переменного, постоянного и импульсного тока;
- предложены методики экспериментального определения магнитных
проводимостей и значений индукций в воздушных промежутках, с помощью
которых возможно эффективно производить количественный и качественный
анализ работоспособности АМОВ;
- обоснован способ магнитной обработки воды в котельных АПК с использованием созданных аппаратов и представлен ряд оригинальных технических решений АМОВ для магнитной обработки воды, новизна
10 которых подтверждена 4 патентами РФ и одним положительным решением
по заявке на изобретение.
Практическая значимость и ценность работы.
Разработаны конструкции аппаратов магнитной обработки воды, работающие на использовании магнитных потоков выпучивания и имеющие рабочий зазор, соответствующий диаметру магистрального трубопровода (прил. 9).
Создан пакет прикладных программ, обеспечивающий автоматизацию расчетов магнитостатических, динамических и тепловых процессов АМОВ (прил. 1 ...7).
Получено семейство экспериментальных кривых, позволяющее использовать их для оптимизации формы и геометрии магнитных полюсов.
Представлены картины магнитных и тепловых полей, способствующие росту качественного восприятия, точному представлению и оценке эффективности распределения магнитных и тепловых потоков по сечению иротивонакипных аппаратов.
Даны рекомендации, связанные с повышением эффективности снижения накипеобразования на стенках теплообменных устройств и трубопроводов при использовании магнитных полей, образованных переменным и постоянным источниками питания, а также источником питания повышенной частоты.
Получены кривые изменения жесткости воды, прошедшей магнитную обработку, в функции количества активных зон, которые позволяют судить, как изменяется общая жесткость, при работе противонакипных устройств от различных источников питания.
Выявлены особенности работы АМОВ на воде, имеющей различную жесткость, и представлено заключение, дающее возможность оптимизировать параметры магнитного поля в зависимости от количества рабочих (магнитных) зон и величины магнитодвижущей силы.
Доработана кристаллографическая методика определения количества выпавших на стеклах кристаллов солей в процессе выпаривания контрольных проб воды, а также их подсчета и получения конечных результатов - графиков (прил.8).
Рассмотрен вопрос об использовании обрабатываемой воды в качестве охлаждающей жидкости.
Реализация и внедрение результатов работы.
В Министерство сельского хозяйства Ставропольского края переданы результаты научных исследований по данной тематике и получена рекомендация на широкое внедрение АМОВ в котельных АПК.
Продана неисключительная лицензия на использования изобретения "Аппарат магнитной обработки вещества" АОО "Верхнерусское", изготовлена и передана техническая документация на АМОВ.
В конструкторское бюро инструментального цеха завода "Сигнал" передан комплект документации, на основании которого была изготовлена мелкая серия противонакипных аппаратов для хозяйств Ставропольского и Краснодарского краев.
Разработаны и изготовлены два АМОВ для ООО "Нежинское"
Предгорного района Ставропольского края; переданы результаты
технических испытаний, схемы установки и методики режимов работы.
Изготовлен опытный образец противонакипного устройства для ОАО "Новокубанское" Краснодарского края, и составлены соответствующие рекомендации по его использованию в котельных низкого давления в технологических линиях водогрейных и паровых котлов.
Результаты научно-исследовательской работы используются в учебных процессах ФГОУ ВПО СтГАУ и ФРВИ РВ при изучении дисциплин: "Электротехнология", "Электротехнологии и энергосбережение в сельском хозяйстве" и "Электропитание устройств и систем телекоммуникаций".
Издана монография "Математическое моделирование физических процессов в аппаратах магнитной обработки воды", предназначенная для
12 широкого круга научных и инженерно-технических работников, студентов,
аспирантов и преподавателей высших учебных заведений.
На защиту выносятся:
- теоретическое обоснование применения магнитной обработки воды с целью
предотвращения образования накипи в котельных агропромышленного
комплекса низкого давления с использованием разработанных АМОВ;
- концепция проектирования противонакипных аппаратов, работающих на
основе перераспределения магнитных потоков выпучивания в сторону
рабочего сечения;
- методики расчета и математические алгоритмы магнитостатических,
тепловых и динамических процессов, протекающих в противонакипных
аппаратах, позволяющие применять новую теорию конструирования АМОВ;
- результаты математического и физического моделирования по оптимизации
магнитных систем, формы полюсов, размеров и количества активных зон
магнитопровода, приводящие к наилучшим удельным характеристикам
АМОВ, оптимальным значениям магнитного поля внутри рабочей области и
наибольшему противонакипному эффекту;
- функциональные зависимости, числовые параметры магнитных и
температурных полей АМОВ, полученные по результатам
экспериментальных исследований, которые полностью подтверждают
выдвигаемые теоретические положения;
принципиально новые конструкции аппаратов магнитной обработки воды, у которых размер рабочего сечения совпадает с диаметром магистрального трубопровода;
результаты экономической эффективности использования АМОВ для предотвращения образования новой и удаления старой накипи в котельных агропромышленного комплекса страны.
Технологические схемы подготовки воды с использованием аппарата магнитной обработки воды (АМОВ)
Технологические схемы противонакипной обработки воды для водогрейных и паровых котлов различны и требуют детального рассмотрения.
Количество противонакипных устройств, подключаемых к циркуляционному контуру, зависит от часового расхода воды, подлежащего магнитной обработке, и типа аппарата. Все противонакипные устройства и шламоотделители подключаются к тепловому контуру параллельно друг к другу, а блоки АМОВ и шламоотделителей - параллельно.
Подводящие и отводящие трубопроводы подключаются к системам противонакипного воздействия и шламоуловителям по диагонали для того, чтобы скорость прохождения воды в магистрали была приблизительно одинакова.
Очередность установки аппаратов и шламоотделителй в замкнутых системах не играет существенной роли, однако, предпочтительнее, чтобы в начале устанавливались АМОВ, а затем устройства для улавливания шлама.
Противонакипные устройства следует подключать к обратному трубопроводу циркуляционной системы между насосом и котлом, а шламоотделителй могут быть установлены в любом месте циркуляционного контура.
Для обработки котловой воды АМОВ рекомендуется устанавливать после подпиточного трубопровода для того, чтобы подпиточная вода также обрабатывалась перед нагревом магнитным полем. В тепловых разомкнутых системах противонакипные аппараты необходимо врезать в трубопровод холодной воды на входе в бойлеры, а шламоотделители устанавливаются на выходе подогретой воды. К теплопотребителям / Обратная Из водопровода Рисунок 1.7 - Технологическая схема подключения противонакипных устройств и шламоотделителя к огневым водогрейным котлам: 1-вентиль; 2-входной водомер; 3-насос; 4-АМОВ; 5-шламоотделитель; 6-выходной водомер; 7-водогрейныйкотел
Если имеются большие часовые расходы воды, то допускается одновременно обрабатывать до 30% потока воды. При этом противонакипные устройства следует устанавливать параллельно магистральному трубопроводу.
Технологическая схема подключения АМОВ и шламоотделителя в теплосети с электродным водогрейным котлом: 1-вентиль; 2-насос; 3-АМОВ; 4-электрокотел; 5-шламоотделитель; 6- выход шлама при продувке
Корректировка расхода воды через аппараты магнитной обработки воды производится вентилем и контролируется датчиками расхода воды на входе и выходе. Технологическая схема подключения АМОВ к водогрейным электрокотлам представлена на рис. 1.8.
Технологическая схема подключения АМОВ и шламоотделителя к паровому котлу: 1-котел; 2-паросборщик котла; 3-переключающий вентиль; 4-АМОВ; 5-питательный насос; 6-емкость для питательной воды; 7-шламоотделитель
Для предотвращения работы противонакипных устройств в холостую рекомендуется предусматривать блокировку их включения в сеть с работой циркуляционного насоса. Схемы обработки подпиточной воды для паровых котлов должны предусматривать возможность многократного пересечения водяного потока магнитным полем. Данная рекомендация выполняется путем последовательного подключения нескольких противонакипных устройств или одного многокатушечного АМОВ. Технологическая схема подключения устройства для борьбы с накипью в теплосистемах с использованием паровых котлов представлена на рис. 1.9.
При противонакипной магнитной обработке питательной воды для паровых котлов рекомендуется предусматривать предварительное омагничивание воды в баке 6 (рис. 1.9), в который поступает вода из водопровода и конденсат путем ее циркуляции через аппарат магнитной обработки вещества.
Если необходимо осуществить предотвращение образования накипи в системах горячего водоснабжения, то АМОВ необходимо устанавливать по следующей схеме рис. 1.10. Из этой схемы видно, что для эффективной защиты от накипи первичного контура теплообменника противонакипное устройство рекомендуется устанавливать перед котлом. Производительность АМОВ для горячего водоснабжения выбирают из расчета обработки всего потока нагреваемой воды. Перед монтажом аппаратов для магнитной обработки воды рекомендуется выполнить ревизию всей отопительной системы, произвести промывку котлов, бойлеров, трубопроводов и вспомогательного оборудования /2, 31, 35, 58/.
Шламоотделители и устройства для борьбы с накипью устанавливают таким образом, чтобы они постоянно были заполнены водой в случае возникновения перебоев в работе отопительной системы. Рекомендуется АМОВ располагать вертикально из расчета, что обрабатываемая вода поступает снизу и движется вверх. Выпуск воздуха и взятие проб осуществляется через сливные краны в верхнем сборном коллекторе, к которому подключают аппараты /88, 92, 109, 151, 176/.
Для удаления шлама необходимо периодически продувать шламоотделители. Цикличность продувок зависит от качества поступаемой воды, емкости и конструкции шламооуловителя.
Технологическая схема подключения АМОВ и шламоотделителя к теплообменым устройствам горячего водоснабжения: 1-водяной подогреватель (бойлер); 2-вентиль; 3-шламоотделитель; 4-АМОВ
В конце отопительного сезона рекомендуется провести технический осмотр и продувку всех элементов теплосети с целью удаления осевшего и скопившегося в узких местах и на стыках трубопроводов шлама.
С целью обеспечения электробезопасности работников котельных и потребителей горячей воды перед включением АМОВ в работу требуется произвести обязательное заземление противонакипных устройств в соответствии с требованиями ПУЭ.
Для обеспечения пожарной безопасности аппараты для магнитной обработки вещества не допускаются устанавливать на сгораемом основании.
Анализ представленных технологических схем показывает, что АМОВ нашел широкое применение в различных системах теплоснабжения агропромышленного комплекса и позволяет успешно бороться с отложениями накипи на стенках котлов и трубопроводов.
Определение векторного магнитного потенциала на внутренних границах раздела сред
Из графиков видно, что с изменением угла ф меняется процентное соотношение между магнитными потоками, проходящими через области намагничивающей катушки (медь), сечение тонкой вставки (сталь) и рабочий зазор (воздух). Чем меньше угол, тем более равномерное распределение магнитных изолиний в воздухе и менее составляющая магнитного потока, проходящего через медь.
Разрывы графиков на рис.2.8 и рис.2.9 обусловлены наличием большого значения магнитной индукции в зоне насыщения тонкой стальной вставки, величина которой может достигать до В=2,65Тл.
С уменьшением ф амплитудное значение магнитной индукции по радиусу г снижается (рис.2.10), а интеграл индукции по контуру - возрастает (табл.2.1), что говорит о более равномерном распределении магнитных силовых линий в рабочем сечение АМОВ и меньшем градиенте В.
Из рис.2.12, 2.14, 2.16 видно, что с ростом F амплитудные значения В также увеличиваются, что позволяет подбирать параметры магнитного поля для разных режимов работы АМОВ - на холодной и горячей воде.
Оптимизацию магнитной системы аппарата для борьбы с накипью можно осуществлять не только изменением угла полюса, но и вариацией длины, толщины и количества имеющихся в нижней части магнитопровода тонких стальных вставок.
В качестве второго критерия оптимизации АМОВ бралась тонкая стальная вставка, соединяющая между собой магнитные полюса. Для расчетов были выбраны вставки длиной д = 20, 40, 60мм и толщиной 1мм. Анализ графиков на рис.2.17 показывает, что использование в конструкции АМОВ двух тонких стальных вставок, имеющих разную длину, позволяет изменять картину силовых линий внутри рабочего сечения и, следовательно, параметры магнитного поля.
На рис.2.17,а изображены кривые магнитной индукции в функции осевой длины аппарата для д = 60мм. Зависимости построены для разных значений радиусов: г = 0, 12,5 и 25мм. Из рисунка видно, что на отметках интервала L, равных 25...75мм и ПО... 160мм силовые линии почти совпадают, что говорит о наличие в активной части зазора почти плоскопараллельного магнитного поля, имеющего одинаковое В по радиусу.
На оси раздела металл-воздух (кривая 1) наблюдаются пять явно выраженных градиентных зон магнитной индукции по длине L, что способствует повышению эффективности противонакипного эффекта обрабатываемой воды.
Уменьшение длины вставки на 20мм до размера 5 = 40мм несколько изменяет картину силового магнитного поля в рабочей части сечения. Это видно из рис.2.17,6. Основное отличие заключается в уменьшение длины L, на которой В практически принимает одинаковые значения. Длина указанной зоны находится в пределах 50...70мм и 120...140мм.
Использование короткой стальной вставки 5 = 20мм приводит к тому, что разница магнитной индукции между кривыми 1, 2 и 3 наблюдается по г и L в сторону снижения.
При длинах вставки 20 и 40мм максимум В явно выражен под крайними полюсами, примыкающими к торцам стальных крышек.
Если АМОВ изготовлен с двумя вставками, имеющими 5 = 60мм, то наибольшее значение магнитной индукции находится на краях центрального промежуточного полюса. На радиальной оси симметрии данного полюса индукция минимальна. В таблице 2.2 даны величины интеграла магнитной индукции по длине контура L в зависимости от размера тонкой вставки 8 на границе раздела металл-воздух (г = 25мм). Обработка полученных данных позволяет сделать вывод о том, что максимальный в получается при длине вставке 60мм.
На рис.2.18, 2.20, 2.22 представлены картины распределения магнитных силовых линий по осевому сечению магнитопровода АМОВ, имеющего Ь — 20, 40 и 60мм. Аппарат состоит из корпуса, двух косоугольных (когтеобразных) полюсов, примыкающих к боковым поверхностям торцевых элементов и имеющих разную длину, а также дополнительного промежуточного полюса, установленного между двумя тонкими вставками.
Нахождение оптимальной температуры цилиндрического АМОВ
Расчет оптимальной температуры АМОВ произведен для аппарата, имеющего две стальные вставки длиной 5=60мм каждая и угол ф=15.
Противонакипное устройство имеет намагничивающую катушку, подключаемую к источнику постоянного напряжения. Катушка намотана эмалированным круглым медным проводом марки ПЭТ - 155 /4/ диаметром с1=0,4мм, по которому протекает ток I = 0,54А. Потребляемая из сети активная мощность в установившемся режиме работы АМОВ Руст=150Вт. Объем катушки, занимаемый обмоткой, равен V = 0,0007м .
Исходными данными для стационарного теплового расчета являются объемная плотность тепловыделения Q = 212868Вт/м . Из справочной литературы /150/ в соответствии с техническими рекомендациями выбиралась теплопроводность материалов элементов, входящих в состав аппарата для предотвращения образования накипи, а также воздушных прослоек, имеющихся внутри конструкции: медь ) =3 90Вт/м-К, сталь =48Вт/м К, воздух %$= 0,0256Вт/м-К, изоляция 1 = 0,16Вт/м-К, резиновые прокладки Ар= 0,2Вт/м-К.
На границе раздела двух поверхностей металл - воздух учитывалась естественная конвекция, и принимались граничные условия третьего рода. Коэффициент теплоотдачи брался а 20Вт/м-К, а температура окружающей среды - во= 22С (295К).
На оси симметрии АМОВ можно принять естественные граничные условия, что не противоречит теории представления картины теплового поля.
Нахождение температуры по осям гиг АМОВ проходило в несколько этапов. На первом этапе считалось, что аппарат охлаждается со всех сторон воздухом. На втором этапе моделировалась ситуация, когда через рабочее сечение проходит вода, имеющая разную температуру. Температура проходящей воды учитывалась для систем холодного и горячего водоснабжения и бралась: 7, 50, 95С (300, 323, 368К). Коэффициент теплопроводности менялся в зависимости от температуры проходящей воды от 0,6 до 0,68Вт/м-К.
По результатам расчетов были получены картины распределения тепловых потоков внутри АМОВ и графики распределения значений температур с учетом перечисленных ранее допущений и выбранных значений А, а, #о На рис.3.4 представлена картина распределения тепловых потоков по сечению аппарата и вокруг внешней поверхности корпуса. Показаны значения радиусов, по которым замерялась температура вдоль осевых линий, и строились графики рис.3.5, 3.6.
Из графиков видно, что максимальную температуру нагрева 126 С имеет намагничивающая катушка. Значительное преобладание осевого размера катушки над радиальным приводит практически к равномерному распределению температуры внутри занимаемого объема.
В рабочем сечение наибольшую температуру нагрева имеет внутренняя поверхность металла, от которого она интенсивно понижается в стороны входного и выходного отверстий. На рис. 3.7 показаны радиальные сечения Гі... Гд, по которым определялись значения температуры нагрева по длине L...L4 АМОВ, а на рис.3.8 представлены графики 9 f(r). По кривым на графике можно судить, как изменяется температурное поле в различных радиальных сечениях аппарата магнитной обработки воды. Анализ этих кривых позволяет сделать вывод, что наибольший градиент температуры наблюдается на радиальной оси симметрии (L4). На очередном этапе расчета производилось определение температуры нагрева исходя из того, что через АМОВ протекает вода, имеющая различную температуру нагрева. Графики расчета даны на рис.3.9.
Если аппарат устанавливается на холодную воду (в = 7С), то проточная вода осуществляет интенсивный теплоотвод с поверхности металла и температура намагничивающей катушки при плотности тока J = 4153846А/м2 не превышает 20С. Теплообмен интенсивно протекает в сторону рабочего сечения устройства.
Увеличение температуры воды до 50С повышает нагрев обмотки до 60С, а теплообмен перераспределяется в сторону внешней поверхности корпуса АМОВ.
Достижение температуры воды 95С ухудшает передачу тепла с поверхности металла и приводит к росту температуры намагничивающей катушки свыше 100С.
На рис.3.10 показаны поверхности нагрева по продольной оси катушки (Гбрис.3.4) и радиальной оси симметрии для (L4 рис.3.7) АМОВ построенные с помощью пакета MathCad /57, 138, 147/. Из поверхностных графиков видно, как происходит распределение температуры нагрева по радиусу и оси намагничивающей катушки.
Подключение АМОВ к различным источникам питания
В четвертой главе рассмотрены динамические процессы, протекающие в аппарате магнитной обработки воды.
На основании изложенных теоретических положений делаются следующие выводы:
1. Математическая модель расчета индуктивности, основанная на использовании энергетического функционала и метода Ритца, дает возможность получить результаты с относительной погрешностью, не превышающей 3,4%.
2. Получены новые конечные уравнения (4.13, 4.14, 4.18, 4.19, 4.24, 4.25) для расчета индуктивности разных форм намагничивающих катушек АМОВ, что необходимо знать при рассмотрении динамических процессов, протекающих в АМОВ, подключаемых к различным источникам питания.
3. Предложена инженерная методика нахождения собственных и взаимных индуктивностей аппарата, дающая основание для представления сложных геометрических форм намагничивающих катушек в виде простых прямоугольных колец.
4. Представленные математические алгоритмы расчета, основанные на нахождении суммы двух составляющих токов iLcB и iLnp и использовании степенных рядов, дают возможность достоверно описывать свойства функции, имеющей разную конфигурацию и являющейся источником питания противонакипного аппарата.
5. В результате использования оригинальной методики решения уравнения состояния (4.37) для различных источников питания выведены математические выражения (4.61, 4.69, 4.75, 4.76, 4.87, 4.88, 4.89, 4.90, 4.93, 4.94), которые являются универсальными, так как позволяют находить значения токов с учетом резонансных явлений, поскольку степенные ряды, применяемые в этих формулах, имеют смысл при любых значениях р. В главах 1.. .4 представлены теоретические исследования АМОВ. В первой главе предложена классификация противонакипных устройств. Рассмотрен механизм воздействия магнитного поля на соли воды. Выявлены наиболее перспективные области применения АМОВ.
Во второй главе дается обоснование необходимости разработки новых математических моделей для расчета магнитных систем АМОВ. Все модели, разработаны на основе численных методов, позволяющие достаточно точно описывать статические процессы.
В третьей и четвертой главах проводится теоретическое исследование тепловых процессов, протекающих в противонакипных устройствах, и рассматриваются вопросы подключения аппаратов к различным источникам питания.
Проведенные теоретические изыскания показали, что конструирование АМОВ и их работа может быть описана вариационными методами с использованием персональных компьютеров. Для подтверждения теоретических положений была поставлена цель - проведение экспериментальных исследований.
В связи с этим были выдвинуты следующие задачи: - конструктивное подтверждение выдвинутого принципа создания АМОВ; - определение наиболее оптимальной формы полюсов магнитной системы; - нахождение проводимостей воздушных промежутков с разнообразной формой полюсов; -выявление эффективности работы противонакипных аппаратов, подключаемых к различным источникам питания; - нахождение значений магнитной индукции по радиусу устройств; - определение влияния характеристик магнитного поля на эффективность накипеобразования.
Несмотря на возможность широкого применения магнитной обработки в различных производственных процессах, наблюдается процесс сдерживания эксплуатации различного рода АМОВ. В первую очередь это происходит из-за ряда существенных недостатков, отмеченных выше, которые присущи, практически всем, современным аппаратам магнитной обработки.
В Ставропольском государственном аграрном университете на кафедре ПЭЭСХ разработаны принципиально новые АМОВ, позволившие позитивно изменить, как сам процесс магнитной обработки, так и средства его реализации (рис.5.1 и рис.5.2)/42...44, 128... 130, 155/.
