ЭТУ_Куликова_2014

индуцированного тока. В первом приближении можно считать, что чем меньше напряженность магнитного поля в рабочем зазоре, тем более длинным должен быть путь в нем жидкости.

Обобщая опыт эксплуатации аппаратов в промышленных условиях, можно рекомендовать следующее:

1.Во всех случаях необходимо осуществлять предварительную настройку аппаратов. Работу аппарата необходимо систематически контролировать.

2.Расход воды и ее состав должны быть максимально стабильными.

3.Межполюсный канал должен быть заполнен водой с тем, чтобы исключить образование воздушных пробок и застойных зон. Для этого необходимо подавать воду в аппарат снизу вверх и периодически промывать канал. Для удаления от полюсов скоплений магнитных частиц аппаратного железа необходимо систематически переключать полюса электромагнитов. Аппараты с постоянными магнитами нужно своевременно очищать;

4.В воде, поступающей в магнитные аппараты, должны отсутствовать оксиды железа в коллоидной форме и пузырьки газа, так как в противном случае эффективность применения аппаратов резко снижается.

Анализ многочисленных конструкции магнитных аппаратов позволил выявить следующие тенденции в конструировании магнитных аппаратов, появившихся в последние годы:

1.Распределение сферы применения магнитных аппаратов во многих технологических процессах определяет требования к параметрам по температуре, давлению, коррозийной стойкости и др.

2.Появление качественно новых конструкций магнитных аппаратов: с вращающимся магнитным полем, со скрещенными магнитными полями и т.д.

3.Сокращение числа магнитных контуров, последовательно располагаемых на пути водного потока, снижение числа перемен полярности пересекающих воду магнитных потоков и переходов к униполярным конструкциям.

4.Отказ от регулирования индукции в рабочих зазорах, IBK как регулирование магнитных параметров в эксплуатационных условиях при правильном выборе режима обработки является излишним.

5.Улучшение параметров феррито–бариевых магнитов и отказ от кобальтовых сплавов, как более дорогих.

6.Широкое применение аппаратов с постоянными магнитами во всех областях использования магнитной обработки воды. По пропускной способности эти аппараты уже превышают электромагнитные.

7.Усиление внимания к снижению рассеяния магнитного потока и потерь магнитодвижущей силы, что повышает отдачу магнитоисточников. Это дает существенную экономию магнитных сплавов в аппаратах с

251

постоянными магнитами или обмоточного провода в аппаратах с электромагнитами.

8.Переход в электромагнитных аппаратах к внешнему расположению намагничивающей катушки, что упрощает технологию изготовления и повышает надежность работы этих аппаратов.

9.Усиление внимания к требованиям ремонтопригодности, т.е. возможность доступа к магнитной системе аппарата для её ревизии в эксплуатационных условиях без демонтажа корпуса аппарата.

10.Рост пропускной способности аппаратов путем их компоновки из отдельных типов магнитных блоков для уменьшения металлоемкости конструкции.

11.Ограничение рабочего зазора значением, равным 2...3 см, даже в аппаратах с максимальной пропускной способностью, с целью уменьшения турбулентности потока воды. Рост пропускной способности аппарата достигается путем разделения водного потока на несколько параллельных слоев, каждый из которых проходит через свой рабочий зазор в общем магнитном контуре.

12.Улучшение гидравлических характеристик магнитных аппаратов посредством снижения суммарного коэффициента местных сопротивлений. Предпочтение отдается прямоточным конструкциям с обтекаемыми профилями, минимальных рабочих зазоров и малой шероховатостью их стенок. Это позволяет повысить скорость протекания жидкости в рабочих зазорах с 1...2 м/с до 5...10 м/с.

При разработке новых магнитных аппаратов каждый вариант просчитывается на соответствие приведенным ниже критериям, причем выбор наиболее удачного решения определяется сравнением удельных показателей вариантов, прежде всего с целью обеспечения сокращения расходов магнитных сплавов и цветных металлов аппарата на 1 м / ч расхода воды.

Основным критерием является обеспечение в активной зоне [23] аппарата заданного значения конструкционного модуля М –комплексного показателя, представляющего собой произведение из магнитной индукции

взазоре В, скорости пересечения водой магнитного поля V и времени нахождения воды в активной зоне аппарата t:

где L – путь воды в активной зоне аппарата.

Значение модуля зависит от цели магнитной обработки и от состава обрабатываемой жидкости. Для противонакипной обработки воды модуль

М = =0,01...0,02 Тc м.

252

Из этого критерия следует ряд следствий:

а) Необходимо снижать индукцию в рабочем зазоре, а заданное значение М в рабочем зазоре можно сохранять за счет увеличения величины L. Последнее связано с ростом массы магнитопроводов, но так как мягкая сталь в 5...10 раз дешевле магнитов и обмоточной меди, то удельные затраты существенно снижаются.

б) Заданное значение М достигается обычно при однократном пересечении водой магнитного поля, поэтому технологически эффективнее использовать одноконтурные униполярные конструкции, удельные показатели которых лучше.

в) Необходимо обеспечивать независимость эффекта магнитной активации от скорости воды в рабочих зазорах при обеспечении ламинарности потока, поскольку произведение Vt для каждого магнитного аппарата является инвариантным.

Второй критерий нацелен на повышение коэффициента использования потенциальных возможностей магнитоисточника;

где – коэффициент рассеяния магнитного потока, f – коэффициент потерь МДС,

Wa – магнитная энергия в активной зоне аппарата, Wсв – максимальная свободная энергия магнита.

Повышение отдачи магнита от значений 0,2...0,4 до 0,6...0,8 уменьшает удельный расход магнитных сплавов и цветных металлов в 2...3 раза.

Минимизация удельного расхода магнитов достигается при выборе индукции и напряженности магнитного поля в рабочей точке нагрузочной кривой, равных паспортным значениям В и Н', при которых отдача магнита максимальная.

Третьим критерием является минимизация гидравлических потерь Р:

i 1

где 1 – коэффициент местных сопротивлений, V – плотность жидкости,

g – ускорение свободного падения.

Поскольку снижение скорости воды нежелательно, так как это уменьшает пропускную способность аппарата, тo минимизация потерь достигается лишь за счет значительного снижения:

где Sy и Sm – поперечные сечения водоводов в местах сужения и расширения.

В некоторых конструкциях удается снизить этот параметр от 3...5 до 0,5...1,0 за счет прямоточности и профилирования водоводов по принципу Вентури.

253

Использование критериев оптимизации при расчете магнитных аппаратов позволяет снизить удельный расход магнитов, цветных металлов и удельные капитальные затраты на магнитную водоподготовку.

Исходя из перечисленных выше критериев оптимизации выбирается индукция в магнитном контуре В, протяженность активной зоны L, геометрия водоводов, скорость воды в рабочем зазоре V и ширина рабочего зазора.

Вслучае невозможности обеспечить принятое значение М в одном рабочем зазоре, по ходу жидкости располагают несколько магнитных контуров. Ширину рабочего зазора не следует брать менее 5 мм, иначе он будет быстро засоряться, но не желательно и увеличивать зазор выше 15...20 мм во избежание возникновении микротурбулентности в активной зоне аппарата.

После определения живого сечения рабочих зазоров и числа параллельно и последовательно включенных по ходу воды магнитных контуров приступают к определению магнитного потока и магнитодвижущей силы (МДС) магнитоисточника. Для расчета параметров магнитоисточника (магнитов или электромагнитов) необходимо найти коэффициент рассеяния магнитного потока и коэффициент потерь МДС в рассматриваемой магнитной системе.

Для определения надо, помимо учета проводимости основного рабочего зазора, найти проводимость первых и вторых краевых зазоров, потоков рассеяния как в основной магнитной цепи, так и в параллельных цепях, если таковые возможны. С этой целью составляется схема вероятных потоков и путем замыкания магнитных силовых линий в воздушных зазорах и в магнитопроводах магнитного контура. Кофигурация воздушных зазоров может иметь разнообразные очертания и для определения их магнитной проводимости предложено множество формул [1].

Вприложении приведшей программа и пример расчета электромагнитного аппарата постоянного тока типа ЭМА – 1500. Конструкция аппарата приведена на рисунке 10.13.

254

Рисунок 10.13 – Элекромагнитный аппарат типа ЭМА – 1500: 1,2 –отрезки стальных труб, 3 – центральная диамагнитная часть; 4 – намагничивающая катушка; 5 – внешний магнитопровод; 6 – бандаж; 7,8 – полюсные пластины; 9,10 – стальные кольца

255

Глава 11.

11.1 БИОГАЗОВАЯ УСТАНВКА НА ОСНОВЕ СВЧ ИЗЛУЧЕНЯ

На основании анализа состояния вопроса, теоретических и лабораторных исследований определяем, что непрерывный процесс переработки навоза при объемном и СВЧ излучении, включает в себя комплекс взаимосвязанных сложных теплофизических процессов: дозированная загрузка отходов, нагрев биомассы, периодическое перемешивание, дозированная выгрузка переработанного субстрата, сбор и резервирование газа.

Для изучения этих процессов была разработана установка, состоящая из СВЧ шкафа, шлангов, водного затвора, жидкостного манометра, счетчика электрической энергии. Проводились эксперименты с двумя образцами: свиной и коровий навоз. Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с СВЧ нагревом, показана на рисунке 11.1.

3 2

Рисунок 11.1 – Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с СВЧ нагревом: 1 – СВЧ шкаф; 2 - Шланги; 3 – Водный затвор;4 – Жидкостный манометр; 5 - Счетчик электрической энергии

На рисунке 11.2 показана кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания при контактном нагреве свиного

(1) и коровьего (2) навоза, а также контактный нагрев в трех режимах сбраживания.

256

температуры и времени сбраживания при контактном нагреве свиного (1) и коровьего (2) навоза

На рисунке 11.3 приведены сравнительные характеристики выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания свиного навоза при контактном и СВЧ нагреве.

Рисунок 11.3 - Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания свиного навоза при контактном и СВЧ нагреве

257

Анализируя полученные данные и графики на рисунках 11.2 и 11.3, выявили основные подходы к методам интенсификации процесса нагрева. Интенсификация за счет равномерного объемного разогрева метантенка до 55оС и объединения трех стадий сбраживания в единый цикл позволит потери тепла высокотемпературной зоны использовать для нагрева субстрата предыдущих стадий, что сократит время нагрева навоза при экономии энергии на разогрев.

За критерии оптимизации принимаем максимальный выход биогаза и минимизацию затрат энергии. На основе теоретических и экспериментальных данных разрабатываем схему физической модели процесса метанового сбраживания навоза с СВЧ нагревом, которая представлена на рисунке 11.4.

Схема физической модели процесса непрерывного метанового сбраживания с СВЧ нагревом разработана так, что высокотемпературная (термофильная) зона находится в центральной части метантенка, при этом температура центральной зоны разогревает мезофильную и психрофильную зоны за счет контактного разогрева через перегородки, разделяющие эти зоны, и диффузии субстрата.

7

Рисунок 11.4 – Схема физической модели процесса метанового сбраживания

В принципиальной схеме данной физической модели процесса метанового сбраживания идет непрерывный процесс газообразования, так как присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.

258

Диэлектрический нагрев в центральной секции метантенка осуществляется в пределах температуры 40…55оС, что соответствует термофильному режиму сбраживания. Эта температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь двух других режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют диффузионный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата. Мезофильный режим сбраживания происходит во второй секции метантенка, где за счет конвективного нагрева достигается температура в пределах 25…40оС. В первой секции реактора диапазон температур соответствует психрофильному режиму сбраживания с диапазоном температур в пределах 8…25оС.

Диэлектрический нагрев является самым подходящим для этой технологии переработки навоза, так как идет практически выделение тепла во всем объеме обрабатываемого субстрата.

Исходя из проведенных экспериментов, обосновали объединение в единый цикл (реактор) трех стадий метанового сбраживания с объемным

Технологический процесс по переработке навоза на предприятиях АПК представлен на рисунке 11.5.

Условные обозначения: П - предприятие АПК; М - метантенк;

Г - энергетический преобразователь; Б - хранилище биомассы;

Рисунок 11.5 – Структурная схема линии по переработке навоза

259

Исходным сырьем, поступающим в линию, является свиной и коровий навоз. В начале технологического процесса переработки навоза в метантенке получаем органический субстрат и биогаз. Важным условием для анаэробного сбраживания является оптимальная температура вещества в метантенке, поддержание которой обеспечивается конвективнодиэлектрическим нагревом.

Принцип работы трехстадийного метантенка биогазовой установки с СВЧ нагревом заключается в том, что подготовленная для сбраживания масса поступает в первую секцию 10 (психрофильную с диапазоном температур 8...25°С) биореактора, показанного на рисунке 8. Перемешивание в данной камере при помощи мешалок 3 осуществляется частотой 1 раз в сутки час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 24…33 об/мин. Затем биомасса по принципу сообщающихся сосудов перемещается во вторую 11 (мезофильную с диапазоном температур - 25...40 °С) в которой перемешивание осуществляется частотой 1 раз в 2 часа с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42…51 об/мин; и третью 12 (термофильную с диапазоном температур - 40...55 °С) частотой перемешивания субстрата 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 51…60 об/мин.

Рисунок 11.6 – Схема трехстадийного метантенка биогазовой установки с СВЧ нагревом

260