ЭТУ_Куликова_2014

Электрическая модель системы позволяет оценить тепловое и технологическое действие тока. Если к схеме приложено синусоидальное напряжение u = Umsinωt, то входное сопротивление схемы:

Технологическое действие электрического тока увеличивается с повышением RF, т.е. при уплотнении обрабатываемой массы и при снижении ее влажности до определенного значения.

Одним из вариантов аппаратурного оформления процесса электрохимической обработки (ЭТХО) соломы является установка с поворотным поршнем. Установка (рис. 4.15) содержит уплотняющий орган 1, загрузочный бункер 2, установленный на корпусе 3.

Каждая секция корпуса является электродной камерой 4 и изолирована от соседних камер перегородками 5, на которых укреплены электроды. Уплотняющий орган выполнен в виде сектора, укрепленного на валу 7, расположенным между электродными камерами 4. Боковая стенка камеры 4 установлена на шарнире 9 и подкреплена пружиной 10, надетой на регулировочный винт 11. В нижней части камеры 4 находится выгрузное отверстие 12. Предварительно измельченная и пропитанная раствором солома подается в загрузочный бункер 2, захватывается и перемещается уплотняющим органом в электродную камеру. При транспортировке масса уплотняется. Попадая в рабочую камеру, масса подвергается воздействию электрического тока, и в ней протекают электролитические процессы, повышающие ее кормовые достоинства.

101

средней полосы России и в Сибири в зимний стойловый период при отрицательных температурах смачивание становится проблемой. Поэтому более перспективной является электроконтактная установка без применения химреагентов. Принцип обработки заключается в предположении, что питательные вещества в сухом виде находятся внутри клетки, прочная целлюлозно-лигниновая оболочка которой препятствует усвоению питательных веществ в пищеварительном тракте животных. Разрушение оболочки повышает усвояемость и переваримость соломы, т.е. повышает ее кормовую ценность.

Условиями, при которых оболочка клетки может быть разрушена (процесс деструкции), являются измельчение, внутриклеточное смачивание, уплотнение и воздействие электрического тока при определенной напряженности электрического поля и времени воздействия. При протекании тока через увлажненную растительную ткань, имеющую сложную структуру с чередованием комплексных электролитов и диэлектриков, механизм разрушения оболочки также представляется комплексным.

В комплекс разрушающих воздействий входят:

–тепловой пробой изоляции (оболочка клетки между двумя жидкостными электродами);

–электрогидравлический эффект, возникающий при пробое изоляции;

–повышение давления газов, образованных в результате электролиза;

–электростатические и электродинамические усилия, возникающие между элементами системы с разными диэлектрическими свойствами.

Количественно оценить величину того или иного воздействия не представляется возможным, т.к. эта величина изменяется в зависимости от формы кривой тока, частоты, состава электролита, температуры, влажности, плотности и т.д. Физические процессы теплового пробоя изоляции и условия их протекания изучены достаточно глубоко. Миикроэлектрогидравлический удар при очень коротких разрядах в жидкостях ведет к импульсному повышению давления внутри клеточной оболочки и ее разбиения. Часть клеток в электрической цепочке в обрабатываемой массе, может быть повреждена. В рассматриваемой цепочке при протекании постоянного тока в чередующихся проводящих

элементах происходит электролитическое разложение воды с выделением газов водорода и кислорода. При плотностях тока 10-3...10-2 А/см и

длительности воздействия 30 с величина заряда, передаваемого через цепочку, 0,2·10-9 А·ч, что соответствует 0,216·10-9 г выделяемого водорода. При атмосферном давлении объем этой массы водорода составит V = 4·10- 6 см2. Объем клетки VК = 2·10-10 см2 на несколько порядков меньше объема

выделенного водорода, следовательно, резко возрастает давление, что приводит к разрушению оболочки клетки.

При протекании тока по грубодисперсной системе интенсифицируются массообменные процессы на границе раздела сред «солома-раствор»

103

происходит перераспределение межмолекулярных и электростатических сил. Условие разрушения оболочки растительной клетки под воздействием электрического поля.

Fэл. Fмол. .

При напряженности электрического поля 6·102 В/м межмолекулярные взаимодействия, проявляющиеся на расстоянии 10-10 м, составляют 950 кДж/моль, а при напряженности 1000 В/м – 1400 кДж/моль. Силы межмолекулярного взаимодействия при расстояниях 10-10 равны 100...800 кДж/моль, т.е. при напряженностях 6·102 В/м выполняются условия разрушения оболочек клеток.

4 3

6 7

5

1

Рисунок 4.17 – Установка электроконтактной обработки соломы: 1- двигатель; 2 – редуктор; 3 – маховик; 4 – редуктор; 5 – поршень; 6 – рабочая камера; 7 – электроды

Установка для обработки соломы в смеси с силосом и измельченными корнеплодами изготовлена в АлтГТУ и предназначена для работы в технологической цепи кормоцеха КОРК-15. Увлажнение соломы происходит в кормосмесителе за счет перераспределения влаги, содержащейся в силосе и корнеплодах. Для уплотнения соломы в прессовальной камере используется кривошипно-шатунный механизм прессподборщика «Киргизстан» (рисунок 4.17). Обработка производится во вращающемся электрическом поле, создание которого обусловлено расположением электродов в пространстве и схемой соединения обмоток питающего трехфазного трансформатора (рисунок 4.18).

Электроды по длине рабочей камеры разделены на три группы, что позволяет изменять режим обработки, варьируя напряженность и время обработки. Первая группа электродов интенсифицирует процесс внутриклеточного смачивания соломы. Вторая – создает режим технологической обработки, т.е. разрушения оболочек клеток. Режим третьей группы обусловлен состоянием пограничного слоя «электроды – обрабатываемая масса».

104

А В С

Рисунок 4.18 – Схема расположения электродов и соединения обмоток питающего трехфазного тpанcфopматора

4.4. Установки для электромелиорации почв

Восстановление плодородия засоленных почв, т.е. почв с повышенным содержанием токсичных для растений солей, производится различными способами: мелиоративная вспашка, биологическая, химическая и электрическая мелиорация. Наиболее часто производят промывку почвы пресной водой, хотя этот процесс длительный (от 1 года до 3 лет) и связан с большим расходом воды (до 30 тыс. м воды на гектар). Сократить срок мелиорации в 3...6 раз и снизить расход воды в три раза позволяет электромелиорация почв. В зависимости от степени засоленности и фильтрующих свойств почв для электромелиорации используются установки с горизонтальным и вертикальным расположением электродов (рисунок. 4.19). При мелиорации солонцовых и солончато - солонцовых почв с низкими фильтрационными свойствами используют систему горизонтальных рабочих электродов. Почву при этом увлажняют и монтируют горизонтальную дренажную систему. Аноды устанавливаются на меньшую глубину, чем катоды. В каждом конкретном случае глубина закладки катодов определяется агротехническими требованиями. Положительно заряженные ионы перемещаются на глубину залегания катодов и отводятся через дренажную систему.

Сопротивление растеканию тока с анода:

где ρ – удельное электрическое сопротивление почвы, Ом·м; l – длина анода, м; d0 – диаметр анода, м; b = 2d0 ; h – глубина заложения анода, м.

105

R3 R2 r2 2rRcos ; R4 R2 r2 2rRcos .

Наиболее часто для расселения почв применяются схемы с вертикальными электродами. Основное требование заключается в равномерном выносе токсичных солей при оптимальной мощности источника питания. Анодные электроды имеют длину около 1 метра, катодные – до 5 м. Анодные, как и катодные электроды располагаются в чередующиеся линии. Расстояние между линиями электродов 40...80 м. Расстояние между электродами в линиях определяется коэффициентом использования. Физическая сущность коэффициента использования заключается в следующем. Один вертикальный электрод обладает сопротивлением RС, в зависимости от конкретных условий. При установке параллельно второго электрода сопротивление должно уменьшаться в два раза, но при условии, что расстояние между ними будет бесконечно большое. Если это расстояние, конечно, то сопротивление уменьшается менее, чем в два раза из-за так называемого экранирования (рисунок 4.21), т.е. из-за взаимного наложения электрических полей при стекании тока с электродов в землю.

Рисунок 4.21 – Схема растекания тока с одиночного электрода (а) и системы электродов (б)

Коэффициенты использования вертикальных электродов в заземляющем устройстве тем ниже, чем их больше и чем меньше относительное расстояние между ними.

al ,

где a – среднее расстояние между электродами, м; l – средняя длина электрода, м.

Нагрузка на источник зависит от общего числа электродов и расстояния между ними. При условии, что все электроды в ряду одинаковы по длине и имеют одинаковые конструкции, коэффициент использования определяется формулой:

nRcR ,

где – число электродов в ряду; R – сопротивление ряда электродов, Ом; RC – сопротивление единичного электрода, Ом.

107

На рисунке 4.22 приведены графики зависимости коэффициента использования от относительного расстояния между ними.

Рисунок 4.22 – Графики зависимости коэффициента использования от относительного расстояния между электродами

Система анодных и катодных электродов, являясь собственно технологической установкой, предназначена для равномерного выноса токсичных солей из почвы. Следовательно, потенциалы электродов должны иметь определенные значения, но так как подвод энергии производится проводом, то при больших токах на участках между электродами наблюдаются значительные потери напряжения. Расчет сети постоянного тока базируется на условии равенства потенциалов на концах всех однополярных распределительных линий. Сечение проводов может изменяться в зависимости от величины токов и межэлектродных расстояний. Для электрически однородной почвы и при равенстве напряжений между разнополярными распределительными линиями через все однополярные электроды должны протекать токи одинаковой величины. Из-за потерь напряжения токи через электроды в конце распределительных линий меньше, чем токи, стекающие с электродов у магистрали.

Известно выражение:

относительное расстояние выноса источника питания за пределы участка. По приведенным выражениям, устанавливая величину допустимых

значений потерь напряжения, определяется минимальное сечение провода на i-м участке. Источником питания остановок электромелиорации почв обычно служат многопостовые сварочные выпрямители типа ВКСМ-1000 и ВДМ-3001 с напряжением 70 В и максимальным током 1500 А. Электроды соединяются неизолированным алюминиевым проводом. Сечение проводов на отдельных участках изменяется от 650 до 50 мм. Допустимое значение потерь напряжения – до 17 В. Величина тока изменяется во племени, что обусловлено процентным содержанием солей в почве и степенью увлажнения почвы. Максимум тока наблюдается в первые часы включения установки, затем нагрузка постепенно уменьшается, так как сопротивление почвы увеличивается из-за выноса ионов легкорастворимых солей. Затраты энергии на электромелиорацию почв велики и составляют около 10 тыс. кВт·ч/га, но при этом в 3...4 раза сокращается время мелиорации и расход воды [1].

109

ГЛАВА 5

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

5.1. Основные закономерности преобразования электромагнитной энергии в тепловую

Электрический нагрев представляет собой нагрев материалов с использованием электрической энергии. Электромагнитная энергия от генератора к потребителю передается электромагнитной волной. Мощность потока энергии, отнесенная к единице поверхности, ориентированной нормально к направлении распространения волны, определяется вектором Пойнтинга:

(5.1)

где E – вектор напряженности электрического поля, В/м;

H – вектор напряженности магнитного поля, А/м2. Электромагнитная волна, достигнув потребителя, частично отражается

от него, частично пронизывает его насквозь, а частично им поглощается. Часть поглощенной веществом электромагнитной энергии идет на изменение его собственного электромагнитного поля, другая – вызывает протекание электрического тока и в конечном счете преобразуется в теплоту.

В общем случае плотность тока в материале определяется из первого уравнения Максвелла:

Плотность тока смещения:

Электромагнитная волна ослабляется но мере проникновения в материал и, следовательно, уменьшается плотность тока. Характер ослабления электромагнитной волны в веществе может быть определен из первого (см.(5.2)) и второго уравнений Максвелла:

110