ЭТУ_Куликова_2014

2 3

10

Рисунок 9.15 – Устройство для комплексной электрогидравлической обработки сельскохозяйственных продуктов: 1 – ролики транспортеров; 2

– рабочий объем между сетками транспортеров; 3 – накладная крышка для работы методом «воздушной кавитации»; 4 – подача исходного материала; 5 – вывод отработанной очистной жидкости или отработанных жидких продуктов; 6–электроды: 7 – отражатели; 8 – наклонное днище ванны; 9 – ввод рабочей жидкости;10 – вывод очищенного материала или мезги

9.8. Устройства дробления органических материалов и приготовления кормов

Ботва многих сельскохозяйственных растений, водоросли, древесная зелень содержат много биологически активных веществ, регулирующих жизненно важные процессы организма.

Все эти питательные вещества заключены в прочную, труднопереваримую лигнифицированную оболочку. Электрогидравлическая обработка разрушает эту оболочку, высвобождая заключенные в ней питательные вещества. Установлено, что при электрогидравлической обработке сырья в нем возрастает содержание сырого жира, растворимых и редуцирующих сахаров. Структурные изменения корма повышают его питательность, а также позволяют использовать полученный cyбстрат для выращивания дрожжей.

Для электрогидравлической обработки растительных и животных кормов используют электрогидравлические дробилки. Для измельчения различных волокнистых и эластичных материалов осуществляют одновременное с дроблением интенсивное перемешивание всего объема, занятого жидким субстратом, либо производят дробление в большом активном объеме, либо комбинацией этих методов получают одно и другое одновременно. Решить эти задачи можно с помощью методов «воздушной кавитации» (рисунок 9.16) или «пузырьковой кумуляции» (рисунок 9.17).

221

33

Рисунок 9.16 – Устройство для дробления методом “воздушных кавитации”: 1 – отражающая поворотная поверхность; 2 – подача материала и жидкости; 3 – электроды; 4 – рабочий объем; 5 –сетка отверстий в днище и сетках рабочей камеры; 6 – отвод переработанного материала

Рисунок 9.17 – Устройство для дробления методом «пузырьковой кумуляции»: 1 – подача материала и жидкости; 2 – электроды; 3 – сетка выходных отверстий для обработанного материала; 4 – приемный бункер для обработанного материала; 5 – выводной патрубок;

6 – подвод газа или пара

Устройство для дробления методом «воздушной кавитации» содержит камеру, в которую из трубопровода поступают смешанные в заданной пропорции вода и материал, подлежащий измельчению. Выводной канал, закрытый сеткой с калиброванными отверстиями, обеспечивает постоянный уровень жидкости в камере. Разряды возникают между электродами вблизи поверхности жидкости, выбрасывая некоторую часть жидкости вверх, где она ударяется об отражающую поверхность поворотного препятствия. Обработка в таких камерах, соединенных последовательно, доводит материал до необходимой степени измельчения.

222

Устройства для измельчения методом «пузырьковой кумуляции» аналогичны электрогидравлическим дробилкам с той разницей, что к имеющемуся в нижней части дробилки выходу, закрытому сеткой с калиброванными отверстиями, присоединен трубопровод для регулируемой непрерывной подачи газа или пара в объем жидкости, находящейся в дробилке.

Иногда требуется циркуляция обрабатываемого материала. Это осуществляется с помощью загрузочного бункера и насоса. Исходный материал загружается в бункер, затем насосом подается в электрогидравлическую дробилку и циркулирует по цепочке бункер– электрогидравлическая дробилка – бункер. Продолжительность циркуляции определяется заданным числом электрогидравлических ударов на единицу объема продукции.

Предложена еще одна технология приготовления корма из грубого сельскохозяйственного сырья. Сельскохозяйственные продукты, не употребляемые и пищу (водоросли, ветки, хвоя), измельчаются до 3...5 см длиной и пропускаются через электрогидравлические дробилки песчаного типа с диаметром выходных отверстий 3...5 мм.

Чтобы выделить клетчатку, пасту, выходящую из дробилок, пропускают через сито, которое отбирает волокна клетчатки заданной величины. Оставшийся раствор обрабатывают обычными средствами для осаждения белков. Клетчатка и выделенные белки формируют, высушивают и хранят в виде брикетов, гранул. Корм, приготовленный таким образом, полностью обеззараживается и может длительно храниться, не теряя своих питательных свойств.

Эффективность электрогидравлической обработки некоторых видов сельскохозяйственного сырья повышается, если полость электрогидравлической дробилки непрерывно вакуумировать, а жидкий cyбcтpaт, содержащий клеточную ткань, вакуумировать перед электрогидравлической обработкой. Растительные клетки имеют высокую эластичность из-за наличия в них газовых вакуолей либо малых пузырьков газа, растворенных в протоплазме. Эти пузырьки защищают от разрушительного действия сверхвысоких давлений. Но если перед электрогидравлической обработкой наложить на субстрат, содержащий клеточную ткань, вакуум, газовые вакуоли клеток начинают расширяться, проходить через отверстия клеточных мембран и всплывать. Газы, растворенные в протоплазме клеток, ведут себя так же. Если лишенный газов действием вакуума жидкий cyбстрат подвергнуть действию электрогидравлических ударов, клетки будут разрушатся, так как демпфирующее действие газовых вакуолей и пузырьков полностью отсутствует.

Электрогидравлические дробилки для комплексной обработки пищевых отходов, торфа, соломы и других органических продуктов имеют большие перспективы промышленного внедрения.

Все описанные электрогидравлические устройства – универсальны. С помощью одной силовой установки и комплекта электрогидравлических устройств различною назначения можно осуществить дробление и измельчение материалов, приготовление комплексных удобрений, обработка почв и многое другое.

223

ГЛАВА 10

УСТАНОВКИ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ

10.1. Механизм воздействия омагниченной воды на физиологические процессы в живых организмах

В последние десятилетия получено много данных о положительном влиянии на рост растений различных физических воздействий жесткого излучения, электрического тока, магнитных полей. Существенные результаты достигаются относительно простыми средствами. Кроме того, открываются значительные перспективы освоения засоленных земель, использование соленых вод для орошения. Перспективность применения магнитной обработки воды для орошения посевов и рассоления почв вытекает из физико-химических и биологических свойств омагниченной воды.

Обобщение и анализ всего комплекса работ в области сельского хозяйства позволяет отметить большую важность этого направления использования омагниченной воды.

Обработка воды магнитным способом заключается в воздействии магнитных полей на поток воды, проходящий перпендикулярно магнитным силовым линиям. Установлено, что энергия магнитного поля сама по себе ничтожно мала. Однако в движущихся электролитах (воде) под влиянием гидродинамических сил и сил Лоренца возникает эффект Холла, а под влиянием конвекции растворенных веществ изменяется скорость и направление движения ионов, появляются пондермоторные силы и индуцируется электрический ток. Все это оказывает определенное влияние на состояние водосолевой системы.

Известно множество процессов, теоретическое обоснование которых было сделано только через несколько десятилетий после того, как они нашли широкое и успешное практическое применение. Во многих же случаях отсутствие теории сдерживает практическое применение новых процессов. К такого рода проблемам относится и изменение свойств водных систем после кратковременного воздействия на них относительно слабых электромагнитных полей.

Трудности теоретической трактовки магнитной обработки водных систем очень велики, поскольку приходится сталкиваться со многими нерешенными проблемами, относящимися к обшей теории жидкого состояния, приходится иметь дело со сложной, метастабильной системой. Bместе с тем, накопленных экспериментальных данных пока недостаточно для построения строгой теории.

Как известно, метастабильные системы характеризуются возможностью перехода на более низкий, а в предельном случае

224

равновесный, уровень после преодоления некоторого активационного барьера. Есть много оснований, которые позволяют отнести реальную воду к метастабильным системам.

Во-первых, в водных растворах существуют неравновесные метастабильные структуры, связанные с изменением электронной конфигурации молекул. Время существования этого изменения очень мало (порядка 10 ... 10 с). Это время peзкo возрастает в присутствии (обязательном для реальной воды) различных ионов, способствующих образованию аквакомплексов.

Во-вторых, источником метастабильности реальной воды является неизбежное изменение во времени концентрации растворенных газов. Это происходит при малейших изменениях температуры и давления (от турбунизации потока воды), определяющих растворимость газов в воде.

В-третьих, источником метастабильности водных систем являются наводки разною рода, в том числе связанные с солнечной активностью, всегда изменяющиеся во времени.

Четвёртым источником метастабильности ряда водных систем может служить пересыщенность либо недосыщенность раствора различными солями; такое пересыщение часто наблюдается в природных водах.

И, наконец, пятым источником метастабильности водных систем является их микрогетерогенность, а, следовательно, и существование различных поверхности радела фаз.

Реальная вода всегда содержит примеси различных веществ, в том числе газов, являясь микрогетерогенной системой. Она представляет собой открытую систему, обменивающуюся со средой не только энергией, но и веществом, и не может рассматриваться как равновесная; ей свойственны замедленные структурные переходы.

Обязательное условие перемещения водной системы и магнитного потока относительно друг друга приводит к возникновению индуцированного электрического тока. Из уравнений Максвелла вытекает, что магнитное поле возникает как при перемещении электрических зарядов, так и при изменении электрического поля во времени. Любое изменение во времени магнитного поля вызывает возникновение электрического поля. Следовательно, отсутствие учета движения водной системы в магнитном потоке принципиально искажает исходные условия теоретического анализа электромагнитной обработки водных систем.

Значение индуцированных электрических сил косвенно, подтверждается тем, что совместное действие электрического и магнитного полей вызывает большие изменения, чем действие каждого из этих полей в отдельности [1].

Влияние электромагнитного поля связано с такими превращениями системы, при которых её энергия изменяется незначительно, т.е. мы имеем дело с метастабильной системой, поэтому главное внимание должно

225

уделялся энергетическому барьеру, для преодоления которого необходимо сообщить системе некоторую энергию, равную энергии активации. Известно, что энергию активации можно существенно изменить и незначительным возмущающим воздействием на систему.

Таким образом, можно определить следующие закономерности процесса магнитной обработки:

1.Во всех случаях, когда во время магнитной обработки не происходят какие-либо изменения системы, эффект магнитной обработки после кратковременного возрастания постепенно самопроизвольно снижается и исчезает,

2.Обычно отмечается сложная зависимость эффектов от характеристики магнитного поля. Чаще всею, при достаточно малом шаге напряженности магнитного поля наблюдается полиэкстремальная зависимость.

3.Почти во всех исследованиях отмечается наличие оптимальной скорости потока. Причины такой закономерности в настоящее время не выяснены. Возможно, что вначале с увеличением скорости возрастает действие сил Лоренца, а также увеличивается сила индуцированного тока; после достижения определенного значения скорости чрезмерная турбуляция потока и снижение времени пребывания раствора в поле каким-то образом вызывает уменьшение эффективности обработки водных систем .

Исходя из общих соображений, механизм воздействия электромагнитных полей на водные системы можно связать с явлениями резонансного типа. Согласно этой гипотезе, молекулы воды, их ассоциаты, гидратированные ионы и микрочастицы примесей совершают беспрерывные колебательные движения, которым соответствует определенный энергетический уровень. При воздействии на эту систему поля оптимальной частоты возможен резонанс, сопровождаемый возникновением квантов энергии, способных деформировать связи, изменить структурную характеристику системы.

Такие процессы вызываются как магнитными, так и электрическими полями. Поэтому свойства водных систем мот изменяться при воздействии как магнитного, так и электрического полей, я также при их совместном воздействии или наведении переменного электромагнитного поля. Именно резонансные явления могут лежать в основе преодоления активационного барьера.

Механизм влияния магнитного поля на воду и её примеси до настоящего времени не достаточно четко выявлен. Высказывалось целый ряд гипотез, которые можно классифицировать на следующие три группы.

ПЕРВАЯ, объединяющая большинство гипотез, связывает действие магнитных полей на ионы солей, присутствующие в воде. Под влиянием магнитного поля происходит поляризация ионов и их деформация,

226

сопровождающаяся уменьшением их сольватации, что повышает вероятность их сближения и, в конечном итоге, образование центров кристаллизации.

ВТОРАЯ группа предполагает воздействие магнитного поля на примеси воды, находящиеся в коллоидном состоянии.

ТРЕТЬЯ группа объединяет представления о возможном влиянии магнитного поля на структуру воды; это влияние с одной стороны может вызвать изменения в агрегации молекул воды, с другой – нарушить ориентацию ядерных спинов водорода в молекулах.

Следует отметить, что между этими группами гипотез нет четких границ; нельзя отделять одну гипотезу от другой, как это часто делается .

Остановимся кратко на гипотезах некоторых исследователей.

Т. Веймар [1] считает, что роль магнитного поля сводится к деформации ионов, сопровождающейся изменением магнитного момента и даже заряда иона. По его мнению, это приводит к изменению кристаллической решетки, выделяющейся на твердой фазе.

Е. Шумани полагает, что магнитное поле может влиять на зародыши кристаллов карбоната и сульфата кальция, находящихся, как правило в обрабатываемой воде. В результате уменьшения их способность прикипать к поверхности нагрева.

С.И. Ремпель [1] установил, что воздействие магнитного поля, не изменяя структуру воды, влияет главным образом на свойство ионов и изменяет ориентацию гидратированных ионов за счет взаимодействия внешнего магнитного поля с наведенными магнитными полями ионов. Растворенные в воде ионы солей, окруженные гидратными оболочками, образуют агрегат, совершающий тепловое движение, как единое целое. Кроме того, ион взаимодействует с более удаленными молекулами воды. Величина гидратных оболочек ионов, упорядочение их структуры, а главное – соединение их в еще более упорядочные агрегаты с другими гидратироваными ионами ограничены тепловым движением молекул растворителя, поэтому большая упорядоченность носит лишь флуктуационный характер и сохраняется лишь ничтожные доли секунды. Гидратным оболочкам можно помочь построить хотя бы на время более упорядочную и поэтому более уплотненную структуру, но для этого нужно приложить усилия к ним, чтобы преодолеть разупорядочивающее действие теплового движения. Такая ориентация может осуществляться за счет взаимодействия внешнего магнитного поля с наведенными магнитными полями частиц раствора.

Практически формирование и укрупнение структурных единиц осуществляется при протекании жидкости через магнитный зазор. После этого тепловое движение снова будет разрушать образующийся агрегат, но на это потребуется значительно большее время, исчисляемое несколькими часами.

227

В.П. Миненко и др. [1] указывают, что под влиянием магнитного поля изменяется плотность электронных облачков ионов и происходит их поляризации в молекулах воды. Это включает за собой изменение энергии взаимодействия ионов с молекулами и изменение поляризации ионами близлежащих объёмов воды, дальнейшей гидратации, т.е. изменение структуры раствора. Достаточная напряженность внешнего поля приводит к изменению среднего числа молекул, составляющих непосредственное окружение иона, т.e. к изменению координационного числа иона. Снижение гидратации ионов создает условия для образования ионных ассоциатов, количество и степень которых зависят от природы растворенных солей, их концентрации, напряженности магнитного поля, времени пребывания раствора в зоне взаимодействия магнитного поля и других факторов. Возникшие под влиянием магнитного поля ионные ассоциаты являются зародышами твердой фазы и играют роль центров кристаллизации накипи образователей при нагревании воды. Эта гипотеза базируется на выявленном изменении физических свойств электролита (сил поверхностного натяжения, вязкости и электрического сопротивления) в магнитном ноле. Благодаря поляризации электронных облачков в молекулах последние приобретают индуцированный магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю. Вследствие этого, энергия водородных связей изменяется, происходит изгибание связей и разрыв, что влечет за собой изменение взаимного расположения молекул, и. следовательно, изменение структуры волы. С увеличением напряженности магнитного поля увеличивается количество молекул, сошедших с прежних положений. Это обуславливает повышение плотности воды, вязкости и др. свойств.

На положительное влияние магнитной обработки воды указывают и французские исследователи [1]. Так, Piccadi считает, что наложение знакопеременного магнитною поля на поток вызывает изменение структуры молекул воды. Это приводит к понижению устойчивости ионов накипеобразователей и к возникновению огромного числа центров кристаллизации. Выделение накипеобразователей при нагреве происходи г во всем объеме воды, и вместо накипи образуется шлам.

А.И. Шахов и др. объясняют роль магнитного ноля коагуляцией органических и минеральных коллоидов за счет дегидратации двойною электрического слоя ионов и снижения дзетта-потенциала, что в свою очередь нарушает агрегативную устойчивость коллоидов и ускоряет их слипание. Такой же точки зрения придерживается и G.Taddei [69].

Таким образом, гипотезы различных авторов базируются на поляризующем действии магнитного поля на ионы и молекулы волы. За время контакта воды с магнитным полем должны произойти изменения, обуславливающие в дальнейшем выделение твердой фазы в форме рыхлых осадков (шлама) вместо накипи. Между тем, время сохранения свойств, приобретаемых природной водой, находящейся в состоянии равновесия

228

при прохождении ее через магнитное поле, не превышает 109 с, поэтому полученные изменения следует объяснять ошибками опытов, так как в большей части они были не воспроизводимы.

Изменение физических свойств воды – структуры, плотное и, вязкости, поверхностного натяжения и др. при воздействии магнитного поля зависит от магнитной восприимчивости воды и содержащихся в ней ионов. Соединения и ионы, находящиеся в воде, обладают определенными магнитными свойствами, характеризующимися магнитной восприимчивостью; последняя определяет способность ионов и их соединений изменять магнитный момент под воздействием внешнего магнитного поля. С увеличением магнитной восприимчивости повышается намагниченность частиц, их индуцированный момент, а, следовательно, и способность взаимодействовать между собой.

Рассматривая все существующие гипотезы о механизме влияния магнитных полей на водные системы, можно сделать следующие выводы.

При воздействии магнитных полей на водные системы возникает комплекс явлений, сложных самих по себе и во много раз взаимоусложняющихся. Все гипотезы имеют определенное экспериментальное обоснование и в той или иной степени соответствуют практическому опыту. Вместе с тем, не все гипотезы позволяют полностью объяснить накопленные сведения. Положение дополнительно усложняется тем, что многие факторы, казалось бы обязательные, для реализации магнитной обработки, иногда отсутствуют, а эффекты все же наблюдаются. Тогда приходится признать вероятность того, что главной причиной может быть изменение структуры водной системы, а все остальные факторы лишь усиливают, стабилизируют и пролангируют эти изменения. Основным же, подлежащим теоретическому выяснению, является способ преодоления потенциального барьера между двумя местабильными состояниями системы, а также с сообщении ей достаточной энергии активации и механизм пролангирования этих кратковременных изменений. Весьма перспективным представляется и изучение резонансных взаимодействий; это направление должно быть предметом фундаментальных исследований.

Для создания общей теории представляют интерес и магнитогидродинамического явления, а также поведение растворенных газов, роль несущих электрические заряды микрогенных примесей и процессов, проходящих на их поверхности, поведение противоионов, действие индуцирования токов и другие явления.

В качестве стабилизаторов эффектов, обуславливающих длительное сохранение измененных свойств водных систем при электромагнитной обмотке, прежде всего, привлекают внимание диффузионные процессы, фазовые переходы (растворение, выделение из растворов и агрегация различных примесей), а также структурные перестройки воды, связанные с этими процессами [1].

229

10.2. Эффективность применения обработанной в магнитном поле воды для орошения посевов

Первые сведении об улучшении роста растений при поливе водой, прошедшей предварительную магнитную обработку опубликованы еще в 1965 г. (Институт биологически активных веществ Дальневосточного филиала СО АН СССР), где указывается, что вода, обработанная магнитным нолем, оказывает благотворное влияние на рост развитие подсолнечника, кукурузы, сои, a также увеличивает урожай сои, не оказывая влияния на влажность и жирность её бобов.

В 1967 г. сотрудники Семипалатинского медицинского института опубликовали результаты своих опытов, проведенных в тепличных условиях. При использовании омагниченной воды высота лука и моркови увеличилась на 22 %, гороха – на 37 %, помидоров – на 18 %.

Отмечено ускорение начала цветения помидоров и увеличения массы плодов. Анализ исследований в 80-е…90-е гг. XX в. в ОПХ Волжского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорация показал, что при поливе гороха, редиса, помидоров, огурцов, кукурузы др. сельскохозяйственных растений омагниченной водой последние лучше развиваются, раньше наступают фазы цветения и созревания, в зависимости от культуры на 10…45 % повышается урожайность. Опыты проводились опыты при выращивают риса (таблица 10.1.) и пшеницы

(таблица 10.2.).

Анализ таблиц 10.1 и 10.2 показывает, что даже в неблагоприятные годы урожайность культур повышается при поливе омагниченной водой.

Фенологические наблюдения в процессе вегетации яровой пшеницы показали, что при поливе омагниченной водой всходы и фазы развития растений наступали на 3...4 дня раньше, чем при поливе обычной водой. В первом случае наблюдалось более мощное развитие наземной массы, заметное уже в фазе кущения. Математическая обработка полученных результатов показала, что их точность составляет 95...97 %. Поэтому можно считать, что полученная в полевых условиях прибавка 15...23 % к урожаю является достоверной.

Таблица 10.1. - Влияние магнитной обработки воды на урожайность риса