ЭТУ_Куликова_2014

Кварцевая лампа накаливания НИК-220-1000 (рисунок. 3.13) – трубка с внутренним диаметром 10 мм, в центре расположена вольфрамовая спираль. Трубка заполнена аргоном под давлением 600 мм.рт.ст. и содержит 1...2 мг йода. который повышает удельную плотность и стабилизирует поток излучения.

Рисунок 3.13 – Внешний вид и эпюры облучённости ламп ЗС-250: а) общий вид лампы ЗС;

б) облучённость и зависимости от высоты h и ширины b;

в) облучённость и функции пространственного угла при h – const

спираль нагрева

молибденовый вывод

Рисунок 3.14 – Кварцевая инфракрасная лампа НИК-220-1000

Темные инфракрасные излучатели в своем спектре не имеют видимого излучения и более низкую температуру излучающей поверхности. Тепловое излучение осуществляется металлическими отражателями, в которые закладывают спираль из нихрома, фехраля или стали.

В трубчатых герметических электронагревателях (ТЭН) металлическая спираль запрессовывается в изоляционный материал внутри стальной трубки (рисунок 3.15).

токоведущий стержень

металлическая трубка

электроспираль

Рисунок 3.15 – Трубчатый электронагреватель (ТЭН)

81

Технические характеристики электрических источников инфракрасного излучения для сельского хозяйства представлены в таблице

3.4.

Таблица 3.4. - Технические характеристики электрических источников инфракрасного излучения

Инфракрасные облучатели в сельскохозяйственном производстве используются для локального обогрева молодняка животных и птиц, сушки и дезинфекции зерна, сушки овощей и фруктов.

Механизм терморегуляции в первые дни жизни животных несовершенен, и не в состоянии поддерживать устойчивый тепловой баланс тела, что приводит к простудным заболеваниям и часто к гибели животных. Поддержание высокой температуры в родильном отделении

82

(около 200 С) требует значительных затрат энергии и при высокой влажности создаются условия для размножения болезнетворных бактерий. Локальный обогрев позволяет создать комфортные условия при меньших затратах энергии. Для локального обогрева используются обогреваемые полы, электронагревательные коврики, брудеры и т.д. Инфракрасные источники отличаются благоприятным физиологическим воздействием на живой организм, простотой эксплуатации и монтажа.

При низких температурах среды для поддержания нормальной температуры тела расходуется энергия организма, образуемая повышенным потреблением корма. Этот расход энергии можно компенсировать ИК обогревом, создавая на теле животного облученность:

где E0 – потребная облучённость при t = 00 C и неподвижном воздухе,

Таблица 3.5.- Потребная облучённость для разных животных

светораспределения).

Для инфракрасного обогрева животных используются облучатели, характеристики которых приведены в таблице 3.6.

Наибольший эффект получается при сочетании инфракрасного нагрева с ультрафиолетовым облучением. С этой целью используются установки ИКУФ-1, ИКУФ-1М, «Луч» и «Сож». Остановка ИКУФ-1 состоит из облучателей, блока управления и силовых щитов. В облучателе (рисунок 3.16) установлены две ИК - лампы ИКЗК-220-250 и одна ультрафиолетовая лампа ИКУФ-1. Электрическая схема ИКУФ-1 показана на рисунке 3.17.

83

Таблица 3.6. – Характеристики облучателей для инфракрасного обогрева животных

В установке «Луч» (рис. 3.18) предусмотрены три фиксированных положения ламп: 0, 22 и 45. Напряжение питания ИК - ламп регулируется с помощью тиристорного регулятора (рис. 3.19).

Рисунок 3.16 – Облучатель ИКУФ-1

0 В

2 r

Рисунок 3.17 – Электрическая схема ИКУФ-1

84

Рисунок 3.18 – Облучатель «Луч»:1 – эритемная лампа; 2 – ИК – лампа; 3 – ПРА; 4 – решетка

A

B

C

Рисунок 3.19 – Тиристорный регулятор напряжения установки «Луч»

Комбинированные облучатели типа «Луч» и «Сеж» устанавливаются над двумя смежными станками. Время облучения изменяется в зависимости от возраста животного от 1,5 до 6 часов с перерывами на 2...3 дня через каждые 10 суток.

Предпочтительно прерывистое облучение с отключением облучателей на 30 мин после 1,5...2 часов обогрева.

Нагрев материалов инфракрасными излучателями в установившемся режиме описывается уравнением:

температура тела и окружающей среды, град.

В режиме сушки преобладают затраты энергии на испарение растворителя. Уравнение баланса мощностей при сушке:

S A0 E Ci mi t Qp mp / ,

где – время сушки; Ci – удельная теплоёмкость компонента смеси, Дж/кг*К; mi – масса компонента смеси, кг; QP – удельная теплота

85

испарения, Дж/кг; – КПД нагревательной части установки; m p – масса

растворителя, кг.

Радиационный нагрев семян протекает значительно быстрее контактного или конвекционного нагрева. Зерно хорошо поглощает ИКизлучение. Так, слой в два зерна (7 мм) пропускает только 5 % потока энергии. Слой в 100 мм хорошо прогревается при его перемешивании. Сушку зерна наиболее выгодно вести ИК-излучением, используя и конвекцию. При этом зерно нагревается в инфракрасном нагревателе до 40...500 С и затем подается в конвекционную сушилку. Комбинированные установки в 2 раза производительнее конвекционных сушилок. При съеме 6 % влаги затраты электроэнергии составляют 35 кВт·ч / т. У семян зерновых культур энергия прорастания и всхожесть после прогрева повышаются на 15 %.

ИК облучение – эффективный способ дезинфекции зерна различных культур. ИК - облучение почти полностью уничтожает вредную микрофлору на поверхности семян. При нагреве до 50...550 С в течение 1...2 мин, погибают такие вредители как долгоносик, мукоед, клещ, брухус во всех стадиях развития. Расход энергии на дезинсекцию составляют 17 кВт·ч / т.

ИК сушка фруктов и овощей позволяет получить сухие продукты с почти полным сохранением питательных веществ, витаминов (до 85...90 %), вкуса, цвета и аромата. Инфракрасные сушилки в основном изготавливаются в конвейерном варианте (рисунок. 3.20).

Рисунок 3.20 – Конвейерная инфракрасная сушилка

Сырой продукт в виде ломтиков, кружочков, очищенный или шинкованный загружается на конвейер слоем в 10...20 мм. Масса продукта на единицу поверхности от 8 до 15 кг/м. Продолжительность сушки от 2 до 6 часов.

Расход электроэнергии от 0,75 до 2 кВт·ч / кг. В качестве генераторов инфракрасного излучения используются лампы ЗС и керамические плиты с вмонтированными спиралями. Удельная установленная мощность, отнесенная к площади конвейера, составляет 2,25 кВт/м2. Чередование облучения с периодом отлежки продукта позволяет снизить затраты электроэнергии [1].

86

ГЛАВА 4

УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ

ИЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ

4.1.Основы теории электрокинетических и электрокапиллярных явлений

Электрокинетические явления отражают связь между относительным движением двух фаз (твердой и жидкой) и электрическими свойствами границ их раздела.

Основные электрокинетические явления: электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал осаждения.

Электроосмос – движение жидкости через капилляр или пористое тело под действием внешнего электрического поля.

Электрофорез – движение твердых частиц, диспергированных в жидкости под действием внешнего электрического поля.

Потенциал течения – это наличие разности потенциалов между точками, расположенными на некотором расстоянии друг от друга, по направлению течения жидкости через пористое тело или капилляр.

Потенциал осаждения (седиментации ) – разность потенциалов в точках на разных уровнях трубы при осаждении твердых частиц жидкости. Открытие этих явлений относится к началу 19 века.

Электрокинетические явления могут широко использоваться при обезвоживании сельскохозяйственного сырья, пропитке разнообразных материалов, выделении сока из трав и плодов, разделении сложных составов и т.д.

Существование электрокинетических явлений обусловлено наличием двойного электрического слоя на границе раздела твердой и жидкой фазы.

В растворах величина тока обусловлена перемещением как отрицательно заряженных частиц, так и положительных, т.е. существует электронно-ионная проводимость, а в металлах – только электронная. Так как масса иона в тысячи раз больше массы электрона, то появляется возможность через посредство электрических сил воздействовать на массоперенос. Между направлением и скоростью электрофореза и электроосмоса, с одной стороны, и направлением и напряженностью приложенного электрического поля – с другой, существует связь, позволяющая определить знак и величину заряда твердых частиц относительно жидкости и соответствующий скачок потенциала.

Скорость электроосмоса V и потенциал течения E связаны зависимостями:

87

или

напряжённость электрического поля в направлении, параллельном границе

Величина называется электрокинетическим потенциалом или дзетапотенциалом. Рассчитанная по формуле величина может значительно отличаться от истинной, т.к. напряженность поля, удельная электропроводность, диэлектрическая постоянная и вязкость жидкой фазы на границе раздела фаз могут значительно отличаться от соответствующих значений в глубине жидкой фазы.

Теорию строения двойного электрического слоя предложил Гельмгольц, который уподобил двойной электрический слой заряженному плоскому конденсатору, одна из обкладок которого совпадает с плоскостью, проходящей через центры тяжести зарядов на поверхности твердого тела (электрода), другая – с плоскостью, соединяющей центры тяжести зарядов ионов, находящихся в растворе, но притянутых электростатическими силами к поверхности твердого тела.

Толщина двойного слоя l принималась равной радиусу ионов rИ . Двойной электрический слой электронейтрален, т.е. число ионов на поверхности твердой фазы равно числу ионов в жидкости у поверхности раздела:

q1 qn .

Ёмкость двойного слоя:

С l 0 ,

где l – толщина двойного слоя (3*10-10 м).

Строение двойного электрического слоя по Гельмольцу представлено на рисунке.4.1 (а, б).

Рисунок 4.1 – Строение двойного слоя: а) по Гельмгольцу; б) по ДебаюГюккелю;

в) распределение потенциала на границе раздела фаз

88

Теория Гельмгольца дает правильные значения емкости и толщины двойного слоя, но не может объяснить целый ряд опытных закономерностей и может быть использована как первое приближение к действительности.

Теории двойного слоя Гуи-Чапмана и в дальнейшем Дебая-Гюккеля предполагают диффузное распределение ионов у границы раздела сред (рисунок. 4.1, в, г). Взаимодействие электрических и термодинамических сил распределяет ионы в жидкости по убывающей при удалении от границы раздела.

Заряд слоя жидкости, компенсирующий заряд твердого тела, определяется по выражению:

Ёмкость двойного слоя:

Рассчитанная по этой формуле ёмкость оказывается в несколько раз больше экспериментальных значений. Это объясняется тем, что в теории Гуи-Чепмена не учитываются собственные объемы ионов, т.е. ничто не мешает зарядам располагаться на сколь угодно близком расстоянии от твердой поверхности. Хотя теория Гуи-Чепмена лучше объясняет электрокинетические явления, но оказывается неудовлетворительной при количественных расчетах.

Дальнейшие попытки создать, теорию двойного электрического слоя заключались в объединении теории Гельмгольца и Гуи-Чепмена. Так, Грэм предположил, что двойной электрический слой состоит из трех частей. Первая от твердой поверхности называется внутренней поверхностью Гельмгольца, в ней находятся только поверхностно - активные ионы. Следующая плоскость называется внешней плоскостью Гельмгольца, и расстояние до нее определяется способностью некоторых ионов приближаться к поверхности раздела под действием теплового движения.

За внешней поверхностью Гельмгольца располагается диффузный слой.

Использование той или иной теории определяется задачами, требуемой степенью точности и конкретными условиями расчета.

Существование двойного электрического слоя раскрывает суть электрокинетических явлений.

Электрофорез.

Поверхность частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости, приобретает электрический заряд определенной полярности. Частицы имеют возможность перемещаться в жидкости, и, следовательно, при наложении внешнего поля частица будет перемещаться к электроду, имеющему противоположный заряд.

89

В биологических системах и сбросных водах большинство коллоидов имеют отрицательный заряд. Одним из решений удаления или концентрирования коллоидов является конструкция (рисунок 4.2), состоящая из двух катионообменных мембран и одной нейтральной (фильтра).

- -

+

+

Рисунок 4.2 – Схема ячейки электрофореза

Через нейтральный фильтр свободно проходит вода и небольшие ионы. Через катионообменную мембрану под действием электрического тока проходят небольшие ионы и, очень трудно, вода. Поэтому, при создании давления с одной стороны фильтра (нейтральная мембрана) вода проходит через нее, а катионы не проходят из-за действия электрического поля. Таким образом, внешний электрический потенциал заставляет соль оставаться в секции исходного раствора, а внешнее давление выдавливает воду через нейтральный фильтр. Мембранный процесс осуществляется под действием электрического поля и давления. Главное преимущество – малые затраты энергии.

Электроосмос.

В капилляре, заполненном жидкостью, ионы, находящиеся у границы раздела сред, перемещаются под действием внешнего электрического поля (рисунок. 4.3.) и создают перепад давлений.

Рисунок 4.3 – Явление электрофореза; а) в капилляре; б) в пористой мембране

90