CC BY
15
Installation for Treatment of Agricultural Products Using High-Voltage
Discharges
Popescu V.S.
State Agrarian University of Moldova Chisinau, Republic Moldova
Abstract. The paper presents the results of the study on the determination and optimization of construction and technology parameters of an electro hydraulic installation developed for research in view of its use in primary processing of agricultural products. Unlike other processing technologies, the proposed technology using electro hydraulic effect requires the application of an installation, which is simple in terms of construction, has low cost, is reliable, easy to use and can be widely applied in various branches of agriculture including primary processing of agricultural products and for sterilizing liquids. The problem of using electro hydraulic effect consists in the correct dimensioning of the installation parameters to obtain high voltage pulses, in comparison with the dimensions of the chamber with electrodes, wherein the liquid processing is carried out. For dimensioning and development of the proposed installation, the necessary parameters were determined by calculation and were confirmed by conducting operational tests. The performed calculation and tests on the operation of the installation under laboratory conditions gave the possibility of dimensioning and optimization of the construction and technological parameters of electro-hydraulic installation, i.e. voltage level, the distance between the electrodes, the volume of the treated liquid, the treatment pulse number and the energy pulsed discharge. The values of the design parameters have allowed to develop and commission the installation, which will allow further tests on use of the electro-hydraulic effect in the processing the agricultural products in the Republic of Moldova. Keywords: electrohidraulic effect, electrohidraulic installation, optimal parameters, high-voltage discharges.
Instalatie pentru Tratarea Produselor Agricole cu Impulsuri de Tensiune inaltfi
Popescu V.S.
Universitatea Agrará de Stat din Moldova Chi§inau, Republica Moldova Rezumat. In lucrare se prezintá rezultatele unui studiu cu privire la determinarea §i optimizarea parametrilor constructivi §i tehnologici ai instalatiei electrohidraulice, elaboratá pentru efectuarea cercetárilor in directia utilizárii efectului electrohidraulic la prelucrarea primará a produselor agricole. Spre deosebire de alte tehnologii de prelucrare, tehnologia propusá cu utilizarea efectului electrohidraulic, necesita aplicarea unei instalatii, care este simplá din punct de vedere constructiv, are cost mic, este fiabilá in conditiile cu factori agresivi din mediul agrar, se utilizeazá u§or §i poate fi aplicatá pe larg in diferite ramuri ale agriculturii, inclusiv la prelucrarea primará a produselor agricole §i la sterilizarea lichidelor. Problema utilizárii efectului electrohidraulic, constá in dimensionarea corectá a parametrilor instalatiei pentru obtinerea impulsurilor de tensiune inaltá, in raport cu dimensiunile camerei cu electrozi, cu ajutorul cáreia se realizeazá tratarea lichidelor supuse prelucrárii. Pentru dimensionarea §i elaborarea instantiei propuse, parametrii necesari au fost determinati prin calcul §i s-au confirmat prin realizarea incercárilor in functionare. Calculul efectuat §i incercárile privind functionarea instalatiei in conditii de laborator au dat posibilitatea de a dimensiona §i optimiza parametrii constructivi §i tehnologici ai instalatiei electrohidraulice, §i anume: nivelul de tensiune, distanta dintre electrozi, volumul de lichid tratat, numárul impulsurilor la tratare §i energia descárcárii in impuls. Valorile obtinute ale parametrilor estimati au dat posibilitatea elaborárii §i punerii in functiune a instalatiei, fapt care va permite in viitorul apropiat prezentarea unor rezultate absolut noi, privind posibilitátile §i eficienta utilizárii efectului electrohidraulic la prelucrarea diferitor produse agricole, in conditiile Republicii Moldova.
Cuvinte cheie: efect electrohidraulic, instalatie electrohidraulicá, parametri optimi, impulsuri de tensiune inaltá.
Установка для переработки сельскохозяйственной продукции с использованием импульсов
высокого напряжения Попеску В.С.
Государственный Аграрный Университет Молдовы Кишинев, Республика Молдова Аннотация. В статье приведены результаты исследования по определению и оптимизации параметров электрогидравлической установки, разработанной для исследования возможности использования электрогидравлического эффекта при первичной переработке сельскохозяйственной продукции. В отличие от других технологий обработки, предлагаемая технология с использованием электрогидравлического эффекта является простой с точки зрения конструкции, имеет низкую стоимость, является надежной, простой в использовании и может быть широко применена в различных отраслях сельского хозяйства, в том числе в первичной переработке сельскохозяйственной продукции, а также для стерилизации жидкостей. Проблема использования электрогидравлического эффекта состоит в определении размеров системных параметров для получения импульсов высокого напряжения, по сравнению с размерами камеры с электродами, в которой проводится обработка жидкости. Для расчета и разработки установки, необходимые параметры были получены и подтверждены путем проведения эксплуатационных испытаний. Расчет и испытания, проведенные в лабораторных условиях, дали возможность определить и оптимизировать конструктивные и технологические параметры: уровни напряжения, расстояние между электродами, объем обрабатываемой жидкости, число импульсов для обработки и энергия импульсного разряда. Значения расчетных параметров позволили разработать и ввести в эксплуатацию установку, что позволит в ближайшем будущем получить новые результаты по эффективности использования электрогидравлического эффекта в обработке сельскохозяйственной продукции в условиях Республики Молдова.
Ключевые слова: электрогидравлический эффект, электроустановка, оптимальные параметры, импульсы высокого напряжения.
Introducere
Tehnologiile de prelucrare a diferitor produse se perfectioneazä intens, inclusiv §i cele din sectoral agrar. Acest fapt contribuie la dezvoltarea tehnico-economicä, dar impune §i noi cerinte privind performanta noilor tehnologii §i instalatii utilizate in acest scop. In calitate de criterii de bazä pentru promovarea spre implementare a acestor tehnologii, in conditiile specifice din sectoral agrar, pe lingä aspectul consumului de resurse energetice, se pun pe prim plan §i alte aspecte, cum ar fi: simplicitatea constructivä, costul redus, utilizarea u§oarä §i fiabilitatea sporitä.
In acest aspect, utilizarea, la prelucrarea primarä a produselor agricole, a electrotehnologiilor bazate pe efectul electrohidraulic, necesitä utilizarea unor instalatii simple, din punct de vedere constructiv, robuste in conditiile dificile cu factori agresivi din mediu agrar §i totodatä sunt u§or de utilizat. Efectul electrohidraulic este un nou procedeu de conversie a energiei electrice in energie mecanicä §i poate fi propus spre utilizare in
procesele de prelucrare primarä a produselor agricole. Combinarea a douä efecte, caracterizate de diferite fenomene fizice - descärcarea electricä la tensiune inaltä §i efectul hidraulic in lichid, asigurä o actiune mecanicä in interiorul camerei de descärcare. Descärcarea electricä in lichid genereazä o undä, care poate sä distrugä sau sä märunteascä chiar §i materiale supradure [1,2].
Actiunile mecanice puternice ale descärcärii au loc in toatä masa lichidului de descärcare §i produc efecte de distrugere sau deformare a materialelor care se gäsesc in zonä. Totodatä, descärcarea are §i un efect puternic antibactericid, care se manifestä prin distrugerea microorganismelor care se gäsesc in lichid [2-4].
Datoritä actiunilor sale, efectul electrohidraulic poate fi folosit, atät in industrie cat §i-n agriculturä, ca exemplu: la sterilizarea lichidelor, extragerea uleiurilor din seminte, dezinfectarea de§eurilor etc.
Tehnologiile aplicate la momentul actual in agriculturä, bazate pe alte metode de prelucrare, necesitä instalatii complicate din punct de vedere constructiv, care sunt costisitoare, sunt greu de
utilizat §i au o duratä de exploatare micä în conditiile de mediu agresive, specifice sectorului agrar. Spre deosebire de acestea, instalatiile electrohidraulice sunt simple din punct de vedere constructiv, eftine, u§or de utilizat §i sunt robuste în mediile agresive din agriculturä.
Pentru examinarea posibilitätilor utilizärii efectului electrohidraulic la prelucrarea produselor agricole, la catedra „Electrificarea §i automatizarea mediului rural" a Universitätii Agrare de Stat din Moldova, a fost elaboratä o instalatie pentru producerea acestui efect, cu ajutorul cäreia se realizeazä cercetäri privind posibilitatea utilizärii efectului respectiv la prelucrarea produselor agricole.
Problema de bazä cu privire la utilizarea efectului electrohidrauluic, constä în dimensionarea corectä a parametrilor instalatiei pentru obtinerea impulsurilor de tensiune rnaltä §i a camerei cu electrozi pentru lichidul supus tratärii.
Scopul studiului efectuat constä în dimensionarea corectä a instalatiei propuse pentru analiza posibilitätilor de prelucrare a produselor agricole cu ajutorul efectului electrohidraulic.
In aceastä lucrare se prezintä rezultatelor cu privire la determinarea §i optimizarea parametrilor constructivi §i tehnologici ai instalatiei electrohidraulice pentru prelucrarea primarä a produselor agricole.
Parametrii estimati au dat posibilitatea elaborärii §i punerii în functiune a instalatiei. Acest fapt va permite obtinerea în viitorul apropiat a unor rezultate absolut noi pentru §tiintä §i tehnicä, cu privire la eficienta utilizärii efectului electrohidraulic la prelucrarea produselor agricole, în conditiile Republicii Moldova.
I. Descrierea instalatiei
VD
J—^ —°
r H
TV - transformator de ridicare a tensiunii; VD -redresor; C - condensator; V - celulä cu lichid; E -eclator cu descärcare prin scantei; 1,2 - electrozi.
Fig. 1. Schema de principiu a instalatiei pentru obtinerea impulsurilor de tensiune rnaltä.
Instalatia functioneazä in modul urmätor: transformatorul TV, fiind conectat la reteaua de alimentare, ridicä tensiunea pänä la 30 kV, care este redresatä de dioda de inaltä tensiune VD. Tensiunea redresatä incarcä condensatorul C pänä la tensiunea selectatä ca tensiune de lucru a instalatiei. Ca rezultat, are loc sträpungerea spatiului de aer dintre electrozii sferici ai eclatorului §i tensiunea condensatorului este aplicatä la electrozii 1 §i 2, care se aflä in lichidul de descärcare, la o distantä de 15 mm. Drept urmare, in lichid are loc o descärcare electricä puternicä, care aduce la fenomenele fizice specifice §i produce un efect comparat cu explozia materialelor explozibile.
Instalatia constä din urmätoarele elemente: un transformator de ridicare a tensiunii TV, diodä de redresare VD, condensator C, eclator E, camera de descärcare V cu electrozii 1 §i 2. Schema de principiu a instalatiei electrohidraulice pentru obtinerea impulsurilor de tensiune înaltâ este prezentatä în fig.1, iar vederea generalä a instalatiei este prezentatä în fig. 2.
Fig. 2. Vedere generala a instalatiei.
In timpul investigatiilor, s-a observat ca, pentru ca efectul impulsurilor sa fie cat mai pronuntat este necesar ca canalul de descarcare sa fie cat mai lung. Totodata s-a observat ca descarcarea electrica in lichid are acela§i aspect ca §i descarcarea atmosferica (ultima este caracterizata de o concentratie a vaporilor de apa). Descarcarea in atmosfera are loc in forma de strimer, ceea ce reprezinta un torent de electroni §i ioni care au o concentratie mai
ridicatä la electrodul pozitiv §i mai diminuatä electrodul negativ. Canalul de descärcare are în sectiune formä unei piramide cu ramificäri subtiri, în formä de „musteti". Începutul strimerului este mai gros (lîngâ electrodul pozitiv) §i mai subtire (lîngâ electrodul negativ). Canalul principal §i ramificärile sunt înconjurate de un înveliç, care reprezintä o peliculä de lichid monomolecular [1,3].
La utilizarea în calitate de lichid în care se produce descärcarea electricä, se tine cont de faptul, cä apa slab disociazä în ioni pozitivi H+ §i negativi OH-. S-a determinat [4], cä ionii H+ joacä rolul principal la descärcarea electricä în apä. Intr-adevär electronii, care apar în procesul de disociere a apei, nimeresc în canalul strimerului §i aceste particule determinä lungimea canalului de descärcare. Ionul pozitiv H+ nu participä la formarea §i creçterea strimerului [3-5].
Urmare acestui fenomen are drept la viatä ipoteza privind rezonabilitatea de a majora concentratia ionilor negativi OH- §i de micçorat concentratia de ioni pozitivi H+. Ionul negativ OH- se descarcä pe electrodul pozitiv (anod), iar ionul pozitiv H+ se descarcä pe electrodul negativ (catod).
S-a constatat cä, cu cât este mai mare suprafata electrodului, cu atât mai multi ioni se descarcä pe el. De aici reiese, cä pentru a majora gradul de prezentä a ionilor OH-, care influenteazä pozitiv asupra procesului de la descärcare electricä în apä, §i a micçora numärul de ioni pozitivi H+, este necesar ca suprafata activä a electrodului pozitiv sä fie cu mult mai micä, decât suprafata electrodului negativ. Pentru a asigura acest fenomen în tehnologia electrohidraulicä s-a propus o solutie constructivä foarte simplä, utilizarea cäreia conduce la sporirea efectului de dezechilibru a concentratiei ionilor pozitivi §i negativi în apa din cuvä.
Modificarea suprafetei electrozilor contribuie la majorarea esentialä a lungimii canalului de descärcare. Aceastä scânteie electricä în apä efectueazä un lucru mecanic destul de considerabil, cu un randament de convertizare a energiei electrice.
S-a constatat, cä condensatorul se mcarcä încet (în decurs de unitäti §i zeci de secunde), acumulând energia electricä necesarä §i foarte rapid (în decurs de zeci de microsecunde) se descarcä între electrozii plasati în apä, întru cât rezistenta circuitului de descärcare este foarte micä, de aceea, curentul în canalul de descärcare
poate sä ia valori foarte mari (15-50) kA, iar puterea impulsului ajunge pânâ la 500 mii kW (500 MW).
Canalul de descärcare reprezintä un mediu foarte puternic ionizat (plasmä) §i întrucât diametrul lui este relativ mic, temperatura în mijlocul canalului (plasmei) atinge valori de pânâ la 10 mii grade Kelvin [4]. Datoritä elasticitätii slabe a apei, mcälzirea plasmei favorizeazä majorarea presiunii în canalul de descärcare pänä la 109 Pa, care radial transmisä apei, formeazä o undä puternicä de §oc, care poate sä distrugä materiale solide foarte dure.
Experimental s-a determinat cä, valorile presiunilor obtinute în jurul canalului de descärcare, sunt direct proportionale cu puterea electricä a impulsului, §i depind de gradul de comprimare volumetricä a lichidului [4,5].
În momentele ulterioare, când apa din jurul canalului de descärcare începe sä se deplaseze radial, presiunea în canalul brusc scade §i în locul lui se formeazä o zonä de cavitatie (un gol), care favorizeazä räcirea bruscä §i deionizarea plasmei, ceea ce are ca efect stingerea descärcärii electrice. Întrucât presiunea în zona de cavitatie, care s-a format în locul canalului de descärcare, este mai micä de cât cea atmosfericä, atunci un volum al apei din jurul acestei zone î§i schimbä vectorul vitezei de miçcare, prin ce se asigurä umplere acestui gol. Deci, o parte din lichid, mai mdepärtatä de aceastä zonä, se mi§cä radial, spre periferie, sub actiunea presiunii formate anterior, iar alt torent de apä se mi§cä spre centru, pentru a umplea golul din fostul canal de descärcare.
Presiunea primarä §i cavitatia secundarä formeazä în celula de descärcare torente foarte puternice de lichid, viteza de deplasare a cärora poate sä fie de sute de metri pe secundä [3-5].
În afarä de fenomenele descrise mai sus, în rezultatul descärcärilor electrice în lichide mai apar radiatii infra §i ultra sonore, câmpuri electromagnetice de descärcare §i fenomene de rezonantä, care amplificä procesele electrohidraulice.
II. Dimensionarea parametrilor instalatiei
Camera de tratare a produselor agricole reprezintä un cilindru de o tel cu diametrul de 100 mm §i mältimea de 150 mm. Deasupra se închide ermetic cu un capac din material izolant, prin care trece electrodul pozitiv, iar în partea de jos, unit cu corpul, este plasat electrodul negativ (conectat totodatä la priza de pämânt).
Elementele de bazä ale instalatiei sunt electrozii - unul fiind în formä de barä (vargä),
capàtul càruia are forma semisfericà §i care este conectat la borna „plus", iar al doilea - este plan, suprafata càruia este cu mult mai mare fatà de primul §i care se conecteazà la borna „minus".
În sistemul de electrozi se formeazà un câmp electric neuniform. În aceste conditii distanta optimà dintre electrozi, unde este posibilà stràpungerea spatiului dintre ei, s-a determinat cu expresia [3,5]:
l =«-10"9-U23/2 - (C/L)1/4,
(1)
in care:
U2 = 5000 V, tensiunea remanenta; C=3 ■ 10-6F, capacitatea
condensatorului;
L = 0,4 ■ 10-6 H, inductanta descarcarii; a = 8,66 ■ 10-4 ■ U1, coeficient, care este dependent de tensiunea pana la care s-a incarcat condensatorul (pentru U = 30000 V, a =26). in a§a caz distanta optima dintre electrozi este:
(
l= 26 -10-9 - 50003/
3-10
6 Y
v 0,4-10-
= 0,015, m (2)
Electrozii se amplaseazà în central camerei de descàrcare în felul urmàtor: electrodul care se leagà la borna (+) are suprafata mai micà §i formà concavà §i se trece în camera de descàrcare prin intermediul materialului izolant al capacului; electrodul care se leagà la borna (-) are formà planà §i este de suprafatà mai mare, se leagà de corpul împàmîntat al camerei de descàrcare.
Energia descàrcàrii în impuls se determinà:
W _ C (U - U 2 )2 _ 3 .l0-6[(30 - 5>1°-3]2 _ 9375 J (3) 2 2 '
unde:
C - capacitatea condensatorului, F;
U1 - tensiunea pânâ la care s-a încârcat
condensatorul, V;
U2 - tensiunea remanentâ a condensatorului dupâ descàrcare, V.
III. íncercarea instalatiei in functionare
9 9
S-au efectuat cercetári asupra extragerii uleiului din seminte de floarea soarelui §i din miez de nucá, cu ajutorul descárcárilor de tensiune ínaltá. Semintele, sau miezul s-au amestecat cu apá, apoi s-au turnat in camera pentru prelucrare. Camera se inchidea ermetic cu ajutorul capacului confectionat din material izolant. Dupá ce se inchidea camera, la electrozi se aplica impulsuri de tensiune inaltá.
Incárcarea condensatorului se face cu ajutorul instalatiei realizate dupá schema din fig.1, paná la tensiunea de 30 kV, apoi prin intermediul eclatorului tensiunea datá se aplica la electrozii plasati in camera de descárcare. Tensiunea de lucru aleasá, se instaleazá cu ajutorul eclatorului - se modifica distanta dintre piesele sferice, cu ajutorul unui bulon de reglare. In rezultatul descárcárilor efectuate, din amestecul respectiv se obtinea o masá spumantá sub forma unei suspensii, alcátuitá din ulei §i apá.
Datoritá loviturilor de §oc, ce aveau loc in urma descárcárilor de tensiune inaltá, semintele oleaginoase se presau §i din ele ie§ea uleiul.
In final s-a obtinut un amestec de apá §i ulei, care ulterior s-a decantat. Extragerea uleiului din apá se poate de efectuat §i direct, folosind alte metode de separare, cum ar fi cea prin centrifugare.
Mai mult ca atat, cunoscand efectul ,,impu§cáturii antibactericide", adicá de actiunea antibactericidá a descárcárii, sub influenta cáreia substantele prelucrate sunt dezinfectate [4], uleiul respectiv va avea proprietátile calitativ-gustative asemenea celui rafinat, iar rezidurile rámase vor gási u§or utilitate la hránirea animalelor.
Avind in consideratie actiunile antibactericide ale efectului electrohidraulic §i procesele ce se petrec in interiorul camerei de descárcare, prezentate in [4,5], la moment se fac cercetári cu privire la sterilizarea lichidelor §i dezinfectarea de§eurilor agricole lichide.
Din punct de vedere constructiv, o astfel de instalatie este foarte simplá §i-i u§or de utilizat. Unicul neajuns pe care il poate avea constá in necesitatea evitárii zgomotului acustic ce se genereazá in urma descárcárilor electrice.
Aladar, odatá cu continuarea cercetárilor in ramura respectivá, sperám de a ajunge la un rezultat foarte promitátor, care ar da posibilitatea inlocuirii tehnologiilor traditionale foarte costisitoare, cu alta mult mai ieftiná §i eficientá.
Concluzii
1. Studiul efectuat a dat posibilitatea de a dimensiona parametrii constructivi §i tehnologici ai instalatiei electrohidraulice, §i anume: nivelul de tensiune, distanta dintre electrozi, volumul de lichid tratat, numärul impulsurilor la tratare §i energia descärcärii în impuls.
2. Simplitatea constructivä a instalatiei electrohidraulice §i uçurinta în procesul de utilizare, oferä posibilitatea de a fi aplicatä pe larg în sectoral agrar, la extragerea uleiului din diferite seminte de plante agricole, la sterilizarea lichidelor §i dezinfectarea deçeurilor agricole.
Bibliografie
[1] Popescu V., Voinescu D. Electrohydraulic effect and use in agriculture. Theses of the 58th scientific conference student, SAUM, Chisinau, 2005, p. 59-60, 0,1 c.a. ISBN 978-9975-64-237-2.
[2] Borteles L., Purcar M. Manage pipeline integrity by predicting and mitigating higt
voltage AC intreference. Annals of the University of Oradea. Fascicle of energetics, vol. 15 p. 189-195, 2009, ISSN 1224-1261.
[3] Popescu V. Prospects use electrohydraulic effect in Moldovan agriculture. Master Thesis, SAUM, Chisinau, 2006, 78 p.
[4] Iutkin L.A. The electrohydraulic effect and its application in industry. Leningrad, 1986.
[5] Gulii G.A. Equipment and processes using electrohydraulic effect. Moscow, 1977.
[6] Popescu V. Evaluation of the quality of operation of electrical equipment and power supply networks. Agricultural Science, n.1, Chisinau, 2013, p. 104-108, 0,2 c.a. ISSN 1857-0003.
[7] Blaga A., Glicor E. Recovering heat from discharged water from the emissary of the treatment plant. Annals of the University of Oradea. Fascicle of energetics, vol. 15 p. 176-180, 2009, ISSN 1224-1261.
Despre autor.
Popescu Victor Serghei, dr., conf. univ., catedra „Electrificarea §i automatizarea mediului rural", Universitatea Agrara de Stat din Moldova. Interesele ¡jtiintifice se afla in planul asigurarii fiabilitatii sistemelor electrice §i auditul energetic al intreprinderilor de prelucrare primara a productiei agricole.
