Методика расчета параметров акусто-магнитного аппарата обработки жидкости Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 534.6:532 ББК 22.321 К 66

Коржаков А.В.

Кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 59-39-11, e-mail: korhakov-av@yandex.ru Коржакова С.А.

Кандидат социологических наук, доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 59-39-11, e-mail: korhakov-av@yandex.ru

Методика расчета параметров акусто-магнитного аппарата

обработки жидкости

(Рецензирована)

Аннотация

Статья представляет методику расчета технических характеристик акусто-магнитного аппарата, оптимизирующего процесс подготовки воды для гидропонной установки, предназначенной для выращивания растений без почвы, на искусственных питательных растворах. Предложенная методика позволяет проектировать аппараты различных размеров и типов, необходимых для различных произ-

. -аппарата: рабочая частота, габаритные размеры магнитострикционного излучателя, а также характеристики элементов электрических и механических цепей магнитострикционного излучателя.

Ключевые слова: акусто-магнитный аппарат, расчет размеров, выбор акустических параметров, выбор электрических и магнитных параметров, расчет акустической составляющей.

Korzhakov A.V.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department of Automated Systems of Processing Information and Control of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 59-39-11, e-mail: korhakov-av@yandex.ru Korzhakova S.A.

Candidate of Sociology, Associate Professor of Department of Automated Systems of Processing Information and Control at Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 59-39-11, e-mail: korhakov-av@yandex.ru

Methods of parameter calculation of the acoustic magnetic device

for liquid processing

Abstract

The paper presents a method of calculation of specifications for the acoustic magnetic device optimizing the water preparation for hydroponic installations, intended for cultivation of plants without soil, using artificial nutritious solutions. The proposed technique allows us to design devices of various sizes and types needed for various capacities. The following specifications of the acoustic magnetic device are examined: working frequency, overall dimensions of a magnetostriction radiator, as well as characteristics of elements of electric and mechanical chains of a magnetostriction radiator.

Keywords: acoustic magnetic device, calculation of the sizes, choice of acoustic parameters, choice of electric and magnetic parameters, calculation of an acoustic component.

В последние годы во всем мире, на фоне полуголодного существования большой части населения, не ослабевает интерес к гидропонике, позволяющей выращивать растения без почвы, на искусственных питательных растворах. Данный способ выращивания растений, представлявший ранее чисто научный интерес, в настоящее время нашел широкое применение в мире, т. к. позволяет получить высокие и устойчивые результаты при снижении себестоимости продукции [1]. В растениеводстве защищенного грунта этот метод открывает возможности для механизации и автоматизации производственных процессов.

Выращивание растений гидропонным методом особенно эффективно в районах крайнего Севера, пустынных и горных районах, в крупных тепличных хозяйствах, расположенных в зоне больших городов. В связи с быстрым развитием и внедрением гидропоники большое значение имеет обобщение результатов научных исследований и передового опыта фирм, занимающихся выращиванием растений гидропонным методом, и предложение на основе опытных разработок научно обоснованных новых методов выращивания растений без почвы. В настоящее время существуют следующие основные методы гидропоники: агрегатоионопоника, водная культура, хемопоника, ио-нопоника, аэропоника [2].

Для всех методов гидропоники существует необходимость приготовления питательного раствора, для которого нужно использовать воду, разрешенную контролирующими учреждениями для неограниченного применения в качестве питьевой воды. К воде добавляют соответствующие минеральные соли и проводят регулирование показателя рН на уровне слабокислого (5,0<рН<6,8), который является благоприятным для большинства сельскохозяйственных культур, как установлено многими исследователями. Но большинство проб воды демонстрирует ее щелочные свойства (рН>7,0) из-за содержания карбонатов. Поэтому перед растворением в воде питательных солей необходимо воду подкислить, для чего пользуются технической серной кислотой. Однако эта операция трудоемка, проверка значения рН раствора должна производиться быстро и часто, что создает актуальную проблему для промышленных гидропонных установок и требует больших затрат.

В настоящее время в сельскохозяйственном производстве применяются аппараты магнитной обработки воды, по сути являющиеся постоянными магнитами и электромагнитами. Они относительно просты по конструкции и сравнительно недороги, но к основным их недостаткам следует отнести невозможность гибкого регулирования выходных значений параметров, что приводит к получению жидких сред с различными свойствами. Так как диапазон адаптивной способности растительных культур узок, то становится проблематичным применение этих аппаратов для обработки воды с целью ее дальнейшего применения в сельском хозяйстве.

Для устранения описанных несоответствий предлагается решить проблему путем безреагентного способа изменения показателя рН посредством акусто-магнитного аппарата [3] в автоматизированной системе управления величинами акустического и магнитного поля.

Так как в гидропонных установках используются трубы с различными диаметрами, изготовленные из различных материалов, различны и ферромагнитные материалы, типы ферритовых колец, являющихся основой акусто-магнитного аппарата, то для каждого образца требуется специальный расчет всех характеристик аппарата акусто-магнитной обработки воды с целью создания малых серий различных по типоразмеру аппаратов на основе теории подобия. Однако существуют промежуточные этапы: проектирование схемы аппарата, создание макета аппарата, создание экспериментального образца, создание серийного образца, внедрение его в мелкосерийное производство. Поэтому возникает объективная необходимость в создании автоматизированной методики расчета значений параметров акусто-магнитного аппарата.

Существующие в настоящее время методики электротехники [4-8] позволяют рассчитать отдельно значения параметров акустических и магнитных излучателей, но их необходимо адаптировать к расчету конструкций, у которых акустическая и магнитная часть аппарата объединены в единое целое.

Расчет параметров акусто-магнитного аппарата необходимо начинать с выбора значений акустических параметров ультразвуковой части аппарата, а затем проводить расчет электромагнитных параметров аппарата, чтобы вновь проектируемый аппарат

был подобен его прототипам по требуемым характеристикам. Акусто-магнитный аппарат имеет четыре взаимосвязанных контура: (1), (2) - контуры трансформатора; (3) -электромагнитный контур; (4) -акустический контур.

Пусть известна экспериментально установленная требуемая рабочая частота излучателя, обеспечивающая оптимальное значение показателя pH.

1. Расчет габаритных размеров магнитострикционного излучателя (4).

с

1.1. Из формулы f =- [4, 5], где с - скорость распространения упругих ко-

2пКсР

лебаний в феррите, следует значение Яср - среднего радиуса ферритового кольца (кроме

Д + R

того Яср = ^^—-, где Я„ - наружный радиус кольца, Яв - внутренний радиус кольца),

но это значение радиуса может не удовлетворять производственным требованиям по диаметру трубы, тогда рассматриваем ближайшее подходящее значение из возможных

вариантов отношения С° для различных промышленных образцов, где ^ - резо-

2П0

нансная частота ферритового кольца-образца, с° - скорость распространения упругих

колебаний в ферритовом кольце-образце.

1.2. Оптимальная величина среднего диаметра ферритового кольца излучателя

Оср = 2Яср .

1.3. Активная ширина кольца излучателя по среднему диаметру Б :

а = (0,15 + 0,2)Бср ,

т.к. экспериментально [6] установлено, что оптимальная ширина активной части а кольца лежит в пределах 15-20% величины среднего диаметра кольца излучателя Б .

1.4. Наружный и внутренний диаметры колец излучателя:

Бен = Бср —, Бн = Бср +—.

2 2

1.5. Площадь поперечного сечения 8п ферритового кольца:

т

S„ =-

2лЯср р

1.6. Вертикальный размер ферритового излучателя

к = ^. а

1.7. Расчет количества витков N. контура (4) (акустической части) моделируем при помощи вычислительной техники для различных приемлемых значений толщины di провода:

N. = Б .

i d1

1.8. Напряжение возбуждения излучателя

и = ,

где В - амплитуда переменной магнитной индукции (находится по кривым магнитост-рикции) [4].

2. Расчет элементов электрической цепи контура, составляющего магнитост-рикционный излучатель.

2.1. Потребляемая излучателем электрическая мощность определяется по формуле [4]:

P = P + P

п м эп -

п п п п (2 ВВтщам )2

где р = Ра + Рш - механическая мощность; Ра = -—-— - акустическая мощ-

Рс5б

бок

ность; в - магнитострикционная постоянная определенного материала; Рш - мощность механических потерь; Рэн = 2апБ2У - мощность электрических потерь; ап - коэффициент, учитывающий потери на вихревые токи и гистерезис, зависящий от /, находим по специальным графикам или таблицам.

Р п

Известно [4], что Рм = -2-, где г]т =-32-, причем п е [0,7;0,9] - механико-

П'аи Пмэ

индуктивный к.п.д.; п е [0,2;0,5] - акусто-электрический к.п.д. 2.2. Ток возбуждения и поляризации излучателя [4]:

П-2-7 P nBR p 2nBR

I = Г 2 + ( т2 . г )2 . т =^п_ . т =_. I = . Т =, <-Р

Тизл = \ Тн + (1эи + Тм) . Тэп - т т . Ти- Д т . Тм = тт . 1п~

и " ы^ м и " ы^

Общий ток излучателя

i = №+iL •

2.3. Сечения провода обмотки (4) моделируем при помощи вычислительной техники по формуле

5 = I

изл . "> J т

где ]т - допустимая плотность тока по условиям теплоотвода, экспериментально установлено [8], чтоут<3 А/мм .

2.4. Диаметр провода без изоляции находится из выражения

А,„ = 2 S

' V п

3. Расчет двух взаимосвязанных контуров (1)-(2) акусто-магнитного аппарата. 3.1. Рабочее напряжение первичной обмотки двух взаимосвязанных контуров

Uc = 1 общ VR1 + Rln<s

где Р(Н( - омическое сопротивление катушки; Рш(д - индуктивное сопротивление катушки; /ойм? - ток первичной обмотки [7].

3.2. Находим расчетные числа витков первичной и вторичной обмоток двух взаимосвязанных контуров (1) и (2):

Щгер = ОМа , Кшор = ОМ,, ,

где и - напряжение, подаваемое на излучатель; и - напряжение, подаваемое на об-

33,3 го1

мотку управления, О =- [8].

3.3. Определение сечения провода обмоток (1)-(2):

1общ

5 = 1,13.

V Jn

где ¿„ - допустимая плотность тока по условиям теплоотвода.

3.4. Диаметр провода обмоток (1)-(2) без изоляции находится из выражения

Б = ^П.

4. Расчет параметров рабочей зоны аппарата.

4.1. Площадь проходного сечения воды в рабочем зазоре (для определения диаметра трубы, проходящей через рабочую зону аппарата обработки жидкости)

0,36ш

где О - часовой расход воды; т - число включенных в параллель рабочих зазоров (определяется на основании моделирования) [7].

4.2. Длина пути жидкости в активной зоне аппарата

Ь = ут ,

где V - параметр скорости воды в рабочем зазоре аппарата; т - время прохождения жидкости через активную зону аппарата [7].

После намотки рассчитанных контуров и подключения их к генератору окончательная корректировка величин производится экспериментально до получения модели,

п°д°бн°й требуем°й п° „о* = Ь. Так как „ует разбр°с в ма_ »ой-

ствах магнитострикционных материалов, типах и размерах промышленно изготовляемых ферритовых колец, являющихся основой магнитострикционного излучателя, то необходима корректировка параметров, значительно изменяющихся в процессе изготовления.

Разработанную методику расчета акусто-магнитного аппарата рекомендуется применять при проектировании различных типов аппаратов, предназначенных для выпуска мелких серий аппаратов, имеющих различные характеристики.

Примечания:

1. Бедриковская Н.П. Гидропоника комнатных цветов. Киев: Наука думка, 1972. 63 с.

2. Гиль Л.С., Пашковский АЛ., Сулима Л.Т. Современное овощеводство закрытого и открытого грунта: практ. руководство. Житомир: Рута, 2012. 468 с.

3. Коржаков А.В., Лойко В.И. Исследование эф-

- -

ных систем // Научный журнал КубГАУ. Краснодар, 2004. № 5 (03).

иИЬ: Ы^/те^е .kubagro.ru/2004/03/07/p07/asp

4. , преобразовательных элементов автоматизированных систем / ПЛ. Чинаев, Н.М. Чумаков, АЛ. Жданов, В Л. Панов и др.; / под общ. ред. Н.М. Чумакова. М.: Техника, 1971. 308 с.

5. Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980. 42 с.

6. Булычева 3Л., Ганева Л.И., Голямина ИЛ. Отечественные материалы для магнитострикцион-ных преобразователей // Вопросы судостроения. Сер. Акустика. 1974. Вып. 1. С. 24-39.

7. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. М.: Энергия, 1977. 184 с.

8. Мартынихин Г. Расчет тороидальных трансформаторов // Радио. 1972. № 3. С. 42.

References:

1. Bedrikovskaya N.P. Hydroponics of window plants. Kiev: Naukova dumka, 1972. 63 pp.

2. Gil L.S., Pashkovsky A.I., Sulima L.T. Modern vegetable growing in hothouses and in open ground: a practical guide. Zhitomir: Ruta, 2012. 468 pp.

3. Korzhakov A.V., Loyko V.I. Research of efficiency of acoustic and magnetic treatment of water systems // Scientific journal of KubGAU. Krasnodar, 2004. No. 5 (03).

URL: http//www.ej.kubagro.ru/2004/03/07/p07/asp

4. Calculation of final control, correction and transforming elements of computerized systems / P.I. Chinaev, N.M. Chumakov, A.P. Zhdanov, V.I. Pa-nov, etc.; / general ed. by N.M. Chumakov. M.: Tekhnika, 1971. 308 pp.

5. Kazantsev V.F. Calculation of ultrasonic transducers for process installations. M.: Mashinostroenie, 1980. 42 pp.

6. Bulycheva Z.N., Ganeva L.I., Golyamina I.P. Domestic materials for magnetostrictive transducers Problems of shipbuilding. Ser. Acoustics. 1974. Iss. 1. P. 24-39.

7. Tebenikhin E.F. Reagentless methods of water treatment in power installations. M.: Energiya, 1977. 184 pp.

8. Martynikhin G. Calculation of toroidal transformers // Radio. 1972. No. 3. P. 42.