CC BY
27
УДК 621.1 81.7
Ю. В. КУРІС, канд. техн. наук, член-кореспондент Академії інженерних наук України Інститут вугільних енерготехнологій НАН України, м. Київ А. В. РУБАН, магістр
Запорізька державна інженерна академія, м. Запоріжжя
ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ІМПУЛЬСНОГО ГЕНЕРАТОРА ЕЛЕКТРОНОТЕХНОЛОГІЧНОГО СПОСОБУ ОТРИМАННЯ БІОГАЗУ
В статье приведено обоснование параметров импульсного генератора используемого для анаеробного брожения водного органичного субстрату в метатенке с целью получения биогаза.
У статті приведено обгрунтування параметрів імпульсного генератора, який використовується для анаєробного зброджування водного органічного субстрату в метатенку з метою здобуття біогазу.
Вступ
Іскровий розряд як вибуховий процес слід розглядати з усіма витікаючими наслідками: освіта ударної хвилі, пульсація газового міхура, можливість здійснення серії наступних один за одним вибухів і т. д. Крім того іскровий розряд, створюючи в розрядному проміжку відповідне число імпульсних тисків і розрядження, вимагає вибору відповідного генератора імпульсів.
Для підведення електричної енергії до водного органічного субстрату, що знаходиться в метантенку можна використовувати різні способи. Як показує практика [1, 2] найбільш ефективним способом у даному випадку є імпульсні технології. Для їх реалізації доцільно застосовувати прості і надійні генератори імпульсів типу ЯС, побудовані за схемою, представленої на рис. 1.
Рис. 1. Принципова електрична схемаустановки: Тв - трансформатор;
иі - первинна напруга в мережі; и2 - висока напруга; VI) - випрямляч; С - ємність конденсатора; К - формуючий розрядник; Рр - розрядник в камері; ЮіІ12 - рез истори
Генератор) складається з джерела високої напруги, виконаного у вигляді підвищувального трансформатора Тв, який підключається первинної обмоткою до стандартної мережі змінного напруги и. Вторинна обмотка з підвищуючою напругою и2 підключається через регулюючий резистор Я1 і випрямляч VrD до накопичувального конденсатора С. Перераховані елементи утворюють ланцюг заряду.
Конденсатор підключений через формуючий розрядник (комутатор) К і запобіжний резистор Я2 до робочих електродів розрядного зазору, розташованого усередині метантенка. Ці елементи утворюють ланцюг розряду.
Робочий процес імпульсної установки визначається тим, що в ній застосовуються нелінійні елементи: діод, розрядник і т. п. Для дослідження таких схем застосовують метод пріпасовиванія, коли робочий процес поділяється на стадії, в межах яких беруть участь елементи можна вважати лінійними. Відповідно до цього робочий процес має дві стадії:
1 стадія - заряд конденсатора С через випрямляч "УС і резистор Rl протягом часу Т2 до напруги початку розряду;
2 стадія - розряд конденсатора між електродами при напрузі и2 протягом часу Т2.На цій стадії здійснюється підведення необхідної енергії до біомаси.
Для отримання необхідних результатів доцільно виконати якісний аналіз, а потім -кількісні дослідження. На кожному етапі приймаються загальноприйняті допущення: напруга мережі має синусоїдальну форму, нелінійні елементи є ідеальними, а їх параметри не залежать від режиму роботи.
При виборі параметрів імпульсної установки необхідно дотримуватися умова Т1>>Т2. Це забезпечує виділення в робочому зазорі під час розряду, потужності, в десятки разів більші потужності джерела живлення [3, 4].
Якісна опис процесів заряду і розряду конденсатора
Стадія заряду протікає в такий спосіб. У кожний позитивний напівперіод з напруги конденсатор 3 заряджається до напруги и2. У цей момент відбувається розряд конденсатора С через комутатор К на робочі електроди. У зазорі виникає імпульсний струм ір (рис. 2).
3 рисунка видно, що тривалість заряду Т1 залежить від величини R1 і напруги и2, а також ємності конденсатора С. Тривалість напівперіоду Т2 і струм розряду ір залежить від параметрів розрядного проміжку і резистора. Ці процеси визначають енергію, що
виділяється в зазорі.
и2)В
Рис. 2. Основні характеристики імпульсного пристрою: а - стадія заряду, б - стадія розряду
Кількісний опис процесів, що відбуваються при розряді
У даному випадку вихідними даними служать необхідна енергія в зазорі W2 та початкова напруга пробою и0.Тому визначення параметрів імпульсної установки зажадає нетрадиційного підходу.
Зазвичай в теорії імпульсних генераторів типу RC складають розрахункові схеми для стадії заряду і стадії розряду. Потім складають рівняння для заданих параметрів схем, і після дослідження визначають енергетичні характеристики [5, 6].
У нашій задачі відомі необхідна енергія в зазорі W, яка забезпечує необхідний градієнт концентрацій по висоті метантенка, а також максимальна енергія Wmax, яка гарантує ефективне протікання біотехнологічного процесу. Перевищення рекомендованої енергії
може призвести до різкого зниження активності метанобразующих бактерій, а отже, до зменшення виходу біогазу.
Крім цього, дослідним шляхом встановлено, що тривалість імпульсів розряду повинна лежати в межах від 1 до 6 мс [7]. Тривалість заряду вибирається виходячи з умов ефективності енергетичних процесів імпульсного генератора [8].
З урахуванням вихідних даних і відомих положень теорії імпульсних генераторів типу RC, приймаємо наступну методику обгрунтування параметрів:
- розрахунок ємності конденсатора С;
- визначення параметрів зарядного резистора Rl;
- визначення параметрів комутатора розрядів;
-визначення потужності та енергетичних характеристик всього імпульсного пристрою.
Запишемо рівняння енергії,переданої з контуру заряду в контур розряду:
ж - си2 -Ц2) (і)
2
де, ио - напруга початку розряду, В; ип - кінцева напруга, при якому розряд припиняється, В;
З - ємність конденсатора, Ф.
Робочий процес імпульсного генератора має оптимальний режим при виконанні умов:
ио = 0,7• ^ •иі;ип = 0,1-^ • иі, (2)
де, кт - коефіцієнт трансформаціі Тв; ^ = —
иі
З урахуванням (2) енергія, запасена в конденсаторі і передана в розрядний вузол дорівнює:
ж = МЗШі2 - у . (3)
Однак, в зазорі виділяється не вся, а частина енергії, тоді з урахуванням ККД розрядного контуру ^2 енергія розряду буде дорівнює:
Ж = Ж. (4)
У свою чергу ^2 залежить від параметрів розрядного контуру: індуктивності L2 опору R2 і ємності конденсатора С, а також коефіцієнта зв'язку контурів заряду і розряду m. Враховуючи, що в нашій схемі індуктивність L2 ^ 0, а т ^ ю, то знаходимо, що ^2 = 0,25.
Підставляючи значення Wk і гт, визначаємо ємність конденсатора:
^ 4Ж 16 Ж (5)
с =-------—V • (5)
?72 • к22 -Ц2 к2т -Ц2
Пошукові досліди та літературні дані свідчать, що тривалість розряду становить ^ = (1 ... 6) • 10-3 с. При меншому значенні ^ - не досягається необхідна інтенсивність процесу, а при більшому - можлива загибель анаеробних бактерій, відповідальних за вихід біогазу.
Оскільки значення ємності С відомо, то необхідне співвідношення Ті>>и.з, можна забезпечити за рахунок вибору опору зарядного резистора R1.
Т
Шпаруватість імпульсів q = — істотно впливає на характеристики імпульсного
Іи
пристрою. Зі зростанням шпаруватості збільшується амплітуда і зменшується тривалість
імпульсу. Це призводить до зниження ККД і різкого збільшення температури в каналі
розряду і на електродах, досягаючи десятків тисяч градусів. Це ускладнює підбір матеріалів для електродів. Для імпульсної установки, необхідної для активації біотехнологічних процесів, вибираємо імпульс із середньою скважностью 10 > q > 2. Тоді, період і постійна часу заряду конденсатора визначаться за формулою:
Т = q ■ , (6)
Т = Я ■ С. (7)
З спільного рішення системи рівнянь (6) і (7), враховуючи, що заряд закінчується через (3. .. 4)ТП, знаходимо:
Яі= С (8)
Комутатор напруги, як зазначалося, служить для створення розряду при необхідному напрузі. Для цих цілей можуть використовуватися різноманітні пристрої. Для розробки імпульсного пристрою обрано простий, надійний і стабільний в роботі розрядник у вигляді
двох дисків, розташованих на відстані 1,8-2,0 мм. Для створення рівномірного поля діаметри
дисків повинні бути 20 мм;диски розташовуються, паралельно один одному і мають округлені краю (г = 2мм) [8]. Один з дисків повинен мати можливість подрегуліровкі відстані (наприклад, розташовуватися на стрижні з різьбленням).
Потужність імпульсної установки може бути визначена через енергію, накопичену в конденсаторі (5) і частоту проходження імпульсів, яка визначається за формулою:
І = ~^ (9)
Я • с
Підставляємо (8) в (5) і знаходимо потужність імпульсної установки:
к2 -П2
Р = І ^ = (10)
16 • я
Крім того, знаючи форму і шпаруватість імпульсів [6], визначаємо наступні параметри:
- Коефіцієнт форми кривої: кф = = -2- • ^/д ;
иср ^3
- Амплітудний коефіцієнт: ка = = у/3 • л/д ;
Рс 11 Рс 2 4
- Співвідношення потужностей: —— = — = —;—-— = кф =— д.
Рмакс ка 3д Пср1 ср 3
Таким чином, визначили основні електричні параметри високо-вольтной установки.
Методика і приклад розрахунку основних параметрів імпульсної установки
Методика розрахунку основних параметрів включає в себе:
- розрахунок ємності конденсатора С;
- визначення параметрів зарядного резистора R1,
- визначення параметрів комутатора розрядів;
-визначення потужності та енергетичних характеристик всього імпульсного пристрою.
На підставі теоретичних положень, викладених вище, можна зробити висновок, що електрична енергія, що підводиться до субстрату на початковій стадії анаеробного зброджування, повинна в три рази перевищувати теплову. Знаючи теплову енергію, при традиційному способі, і приводячи її до електричної, отримали енергію, яку необхідно запасти в конденсаторі. Визначимо необхідну ємність конденсатора:
с = 2Ж-п = 2 • 98 • 0,25 = 1 ^
2
и02 7000
де, Wr - підводиться до субстрату теплова енергія при традиційному способі отримання біогазу, Вт;
ц - ККД розрядного контуру.
Визначимо необхідний період заряду конденсатора: Т1 = 5 • 6 • 10_3 = 0,03;
а • t 5 • 6-10_3 3
Визначимо опір зарядного резистора R^ R1 =~С~ = 1 ^6 = 30 -10 ;
Частота проходження імпульсів дорівнює: / = ^ с = 30 1031 1 10 ^ = 33,3;
и2 70002
Потужність імпульсної установки дорівнює: Р = /-Ж = 16 0R = 16 30 103 = Ю2 • Знаючи форму і шпаруватість імпульсів, визначаємо наступні параметри: - коефіцієнт
и 2 2
форми кривої: kф =-= —=-л[а =-=-у!5 = 2,581;
и л/3 >/3
амплітудний коефіцієнт: ka = Ц1 = у/3 -у[д =лІ3 ■ л/5 = 3,872;
співвідношення потужностей:
Р 111 Р 4 4
= -г = — =-= 0,066;—^ = k2 = - ц = - • 5 = 11,66.
Р k За 3 • ^ и І ф 3 3
макс а ^ ср ср
Висновки
1. Вихід біогазу при зброджуванні органічних відходів залежить від ряду факторів, значення яких визначені теоретично і підтверджені на практиці. Однак навіть при підтримці основних параметрів (температури, рН середовища, гранулометричного складу) на оптимальному рівні, потенційні можливості біомаси не вичерпуються в повній мірі.
2. Для здійснення імпульсних процесів. Розроблено методику розрахунку параметрів RC генератора по заданій потужності та тривалості імпульсу.
Список літератури
1. Чесноков Б. П. Высокие технологии электровакуумного производства. Саратов: СГУ, 2000.
2. Клименко В. М. Применение электрофизического способа активации бетонных смесей при введении в них химической добавки на заводах ЖБИ и в полевых условиях. М.: Сб. трудов ПТИС. 2001. Вып. 10.
3. Егоров А. В., Летягин В. А. Нанесение пленок методом электрического взрыва материала. // Обзор по электронной технике. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. 1976. Вып.12. С.12.
4. Чесноков Б. П., Коблов А. И. Напыление; в вакууме аморфных материалов электрическим взрывом. // Функциональное покрытие на стеклах С б. докладов межд. науч. практ. симп. Харьковской науч. ассамблеи. Харьков: «Вокруг света», 2003. С. 138-142.
5. Чесноков Б. П., Аблова О. В. Явление локализации электронов проводимости в металлах и их сплавах при радиационном облучении. Доклады РАН Естественных наук J№ 2, Саратов: «Надежда», 2000. С. 118-121.
6. Шарин Ю. Е., Короткое В. А., Панфилова Н. Е. Исследование процесса пасте-ризации молока импульсным разрядом // Новые физические методы обработки пищевых продуктов. Межвуз. сб. / Ин-т тепло- и массообмена АН БССР. М. 1967.
7. Schoenbach К. Н, Peierkin F. К, Alden.R. W. and Beeke «The Effect of" Pulsed Electric Fields on Biological Cells: Experiments and Applications», IEEE Transactions on Plazma Science, vol. 25, J№2, p.p.284-292, 1997.
8. Куріс Ю. В. Використання біогазу для електрифікації сільськогосподарського виробницства / Ю. В. Куріс // Фаховий журнал “Енергетика і електрифікація”. м. Київ, -J№ 8.-2010. - С. 60-65.
OBOSNOVNIE OF PARAMETERS OF1 PULSER OF ELEKTRONN-TECHNOLOGICAL METHOD OF RECEIPT OF BIOGAS
Ju. V. KURIS, Cand. Tech. Srie., A. "V. RUB AN, The master
In the article the ground of parameters of pulser is resulted in-use for anaerobe fermentation water organic substratu in metatenku 'with the: purpose of receipt of biogas.
Поступила в редакцию 17.01 2011 г.
