CC BY
143
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
1
УДК 621.316
ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОАКТИВАТОРА ВОДЫ
Оськин Александр Сергеевич аспирант
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье представлены: существующие методики расчета электроактиваторов водных растворов, проанализированы процессы, протекающие в электроактиваторах, предложены новые формулы для расчета основных характеристик таких аппаратов, построены зависимости параметров от факторов, влияющих работу установок, сделаны выводы по процессам и даны предложения по проектированию и эксплуатации
Ключевые слова: ЭЛЕКТРОАКТИВАТОР, ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ, АНОЛИТ, КАТОЛИТ, УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
UDC 621.316
BASES FOR DESIGN OF PARAMETERS OF ELECTROACTIVATOR FOR WATER SOLUTIONS
Oskin Alexander Sergeevich postgraduate student
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
In the article below the following items are represented: existing methods for design of electroactivator for water solutions, processes within an electroactivator are examined, the new formulas for calculation of the main characteristics of electroactivator are proposed, dependences of the parameters upon the factors which influence on device functioning are plotted, conclusions regard processes and proposals for design and operating are made
Keywords: ELECTROACTIVATOR, PH, ANOLYTE, CATHOLYTE, RESISTIVITY
Электроактиватор воды предназначен для получения экологически чистого активированного раствора на водной основе и использования в технологических целях в сельском хозяйстве. Электроактивированная вода получается пропусканием электрического тока через обычную воду или слабые ее солевые растворы. Активированная вода обладает как высокой растворяющей способностью, так и широким спектром действия благодаря большим электрическим зарядам: положительному в кислотной воде (ано-лит) и отрицательному в щелочной воде (католит).
В качестве основных характеристик электроактиваторов можно отметить следующие: производительность по анолиту и католиту, общая потребляемая мощность и ее удельное значение на литр раствора с определенным значением водородного показателя, масса-габаритные размеры, количество часов наработки до профилактического обслуживания. Обычно производительностью приходится задаваться в зависимости от технологических нужд. Есть также формула расчета производительности по количеству молей переносимого вещества [1]:
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
2
Q
J • S • n
95,24 • 103 ,
(1)
моль/с.
* 2
где J - плотность тока, А/мм , S - поперечное сечение мембраны, мм , n - число единичных ячеек мембраны.
Общую потребляемую мощность электроактиватором можно определить по формуле:
P = I• Ud +I2 • (Rm + Rp),
(2)
где I - величина протекающего тока; Ud - сумма потенциалов разложения и перенапряжения на электродах, В; (предполагается малой по сравнению с перепадом напряжения на n ячейках); Rm - сопротивление мембраны; Ом;
Rp - сопротивление раствора, Ом.
В литературе не приводятся формулы по определению мощности электроактиватора в зависимости от необходимого уровня водородного показателя. Известно, что сопротивление воды зависит от температуры, следовательно, при регулировании в процессе работы, нелинейная вольтамперная характеристика будет влиять на производительность установки и величину потребляемой мощности. Кроме того, сопротивления растворов в анодной и катодной камерах будут различны, что связано с разной температурой и процессами диссоциации. Электролизные уравнения Фарадея не могут адекватно описывать происходящие процессы в электроактиваторах с мембраной. Большинство публикаций по активаторам связывают степень активации с величиной проходящего тока, что не совсем правильно из-за нелинейности вольт-амперной характеристики и большой зависимости степени диссоциации ионов от температуры.
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
3
Таким образом, необходимо получить формулы по расчету потребляемой мощности электроактиватора в зависимости от производительности установки, значения водородного показателя, температуры жидкости.
Анализ процесса нагрева жидкости в электроактиваторе можно произвести при следующих допущениях: электроактиватор принимаем как однородное тело, количество теплоты, отдаваемое воде пропорционально разности температур входной и выходной жидкости и в процессе работы не изменяется, теплоотдача угольных электродов очень мала и ей можно пренебречь. На основании этого можно записать уравнение теплового баланса:
где P • dt - количество теплоты, выделяемой в электроактиваторе за время dt, Вт ■ с; A • t • dt - количество теплоты, уходящей из электроактиватора вместе с активированной водой, Вт ■ с; C • dt - количество теплоты, идущие на нагрев жидкости; A - теплоотдача электроактиватора (принимается равной теплоотдаче воды), Вт/°С; C - теплоемкость массы жидкости, находящейся в активаторе, Дж/°С; t - превышение температуры выходной над температурой входной жидкостей, °С.
При установившемся процессе уравнение, описывающее изменение температуры принимает вид:
P • dt = A • t • dt + C • dt
(3)
t = t,cm 1 - exp-— +T„„ ■ exp
( ( Т-JJ
нач
(4)
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
4
где ?нач Ъуст - начальное и конечное значение установившегося пре-
вышения температуры, Тн - постоянная времени нагрева жидкости в электроактиваторе.
При условии, что начальное превышение температуры будет равно 0, выражение (4) будет иметь вид:
Т = Т
уст
Г Г 1 - exp
V
ЛЛ
V н JJ
t
(5)
Для дальнейших анализов работы электроактиватора в автоматическом режиме необходимо иметь расчетные формулы для определения его теплоотдачи и постоянной времени. В соответствии с ранее принятыми обозначениями имеем:
уст
(6)
В тоже время из литературы по расчету водонагревателя [2] известно:
Р = Q Рж • с • (tк - tн ) Пн
(7)
где Q - производительность активатора, м3/с; Рж - плотность жидкости, кг/м3; C - удельная теплоемкость воды, 4,19 кДж/кг°С; tK, tH - тем-
пература соответственно в конце и начале нагрева, °С; Пн - кпд активатора при нагреве, принимается в пределе 0,9-0,98.
Разница температур tK, tH это фактически является превышением температуры конечной над начальной. Подставим (7) в (6) и получим следующее выражение для определения теплоотдачи:
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
5
А _ Q Гж С ^уст _ Q ' Рж ' С
Лн ' ^уст Лн
(8)
Полученное выражение может быть применено для расчета теплоотдачи электроактиватора для любой жидкости. Так как планируется использовать активатор только для воды и приняв кпд установки равной 0,98, то выражение (8) можно записать в виде:
А — 4,19 • 106 • Q , Вт/°С, если размерность Q в м3/с;
(9)
А _ 1,164 • Q, Вт/°С, если размерность Q в л/ч.
(10)
В соответствии с принятыми ранее обозначениями постоянная времени нагрева активатора определяется по следующему выражению:
(11)
Общую теплоемкость воды, находящейся в активаторе можно представить в виде:
С _с • m,
(12)
где Ша - масса воды в активаторе, кг.
Для определения выражения по расчету постоянной времени нагрева активатора подставим в формулу (11) выражения (8) и (12):
Тн
С _ С • Шд h _ Юд h А Q•Рж■с Q•Рж
(13)
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
6
Таким образом, уравнение (13) позволяет рассчитать постоянную времени нагрева активатора для различных жидкостей. Если использовать в качестве жидкости только воду, то выражение (13) принимает вид:
с при размерности Q в м/с ,
с при размерности Q в л/ч .
(15)
По полученным формулам можно построить графики зависимости постоянной времени от производительности при разной массе воды в активаторе (рис.1). Такие графики дают возможность оценить изменение постоянной времени при регулировании производительности на одном активаторе. Так как часто приходится регулировать производительность отдельно по камерам (для повышения или понижения водородного показателя), то по полученным формулам рассчитывать постоянные времени нужно отдельно - по католиту и анолиту.
Для определения удельных затрат энергии (Вт-с/м ) на нагрев воды в активаторе по отдельным камерам воспользуемся формулой (7):
... _ P _ Q -Рж ■ с ■ (tк - tн ) _РЖ ■ С ■ (tк - tн )
w _q ■ h-Q ■ h (1б)
Из полученной формулы видно, что удельные затраты энергии пропорциональны разности температур в активаторе. Следовательно, при производстве анолита нужно стремится к невысокой температуре на выходе активатора, тем более что это связано с выпадением солей в осадок.
С аналогией формулы (7) и учитывая законы Фарадея для электролиза, можно получить формулу для расчета мощности электроактиватора (отдельных камер по анолиту или католиту):
Т _ а
■ 10’
Q
(14)
m
Тн _ 3600 —
н Q
3
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
7
р =
Q-рж ■d ■ is
и
вых
hpH
(17)
где d - удельная энергоемкость жидкости для изменения концентрации ионов, Дж/кг; си свых - концентрация ионов соответственно в исход-
ной в выходной жидкости, моль/л; Лрн - кпд активатора по изменению концентрации ионов.
Общую мощность, потребляемую электроактиватором Рэа необходимо определять по формуле:
Рэа = Ра + Рк , (18)
где Ра - мощность анодной камеры, Рк - мощность катодной камеры. Формулу (17) лучше представить в виде:
Р = Q-Рж d ■ (pHи - РНвых )
Лрн
(19)
где pHи рНвых - значения водородного показателя соответственно входной и выходной жидкости.
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
8
Рисунок 1 - Графики зависимости постоянной времени от производительности при массе воды в активаторе от 0,1 кг до 1 кг.
Физический смысл параметра d заключается в следующем - количество энергии которое необходимое сообщить 1 кг жидкости для того чтобы концентрация ионов в ней изменилась в 10 раз (или изменился водородный показатель на единицу). Значения этого параметра будут зависеть
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
9
от содержания солей и других примесей в исходной воде, а также от эффективности диафрагмы. Коэффициент полезного действия активатора по водородному показателю будет зависеть от его конструкции, в частности от межэлектродного расстояния, от формы каналов, и т.д. Параметр d можно определить экспериментально при известных остальных физических величинах.
Водопроводная вода содержит в растворенном виде соли и другие химические соединения, молекулы которых диссоциируют в воде на ионы, сообщая ей ионную (электролитическую проводимость). Удельное электрическое сопротивление воды зависит от концентрации солей. Атмосферная вода содержит растворенных солей не более 50 мг/л, речная вода - 500 - 600 мг/л, подземные воды - от 100 мг/л до нескольких граммов на литр. Наиболее часто встречающиеся значения удельного электрического сопротивления p20 для воды находятся в диапазоне 10 - 30 Ом- м. Электрическое сопротивление электролитов существенно зависит от температуры. С ее возрастанием увеличивается степень диссоциации молекул солей на ионы и их подвижность, вследствие чего проводимость повышается. В технических расчетах обычно пользуются не проводимостью, а удельным сопротивлением:
r _ __________Р20_____
Pt _ yt ~ 1 + a(t - 20),
(20)
где yt - проводимость воды температуре воды отличной от 20°С; р20 - сопротивление воды при 20°С; а -температурный коэффициент проводимости, равный 0,025 - 0,035 oC-1.
Если принять а = 0,025 oC-1, то удельное сопротивление воды определяют по формуле:
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
10
40 ' Р20 t + 20 ,
(21)
В диапазоне температур 20 - 100 оС проводимость воды возрастает в 3 - 5 раз, во столько же раз изменяется мощность, потребляемая из сети. Удельное сопротивление воды подчиняется зависимости (21) только до наступления заметного парообразования, интенсивность которого зависит от давления и плотности тока в электродах. Пар не является проводником тока, и поэтому при парообразовании удельное сопротивление воды возрастает. В расчетах это учитывается коэффициентом b, зависящим от давления и плотности тока:
Рсм =Р. ■b = Р, ■«. ■ к ■ 1 (22)
где рсм - удельное сопротивление смеси вода - пар, рв - удельное сопротивление воды без заметного парообразования, a - постоянная, равная для воды 0,925, к - величина, зависящая от давления в котле, J - плотность тока на электродах, А/см2.
Кроме процесса парообразования в активаторе на электродах идет процесс газообразования: на катоде восстанавливается водород, а аноде -хлор. Тогда уравнение (22) для каждой камеры электроактиваторов можно представить в виде:
рсМ = р. ■bА =р. a ■кА ■1, (23)
А
где рсм - удельное сопротивление смеси вода - хлор или вода-водород, рв - удельное сопротивление воды без заметного газообразования, ав - постоянная, равная для воды 0,925, кА - эмпирический коэффициент, зависящий от содержания солей вводе и производительности камеры. Та-
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
11
ким образом, вольт-амперную характеристику трудно рассчитать аналитически из-за двух процессов протекающих в активаторе: газообразование и изменение сопротивления воды с ростом температуры.
Проведенные экспериментальные исследования с проточным электроактиватором в Кубанском Г АУ показали, что постоянные времени нагрева и водородного показателя практически равны, что вполне объяснимо с физической точки зрения. На основе полученных экспериментальных данных определена удельная энергоемкость жидкости для изменения концен-
d
трации ионов d . Обозначим в формуле (19) ^ за d рн - показатель ха-
рн
растеризующий свойства исходной жидкости и конструкцию активатора. Тогда формула (19) принимает вид:
Р = Q Рж •dрн • (pHи - pHвых)
(24)
Выразим показатель dpH из формулы (24):
РН Q Рж • (рНи - рНвых ) .
(25)
Используя экспериментальные данные, были рассчитаны значения dрн , определено среднее значение этого показателя, на основе которого рассчитана необходимая мощность активации и ее отличие от фактической измеренной мощности. Полученные результаты сведены в таблицу 1. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о возможности расчета потребляемой мощности по формуле (24), принимая значение удельного показателя энергоемкости изменения концентрации ионов, с
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
12
учетом кпд активатора равным 15,1 кДж/кг. Экспериментально была снята вольтамперная характеристика активатора. В процессе работы активатора плавно увеличивалось напряжение и фиксировалось значение тока. При увеличении подводимого напряжения значение водородного показателя все время росло. Снималась прямая и обратная ветвь характеристики. Как показали эксперименты, эти ветви практически совпадают. Вид вольтамперной характеристик представлен на рисунке 2, где видна степень нелинейности таких характеристик. Таким образом, на степень активации влияет не столько значение тока как значение подводимой мощности. Кроме того, сильное влияние оказывает конструкция активатора, жесткость исходной воды, степень газообразования в камерах, температура воды в каждой камере.
Таблица 1-Результаты расчетов мощности на активацию с фактической потребляемой мощностью
Qa, Ра,
л/ч Р, Вт Вт Тт Трн рНуст d Ра, Вт e, %
20 2600 477 20,5 20,5 5,3 16219 444 7
60 3100 1137 6,8 4,91 5,0 13640 1258 -10
60 2800 1027 6,8 6,39 4,5 13598 1140 -10
60 2600 953 6,8 7,01 3,5 16250 886 8
60 2300 843 6,8 5,51 3,1 16323 780 8
90 3600 1320 4,6 4,1 4,1 12754 1563 -16
90 4200 1733 4,6 4,3 4,6 15231 1718 1
150 4200 1610 2,7 2,7 2,3 16800 1447 11
среднее значение 15100
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
Научный журнал КубГАУ, №69(05), 2011 года
13
• производительность 150 л/ч —■—производительность 360 л/ч —£—производительность 240 л/ч
Рисунок 2- Вольтамперные характеристики активатора при различных производительностях
Литература
1. Кордон М.Я., Симакин В.И., Горешник И.Д. Теплотехника (Учебн. пособие).-Пенза, 2005.
2. Изаков Ф.Я. и др .Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве./ Ф.Я. Изаков., В.А. Козинский, А.В. Лаптев, Т.Н. Лукиенко, А.Т. Шаповалов, Г. А. Яснов- Колос., Москва, 1972, с.303.
http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/20.pdf
