УСТРОЙСТВО АКТИВАЦИИ ВОДЫ ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

в

естник АПК

Агроинженерия -! № 3(15), 2014 " "

УДК 621.317.329:621.359.7

61

Хайновский В. И., Хащенко А. А., Копылова О. С., Никитин П. В., Козырев А. Е. Khainovsky V. I., Khachenko A. A., Kopylova O. S., Nikitin P. V., Kozyrev A. E.

УСТРОЙСТВО АКТИВАЦИИ ВОДЫ ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

DEVICE ACTIVATION OF WATER ALTERNATING MAGNETIC FIELD

В работе представлен расчет на основе магнитной схе- The work presents the calculation on the basis of magnetic

мы замещения индукции магнитного поля в «водяных» за- circuits of magnetic field induction in the «water» gaps device

зорах устройства активации воды переменным магнитным activation water alternating magnetic field of industrial

полем промышленной частоты. frequency.

Ключевые слова: индукция магнитного поля, магнит- Key words: magnetic field induction, magnetic resistance, ное сопротивление, катушка индуктивности, устройство inductance, the device activation of water. активации воды.

Хайновский Владимир Иванович -

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: 8-906-489-41-08 Email: vl.khain@yandex

Хащенко Андрей Александрович -

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: 8-928-317-87-43 E-mail:haa_08@mail.ru

Копылова Оксана Сергеевна -

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: 8-918-867-45-64 Email: zolterxp@list.ru

Никитин Петр Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры физики Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: 712198

Email: ssau_phisics@mail.ru

Козырев Антон Евгеньевич -

аспирант кафедры физики Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: 8-919-746-67-96, Email: scarface_anton@mail.ru

Khainovsky Vladimir Ivanovich -

Ph.D. in Physics and Mathematics, Associate Professor of physics Stavropol state agrarian University, Stavropol

Tel.: 8-906-489-41-0 Email: vl.khain@yandex.

Khachenko Andrey Aleksandrovich -

Ph.D. in Physics and Mathematics, associate Professor of physics Stavropol state agrarian University, Stavropol

Tel.: 8-928-317-87-47 E-mail: haa_08@mail.ru

Kopylova Oksana Sergeevna -

Ph.D. in Physics and Mathematics, associate Professor of physics Stavropol state agrarian University, Stavropol

Tel.: 8-918-867-45-64 Email: zolterxp@list.ru

Nikitin Peter Vladimirovich -

Ph.D. in technical Sciences, associate Professor of physics Stavropol state agrarian University, Stavropol Tel.: 712198

Email: ssau_phisics@mail.ru

Kozyrev Anton Evgenevich -

Ph.D. student of the Department of physics Stavropol state agrarian University, Stavropol

Tel.: 8-919-746-67-96 Email: scarface_anton@mail.ru

Известно, что вода, подвергнутая воздействию малых величин магнитного поля от естественных или искусственных источников, изменяет свою структу-

ру на молекулярном уровне, превращаясь в т. н. «омагниченную» воду, молекулы которой в малом процентном отношении (1015 %) к общему объему воды объединяют-

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

В

естник АПК

Ставрополья

ся в кластерные комплексы. Это состояние воды сохраняется до температур не превышающих 30-35 градусов Цельсия. Экспериментальными исследованиями установлено, что «омагниченная» вода повышает клеточный метаболизм человека, животных, растительных организмов и микроорганизмов, поскольку обладает высокой проницаемостью через клеточные мембраны [1-7].

Поэтому она находит применение в медицине, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве (растениеводстве). Создание устройств для получения «омагниченной» воды является актуальной задачей в каждом конкретном случае ее применения.

В настоящей работе рассматриваются конструктивные особенности устройства омаг-ничения воды переменным магнитным полем, создаваемым током промышленной часто-ты-50 Гц. Выполнен расчет величин магнитной индукции в водяных зазорах устройства на основе его магнитной схемы замещения, дан расчет индуктивности его магнитной катушки, учитывающий суммарную толщину намотки электрического провода. Это позволило в целом получить требуемые величины магнитной индукции 30-60 мТл в рабочих («водяных») зазорах устройства при наименьшей потребляемой им мощности и температуре перегрева.

Расчет индуктивности магнитной катушки устройства.

Для численного расчета магнитной схемы замещения рассматриваемого устройства необходимо экспериментально определить значение относительной магнитной проницаемости ц стали его корпуса на переменном токе питания магнитной катушки. Это предполагает, в свою очередь, экспериментальное измерение величины индуктивности магнитной катушки.

Традиционно, расчетное значение индуктивности получают основываясь на величине среднего диаметра - Д^, намотки электрического провода магнитной катушки, определяемого соотношением:

Дср — 0.5(£мин + Дмакс) — + прй0

(1)

^ср _

Пг

п • £>2р

(2)

где N0 = N / пр- число витков провода в одном ряду катушки. Значение величины индуктивности - ¿ср, полученное по формуле (2), является приближенным. Поэтому возникает необходимость точного расчета индуктивности катушки с учетом толщины и числа рядов намотки провода. Для этого примем во внимание, что полную индуктивность магнитной катущки без сердечника - ¿кат можно представить как сумму последовательно соединенных индуктивно-стей - Ьп созданных каждым отдельным слоем провода, содержащим - Л/0 витков:

где

= у

^кат / '-'т п=1 п

Фп = У^Фк, (3)

к = 1

Согласно выражению (3) при заданном токе питания катушки - 1Ь, величина индуктивност Ьп каждого отдельного слоя витков провода с номером -п определяется суммарным магнитным потоком - Фп, создаваемым магнитным потоком собственно витка провода (тока) с номером - п, всеми (п-1) слоями витков провода магнитной катушки, расположенными ниже рассматриваемого п -го слоя, а также (пр - п) слоями витков провода, расположенными выше слоя с номером п, и пронизывающем площадь - Бп поперечного сечения п-го слоя провода катушки ( 1 <п< пр). Например, магнитный поток - Фг, пронизывающий первый ряд витков (п=1) магнитной катушки через его площадь поперечного сечения 5Х, выражается соотношениями:

Фг = Ь11ь, = Ь0[1 + (пр - 1)(1 + 5)2], = , = (4)

I

I

А

о

Здесь обозначили: - диаметр электрического провода, И0 - диаметр гильзы катушки, пр - полное число рядов витков электрического провода катушки. Если полное число витков провода катушки - N ширина его намотки на гильзу катушки по ее длине - I, Но - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, то среднюю величину индуктивности магнитной катушки (без сердечника) можно рассчитать по формуле:

Магнитный поток и индуктивность, соответствующие второму слою витков провода катушки равны:

ф2 = ¿2 • к, 12=10-[1 + (пр - 2)-(1 + 25)2 +

+ (1 + 5)2] (5)

Рассчитав аналогичные соотношения для всех магнитных потоков - Фк (1 < к <п) и проведя их суммирование согласно выражению (8), получаем соотношение для индуктивности п-го слоя витков магнитной катушки:

^п ~ Ьс

п

+ (пр - п)-(1 + п8)2 +

+ п -(п — 1)

5 +

(2п - 1)

(6)

в

естник АПК

Ставрополья

: № 3(15), 2014

¿кат _ (¿О ' '

где

С = 1 +

№ -1)

6 • Пг,

(45 + пр ■ 52)

(7)

С, отн.ед

Рис. 1. Зависимости: 1 - величины £ и 2- геометрического фактора С от полного числа рядов витков пР электрического провода магнитной катушки

Затем складывая согласно выражению (3) индуктивности всех пр рядов витков провода находим окончательную величину полной индуктивности магнитной катушки без сердечника:

наличии в ней сердечника из магнитного материала (магнетика) диаметром - Dcep и имеющего относительную магнитную проницаемость - ц для переменного тока питания катушки. В этом случае суммарный магнитный поток, пронизывающий площадь поперечного сечения катушки равен:

Ф =

{h0 • njQ

D -21

^сер

По физическому смыслу величина [10 • пр) в выражении (7) есть индуктивность магнитной катушки, когда пренебрегаем толщинами (диаметрами) витков электрического провода и, как следствие, соответствующим увеличением ее площади поперечного сечения. Это возрастание площади поперечного сечения и соответствующее увеличение индуктивности магнитной катушки учитывает геометрический фактор (коэффициент) С.

Оценка индуктивности магнитной катушки по величине ее среднего диаметра, согласно выражениям (1-2) является приближенной. Степень этого приближения можно оценить на основании выражений (2) и (7), вычислив отношение:

£ = |^кат - ¿ср| / ¿кат = [(1 " 0.5пр52) /С -1]

Il+v(L0- п2)

D,

сер

D,

о

(8)

В соотношении (8) первое слагаемое есть магнитный поток, распространяющийся внутри катушки, но вне магнитного сердечника. Второе слагаемое отражает магнитный поток внутри магнитного сердечника катушки. Преобразуя (8) получаем для индуктивности магнитной катушки с магнитным сердечником следующее соотношение:

¿кат = (М - 1) ■ (¿О •

D,

сер

Dr

и представив его графически на рис.1 как функцию полного числа рядов витков пр провода магнитной катушки. Из указанного графика следует, что для большого числа рядов витков провода (пр > 100) оценка индуктивности катушки по ее среднему диаметру меньше точного расчетного значения более чем на 40 %. Для магнитной катушки исследуемого устройства, когда пр = 37, это отличие составляет 28 %, что тоже велико.

1 +

С

(м-1) VA

Do

'сер

Здесь величина

С

Dr

Dr

(9)

учитыва-

О - 1) ч-сер, ет относительный вклад магнитного потока катушки вне ее сердечника в полный магнитный поток, пронизывающий ее. Как правило, для достаточно больших значений величины ц этот вклад существенно меньше единицы, т. е. магнитный поток концентрируется в основном внутри магнитного сердечника. Используя соотношения (2) и (9) получим отношение величин индуктивностей магнитной катушки с сердечником и без сердечника в виде:

у =

1 |

г Г

D,

сер

D0 J

(10)

Из выражения (10) получаем искомую величину относительной магнитной проницаемости материала сердечника, измеренную на переменном токе питания магнитной катушки, в виде соотношения:

/ I) 2

D,

сер

(11)

На рис. 2 представлены теоретические зависимости величины ц от значений у, рассчитанные по соотношению (10).

X

X

X

X

Соотношение (7) позволяет также рассчитать индуктивность магнитной катушки при

64

,,„ „„„„, Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

Г

36 32 28 24 20 16

12 а

4

50

70

90

Рис. 2. Теоретические зависимости отношения ин-дуктивностей магнитной катушки у от величины относительной магнитной проницаемости ц сердечника (т. е. стали корпуса устройства) при различном числе рядов витков провода: 1 - пР = 20, 2 - пР = 37, 3 - пР = 60.

Экспериментальное определение относительной магнитной проницаемости сердечника магнитной катушки на переменном токе.

Сердечником магнитной катушки является центральная цилиндрическая часть корпуса установки рис. 3. Полное реактивное сопротивление магнитной катушки для переменного тока питания можно представить, в упрощенной модели, как последовательно соединенные индуктивность катушки - ¿кат и омическое сопротивление - Якат витков ее провода, которые «зашунтированы» параллельно включенной им паразитной электрической емкостью витков катушки. Экспериментальное исследование воль-тамперных характеристик магнитной катушки на переменном токе частотой V =50 Гц позволяет предположить, что на малых токах питания катушки (1Ь < 20 мкА паразитная емкость достаточно мала и шунтирующим действием ее реактивного сопротивления можно пренебречь. Поэтому полное сопротивление катушки для переменного тока можно записать в виде:

Z — ^кат + j^L^

где ю =2nv.

Обозначим через ^кат = ^кат =

R2

7(_ер т^ср _

и Лкат = шькат _

72 2

R2

11 кат

модули реактив-

ристик магнитной катушки на малых токах установлено, что = 182 Ом±2 % !г = 2400 Ом±5 %, ^кат = 97 Ом±2 %. Тогда расчеты дают, что ¿кат =

0,49 Гн, а /4ат = 7,64 Гн и у = 15.59. Подставляя полученные значения величин у и С, а также значения геометрических параметров в соотношение (11) окончательно получаем искомую величину относительной магнитной проницаемости стали корпуса устройства (т. е. сердечника магнитной катушки) равную - ц = 48±6 %. Отметим, что погрешность 6 % в определении указанной величины ц в основном определяется погрешностями измерений реактивных и омического сопротивлений магнитной катушки.

Теоретический расчет магнитной системы устройства и измерение индукции магнитного поля, активирующей воду.

На рис. 3 представлен схематический разрез конструкции рассматриваемого устройства. Она включает в себя последовательно соединенные магнитные сопротивления, образованные отдельными металлическими конструктивными элементами (сердечником, гильзой с магнитной катушкой, цилиндрическими верхней и нижней крышкой, боковым цилиндрическим кожухом) и двумя цилиндрическими водяными зазорами в верхней и нижней металлических крышках цилиндрической формы. В качестве материала корпуса устройства выбрана обычная промышленная трубчатая сталь. Вода протекает через цилиндрические зазоры верхней и нижней крышек корпуса устройства, в которых она подвергается воздействию магнитного поля. Воду рассматриваем как диа-магнетик с относительной магнитной проницаемостью практически равной единице - ц = 1.

ных сопротивлении катушки соответственно без сердечника и с магнитным сердечником.

~сер тсер

т- ^кат ^кат

Также введем обозначение - у = -=-.

^кат ^кат

Геометрические параметры магнитной катушки зададим следующие: N0 = 168, I = 104 мм D0 = 32 мм, Dcep = 27 мм,пр = 37, d0 = 0,62 мм. Тогда согласно выражению (7) расчет дает, что C=2.3. По измерениям вольтамперых характе-

Рис. 3. Схематическое изображение конструкции устройства. Пунктиром указано направление магнитных силовых линий магнитного потока в контуре: а-б-в-г-д.

в

естник АПК

Ставрополья

: № 3(15), 2014

а)

Ширина «водяных» зазоров устройства может ступенчато регулироваться и составлять величины: 1 мм, 2 мм, 3 мм для получения в них необходимых значений индукции магнитного поля. Для расчета устройства предложена его магнитная схема замещения, которая представлена на рис. 4а. Она учитывает наличие магнитных потоков «выпучивания» магнитного поля около каждого водяного зазора (рис. 4б). Поэтому полное магнитное сопротивление магнитному потоку в каждом водяном зазоре представляет три параллельно соединенных магнитных сопротивления Я1, Я2, Я3, из которых сопротивления Я2 и Я3 определяются соответственно магнитными потоками «выпучивания» Ф1 и Ф3, а Я1- магнитное сопротивление магнитному потоку Ф1, проходящему непосредственно в цилиндрическом водяном зазоре.

1. Таким образом, магнитные потоки «выпучивания» магнитного поля учтены при расчете средней величины магнитной индукции в каждом водяном зазоре. Используя теорему Стокса в электродинамике «о циркуляции вектора напряженности магнитного поля» для рассматриваемой магнитной схемы замещения устройства, получаем следующее соотношение для величины магнитной индукции в каждом водяном зазоре:

Ря'Рп'^'! К К _ 1 р _ Кщет (12)

В =

2-Л„

1+Р

В выражении (12) обозначили: I ток питания катушки, Дв ширина каждого водяного зазора устройства, N - полное число витков ка-тушкиД и в - коэффициенты, учитывающие относительный вклад магнитных сопротивлений металлического корпуса Ямет и обоих водяных зазоров Ив в общее магнитное сопротивление устройства. Для указанных магнитных сопротивлений получены следующие соотношения:

р _.

Лмет

^ср^О & =

1.5! \й3) 53 54_Т

2-Д„

В

(13)

соотношениях (13) обозначили: = 0.25я(й| — Б2 = пс11А1,53 = т23Д2, = пс13А3, 1г = 12 + 21; также обозначили: Дх , Ав , - высота, ширина и площадь поперечного сечения каждого «водяного» зазора; /¿, , - длины, диаметры и площади поперечных сечений различных частей установки (рис. 1); z - длина расстояния бокового выпучивания магнитного потока (рис. 4б). Подставив в соотношения (13) следующие геометрические параметры установки: = й2 + 2Ав , й2 = 27 мм, = 120 мм, = 10 мм, 12 = 120 мм, А1 = 40 мм, Л1 = Д2 = 4 мм, Д3 = 2 мм получаем для коэффициента р выражение:

359 ( 1+г/Д1)-52

(14)

б)

Рис. 4 - Модель для расчета магнитной системы устройства:

а)эквивалентная магнитная схема замещения устройства; б) схематическое распределение магнитных потоков в водяном зазоре устройства; Ф2 и Ф3 - магнитные потоки «выпучивания» магнитного поля из водяного зазора

Необходимо отметить, что для приемлемого совпадения теории с экспериментом величина параметра выпучивания магнитного поля - z вне каждого суммарного зазора магнитной обработки воды, образованного суммарной толщиной гильзы магнитной катушки в 1.5 мм и шириной водяного зазора - Дв, увеличивается с возрастанием его величины (рис. 4,б). Последовательно полагаем в выражении (14): для Дв = 1,0 мм z =0,7(1,5 + Дв) мм, для Дв = 2,0 мм z = 1,5(ДВ + 1,5) мм, для Дв = 3,0 мм z = 2,3( Дв + 1,5) мм, а значение относительной магнитной проницаемости корпуса стали устройства полагаем равным ц = 48 (которое получено экспериментально на переменном токе питания магнитной катушки с частотой 50 Гц). Экс-

66

,,„ „„„„, Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

периментальная проверка выражения (12) осуществлена непосредственным измерением величины магнитной индукции в зависимости от тока питания магнитной катушки, содержащей N = 6200 витков медного провода диаметром - 0.62 мм, при трех величинах ширины водяного зазора (рис. 5).

Рис. 5. Зависимости теоретических (сплошные линии) и экспериментальных (пунктирные линии) значений магнитной индукции от тока питания магнитной катушки для нескольких величин ширины водяных зазоров устройства: 1 - 2,5мм; 2 - 3,5мм; 3 - 4,5 мм (с учетом толщины гильзы магнитной катушки - 1,5 мм).

Измерения выполнены путем последовательного размещения магнитного датчика (щупа) тесламетра (тип- 43205) в нескольких

точках каждого цилиндрического водяного зазора. При этом величина тока питания катушки увеличивалась от 0 до 220 мА (рис. 5). По графикам рис. 5 можно предположить, что при больших токах питания магнитной катушки ( I > 100 мА) проявляется существенное увеличение емкостного тока собственной шунтирующей паразитной емкости магнитной катушки. Как следствие, уменьшается ток через индуктивность магнитной катушки и увеличение магнитной индукции в водяном зазоре устройства с ростом тока питания замедляется. Данный нежелательный эффект можно в значительной степени устранить, если сердечник магнитной катушки устройства выполнить из магнетика, имеющего на переменном токе большой коэффициент относительной магнитной проницаемости ц.

Выводы

Выполнен расчет магнитных параметров конкретного устройства активации воды переменным магнитным полем, созданным током промышленной частоты - 50 Гц. Точность расчета по предложенной модели определяется в основном погрешностью в расчете магнитных потоков выпучивания магнитного поля (~13 %) и экспериментальной погрешностью в определении величины ц для стали корпуса устройства (~6 %) и составляет ~15 %. Ее можно уменьшить, если применить для расчета магнитных потоков выпучивания в водяных зазорах устройства более точный численный расчет на основе метода конечных элементов по известным специальным программам [8]. Полученные результаты наряду с практическим применением для рассматриваемого устройства полезны в методическом плане для расчета других подобных магнитных систем.

Литература

1. Уоттерсон Дж. Г. Роль воды в функции клетки // Биофизика. 1991. Т. 38. вып. 1. С. 5-28.

2. Классен В. И. Омагничение водных систем. М. : Химия, 1982. 296 с.

3. Сокольский Ю. М. Омагниченная вода: правда и вымысел. Л. : Химия, 1990. 143 с.

4. Пономарев О. А., Фесенко Е. Е. Свойства жидкой воды в электрических и магнитных полях // Биофизика. 2000. Т. 45. Вып. 3. С. 389-398.

5. Фесенко Е. Е., Попов В. И., Новиков В. В., Хуцян С. С. Структурообразование в воде при действии слабых магнитных полей и ксенона. Электронно-микроскопический анализ // Биофизика. 2002. Т. 47. вып. 3. С. 389-394.

6. Карташева И. А., О. Ю. Лобанкова, Фе-дорищенко М. Г. Влияние свойств активированной магнитным полем воды на посевные качества и микофлору семян

Reference

1. Watterson J. G. The Role of water in cell function // Biophysics. 1991. V. 38. Issue 1. P. 5-28.

2. Classen V. I. Magnetic water treatment systems. M. : Chemistry, 1982. 296 p.

3. Sokolsky Y. M. Magnetic water treatment: truth and fiction. L. : Chemistry, 1990. 143 p.

4. Ponomarev O. A., Fesenko E. E. Properties of liquid water in electric and magnetic fields // Biophysics. 2000. Vol. 45. Vol. 3. P. 389398.

5. Fesenko E. E., Popov V. I., Novikov V. V., Houzan S. S. Structure formation in the water under the action of weak magnetic fields and xenon. Electron microscopic analysis // Biophysics. 2002. Vol. 47. Issue 3. P. 389494.

6. Kartasheva I. A., Lobankova O. Y., Fedori-schenko M. G. Influence of the properties of the activated the magnetic field of water on crop quality and mycoflora of barley seeds // Problems of ecological security of the North

естник АПК

Ставрополья

: № 3(15), 2014

8.

ячменя // Проблемы экологической безопасности Северо-Кавказского региона : материалы регион. конф. Ставрополь, 2000. С. 149-150.

Ковалева Г Е., Стародубцева Г П., Кра-хоткин В. И., Боголюбова И. А. Использование воды, активированной электромагнитным полем в технологическом процессе производства пшеничного хлеба // Ставрополь : ООО «Курсив», 2012. 125 с.

Никитенко Г. В. Математическое моделирование физических процессов в аппаратах магнитной обработки воды : учебное пособие. Ставрополь : АГРУС, 2003. 124 с.

Caucasus region: materials of the region. Conf. Stavropol , 2000. P. 149-150.

7. Kovaleva G. E., Starodubtseva G. P., Kra-khotkin V. I., Bogolyubov I. A. Use of water, activated by an electromagnetic field in the process of production of wheaten bread // OOO «Kursiv». Stavropol, 2012. 125 p.

8. Nikitenko G. V. Mathematical modeling of physical processes in magnetic water treatment devices : manual. Stavropol : AGRUS, 2003. 124 p.

7