ВИЗНАЧЕННЯ ДОЛі ДИСПЕРСНИХ ВКЛЮЧЕНЬ, ЗДАТНИХ ДЛЯ їХ ВИЛУЧЕННЯ ЕЛЕКТРОФіЛЬТРУВАННЯМ КРіЗЬ ПОЛЯРИЗОВАНУ НАСАДКУ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Давадч Юрiй Олександрович, доктор техшчних наук, професор, кафедра транспортних систем i лопс-тики, Харк1вський нацюнальний унiверситет мiського господарства iм. О. М. Бекетова, вул. Революци, 12, м. Харк1в, Укра1на, 61005 Е-mail: kafedra_tsl@ukr.net

Доля Вiктор Костянтинович, доктор техшчних наук, професор, заввдувач кафедрою, кафедра транспортних систем i лопстики, Харк1вський нацiональний унiверситет мюького господарства iм. О. М. Бекетова, вул. Революци, 12, м. Харшв, Укра1на, 61005

УДК 66.067.1:66.086.2

DOI: 10.15587/2313-8416.2015.44367

ВИЗНАЧЕННЯ ДОЛ1 ДИСПЕРСНИХ ВКЛЮЧЕНЬ, ЗДАТНИХ ДЛЯ IX ВИЛУЧЕННЯ ЕЛЕКТРОФ1ЛЬТРУВАННЯМ КР1ЗЬ ПОЛЯРИЗОВАНУ НАСАДКУ

© В. Л. Дахненко

Розглянуто задачу визначення долi частинок, здатних до електрично'1 взаемодИ мiж поляризованою дiелектричною насадкою при електрофшьтрацшному способi вилучення домшок iз рiдких середовищ. Одержанi залежностi i пропорцiйностi змти основних параметрiв, на пiдставi яких розраховуеться частка дисперсних включень, яка може бути вилучена електрофтьтрацшним способом Ключовi слова: поляризацiя, сегнетокерамiчна насадка, електрична iндукцiя, коефщент поглинання

It is considered the task of determining the quantity of particles capable for electrical interaction between polarized dielectric nozzles at electrofiltrational method for removing impurities from the liquid fluids. Dependence and proportional changes in key parameters on which determined the fate of particles that can be removed by electrofiltrational method

Keywords: polarization, segnetoceramic nozzle, electric induction, absorption coefficient

1. Вступ

Актуальною проблемою е вилучення дисперсних включень iз рщких та газових середовищ. Наприклад, експлуатащя електротехтчного трансформаторного обладнання вимагае використання електроiзоляцiйного мастила у якосл iзолятора-охолоджувача. З часом масло окислюеться i в його склад з'являються тверда й ради продукта окислення, вода. Наявтсть цих включень приводить до зниження його основних експлуатацшних характеристик, таких, як електрична мщтсть (зменшуеться пробивна напру-га), та тангенс кута даелектричних втрат tg(б).

2. Анаш л^ературних даних i постановка проблеми

Враховуючи те, що розмiри частинок аерозолi можуть становити 10...0,1 мкм i менше використання механiчних фiльтруючих перегородок, яш забезпе-чують вiддiлення е неефективним.

Але слщ звернути увагу на електростатичнi властивостi дисперсних включень, 1х здатнiсть набу-вати власного поверхневого електростатичного заряду, а також до поляризаци [1-3], що обумовлюе ста-бiльнiсть дисперсного середовища з одного боку, але електростатичш властивостi дисперсних часток, особливо тих, що знаходяться в дiелектричному несучо-му середовищi.

Виявлено, що в полярних дiелектричних родинах (прикладом може бути синтетичний ашак) спо-стерiгаеться поява жорсткого дипольного моменту частинок i у ввдсутносп зовнiшнього електричного поля [3]. Електростатичш властивосп частинок дозволяють

використати для 1х вилучення силовий вплив на них з боку зовтшнього електричного поля для.

Вiдомi спроби реалiзацil такого подходу iз ви-користанням непроввдних насадок. В [4] описан до-сладження по вилученню дисперсних часток шляхом фшьтрування крiзь дiелектричнi волокна, що ство-рюють електричне поле iз зонами його локалiзацil, в яких осаджуються зарядженi та поляризован частки. У якостi дiелектричних насадок використовувалися iонiти ХКА-2х4, КБ-4Пх2, КУ-2х8, скловолокно.

Але слiд зазначити, що для цього дослвду не-можливо видiлити й оцiнити реальний вплив саме електричного поля на процес очищення, тому що iонообмiннi волокна самостшно використовуються для очищения. Бiльш реально ввдображае вплив поля на процес очищення насадка iз поляризованого скло-волокна, котра не мае юнообмшно! поверхиi.

Скловолокно ввдноситься до дiелектричних матерiалiв i поляризуеться у зовшшньому електрич-ному полi [5], величина яко1 пропорцiйна значенню електричного поля E i коефiцiенту дiелектрично1' сприйнятливосп:

d = xe.

(1)

Дделектричш властивосп матер1ал1в характе-ризуе величина д1електрично1 проникливосп:

D E + 4жР

= 1 + 4жх .

(2)

Величина D = E + 4^Р називаеться 1ндукщею або величиною електричного зсуву [5].

Б1льшють ввдомих д1електричних матер1ал1в, до яких належить i скловолокно, характеризуються постшними значеннями s(x), тому вони одержали назву лшшних дiелектрикiв, по виду рiвнянь (1-2). Поляризащя скловолокна залежить, в основному, вщ величини електричного поля E. Через малi значения s для насадок зi скловолокна, !х використання у якосл сорбенту дисперсних часток малоефективно. Ефектившсть вилучення часток з !хшм використан-ням становить до 30 % (по даним [5]). Причиною е неможливiсть формування зон захоплення, що харак-теризуються високим значенням електричного поля i його неоднорiдностi.

Вид залежностей (1) i (2) аиалопчний (зовнi) рiвнянням, що описують закономiрностi розповсюд-ження магнiтного поля в речовиш: залежнiсть намаг-нiченостi речовини.

Зовшшнш вигляд залежностей наштовхуе на пошук аналоги iз магнiтофiльтрацiйним методом вилучення магттних частинок [6], а для створення електричного поля високо! напруженосп й неодно-рiдностi в зонах захоплення необхвдт дiелектричнi матерiали iз високими значеннями z(s).

Ц унiкальнi властивостi притаманнi сегнето-електрикам. На вiдмiну вiд бшьшосп дiелектричних матерiалiв (для яких s = const, для сегнетоелектришв електрична проникиiсть сама залежить ввд зовшшнь-ого електричного поля, тобто s = f (E), мае нелшш-ний характер залежшсть D ввд Е (аналогiчно B ввд H для ферромагнетик1в), а значення z(s), досягають сотень тисяч одиниць. Також спостерiгаеться пстере-зис при поляризаци сегнетоелектрик1в [7], що ана-логiчно поведiнцi феромагттних матерiалiв у маг-нiтному пол^ З ще! аналоги в закордоннш лiтературi сегнетоелектрики одержали назву фероелектришв.

В [8] запропоноваиий пристрiй для очищення текучих середовищ вiд дисперсних домшок з вико-ристаииям поляризовано! сегнетоелектрично! граиу-льоваио! насадки.

3. Цшь i завдання досл1дження

В [9] описан пробнi експерименти, котрi показали пеpспективнiсть застосування методу iз викори-стаиням гранульовано! сегнетокерашчно! насадки, iз титанату барiю (BaTi03).

Визначення ефективностi у вилучення дисперсних включень iз дiелектричноl рщини уздовж довжини L поляризоваиого сегнетокерашчно! насадки показали, що осадження дисперсних часток мае експоненцшний характер (рис. 1).

На це вказують результати обробки даних у координатах £ ввд L, як1 дали пряму пропорцшну залежиiсть:

но! взаeмодii (спочатку приймалося X=1), коефiцieнт поглинання.

а -

Z = -ln |1 ~j\ = a- L

(3)

Рис. 1. Залежшсть ефективносп й логарифмiчного показника електрофiльтрацiйного очищення ввд довжини фiльтр-матрицi

Експериментальнi дослщження також показали, що частина домшок е такими, що не осаджують-ся в насадцi навиъ за найбiльш сприятливих умов (мала швидшсть фiлътрування v, ввдносно висош значення довжини насадки L i iндукцii поля D).

Не торкаючись особливостей таких часток (для цъого потрiбен фiзико-хiмiчний аналiз !х бшьшо! частини), усi домiшки можна подiлити на частки, схилънi до електроосадження й так1, що важко оса-джуються, а то i не можуть бути осадженi iз викорис-танням електричного поля.

Для використання електрофiлътрацiйного методу очищення принципове значення мае частка елек-тросприйнятливих дисперсних включень X . Таке уза-гальнене формулювання можливе у зв'язку iз досить складною i рiзноманiтною природою силово! взаемоди м1ж дисперсними включеннями i сорбцшною насадкою. Сегнетоелектрична насадка створюе в поровому просторi неоднорвдне електрична поле.

4. Матерiали й методи дослвджень

Пропонуеться використати компактну мобшь-ну установку (рис. 2).

В корпус 1 розташовувалася сегнетокерамiчна насадка 3, котра поляризувалася зовнiшнiм елек-тричним полем шляхом подачi напруги блоком жив-лення 6 на електроди 3. Вихвдна суспензiя з емносп 4 подавалась на фттрування крiзъ поляризовану насадку i збиралась в емностi 5. Вмiст домшок в ем-ностях 4 i 5 визначалась ваговим методом.

Для дослвдження використовувалася модельна суспензiя, приготовлена iз високодисперсних фарфо-рових частинок, зважених в гас (керосинi).

Дослiди пiдтвердили залежшсть (3), яку можна описати у виглядг

— = 1 - exp (-а • L ).

X

(4)

де - логaрифмiчний показник очищення, X -частка дисперсних включень, схильних до електрич-

Коефщент поглинаиня а з точнютю до шди-вiдуального (для кожного середовища) коефiцiента

a0, кр1м довжини фшьтрування ще залежить вщ таких параметр1в, як швидк1сть v фшьтрування, середня електрична 1ндукц1я D насадки.

Рис. 2. Схема установки електроф1льтрацшного очищения: 1 - корпус; 2 - електроди; 3 - гранульована насадка (BaTiO3); 4, 5 - емносп подач1 i збору сереловища, вшповшно, 6 - блок живлення

Рис. 3. Залежиiсть ефективносл й логарифмiчного показника електрофiльтрацiйного очищення вiд швидкостi фiльтрувания

Рис. 4. Залежшсть ефективностi й логарифмiчного показника електрофшьтрацшного очищення вiд середньо! iндукцiï фiльтр-матрицi

5. Pciy.ii.iani дослщжень

Проведет дослщження у/ -

v; у/ ~D (рис. 3, 4),

а також вплив в язкостi потоку 7 ar~r i середнiй розмiр гранул: ad~d, до iндивiдуального коефiцieнта ao, вщкриваючи a(a=ao-aL-av-aD-ar-ad) отримаемо:

DL (5)

a = a

rvd

Дослши показали, що загальна залежшсть оса-дження частинок дисперсно1 фази у поляризованш сегнеоелектричнiй насадцi описуеться експонентним законом, саме ж рiвняння електроф№трацшного очищення мае вигляд:

v л ( dl

— = i - exp I a0---

X ^ rvd

(6)

Дисперсш частинки здатнi набувати власно-го поверхневого електричного заряду в результат тертя в потощ несучого середовища [2-3], схильнi до поляризаци, заряд i поляризацшний потенщал можуть призводити до утворення подвшного електричного шару [3] (характерно для часток, що пе-ребувають в середовищi з вiльними зарядами), що породжуе зв'язаний дипольний момент [10]. Для дисперсп, що перебувае у дiелектричному середо-вищi (особливо для полярних дiелектрикiв) поля-ризуються самi частинки. Таким чином, природа властивостей частинок, на яких впливае зовшшне електричне поле складна i залежить ввд природи дисперсноï фази та дисперсного середовища, 1'х взаемодiï та технологiчних параметрiв 1'х взаемодп. Саме тому частка електросприйнятливих дисперсних включень використовуеться у якосп узагаль-неного параметра, що характеризуе потенцшно можливе використання методу очищення, а не як характеристика природи взаемодiï елеменлв iз ви-користанням електричного поля.

Для визначення X можна використати основнi закономiрностi електроф№трацшного очищення (6). Для цього слш провести експерименти iз викори-станням вщповщного середовища на модельнiй елек-трофiльтрацiйнiй установцi (рис. 2), наприклад, з використанням насадки рiзноï довжини L1, L2 i одер-жання даних v , V стае можливим записати систему двох рiвнянь типу (6) або рiвнiсть:

X

X

f

(7)

для якого розв'язок у явному видi вшносно X юнуе при показнику ступеня f=2 i f=3 (тобто L2=2L i L2=3 'L1) i описуються залежностями двох парамет-ричних точок:

Vi

X =-

2-VilVi

X = Vi

3 + J4V Vi)-3 2 V21 Vi '

(8)

(9)

Залежносп (8, 9) слад використовувати для се-редовищ, в яких дисперсшсть частинок коливаеться в межах одного порядку, для бшьш широкого спектру дисперсносп слад використовувати формули для визначення X . Для цього необхщно експерименталь-но визначити даш —, — i — для трьох значень до-вжин Lb L2 i L3, записавши систему iз трьох рiвнянь типу (6), привiвши !х до рiвностi:

f 1 - — / XV

f 1 -— / X^

1 -— / X) 1 1 -— / X

(10)

Залежшсть (8) для визначення Я мае явний вигляд лише при /=1, коли /=(L3-L2)/(L2-Lj)=1 або L3-L2=L2-Lj (тобто Lb L2 i L3 зв'язанi мiж собою арифме-тичною прогресiею) або L3=2L2-L1.

X =

—2 1 •—3

2—2 1 з

(11)

Залежшсть трьох параметричних точок. Зпдно вказаних пропорцш, вибираючи, наприклад, L1=0,3 м i L2=0,5 м, необх1дно обов'язково встановлювати

L3=0,7 м.

Але змша L не завжди може бути единим оп-тимальним параметром визначення X .

Дощльним слад використати iншi параметри з (4), таких D, tj , v, d також отриманих iз (8), (9) i (11) за винятком функцiонaлъного виду показнишв степенi f при тих же числових значениях взаемозв'язшв. Напри-клад, стосовно трьох параметричних точок по параметру D: D1=0,1 Кл/м2 i D2 =0,17 Кл/м2, необхвдно в третш серй' експерименпв значення D3 довести до D3=0,24 Кл/м2. Аналопчно слад використовувати й iншi параметри, при цьому змiнa в'язкостi tj можна здшснити, зокрема, пiдiгрiвом середовища, що фшь-труеться, а змша даметра гранул d - замшою насадки.

6. Аналiз результатiв експерименпв

Конкретнi пропорцiйностi змiни зазначених пaрaметрiв, щодо яких вирiшуютъся рiвияния (8), (9), (11) ввдносно X.

Використання залежносп (8) передбачае наступний взаемозв'язок пaрaметрiв:

D2=2D1; v2= v1/2; j /2; d2=d1/1,41.

Застосуванню (9) вiдповiдaютъ нaступнi про-порцiйностi:

D2=2D1; v2= v1/3; j _ j /3 ; d2=d1/1,73.

За трьома параметричними точками iз викори-станням (11) пропорцiйнiстъ пaрaметрiв:

D3=2D2-D1; v3=v1 • v2/(2v1-v2);

Т _ т - J ; ^ _ dd^2d2 - dI. 2j1

7. Обговорення результатiв

Дослiдження пiдтвердили доцiлънiстъ використання моделi експоненцшного поглинаючого

екрану для як залежносп, що описуе закономiр-ностi осадження дисперсних часинок в поляризо-ванш сегнетокерамiчнiй насадцi. Використовуючи закономiрностi основно! залежиостi осадження частинок, запропоновано виршення зворотно! за-дачi: визначення розмiру частки дисперсних включень, що мажуть бути вилученi iз редкого середовища за допомогою електросорбцшного фшь-трування.

Спосiб полягае в експериментальному до-слiдженнi за допомогою фшьтрування крiзь грану-льовану сегнетокерамiчну насадку iз використан-ням мобшьно! (лабораторно!) фшьтрацшно! установки. При цьому, залежно ввд умов i середовища, можна змшювати рiзнi параметри, по ввдношенню яких визначаеться показник Я . Проведения експе-риментальних дослвджень може бути поеднано iз визначенням технолопчних характеристик очищення середовища (визначення експлуатацшних L, v, E) iз дотриманням вказаних пропорцiйностей мiж змiною параметрiв. При такому пiдходi визначення Я (коли визначаеться пропорцшною змiною рiзних параметрiв) буде бшь точним. Отриманi данi дають пiдстави для прогнозування ефектив-носл очищення i доцiльностi використання вказа-ного способу очищення. Однак слщ вiдзначити, що електросорбцiйний спосiб може бути використаний для очищення дiелектричних середовищ, у тому чи^ i вiд електропровiдних дисперсних включень. Були отримаш позитивнi результати вилучення високодисперсних частинок алюмшш, зважених у rari (керосинi).

8. Висновки

Можливiсть, ефектившсть використання електросорбцшного способу очищення залежить ввд частки дисперсних включень Я , що здатна вилуча-тися в поляризованш насадш Визначення цього параметру досягаеться шляхом експериментальних дослвджень iз використанням лабораторно! елек-трофiльтрацiйно! установки (котру можна застосо-вувати i на промисловому об'ектi) разом iз до-слiдженням експлуатацiйних параметрiв. Для цього слщ використати запропонованi залежиостi (8, 9, 11) iз дотриманням пропорцш змши технологiчних па-раметрiв.

Лггература

1. Дацко, Т. Я. Зависимость поверхностного заряда и адсорбции фтора у-окисью алюминия от температуры раствора [Текст] / Т. Я. Дацко, В. И. Зелеицов. // Электронная обработка материалов. - 2009. - № 5. -С. 65-73.

2. Ardizzone, S. Electrochemical features of zirconia polymorphs. The interplay between structure and surface OH species [Текст] / S. Ardizzone, C. Bianchi // Journal of Electroanalytical Chemistry. - 1999. - Vol. 465. - P. 136-141. doi: 10.1016/s0022-0728(99)00069-8

3. Духин, С. С. Электропроводимость и электрокинетические свойства дисперсных систем [Текст] / С. С. Духин. - К.: Наукова думка, 1976. - 194 с.

4. Кульский, Л. А. Электрохимия в процессах очистки воды [Текст] / Л. А. Кульский, В. Д. Грабанюк, О. С. Савчук. - К.: Технжа, 1987. - 324 с.

5. Тареев, Б. Н. Физика диэлектрических материалов [Текст] / Б. Н. Тареев. - М.: Энерогиздат, 1982. - 320 с.

6. Сандуляк, А. В. Магнитофильтрационная очистка жидкостей и газов. [Текст] / А. В. Сандуляк. - M.: Химия, 1988. - 137 с.

7. Смоленский, Г. А. Сегнетоэлектрики и антисе-гнетоэлектрики [Текст] / Г. А. Смоленский. - Л.: Наука, 1971. - 476 с.

8. Separator for separating fluid media fromminu tepar-ticles of impurities [text] / Sandylyak A., Garaschenko V., Yatskov N. - Patent 4492633 (USA), 1985.

9. Сандуляк, А. В. Использование сегнетоэлектри-ческих насадок для очистки от высокодисперсных примесей [Текст] / А. В. Сандуляк, В. Л. Дахненко // Химическая технология. - 1986. - № 4. - С. 38-44.

10. Ребиндер, П. А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах [Текст] / П. А. Ребиндер. - М.: Наука, 1978. - 368 с.

References

1. Dacko, T. J., Zelentsov, V. I. (2009). Dependence rpoverhnostno charge and adsorbtsyy fluorine y-aluminum okysyu from temperature rastvora. Electronic processing of materials, 5, 65-73.

УДК DOI:

1. Введение

Решение задач энергосберегающего управления технологическими объектами, вообще, и насосными агрегатами на канализационных насосных станциях, в частности, в последнее время часто рассматривается с точки зрения использования нечеткой логики [1]. Такой подход дает положительные результаты в случае, когда исходное описание системы является неточным или неполным, что соответствует характеристике рассматриваемой задачи. Попытка

2. Ardizzone, S., Bianchi, C. (1999). Electrochemical features of zirconia polymorphs. The interplay between structure and surface OH species. Journal of Electroana-lytical Chemistry, 465 (2), 136-141. doi: 10.1016/s0022-0728(99)00069-8

3. Duhyn, S. (1976). Conductivity and electrokinetic properties of the dispersion-systems. The scientific opinion, 194.

4. Kulski, L., Grabanyuk, V, Savchuk, O. (1987). Electrochemistry in the process of water purification. Tehnika, 324.

5. Tareev, B. (1982). Physics of dielectric materials. Enerogizdat, 320.

6. Sandulyak, A. V. (1988). Magnetic filtration purification of liquids and gases. Chemistry, 137.

7. Smolensky, G. (1971). Ferroelectrics and antiferroelectrics. Nauka, 476.

8. Sandylyak, A., Garaschenko, V., Yatskov, N. (1985). Separator for separating fluid media fromminu teparticles of impurities. Patent 4492633 (USA).

9. Sandulyak, A., Dahnenko, V. (1986). Using Ferroelectric nozzles for cleaning vysokodispers-impurities. Hymycheskaya technology, 4, 38-44.

10. Rebinder, P. (1979). Favourites Proceedings. Surface phenomena in disperse systems. Kolloydnaya chemistry. Science, 368.

решения этой задачи классическими методами приводит к задачам большой размерности с неточно определенными параметрами, что может сделать систему управления неэффективной.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы

Проектирование систем управления на основе нечеткой логики предполагает использование правил вывода, которые заранее подготовлены в результате

Рекомендовано до публгкацИ д-р техн.наук Кортенком Я. М.

Дата надходження рукопису 22.05.2015

Дахненко Валерш Леошдович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра машин i апарапв хiмiчних та нафтопереробних виробництв. Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний шститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail: dvl2@meta.ua

681.5.015:628.21 10.15587/2313-8416.2015.43328

СИСТЕМА НЕЧЕТКО-НЕЙРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ КАНАЛИЗАЦИОННОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ

© В. Н. Кузнецов, В. С. Есилевский, С. В. Дядюн, А. В. Белогурова

Рассмотрена система управления канализационной насосной станцией с регуляторами на основе нейронной сети с нечеткой логикой. Разработаны лингвистические правила для регулятора на основе нечеткой логики, поддерживающего уровень стоков в приемном резервуаре в заданных пределах. Показано применение генетических алгоритмов для обучения нейронной сети

Ключевые слова: генетический алгоритм, управление, нейронная сеть, система водоснабжения, насосная станция

It is considered the system of management of sewage pumping station with regulators based on a neuron network with fuzzy logic. Linguistic rules for the controller based on fuzzy logic, maintaining the level of effluent in the receiving tank within the prescribed limits are developed. The use of genetic algorithms for neuron network training is shown

Keywords: genetic algorithm, control, neural network, water supply system, pumping station