Влияние лучистой энергии на работу электроозонатора, стерилизующего субстраты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние лучистой энергии на работу электроозонатора стерилизующего субстраты

Шевченко Андрей Андреевич

В данной статье представлен тепловой баланс электроозонатора. Так же определена доля лучистой энергии оказывающей влияние на нагрев генератора озона и предложен способ снижения данного влияния

Ключевые слова: ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН, КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН, ГЕНЕРАТОР ОЗОНА

Так как производство биодобавок носит непрерывный характер, необходима непрерывная длительная работа электроозонатора. Но у выбранного нами пластинчатого озонатора имеется недостаток, он заключается в том, что при нагревании разрядного блока диэлектрические пластины изменяют свою структуру и выходят из строя. Таким образом, перед нами ставиться задача, увеличения срока непрерывной работы генератора озона[1].

Для достижения поставленной цели нами предлагается рассмотреть баланс мощностей электроозонатора, и выявить пути снижения энергий затрачиваемых на нагрев диэлектрика. Для этого составим энергетическую диаграмму пластинчатого электроозонатора (рисунок 1).

Из представленной диаграммы видно, что подводимая к генератору озона энергия расходуется на: энергию образования озоновоздушной смеси - Р_оо; энергия, направленная на нагрев системы -Р_сист; энергию конвективного теплообмена - Р_к; лучистую энергию испускаемую стримерами в процессе работы электроозонатора- Р_луч.

Рисунок 1 - Баланс мощностей электроозонатора

На основании представленного баланса выдвинуто предположение, что уменьшить нагрев электроозонатора можно исключив энергию лучистого теплообмена [2]. На наш взгляд этого можно добиться при использовании лучепрозрачного корпуса электроозонатора, что позволит выносить тепловую энергию лучистой энергии за пределы системы [4]. Для подтверждения данной теории рассмотрим баланс мощностей электроозонатора в непрозрачном корпусе.

Соответственно в непрозрачном корпусе будет отсутствовать мощность, необходимая на лучистый теплообмен. Внесем данные изменения в диаграмму баланса мощностей и представим и представим ее внешний вид на рисунке 2.

Рисунок 2 - Баланс мощностей электроозонатора в непрозрачном корпусе

Так как электроозонатор выходит из строя, из-за нагревания диэлектрика рассмотрим, как будут распределяться температура в электроозонаторе с прозрачным и черным корпусом. Для этого составим температурный баланс в электроозонаторе [3].

Рисунок 3 - Баланс количества теплоты в электроозонаторе с прозрачным корпусом

Аналогично составим баланс мощностей для электроозонатора с черным корпусом:

Рисунок 4 - Баланс количества теплоты в электроозонаторе с черными стенками

Для того чтобы определить количество теплоты переданное на нагревание системы будем пользоваться формулой:

Зная геометрические размеры стекла, можно определить его массу:

(1)

где а - длина стекла, м;

b- ширина стекла, м;

h - толщина стекла, м;

n - количество пластин, шт

с - плотность стекла, кг/м³.

c₀=5,67 - коэффициент излучения черного тела, Вт/(м²·К)

- плотность наружного воздуха, кг/м³;

t_{выхвозд} -температура воздуха на выходе из озонатора, ;

t_{начвозд} - температура воздуха на входе в озонатор, .

Но для того чтобы определить эти данные, необходимо знать характеристику процесса нагрева.

Процессы нагрева электротермических установок, их отдельных элементов, а также нагреваемых материалов являются динамическими. Рассмотрим процесс изменения температуры электротермической установки или нагреваемого материала во времени. Для простоты допустим, что:

1) электротермическая установка или нагреваемый материал представляют собой однородные тела и обладают бесконечно большой теплопроводностью, поэтому температура во всех их точках одинакова; тепловой поток в окружающую среду пропорционален разности температур электротермической установки t_этуили материалов t_ми окружающей среды t_окр(т.е. превышению температуры t:t=t_эту- t_окр= t_м- t_окр);

2) теплоёмкость c, теплоотдача бFи мощность Р электротермической установки или материала от температуры не зависит;

3) температура окружающей среды в процессе разогрева не изменяется.

Дифференциальное уравнение теплового баланса за время dфимеет вид:

(10)

где P·dt- подводимая тепловая энергия или теплота, выделяющаяся в нагревателе установки;

c·dф- часть теплоты, выделяющаяся в материале (и идущая на повышение его температуры) или запасаемая в элементах электротермической установки;

б·F·фdt- часть теплоты, рассеиваемая в окружающую среду.

Основываясь на уравнении (10) составим дифференциальное уравнение теплового баланса за время dt для электроозонатора пластинчатого типа. Так как материал блока генератора озона неоднородный, а состоит из металла (электрод) и диэлектрика, то часть теплоты, выделяющаяся в материале или запасаемая в элементах электротермической установки будет определяться:

 (11)

где с₁ и с₂ - удельные теплоемкости металла и диэлектрика соответственно.

Так как металл и диэлектрик находятся в плотном соприкосновении друг с другом, то удельное сопротивление всей конструкции можно определить исходя из объемных долей каждого компонента. Тогда выражение (11) примет вид:

(12)

где и - объемные доли металла и диэлектрика соответственно;

Для расчета дифференциального уравнения определим изменение температуры генерирующего блока с учетом объемных долей материалов, лучистого и конвективного теплообменов:

Время нагрева t- один из параметров, определяющий режим нагрева материала или электротермической установки.

Величина постоянной интегрирования Т называется постоянной времени нагрева и может быть определена как:

(17)

Тогда выражение (12) примет вид:

(18)

Практически же установившийся режим наступает при t = (4…5)T.

На основании выражения (22) постоянную времени нагрева Т можно определить как промежуток времени, за который превышение температуры достигает значения 0,63·ф_уст.

Произведем построение временных характеристик процесса нагрева для 3 блоков генератора озона с мощностями P₁=22 Вт, Р₂=39 Вт и Р₃=58 Вт.

Посчитанные данные теплоемкости конструкции блока генератора озонас=0,24Вт·ч/кг·К, коэффициент теплоотдачи б=5,8 Вт/м³·К и площадь нагреваемой поверхности F по выражению (17) определим постоянную времени нагрева для блока генератора озона с мощностью P=22 Вт:

Так как разогрев генератора озона идет не из холодного состояния, а от состояния температуры окружающей среды (возьмем комнатную температуру 25 °С), то для нахождения температуры нагрева будем использовать выражение (21). Изменение времени ф примем 20 мин, а полное время нагрева примем 2 часа. Результаты расчетов сведем в таблицу 1.

Таблица 1 - Расчетные данные температуры нагрева для блока генератора озона с мощностью Р₁=22 Вт.

Полученные данные позволяют оценить характер нагрева диэлектрических барьеров с течением времени. Так за первые 20 минут работы генератора озона рост температуры составляет 9,7 ^оС. Дальнейшее увеличение температуры диэлектрических барьеров идет более низкими темпами и следующее 20 минутное приращение времени приводит к росту температуры 4,9 ^оС. При дальнейшей работе генератора озона происходит постепенное снижение прироста температуры и при времени 120 минут с начала работы генератора озона наступает режим насыщения температурного прироста, где изменение температуры по сравнению с предыдущим измеряемым значением составляет 0,3 ^оС.

По полученным данным построим временную характеристику процесса нагрева (рисунок 5).

Рисунок 5 - Характер изменения температуры во времени при нагреве для блока генератора озона мощностью 22 Вт

Аналогичным образом зная характер изменения температуры во времени при нагреве, по выражениям (7) и (9) определим количество теплоты, переданное нагретым стеклом в окружающую средуQ_луч и количество теплоты необходимое для нагревания системы Q_сист. Данные расчетов сведем в таблицу 2.

Полученные данные показали, что энергия, затрачиваемая на лучистый теплообмен, составляет около 50 % от всей энергии расходуемой на нагрев электроозонатора. Помимо этого установлено, что тенденция изменения количества теплоты переданной от генерирующего блока в окружающую среду схожа с тенденцией изменения температуры генерирующего блока электроозонатора. Режим насыщения при изменении энергии лучистого теплообмена и изменения энергии на нагрев системы наступает через 2 часа работы генератора озона, что подтверждает выход в стационарный режим работы озонатора.

Таблица 2- Расчетные данные изменения теплоты выделенной озонатором с мощностью разрядного устройства Р=22 Вт

Аналогичным образом рассмотрим изменение температуры и энергий, расходуемых на нагрев электроозонатора мощностью 39 Вт, для этого определим постоянную времени нагрева для блока генератора озона с соответствующей мощностью:

Изменение времени ф примем 20 мин, а полное время нагрева примем 2 часа. Результаты расчетов сведем в таблицу 3.

Анализ полученных данных в таблицах 1 и 3 показывают аналогичный характер изменения температуры. Основной прирост, которой наблюдается при первых 20 минутах работы электроозонатора. Но необходимо отметить, что увеличение мощность электроозонатора приводит к ускорению процесса нагрева диэлектрических пластин. Так за первые 20 минут работы диэлектрические пластины разогреваются до 47,87 ^оС, что на 14,17^оС больше, чем у электроозонатора обладающего мощностью 22 Вт. Но не смотря на более высокие темпы роста температуры генерирующий блок выходит в стационарный режим так же за 120 минут и его максимальная температура при этом составляет 66,05 ^оС.

Таблица 3 - Расчетные данные температуры нагрева для блока генератора озона с мощностью Р₂=39 Вт

электроозонатор мощность озон генератор

По полученным данным построим временную характеристику процесса нагрева (рисунок 6).

Рисунок 6 - Характер изменения температуры во времени при нагреве для блока генератора озона с мощностью Р₂=39 Вт

Зная характер изменения температуры во времени при нагреве по выражениям (7) и (9) определим количество теплоты, переданное нагретым стеклом в окружающую среду Q_луч и количество теплоты необходимое для нагревания системы Q_сист. Данные расчетов сведем в таблицу 4:

Таблица 4 - Расчетные данные изменения теплоты выделенной озонатором с мощностью Р₂=39 Вт при его работе

Наблюдаемое изменение величин представленных в таблице 4 соответствует характеру изменения данных представленных в таблице 2. Увеличение мощности генератора озона на 17 Вт приводит к увеличению энергий расходуемых на лучистый теплообмен и нагрев системы в стабилизированном режиме работы на 18,25 и 16,62 Дж соответственно.

Рассмотрим изменение параметров генерирующего блока мощностью 58 Вт, для этого определим соответствующуюпостоянную времени нагрева:

На основании расчета постоянной времени нагрева принимаем изменение времени ф-20 мин, а полное время нагрева - 2 часа. Результаты расчетов сведем в таблицу 5.

Таблица 5 - Расчетные данные температуры нагрева для блока генератора озона с мощностью Р₃=58 Вт

По полученным данным построим временную характеристику процесса нагрева (рисунок 7).

Рисунок 7 - Характер изменения температуры во времени при нагреве для блока генератора озона с мощностью Р₃=58 Вт

По полученным данным рассчитаем количество теплоты, переданное нагретым стеклом в окружающую среду Q_луч и количество теплоты необходимое для нагревания системы Q_сист. Данные расчетов сведем в таблицу 6:

Таблица 6 - Расчетные данные изменения теплоты выделенной озонатором с мощностью Р₃=58 Вт при его работе

Проанализировав данные полученные в результате теоретического исследования и сведенные в таблицы 1-6, можно сказать, что увеличение мощности генератора озона приводит к увеличению, как температуры диэлектрических барьеров разрядного промежутка, так и энергий расходуемых на лучистый теплообмен и нагрев системы. При этом увеличение мощности примерно в 2 раза приводит к такому же увеличению искомых параметров.

По полученным данным построим характеристики изменения энергии лучистого теплообмена (рисунок 8) и энергии затраченной на нагрев системы (рисунок 9.).

Анализ полученных зависимостей показывает, что для всех трех вариантов исследованных электроозонаторов энергия затрачиваемая на лучистый теплообмен близка по значению к энергии затраченной на нагрев системы, следовательно, решение вопроса удаления тепловой энергии полученной в результате лучистого теплообмена позволит снизить нагрев диэлектрических пластин электроозонатора, что позволит увеличить срок его безотказной работы.

Рисунок 8 - Характеристика изменения энергии, расходуемой на лучистый теплообмен блоков генераторов озона различной мощности

Рисунок 9 - Характеристика изменения энергии, расходуемой на нагрев системы блоков генераторов озона различной мощности

Так же необходимо отметить, что энергия, затрачиваемая на нагрев системы, содержит в своем расчетном значении и величину энергии затрачиваемой на конвективный теплообмен. Следовательно, полученные данные позволяют определить количество теплоты, выделенное озонатором без учета конвективного теплообмена. Для составления полного теплового баланса озонатора необходимо провести лабораторные исследования процесса нагрева, с целью получения недостающих данных (t_{выхвозд} - температуры выходного воздуха из корпуса).

Исходя из проведенного исследования, можно сказать, что в генераторе озона значительная часть энергии идет на лучистый теплообмен, что в свою очередь влияет на нагрев генератора озона. Удалить влияние тепловой энергии лучистого теплообмена на нагрев генератора озона, по нашему мнению, можно за счет изготовления прозрачного корпуса. Это позволит осуществлять вынос тепла с поверхности генерирующего блока в окружающую среду.

Литература

1. Нормов Д.А. Обеззараживание зерна озонированием / Д.А. Нормов, А.А. Шевченко, Е.А. Федоренко // Комбикорма - М.: Фолиум, 2009. - № 4. - С. 44.

2. Нормов Д.А., Оськин С.В., Шевченко А.А., Сапрунова Е.А. Способ предпосевной обработки с.х. культур / Патент на изобретение RUS2248111. 20.03.05

3. Нормов Д.А. Озон против микотоксикозов фуражного зерна / Д.А. Нормов, А.А. Шевченко, Е.А. Федоренко // Сельский механизатор. - М.: 2009. - № 4. - С. 24-25.

4. Шевченко А.А. Дезинфекция субстратов озоновоздушной смесью перед приготовлением биопрепаратов / А.А. Шевченко, Е.А. Денисенко // Научное обозрение. - Саратов: ООО «АПЕКС-94», 2013. - №1. -С. 102-107

Размещено на Allbest.ru