Очищення водних середовищ магнітним аксіально-симетричним полем

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Автореферат

дисертаційної роботи на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.17.21 - Технологія водоочищення

Очищення водних середовищ магнітним аксіально-симетричним полем

Можаровська Олена Анатоліївна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електромеханічного обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» (м. Київ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Терентьєв Олег Маркович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри електромеханічного обладнання енергоємних виробництв (м. Київ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Запольський Анатолій Кирилович Національний університет харчових технологій, професор кафедри біохімії та екології харчових виробництв (м. Київ) кандидат технічних наук, доцент Бернацький Микола Васильович Національний університет водного господарства та природокористування, доцент кафедри охорони праці і безпеки життєдіяльності (м. Рівне)

Захист відбудеться 22 вересня 2010 р. о 15°° годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 при Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут», за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги 37, корп. 4, велика хімічна аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги 37.

Автореферат розісланий 3 серпня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 кандидат технічних наук, доцент Т.І. Мотронюк

1. Загальна характеристика роботи

магнітний іонізація очищення водний

Актуальність теми. Якість очищення технічної води має важливу роль для експлуатаційної безпеки, надійності, економічності та терміну служби гідравлічного обладнання, а також з екологічної точки зору, оскільки після проходження водних ресурсів робочого циклу, відбувається їх скид в природні води. На надійність і довговічність роботи гідравлічного обладнання впливають високомолекулярні речовини та електроліти, дисоційовані в рідині на йони. Останні погано піддаються традиційним методам очистки. Більш ефективними для зменшення домішок у складі рідини є фізичні методи, такі як електромагнітні, акустичні, гравітаційні тощо

Поряд з широким застосуванням магнітної обробки води, відсутні загальновизнані та експериментально підтверджені теоретичні положення, які пояснюють фізико-хімічні процеси, що відбуваються при обробці магнітним полем. Існуючі методики розрахунку та вибору параметрів магнітних систем базуються на емпіричних залежностях та висвітлюють обмежений діапазон зміни чинників та умов проведення дослідження. Тому їх неможливо використовувати в якості функціональних залежностей при розрахунках параметрів і створенні магнітних систем, що працюють в умовах, які відрізняються від умов проведення експериментальних досліджень.

В практиці водоочищення відсутні дослідження впливу постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля на заряджені домішки. Недостатня увага приділяється керуванню динамікою заряджених домішок дією зовнішніх і внутрішніх сил. Тому актуальними є встановлення закономірностей руху домішок водного розчину з урахуванням їх йонізації під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля, розробка методики розрахунку та вибору параметрів магнітної аксіально-симетричної системи, і на їх підставі, створення та промислове впровадження інноваційних систем очищення води .

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. При виборі науково-технічної задачі автор керувався наступними нормативно-правовими актами: в Законі України «Про Пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні на 2003-2013 роки» від 16 січня 2003 року № 433-IV наведено наступні стратегічні пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні: енергоефективне, ресурсозберігаюче, модульне, екологічно безпечне обладнання та устаткування для здійснення процесів водопідготовки, очищення води та засоби управління цими процесами; в Законі України «Про Загальнодержавну програму розвитку водного господарства на 2002-2011 роки» від 17 січня 2002 р. № 2988-ІІІ передбачено впровадження новітніх, водозберігаючих, енергозберігаючих, комплексних технологій очищення забруднених вод; в Постанові Президії Національної академії наук України «Про основні наукові напрями та найважливіші проблеми фундаментальних досліджень у галузі природничих, технічних і гуманітарних наук на 2009-2013 роки» від 25.02.09 р. № 55 наведено наступні наукові напрями та найважливіші проблеми фундаментальних досліджень: наукові основи електромагнітних технологій, теорія та методи розрахунку електромагнітного поля.

Робота виконана відповідно планів науково-дослідних робіт: «Розробка системи обеззалізнення води в умовах Південно-Західної котельні Промислового теплового району» (№ ДР 0108U007530, 2008 р.), «Моделювання процесу обробки робочої рідини гідросистем постійним аксіально-симетричним магнітним полем», (№ 5/9, 2008-2009 р.р.) (автор дисертації - відповідальний виконавець та керівник робіт із зазначених тем).

Мета та завдання дослідження. Метою є створення моделі закономірностей руху йонів у водному розчині під впливом аксіально-симетричного поперечного магнітного поля для реалізації системи очищення води.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні завдання:

1. Вибір та обґрунтування способів та засобів очищення води.

2. Встановлення закономірностей руху домішок у воді під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля.

3. Розробка методики розрахунку та вибору параметрів магнітної аксіально-симетричної системи очищення води.

4. Створення та впровадження магнітної аксіально-симетричної системи очищення води.

Об'єкт дослідження: Процес очищення води від домішок під дією магнітного поля.

Предмет дослідження: Динаміка руху домішок під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля.

Наукова ідея: Керування рухом йонів водного розчину під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля для їх видалення з потоку.

Методи дослідження. При проведенні дослідження використані наступні методи: метод структурного аналізу та синтезу для вибору способу та засобу очищення води шляхом магнітного впливу; метод абстрагування для представлення потоку в'язкої рідини як трансляційного руху йонів та молекул рідини в напрямку прикладеної сили; метод формалізації з використанням основних принципів аналітичної динаміки, електродинаміки суцільних середовищ, математичної фізики та теорії розв'язку диференційних рівнянь для виведення закономірностей руху частинки в постійному аксіально-симетричному магнітному полі, аналітичної електростатики та механіки ізольованого атому для врахування ефекту Пашена-Бака; системний підхід для комплексного дослідження впливу магнітного поля на водний розчин з розділенням на: мікровплив та макровплив, дослідження їх як єдиного цілого із узгодженим функціонуванням усіх елементів та частин; експеримент для підтвердження аналітичних досліджень процесу магнітного впливу на водні розчини шляхом проведення багатофакторного експерименту, представлення математичної моделі досліджуваного процесу в вигляді лінійного поліному та дослідження його методами математичної статистики; хімічні аналізи води: метод виміру масової концентрації загального заліза з сульфосаліциловою кислотою; метод визначення загальної твердості води; метод визначення концентрації магнію та кальцію об'ємним способом.

Наукові положення, які виносяться на захист:

1. Нова адекватна теоретична модель закономірностей руху йонів у воді під впливом аксіально-симетричного поперечного магнітного поля, з урахуванням взаємодії магнітного поля та йонів, ефекту Холла та сили потоку гідросистеми на домішки, яка дала змогу описати процес видалення йонів домішок у воді шляхом керованого впливу магнітним полем на динаміку їх руху.

2. Залежності концентрації домішок у воді після магнітної аксіально-симетричної системи від витрати води, індукції та довжини магнітного поля, які дали змогу визначити оптимальні параметри системи очищення води.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1. Встановлено, що рух йонів Ca2+, Mg2+, Fe2+ у водному розчині під впливом аксіально-симетричного поперечного магнітного поля визначається лінійним неоднорідним диференційним рівнянням другого порядку з постійними коефіцієнтами і спеціальною правою частиною у вигляді багаточлена.

2. Доведено, що залежність амплітуди коливань йонів, які містить вода, від індукції магнітного поля апроксимується за гіперболічним законом, а від витрати рідини в гідросистемі - лінійна.

3. Експериментально підтверджено експоненціальний характер залежності концентрації домішок у воді після магнітної аксіально-симетричної системи від витрати рідини, індукції та довжини магнітного поля.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено інженерну методику розрахунку та вибору параметрів магнітної системи на основі закономірностей руху домішок під дією магнітного поля. Методику використано при розробці робочої документації на МАКСі у складі НДР: «Розробка системи обеззалізнення води в умовах Південно-Західної котельні Промислового теплового району» ТОВ «ЦНТІ УНГА».

2. Розроблено магнітну аксіально-симетричну систему для очищення води, яка захищена патентом України і відрізняється від існуючих тим, що в ній використовується принцип видалення йонів домішок з потоку. В результаті впровадження МАКСі на Південно-Західній котельні ДП «Кіровоградтепло» ТОВ «ЦНТІ УНГА» досягнуто економічний ефект від впровадження МАКСі 1214858 грн. 70 коп.

Особистий внесок здобувача в роботах, які написані зі співавторами, полягає в наступному: [1] - Досліджено закономірності руху зарядженої частинки під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля з урахуванням сил взаємодії: магнітного та електричного поля з зарядженою частинкою, та дії потоку на частинки. [2] - Виконано якісний та кількісний аналіз існуючих способів та засобів очищення води. Розроблено рекомендації по проектуванню пристрою магнітного очищення води. [3] - Досліджено залежність зміни питомої електропровідності водного розчину під дією магнітного поля за рахунок ефекту Пашена-Бака. [4] - Сформульовано принцип магнітно-ультразвукового адсорбційного очищення водних розчинів. [5] - Виконано аналіз фізичних процесів очищення водних розчинів під дією постійного магнітного поля. [6] - Розроблено нове рішення по проектуванню магнітної аксіально-симетричної системи для безпосереднього видалення домішок з потоку води. [7] - Сформульовано мету та задачі дослідження закономірності очищення води від йонів домішок за допомогою магнітного поля. [8] - Розроблено методику досліджень магнітного впливу на водні розчини. [9] - Розроблено конструктивні рішення по проектуванню магнітної аксіально-симетричної системи очищення води. [10] - Запропоновано принцип використання аксіально-симетричного повздовжнього магнітного поля для очищення рідини. [11] - Запропоновано конструктивні рішення технологічної схеми магнітно-кавітаційної системи очищення рідини. [12] - Розглянуто фізико-хімічні процеси при обробці водного розчину аксіально-симетричним магнітним полем. [13-14] - Виконано моделювання процесу очищення води постійним аксіально-симетричним поперечним магнітним полем в оболонці LABVIEW

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на: Шостому Міжнародному Конгресі і Технічній виставці «ЕТЕВК-2007», м. Ялта; V науково-практичній конференції «Развитие инновационного потенциала молодых специалистов - значимый вклад в динамичное развитие газовой отрасли», м. Москва - 2009 р.; Науково-технічній конференції «Енергетика. Екологія. Людина», НТУУ «КПІ», ІЕЕ, 28-29 квітня 2009 р., м. Київ; ІІ міжнародній науково-практичній конференції «Людина - природа - суспільство: теорія и практика безпеки життєдіяльності, екології та валеології» 2009 р., м. Сімферополь; Науково-технічній конференції «Енергетика: економіка, технології, екологія» 13-14 січня 2010 р., м. Київ; П'ятому Всеукраїнському конкурсі: «Молодь - енергетиці України - 2006: Відкритий конкурс молодих вчених та спеціалістів» (одержано диплом І ступеня в номінації: «Екологія в енергетиці» серед молодих вчених); Конкурсі на кращу магістерську дипломну роботу НТУУ «КПІ», 2007 р., (одержано диплом ІІ ступеню); Шостому всеукраїнському конкурсі: «Молодь - енергетиці України - 2007: Відкритий конкурс молодих вчених та спеціалістів» (одержано диплом ІІ ступеню в номінації «Екологія в енергетиці»); Шостому конкурсі науково-технічних проектів під девізом «Інтелектуальний потенціал молодих вчених - місту Києву», 2007 р., (одержано диплом ІІІ ступеню в номінації «Енергоефективні і ресурсоощадні технології та охорона довкілля в промисловості та міському господарстві»); Третьому конкурсі «Інтелект молодих вчених - на службу столиці», м. Київ, 2007 р.

Публікації: За результатами дослідження опубліковано 16 наукових робіт, серед них 8 наукових статей у фахових виданнях, тези 4 доповідей та отримано 2 патенти України на корисну модель.

Об'єм і структура роботи. Дисертація викладена на 124 сторінках, складається із вступу, 5 розділів, заключення і додатків, уміщує 30 рисунків, 15 таблиць, список використаних джерел із 105 найменувань на 12 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі відмічено, що дисертація направлена на теоретичне узагальнення та нове рішення актуальної наукової задачі встановлення закономірностей руху домішок у воді з урахуванням їх йонізації під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля, розробки методики розрахунку та вибору параметрів магнітної аксіально-симетричної системи очищення води, і на їх підставі, створення та промислове впровадження інноваційних систем очищення води.

У вступі також визначено наукову задачу, на розв'язання якої направлена дисертаційна робота, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, мету і завдання дослідження, об'єкт, предмет та методи дослідження, наукові положення та їх новизну, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача в роботах, які написані зі співавторами. Викладено дані щодо апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі методом структурного аналізу та синтезу за допомогою теорії графів розроблено класифікацію, що передбачає 2699 комбінації різних видів фізичних способів очищення води. Серед фізичних способів очищення води з урахуванням переваг та недоліків для дослідження обрано очищення води постійним аксіально-симетричним поперечним магнітним полем.

Аналіз впливу зовнішнього магнітного поля на водні розчини показав, що під дією магнітного поля часточкам надається додаткова енергія, що лінійно залежить від індукції магнітного поля відповідно до ефекту Пашена-Бака, для випадку індукції магнітного поля вище 1,0 Тл або ефекту Зеємана - при індукції менше 1,0 Тл. Потік в'язкої рідини можна представити як трансляційний рух йонів та молекул рідини в напрямку прикладеної сили, оскільки при достатньо високій індукції магнітного поля та швидкості потоку (більше 1,0 м/с) внаслідок ефекту Віна зникають обидва ефекти гальмування - релаксаційний та електрофоретичний.

У другому розділі розроблено комплексну програму та методику досліджень закономірностей керованого магнітного впливу на домішки у воді магнітною аксіально-симетричною системою (МАКСі).

Метою експериментальних досліджень є знаходження оптимальних значень витрати рідини, індукції магнітного поля та довжини розповсюдження магнітного поля (головних чинників) для очищення води під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля, які б забезпечили мінімальне значення концентрації домішок (змінної стану) при визначених обмеженнях на головні чинники. Для дослідження впливу МАКСі (рис. 1) обрано критерій мінімуму кількості дослідів при дотриманні вимог до якості оцінки функції або чинників, ненасичений ЦКП типу Вп, що має мінімальну (достатню) кількість рівнів варіювання чинників - 3 рівні, ядром плану є ПЧЕ типу 23 - 3 чинники, 15 дослідів.

Рис. 1 Схема стенду експериментальних досліджень МАКСі

В схемі стенду використано засувки 30ч6бр, Ду 100 мм, Ру 1,0 МПа (З1-З5 на рис. 1). Витрату рідини Q (м3/год) визначено за допомогою ультразвукового лічильника-витратоміра ULTRAHEAT 2WR7 (тип 2WR783, Німеччина, В1 на рис. 1). Тиск р (МПа) виміряно за допомогою манометру ДМ 05100 ГОСТ 2405-88 (М1-М2 на рис. 1). Температуру t (К) виміряно за допомогою біметалевого термометру ТБ-100-50 (Т1 на рис. 1, стандартне виконання, з радіальним штуцером) ТУ У 33.2-14307481-033:2005. Індукцію магнітного поля В (Тл) змінювали шляхом використання кільцевих магнітів типорозміру 60х16х20, з матеріалу NdFeBr, що намагнічені до остаточної індукції: В-1 = 0,42 Тл, В0 = 0,73 Тл, В+1 = 1,05 Тл. Індукцію магнітного поля вимірюють тесламетром Маяк-3М. Варіювання довжини розповсюдження магнітного поля досягається шляхом використання різної кількості магнітів (від 1 до 3). Довжина кільцевого магніту визначена за допомогою штангенциркуля ШЦ І-150-0,05 ГОСТ 166-89.

Проби води відбирають через крани К1-К3 на рис. 1 за ГОСТ 24481-80 «Вода питьевая. Отбор проб». Хімічний аналіз води виконано у відповідності до наступних нормативно-правових актів: ГОСТ 4011-72 «Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа»; ГОСТ 18164-72 «Вода питьевая. Метод определения содержания сухого остатка»; ГОСТ 4151-72 «Вода питьевая. Метод определения общей жесткости».

У третьому розділі розглянуто вплив магнітного поля на заряджені частинки, що рухаються в потоці води через кільцевий канал гідросистеми (рис. 2 та рис. 3). Магнітопровід системи утворює в кільцевому проточному каналі аксіально-симетричне поперечне магнітне поле, тобто лінії індукції магнітного поля симетричні відносно поворотів на довільний кут навколо осі труби 3 (ось z циліндричної системи координат).



Рис. 2 Схема обробки води постійним аксіально-симетричним магнітним полем: 1 - постійні магніти; 2 - полюсні наконечники; 3 - труба; 4 - немагнітний вал; 5 - магнітні лінії; 6 - напрямок руху потоку води

Рис. 3 Розподіл індукції магнітного поля в кільцевому зазорі

Запропоновано розглянути зміну імпульсу частинки при проходженні постійного аксіально-симетричного магнітного поля з урахуванням взаємодії: магнітного поля та йонів (FH), електричного поля (що виникає внаслідок ефекту Холла) та йонів (FE), і сили потоку гідросистеми на частинки (FP) (див. рис. 4):

, (1)

де

сила взаємодії електричного поля (що виникає внаслідок ефекту Холла) та йонів, Н;

питома сила взаємодії електричного поля (що виникає внаслідок ефекту Холла) та йонів Н/м3;

щільність струму, а/м2; у - електропровідність води, См/м; - швидкість частинки, м/с; - індукція магнітного поля, Тл; V - об'єм частинки, м3;

сила Лоренца, Н; q - заряд частинки, Кл;

сила потоку гідросистеми, Н;

питома сила потоку гідросистеми, Н/м3; - динамічна в'язкість води, Па·с; Q - витрата рідини, м3/с;

середній діаметр кільцевого каналу, м; - зовнішній та внутрішній діаметри кільцевого каналу, м;

діаметральний зазор між поверхнями, м.

Рис. 4 Векторна схема дії сил на заряджену частинку в постійному аксіально-симетричному магнітному полі

Встановлено, що рух йонів Ca2+, Mg2+, Fe2+ у воді під впливом аксіально-симетричного поперечного магнітного поля визначається лінійним неоднорідним диференційним рівнянням другого порядку з постійними коефіцієнтами і спеціальною правою частиною у вигляді багаточлена:

, (2)

де

визначає питому силу, яка намагається повернути систему в стан рівноваги й характеризує гармонічні коливання системи, с-1; m - маса частинки, кг;

визначає питому силу опору системи й відповідає за затухання коливань, с-1;

прискорення, що надається частинці силою потоку гідросистеми, м/с2; r0 - початкова координата частинки, м.

Розв'язок диференційного рівняння (2) в умовах відповідає затухаючим коливанням зарядженої частки на межі, яка визначається параметром С0 (рис. 5):

, (3)

, (4)

, (5)

, Размещено на http://www.allbest.ru/

,

,

,

, , .

Рис. 5 Графіки залежності для йонів Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ при Q=4,6·10-3 м3/с, , d1=0,09 м, d2=0,06 м

Заряджена частинка під дією сили Лоренца в магнітному полі виконує коливальний рух на межі дії магнітного поля. За рахунок ефекту Холла в рідині виникають електричні поля, викликані електричним зарядом поверхні розділу фаз і сумарним об'ємним зарядом йонів. Внаслідок дії електричного поля коливання часточки мають затухаючий характер. Декремент затухання функції (3) прямо пропорційний питомій електропровідності води у. Для затримання зарядженої частинки в області дії магнітного поля необхідно, щоб довжина розповсюдження магнітного поля була більшою за амплітуду коливань частинки zmax.

Максимальна відстань, яку частка проходить в магнітному полі, м:

(6)

При Q=4,6·10-3 м3/с, , d1=0,09 м, d2=0,06 м максимальна відстань , яку проходять йони Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ в магнітному полі складає, м: , , , . Зі збільшенням індукції магнітного поля В від 0,1 Тл до 1,0 Тл амплітуда коливань часточки zmax зменшується за гіперболічним законом, для йонів: Ca2+ - від 2,695•10-6 м до 0,269•10-6 м; Mg2+ - від 1,634•10-6 м до 0,163•10-6 м; Fe2+ - від 3,755•10-6 м до 0,375•10-6 м; Fe3+ - від 2,503•10-6 м до 0,250•10-6 м. Збільшення витрати рідини Q від 0,0046 м3/с до 0,0138 м3/с приводить до лінійного збільшення амплітуди коливань zmax йонів: Ca2+ - від 0,270 м до 0,811 м; Mg2+ - від 0,164 м до 0,492 м; Fe2+ - від 0,377 м до 1,131 м; Fe3+ - від 0,251 м до 0,754 м.

Значення координати r частки обмежується конструктивними параметрами кільцевого каналу магнітного пристрою d1 та d2, тобто :

. (7)

Окрім переміщення вздовж вісі z, заряджена частка зміщується вздовж вісі r. Траєкторію руху йонів на прикладі кальцію (рис. 6) в постійному аксіально-симетричному магнітному полі побудовано як параметричну функцію у циліндричних координатах відповідно до (3) та (7).

Заряджені частинки під дією магнітного поля не лише затримуються в магнітному полі, а й за рахунок зміщення вздовж вісі r, видаляються з потоку. Таким чином, зменшується концентрація m йонів домішок на виході з системи.

Внаслідок зміни фізичного та хімічного стану домішок під дією магнітного поля, взаємодії заряджених частинок між собою, зміни електропровідності рідини під дією магнітного поля, залежність змінюється не стрибкоподібно.

Розподіл молекул по концентрації m:

(8)

де

енергія часточки в магнітному полі, Дж;

оптимальна енергія часточки в магнітному полі, Дж;

визначає кінетичну енергію зарядженої частинки, Дж; - маса зарядженої макрочастинки, кг; - енергія, що надається макрочастинці в магнітному полі, Дж;

енергія взаємодії магнітного поля з зарядженою частинкою, Дж;

-

складова сили Лоренца, перпендикулярна до індукції магнітного поля, Н; - заряд макрочастинки, Кл.



Рис. 6 Траєкторія руху йонів кальцію в постійному аксіально-симетричному магнітному полі при Q=4,6·10-3 м3/с, , d1=0,09 м, d2=0,06 м

Досліджено функцію трьох змінних , як три функції двох змінних, при сталому значенні третьої змінної (рис. 7). При збільшенні індукції магнітного поля від 0,4 Тл до 1,0 Тл, витрати рідини від 4,6•10-3 м3/с до 13,8•10-3 м3/с, концентрація йонів домішок змінюється: при L0=0,04 м, від 78,03 мг/дм3 до 12,83 мг/дм3; при L1=0,02 м, від 91,57 мг/дм3 до 42,02 мг/дм3; при L2=0,06 м, від 66,52 мг/дм3 до 4,12 мг/дм3.

Функція m(Q) має екстремум, м3/с:

. (9)

Функція має лінійну залежність від індукції магнітного поля B та довжини його розповсюдження L. Кут нахилу площини визначає площа кільцевого каналу системи S та співвідношення заряду частинки qд до її маси mд.

Визначено залежність ефективності дії аксіально-симетричного поперечного магнітного поля на водні розчини від витрати рідини, індукції та довжини розповсюдження магнітного поля. Зі збільшенням індукції магнітного поля та довжини його розповсюдження концентрація домішок у воді зменшується у всій області визначення за оберненим експоненціальним законом. Залежність концентрації домішок у воді від витрати рідини має екстремальний характер. Функція спочатку спадає, а потім зростає, що пояснюється недостатнім збільшенням сили Лоренца порівняно зі зростанням швидкості частинки - ефективність системи зменшується.

Рис. 7 Залежність при Вопт = 0,7 Тл, Qопт = 9,2 · 10-3 м3/с, для : L0=0,04 м, L1=0,02 м, L2=0,06 м

Розроблено методику розрахунку та вибору параметрів магнітної системи на основі встановлених закономірностей руху часточки в магнітному полі. Для розрахунку параметрів системи МАКСі, визначають індукцію магнітного поля Вz при заданому значенні довжини розповсюдження магнітного поля системи zmax. Для цього будується залежність zmax(B) відповідно (6) й графічно визначається індукція магнітного поля Вz. Витрату рідини Qекс визначають відповідно (9).

Розроблено магнітну аксіально-симетричну систему МАКСі (рис. 8) для очищення води. МАКСі містить кільцеві магніти 4 та полюсні наконечники 5, які встановлено на вал 2 з немагнітного матеріалу. Вони утворюють з трубою 1 магнітне коло. Магніти 4 та полюсні наконечники 5 зафіксовано на валу 2 за допомогою конусних наконечників 6 та кілець 7 і 8. Вал 2 закріплено в магнітному пристрої за рахунок різьбового з'єднання гайками 11 з шайбами 12 до фіксаторів 9, які в свою чергу фіксуються фланцем 10. Під дією постійного аксіально-симетричного магнітного поля заряджені частки домішок зміщуються до внутрішніх накопичувачів 3. Через канали відведення в трубі 1 частки домішок видаляються з потоку в допоміжний бак (не зображено).

Рис. 8 Магнітна аксіально-симетрична система МАКСі

У четвертому розділі виконано аналітичні та експериментальні дослідження магнітної аксіально-симетричної системи та системи очищення води. Вперше створено комп`ютерну модель експериментальної установки для дослідження обробки робочої рідини постійним аксіально-симетричним поперечним магнітним полем в оболонці LabView, яка дозволяє дослідити вплив витрати рідини, індукції та довжини магнітного поля на концентрацію заряджених частинок у воді на виході МАКСі. В результаті моделювання експериментальної установки для дослідження очищення води постійним аксіально-симетричним поперечним магнітним полем визначено оптимальні параметри МАКСі: витрата рідини - 4,610-3 м3/с, індукція магнітного поля - 1,0 Тл, довжина магнітного поля - 0,06 м

Проведено експериментальні дослідження за ненасиченим центральним композиційним планом типу Вп.. На рис. 9 наведено порівняння теоретичної та експериментальної залежностей концентрації домішок у воді від витрати рідини, індукції та довжини магнітного поля. Точками позначені експериментальні дані, суцільною лінією - теоретичні криві, штриховою - експериментальні. Робочий тиск - рр = 0,1 МПа, температура води - t = 297 К (24 °С). Вхідна витрата рідини становить 16,5 л/год (4,6 • 10-3 м3/с), витрата рідини після МАКСі - 11,9 л/год (3,3 • 10-3 м3/с), в каналах відведення - 4,6 л/год (1,3 • 10-3 м3/с). Відносна похибка вимірювань не перевищує 10 %.



Рис. 9 Порівняння теоретичної та експериментальної залежностей концентрації домішок у воді від витрати рідини, індукції та довжини магнітного поля

Оптимальні параметри функціонування МАКСі, визначені методом найскорішого спуску: Q = 4,6 10-3 м3/с, B = 1,0 Тл, l = 3 (L = 0,06 м). Концентрацію йонів в воді після проходження МАКСі зменшено: Fe+2 від 2,78 мг/дм3 до 0,22 мг/дм3; Fe+3 від 0,13 мг/дм3 до 0,02 мг/дм3; Са+2 від 74,15 мг/дм3 до 39,67 мг/дм3; Mg+2 від 27,97 мг/дм3 до 17,48 мг/дм3. Концентрація йонів у воді у відводах: Fe+2 - 9,5 мг/дм3; Fe+3 - 0,42 мг/дм3; Са+2 - 164,76 мг/дм3; Mg+2 - 55,51 мг/дм3. Нерівність вхідної концентрацій домішок та суми концентрацій на виході та у відводах МАКСі пояснюється різницею витрат рідини у відповідних каналах. Під дією МАКСі до каналів відведення надходить висококонцентрований водний розчин домішок.

У П'ЯТОМУ РОЗДІЛІ наведені результати промислової апробації МАКСі (рис. 10). В результаті впровадження МАКСі на Південно-Західній котельні ДП «Кіровоградтепло» ТОВ «ЦНТІ УНГА» досягнуто зміну концентрації домішок у воді після проходження системи очищення води: йонів заліза від 2,91 мг/дм3 до 0,24 мг/дм3; йонів кальцію від 74,15 мг/дм3 до 39,67 мг/дм3; йонів магнію від 27,97 мг/дм3 до 17,48 мг/дм3.

Річний фактичний економічний ефект від впровадження МАКСі складає 1214858 грн. 70 коп, термін окупності системи обеззалізнення 6 місяців.

Рис. 10 Промисловий зразок МАКСі на ДП «Кіровоградтепло» ТОВ «ЦНТІ УНГА»

Висновки

В дисертації надано теоретичне узагальнення та нове рішення важливої наукової задачі: створення моделі закономірностей руху йонів у водному розчині під впливом аксіально-симетричного поперечного магнітного поля для реалізації системи очищення води.

Найбільш важливі наукові та практичні результати, отримані в ході виконання роботи:

1. Встановлено, що закономірності руху зарядженої частинки під дією постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля з урахуванням сил взаємодії: магнітного та електричного (ефекту Холла) поля з зарядженою часточкою, та дії потоку на частинки відтворюють затухаючий коливальний рух на межі дії магнітного поля.

2. Визначені оптимальні значення витрати рідини, індукції магнітного поля та довжини магнітів для ефективного очищення води від йонів Ca2+, Mg2+, Fe2+ на основі встановлених закономірностей руху часточки в магнітному полі з урахуванням ефекту Пашена-Бака. При довжині магнітів 0,02 м, витраті рідини 4,610-3 м3/с (швидкості руху часточок 1,3 м/с), необхідна індукція магнітного поля в кільцевому зазорі складає 0,378 Тл.

3. Визначено залежність ефективності дії аксіально-симетричного поперечного магнітного поля на водні розчини від витрати рідини, індукції та довжини розповсюдження магнітного поля. Зі збільшенням індукції магнітного поля та довжини його розповсюдження концентрація домішок у воді зменшується у всій області визначення за оберненим експоненціальним законом. Залежність концентрації домішок у воді від витрати рідини має екстремальний характер. При збільшенні індукції магнітного поля від 0,4 Тл до 1,0 Тл, довжини розповсюдження магнітного поля від 0,02 м до 0,06 м, витраті рідини 9,2 • 10-3 м3/с, концентрація домішок змінюється від 86,57 мг/дм3 до 10,80 мг/дм3.

4. Розроблено методику розрахунку та вибору параметрів магнітної системи на основі встановлених закономірностей руху часточки в магнітному полі. Для створення індукції в магнітному колі магнітної аксіально-симетричної системи 0,626 Тл з урахуванням необхідного енергетичного добутку 32,9 кДж/м3, обрано магніт типорозміру 60х16х20 з NdFeB.

5. Оптимальні параметри функціонування МАКСі, визначені методом найскорішого спуску: витрата рідини 4,610-3 м3/с, індукція магнітного поля 1,0 Тл, довжина магнітного поля 0,06 м. Концентрацію йонів у воді після проходження МАКСі зменшено: Fe+2 від 2,78 мг/дм3 до 0,22 мг/дм3; Fe+3 від 0,13 мг/дм3 до 0,02 мг/дм3; Са+2 від 74,15 мг/дм3 до 39,67 мг/дм3; Mg+2 від 27,97 мг/дм3 до 17,48 мг/дм3. Концентрація йонів у воді у відводах: Fe+2 - 9,5 мг/дм3; Fe+3 - 0,42 мг/дм3; Са+2 - 164,76 мг/дм3; Mg+2 - 55,51 мг/дм3.

6. В результаті впровадження МАКСі на Південно-Західній котельні ДП «Кіровоградтепло» ТОВ «ЦНТІ УНГА» концентрація домішок у воді після проходження системи очищення води знизилась: йонів заліза від 2,91 мг/дм3 до 0,24 мг/дм3; йонів кальцію від 74,15 мг/дм3 до 39,67 мг/дм3; йонів магнію від 27,97 мг/дм3 до 17,48 мг/дм3. Річний фактичний економічний ефект від впровадження МАКСі складає 1214858 грн. 70 коп, термін окупності 6 місяців.

Основні положення та результати дисертації опубліковані у роботах

статті у наукових фахових виданнях:

1. Терентьєв О.М. Фізико-математична модель руху заряджених частинок водного середовища в постійному аксіально-симетричному поперечному магнітному полі пастки / О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська // Наукові вісті НТУУ «КПІ», К. - 2007. - № 3. - С. 94-100.

2. Терентьєв О.М. Аналіз та синтез способів та засобів обробки робочої рідини гідросистем гірничих машин / О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська, А.В. Ворфоломеєв // Вісник НТУУ «КПІ», серія Гірництво, К. - 2008. - № 16. - С. 73-80.

3. Терентьєв О.М. Зміна електропровідності водного середовища під дією магнітного поля за рахунок ефекту Пашена-Бака / О.М Терентьєв., О. А. Можаровська, Ворфоломеєв А.В. // ЕНЕРГЕТИКА, економіка, технології, екологія. Науковий журнал НТУУ ”КПІ”, К. - 2008. - № 1. - С. 26-30.

4. Терентьєв О.М. Стенд для вибору режимів магнітно-ультразвукового адсорбційного очищення водних середовищ / О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська, А.П. Омельчук // Нафтова та газова промисловість, К. - 2008. - № 3. - С. 61-62.

5. Терентьєв О.М. Використання внутрішньої енергії водного середовища при очищенні його під дією постійного магнітного поля / О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська // Вісник НТУУ «КПІ», серія Гірництво, К. - 2008. - № 17. - С. 150-154.

6. Терентьев О.М. Устройство для очистки рабочей жидкости под воздействием магнитного поля / О.М. Терентьев, Е.А. Можаровская // Безопасность жизнедеятельности, М: Новые технологии - 2009. - № 1. - С. 43-47.

7. Терентьєв О.М. Визначення розподілу магнітної індукції «магнітної пастки» для затримання іонів домішок рідини в напірному трубопроводі і його практична реалізація /О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська, А.В. Ворфоломеєв // Наукові вісті НТУУ «КПІ», К. - 2009. - № 1. - С. 121-127.

8. Терентьєв О.М. Методика досліджень керованого магнітного впливу на водне середовище / О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська // «ЕНЕРГЕТИКА, економіка, технології, екологія». Науковий журнал НТУУ ”КПІ”, К. - 2009. - № 1. - С. 90-92.

патенти:

9. Пат. № 38909, Україна, МПК C02F 1/48, Магнітна аксіально-симетрична система обробки рідинних середовищ, Терентьєв О.М., Можаровська О.А., Національний технічний університет України «КПІ», опубл. 26.01.2009 р., бюл. № 2/2009.

10. Пат. № 44324, Україна, МПК C02F 1/48, Пристрій для магнітного очищення рідини, Терентьєв О.М., Можаровська О.А., Ворфоломеєв А.В., Національний технічний університет України «КПІ», опубл. 25.09.2009 р., бюл. № 18/2009.

тези доповідей та статті не в фахових виданнях:

11. Костін В.В. Магнітно-кавітаційна технологія очищення робочих рідин гідроприводу гірничих машин / В.В. Костін, О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська, А.А. Можаровська // Збірник «Сучасні ресурсоенергозберігаючі технології гірничого виробництва», Кременчук: КДПУ - 2009. - № 1. - С. 46 -51.

12. Терентьєв О.М. Обробка водного середовища в аксіально-симетричному поперечному магнітному полі / О.М. Терентьєв, О.А. Можаровська // Збірник доповідей 6-го Міжнародного Конгресу і Технічної виставки «ЕТЕВК-2007», Ялта. - 2007. - С. 74-77.

13. Можаровська О.А. Використання аксіально-симетричного магнітного поля для очищення водного середовища від іонів домішок / Можаровська О.А., Ворфоломеєв А.В. Терентьєв О.М. Наукові праці студентів та аспірантів - переможців щорічних конкурсів на здобуття фінансової підтримки НТУУ «КПІ» для виконання науково-дослідних робіт, 2010 р., С. 61-64

14. Терентьєв О.М. Моделювання процесу очищення води постійним магнітним полем в оболонці LABVIEW / Терентьєв О.М., Можаровська О.А., Ворфоломеєв А.В. // «Енергетика: економіка, технології, екологія». Наукові праці НТУУ «КПІ», ІЕЕ. - Київ: НТУУ «КПІ», ІЕЕ, 2010 р., С. 137-143

15. Можаровская Е.А. Очистка жидких сред от ионов примесей аксиально-симметричным магнитным полем в системе повышения пластового давления / Е.А. Можаровская // «Развитие инновационного потенциала молодых специалистов - значимый вклад в динамичное развитие газовой отрасли». Доклады V научно-практической конференции: в 2 т. Т. 2. М: печать в формате pdf - 2009. - С. 62-65

16. Можаровська О.А. Керування станом рідинних середовищ для підвищення якості функціонування гірничого обладнання / О.А. Можаровська // Науково-технічна конференція «Енергетика. Екологія. Людина», НТУУ «КПІ», Збірник наукових праць, К.: 2009 - С. 185-188.

Анотація

Можаровська О.А. Очищення водних середовищ магнітним аксіально-симетричним полем. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидат технічних наук, за спеціальністю 05.17.21 - технологія водоочищення, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ - 2010 р.

Дисертація присвячена створенню інноваційної технології водоочищення та нового апарату її практичного застосування. Нова технологія та обладнання використовує влив постійного аксіально-симетричного поперечного магнітного поля з йонізацією домішок та враховує ефект Холла та дію сил потоку гідросистеми на домішки. Це забезпечує вилучення йонів з потоку рідини за рахунок керування траєкторією руху домішок. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше: запропоновано враховувати сили потоку гідросистеми на домішки для керування траєкторією їх руху та ефекту Холла для забезпечення затухання коливань у постійному аксіально-симетричному поперечному магнітному полі; досліджені закономірності взаємодії домішок у воді з аксіально-симетричним поперечним магнітним полем, що визначаються лінійним неоднорідним диференційним рівнянням другого порядку з постійними коефіцієнтами і спеціальною правою частиною у вигляді багаточлена; доведена лінійна залежність амплітуди коливань домішок у воді від витрати рідини в гідросистемі; доведено, що залежність амплітуди коливань домішок у воді від індукції магнітного поля апроксимується за гіперболічним законом; досліджені залежності зміни концентрації йонів домішок у воді від витрати рідини під впливом постійного аксіально-симетричного магнітного поля, що має параболічний характер.

Досягнуто технічний ефект у натуральних показниках - зміна концентрації домішок у воді після проходження системи очищення води: йонів заліза від 2,91 мг/дм3 до 0,24 мг/дм3; йонів кальцію від 74,15 мг/дм3 до 39,67 мг/дм3; йонів магнію від 27,97 мг/дм3 до 17,48 мг/дм3.

Загальний фактичний економічний ефект від впровадження результатів роботи становить 1214858 грн. 70 коп, термін окупності системи 6 місяців

Ключові слова: аксіально-симетричне магнітне поле, йонізація, сила потоку, керування траєкторією руху, видалення домішок з рідини.

Аннотация

Можаровская Е.А. Очистка водных сред магнитным аксиально-симметричным полем. Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук, по специальности 05.17.21 - технология водоочистки, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев - 2010 г.

Диссертация посвящена созданию инновационной технологии водоочистки и нового устройства ее практического применения. Новая технология и устройство учитывает влияние постоянного аксиально-симметричного поперечного магнитного поля с ионизацией примесей и сил потока гидросистемы на примеси. Это обеспечивает удаление ионов из потока жидкости за счет управления траекторией движения примесей.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что впервые: предложено учитывать силы потока гидросистемы на примеси для управления траекторией их движения и эффекта Холла для обеспечения затухания колебаний в постоянном аксиально-симметричному поперечном магнитном поле; исследованны закономерности взаимодействия ионов примесей водной среды с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем, что определяются линейным неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами и специальной правой частью в виде многочлена; доказана линейная зависимость амплитуды колебаний примесей водной среды от расхода жидкости в гидросистеме; доказана линейная зависимость амплитуды колебаний ионов примесей водной среды от расхода жидкости в гидросистеме; доказано, что зависимость амплитуды колебаний примесей водной среды от индукции магнитного поля аппроксимируется за гиперболическим законом; исследованы зависимости изменения концентрации ионов примесей водной среды от расхода жидкости под воздействием постоянного аксиально-симметричного магнитного поля, которое имеет параболический характер.

Разработана магнитная аксиально-симметричная система для обработки водной среды, которая отличается от существующих тем, что в ней используется принцип непосредственного и непрерывного удаления ионов примесей водной среды путем вытеснения их аксиально-симметричным постоянным магнитным полем к периферии корпуса, где они содержатся и накапливаются в кольцевом канале внутреннего накопителя, и через отверстия в корпусе удаляются с помощью каналов отведения.

В результате внедрения МАКСи на Юго-Западной котельной ДП «Кировоградтепло» ООО «ЦНТИ УНГА» концентрация примесей в водной среде после прохождения МАКСи снизилась: ионов железа от 2,91 мг/дм3 до 0,24 мг/дм3; ионов кальция от 74,15 мг/дм3 до 39,67 мг/дм3; ионов магния от 27,97 мг/дм3 до 17,48 мг/дм3. Общий фактический экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 1214858 грн. 70 коп, срок окупаемости системы 6 месяцев

Ключевые слова: аксиально-симметричное магнитное поле, ионизация, сила потока, управления траекторией движения, удаления примесей из жидкости

Abstract

Mozharovska O. A. Purification of water by the magnetic axial-symmetric field. Manuscript.

Thesis for scientific degree of the techniques science in speciality 05.17.21 - Technology of water purification, National technical university of Ukraine the «Kiev polytechnic institute», Kyiv - 2010.

The work deals with creation of innovative technology of water purification and new equipment it practical application. New technology and equipment provides for infused into permanent axial-symmetric the transversal magnetic field and forces of stream by hydrosystem on admixtures. It provides the exception of ions from the stream of liquid due to the management of motion of admixtures a trajectory. The scientific novelty of the got results consists in that first: it is suggested to take into account forces of stream by hydrosystem on admixtures for the management of their motion a trajectory and effect of Hall to provide of fading vibrations in permanent to axial-symmetric transversal magnetic field; is investigated conformities to law of co-operation of ions with a water from axial-symmetric transversal magnetic field, that determined linear heterogeneous differential equalization of the second order with permanent coefficients and special right part as polynomial; it is proven linear dependence of amplitude vibrations of ions in water from the expense of liquid in hydrosystem; it is proven linear dependence of amplitude of vibrations of ions in water from the expense of liquid in hydrosystem; it is proven that dependence of amplitude of vibrations of ions of admixtures contaminating a water environment from induction of the magnetic field is approximated after a hyperbolic law; it is analyse the extreme areas of dependence of change concentration of ions in water from the expense of liquid under act of permanent axial-symmetric magnetic field which has parabolic character.

It is attained a effect in change of concentration of admixtures in a water after passing of the system of water purification: ions of iron from 2,91 mg/dm3 to 0,24 mg/dm3; ions of calcium from 74,15 mg/dm3 to 39,67 mg/dm3; ions of magnesium from 27,97 mg/dm3 to 17,48 mg/dm3. The general economic effect from introduction of job performances makes 1214858 Uah 70 kop, term of recoupment of the system makes 6 months

Keywords: the axial-symmetric magnetic field, ionization, force of stream, management of trajectory the motion, removing ions of admixtures from a liquid

Размещено на Allbest.ru

...