Результаты экспериментальных исследований эффективности процесса акусто-магнитной обработки жидкости с помощью кристаллооптического способа

Размещено на http://allbest.ru

Адыгейского государственного университета

Результаты экспериментальных исследований эффективности процесса акусто-магнитной обработки жидкости с помощью кристаллооптического способа

Коржаков Алексей Валерьевич, Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления

Коржакова Светлана Александровна, Доцент, кандидат социологических наук, доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований по определению эффективности обработки жидкости акусто-магнитным полем. Для построения математических моделей, используемых для проектирования новых конструкций акусто-магнитных аппаратов и возможности их оптимизации, используются данные об эффективности обработки жидкости. В качестве значения эффективности обработки используется показатель накипеобразования. Существует несколько различных способов для его определения. Ранее для его определения использовались весовой и объемный методы. В данной работе рассматривается кристаллооптический способ для определения эффективности работы устройства. Для проведения экспериментов используется специально созданная лабораторная установка, позволяющая поддерживать необходимые параметры проведения эксперимента и производить варьирование их значений. Проведен ряд экспериментов по обработке геотермальной воды. Для определения эффективности обработки жидкости акусто-магнитным полем фиксировались средние размеры центров кристаллизации, для чего использовались микроскопы с разной степенью увеличения: 300, 600 и 1000 раз соответственно. В результате по серии измерений было вычислено среднее значение результирующего признака, которое оказалось близким к результатам, полученным с помощью весового и объемного способов, что в свою очередь доказывает высокую эффективность производимой акусто-магнитной обработки.

Ключевые слова: акусто-магнитный аппарат, показатель накипеобразования, лабораторный стенд, кристаллооптический метод.

Abstract

Results of experimental studies of the effectiveness of the process of acoustic-magnetic treatment of liquid using the crystal-optical method

Korzhakov Aleksey Valeryevich, Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Korzhakova Svetlana Aleksandrovna, Associate Professor, Candidate of Sociology. Department of Automated Systems of Processing Information and Control. Adyghe State University

The paper presents the results of experimental studies to determine the performance of liquid treatment with an acoustic-magnetic field. Data on efficiency of liquid treatment are used to build mathematical models, design new acoustic-magnetic devices and make it possible to optimize them. As a treatment effectiveness parameter an indicator of scale formation is used. There are some ways to determine this indicator. Previously, the weight and volume methods were used to determine it. In this paper, we consider a crystal-optical method for determination of the performance of the device. In order to conduct experiments, a specially created laboratory stand is used, which allows us to save the necessary parameters of the experiment and vary their values. Experiments on the treatment of geothermal water were conducted. To determine the performance of liquid treatment with an acoustic-magnetic field, the average size of the crystallization centers was recorded. For this purpose, microscopes with different zoom were used: 300, 600 and 1000 times. As a result, the average value of the resulting attribute is calculated, which is close to the results obtained using the weight and volume methods. And this means that the performance of the acoustic- magnetic treatment of liquid is high.

Keywords: acoustic-magnetic device, scale formation indicator, laboratory stand, crystal-optical method.

Введение

Актуальной проблемой человечества является эффективное обеспечение населения продовольствием. Современные тепличные хозяйства зачастую сталкиваются с проблемой образования твердых отложений на внутренних поверхностях оборудования систем теплоснабжения. Высокое содержание солей приводит к интенсивному процессу накипеобразования, что приводит к снижению теплоотдачи или вовсе к выходу системы из строя. Данная проблема была разрешена посредством использования акусто-магнитного аппарата. Это устройство объединяет два способа безреагентной обработки в один композиционный, при котором жидкость обрабатывается совместным действием акустического и магнитного полей. Для создания новых устройств используются различные методики, которые позволяют произвести теоретический расчет будущих устройств и определить их основные параметры [1-3]. Для создания аппаратов с наибольшей эффективностью обработки необходимо построить математические модели, позволяющие с определенной точностью предсказывать планируемую эффективность производимой акусто-магнитной обработки. Для построения этих моделей необходимо использовать экспериментальные данные, а следовательно, необходимо проводить как можно более точные экспериментальные исследования. Ранее определение эффективности проводимой обработки производилось при помощи весового и объемного способов. При их использовании были получены схожие результаты, доказывающие высокую эффективность работы устройства. Для подтверждения полученных результатов результирующий признак был получен при помощи кристаллооптического способа, значительно отличающегося по своему принципу от уже использовавшихся способов.

Материалы и методы

Существуют различные способы определения эффективности обработки жидкости магнитными полями [5, 6]. Их можно разделить на две основные категории: способы контроля, основанные на косвенных показателях, и контроль, основанный на учете количества выделившейся твердой фазы. Кристаллооптический способ основан на сравнении размера кристаллов взвеси, выделяющейся при упаривании проб исходной и обработанной воды.

Сущность данного способа состоит в следующем. Для анализа отмеряют в химические стаканы емкостью 200-300 мл по 150 мл профильтрованной воды до и после обработки полем и упаривают в 2 раза (метка на стекле) на электроплитке в строго идентичных условиях. До нагревания на дне каждого стакана располагают в наклонном положении стеклянные пластинки (предметные стекла), чтобы в конце упаривания уровень жидкости был не ниже верхнего уровня пластинок. После упаривания пластинки извлекают пинцетом и помещают их с каплей воды на предметном стекле.

Накрывают каплю покровным стеклом и рассматривают частицы в микроскоп вначале при увеличении в 50-70 раз, затем в 200-300 раз. Определяют размер кристаллов обработанной и необработанной воды в делениях линейки окуляра или в микрометрах, а также отмечают форму кристаллов. Полученные данные позволяют сделать оценку и выявить относительное влияние акусто-магнитного поля на обрабатываемую жидкость. Противонакипный эффект, К_э, вычисляют по формуле:

где К_э - уменьшение размера кристаллов, отнесенное к размеру кристалла в исходной воде; Н - средний размер кристаллов, выделившихся в исходной воде;

М - средний размер кристаллов, выделившихся в воде, обработанной акусто- магнитным полем.

Для вычисления средних размеров кристаллов используются следующие выражения:

где Si, Sj - площадь одного кристалла;

n - число кристаллов с измеренной площадью.

При К_э=40-50%>, что соответствует уменьшению размера в 1,5-2 раза, эффект можно считать удовлетворительным [5].

При наличии в воде значительного количества органических примесей в коллоидном состоянии коллоидные вещества адсорбируются на гранях кристаллов и могут изменять их форму, вследствие чего оценка этим способом будет ошибочной. В подобных случаях пробы воды фильтруют, центрифугируют и анализ повторяют.

Результаты исследования

Для проведения аналогичных исследований была использована лабораторная установка (рис. 1), позволяющая поддерживать условия проводимого эксперимента на заданном уровне.

Рис. 1. Принципиальная схема стенда .Примечание: 1 - ПЛК SIEMENS; 2 - электрический шаровой кран; 3 - кран Маевского; 4 - датчик скорости потока жидкости; 5 - циркуляционный насос; 6 - нагревательный элемент; 7 - отстойник; 8 - отверстие для заполнения; 9, 10, 14, 15 - вентили; 11 - слив; 12 - радиатор; 13 - акусто-магнитный аппарат

Для получения значений результирующего признака использовался кристаллооптический способ, описанный выше. На предметное стекло помещались капли исследуемой воды: геотермальной необработанной и прошедшей обработку акусто-магнитным полем. Далее производилась фиксация полученных результатов. Для этого использовались микроскопы с увеличением 300, 600 и 1000 раз. На рисунках 2-4 приведены полученные изображения. кристаллооптический вода накипеобразование

а) б)

Рис. 2. Влияние акусто-магнитной обработки на центры кристаллизации (увеличение х300): а) необработанная вода; б) вода, обработанная акусто-магнитным полем

а) б)

Рис. 3. Влияние акусто-магнитной обработки на центры кристаллизации (увеличение х600): а) необработанная вода; б) вода, обработанная акусто-магнитным полем

а) б)

Рис. 4. Влияние акусто-магнитной обработки на центры кристаллизации (увеличение х 1000): а) необработанная вода; б) вода, обработанная акусто-магнитным полем

Из рисунков видно, что необработанная геотермальная вода в отличие от обработанной обладает явно выраженными центрами кристаллизации. Из чего следует предположение, что акусто-магнитный аппарат, воздействуя на кристаллы солей, препятствует их адсорбации, тем самым предотвращая образование твердых отложений на поверхностях теплообменного оборудования.

Наиболее удобными для работы являются изображения на рисунках 3 и 4 (увеличение 600 и 1000 соответственно), которые и позволят определить средний размер центров кристаллизации для возможности использования выражения (1) и расчета эффективности работы устройства. Для уменьшения ошибки расчета результирующего признака была проведена серия из 30 измерений [4, 7-10]. Измерения проводились по изображениям обработанной и необработанной воды с тысячекратным увеличением.

Расчетные значения средних линейных размеров кристаллов солей в обработанной и необработанной воде были получены путем приближенного вычисления площади сложных фигур в относительных единицах. Для решения подобных задач возможно использование различных способов [11, 12]. Задача усложняется тем, что необходимо определить площади сложных фигур, не описываемых математическими выражениями. Поэтому был применен аналитический подход к вычислению средней площади центров кристаллизации.

Результаты расчетов по формулам (1), (2), (3) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расчетные значения средних линейных размеров кристаллов солей (в относительных единицах) и соответствующих значений результирующего признака

Среднее значение результирующего признака определялось по формуле:

Полученное значение результирующего признака свидетельствует о высокой эффективности работы устройства. Близкие к этому значения были получены и в предыдущих исследованиях, где эффективность обработки определялась с помощью объемного метода и с помощью весового способа.

Заключение

Были проведены опыты по обработке геотермальной воды с помощью акусто-магнитного аппарата на специальной лабораторной установке с поддержанием постоянных параметров. Проведена серия из 30 измерений для определения показателя накипеобразования с помощью кристаллооптического способа, являющегося показателем эффективности обработки жидкости, в результате чего была подтверждена высокая эффективность работы данного устройства. В дальнейшем планируется проверить с помощью математических моделей, какой из способов определения эффективности обработки является более точным.

Примечания

1. Korzhakov A.V., Oskin S.V, Korzhakova S.A. Technique of creating new constructions of acoustic and magnetic devices based on theory of similarity as development of theory of experiment // Engineering for rural development: materials of the 18^th International research and practical conference. 2019.

2. Анализ математических уравнений, описывающих акустические и электромагнитные поля акусто-магнитного аппарата и установление критериев подобия для создания новых конструкций акусто-магнитных аппаратов, предназначенных для использования в гидропонных установках / А.В. Коржаков, В.И. Лойко, С.А. Коржакова, В.Е. Коржаков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 117. С. 497524. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25752367

3. Коржаков А.В., Коржакова С.А. Рассмотрение критериев подобия для создания новых конструкций акусто-магнитных аппаратов, предназначенных для использования в гидропонных установках // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 99 (05). URL: http://ej.kubagro.ru/get.asp?id=3851&t=1

4. Дубров А.М., Мхитарян В.С., Трошин Л.И. Многомерные статистические методы. Мостка: Финансы и статистика. 1998. 350 с.

5. Аппараты магнитной обработки воды / С.Н. Антонов, А.И. Адошев, И.К. Шарипов, В.Н. Шемякин. Ставрополь: АГРУС, 2014. 220 с.

6. Коржаков В.Е., Коржаков А.В. Реализация метода оптимизации процесса предварительной акусто-магнитной обработки технической воды теплоагрегатов // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер.: Естественно-математические и технические науки. 2005. Вып. 1. С. 12-19. URL: http://vestnik.adygnet.ru

7. Johnson N., Leone F. Statistics and experimental design. Мoscow: World, 1980. 511 pp.

8. Математическая теория планирования эксперимента / С.М. Ермаков, В.З. Бродский, А. А. Жиглявский [и др.]. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 1983. 392 с.

9. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. Лондон: Судостроение, 1980. 380 с.

10. Налимов В.В. Теория эксперимента. Москва: Наука, 1971. 208 с.

11. Муслов С.А., Зайцева Н.В., Самосадная И.Л. Три способа измерения площади плоских фигур произвольной формы программными методами // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 5-1. С. 89-93.

12. Определение площади сложной фигуры с помощью теории вероятностей. URL: https://habr.com/ru/post/121022/ (дата обращения 10.03.2020).

References

1. Korzhakov A.V., Oskin S.V, Korzhakova S.A. Technique of creating new constructions of acoustic and magnetic devices based on theory of similarity as development of theory of experiment // Engineering for rural development: materials of the 18^th International research and practical conference. 2019. 1964 pp.

2. Analysis of mathematical equations describing acoustic and electromagnetic fields of an acoustic-magnetic device and establishment of similarity criteria for creating new designs of acoustic-magnetic devices intended for use in hydroponic installations /

A.V. Korzhakov, V.I. Loyko, S.A. Korzhakova, V.E. Korzhakov // Polythematic Network Electronic Scientific Journal of Kuban State Agrarian University. 2016. No. 117. P. 497-524. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25752367

3. Korzhakov A.V., Korzhakova S.A. Consideration of similarity criteria for creating new designs of acoustic- magnetic devices intended for use in hydroponic installations // Polythematic Network Electronic Scientific Journal of Kuban State Agrarian University. 2014. No. 99 (05). URL: http://ej .kubagro.ru/get.asp?id=3851&t=1

4. Dubrov A.M., Mkhitaryan V.S., Troshin L.I. Multivariate statistical methods. Mostka: Finance and Statistics. 1998. 350 pp.

5. Apparatuses of magnetic water treatment // S.N. Antonov, A.I. Adoshev, I.K. Sharipov, V.N. Shemyakin. Stavropol: AGRUS, 2014. 220 pp.

6. Korzhakov V.E., Korzhakov A.V. Implementation of a method for optimizing the process of preliminary acoustic- magnetic treatment of technical water of heat units // Bulletin of the Adyghe State University. Ser.: Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2005. Iss. 1. P. 12-19. URL: http://vestnik.adygnet.ru

7. Johnson N., Leone F. Statistics and experimental design. Мoscow: World, 1980. 511 pp.

8. Mathematical theory of experiment planning / S.M. Ermakov, V.Z. Brodsky, A.A. Zhiglyavsky [et al]. Moscow: FIZMATLIT, 1983. 392 pp.

9. Montgomery D.K. Experiment Planning and data analysis. London: Shipbuilding, 1980. 380 pp.

10. Nalimov V.V. Theory of experiment. Moscow: Nau- ka, 1971. 208 pp.

11. Muslov S.A., Zaytseva N.V., Samosadnaya I.L. Three ways to measure the area of flat figures of arbitrary shape by software methods // International Journal of Applied and Fundamental Research. 2017. No. 5-1. P. 89-93.

12. Determining the area of a complex figure using probability theory. URL: https://habr.com/ru/post/121022/ (access date 10.03.2020).

Размещено на Allbest.ru