НКР 18.03.21 (2). Федеральный научный агроинженерный центр вим
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
3. ПЛАНИРОВАНИЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЛИЯНИЮ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ЭГ УДАРА НА СВОЙСТВА ПИТАТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ ЗАЩИЩЁННОГО ГРУНТА Разработка электрогидравлической установки 3.1.1 Обоснование схемы для размещения электродов в рабочем органе Действие импульсного разряда на воду с целью изменения состава происходит многими способами, которые сводят к четырём схемам. В первой схеме имеется воздушный зазор между высоковольтным электродом и поверхностью воды. Заземленный электрод находится в воде [126] (рисунок 3.1).  1 – электрод-анод; 2 – высоковольтный ввод; 3 – уплотнитель; 4 – катод; 5 – металлическая камера; 6 – канал разряда; 7 – воздушная область; 8 – раствор (вода или жидкость); Рисунок 3.1 – Схема размещения электродов при котором имеется воздушный зазор между высоковольтным электродом и поверхностью воды [126] Во второй схеме в воздушном промежутке имеется зона с перенасыщенным атмосферным воздухом и появлением тумана формирующиеся из капелек жидкости [126]. В третьей схеме высоковольтный электрод касается воды [126] рисунок 3.2. Наиболее популярной являетсяc схема, когда высоковольтный электрод полностью погружен в воду [126], [14] рисунок 3.3.  1 – электрод-анод; 2 – высоковольтный ввод; 3 – уплотнитель; 4 – катод; 5 – металлическая камера; 6 – воздушная область 7 – раствор (вода или жидкость); Рисунок 3.2 – Схема размещения электродов при котором высоковольтный электрод касается воды [126]  1 – электрод-анод; 2 – высоковольтный ввод; 3 – уплотнитель; 4 – катод; 5 – металлическая камера; 6 – канал разряда; 7 – раствор (вода или жидкость); 8 – воздушная область Рисунок 3.3 – Отрицательный и положительный электрод погружены в жидкость [14] В первой схеме при пробое электрического разряда появляется озон, радикалы Н и ОН. Однако их появляется незначительное количество из-за растекания электрического разряда по воде и снижения его плотности, что в свою очередь уменьшает бактерицидный эффект. При электрическом разряде в перенасыщенном воздушном промежутке (второй схемы) появляющийся озон и радикалы переходят в неустойчивую форму и при смешивании в водовоздушной смеси возвращаются в первоначальную форму. Тем самым бактерицидный эффект снижается. Возникающие в обоих случаях ультрафиолетовое излучение из-за электрической искры, существенного воздействия не имеет ввиду кратковременности и низкой мощности. Чаще всего [126, 14], применяют схему №3 (рисунок 3.3), когда оба электрода (высоковольтный и заземляющий) находятся в воде полностью. При возникновении искры – появляется озон, радикалы Н и ОН, атомарный кислород, перекись водорода и ультрафиолетовое излучение. Значимым фактором является, то, что все перечисленные факторы находятся в контакте с микрофлорой воды. Электрогидравлический удар сопровождается 3 факторами (химическом, физическом и биоэлектрическом). Химический фактор – появляющийся озон, радикалы, перекись водорода, оказывают действие на микрофлору воды и химический состав. Физический фактор – возникающее ультрафиолетовое излучение, которое имеет кратковременное воздействие, данный фактор не является решающим. К биоэлектрическому фактору относится действие электрического разряда на микроорганизм. При действии электрического тока на бактерии возникает поляризация, и гибнут мембранные оболочки. Повышение эффекта достигается путем нарастания напряжения, частотой импульсов и тд. Была выбрана схема №3 (рисунок 3.3), при которой высоковольтный и заземляющий электрод находятся под водой. Преимущество в том, что озон, перекись водорода и другие элементы, возникающие между электродами, оказывают влияние на микрофлору воды. Нами будут проведены исследования химического и биоэлектрического фактора, для того чтоб установить, как меняется состав воды до и после электрогидравлического воздействия. 3.1.2 Моделирование электрогидравлической установки Целью данной главы является моделирование технического средства для осуществления электрогидравлического метода в определении параметров, которые невозможно измерить существующими методиками и техническими средствами. Техническое оборудование для осуществления электрогидравлических технологий, было смоделировано при помощи многофункциональной системы трёхмерного моделирования Kompas-3D, с соблюдением всех размеров, позволяющие максимально точно представить форму и размер разрабатываемого оборудования. При моделировании установки анализировались патенты и научные работы ( Юткина Л.А., Гольцовой Л.И., Спирова В.Г. и других авторов) так и результаты новых полученных исследований (Liu, Li, Zhou, Zhang, &Lin). Проведённый анализ показал, что данные технические средства (ЭГ установки) содержат недостатки (нерегулируемой по длине и мощности искрового промежутка и тд). В отличии от других авторов в разработанной 3-D модели показано, что при помощи гайк 5 и 10 происходит регулирование межэлектродного промежутка, что позволяет менять мощность искрового разряда. Также представлено расположение электродных изоляторов и их крепление. Изображен материал, из которого изготовлены электродные изоляторы, а гайки 8 служат опорой для фиксации ЭГ установки в исходном положении вовремя ЭГ разрядов. Данная конструкция должна выдерживать различные технологические режимы электрогидравлической обработки материала. Разработанная установка относится к сельскому хозяйству, с целью получения питательного раствора для растений, применяемых в тепличных и фермерских хозяйствах. Установка имеет рабочий орган изготовленного в виде цилиндра, отрицательный и положительный электрод находятся в жидкости (рисунок 3.4). Отрицательный электрод имеет форму чашеобразного полусферического диска, а положительный электрод имеет стержнеобразную форму. Электроды зафиксированы в цилиндрическом контейнере гайками. В контейнеры предусмотрены входные и выходные патрубки, служащие для ввода и вывода питательного раствора. На нижнем торце контейнера находится крышка, выполненная из металла, а верхняя крышка может состоять из органического стекла. Цилиндрический контейнер служит емкостью для обработки водного раствора. Нижняя крышка 14 состоит из металла, а верхняя может быть заменена на органическое стекло для наблюдения процессом электрогидравлической обработки.  1 – кран для подачи воды,2 – гайка, 3 – титановый корпус, 4 – втулка сборки положительного электрода, 5 – накидная гайка, 6 – фторопластовый изолятор, 7 – положительный электрод, 8 – гайка, 9 – втулка сборки положительного электрода,10 – накидная гайка, 11 – фторопластовый изолятор, 12 – стержень шпилька отрицательного электрода, 13 – полусферический отрицательный электрод, 14 – нижняя и верхняя крышка Рисунок 3.4 – Рабочий орган ЭГ – установки В цилиндре предусмотрен входной патрубок 1, для подачи водного раствора, выходной патрубок служит отводом обрабатываемого раствора, тем самым обеспечивается непрерывность технологического процесса. При помощи патрубок 4 фиксируются электроды 11 и 6 находящиеся в изоляции, используя накидные гайки 5 (рисунок 3.5).  Рисунок 3.5 – Вид сверху рабочего органа ЭГ – установки Электроды изготавливаются из меди с изолятором фторопластовым, для ослабления удара, образующиеся при пробое разрядного промежутка. Отрицательный электрод 13 изготовлен в виде чашеобразной формы, при котором магнитное поле локализовано в плоскости. Площадь поверхности полусферического отрицательного электрода составляет - 1700 мм2. Таким образом, по построенной компьютерной 3-D модели ЭГ установки, будет изготовлено реальное устройство, так как отсутствует доступ к реальным объектам. Целью моделирования было установить целесообразность внедрения производственных решений для повышения эффективности производства. 3.1.3 Разработка электрогидравлической установки Катодом – выступает положительный электрод, анодом – отрицательный. Электрод положительный изготовлен из заостренного стержня диаметр, которого составляет 10 мм и покрытым фторопластовым изолятором (за исключением переднего конца). Полностью изготовленная установка изображена на рисунке 3.6  1 – выводы трансформатора ТВИ 50/70; 2 – рабочий орган; 3 – Латр (Ресанта); 4 – конденсаторная батарея (0,025 мкФ), 5 – шаровой разрядник, 6 – подставка для рабочего органа Рисунок 3.6 – Установка по ЭГ обработки воды Расстояние между отрицательным электродом и положительным регулируется от необходимой мощности и энергии. Работа рабочего органа заключается в следующем: 1) водный раствор помещается в контейнер, через вводный патрубок, с условием, что остается на воздушную оболочку 20% от емкости контейнера 2) воздушная оболочка служит для снижения ударных волн, при возникновении пробоя. Необходимо следить, чтоб обрабатываемый раствор покрывал отрицательный электрод на 55 мм, а положительный электрод на 75 мм, для формирования ударных волн. Нижняя и верхняя крышка герметично закрываются. Электроды регулируют на расстоянии от 5 - 20мм. Это расстояние образует рабочий промежуток искрового разряда. Образование электрического разряда наблюдается через верхнюю крышку. Как известно при разряде в воде возникают два вида ионов, положительные и отрицательные. На развитие разряда влияют отрицательные Н – ионы, чем выше их концентрация, тем длиннее растет стример. Возрастает длина канала и соответственно механический КПД данного разряда. Присутствующие в воде положительные ионы Н+ на развитие разряда никакого процесса не оказывают [14]. Для увеличения эффективности разряда, необходимо затруднить возникновение положительных ионов Н+. Данные условия можно осуществить при изменении площадей электродов, вступающих в контакт с водой. Плоскость острия положительного электрода и плоскость граней полусферического наконечника должна находиться на одном уровне [12], для образования разряда максимальной мощности, данное условие нами принято во внимание. Таким образом, обосновано разработанное электрогидравлическое устройство для осуществления электрогидравлических воздействий на жидкую среду. Аргументирован выбор размещения плоскости положительного и отрицательного электрода на одном уровне. Показано реальное устройство в виде фотоматериала. 3.2 Приготовление питательного раствора из воды при помощи электрогидравлической обработки 3.2.1 Выявление значимых факторов электрогидравлической установки Проведенный аналитический обзор по данной тематике, позволяет сделать вывод, на электрогидравлический процесс влияет много факторов, но только незначительная часть оказывает существенное влияние [86, 15]. Следовательно, нужно найти значимые факторы, которые влияют на усвояемые формы удобрений вовремя электрогидравлической обработки. В разработанной установке имеется возможность регулирования режимы и параметры, ведь они определяют и изменяют результаты экспериментов. Для сокращения количества экспериментов, используют такие методы планирования эксперимента: метод случайного баланса, метод Плакетта – Бермана, и др. Для нахождения существенных факторов был применен метод Плакетта-Бермана. Преимущество состоит в исследовании влияния на отклик max количества факторов при min количестве проводимых экспериментов – строк в матрице в планировании экспериментов [56]. Первоначальным действием в плане Плакетта - Бермана, выявляют наиболее значимые факторы. Осуществляется данный процесс путём проведения эксперимента под названием скриннинг. После которого оценивается влияние найденных значимых факторов на рассматриваемый объект исследования. Процесс осуществляется за счёт получения математической модели в виде уравнения регрессии, найденной из решения задачи планирования двухуровневой постановки эксперимента. Планирование двухуровнего эксперимента состоит в определении количества опытов и степени точности. Первым этапом по планированию является: - нахождение факторов, которые влияют на выходной параметр азота - в определении уровней варьирования, и способов регулирования параметров электрогидравлической установки; - в формировании матрицы плана согласно отсеивающему эксперименту; Входные и выходные параметры необходимо распределить на группы с специальными особенностями [89]: 1. К группе Х = (  …,  – относятся начальные независимые факторы, действующие на систему. здесь  – первоначальный независимый фактор – последний независимый фактор, где k номер фактора xДанные параметры являются управляющими, с помощью которых происходит воздействие на состав вещества. 2. К группе Z = (  , …,  ) принадлежат факторы, которые влияют на системы, но регулировать их невозможно.где – начальный фактор, действующий на поведение системы. – последний фактор, m номер фактора z.3. К группе Q = (  , …,  ) принадлежат неконтролируемые факторы, действующие на заданную систему. Отображают возмущения, которые нельзя вычислить (в задаче это не ставится).4. К группе Y = (  , …,  ) принадлежит реакция системы осуществляющее воздействия, переменные функции. где – начальная выходная переменной. – последняя выходная переменной.Для 15 факторов нужно осуществить  экспериментов. Факторы регулируются на 2 уровнях: к наименьшему значению относится  (-1), к наибольшему  (+1) [5]. Чтоб не повторять эксперимент введём 3 фиктивных фактора – количество факторов станет 15 для 16 экспериментов. Выбранные факторы min и max уровни их варьирования представлены в таблице 3.1.Таблица 3.1 – Факторы, действующие на систему
Регулирование температуры раствора и температуры окружающей среды не осуществляется, поэтому факторы  и  не учитываются. Базируясь на данные из таблицы 3.1, осуществим отсеивающий эксперимент плана Плакетта-Бермана. Правильность таблицы проверяем, чтоб сумма чисел в каждом столбце была нулю. После осуществления отсеивающего эксперимента были найдены величины отклика, которые представлены в таблице 3.2.Таблица 3.2 – Матрица плана Плакетта-Бермана
Нахождение результатов эксперимента. Нахождение эффектов отдельных факторов. Оценка по эффекту Bi равна разности между суммами результатов целевой функции фактора xi на уровнях (+1) и (-1), делённой на N/2:
где  – сумма результатов целевой функции значений xi на рассматриваемых уровнях +1, где  это элемент матрицы. – сумма значений целевой функции значений xi на уровнях -1, где это элемент матрицы.Yy – строка находящееся в  столбце (в рассматриваемом случае это отклик).Согласно формуле (28) были найдены величины эффектов для каждого из факторов: B1= 392,25; B2 = 33; B3 =299,75; B4 = -28,75; B5 = 44; B6 = 197; B7 = -250,25; B8 = 32,5; B9 = 593,5; B10 =-247,5; B11 =-215,75; B12 =-29,25; B13 =-40,75; B14 =-40,25; B15 = 44,5. В таблице 3.3 представлены уровни факторов и эффекты Bi (или коэффициенты ai), которые рассчитаны в соответствии с выражением (28). Нахождение значимости параметров. Для определения значимости коэффициентов регрессии используется  критерий и проверяется условие [2]:
где tкр – критическое значение, а  – распределение для уровня значимости α и φ степеней свободы, α=0,05;φ=[4k-l-1],Si2 – оценка дисперсии коэффициента ai.Дисперсия ошибок вычисляется с помощью экспериментов, занесением в план фиктивных факторов от xl+1 до xN-1согласно выражению:
Для фиктивных факторов по формуле (30) и вычислении дисперсии ошибок получаем выражение (31):
где  , вычисляется из выражения  ,  – кратность матрицы. l = 12 (сумма всех значимых факторов).Согласно формуле (31) находим  Коэффициент дисперсии согласно выражению, имеет вид
В соответствии с формулой (32) находим
Учитывая α = 0,05 и φ = 3 из таблицы по распределения (распределение по закону Стьюдента) вычисляем tкр= 3,18.Значимость показателей сверяем в соответствии с выражением (29) и заносим в таблицу 3.3.
Таблица 3.3 – Нахождение существенных факторов
Согласно таблице 3.3 наиболее существенным фактором при проведении эксперимента является: напряжение для обработки; ёмкость конденсаторных батарей; кол-во импульсов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
