НКР 18.03.21 (2). Федеральный научный агроинженерный центр вим
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
Проведение исследований по обеззараживанию воды с помощью электроискровых разрядов Вирусы, вызывающие заболевание растений, могут передаваться на соседние растения разными способами. К основным относится: а) распространение с помощью насекомых; б) передача во время механического контакта здорового и не здорового растения; в) передача после прививки г) передача через пыльцу. Из выше перечисленного нужно отметить ещё один способ – это передача вируса через питательный раствор. При поливе растений может передаваться стрик, черная ножка, гниль плодовая и другие заболевания [12]. Вирусы препятствуют росту и развитию растений следствие чего снижается урожай, конечным результатом возникает гибель растений. Тепличные хозяйства для обеззараживания воды с целью приготовления питательного раствора применяют различные установки. Для уничтожения бактерий применяют химический способ (добавлением хлора в воду). Но данный метод приводит к уменьшению экологичности выращенного продукта [54]. Альтернативным способом является использование технологий для озонирования воды. Недостаток в том, что действие озона проявляется слишком долго и высокая концентрация озона сказывается негативно на корневых системах всех растений [48]. Наиболее эффективным способом для уничтожения вирусов и бактерий применяют ультрафиолетовое излучение. Если в воде присутствуют механические примеси (частицы металла, коррозии) снижается бактерицидный эффект во время обеззараживания [54]. Для повышения качества обеззараживания воды необходимо устанавливать дополнительные системы очистки. За счет этого повышается потребление электроэнергии данной установкой. Также имеется обратный осмос по очистке [46]. Качественная очистка происходит довольно долго. Недостатком является дорогая цена, отсутствие минералов в очищенной воде, не высокая производительность, большое количество воды сливается в дренажную систему, примерно 75%. Используемые при этом методики и средства измерений являются устаревшими и не позволяют осуществлять наблюдения в динамике, что имеет важное значение в реальных процессах изменения физико-химического и микробиологического состава воды. Для нахождения оптимальных параметров при электрогидравлическом обеззараживании, необходимо выполнить полный факторный эксперимент. Он позволит получить математическую модель исследуемого объекта в виде уравнения множественный регрессии при которой происходит оценка параметров. При выполнении исследований использовались данные материалы и методы: Используемые оборудование и материалы: -электрогидравлическая установка, содержащая электроды; - люминометр производства EnSURE (Hygiena) для исследования микробиологических показателей; - тесты, для жидкости по показанию общего числа АТФ находящейся в воде (AQ100X). Используемые методы измерений: - свидетельство № 543019 (приложение) об установлении типа средств измерений; - методика по пользованию люминометром EnSURE. Режим работы и параметры установки, следующие: - напряжение, подаваемое к электродам, составляло от 14 до 40 кВ, данные показания были сняты при помощи мультиметра, подключенного через делить напряжения (измерено мультиметром косвенным методом на делителе повышающего трансформатора); - конденсатор от 0,075 до 0,2 мкФ (восемь параллельно соединенных конденсаторов 0,025 мкФ); - формирующий воздушный промежуток от 2 до 8 мм (расстояние между шарами разрядниками выполненные из аллюминия); - рабочий промежуток от 2,5 до 8 мм; - электроды формы острие–плоскость; - частота разряда 3 Гц; - число разрядов 1000-4000 шт. Для исследования уровня гигиены в воде применялся прибор EnSURE [50]. Данный прибор работает только в комплексе с тестами для показания суммарного числа АТФ (аденозинтрифосфат) присутствующей в воде марки AquaSnapTotal. На данный момент имеется, быстрый и точный метод по оценке уровня всего микробиологического показателя в воде, поэтому и был использован данный прибор. Принцип работа прибора состоит в нахождении аденозинтрифосфата (АТФ) – молекулы, которая находится во всех животных, растительных, в том числе и бактериальных клетках (плесени и дрожжах). Количество АТФ зависит от микробного и органического загрязнения. Концентрация АТФ показывает суммарное микробное число, соответственно – указывает уровень гигиены. Единица измерения АТФ является RLU. 1 единица RLU равна 1 фемтомоли. В микробных клетках содержится данное количество, равная КОЕ питательной среды. В данном приборе заложен принцип биолюминесценции, позволяющий проводить измерения очень быстро. Данные, которые послужили для выбора прибора: 1. Входит в Государственный реестр средств измерений (№ 54301). 2. Диапазон, при котором можно проводить измерений 0-9999 RLU. 3. Автоматическая калибровка, чувствительность находится в пределах 1 RLU, быстрота измерений. 4. Преимущество перед другими аналогами в том, что он показывает органические и неорганические загрязнения. С помощью данных операций выполняется полный факторный эксперимент: находят уравнения множественной регрессии, формируют план, определяют коэффициенты регрессии, проверяют значимость коэффициентов регресии, оценивают уровни регрессии, вычисляют оптимум [7,82]. В соответствии отсеивающему эксперименту, плану Плакетта-Бермана, влияющими факторами на электрогидравлическую обработку воды является: напряжение, емкость, количество разрядов. Поэтому, число факторов, является трём, общий вид уравнения регрессии имеет вид [12]:
где x1, x2, x3 – факторы; b0 – свободный член, при хi= 0; b1, b2, b3 – коэффициенты регрессии, влияющие на тот или иной фактор; b1,2, b1,3, b2,3 – коэффициенты регрессии, полученные при умножении факторов, которые показывают о присутствии двойной взаимосвязи между факторами; b1,2,3 – коэффициент регрессии, показывающий тройную взаимосвязь факторов. Каждый фактор рассматривается на двух уровнях (верхнем + и нижнем). Число опытов равно N=2k, здесь k кол-во изучаемых факторов [67]. Для трех заданных факторов единицы варьирования заданы следующим образом: Низкий и высокий предел рабочего напряжения 14 и 23 кВ  ;низкий и высокий предел конденсатора 0,075 и 0,2 мкФ  ;низкий и высокий предел кол-во разрядов 1000 и 4000 шт  Для каждого фактора вычисляем центр, интервал который будем варьировать и соотношение нормированного  к натуральному  значению по формуле 36. Все полученные результаты вводим в таблицу 3.4. Для вычисления данных по проведенным экспериментам и дальнейшего нахождения коэффициентов регрессии данные факторы приводят к одному. масштабу. Это осуществляется при помощи кодирования переменных. Представим нижний уровень через  , верхний уровень через  , тогда  . Переменные будут вычисляться через по формуле (36) представленной ниже.
Здесь  – является центром плана, – интервал, который варьируют, вычисляют при помощи соотношений  В таком кодировании все найденные переменные будут входить в значение -1 до +1 ,  Таблица 3.4. Кодирование факторов
Строим матрицу по микробиологической загрязненности планирования со средним значением отклика – таблица 3.5. Таблица 3.5 Матрица планирования ПФЭ
Микробиологическая загрязненность исследовалась с помощью прибора EnSURE, рисунок 3.7.  Рисунок 3.7 – Уровень загрязненности воды Объём загружаемой жидкости составляет 2,5 литра. Источник воды был взят из из Московской области , служащий для орошения растений в закрытом грунте. С 10 столбца по 13 наблюдается снижение микробиологической загрязненности. Во втором столбце имеется фиктивная переменная x0 = +1, она необходима для расчета b0. Третий, четвертый, пятый столбец необходим для эксперимента с переменными x1, x2, x3 . Седьмой, восьмой и девятый столбец являются расчетными и служат для произведения x1∙x2, x1∙x3, x2∙x3, x1∙x2∙x3, заносятся в матрицу для вычисления b1,2, b1,3, b2,3, b1,2,3. Для первого эксперимента записана первая строка матрицы, 3 переменные находятся на нижнем уровне. Если  справедливо, то оно и равно усредненному значению переменных  , следовательно, , отсюда  . Показано, что  это усредненное значение параметра оптимизации. Чтобы его вычислить, нужно сложить все  и поделить на число всех опытов (в данном случае их 8). Для расчета коэффициента  применяется вектор-столбец  , для  столбец  [64].
Формулу (37) используем для расчета коэффициента     здесь j – номер фактора, N – сумма (число) опытов, i = 1, 2, ..., k     Запишем получившееся уравнение с найденными коэффициентами
В таблицу 3.6 внесём рассчитанные коэффициенты регрессии. Таблица 3.6 Рассчитанные коэффициенты регрессии
Следующим шагом является вычисление дисперсии воспроизводимости. Воспроизводимость  устанавливает ошибку всего эксперимента. Если в каждом эксперименте равное число наблюдений, то дисперсию вычисляют по формуле (40).
Здесь n – количество экспериментов, в данном случае число строк в матрице ПФЭ; m – количество опытов в отдельном эксперименте; yji – результат каждого  -ого наблюдения в  -ом опыте; –усредненное выборочное значение наблюдений для j-ого экспериментаПредставим формулу (40) в другом виде
Где Sj2 суммы выборочных дисперсий результатов опыта для -ого эксперимента j=(1…,n). Для удобства расчеты покажем в виде таблицы 3.7 Таблица 3.7 Вычисление выборочных дисперсий
Просуммировав элементы по столбцу 9 в таблице 3.7 получим значение:  Производим расчет дисперсии воспроизводимости:  Рассчитываем среднее значение отклонение коэффициентов по формуле (42).
По таблице распределения Стьюдента по числу степеней свободы  . Отсюда  Сравнивая полученное значение  с коэффициентами регрессии по таблице 3.6, можно увидеть, что все коэффициенты кроме  больше по абсолютной величине. Отсюда следует вывод, что коэффициенты кроме являются значимыми. Предполагая  , получаем уравнение регрессии в так называемой кодированной переменной.
Проверим найденное уравнение (43) на адекватность с помощью критерия Фишера. Для нахождения критерия значения  необходимо найти остаточную дисперсию  .Для этого вычислим значения изучаемого параметра по найденному уравнению регрессии  вставляя +1 и -1 вместо согласно номерам из таблицы 3.6.        Остаточную дисперсию вычисляем по формуле 44
Здесь  – число экспериментов – количество опытов в каждом эксперименте – количество значимых экспериментов, находящихся в эксперименте – параметр, найденный по уравнению регрессии для  эксперимента со значимыми коэффициентами – усредненное выборочное значение наблюдений для   Расчетное значение по критерию Фишера находим согласно формуле (45)
Здесь – дисперсия воспроизводимости, вычисленная по формуле (41) – остаточная дисперсия, рассчитанная по формуле (44) Табличное значение по F – критерию Фишера с доверительной вероятностью при  при степени свободы  , тогда  Соответственно  , уравнение регрессии (43) адекватно.Осуществим интерпретацию найденного уравнения (43)  Анализ уравнения показал, что наибольшее влияние осуществляет фактор – напряжение установки, так как он содержит наибольший по абсолютной величине коэффициент.После него по влиянию на отклик идет: количество искровых разрядов–  , парное взаимодействие – , конденсаторная батарея – , парное взаимодействие– , тройное взаимодействие факторов – .Оптимизация факторов происходит по программе крутого восхождения [41, 84]. Этот случай является самым простым в принятии решений. Исследователь может закончить эксперимент, если задача ставилась в достижении области оптимума, либо продолжить, если задача заключалась не только в поиске оптимума, но и детальное изучение. Согласно таблице 3.4 единицы варьирования  ,  . Соответственно  ,  ,  . Шаг варьирования примем значение 0,001 от  . План опыта по так называемому крутому восхождению представлен в таблице 3.8Таблица 3.8 План опыта по крутому восхождению
После составления таблицы 3.8 осуществляем замену в кодированном обозначении на реальные величины и сведём данные в таблицу 3.9. Таблица 3.9. Условия, полученные в реальных величинах
 Рисунок 3.8 – Поверхность отклика Проанализировав таблицу 3.9 можно судить, что с 3 варианта повышение факторов не влияет на изменение микробиологической загрязненности воды. Выход каждого варианта говорит о том, что оптимальное соотношение находится: при напряжении 19,9 кВ, емкости 0,1445 и 2861 искровых разрядов. Проведение исследований по измерению электропроводности в воде после электрогидравлической обработки Следующим действием было измерение электропроводности после электрогидравлической обработки 3 питательных растворов (воды). Электропроводность питательных растворов показывает «силу» раствора. Для этого были найдены режимы и параметры при которых наблюдается электрогидравлический эффект, данный эффект установлен визуально через прозрачную крышку в рабочем органе за счет: 1) движения воды вверх; 2) громкого хлопка; 3) появления искры. Первый технологический режим находился с параметрами: напряжение – 15 кВ; емкость – 0,1 мкФ; индуктивность – 20 мкГн; энергия импульса – 11,3 кДж; воздушный пробой – 10 мм; рабочий зазор между электродами – 8 мм. Второй технологический режим был с параметрами: напряжение – 38 кВ; емкость – 0,1 мкФ; индуктивность – 20 мкГн; энергия импульса – 72,2 кДж; воздушный пробой – 13 мм; рабочий зазор между электродами – 10 мм. Третий технологический режим имеет параметры: напряжение – 50 кВ; емкость – 0,1 мкФ; индуктивность – 20 мкГн; энергия импульса – 125,0 кДж; воздушный пробой – 20 мм; рабочий зазор между электродами – 20 мм. Электропроводность образцов питательных растворов устанавливалась с помощью прибора АТЛАНТ 1200 после 1 мин после ЭГ обработки. Для эксперимента были взяты 3 вида воды (озерная, дистиллированная, водопроводная). Электропроводность дистиллированный воды из обратного осмоса марки Гейзер составляет 108 мкСм/см, электропроводность водопроводной воды из ЮВАО Москвы 355 мкСм/см, озёрной воды 258 мкСм/см. На рисунке 3.9, 3.10, 3.11, представлены зависимости изменения электропроводности от кол-ва разрядов.   Рисунок 3.9 – Изменение значения электропроводности при напряжении 15 кВ   Рисунок 3.10 – Изменение значения электропроводности при напряжения 38 кВ   Рисунок 3.11 – Изменение значения электропроводности при напряжении 50 кВ Повышение электропроводности в 3 образцах обусловлено появлением пузырьков воды и структурированием за счет поляризации заряженных частиц [14]. Во всех образцах наблюдается повышение электропроводности, энергоёмкость процесса пропорционально напряжению. Поэтому для 2 технологического режима энергоэффективность принимает средние значения, также и с точки зрения безопасности. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
