Заболевания сельскохозяйственных животных серьезно ограничивают продуктивность животных и развитие животноводства, чем значительно дестабилизируют экономическое развитие сельскохозяйственных регионов страны. Установлено, что наибольшую опасность с точки зрения заражения сельскохозяйственных животных представляет воздушная среда в помещении. В случае возникновения заражения животных болезнетворными микроорганизмами возникает опасность эпидемии, приводящей к ежегодному ущербу, причиняемому животноводству болезнями и падежом, порядка 15–20% от стоимости продукции. Поэтому разработка технических средств, способствующих улучшению показателей качества воздушной среды в производственном помещении, является актуальной научной задачей [1–3].
В настоящее время применяются следующие способы регулирования качества воздушной среды в производственных помещениях: механический, физический, химический, биологический, комбинированный. Одним из эффективных способов оздоровления и улучшения газового состава воздушной среды является озонирование. При этом свою технологическую эффективность доказали электроозонаторные установки, реализующие различные физические принципы получения озона, в том числе и работающие на основе коронирующего разряда [3–7].
Цель исследования и научная новизна представленных исследований состоит в разработке конструкции электрического озонатора для улучшения показателей качества воздушной среды и санитарного состояния производственных помещений. При этом задачи исследований включали: анализ известных технических решений, разработку конструкции электрического озонатора воздуха, работающего на основе коронирующего разряда, а также проведение теоретических и экспериментальных исследований.
Материалы и методы исследования
Методология исследований предполагала использование методов патентного поиска, теории процессов электроозонирования, методов математической статистики и планирования эксперимента применительно к электрофизическим способам улучшения показателей качества воздушной среды в производственных помещениях, а также методов регрессионного анализа с графическим представлением результатов эксперимента.
Результаты исследования и их обсуждение
В представленных исследованиях в качестве прототипа была выбрана электроозонаторная установка, работающая на основе коронирующего разряда и состоящая из источника высокого напряжения, электродов и вентилятора [8]. Недостатками данной установки являются отсутствие защиты от включения и выключения устройства в случае отказа работы вентилятора или выхода из строя генератора высокого напряжения, а также низкая надежность электродов из-за коаксиального расположения их с диэлектриком, что может привести к пробою электрического разряда непосредственно на корпус установки.
Поэтому для исключения имеющихся недостатков в ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ на кафедре «Электрооборудование и электротехнологии в АПК» была разработана новая конструкция излучателя электроозонатора на коронном разряде. Излучатель выполнен в виде двух керамических оснований с закрепленными на них вольфрамовыми электродами, на одном основании – в виде сетки, имеющей сотовую форму ячейки, на другом – в виде иглы. Конструкция разработанного излучателя предусматривает регулировку воздушного зазора между керамическими основаниями и электродами, благодаря чему обеспечивается регулировка производительности излучателя на одном источнике высокого напряжения [9–11]. Схема и внешний вид излучателя представлены на рисунке 1.
а)
б)
Рис. 1. Схема (а) и внешний вид (б) излучателя
Общая технологическая схема конструкции электрического озонатора воздуха, работающего на основе коронирующего разряда, представлена на рисунке 2.
В качестве регулируемого генератора высокого напряжения используется импульсный источник. На конденсаторах развивается удвоенное амплитудное значение входного напряжения. Соответственно, конденсаторы и диоды схемы могут быть рассчитаны на необходимое напряжение. Выходящее напряжение генератора высокого напряжения определяется по следующей формуле:
Uвых = n ∙ Uвх , (1)
где n – количество каскадов, шт;
Uвх – входящее напряжение на умножитель, Uвх = 220 В.
Рис. 2. Конструкция электрического озонатора воздуха, работающего на основе коронирующего разряда: 1 – защитная сетка; 2 – электродвигатель; 3 – лапки крепления электродвигателя; 4 – лопасти вентилятора; 5 – блок управления; 6 – предохранители; 7 – кнопка включения/выключения; 8 – кронштейн крепления; 9 – вакуумный флюгер; 10 – регулируемый генератор высокого напряжения; 11 – компрессор; 12 – излучатель; 13 – кронштейн крепления; 14 – озоноустойчивый корпус; 15 – прорезиненные ножки; 16 – датчик озона; 17 – датчик контроля озона; 18 – датчик контроля температуры воздуха
В соответствии с (1) для обеспечения выходного напряжения 20000–30000 В необходимо задействовать от 90 до 140 выходных каскадов. Конструкция электроозонатора позволяет обеспечить высокую производительность по озону. Компактность конструкции и возможность изменения числа модулей излучателя создают перспективу для изготовления как высокопроизводительных, так и малогабаритных маломощных переносных озонирующих устройств.
Производительность устройства по озону должна увязываться с производительностью системы вентиляции. Максимальный часовой расход озона при использовании принудительной вентиляции можно определить по формуле:
МОЗ = (LB ∙ qOЗ.max) / kOЗ , (2)
где LB – подача воздушных масс в производственное помещение, м3/ч;
qOЗ.max – максимальная расходная доза озона, мг/м3;
kOЗ – коэффициент эффективности использования озона.
Ниже на рисунке 3 приведена расчетная поверхность максимального часового расхода озона при максимальной расходной дозе озона 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 мг/м3.
Анализ приведенной расчетной поверхности показывает, что величина максимального часового расхода озона возрастает с увеличением подачи и максимальной расходной дозы озона.
Для проведения экспериментальных исследований был разработан и изготовлен опытный образец электрического озонатора воздуха, работающего на коронном разряде. Общий вид установки показан на рисунке 4.
На базе опытного образца электрического озонатора и комплекта электроизмерительных приборов был создан экспериментальный стенд для проведения исследований по выявлению взаимосвязи между техническими и электрическими параметрами работы озонатора и технологическими параметрами, определяющими процесс озонирования, включая концентрацию озона на выходе из рабочей зоны озонатора. Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда представлена на рисунке 5.
Рис. 3. Расчетная поверхность максимального часового расхода озона
Рис. 4. Разработанный опытный образец электрического озонатора воздуха на коронном разряде
Рис. 5. Схема экспериментального стенда: 1 – электрический озонатор воздуха; 2 – анализатор озона; 3 – генератор высокого напряжения; R1;R2 – делитель напряжения; ~ – осциллограф; V – вольтметр; А – амперметр
Экспериментальные исследования работы электрического озонатора проводились в соответствии с реализацией плана второго порядка Коно для 2-факторного эксперимента.
В качестве целевой функции была принята концентрации озона (мг/м3) в воздушной среде. Основные воздействующие факторы при проведении эксперимента представлены в таблице 1 [12].
Таблица 1
Целевая функция и основные воздействующие факторы эксперимента
|
Факторы |
Кодированное значение фактора |
Интервал варьирования |
||||
|
–1 |
–0,5 |
0 |
+0,5 |
+1 |
||
|
Напряжение на излучателе, кВ |
20 |
22,5 |
25 |
27,5 |
30 |
2,5 |
|
Разрядный промежуток, мм |
25 |
27,5 |
30 |
32,5 |
35 |
2,5 |
Таблица 2
Результаты эксперимента (с учетом дублирования опытов)
|
№ |
X1 |
X2 |
Y1n |
Y2n |
Y3n |
Y4n |
Yср |
Sn2 |
Sn12 |
Sn22 |
Sn32 |
Sn42 |
|
1 |
– |
– |
3,22 |
2,91 |
3,63 |
2,63 |
3,098 |
0,5522 |
0,015 |
0,0352 |
0,2836 |
0,2186 |
|
2 |
+ |
– |
0,09 |
0,12 |
0,16 |
0,18 |
0,138 |
0,0048 |
0,0023 |
0,0003 |
0,0005 |
0,0018 |
|
3 |
– |
+ |
9,71 |
9,18 |
8,71 |
9,96 |
9,390 |
0,9338 |
0,1024 |
0,0441 |
0,4624 |
0,3249 |
|
4 |
+ |
+ |
3,82 |
3,28 |
4,22 |
3,48 |
3,700 |
0,5096 |
0,0144 |
0,1764 |
0,2704 |
0,0484 |
|
5 |
– |
0 |
6,12 |
6,38 |
6,92 |
5,83 |
6,313 |
0,6435 |
0,0371 |
0,0046 |
0,3691 |
0,2328 |
|
6 |
+ |
0 |
1,7 |
1,85 |
2,4 |
1,6 |
1,888 |
0,3819 |
0,0352 |
0,0014 |
0,2627 |
0,0827 |
|
7 |
0 |
– |
1,65 |
2,15 |
1,48 |
2,32 |
1,900 |
0,4778 |
0,0625 |
0,0625 |
0,1764 |
0,1764 |
|
8 |
0 |
+ |
7,85 |
7,35 |
8,2 |
6,97 |
7,593 |
0,8817 |
0,0663 |
0,0588 |
0,3691 |
0,3875 |
|
9 |
0 |
0 |
4,85 |
5,34 |
4,38 |
4,29 |
4,715 |
0,7017 |
0,0182 |
0,3906 |
0,1122 |
0,1806 |
Рис. 6. Изменение концентрации озона в зависимости от натуральных значений напряжения на излучателе и расстояния разрядного промежутка
Проведение эксперимента происходило при следующих условиях: площадь излучателя: 180 см2; диаметр игольчатого электрода: 2 мм; размер ячейки сетчатого электрода: 3,5х3,5 мм; температура воздуха: 21°C; влажность воздуха: 64%; скорость воздушных масс: 0,5 м/с.; продолжительность работы между замерами: 20 мин. Результаты эксперимента (с учетом дублирования опытов) представлены в таблице 2. Данные заполняются согласно расчетной матрице.
Полученная по экспериментальным данным математическая модель влияния напряжения на излучателе, кВ (х1), и разрядного промежутка между электродами, мм (x2), на концентрацию озона (мг/м3) (y) в кодированных переменных имеет вид:
, (3)
где b0 = 4,74, b1 = –2,18, b2 = 2,59, b1.2 = –0,46, b11 = –0,6483 – коэффициенты регрессионного уравнения.
Коэффициенты уравнения являются значимыми, адекватность модели удовлетворяет критерию Фишера (Fрас = 2,88 ≤ Fтабл = 3,16). На рисунке 6 представлена построенная по уравнению (3) расчетная поверхность изменения концентрации озона в зависимости от натуральных значений напряжения на излучателе и расстояния разрядного промежутка.
Согласно приведенной поверхности следует отметить, что концентрация озона возрастает с увеличением напряжения и уменьшением расстояния разрядного промежутка, что согласуется с общими теоретическими положениями об образовании озона при коронном разряде. Установлено также, что для исследуемой конструкции электроозонатора наибольшие значения концентрации озона (до 10 мг/м3) достигаются при напряжении 30 кВ и воздушном промежутке 25 мм. Увеличение напряжения и уменьшение воздушного промежутка приводят к нарушению озонообразования с переходом в обыкновенный электрический разряд, что недопустимо.
Заключение
Получены новые результаты по разработке электрического озонатора для обеззараживания воздуха в животноводческих помещениях. На основе материалов исследований можно сделать следующие выводы.
Разработана конструкция электрического озонатора воздуха, работающего на основе коронирующего разряда, и системы озонирования воздуха, достоинствами которой являются: обеспечение надежности работы; защита от перегрева и критической концентрации озона внутри помещения в одном месте; обеспечение равномерности дезинфекции помещения.
При проведении экспериментальных исследований выявлена зависимость влияния конструктивных параметров электроозонатора на выход озона. Установлено, что концентрация озона возрастает с увеличением напряжения и уменьшением расстояния разрядного промежутка, что согласуется с общими теоретическими положениями об образовании озона при коронном разряде. Установлено, что для предлагаемой конструкции электроозонатора наибольшие значения концентрации озона (до 10 мг/м3) можно получить при напряжении 30 кВ и воздушном промежутке 25 мм. Увеличение напряжения и уменьшение воздушного промежутка приводят к нарушению озонообразования с переходом в обыкновенный электрический разряд, что недопустимо.
На основе проведенных экспериментальных исследований можно утверждать, что конструкция электрического озонатора в полной мере обеспечивает требуемые значения концентрации озона на выходе из озонатора. Применение разработанного электрического озонатора в системе вентиляции и кондиционирования будет способствовать улучшению показателей качества воздушной среды в производственном помещении.