Обоснование параметров и режимов работы генератора озона для обеззараживания комбинированных кормов высококонцентрированной озоно-воздушной смесью

Одной из основных проблем современного животноводства является биологическая безопасность. Ускоренное развитие промышленного животноводства, а именно птицеводства и свиноводства, применение интенсивных методов выращивания и содержания животных выдвинули перед наукой целый ряд важных проблем, в том числе проблему обеспечения животных качественными экологически безопасными кормами
Возникшие в последнее время заболевания сельскохозяйственной птицы и свиней, носящие пандемический характер серьѐзным образом ограничивают развитие животноводства, особенно в западных и югозападных регионах Российской Федерации. Чем значительно дестабилизируют экономическое развитие этих регионов, преимущественно сельскохозяйственных, поскольку смещают акцент производственной деятельности только в сторону производства злаковых культур.
Наибольшую опасность, с точки зрения заражения сельскохозяйственных животных, представляет кормовая база, особенно если учесть тот факт, что в целях «экономии» большинство сельхоз производителей не производит необходимой термической обработки.
Изучению способов и методов обработки, разработке и совершенствованию систем обеззараживания посвящены работы таких учѐных, как: А.Ф. Першин, Ш.В. Мавлютов, Н.В. Ксѐнз, В.Г. Диндорого, А.А. Смирнов, И.П. Кривопишин, Д.А. Нормов, С.В. Оськин, В.И. Пахомов, А.Н. Васильев, В.В. Кириченко, А.В. Дубровин, В.П. Петренков, Л.М. Завада, В.И. Голота, Г.В. Таран, С.Г. Пугач, А.В. Яковлев, К.Н. Буханцов, А.А. Парапонов, Г.П. Стародубцева, В.И. Хайновский, А.А. Хащенко, С.И. Любая, В.А. Максименко, Е.И. Рубцова, О.С. Копылова, Д.А. Овсянников, П.В. Гуляев, А.В. Дульский, А.А. Шевченко, Г.В. Степанчук, В.К. Андрейчук, и др.
Однако, несмотря на достаточно большое количество научных исследований, разработка новых технологий обеззараживания кормов, направленных на экономичность и энергосбережение при сохранении экологической безопасности, является актуальной научнотехнической задачей
Объект исследований – процесс синтеза озона в барьерном разряде.
Предмет исследований – взаимосвязи производительности озонатора с энергетическими и конструктивными параметрами генератора озона
Цель исследования – обоснование параметров и режимов работы генератора озона для обеззараживания комбинированных кормов высококонцентрированной озоно-воздушной смесью, обеспечивающей высокую эффективность обеззараживания при минимальном времени обработки.
Задачи исследований:
1. Теоретически обосновать факторы, влияющие на производительность барьерного генератора озона компрессорного типа, и разработать математическую модель системы «трубчатый генератор озона – источник питания»
2. Разработать конструкцию высокопроизводительного барьерного генератора озона компрессорного типа
3. Разработать рекомендации по интеграции генератора озонав существующие системы производства комбинированных кормов и методику расчета производительности системы обеззараживания.
4. Экспериментально проверить результаты теоретических исследований работы трубчатого генератора озона и экономической оценки эффективности его применения в системах обеззараживания комбинированных кормов.
Научную новизну представляют
1. Математическая модель системы «трубчатый генератор озона – источник питания»
2. Теоретические и экспериментальные зависимости производительности трубчатого генератора озона от параметров регулирования
3. Теоретическая и экспериментальная зависимости между минимальной концентрацией озоно-воздушной смеси и экспозицией обработки для обеззараживания комбинированных кормов
Теоретическая и практическая значимость работы.
– получены экспериментальные зависимости между минимальной концентрацией озоно-воздушной смеси и экспозицией обработки для обеззараживания комбинированных кормов;
– разработана методика расчѐта производительности генератора озона для обеззараживания комбинированных кормов, применимая к любым линиям кормоприготовления;
– создана конструкция высокопроизводительного энергоэффективного генератора озона компрессорного типа и устройство защиты озонаторов от аварийных режимов (Пат. 125404).
Методология и методы исследований. В работе использованы методы математической статистики и регрессионного анализа, прикладное программное обеспечение для моделирования, специализированные математические пакеты, программное обеспечение общего назначения, физические экспериментальные исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Математическая модель системы «трубчатый генератор озона – источник питания».
2. Результаты математического моделирования и экспериментальные исследования зависимости производительности озонатора от энергетических и конструктивных параметров генератора озона.
3. Методика расчѐта производительности системы обеззараживания комбинированных кормов.
4. Зависимость между концентрацией озоно-воздушной смеси и экспозицией обработки для обеззараживания комбинированных кормов
Степень достоверности и апробация результатов
Результаты исследований докладывались на научнопрактических и научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО АЧГАА (позже Азово-Черноморский инженерный институт филиал ФГБОУ ВО Донской ГАУ в г. Зернограде) (2011 – 2017 гг.), СтГАУ (г. Ставрополь, 2011 – 2012 гг.), ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии (г. Зерноград, 2011 – 2014 гг.), ВИЭСХ (г. Москва, 2015 г.).
Научные достижения были представлены на XVI и XVIII Агропромышленных форумах юга России (г. Ростов-на-Дону, 2013 г., 2015 г.), по результатам конкурсов в 2013 г. награжден серебряной медалью за разработку «Озонатор ОЗОН-60 ПВ (ПК) и рециркулятор УФР-100», в 2015 г. золотой медалью «За внедрение технологии озонирования сельскохозяйственных помещений и сельскохозяйственной продукции». По итогам XVII Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (Москва, МВЦ КРОКУС ЭКСПО 8 – 11 октября 2015 г.), награжден бронзовой медалью «За разработку безопасного обеззараживания сельскохозяйственного сырья, готовой продукции, дезинфекции сельскохозяйственных помещений».
Результаты научной деятельности были представлены в программе «У.М.Н.И.К.» по Ростовской области (2011 – 2015 гг.) и молодежном инновационном конвенте Ростовской области (г. Ростовна-Дону 2012 – 2014 гг.). По итогам конкурса КОНВЕНТ 2013 в номинации «Лучший инновационный продукт» награжден дипломом второго места, удостоен премии губернатора Ростовской области.
Результаты работы были внедрены на учебно-опытном фермерском хозяйстве ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия, ЗАО «Князь Владимир» Ремонтненского района Ростовской области, ООО «Ростовремагропром» г. Ростов-на-Дону, а также апробированы в ЗАО «Птицефабрика Гуляй-Борисовская».
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 патент РФ. Общий объем публикаций – 5,43 печ. л., из которых 2,36 печ. л. принадлежат лично автору.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и приложений. Изложена на 152 страницах, библиографический список состоит из 182 наименований, в том числе 22 на иностранном языке. Приложения к диссертации даны на 28 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель работы, объект исследования, предмет исследования, методика исследований, научная новизна, практическая значимость, реализация результатов, положения, выносимые на защиту, апробация работы
В первой главе «Современное состояние систем обеззараживания кормов» дана краткая характеристика способов обеззараживания (рис. 1) и наиболее перспективные конструктивные решения.
Рисунок 1 – Классификация способов обеззараживания комбинированных кормов
В результате анализа научных трудов были выявлены основные достоинства и недостатки различных способов обеззараживания кормов.
Определено, что на сегодняшний день самым эффективным и безопасным способом обеззараживания кормов является комбинированный химический и электрофизический способ – озонирование. В котором синтез химического реагента производится непосредственно на месте обработки, из атмосферного воздуха и в любых количествах.
Однако, отсутствие дешѐвых, простых и надѐжных конструкций озонаторов высокой производительности сместили акцент разработки систем обеззараживания в сторону работы на малых концентрациях озоно-воздушной смеси, с большой экспозицией обработки, что ограничивает их применение для обеззараживания больших объемов кормов за малое время.
Поэтому необходимо разработать такой озонатор и систему обеззараживания, которые позволяли бы обрабатывать большие массы кормов за короткое время, при этом чтобы их интеграция в существующие технологические циклы кормоприготовления была очень простой и безопасной, а энергопотребление в процессе обработки было минимально возможным.
На основании предварительного анализа была сформулирована научная гипотеза: применение высококонцентрированной озоновоздушной смеси (ОВС) позволит снизить время обеззараживания и энергетические затраты при сохранении требуемых показателей качества корма
А также рабочая гипотеза высококонцентрированная ОВС может быть получена при наличии трубчатого генератора озона барьерного типа с заданными параметрами
Определены объект и предмет исследования, а также поставлен ряд задач для достижения цели
Во второй главе «Разработка системы обеззараживания» перед тем как теоретически описывать факторы, влияющие на производительность генератора озона, рассмотрена теория синтеза озона в барьерном разряде.
Теория синтеза основана на следующих положениях:
1. Если к гомеополярной молекуле кислорода приложить электрическое поле с высокой напряжѐнностью, то произойдѐт вначале вытягивание молекулы со смещением координат протонов и орбит электронов (поляризация молекулы). Одновременно с этим происходит направленное ускоренное движение заряженных частиц (электронов) в поле между приложенными электродами. Электроны «соударяясь» с молекулой кислорода выбивают электроны с орбиты, разрушая ковалентные связи, и одновременно электроны отдают часть энергии в виде квантов света «фотонов», которые, собственно говоря, и видны как свечение «разряда», и тепловой энергии. Происходит диссоциация молекулы на аэроионы и растаскивание их к противоположным полюсам электростатического поля. А атомы, у которых на орбите не будет хватать электронов, будут положительными аэроиономи.
2. Образование же молекулы озона происходит при смене полярности электрического поля. Аэроионы резко меняют направление своего движения и разгоняются при движении в сторону противоположных электродов. В тот момент, когда напряжѐнность электрического поля мала или равна нулю аэроионы выскакивают за границу действия электростатических сил, соударяются с молекулярным кислородом (О2) и образуют с ним дополнительную ковалентную связь, т.е. образуется молекула озона (О3).
Также во второй главе определено, что самым высокопроизводительным генератором озона является объѐмно-барьерный. В таком генераторе напряжѐнность электрического поля практически однородная и рассредоточена по всей площади электродов. Весь объем кислорода, попадающий между электродом и барьером, диссоциирует на ионы и при выходе из зоны разрыва синтезируется в озон.
Выявлено, что для увеличения производительности барьерного генератора озона можно повышать напряжѐнность электрического поля, приток воздуха к «разрядным зонам» и частоту питающего напряжения. У игольчатых и поверхностно-барьерных озонаторов эта возможность ограничена, так как наступает предел электрической прочности воздуха, а затем происходит пробой.
На основании вышеизложенного была составлена классификация факторов, влияющих на производительность озонатора (рис. 2) Рисунок 2 – Классификация факторов, влияющих на производительность озонатора
Предположив, что на производительность озонатора сильнее всего оказывает влияние именно напряжѐнность электрического поля, а она зависит как минимум от двух факторов из представленных в классификации: величины напряжения и расстояния между электродами, (рис. 2) то для расчѐта производительности необходимо сначала провести анализ пространственного распределения силовых линий напряжѐнности в «разрядных зонах». Для этого воспользуемся пространственной схемой распределения эквипотенциальных поверхностей (рис. 3). Рисунок 3 – Модель пространственного распределения напряжѐнности неоднородного электрического пол
Было проведено математическое моделирование производительности барьерного генератора озона, результаты представлены на рисунке 4(а) и 4(б). а) зависимость величины питающего напряжения и частоты, при постоянной подаче воздуха 900 м3 ∙ч., б) зависимость величины подачи воздуха и частоты питающей сети, при постоянном напряжении 7500 В Рисунок 4 – Графики математического моделирования
Подтвердить теоретические расчѐты можно, только проведя экспериментальные исследования
Следующей задачей исследований была разработка системы обеззараживания кормов. Для обеззараживания комбинированных кормов предлагается простой и малозатратный способ – озонирование в потоке непосредственно во время движения комбикорма в процессе выгрузки (рисунок 5).
Как правило, в кормоцехах выгрузка комбикорма из смесителя производится при помощи шнековых транспортѐров. Транспортѐр доставляет готовый комбикорм в бункер готовой продукции, находящийся за пределами кормоцеха (т.е. на открытом воздухе).
Если производить подачу высококонцентрированной озоновоздушной смеси под избыточным давлением непосредственно в рабочую зону транспортѐра, то это обеспечит его равномерное перемешивание с кормом. При этом для обеспечения озонирования нет необходимости каким-либо образом изменять основной технологический процесс кормоприготовления. 1 – смеситель; 2 – бункер готовой продукции; 3 – шнековый транспортѐр, 4 – озонатор; 5 – компрессор Рисунок 5 – Технологическая схема обеззараживания комбикорма при выгрузке из смесителя
Для обеспечения высокой производительности системы обеззараживания комбинированных кормов необходимо применять высокопроизводительные генераторы озона компрессорного типа, способные работать без разрушения под избыточным давлением до 4…6 ат
Для разрабатываемой системы обеззараживания предлагается использовать конструкцию озонатора компрессорного типа, показанную на рисунке 6.
Работает компрессорный генератор озона следующим образом.
Воздух из компрессора, прошедший осушку в осушителе, подаѐтся через штуцер внутрь корпуса озонатора, проходит через первую кассету, частично преобразовываясь в озон, затем разбивается перемешивающим вентилятором и попадает во вторую генерирующую кассету, увеличивая концентрацию озона. Перемешивающий вентилятор принуждает воздух внутри озонатора, многократно пройти через разрядные зоны генерирующих кассет, многократно повышая концентрацию озоно-воздушной смеси. Уже высококонцентрированная смесь выходит через штуцер 2 и подаѐтся непосредственно в рабочую зону выгрузного шнекового транспортѐра, обеззараживая комбикорм 1 – полиэтиленовый корпус; 2 – высоковольтный блок питания; 3 – n-сегментный кассетно-трубчатый барьерный генератор озона; 4 – герметизирующие крышки с внутренним направляющим профилем; 5 – пориплексовые демпфирующие распорки; 6 – встречнонаправленный перемешивающий вентилятор; 7 – штуцера для присоединения к компрессору и к шнековому транспортѐру Рисунок 6 – Конструкция разрабатываемого компрессорного генератора озона
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» сформулированы задачи и программа исследований. Приведены общие и частные методики, схемы проведения экспериментальных исследований, методика проверки воспроизводимости экспериментальных данных.
Задачами экспериментальных исследований являются:
– оценка качества диэлектриков барьера и определение диэлектрической проницаемости εr и угла диэлектрических потерь;
– определение минимальной напряжѐнности электрического поля, необходимой для генерации озона и максимальной исходя из электрической прочности диэлектрика барьера;
– определение оптимального размера ячейки сетчатых электродов, обеспечивающего максимальную удельную производительность барьерного генератора при следующих постоянных величинах: Uп-const; hб-const; T-const; Qв-const; φ-const;
– определение оптимального расстояния между барьером и сетчатыми электродами, обеспечивающего максимальную производительность барьерного генератора при следующих постоянных величинах: Uп-const; S-const; T-const; Qв-const; φ-const;
– определение оптимальной толщины барьера обеспечивающей максимальную производительность барьерного генератора при следующих постоянных величинах: Uп-const; S-const; T-const; Qв-const; φ-const;
– определение зависимости производительности барьерного генератора от площади поверхности электродов, при следующих постоянных величинах: Uп-const; h-const; T-const; Qв-const; φ-const; f-const.;
– определение зависимости производительности барьерного генератора от величины питающего напряжения и напряжѐнности электрического поля, при следующих постоянных величинах: S-const; h-const; T-const; Qв-const; φ-const; f-const;
– определение зависимости производительности барьерного генератора от частоты питающего напряжения, при следующих постоянных величинах: S-const; h-const; T-const; Qв-const; φ-const; Uп-const;
– определение зависимости производительности барьерного генератора от объѐма прокачиваемого воздуха, при следующих постоянных величинах: S-const; h-const; T-const; Uп-const; φ-const; f-const;
– определение зависимости производительности барьерного генератора от температуры прокачиваемого воздуха, при следующих постоянных величинах: S-const; h-const; Qв -const; Uп-const; φ-const; f-const;
– определение экспозиции и концентрации озоно-воздушной смеси, для снижения обсеменѐнности одного килограмма комбинированных кормов патогенной микрофлорой на 98%
В четвѐртой главе «Экспериментальные исследования режимов работы барьерного озонатора с трубчатым генератором озона» представлены результаты экспериментальных исследований.
Внешний вид экспериментальной установки по определению параметров озоно-воздушной смеси при поточном обеззараживании показан на рисунке 7. Конструкция экспериментального генератора озона в разобранном виде приведена на рисунке 8. Рисунок 7 – Внешний вид экспериментальной установки 1 – полиэтиленовый корпус, 2 – высоковольтный блок питания, 3 – кассетно-трубчатый генератор озона, 4 – вентилятор; 5 – блок питания вентилятора
Рисунок 8 – Конструкция экспериментального генератора озона в разобранном виде
Результаты проведѐнных экспериментальных исследований, выполнены согласно предложенной программе, представлены на рисунках 9…18. Рисунок 9 – Сравнительный график теоретической и экспериментальной зависимости производительности озонатора от величины приложенного напряжения Рисунок 10 – График экспериментальной зависимости удельной производительности озонатора от размера ячейки сетчатого электрода при напряжѐнности электрического поля Е = 8572 В/мм Рисунок 11 – График экспериментальной зависимости концентрации на выходе озонатора при изменении воздушного зазора между электродами и диэлектрическим барьером, при напряжении питания генератора 7,5 кВ Рисунок 12 – График экспериментальной зависимости концентрации на выходе озонатора при изменении толщины диэлектрического барьера при напряжении питания генератора 7,5 кВ Рисунок 13 – Сравнительный график теоретической и экспериментальной зависимости производительности озонатора от площади электродов Рисунок 14 – Сравнительный график теоретической и экспериментальной зависимости производительности озонатора от частоты питающего напряжения Рисунок 15 – График экспериментальной зависимости удельной мощности потребляемой озонатором на генерацию одного грамма в час озона при изменении частоты питающей сети Рисунок 16 – График экспериментальной зависимости производительности озонатора от скорости воздушного потока
Рисунок 17 – График экспериментальной зависимости производительности озонатора от температуры подаваемого воздушного потока Рисунок 18 – График экспериментальной зависимости концентрации озоно-воздушной смеси от экспозиции обработки, требуемой для снижения обсеменѐнности комбикорма влажностью 30% на 98%
В пятой главе «Оценка экономической эффективности применения системы обеззараживания кормов озоно-воздушной смесью» рассчитана стоимость штучного образца НИОКР 65,44 тыс. руб
На примере типового птичника яичного направления на 500 тыс. голов рассчитан возможный годовой экономический ущерб от недополученной прибыли из-за отравления микотоксинами, который может составить 840,32…1134,97 тыс. руб.
При дополнительных капитальных затратах в 65,44 тыс. руб. на модернизацию системы обеззараживания кормов озоно-воздушной смесью чистый дисконтированный доход за семь лет составит 4623,57…7277,84 тыс. руб., а срок окупаемости составит менее 1 месяца.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненных исследований
1. На основании анализа факторов, влияющих на производительность трубчатого генератора озона барьерного типа, таких как параметры питающего напряжения, конфигурация и геометрические размеры электродов и параметры прокачиваемого газа, разработана математическая модель, позволяющая рассчитать конструктивные параметры генератора озона с требуемыми выходными характеристиками, а именно достичь концентрации 2 г/м3 при подаче компрессора 2 м3/мин. и тем самым обеспечить минимальное время обработки 3 с и достижение эффективности обеззараживания 98%.
2. При разработке конструкции компрессорного генератора озона определено, что использование внутри корпуса перемешивающего вентилятора с производительностью 10 м3 /ч позволяет за счѐт увеличения притока кислорода к «разрядным» зонам увеличить производительность озонатора в 3,5 раза (65…250 г/ч) при увеличении энергопотребления всего на 2%. Увеличение производительности перемешивающего вентилятора свыше 10 м 3 /ч не приводит к увеличению производительности озонатора, поскольку излишняя кавитация приводит к рекомбинации молекул озона.
3. Анализ кормоприготовительных линий показал, что наиболее приемлемым звеном для интеграции установки обеззараживания является выгрузной шнековый транспортер. Предлагаемая методика позволяет рассчитать параметры системы обеззараживания в зависимости от производительности кормоприготовительной линии. Так, например, для обработки 70 тонн комбикорма в смену (9 тонн в час), необходимо использовать озонатор производительностью не менее 245 г/ч и нагнетающий компрессор с подачей не менее 2000 л/мин
4. На основании проведенных экспериментальных исследований определено:
– для генерации озона напряжѐнность электрического поля в барьере должна быть не менее 1860 В/мм, так как при меньшей напряжѐнности генерация озона не происходит. При увеличении напряжения производительность озонатора увеличивается пропорционально и практически линейно, но при напряжении свыше 20 кВ, что соответствует напряжѐнности 28,6 кВ/мм, сильная ионизация прокачиваемого через озонатор воздуха начинает увеличивать сопротивление воздушному потоку и значительно влиять на производительность озонатора;
– при беззазорном размещении сетчатых электродов по поверхности барьера наилучшая производительность достигается на размерах ячейки сетки от 1,5×1,5 до 2×2 мм. При этих размерах ячейки одновременно обеспечивается и хороший доступ воздуха в разрядные зоны (зоны максимальной напряжѐнности) и достаточное количество этих зон на единицу площади поверхности барьера;
– производительность озонатора прямо пропорционально зависит от площади электродов и с достоверностью 99,77% описывается уравнением Q = 381.13 * Sэ + 1.0655 . При питании озонатора напряжением с частотой от 25 до 1 кГц удельная мощность на генерацию озона возрастает практически линейно с увеличением частоты питающей сети, однако на частотах свыше 1 кГц удельная мощность возрастает непропорционально быстро. Следовательно, не рекомендуется использовать в озонаторах высокочастотные источники питания, так как возрастающие потери в диэлектриках могут привести к нежелательному перегреву «разрядных» зон барьера и разрушению диэлектрика;
– наилучшая производительность озонатора на неосушенном воздухе с влажностью 60–70% достигается при температуре входящего воздушного потока от 0 до 20 0С. Значительное снижение производительности озонатора на высоких температурах связано с усилением Броуновского движения молекул озона и воздуха и, как следствие, с ускорением распада озона;
– доза обработки озоном комбикорма для снижения обсеменѐнности на 98% должна быть не менее 4,347 мг∙ч/
5. На основании технико-экономических расчѐтов определено, что при дополнительных капитальных вложениях в систему обеззараживания в 65,44 тыс. рублей, для типовой ПТФ на 500 тыс. кур-несушек годовой экономический эффект может составить 840…1134 тыс. руб., а срок окупаемости – 0,06…0,08 года.
Рекомендации производству
1. При интегрировании системы обеззараживания в линию приготовления сыпучих кормов, необходимо обеспечить угол входа дезенфектанта в рабочую камеру менее 90º, патрубки, подающие озоновоздушную смесь, установить вдоль корпуса шнекового транспортера по направлению движения обрабатываемого материа
2. Производительность озонатора согласовать с подачей шнекового транспортера, учитывая длину шнекового транспортера определить длительность нахождения обрабатываемого материала в зоне обработки. При этом обеспечить заполнение рабочей зоны шнекового транспортера на 80–90%
Перспективы дальнейшей разработки темы
1. Исследовать уровень обсемененности кормов от времени года для возможности плавного или ступенчатого регулирования производительности озонатора.
2. Оценить эксплуатационную надежность системы обеззараживания и совместимость материалов корпуса линии с озоном
3. Разработать систему автоматического контроля и регулировки параметров озонатора при изменении условий окружающей среды параметров линии кормоприготовления.