141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/49050
Переглянути
Документ Методи обробки рідин за допомогою високовольтних розрядів і сильних імпульсних електричних полів(Національний технічний інститут "Харківський політехнічний інститут", 2021) Макогон, Артем ВіталійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141– Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процеси при обробці рідин сильними імпульсними електричними полями і високовольтними розрядами. Предметом дослідження є процеси розвитку розрядів у газових бульках при знезаражувальній обробці і очищенні води такими розрядами і процеси формування сильних імпульсних електричних полів в робочих камерах при знезаражувальній обробці молока, молочної сироватки, води. Дослідження виконано за допомогою фундаментальних положень техніки сильних електричних та магнітних полів, техніки високих напруг, теоретичної електротехніки, математичної фізики, чисельних методів аналізу, сучасних інформаційних технологій та методів вимірювання швидкоплинних процесів. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача обробки рідин за допомогою високовольтних розрядів у газових бульках у воді і сильних імпульсних електричних полів. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено огляд використання імпульсних, в тому числі розрядних, технологій для обробки рідин. Наведено механізми очистки води від різноманітних домішок і інактивації мікроорганізмів, в тому числі кишкової палички Escherichia coli під впливом коронних розрядів, іскрового і дугового розряду, бар’єрного розряду, озонування, вдосконалених процесів окислення у реакторах з розрядами біля поверхні води, усередині води та у газових бульках у воді. Розглянута обробка води і текучих продуктів за допомогою сильних імпульсних електричних полів. Основний принцип технології обробки імпульсними електричними полями (ІЕП) полягає в застосуванні коротких імпульсів сильних електричних полів тривалістю від нано- до мілісекунд і напруженостей порядку 10-80 кВ/см. Технологія ІЕП представлена, як така, що має переваги в порівнянні, наприклад, з термообробкою, тому що вона ефективніше інактивує мікроорганізми і краще підтримує первісний колір, смак, текстуру і поживну цінність соків, вин, молочних продуктів. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі показано яким чином експериментально досліджено і проведено знезаражувальну обробку текучих харчових продуктів (молока, молочної сироватки, води), засіяних показовими бактеріями – Escherichia coli, за допомогою комплексу високовольтних імпульсних дій (КВІД). Виконано експериментальну перевірку роботи генератора імпульсних напруг Аркадьєва-Маркса в режимі покаскадного загострення фронту імпульсів на навантаження не більше 50 Ом у вигляді трьох робочих камер з оброблюваною водою, включених паралельно. Експериментально отримані розряди в газових бульках з характерним розміром 1-4 см в воді. Частота проходження розрядів досягала 10000 імп/с при амплітуді імпульсів напруги на реакторі 8 кВ і струмах в розрядному контурі приблизно 0,2 А. Попередні дослідження щодо очищення води, використовуваної при виробництві коксу, а також води поверхневих водойм показали, що за допомогою розрядів в газових бульках в ній вода ефективно очищається від фенолів (зменшення на 60,3%), роданидов (зменшення на 94%). Річкова вода освітлюється і робиться більш прозорою, усуваються небажані запахи, зменшується біохімічне споживання кисню нею. Створено експериментальний стенд для очищення води за допомогою наносекундних розрядів в газових бульках. З його допомогою отримано розряди наносекундної тривалості в газових бульках усередині води. Частота проходження розрядів досягала 2500 імп/с при амплітуді імпульсів напруги на реакторі 30 кВ і амплітуді імпульсів струму в розрядному контурі до 35 А. Показана можливість очищення води, що містить нітрат амонію NH₄NO₃, від аміаку. Досягнуто зменшення концентрації аміаку (NH₃) на 37%. Продемонстровано повна інактивація бактерій при обробці 3 л водопровідної води, з бактеріями E. coli при початковій концентрації 10⁶ КУО/см³ (КУО ‒ колоніє утворюючі одиниці), за допомогою наносекундних імпульсів в газових бульках протягом 7 хвилин обробки, за даними лабораторії КП «Санепідсервіс» (м. Харків). У третьому розділі здійснено комп’ютерне моделювання за допомогою методу скінченних елементів утворення і розвитку у часі імпульсного електричного розряду у газовій бульці усередині води з урахуванням розподілу електричного поля у двофазному середовищі газ (плазма) – вода з неоднорідними включеннями і плазмохімічних реакцій з утворенням активних мікрочастинок, в тому числі радикалів ОН, які забезпечують високий ступінь знезараження і очищення води у сукупності з широкосмуговим випромінюванням від розрядів у газових бульках у воді. Спочатку відбувається наростання напруженості електричного поля тільки поблизу вістря. До 4 нс електричне поле у вістря (стрижня) набагато більше, ніж у воді і досягає значень 15 кВ/см. Зі збільшенням потенціалу на високовольтному електроді, утворенням нових електронів та іонів відбувається зростання провідності в газовій бульці. Приблизно з 16-18 нс напруженість електричного поля у воді досягає значень 30 кВ/см. Також розрахована оціночна величина питомих енерговитрат в проточному режимі при КВІД обробці продуктів. Вона становить Еsp≈6 кВт∙год/м³, що приблизно в 4 рази менше, ніж при традиційній тепловій обробці ‒ пастеризації. У четвертому розділі описані експериментальні зразки дослідно-промислових установок. Запропонований спосіб обробки рідин і текучих продуктів (на який одержано патент на винахід) є енергозберігаючим і може використовуватися в різних галузях промисловості, у тому числі харчовій промисловості, при виробництві соків, вин, напоїв, обробці та переробці молока, при виробництві молочних продуктів, у фармакології. Створена і успішно випробувана експериментальна високовольтна імпульсна установка з номінальною імпульсною потужністю 3 МВт, в якій знезараження води в потоці здійснюється за допомогою наносекундних розрядів в газових бульках. Результати досліджень дозволили отримати низку нових наукових результатів: 1. Експериментально одержано надійний багатоканальний режим роботи вихідного багатоканального розрядника ГІНПЗ на низькоомне навантаження у вигляді трьох робочих камер, включених у паралель і заповнених водопровідною водою, сумарний опір яких менше 50 Ом. 2. Експериментально отримані синхронні наносекундні розряди у газових бульках у воді у трьох розрядних вузлах експериментальної установки, включених в паралель, з імпульсною потужністю на навантаженні установки до 3 МВт, сумарною амплітудою струму до 100 А при амплітуді напруги на розрядних вузлах до 30 кВ і частоті проходження імпульсів більше 2000 імп/с при роботі в паралель трьох багатозазорних багатоканальних потужнострумових повітряних іскрових розрядників при атмосферному тиску з часом комутації менше 10 нс і ресурсом більше 10 мільярдів імпульсів. 3. Експериментально показана висока знезаражувальна дія на воду наносекундних розрядів в газових бульках усередині води в проточному режимі зі швидкістю до 120 л/год, яка (дія) на показових мікроорганізмах E. coli, при їх початковій концентрації у воді 1 мільйон колонієутворюючих одиниць у кубічному сантиметрі, сягає 100% і є необоротною при питомих енерговитратах не більше 1 кВт∙год/м³. 4. Здійснено моделювання утворення і розвитку у часі імпульсного електричного розряду у газовій бульці у середині води з урахуванням розподілу електричного поля у двофазному середовищі газ (плазма) – вода з неоднорідними включеннями і плазмохімічних реакцій з утворенням активних мікрочастинок, в тому числі радикалів ОН, які забезпечують високий ступінь знезараження і очищення води у сукупності з широкосмуговим випромінюванням від розрядів у газових бульках у воді.