Методи обробки рідин за допомогою високовольтних розрядів і сильних імпульсних електричних полів

Abstract

Дисертація 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.Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 141 ‒ Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics (14 ‒ Electrical Engineering). ‒ National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The object of research is the processes of treatment of liquids by strong pulsed electric fields and high-voltage discharges. The subject of research is the processes of development of discharges in gas bubbles at disinfecting processing and water purification by such discharges and processes of formation of strong pulsed electric fields in working chambers at disinfecting processing of milk and whey. The research was performed with help of fundamental principles of technique of strong pulsed electric and magnetic fields, high-voltage technique, theoretical electrical engineering, mathematical physics, numerical methods of analysis, modern information technologies and methods of fast transient processes measuring. We have solved the scientific and practical problem of liquid treatment by high ‒ voltage discharges in gas bubbles in water and by strong pulsed electric fields is in the dissertation work. The introduction substantiates of the thesis topic relevance, identifies research objectives and tasks, shows the relationship of work with scientific programs, plans, topics, provides data on scientific novelty, practical significance, testing of results and publications. The first section reviews the use of pulsed, including discharging, technologies for fluid treatment. We have examined the mechanisms of water purification from various impurities and microorganisms’ inactivation, including Escherichia coli, in water under the influence of corona discharges, spark and arc discharges, barrier discharges, ozonation, advanced oxidation processes in reactors with discharges near the water surface, in water, and in gas bubbles in the water. Treatment of water and fluid products with strong pulsed electric fields is considered. The basic principle of pulsed electric field (PEF) treatment technology is the use of short pulses of strong electric fields duration from nanoseconds to milliseconds and strength of the order of 10-80 kV/cm. PEF technology is presented as one that has advantages over, for example, heat treatment, because it more effectively inactivates microorganisms and better maintains the original color, taste, texture and nutritional value of juices, wines, dairy products. The directions of research are chosen, the main tasks of the dissertation are set. The second section shows how we were experimentally investigating and carrying out disinfected treatment of liquid food products (milk, whey, water) from indicative bacteria -Escherichia coli using a combination of high-voltage pulse effects (CHVPE). We have carried out an experimental test of the operation of the Arkadiev-Marx pulse voltage generator in the mode of sharpening of the pulse front in cascades for a load of not more than 50 Ohms in the form of three working chambers with treated water, connected in parallel. Discharges in gas bubbles with a characteristic size of 1-4 cm in water were obtained experimentally. The frequency of discharges reached 10,000 pulses/s at the amplitude of pulsed voltage the 8 kV on the reactor and currents of about 0.2 A in the discharging circuit. Preliminary researches on the purification of water used in the production of coke and surface water have shown that discharges inside gas bubbles in water have effectively purified it from phenols (reduction by 60.3%), rhodanides (reduction by 94%). River water is clarified and becomes more transparent, unwanted odors are eliminated, biochemical oxygen consumption is reduced. An experimental stand for water purification using nanosecond discharges in gas bubbles has been created. With its help, nanosecond-long discharges were obtained in gas bubbles inside the water. The frequency of discharges reached 2500 pulses/s at the amplitude of voltage pulses on the reactor 30 kV and the amplitude of current pulses in the discharge circuit up to 35 A. The possibility of purification of water containing ammonium nitrate NH₄NO₃ from ammonia is shown. A reduction in the concentration of ammonia (NH₃) by 37% was achieved. Complete inactivation of bacteria was demonstrated by the treatment of 3 liters of tap water that contained indicative E. coli bacteria at an initial concentration of 10⁶ CFU/cm³ (CFU ‒ colony forming units), using nanosecond pulses in gas bubbles for 7 minutes of treatment, according to Laboratory of “Sanepidservice” (Kharkiv) dates. In the third section, we have performed computer simulation using the finite element method of formation and development in the time of a pulsed electric discharge in a gas bubble inside of water considering the distribution of the electric field in a two-phase medium gas (plasma) ‒ water with inhomogeneous inclusions and plasma chemical reactions with the formation of active microparticles, including OH radicals, which (OH radicals) provide high water disinfection and water purification in combination with broadband radiation from discharges in gas bubbles in the water. Initially, there is an increase in electric field strength only near the sharp point. Up to 4 ns, the electric field at the sharp point (rod) is much larger than in water and reaches value 15 kV/cm. The conductivity in the gas bubble increases as increasing of the potential of the high-voltage electrode and forming new electrons and ions happen. From about 16-18 ns, the electric field strength in water reaches value 30 kV/cm. The estimated value of specific energy consumption in the flow mode at CHVPE processing of products is also calculated. It is Esp≈6 kW∙h/m³, which is about 4 times less than with traditional heat treatment - pasteurization. The fourth section describes experimental samples of research and industrial installations. The proposed method of processing liquids and liquid products (for which we have got the patent for the invention) is energy efficient and can be used in various industries, including the food industry, in the production of juices, wines, beverages, in the processing of milk, dairy products, in pharmacology. We have created and successfully tested the experimental high-voltage pulse unit with a nominal pulse power of 3 MW, in which we carried the disinfection of water in the stream out using nanosecond discharges in gas bubbles. The research results allowed obtaining a number of new scientific results: 1. Experimentally we got a reliable multi-channel working mode for output multichannel discharger (spark gap) of GPVCS-generator for low-resistance load as three working chambers included in parallel and filled with tap water, the total resistance of which is less than 50 Ohms. 2. We experimentally got synchronous nanosecond discharges in gas bubbles in water in three discharge nodes of the experimental installation, included in parallel, with pulse power on a plant load up to 3 MW, total current amplitude up to 100 A at voltage amplitude on discharge nodes up to 30 kV and the passage frequency of pulses over 2000 pulses/s when working in parallel with three multi-gap multi-channel high-current air spark dischargers at atmospheric pressure with a commutation time of fewer than 10 ns and a resource of over 10 billion pulses. 3. It’s experimentally shown a high disinfecting effect on the water of nanosecond discharges in gas bubbles inside water in flowing mode at a rate of up to 120 l/h, which (the effect) on indicative microorganisms E-coli, at their initial concentration in water 1 million colony-forming units in a cubic centimeter, reaches 100% and is irreversible at a specific energy consumption of not over 1 kW·h/m³. 4. Modeling of time formation and development of pulsed electric discharge in a gas bubble inside of water has been done considering the distribution of electric field in two-phase medium gas (plasma) ‒ water with inhomogeneous inclusions and of plasma-chemical reactions with formation of active microparticles, including of OH radicals, that provides a high degree of disinfection and purification of water in combination with broadband radiation from discharges in gas bubbles in the water.