Профессор, д.т.н. Лев Борошок.
Неиспользуемые возможности производственных технологических процессов на базе гидравлических средств
Особенности гидравлических средств производственных технологических процессов. В современных сложных производственных технологических процессах широко используются постоянно действующие гидравлические средства. В большинстве случаев применение именно гидравлических средств наиболее целесообразно для выполнения таких функций, как:
а) “Озвучивание” водной среды, в которой производится технологическая обработка материала.
б) Высокочастотное динамическое воздействие на обрабатываемый материал.
Реализация таких функций создает реальные предпосылки для получения положительных результатов в некоторых не реализуемых другими средствами операциях, позволяет повысить основные полезные качества обрабатываемых материалов, повысить производительность.
Большим конструкционным преимуществом гидравлических средств является высокая удельная энергонапряженность. Поэтому вес силовых гидравлических элементов обычно составляет (10 – 15)% веса электрических элементов той же мощности. Гидравлические средства имеют большие преимущества в сравнении с электротехническими если обработку или технологический процесс необходимо проводить в жидкой среде. Обработка в жидкой среде другими методами, например электрофизическими требует преобразования одного вида энергии в другой. Например, электротехнической или физикотехнической в гидравлическую. Любое преобразование одного вида энергии в другой обязательно вводит в баланс энергии определенный, обычно довольно низкий, коэффициент полезного действия (КПД). Это снижает экономическую эффективность установки. А иногда и делает выполнение технологического процесса невозможным.
Использование гидродинамических устройств позволяет также существенно повысить интенсивность динамических воздействий и колебаний в сравнении с интенсивностью воздействий и колебаний электрофизических систем той же мощности. Достигается это за счет использования явления стабильной кавитации, которое можно достигнуть в подаваемой жидкой среде. В качестве примера действия кавитации на движущиеся в жидкости (или наоборот) твердые предметы в учебниках физики очень часто приводят рисунок корабельного гребного винта, на вогнутой сферической поверхности лопастей которого видны глубокие канавы, образовавшиеся от нежелательных в этих случаях воздействий кавитационных воздушных пузырьков на вращающиеся корабельные винты. Вот такие существенные нежелательные результаты может оказывать кавитация на окружающую среду. Но такие воздействия могут оказать положительные влияния на качество результатов выполнения технологического процесса, если направлять их действия в необходимое русло.
Высокочастотный гидродинамический излучатель, как центральное звено гидродинамической системы. Основой гидродинамической системы является высокочастотный гидродинамический излучатель, который устанавливается в водной магистрали, по которой технологическая жидкость подводится к рабочим органам установки.
Этот излучатель для систем, работающих с водной средой, состоит из сопла и отражательной поверхности в виде вогнутой сферы. Необходимая частота колебаний в потоке воды и параметры стабильной кавитации достигаются выбором параметров элементов используемого излучателя.
Положительными качествами такого излучателя являются простота конструкции, низкая стоимость и высокая надежность. Важно также и то, что такой излучатель не требует отдельного источника питания. Его источником энергии является энергия потока технологической воды, подаваемой через этот излучатель. Отсутствие специального дополнительного источника энергии для работы излучателя высокочастотных колебаний упрощает и удешевляет эту систему.
А теперь несколько конкретных примеров эффективности обработки различных материалов в высокочастотном гидродинамическом поле.
- Ускоренное выращивание водных культур, в частности водорослей, как технологического сырья для получения горючесмазочных материалов
Эффективным объектом гидродинамической обработки является выращивание биомассы растений как сырья для получения горючесмазочных материалов.
С учетом постоянного дефицита ископаемых энергоносителей в мире, что приводит к их высокой стоимости, биомассу оценивают как источник топлива будущего. Ведущее место при этом занимают водоросли.
Водоросли – одно из самых быстрорастущих растений в мире. При росте они синтезируют в большом количестве белки, жиры, углеводы. Способствует этому то, что они способны усваивать (10…12) % солнечной энергии. Для сравнения – высшие растения способны усваивать только (1…2) % солнечной радиации. Из водорослей, например вида “Хлорелла (Hlorella)”, можно получить почти в три раза больше биомассы, чем из люцерны, которую оценивают, как одну из самых продуктивных трав. Хлорелла содержит около 50 % белка, а люцерна – лишь 18 %. Следует также отметить такое важное достоинство водорослей, как то, что они потребляют углекислый газ, который является одним из вредных побочных продуктов некоторых производств.
Биомассу водорослей успешно также используют в медицинской промышленности и в парфюмерии.
Получение дешевых альтернативных энергоносителей из местного сырья имеет громадное значение для Израиля и большого количества индустриально развитых стран мира (Западная Европа, Северная Америка и др.). Получение альтернативных энергоносителей в достаточных количествах позволит всем этим странам освободиться от нефтяного диктата со стороны окружающих их потенциально враждебных нефтедобывающих стран и сэкономить значительные валютные средства, затрачиваемые на закупку топлива.
Однако технология выращивания биомассы и производства из нее жидкого топлива (брожение, биохимические преобразования) требуют больших затрат, что снижает эффективность их применения. Усовершенствование всех этих операций имеет большое техническое и экономическое значение.
Цикл производства энергоносителей из водорослей в странах с жарким климатом, в том числе и в Израиле, предусматривает выращивание водорослей в открытых бассейнах в виде замкнутых каналов или в специальных биореакторах, производство биомассы из полученных растений, а затем превращение биомассы в смазочные материалы, газообразные или жидкие виды топлива брожением или посредством термохимических технологий. Экономическая эффективность такого предприятия зависит от большого числа факторов. Важным обобщенным показателем экономической эффективности может явиться продолжительность каждого цикла производства. Чем меньше времени продолжается каждый цикл, тем выше экономическая и техническая эффективность предприятия.
В настоящее время отмечается низкая эффективность производств по выращиванию биологического сырья в Израиле. Например, объем жидкого топлива, который можно получить из биомассы водорослей, полученных в сутки с одного квадратного метра бассейна, на современных предприятиях Израиля составляет до 48 л/м2 в сутки. Теоретически возможное значение этого показателя составляет 389 л/м2 в сутки, что в 8 раз выше достигнутого.
Отмеченное свидетельствует о том, что еще имеется значительный резерв. Это подтверждает высокую актуальность проведения исследовательских и производственных работ по совершенствованию технологического процесса выращивания водорослей в открытых бассейнах.
Усовершенствование технологического процесса существующих производств энергоносителей из водорослей и других водных растений можно осуществлять в направлении сокращения сроков (ускорения) всех операций. Для этого предлагается проводить поточным способом дополнительную обработку воды и находящегося в ней сырья высокочастотными физико-техническими методами. Такие дополнительные операции позволят сократить продолжительность цикла выращивания водных растений.
Бассейн для выращивания водорослей в климатической зоне Израиля может представлять собой открытый замкнутый рабочий канал. Подача воды в этот канал осуществляется через установленный в водной магистрали гидродинамический излучатель. Вся обработка выращиваемого материала может проводится поточным способом в движущемся по каналу бассейна потоку воды с выращиваемыми растениями водорослей. Под действием генерируемых в излучателе высокочастотных колебаний происходят положительные изменения состояния и структуры движущейся по каналу бассейна воды. Это благоприятствует интенсификации роста и развития находящихся в ней растений. Объясняется это следующим образом.
Вода является динамической многофазной гетерогенной системой, содержащей ассоциированные структуры в виде димеров и полимеров, образованных под действием водородных связей молекул воды. При гидродинамической обработке колебаниями давления с частотой близкой к резонансным частотам колебаний молекул воды водородные связи обрываются. Это наблюдается по изменениям инфракрасного спектра воды (ИК-спектр). Образуется “озвученная вода”. Это приводит к некоторому повышению электрической и магнитной активности молекул воды, что положительно влияет на рост находящихся в воде растений.
“Озвученной” эта вода называется потому, что для ее получения воду обрабатывают колебаниями давления “звуковой” частоты.
Для Израиля наибольший интерес составляет использование биомассы водорослей для производства дизельного топлива (“Биодизель”). Именно дизельного топлива, а не автомобильного легкого жидкого топлива. Автомобильное легкое жидкое топливо может быть заменено горючим газом или водородом. А дизельному топливу пока еще замены нет. Израиль израсходовал в 2008 году 3,6 млн тонн дизельного топлива. Ведь на дизельном топливе работают все тяжелые грузовые автомобили, тяжелая строительная и землеройная техника, тяжелая военная техника. Поэтому и такой большой интерес к топливу “Биодизель”. Пора его превращать в местное сырье, а не тратить на приобретение дизельного топлива огромные деньги за рубежом.
Произведен расчет потребной земельной площади, которая должна быть занята биореакторами для выращивания биомассы водорослей по предлагаемому методу с увеличенной скоростью прироста массы растений.
Выращенные в биореакторах водоросли могут предназначаться для производства топлива “Биодизель” в объеме, который удовлетворит полную потребность Израиля в дизельном топливе. Это 3,6 млн. тонн в год. Для этого потребуется площадь под водные бассейны S = 257 га. Причем это могут быть пустынные земли или другие земли малопригодные для ведения обычного аграрного почвенного земледелия.
При сравнительных испытаниях было установлено, что оптимальными
режимами обработки водной среды при выращивании водорослей являются:
— частота гидродинамических колебаний – 30 kHz;
— амплитуда колебаний давления в водной среде – 10 атм.
Водоросли, обработанные с указанными режимами, достигают полную зрелость в два раза быстрее, чем водоросли, выращенные в необработанной водной среде.
Следующим примером эффективного применения гидродинамических средств в технологическом процессе является
2.Повышение посевных качеств семян почвенных сельскохозяйственных овощных культур
В практике выращивания растений почвенных сельскохозяйственных овощных культур часто отмечается снижение жизненных функций семян. Таких, как всхожесть, интенсивность прорастания и некоторых других в сравнении с официальными агротребованиями для конкретной природно климатической зоны. Отсюда пропуски в массивах и рядках насаждений, замедление созревания растений и, в результате, существенное снижение урожайности.
Кроме того, довольно часто требуется из экономических соображений обеспечить искусственное ускорение созревания растений или наращивания их биологической массы в сравнении с биологическими сроками, предусмотренными официальными агротребованиями.
Семена сельскохозяйственных растений относятся к сложным биологическим системам. Снижение их жизненных функций может произойти из-за неблагоприятных агротехнических условий в период созревания растений, нарушений режимов хранения и некоторых других причин.
Снижение жизненных функций выражается в недостатке внутренней энергии, а также в низкой активности клеточной деятельности. Например, из-за того, что значительное количество ферментов-катализаторов оказались завязанными в фермент-субстрактные комплексы, что исключает эти ферменты из работы.
Для устранения указанных недостатков семенного материала или достижения улучшений их характеристик требуется повышение жизненных функций семян и растений. Для этого следует повысить их внутреннюю энергию, нормализовать электромагнитный потенциал клеток, а также повысить активность их клеточной деятельности. Это будет достигнуто если будут разрушены образовавшиеся водородные связи внутри фермент-субстрактных комплексов, для чего необходимо провести обработку семян высокочастотными воздействиями с резонансной частотой клеток комплекса.
Устранение возможных снижений качеств семян или улучшение качеств семян по сравнению с агротребованиями могут быть достигнуты путем проведения специальной дополнительной обработки в водной среде в высокочастотном гидродинамическом поле. Особенно это целесообразно для овощных культур (томаты, капуста, перец, бахчевые), для которых замачивание семян перед высадкой в грунт или перед пикированием в торфоперегнойные горшочки является целесообразным.
Для семян зерновых, хлопка и других массовых культур этот способ также целесообразен. Однако после проведения влажной обработки потребуется проведение сушки семян.
Так как продолжительность обработки семян почвенных культур существенно меньше продолжительности обработки растений водных культур, указанную обработку для разрушения фермент-субстрактных комплексов можно производить тупиковым способом в специальных водных емкостях, а не поточным способом в бассейнах. Технологическая вода аналогично подается в емкость через гидродинамический излучатель, где она доводится до состояния “озвученной воды”.
По результатам большого объема сравнительных испытаний посевного материала овощных культур были установлены оптимальные параметры режимов обработки:
— частота гидродинамических колебаний в водной среде – 24 kHz;
— продолжительность обработки – 10 мин;
— амплитуда колебаний давления в водной среде – 10 атм.
В результате такой обработки были отмечены следующие изменения характеристик семян и полученного урожая:
— всхожесть семян
при исходной всхожести – (80…90) % повышается до (92 …96) %,
при исходной всхожести – (92…95) % повышается до (99…100) %,
— энергия прорастания семян повышается на (15…18) %,
— урожайность повышается на (10…12) %.
- Получение дешевой экологически чистой электрической энергии из воды за счет энергетического потенциала её молекул
Хорошо известно, что уменьшение зависимости от углеродного ископаемого топлива является важной задачей в международном масштабе. Для успешного решения такой задачи требуется правильно определиться с выбором альтернативных видов источников энергии. Серьезным претендентом на такое название является вода. Основанием для этого является то, что воду, безусловно, следует рассматривать, как энергетическую систему.
В данном примере рассматривается метод получения электрической энергии из молекул воды. Это метод, основой которого является использование высокочастотного динамического воздействия на воду, как расходуемый исходный материал для получения электрической энергии из молекул воды.
Метод получения дешевой электроэнергии за счет энергетического потенциала молекул воды теоретически обоснован полностью. Однако практическое его решение и доведение до производственного образца, безусловно, еще потребуют значительных усилий, творческого и конструкторского труда. Но результаты работы будут на столько ценными в международном масштабе, что их следует отнести к первоочередным.
Источником энергетического потенциала молекул воды является неоднородное распределение средней плотности электричества по её объему. Поэтому эти молекулы являются дипольными. Дипольный момент каждой молекулы составляет Md = 1,84∙10−18 cgs∙cm. Именно дипольностью молекул воды и наличию в них электрического потенциала объясняется то, что вода растворяет многие твердые соли, у которых связь между атомами является ионной. Например, твердая соль NaCl легко растворяется в воде, так как дипольные молекулы воды при процессе растворения оказывают растягивающие воздействия на молекулы этой соли и разрывают их. При этом образуются гидратированные ионы Na+ и Cl− .
Процесс получения электрической энергии за счет энергетического потенциала молекул воды состоит из трех этапов.
На первом этапе исходную технологическую воду (Н2О) прокачивают через высокочастотный гидродинамический блок диссоциации. Генерируемые при этом высокочастотные динамические колебания осуществляют диссоциацию молекул воды на ионы H+ и OH−.
На втором этапе в сепараторе ионов под действием постоянного магнитного поля осуществляется выделение полученных ионов из общей массы воды, а также разделение анионов и катионов в раздельные потоки.
На третьем этапе катионы H+ поступают в блок реакции восстановления, а анионы OH─ поступают в блок реакции окисления. Эти блоки через токосъемники соединены между собой электрической связью, в которой установлена полезная электрическая нагрузка R внешнего потребителя производимой электрической энергии. В блоке реакции восстановления каждый катион H+ через токосъемник отдает свой положительный электрон, который через электрическую связь поступает на токосъемник блока реакции окисления к аниону OH─. В результате через полезную электрическую нагрузку R пройдет электрический поток величиной Q.
В соответствии с принципами “Первого закона термодинамики” можно записать:
Q = Дп – Дз – Рв , (1)
где Дп – энергия, полученная в результате диссоциации воды, поданной в
установку;
Дз – энергия, затраченная на диссоциацию воды, поданной в установку;
Рв– энергия, затраченная на работу вспомогательных рабочих органов.
По результатам выполненных расчетов установлены значения приведенных параметров: Дп = 118,7 kJ/mol, Дз = 57 kJ/mol, Рв = 14,25 kJ/mol.
Соответственно, из (1) следует, что предлагаемый способ позволит получить с каждого моля расходованной воды Q = 47,45 kJ/mol энергии для передачи внешнему потребителю.
При анализе экономических показателей рассматриваемого процесса следует также учесть затраты технологической воды в объеме qw = 1 моль = 18g, как расходуемого материала для получения энергии за счет энергетического потенциала её молекул.
Ориентировочные сравнительные экономические показатели использования воды, мазутного топлива и бензина как энергоносителей приведены в прилагаемой таблице.
Некоторые экономические показатели ряда энергоносителей
Вода Мазутное топливо Бензин
Количество энергии,
получаемой из 1 kg 2,6∙103 41∙103 44∙103
вещества, kJ
Стоимость 1 kg
энергоносителя, $ 1,26∙10−3 0,95 1,476
Стоимость энергоносителя,
обеспечивающего получение 0,48 23 33,5
1GJ энергии, $
Приведенные данные позволяют сделать вывод, что рассматриваемый процесс получения энергии из воды можно охарактеризовать как высокоэкономичный, так как стоимость воды, как энергоносителя, ничтожно мала в сравнении со стоимостью традиционных жидких видов топлива, обеспечивающих получение того же количества энергии. Все это свидетельствует о целесообразности объединения усилий организаций и специалистов в этом направлении для развития и расширения работ.
Все же следует отметить, что рассмотренный в этом материале вопрос получения электрической энергии за счет энергетического потенциала молекул воды несколько сложноват с точки зрения возможностей Израиля. Имеется в виду отмечаемый в настоящее время в Израиле кризис ресурсов пресной воды. Лучше бы вписалась в экономику Израиля возможность получать электрическую энергию из соленой морской воды, объем которой в Израиле не ограничен. Но для решения такого вопроса потребуется выполнить солидный объем работ. Специалистам Израиля такая работа по плечу. Были бы в решении этого вопроса заинтересованы руководители энергетических структур.
Иллюстрация: forum.zol.ru
