CC BY
54
Information about the authors
Zabrodin Victor Petrovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Higher mathematics and mechanics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation).
Valuev Nikolay Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Technical service in agroindustrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8 (86359) 43-8-00.
Arzhenovskiy Alexey Grigorievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technologies and means of mechanization of the agro-industrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: + 7-905-458-34-69.
УДК 633.15:581.1.03
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА ОТ ЭЛЕКТРООЗОНАТОРА В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПОМЕЩЕНИЯ
Н.В. Ксенз, И.Г. Сидорцов, А.В. Белоусов
Наукоёмкие технологии в сельскохозяйственном производстве являются в настоящее время одним из основных направлений его развития. Широкое применение к настоящему времени получают технологии, основанные на применении озона и озоновоздушных смесей. Они применяются для дезинфекции производственных помещений, оборудования, продукции, для интенсификации скорости сушки зерновых, предпосевной обработки семян и стимуляции развития растений. Применение озонных технологий в животноводстве позволяет сократить производственные затраты, стимулировать жизнедеятельность животных, снизить экологическое влияние на окружающую среду, получать продукцию высокого качества и безопасную для здоровья человека. При электроозонировании воздушной среды производственных помещений одной из существенных характеристик работы системы электроозонирования является поддержание концентрации озона в соответствовии с требованиями технологии производства. Поэтому исследование характера распространения озона от электроозонатора в воздушной среде производственного помещения является актуальной задачей. Для решения этой задачи был разработан подвесной озонатор с регулируемой мощностью и проведены экспериментальные исследования распределения скорости потока и концентрации озона по оси струи и концентрации озона от расстояния до оси струи. Показано, что эти характеристики изменяются с увеличением расстояния от озонатора вдоль оси потока по экспоненциальному закону с погрешностью 5-12%. Зависимость концентрации озона от расстояния до оси потока также имеет экспоненциальный характер. Установлено, что с увеличением мощности электроозонатора скорость потока возрастает, но характер распределения по расстоянию от электроозонатора не изменяется. При этом дальнобойность струи с увеличением мощности также возрастает. Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для выбора необходимой производительности и мощности электроозонаторов, а также их расположения в производственном помещении.
Ключевые слова: призводительность электроозонатора, концентрация озона, скорость потока, сечение потока, озоновоздушная смесь, призводственное помещение.
High technology in agricultural production is currently one of the main directions of its development. There are widely applied to the present time technologies based on the use of ozone and ozone-air mixtures. They are used for disinfection of industrial premises, equipment, products, for intensification of grain drying speed, presowing seed treatment and stimulation of plant development. The use of ozone technologies in breeding production can reduce production costs, stimulate livelihoods of animals, reduce environmental impact on the environment, receive high quality products and are safe for human health. In the case of electro-ozonization of the air environment in production facilities, one of the essential characteristics of the operation of the electro-ozonization system is the maintenance of ozone concentration in accordance with the requirements of the production technology. Therefore, a research of the nature of the spread of ozone from an electro-ozonator in the air in a production premises is an urgent task. To solve this problem, we have developed the suspended ozone generator with adjustable power and experimental researches of the distribution of flow rates and ozone concentration on the jet axis and the concentration of ozone from the distance of the jet axis were realized. It is shown that these characteristics change with increasing distance from the ozonator along the flow axis according to the exponential law with an error of 5-12%. The dependence of the ozone concentration on the distance to the axis of the flow also has an exponential character. It is established that with increasing the power of the electro-ozonator, the flow rate increases, but the nature of the distribution along the distance from the electro-ozonator does not change. In this case, the range of the jet with increasing power also increases. The results of experimental studies can be used to select the required capacity and power of the electro-ozonizers, as well as their location in the production room.
Keywords: electrozonator production, ozone concentration, flow rate, flow cross-section, ozone-air mixture, production
room.
Введение. Одним из основных направлений в сельском хозяйстве являются наукоёмкие технологии на основе электрофизических процессов, направленные на повышение продуктивности сельскохозяйственного производства, увеличение сроков хранения сельскохозяйственной продукции, уменьшение количества применяемых ядохимикатов и снижение энергозатрат.
Большую популярность в настоящее время получили технологии, основанные на применении озона. Эти технологии применяются для дезинфекции производственных помещений, оборудования, продукции и воздуха. Озонирование широко применяется для интенсификации скорости сушки зерновых, предпосевной обработки семян и стимуляции развития растений [1-10].
Применение озонных технологий в животноводстве позволяет сократить производственные затраты, стимулировать жизнедеятельность животных, снизить экологическое влияние на окружающую среду, получать продукцию высокого качества и безопасную для здоровья человека [10-14].
При электроозонировании воздушной среды производственных помещений одной из
существенных характеристик качества работы системы электроозонирования является поддержание концентрации озона в заданных пределах [15-19]. В связи с этим концентрация озона в помещении должна соответствовать требованиям технологии производства. Однако в производственных условиях она изменяется за счёт химических реакций, диссоциации как нестойкого газа, вентиляции, поглощения животными и т.д.
Таким образом, исследование характера распространения озона от электроозонатора в воздушной среде производственного помещения является актуальной задачей.
Методика исследований. Для экспериментального решения поставленной задачи был разработан подвесной озонатор с регулируемой мощностью. Исследования проводились в воздушной среде животноводческого помещения. Схема проведения эксперимента представлена на рисунке 1. При этом определялись следующие параметры: распределение средних по сечению скоростей потока и концентрации озона вдоль оси струи, а также распространение озона от оси струи.
////////////////////
электроозонатор
4—^—
о
1,5 м
,8 м
"> X
ось потока
1,0 м 1,Ом 1,Ом 1,0 м 1,0 м
I--Ич-гн--w
1
у/////лу//////////////////////////////
Рисунок 1 - Схема опыта
Результаты эксперимента и их анализ. На первом этапе этих исследований в поперечных сечениях потока озоновоздушной смеси на различных расстояниях У от электроозонатора были определены средние по сечению скорости потока о и концентрации 0 озона.
Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунках 2 и 3.
Для скорости эти значения были определены при различной мощности электроозонатора при высоте его подвеса Н=1,8 м (рисунок 2).
1г—
■
ж-
Y, м
Ж Р=5,6Вт ■ Р= 14,5 Вт А р= 37,0 Вт
Рисунок 2 - Распределение средней скорости потока озоновоздушной смеси по расстоянию от электроозонатора вдоль оси струи при различной мощности электроозонатора
Анализ этих зависимостей показывает, что характер распределения скоростей по расстоянию от электроозонатора соответствует характеру свободной затопленной струи за решёткой [20].
С увеличением мощности электроозонатора скорость потока возрастает, но характер распределения по расстоянию от электроозонатора не изменяется.
При этом дальнобойность струи с увеличением мощности также возрастает.
Так, при мощности электроозонатора Р = 5,6 Вт дальнобойность струи равна: Уmax = 0,60-0,70 м, а при Р = 37,0 Вт -У max ~ 1,60-1,70 м (рисунок 2).
Таким образом, зная зависимость дальнобойности струи от мощности электроозонатора, можно выбрать высоту его подвеса, обеспечивающую необходимую скорость озоновоздушной смеси в зоне дыхания животных.
Распределение скорости озоновоздушно-го потока по расстоянию от электроозонатора (рисунок 3) можно аппроксимировать (начиная с расстояния 0,2 м за приёмной решёткой электроозонатора с ошибкой, не превышающей 5,0%) уравнением вида:
где ^-скорость озоновоздушного потока на выходе из электроозонатора, м/с; (/-диаметр выходного отверстия, м; У - расстояние от электроозонатора до любого сечения струи, м; С=0,73; а = 1,0 м2- постоянные (для частного случая).
Графические зависимости изменения концентрации озона по расстоянию от электроозонатора предлагается аппроксимировать следующим выражением:
Г^Н ^о С by-AY 2
(2)
uz =и0-е
(1)
где - концентрация озона в озоновоздуш-ном потоке на выходе из электроозонатора, мг/м3;
У - расстояние от электроозонатора до сечения струи, м;
В и А - постоянные (В - м, А - м2).
Таким образом, можно сделать вывод, что определение средней скорости озоновоздушного потока и средней концентрации озона по сечению струи потока можно производить по уравнениям (1) и (2) соответственно с ошибкой 5-12%.
о 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
У, м
Рисунок 3 - Распределение средней концентрации озона по расстоянию от электроозонатора вдоль оси струи
На втором этапе исследовался характер электроозонатора при различных производи-зависимости концентрации озона от расстояния тельностях электроозонатора и высоте его под-X от оси струи в воздушной среде животновод- веса 1,8 м от пола животноводческого помеще-
Х,м —*—Р= 14,5 Вт
Рисунок 4 - Изменение концентрации озона от оси озоновоздушного потока при У=1,5 м
Эти графические зависимости можно аппроксимировать следующим выражением:
о!» = о'
Свх-сх2
(3)
'оз - ^ оз
где 0'03 - концентрация озона на расстоянии
от оси струи X вдоль помещения через каждый метр при У=1,5 м, мг/м3;
(У03 - концентрация озона на оси струи на
расстоянии при У=1,5 м от электроозонатора, мг/м3; Х - расстояние от оси струи вдоль помещения при У=1,5 м; В и С - постоянные. Максимальная ошибка аппроксимации выражением (3) составляет 10-17% при В=0,5-0,6 и С =0,006-0,01.
Заключение. Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для выбора необходимой производительности и мощности электроозонаторов, а также их расположения в производственном помещении.
Литература
1. Применение озона в пищевой промышленности и в сельском хозяйстве. РУП «НПЦ HAH Беларуси по продовольствию». - Минск, 2006. - 35 с.
2. Применение озона для дезинфекции поверхностей и воздуха / М.В. Богдан, Ю.М. Зарембо, М.М. Богдан, С В. Хилько II Материалы 26-го Всероссийского семинара «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». - Москва: МГУ ХФ, 2003.
3. Троцкая, Т.П. Использование озона для сохранности растительного сырья в пищевой промышленности / Т.П. Троцкая, М.В. Богдан // Материалы 3-й Международной научно-технической конференции. - Могилев, 2002.
4. Повышение качества зерна на основе использования озоновоздушных смесей / Н.В. Ксенз, К.Х. По-пандопуло, И.Г. Сидорцов, О.В. Меликова II Вестник аграрной науки Дона, 2009. - № 4. - С. 64-73.
5. Троцкая, Т.П. Сушка зерна с помощью озоновоз-душной смеси / Т.П. Троцкая II Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1985. - № 1. - С. 34-36.
6. Глущенко, Н.Ф. Использование электроактивированного воздуха (ЭАВ) для сушки биологических объектов I Н.Ф. Глущенко, H.A. Глущенко II Электронная обработка материалов. -1987. - № 3. - С. 44-48.
7. Буханцов, К.Н. Обработка зерна с использованием озонатора / К.Н. Буханцов II Комбикормовая промышленность. - 1997. - № 2. - С. 28.
8. Ксенз, Н.В. Интенсификация процесса сушки зерновых материалов электроозонированием I Н.В. Ксенз, В.Н. Тимошенко, А.И. Андреев II Результаты исследований и обработки производственных процессов в животноводстве. - Зерноград, 1992. - С. 93-99.
9. Влияние озона на прорастание семян гороха и облепихи I В.Г. Грезчиков, A.B. Чурмасов, A.A. Гаврилова, Е.А. Соколова II Техника в сельском хозяйстве. - 1998. -№ 3.
10. Ozonplus.dp.ua/2016/05/23/ Применение озоновых технологий в сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности.
11. Kalish, I. Einflus der Schadqase Ammoniak und Schwefel Wasserstoff in der Snalluft auf die Mastlerstunq der Schweine / I. Kalish, W. Schuh II Titarztliehe Unsehau. -1979. -№1.-S. 36-45.
12. Ксенз, H.B. Электроозонирование воздушной среды животноводческих помещений / Н.В. Ксенз. - Зерноград, 1991.
13. Смирнягин, Е.В. Разработка и исследование ионного вентилятора-фильтра для очистки воздуха от пыли в помещениях АПК: автореферат канд. техн. наук / Е.В. Смирнягин. - Челябинск, 2002.
14. Ксенз, Н.В. Электроозонирование воздушной среды животноводческих помещений / Н.В. Ксенз, И.Г. Сидорцов, О.В. Меликова II Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Ч. 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной
энергетике. 18-19 мая 2010 г., ГНУ ВИЭСХ. - Москва, 2010.-341 с.
15. Ксенз, Н.В. Озон в технологиях сельскохозяйственного производства / Н.В. Ксенз. - Ростов-на-Дону: Терра Принт, 2008.
16. Ксенз, Н.В. Генерация озона коронным разрядом / Н.В. Ксенз, О.В. Меликова, И.Г. Сидорцов II Физико-технические проблемы создания новых экологически чистых технологий в агропромышленном комплексе: материалы VI Российской научно-практической конференции, 22-24 апреля 2011 г., г. Ставропопь; ФГОУ ВПО Ставропольский ГАУ. - Ставропопь, 2011. - С. 66-70.
17. Пат. 2431785 РФ, МПК С2 F24F 3/16(2006.01). Ионный вентилятор-фильтр / Ксенз Н.В., Меликова О.В., Сидорцов И.Г., Тюрин С В. - № 2009127901/06; заявл. 20.07.2009; опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29.
18. Fire extinguishment of pool flames by means of a DC electric field I E. Sher, E. Jacobson, R. Baron, A. Pokra-valo and G. Pinhasi II Spectrex Inc. - New Jersey, USA, 2003.
19. Ксенз, Н.В. Электроактивированные среды в технологиях сельскохозяйственного производства / Н.В. Ксенз, Б.П. Чёба. - Зерноград: АЧГАА, 2011. -278 с.
20. Идельчик, И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов / И.Е. Идельчик. - Москва: Машиностроение, 1983. - 351 с.
References
1. Primenenie ozona v pishchevoj promyshlennosti i v sel'skom hozyajstve [The use of ozone in the food industry and in agriculture]. RUP «NPC NAN Belarusi po prodo-vol'stviyu», Minsk, 2006, 35 p.
2. Bogdan M.V., Zarembo Yu.M., Bogdan M.M., Hil'ko S.V. Primenenie ozona dlya dezinfekcii poverhnostej i vozduha [Application of ozone for disinfection of surfaces and air): materialy 26-go Vserossijskogo seminara «Ozon i drugie ekologicheski chistye okisliteli. Nauka i tekhnologii», Moscow, MGU HF, 2003.
3. Trockaya T.P., Bogdan M.V. Ispol'zovanie ozona dlya sohrannosti rastitel'nogo syr'ya v pishchevoj promyshlennosti [Use of ozone for the preservation of plant raw materials in the food industry]: materialy 3-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskou konferencii, Mogilev, 2002.
4. Ksenz N.V., Popandopulo K.H., Sidorcov I.G., Me-likova O.V. Povyshenie kachestva zerna na osnove ispol'zo-vaniya ozonovozdushnyh smesej [Improving of grain quality based on the use of ozone-air mixtures], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2009, No 4, pp. 64-73.
5. Trockaya T P. Sushka zema s pomoshch'yu ozo-novozdushnoj smesi [Grain drying with an ozone-air mixture], Mekhaniz. ietektrifik. sel. hoz-va, 1985, No 1, pp. 34-36.
6. Glushchenko N.F., Glushchenko N.A. Ispol'zovanie elektroaktivirovannogo vozduha (EHAV) dlya sushki biologi-cheskih ob"ektov [Use of electro activated air (EAV) for drying biological objects], Elektronnaya obrabotka materialov, 1987, No 3, pp. 44-48.
7. Buhancov K.N. Obrabotka zema s ispol'zovaniem ozonatora [Processing of grain using an ozonizer], Kombi-kormovaya promyshlennost', 1997, No 2, p. 28.
8. Ksenz N.V., Timoshenko V.N., Andreev A.I. Intensifi-kaciya processa sushki zernovyh materialov elektroozonirova-niem [Intensification of the process of grain drying materials by
electro-ozonization], Rezul'taty issledovanij i obrabotki proiz. processov vzhivotnovodstve, Zemograd, 1992, pp. 93-99.
9. Grezchikov V.G., Churmasov A.V., Gavrilova A.A., Sokolova E.A. Vliyanie ozona na prorastanie semyan goroha i oblepihi [Effect of ozone on the germination of pea and sea buckthorn seeds], Tekhnika vsel'skom hozyajstve, 1998, No 3.
10. Ozonplus.dp.ua/2016/05/23/Primenenie ozonovyh tekhnoiogij v sel'skom hozyajstve, pishchevoj i pererabaty-vayushchej promyshlennosti [Application of ozone technologies to agriculture, food and processing industries],
11. Kalish I., Schuh W. Einflus der Schadqase Ammoniak und Schwefel Wasserstoff in der Snalluft auf die Mas-tlerstunq der Schweine, Titarztliehe Unsehau, 1979, No 1, pp. 36-45.
12. Ksenz N.V. Elektroozonirovanie vozdushnoj sredy zhivotnovodcheskih pomeshchenij [Electro-ozoning of the air environment of cattle-breeding premises], Zemograd, 1991.
13. Smimyagin E.V. Razrabotka i issledovanie ionno-go ventilyatora-fiI'tra dlya ochistki vozduha ot pyli v pome-shcheniyah APK [The development and research of the ion fan - a filter for cleaning air from dust in the premises of the agro industrial complex]: avtoreferat kand. tekhn. nauk, Chelyabinsk, 2002.
14. Ksenz N.V., Sidorcov I.G., Melikova O.V. Elektroozonirovanie vozdushnoj sredy zhivotnovodcheskih po-meshchnnij [Electrozoning of the air environment of cattle-breeding rooms]: trudy 7-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhni-cheskoj konferencii. Ch. 3. Energosberegayushchie tekhnolo-
gii v zhivotnovodstve i stacionarnoj energetike, 18-19 maya 2010 g., GNU VIEHSKH, Moscow, 2010, 341 p.
15. Ksenz N.V. Ozon v tekhnologiyah sel'skoho-zyajstvennogo proizvodstva [Ozone in technologies of agricultural production], Rostov-on-Don, Terra Print, 2008.
16. Ksenz N.V., Melikova O.V., Sidorcov I.G. Genera-ciya ozona koronnym razryadom [Ozone generation by corona discharge] Fiziko-tekhnicheskie problemy sozdaniya novyh ekologicheski chistyh tekhnoiogij v agropromyshtennom kom-plekse, Materialy VI Rossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 22-24 aprelya 2011 g., Stavropol', FGOU VPO Sta-vropol'skij GAU, 2011, pp. 66-70.
17. Ksenz N.V., Melikova O.V., Sidorcov I.G., Tyu-rin S.V. lonnyj ventilyator-fil'tr [Ionic filter fan] pat. № 2431785 RF, S2 F24F 3/16(2006.01) / № 2009127901/06, zayavl. 20.07.2009, opubl. 20.10.2011, Byul. No 29.
18. Sher E., Jacobson E., Baron R„ Pokravalo A., Pinhasi G. Sher E. Fire extinguishment of pool flames by means of a DC electric field. Spectrex Inc., New Jersey, USA, 2003.
19. Ksenz N.V., Chyoba B P. Elektroaktivirovannye sredy v tekhnologiyah sel'skohozyajstvennogo proizvodstva [Electro-activated media in agricultural technologies], Zernograd, ACHGAA, 2011, 278 p.
20. Idel'chik I.E. Aerodinamika tekhnologicheskih ap-paratov [Aerodynamics of technological apparatuses], Moscow, Mashinostroenie, 983, 351 p.
Сведения об авторах
Ксенз Николай Васильевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Техносферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел. 8 (86359) 38-4-06, +7-908-504-35-34. E-mail: [email protected].
Сидорцов Иван Георгиевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел. 8 (86359) 42-5-19, +7-928-194-47-55. E-mail: [email protected].
Белоусов Александр Васильевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел. 8 (86359) 43-4-14, +7-928-778-47-14. E-mail: [email protected].
Information about the authors
Ksenz Nikolai Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zemograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8 (86359) 38-4-06, +7-908-504-35-34. E-mail: [email protected].
Sidortsov Ivan Georgievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zemograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8 (86359) 42-5-19, +7-928-194-47-55. E-mail: [email protected]
Belousov Aleksandr Vasilievich - Candidate of Physical-mathematical Sciences, assistant professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zemograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8 (86359) 43-4-14, +7-928-778-47-14. E-mail: [email protected].
