Обеззараживание воды и оценка надежности устройства систем управления пространственным электромагнитным полем

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены вопросы обеззараживания воды, уничтожение всех видов микробов, исследованы надежности прототипа и разработанного устройства систем управления пространственным электромагнитным полем.

ABSTRACT

The paper considers the issues of water disinfection, the destruction of all types of microbes, explores the reliability of the prototype and the developed device control systems for spatial electromagnetic field.

Ключевые слова: обеззараживания, электрическое и магнитное поле, кавитация молекул воды, надежность.

Keywords: disinfection, electric and magnetic field, cavitation of water molecules, reliability.

Задачей исследований является обеззараживание воды, исследование надежности прототипа и разработанного устройства систем управления пространственным электромагнитным полем, определение влияния параметров электромагнитных полей, длительности импульса на количество жизнеспособных клеток болезнетворных микроорганизмов.

Биополе микроорганизмов имеет электромагнитную сущность с очень малыми напряженностями. При помещении микроорганизмов во внешнее импульсное электромагнитное поле неизбежно происходит значительная деформация биополя микроорганизмов, в результате чего наступает их массовая гибель [1].

Для идеальной однородной жидкости вероятность образования пузырьков за счет разрыва жидкости становится заметной при больших растягивающих напряжениях, так например прочность на разрыв воды равна 1,510⁸  Па. Максимальное растяжение воды 2,810⁷  Па.         

Гидродинамическая кавитация возникает также при влиянии электрического тока и магнитного поля на установке обеззараживания воды, разработанной авторами работы, единым пространственным электромагнитным полем (ЕПЭП) [2-4].

Изменение размеров и формы молекул воды возможно при продольном магнитном поле и в направлении перпендикулярном к направлению поля. Согласно теории Максвелла происходит изменение давления:

P =(1+R) cos² = <> (1+R) cos^2,                                                                             (1)

где:

I – интенсивность электромагнитного поля,

 – скорость электромагнитного поля,

<> – среднее значение объемной плотности энергии,

 – угол падения,

R – коэффициент отражения.

Интенсивность электромагнитного поля пропорциональна квадрату амплитуды вектора  поля

I =E_m²_.                                                                                                   (2)

Уравнения Максвелла для движущихся сред записываются:

^{,    << С,}   _{а,   а,   а}     –  постоянные

rot=(+[] ),

rot= - ,                                                                                (3)

div= 0.

Электрическое поле увеличивается на величину [] – поля, возникающего при движении проводящей среды в магнитном поле.

В виду того, что в металлическом стержне (внутри неметаллической трубы установки) возникает и электрическое, и магнитное поле. Скорость имеет и продольную и поперечную составляющую _{с и n ,} которая показана на рисунке 1а.

Поэтому траектория движения воды, согласно теории, будет по винтовой линии, (Рисунок 1.б.) т.е. накручивается вокруг металлического стержня.

(а)                                                     (б)

Рисунок 1. Траектория движения воды

R₀ =,         h = 2,                                                           (4)

где:

R₀ – радиус закрутки,

h – шаг закрутки.

Накручивание на стержень увеличивает кавитацию молекул воды, которая вызвана тем, что за счет центробежных сил к осевой зоне вихревого потока выжимаются легкие радикалы H и H⁺. Это усиливает напряженность электрического поля, создаваемого упорядоченными диполями кластеров, при этом на оси вращающегося столба воды образуется положительный потенциал, а на периферии у стенки трубы - отрицательный.

Кластеры жидкой воды представляют собой упорядоченную кристаллическую структуру в форме сфера-цилиндров.

Явление в закрученном потоке воды вызвано понижением статического давления на его оси, что благоприятствует образованию кавитации, то есть появлению микропузырьков. В случае сильной закрутки столба воды, эти пузырьки сливаются в газопаровую полость цилиндрической формы с постоянным изменением во времени и пространстве ее диаметра, длины и положения [5].

Рисунок 2. Направление магнитного поля и тока плотности

Вода не заполняет весь объем трубы и имеет место ее безнапорное течение.

За счет движения жидкости во внешнем поле B_x,  на металлическом стержне индуцируются токи плотностью (Рисунок 2). В свою очередь, индуцированные токи создают собственное магнитное поле B, которое создает объемные силы, уравновешивающиеся поперечным к потоку градиентом давления (-).

Очищенная вода не подвергается воздействию со стороны поля, оно действует только на микроорганизмы и отходы тяжелых металлов.

В силу стационарности течения  = Const, из уравнения движения 

получим

^,                                                                                            (5)

где    – вязкость воды.

По закону Ома  

^,

где , так как 

отсюда

,                                                        (6)

где .  С учетом граничных условий (, ), когда  найдем

,                                                                        (7)

где

.

Изменение скорости  показана на Рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение скорости  от расстояния по оси трубы

Как видно из рисунка 3, зависимости скорости от расстояния по оси трубы, нулевые точки скорости соответствуют времени действия импульса. Средняя скорость достигает 2м/с.

Длительность импульса, которая составляет от 8мкс до 134 мкс и регулируются системой управления. Поэтому размер микроба будет равен от 810^-6с 2м/с = 1610^-6м =16мкм, до верхнего предела 13410^-6с2м/с =

26810^-6м = 0,268мм, что соответствует размерам микробов [6].

Как свидетельствует анализ разработанных конструкций устройств систем управления импульсным электромагнитным полем, из всех вариантов

способа обеззараживания воды импульсным электромагнитным полем, предлагаемое устройство систем управления ЕПЭП отвечает требованиям надежности, устойчивости с большим коэффициентом полезного действия, позволяет регулировать диапазон преобразования импульса напряжения в исполнительном элементе обмотки возбуждения.

Общий уровень надежности всего устройства или системы в целом зависит от совокупности этих надежностей. Рост требований к надежности в последние годы объясняется повышением сложности современных технических устройств, включающих огромное количество (10⁴¸10⁵) элементов, сложности условия эксплуатации, таких как: влияния температуры, влажности, вибрации, ударов, радиации и т.п. [7].

Расчет надежности разрабатываемого устройства включает в себя ряд независимых составляющих: механическую (Р_мех.н.), элементную (Р_эл.н.) и метрологическую (Р_мет.н.). Тогда общая надежность устройства равняется

Р=Р_мех.н. ^. Р_эл.н. ^. Р_мет.н..                                                                        (8)

При расчете каждой составляющей учитывается три вида отказов: катастрофический (внезапный), параметрический (постепенный) и перемежающийся:

Р (t)=P_к.о (t) ^. P_пар.о (t) ^. P_пер.о (t).                                                              (9)  

Вероятность безотказной работы при параметрических и перемежающихся отказах принимаются равной Р_пар.о (t)=1 и Р_пер.о (t)=1. Закон изменения вероятности при катастрофических законах обычно принимается экспоненциальный, т.е. интенсивность отказов устройства не зависит от времени и все его элементы равно-надежны.

Элементная составляющая надежности определяет вероятность отсутствия катастрофических отказов отдельных элементов, зная интенсивность отказов  конструктивных элементов разработанного устройства можно определить другие характеристики надежности. Суммарная интенсивность отказа разработанного устройства определяется интенсивностью отказов каждого его элемента.

Произведем ориентировочный расчет надежности двух разработанных устройств систем управления ЕПЭП [8].

Элементная надежность устройства, согласно, определяется следующим образом:

                                                                       (10)

где  – вероятность безотказной работы i – го элемента устройства.

Подставляя (10) в (9), получим:

                                                                          (11)

Подставляя в (11) интенсивность отказов группы элементов, определим элементную надежность разработанного устройства за 1000 часов   эксплуатации. 

Расчет надежности показывает, что более надежно разработанное устройство управления ЕПЭП. Относительная низкая надежность устройства прототипа проявляется в сравнительно большем количество контактов с наконечниками и соединений пайкой. Также сравнительно большое количество радиодеталей таких как, резисторы, микросхемы, конденсаторы. Как показали экспериментальные исследования, наибольшее влияние на надежность устройства управления ЕПЭП оказывает вибрация, создаваемая обмоткой возбуждения. При испытании разработанного устройства были выявлены недостаточное крепление узлов деталей, не качественные контакты выходных и входных наконечников болтовых соединений и нагрев обмотки возбуждения. Интенсивность отказов находится как:

                                                                                 (12)

Подставляя значение  и в (3) получим вероятности безотказной работы за 1000 часов эксплуатации разработанного устройства управления ЕПЭП.

Среднее время безотказной работы устройства управления ЕПЭП:

  .                                                                               (13)

Для устройства прототипа

 ч.

Для разработанного устройства

ч.

Разница составляет:

ч.

Проведенные исследования надежности прототипа и разработанного устройства управления ЕПЭП показали, что наиболее надежнее разработанное устройство.

Таким образом, предложенная методика  расчета дает возможность рассчитать вероятность безотказной работы не только готового устройства, но и разрабатываемого на стадии проектирования. Это позволяет выявить степень влияния различных факторов на надежность изделия и выбрать наиболее рациональное схемное решение.

Список литературы:
1. Ибрагимова О.А., Колесников И.К., Халиков А.А. //Очистка, обеззараживание и обессоливание воды пространственным электромагнитным полем. Энергосбережение и водоподготовка. Издательство: ЭНИВ (Москва) 2014. №3 (89). С. 9-13.
2. Ибрагимова О. А. Устройства систем управления единым пространственным электромагнитным полем. Автореферат докторской диссертации. Ташкент, 2016.-28с.
3. Kolesnikov I.K., Khalikov A. A., Ibragimova O.A., Kurbanov J.F. Theoretical bases of the disinfection, removing of salts and peelings of water by united spatial field. //Europen Applied Sciences, ISSN 2195–2183. Nationales ISSN–Zentrum fur Deutschland. 2013, №11. Volum 1. PP. 82–85.
4. Khalikov A.A., Ibragimova O.A. Blanket representation and expedient of disinfecting of water the pulsing electromagnetic field. //IIUM Ingenering JOURNAL. ISSN: 1511–788X. Vol. 14, № 2. Malaysia, 2013,–PP.163–172.
5. Ю.П. Рассадкин. Вода обыкновенная и необыкновенная. – М.: «Галерея» СТО», 2008.-840с.
6. dic.academic.ru/dic.nsf/dic_microbiology/2576/ (Размеры).
7. Ибрагимова О.А., Халиков А.А. Анализ надёжности систем управления устройством обеспечения единого пространственного электромагнитного поля. Журнал ВЕСТНИК ТУИТ. ISSN 2010–9857. Ташкент, 2014.–№1(29).–c.63–69.
8. Ибрагимова О.А. Разработка устройств систем управления единым пространственным электромагнитным полем.–Ташкент: «Фан» АН РУз.,2012. –120с.