СПОСОБ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОБЛУЧЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД
METHOD OF ENERGY-SAVING VOLUMETRIC ELECTROMAGNETIC IRRADIAITON OF ABSORBING MEDIA

Способ относится к технологиям облучения поглощающих сред (преимущественно жидкостей) и может быть использован, например, для их обеззараживания, изменения химического состава или физических параметров при облучении электромагнитным излучением.
Известен способ объемного облучения поглощающих сред, в котором формируют падающий поток облучаемого материала в виде цилиндра, у которого облучаемой является наружная поверхность. Облучатели располагают в виде кольца вокруг цилиндра. Доза облучения обеспечивается за счет времени пребывания материала в зоне облучения, определяемого скоростью падения частиц [Карпов В.Н. Фотометрические основы повышения эффективности использования электроэнергии в облучательных установках. Учебное пособие. Ленинградский СХИ. Л., 1984. - С.22-27].
Недостатком известного технического решения является недостаточная равномерность облучения и потери энергии, связанные с отклонением пространственного распределения потока излучателей от заданного.
6
Наиболее близким техническим решением является способ объемного электромагнитного облучения поглощающих сред [патент № 2073527 РФ, МПКA61L 2/08. Способ объемного электромагнитного облучения поглощающих сред / Карпов В.Н; заявитель и патентообладатель СПбГАУ и Карпов В.Н. - №93038519/13; заявл. 27.07.93; опубл. 20.02.97] в котором формируют поток облучаемого материала, облучатель располагают в соответствии с пространственной конфигурацией поверхности облучаемого материала, дозу облучения обеспечивают временем нахождения материала в зоне облучения, процесс удаления облучаемого материала из зоны облучения осуществляют последовательно параллельными облучаемой поверхности слоями с определяемой технологическими требованиями частотой.
Недостатком данного технического решения являются потери потока излучения, возникающие вследствие несоответствия пространственного распределения потока облучателя и пространственной конфигурации поверхности облучаемого материала.
Техническим результатом изобретения является обеспечение энергосбережения при объемном электромагнитном облучении поглощающих сред на основе снижения потерь потока излучения.
Способ энергосберегающего объемного электромагнитного облучения поглощающих сред заключается в следующем: формируют поток облучаемого материала, дозу облучения обеспечивают временем нахождения материала в зоне облучения, процесс удаления облучаемого материала из зоны облучения осуществляют последовательно параллельными облучаемой поверхности слоями с определяемой технологическими требованиями частотой, пространственную конфигурацию поверхности облучаемого материала формируют в соответствии с пространственным распределением потока облучателя.
Пространственную конфигурацию поверхности облучаемого материала формируют приведением среды облучаемого материала во вращение вокруг оси, совпадающей с осью симметрии фотометрического тела облучателя.
Удаление слоев облучаемого материала из зоны облучения осуществляют за счет центробежных сил, действующих при вращении среды облучаемого материала и выносящих ее частицы за пределы зоны облучения.
Новые существенные признаки: пространственную конфигурацию поверхности облучаемого материала формируют в соответствии с пространственным распределением потока облучателя.
Пространственную конфигурацию поверхности облучаемого материала формируют приведением среды облучаемого материала во вращение вокруг оси, совпадающей с осью симметрии фотометрического тела облучателя.
Удаление слоев облучаемого материала из зоны облучения осуществляют за счет центробежных сил, действующих при вращении среды облучаемого материала и выносящих ее частицы за пределы зоны облучения.
Новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
На фиг.1 показана реализация способа по прототипу. Над поверхностью 4 жидкости 5, находящейся в сосуде 3, размещают облучатель 1. Анализ картины световых линий 2 показывает, что данной схеме присущи следующие недостатки:
- часть световых линий не достигает поверхности облучаемой жидкости, что ведет к потерям потока излучения;
- световые линии пересекают поверхность облучаемой жидкости под различными углами, что также приводит к потерям потока.
На фиг.2 показана предлагаемая реализация способа (нумерация позиций по фиг.1). Поскольку при вращении поверхность жидкости принимает форму параболоида, в данном способе
- достигается большая степень использования потока излучения;
- в любой точке поверхности угол входа излучения в жидкость близок к 90°, что также повышает степень использования энергии излучения.
Конкретная форма параболоида определяется круговой скоростью ω вращения сосуда.
Для обеспечения непрерывного технологического процесса облучения жидкости (в составе поточной линии) во вращающийся сосуд осуществляется подвод жидкости (на фиг.2 узел ввода жидкости не показан).
На фиг.3 показан элемент облучаемой жидкости (нумерация по фиг.1). Скорость ν прохождения слоя толщиной Δх, подвергаемого облучению и удаляемого за пределы сосуда составляющей центробежной силы F, определяется необходимой величиной потока ΔФ, действующего на единицу объема ΔV среды и зависит от объемной подачи жидкости ν во вращающийся сосуд.
Скорость жидкости, движущейся навстречу лучистому потоку и удаляемой за счет центробежных сил, м/с:
где Δx - толщина выделяемого слоя жидкости, м;
Δt - время облучения слоя, с.
3
Объем элемента среды, м:
2
где S - сечение элемента среды, м.
С учетом формулы 1
3
Объемная подача, м/с:
3
Нормируемой величиной при облучении является объемная энергия (доза), передаваемая элементарному объему среды, Дж/м:
где Ф - поток облучателя, Вт.
Форма параболоида вращения определяется уравнением в системе координат хОу (ось вращения совпадает с осью Оу)
2
где g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с;
-1
ϖ - круговая скорость вращения, с.
Выбором величины круговой скорости ϖ добиваются того, чтобы уравнение световой линии в каждой точке облучаемой поверхности было максимально приближено к уравнению нормали к кривой, задаваемой уравнением (6).
Определение энергосберегающего эффекта возможно численным моделированием процесса поглощения потока.
i
i
i+1
Поместим начало прямоугольной системы координат хОу в точку проекции центра облучателя на облучаемую поверхность. Выделим на облучаемой поверхности расчетные точки x с шагом Δx. Определим потоки, падающие на кольцевые участки поверхности, образованные окружностями с радиусами x и x.
i
Для этого определим углы из центра облучателя на точки x, рад:
где h - высота подвеса облучателя, м.
Зональный телесный угол, опирающийся на кольцевой участок, ср:
Поток в пределах этого телесного угла, Вт:
где  - сила излучения в направлении расчетной точки, Вт/ср.
i
При преломлении луча на границе двух сред в точке х соблюдается соотношение
где  - направление луча внутри облучаемой среды.
Полезный эффект оказывает составляющая потока, действующая перпендикулярно поверхности в рассматриваемой точке. Ее величина
Энергоемкость процесса облучения
n
где Ф, Ф - соответственно общий и полезный потоки, определяемые суммированием зональных потоков, найденных по формулам (9) и (11).
3
Пример. Пусть требуемая доза облучения составляет q=100 Дж/м, а поток облучателя Ф=10 Вт.
Тогда из формулы (5) объемная подача составит
c
n
c
Пусть угол наклона световой линии на краю вращающегося сосуда α=-45°. Для обеспечения условия перпендикулярности вхождения потока в среду угловой коэффициент параболы, определяющей форму параболоида вращения, должен быть равен α=α+90°=45°.
На краю вращающегося сосуда должно выполняться условие
Пусть радиус сосуда r=0,5 м. Тогда круговая скорость
В таблице показаны результаты численного моделирования процесса поглощения потока.
Результаты численного моделирования процесса поглощения потока
x<sub>i</sub>, м
x<sub>i+1</sub>, м
<img file="00000018.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />, рад
<img file="00000019.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />, рад
Δϖ, ср
ΔФ<sub>i</sub>, Вт
<img file="00000020.tif" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />, рад
<img file="00000021.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />, Bт
0
0,05
0,0000
0,2450
0,1875
18,75
0,183
18,44
0,05
0,1
0,2450
0,4636
0,4755
47,55
0,343
44,78
0,1
0,15
0,4636
0,6435
0,5930
59,30
0,468
52,92
0,15
0,2
0,6435
0,7854
0,5834
58,34
0,561
49,41
0,2
0,25
0,7854
0,8961
0,5175
51,75
0,627
41,90
0,25
0,3
0,8961
0,9828
0,4396
43,96
0,676
34,29
0,3
0,35
0,9828
1,0517
0,3678
36,78
0,711
27,86
0,35
0,4
1,0517
1,1071
0,3073
30,73
0,738
22,74
0,4
0,45
1,1071
1,1526
0,2580
25,80
0,757
18,74
0,45
0,5
1,1526
1,1903
0,2182
21,82
0,773
15,62
<img file="00000022.tif" he="7" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
394,77
<img file="00000022.tif" he="7" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
326,70
Расчеты произведены при следующих исходных данных: высота подвеса облучателя h=0,2 м, коэффициент преломления среды n=1,33 (вода), сила излучения постоянна во всех направлениях I=100 Вт/ср.
n
При осуществлении предлагаемого способа весь поток, падающий на облучаемую поверхность, полезно поглощается, т.е. Ф=Ф=394,77 Вт.
Энергоемкость процесса облучения
n
В традиционном варианте (облучение плоской поверхности) полезно поглощается Ф=326,70 Вт. Падающий на облучаемую поверхность поток по прежнему составляет Ф=394,77 Вт.
Энергоемкость процесса облучения
Таким образом, величина энергосбережения по предлагаемому способу составляет 20%.