Одной из отраслей сельского хозяйства является пчеловодство. Продукция пчеловодства востребована во многих отраслях промышленности Российской Федерации. Немаловажным продуктом пчеловодства является пчелиный воск, который идет на изготовление вощины, используемой пчелами для отстройки сотов. Воск служит сырьем более чем для 50 отраслей промышленности. Однако ежегодно наша страна вынуждена ввозить порядка 700 т данного продукта из-за рубежа. Несмотря на высокую потребность, пчеловодство отдает промышленности всего около 20% воска от общего выхода. Замена пчелиного воска другими сортами дешевого и доступного воска, полученного не от пчеловодства, вызывает снижение качества продукции и не всегда возможна [6-10, 14, 16].
Технология заготовки воска включает в себя ряд операций, основной из которых является вытопка посредством термического воздействия. Именно в процессе вытопки восковое сырье перерабатывается в готовый продукт. Получению оптимального объема качественного пчелиного воска препятствует, помимо отсутствия системной заготовки сырья, тот факт, что применяемые способы и средства механизации вытопки воска являются морально устаревшими, малопроизводительными и не позволяют перерабатывать продукт в больших объемах. Повысить эффективность процесса вытопки воска возможно сокращением времени, используемого для вытопки воска, и, что немаловажно, сокращением трудозатрат на операцию вытопки [1-3, 13].
Цель исследований – повышение эффективности процесса вытопки воска из воскового сырья путем обоснования конструктивно-режимных параметров аппарата индукционного типа.
Задача исследований – изучить влияние частоты тока электромагнитного индуктора аппарата для вытопки воска на время, затрачиваемое на нагрев контура.
Материалы и методы исследований. На основании результатов анализа способов и устройств для вытопки пчелиного воска была разработана воскотопка индукционного типа (рис. 1). Устройство оказывает лучевое и конвекционное термическое воздействие на восковое сырье, позволяя растапливать сырье как в подготовленном виде, так и на рамках. Основным рабочим узлом устройства является нагревательный элемент, включающий в себя электромагнитный индуктор, магнитопровод с концентратором и нагревательный контур. Принцип работы воскотопки основан на нагреве нагревательного контура вихревыми токами, создаваемыми высокочастотным магнитным полем [11, 12].
Рис. 1. Схема индукционной воскотопки:
1 – сливной кран; 2 – поддон; 3 – корпус; 4 – нагревательный контур; 5 – магнитопровод; 6 – электромагнитная катушка; 7 – пульт управления; 8 – крышка; 9 – кронштейн; 10 – воздуховод; 11 – нагревательный кабель; 12 – рамка с сушью;
13 – корзина; 14 – привод вентилятора
Устройство работает следующим образом. Восковую сушь или рамки с сушью 12 размещают в корзинках внутри корпуса 3 воскотопки. Закрывают крышку 8 и запускают устройство, подавая напряжение на электромагнитные катушки 6, привод вентилятора 14 и нагревательный кабель 11.
В результате в катушках возникает электрический ток, который создает магнитные потоки, замкнутые через магнитопроводы 5 и нагревательные контуры 4. Так как магнитопроводы 5 набраны из листов электротехнической стали, магнитный поток равномерно распределен по всему их сечению. Вихревые токи при этом минимальны и магнитопроводы нагреваются незначительно. В свою очередь, в нагревательных контурах 4 магнитные потоки распределены только по изготовленным цельным стенкам. В результате действия вихревых токов нагревательные контуры разогреваются и излучают в окружающее пространство тепловую энергию. Вентилятор 14 подает подогретый воздух из внутреннего пространства воскотопки через воздуховод во внутренние полости нагревательных контуров 4. Проходя внутри контуров 4, воздух нагревается и через отверстия подается на сушь. Под действием теплового излучения контуров и конвекционного воздействия воздуха сушь начинает нагреваться и плавиться. При нагревании восковая сушь, перейдя в жидкое состояние, стекает по стенкам корзинки 13 и попадает на разогретый наклонный поддон 2. Растопленный воск стекает по наклонному поддону 2 и через выпускной кран 1 сливается в тару [3-5, 15]. Предлагаемая схема аппарата для вытопки воска создает предпосылки для повышения эффективности процесса вытопки воска.
Для проверки гипотезы исследовали конструктивно-режимные параметры нагревательного элемента устройства, в частности, электромагнитного контура. Мощность, затрачиваемая на нагрев, зависит от индукции в сердечнике:
где ФС – магнитный поток в сердечнике, Вб;
SС – площадь поперечного сечения электромагнитного сердечника, м2.
Важным параметром индукции является магнитный поток в сердечнике, который равен магнитному потоку в нагревательном контуре и рассчитывается как произведение индукции на площадь сечения контура. Индукцию нагревательного контура рассчитывают по формуле, которая в результате преобразований принимает вид:
где Ср – удельная теплоемкость стали, Дж/(кг∙К);
mк – масса контура, кг;
Τр – рабочая температура контура, К;
Τн – начальная температура контура, К;
ρн.к. – удельное сопротивление проводника, Ом∙м;
tн.к. – время нагрева контура, с;
f – частота тока, с-1;
d – толщина контура, м.
Таким образом, необходимо определить рабочую частоту устройства, которая должна быть подобрана для наименьшего времени нагрева. Время, затрачиваемое на вытопку воска, напрямую зависит от времени, затраченного на нагрев рабочей камеры воскотопки до рабочей температуры, которая, в свою очередь, зависит от времени нагрева контура, так как при достижении рабочей температуры индуктор будет работать в режиме прерывистого нагрева для поддержания заданной температуры [2-4]. Следовательно, за исследуемые факторы, оказывающие влияние на параметры технологического процесса вытопки воска, необходимо принять частоту тока в индукторе и время, необходимое для достижения нагревательным контуром рабочей частоты. Для проведения экспериментов была изготовлена лабораторная установка (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема лабораторной установки:
1 – блок питания; 2, 3 – блоки управления с импульсным генератором; 4 – индуктор;
5 – нагревательный контур; 6 – термоэлектрический термометр
Установка включает в себя блок питания 1, блоки управления 2, 3 с импульсным генератором, индуктор 4 с обмоткой на 250 витков и П-образным сердечником-магнитопроводом, а также нагревательный контур 5. Нагревательный контур расположен внутри теплоизолированного короба, имитирующего рабочую камеру воскотопки. Температуру внутри короба измеряли при помощи термоэлектрического термометра 6. Диапазон частот импульсного генератора составил 20…500 кГц.
Температура плавления пчелиного воска колебалась в диапазоне от 62 до 68°C. Рабочая температура установки принята равной 100°C. Проведены исследования для семи значений частоты. Производили нагрев при фиксированной частоте, затраченное время измеряли при помощи электронного секундомера. Перед проведением каждого опыта установку охлаждали до температуры окружающей среды. Опыты проводили в трехкратной повторности.
Результаты исследований. Проведены исследования при частоте тока в диапазоне
от 50 до 500 кГц с шагом в 50 кГц. Результаты занесены в таблицу 1.
Построена зависимость времени, затрачиваемого на нагрев контура, от частоты тока электромагнитного индуктора индукционной воскотопки (рис. 3).
В результате эксперимента выведена формула, отражающая зависимость времени нагрева контура от частоты тока электромагнитного индуктора:
где tn – время нагрева контура, с;
T – рабочая температура контура, К;
fn – частота тока электромагнитного индуктора, кГц.
Таблица 1
Результаты исследования зависимости времени, затрачиваемого на нагрев контура,
от частоты тока в индукторе (при рабочей температуре 100°C)
|
№ опыта |
Частота тока в индукторе, кГц |
Время, затрачиваемое на нагрев контура, с (мин) |
|
1 |
50 |
2856 (47,6) |
|
2 |
100 |
1428 (23,8) |
|
3 |
150 |
952 (15,9) |
|
4 |
200 |
714 (11,9) |
|
5 |
250 |
571 (9,5) |
|
6 |
300 |
476 (7,9) |
|
7 |
350 |
408 (6,8) |
|
8 |
400 |
357 (5,9) |
|
9 |
450 |
317 (5,3) |
|
10 |
500 |
286 (4,8) |
Рис. 3. Зависимость времени t, затрачиваемого на нагрев контура, от частоты f
Время, затрачиваемое на нагрев контура до рабочей температуры, при увеличении частоты снижается нелинейно (рис. 3). Чем выше частота, тем менее существенным становится изменение данного показателя. Так, разница времени при частотах 50 кГц и 100 кГц составляет 1428 с
(23,8 мин), а разница при частотах 450 кГц и 500 кГц равняется 31 с (0,5 мин).
Изменения времени нагрева при частотах, превышающих 350 кГц, несущественны (рис. 3), следовательно, нет необходимости в дальнейшем повышении частоты.
Заключение. Для снижения времени нагрева рабочего узла и, следовательно, времени вытопки воскового сырья, необходимо задать оптимальную частоту тока в индукторе. Исследования показали, что существенные изменения времени нагрева происходят в диапазоне частот тока
от 20 до 320 кГц. Оптимальной частотой, используемой в дальнейших исследованиях, принимается 320 кГц, так как дальнейшее увеличение частоты не оправдано.
