, Russian Federation
p.g.t. Ust'-Kinel'skiy, Samara, Russian Federation
, Russian Federation
Samara, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The purpose of the research is increasing the efficiency of wax clarifying by substantiating the workable and operat-ing parameters of an electric heater. An electric heater for wax clarifying-a wax melter has been developed, which has a beam and convection thermal effect on a wax substance, leading to melting it both in prepared form and on the frames. One of main elements of a wax melter is a heating element-a circuit, a concentrator and an induction coil. The time spent on wax clarifying depends on a heating time of a working chamber of a wax melter to the operating temperature, which in turn depends on the heating time of the circuit, since when the operating temperature is reached, the inductor operates in intermittent mode to maintain the set temperature. To reduce the energy con-sumption, it is necessary to determine the optimal parameters of the wax-melter inductor. The tested factors influ-encing the parameters of the technological process of wax clarifying are the frequency of the current in the inductor and time required for the heating circuit to reach the operating frequency. An electric heater has been made that modifies the operation of a wax melter, which allows conducting research within the frequency range from 20 to 500 kHz. The heating temperature is assumed to be 100°C. A graphic scheme of the dependence of time spent on heating the circuit on the frequency change is constructed. It is established that with the frequency increase, the time spent on heating the circuit decreases non-linear. The current frequency of 320 kHz is assumed to be optimal for the operation of a melter, further frequency increase is not effective.
beekeeping, bees, wax, wax-melter, wax clarifying, induction
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.
1. Luzgin, N.E., Grunin, N.A., Isaev, A.E. & Nagaev, N.B. (2013). Investigation of the viscosity of molten wax. Scientific priorities in the agro-industrial complex: innovative achievements, problems, development prospects"13: materials of the International Scientific and Practical Conference. (pp.579-583). Ryazan: Ryazan State Agrotechnological University named after P.A.Kostychev (in Russian).
2. Ioirish, N.P. (2017). Bee products and their use. Moscow: YoYo Media (in Russian).
3. Burenin, N.L. and Kotova, G.N. (2012). Handbook of Beekeeping. Moscow: Kolos (in Russian).
4. Kudryakov E.V., Syrkin V.A. and Evseev E.A. (2019). Justification of the operating parameters of induction wax concentrators. Electrical equipment and electrical technologies in agriculture '19: collection of scientific papers.(pp.176-179). Kinel: Samara State Agricultural Academy (in Russian).
5. Kudryakov E.V., Syrkin V.A. and Ponisko V.S. (2018). Calculation of the power of an electric waxing machine. Contribution of young scientists to the innovative development of the agro-industrial complex of Russia '18: collection of articles of the All-Russian Scientific and Practical Conference of Young Scientists. Volume I. (pp.144-147). Penza: PC Penza State University (in Russian).
6. Maksimov, N.M. (2020). Research of qualitative indicators of beeswax. Izvestia of the Velikiye Luki State Agricultural Academy (Bulletin of the Velikiye Luki State Agricultural Academy), 3 (32), 48-54 (in Russian).
7. Marketing research: The market of bees and bee products for 2013-2016 (2018). Belgorod: OGAU "Innovation and Consulting Center of the agro-industrial complex of the Belgorod region" (in Russian).
8. Nekrashevich V.F., Luzgin N.E., Nagaeva N.B., Grunin N.A., Urlapova M.V., Ushakov A.I. &Vodiakov, V.N. (2015). Investigation of thermophysical and rheological properties of wax. Research of young scientists on agricultural production '15: collection of articles. (pp.102-110). Belgorod: Belgorod State University named after V.Ya.Gorin (in Russian).
9. Nekrashevich, V.F. & Kiryanov, Yu.N. (2011). Mechanization of beekeeping. Ryazan: Ryazan State Agrotechnological University named after P.A.Kostychev (in Russian).
10. Syrkin V.A., Vasiliev S.I., Kotov D.N., Kudryakov E.V., Kryuchin P.V. and Tarasov S.N. (2018). Electric wax maker. Patent 177683, Russian Federation, 2017125571 (in Russian).
11. Syrkin V.A., Mashkov S.V., Kotov D.N., Vasiliev S.I., Kryuchin P.V. and Kudryakov E.V. (2018). Electric wax maker. Patent 183484, Russian Federation, 2018118631 (in Russian).
12. Pyaskovsky V.Ya., Verbelchuk T.V. and Verbelchuk S.P. et al. Technological solutions and theoretical aspects of obtaining natural beekeeping wax. Zootechnical Science of Belarus (Zootechnical Science of Belarus), 2020, 55, 2, 296-303 ( in Russia.).
13. Konrad, R. and Nabhan G.P. (2013). Natural beekeeping: Organic approaches to modern beekeeping. Chelsea: Chelsea Green Publishing Company.
14. Tew, J.E. (2015). The Beekeeper's Problem Solver: 100 common problems studied and explained. The Crow's Nest.
