VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Теоретическая часть

Электромагнитная механоактивация основана на нетрадиционном способе передачи механической энергии слою размольных элементов с использованием квазистационарного магнитного поля постоянного тока. В основе механизма создания диспергирующего усилия лежит действие магнитных сил, притягивающих размольные элементы к поверхностям рабочих органов устройства и друг к другу с организацией их в различные структурные построения (рис.1,а). Кинетическая энергия движения сообщается мелющим телам в процессе непрерывного объемного передеформирования (рис.1, б) и разрушения (рис.1, в) их структурных посроений при относительном смещении поверхностей рабочего объема устройства [1,2,3,4].

Целенаправленная периориентация размольных элементов с разностью скоростей в структурных группах сопровождается созданием многоточечных контактных взаимодействий между ними через прослойку обрабатываемого продукта. При силовом взаимодействии мелющие тела преобразуют кинетическую энергию своего движения в энергию разрушения материала и измельчают его статическим сжатием и ударно-истирающими нагрузками.

а

б

в

Рис.1. Организация процесса диспергирования в ЭММА:

а – образование структурных построений из ферромагнитных элементов; б – силовое взаимодействие между ферромагнитным элементами; в – образование «слоя скольжения»

– индукция электромагнитного поля; n – частота вращения подвижного цилиндра; - угол деформации структурных построений из ферроэлементов ; и –нормальные составляющие сил взаимодействия между ферромагнитными сферическими элементами; –тангенциальная составляющая сил взаимодействия между ферромагнитными сферическими элементами; – сила, обязанная энергии приводного устройства.

Способ обеспечивает энергонапряженный характер диспергирующих сил, легко подлежит автоматизации, требует малых затрат мощности, что соответствует требованиям организации процесса измельчения продуктов различного целевого назначения, в том числе и пищевого сельскохозяйственного сырья [5,6,7].

Выполнение исследований

Цель работы:

1.Ознакомиться с принципом действия экспериментального стенда ЭММА.

2.Выполнить расчет магнитной цепи и провести анализ магнитного состояния системы, установить диапазоны эффективного управления режимами работы ЭММА.

5.Исследовать процесс диспергирования модельных продуктов, построить и проанализировать функции распределения частиц продуктов помола по фракциям.

6. Проанализировать энергоёмкость процесса измельчения.

Описание установки

Конструктивная схема экспериментального электромагнитного механоактиватора представлена на рис. 2.

Рис.2. Конструктивная схема экспериментального

электромагнитного механоактиватора

Рабочий объем устройства образован неподвиж­ным цилиндрическим корпусом 1, торцевыми щитами 2 и наружной поверхностью внутреннего цилиндра 3. Магнитопровод устройства (корпус 1 и цилиндр 3) выполнен из электротехнической стали, торцевые щиты 2 - из немагнитного материала. Неподвиж­ный цилиндрический корпус несет в своем пазу, расположенном в центральной части, обмотку управления (ОУ) 4. ОУ выполнена из провода ПЭВ1 диаметром d - 0,6 мм с числом витков Wy= 1185. На поверхности цилиндра 3 и внутренней цилиндрической поверхности наружного корпуса 1 выполнены зубцы 5, направленные по образующим этих поверхностей. Выполнение зуб­цов способствует организации устойчивых структурных построений из ферромагнитных размольных шаров 6, размещенных в рабочем объе­ме вместе с обрабатываемым продуктом. Вал 7 приводится во враще­ние двигателем постоянного тока. Постоянное электромагнитное поле в рабо­чем объеме устройства создается постоянным электрическим током, протекающим по обмотке управления ОУ. Регистрирующие приборы в электрической цепи электродвигателя и обмотки управления имеют клacc точности + 0,5 %.

Диспергирование продукта осуществляется в рабочем объеме, полезная емкость которого составляет 10 см³. Про­дукт и размольные элементы загружаются в рабочую камеру в опре­деленных соотношениях (согласно условиям опыта) после взвешива­ния с точностью 0,01 г на аналитических весах.

После за­полнения рабочего объема размольными элементами и обрабатывае­мым продуктом подается питание на обмотку управления, создающую постоянное по знаку электромагнитное поле в рабочем объеме и включается двига­тель, приводящий во вращение внутренний цилиндр устройства. Экспериментальные помолы продукта проводятся при различных режимах работы аппарата и устанавливаются на стенде путем регулирования часто­ты вращения внутреннего цилиндра устройства и силы тока в обмот­ке управления. Задаваемое время измельчения контролируется с по­мощью традиционных приборов (секундомеры, реле времени и т.д.).

Методика расчета магнитодвижущей силы (М.Д.С. ) участков магнитопровода типовых рядов ЭММА

Целью расчета магнитной цепи является определение рациональных геометрических размеров участков и величины магнитодвижушей силы (м.д.с.) F обмотки управления, необходимой для создания в рабочем объеме расчетных значений индукции В₀, обеспечивающих заданную технологией измельчения величину механических воздействий размольных органов на частицы обрабатываемого продукта [1,2,4,6,7].

При расчете магнитной цепи исходим из следующего: конструктивная форма устройства и эскиз его магнитопровода с рядом ориентировочных значений геометрических размеров отдельных участков определены; значение индукции в рабочем объеме задано; форма рабочего объема и ферромагнтных рабочих тел определена. Дополнительно могут быть рекомендованы материалы для основных участков устройства и установлены допустимые значения индукции В_доп на отдельных участках. При этом следует учитывать, что при больших значениях индукции уменьшаются поперечные сечения магнитной цепи, но растут значения намагничивающих сил, необходимых для проведения магнитного потока через эти участки. Насыщенное состояние (хотя бы одного из участков) отрицательно сказывается на характеристике Р_r= φ(I_y) (здесь I_y– ток управления).

В процессе расчета магнитной цепи производится корректировка размеров магнитопровода на основании анализа кривых намагничивания устройства и отдельных участков , где - суммарное значение м.д.с. для значений В₀; F_X– м.д.с. на x-м участке для тех же значений В₀.

При расчетах магнитных цепей используем первый и второй законы (правила) Кирхгофа.

Алгебраическая сумма магнитных потоков в любом узле магнитной цепи равна нулю:

∑Ф = 0, (2)

где Ф - магнитный поток.

Представляем магнитную цепь устройства из n-го количества участков. Разбиваем интеграл на сумму:

, (3)

где х - номер участка; H - напряженность магнитного поля на x-м участке магнитопровода; l_Х- средняя длина магнитной силовой линии x-го участка магни­топровода.

При расчете магнитопровод выбираем таким образом, чтобы магнит­ная проницаемость материала вдоль них была постоянной. При этом необходимо, чтобы величина сечения участков также была по­стоянной.

Магнитный поток , проходящий через заполнитель рабочего объема, является полезным.

Расчет величины намагничивающей силы F_X участка:

1. Определяем величину магнитного потока по выбранному для конкретного типа механоактиватора значения индукции В₀ и средней площади сечения рабочего объема S_cp .

2. Индукцию на отдельных участках магнитопровода определяем по площади сечения участков:

, (4)

где S_X - площадь сечения x - го участка магнитопровода; Ф_X - магнитный поток на

x- м участке.

3. Для значений индукции В_х по графическим зависимостям В=φ(Н) [7] определяем численное значение напряженности магнитного поля Н_х. Напряженность на отдельных участках магнитопровода может быть также вычислена по формуле:

, (5)

где - магнитная проницаемость х - го участка магнито­провода.

4. С учетом величин средних длин магнитных силовых линий подсчитываем м.д.с. F_x=H_xl_x . Сложив значения H_xl_xдля всех участков, определяем суммар­ную м.д.с. обмотки управления (или обмоток):

, (6)

где , и - м.д.с. первого, второго и n-го участков.

На основании расчета суммарной м.д.с. (а также на основании расчета обмотки или обмоток управления) уточняем размеры окна (или окон) для размещения обмотки управления. В эскиз магнитопровода ЭММА вносим поправки с последующим уточнением суммарной м.д.с. обмотки (или обмоток) управления.

Задаваясь рядом значении индукции в рабочем объеме В₀, подсчитываем в каждом случае величину м.д.с. обмотки управления, необходимой для проведения магнитного потока Ф_Р по участкам магнитопровода. По расчетным данным строим зависимость характеризующую состояние магнитопровода устройства. Эта зависимость определяет характеристики механоактиватора при изменении величины тока управления.

ЭММА, магнитопровод которого имеет рабочую точку (номинальное значение индукции в рабочем объеме) на линейной части характеристики является ненасыщенным в магнитном отношении. При этом степень насыщения стали магнитопровода оказывает существенное влияние на характеристики ЭММА. Для определения наиболее насыщенного участка магнитопровода по расчетным данным строим зависимости для всех участков. По результатам анализа определяем «узкое» место в магнитопроводе ЭММА (с точки зрения прохождения по нему магнитного потока) и вносим необходимые поправки в расчетные данные по конкретному участку.

Алгоритм расчета магнитопровода ЭММА

Разбиваем магнитопровод измельчителя на 5 участков (рис. 3) и определяем м.д.с. на каждом участке согласно изложенному ниже расчету:

1. Рабочий объем (третий участок):

А) Задаемся значениями магнитной индукции в рабочем объеме ;

Рис. 3. Магнитопровод ЭММА

Б) По таблице 1 определяем длину участка и среднюю площадь сечения рабочего объема ;

Геометрические размеры магнитопровода Таблица 1

№ участка	Кол. участков,n,шт.	Длина участка, lx, м	Суммарная длинна участка, ∑lx, м	Площадь сечения участка, Sx, м2
1	1	0,04	0,04	0,015
2	2	0,0125	0,025	0,012
3	2	0,008	0,016	0,007
4	2	0,005	0,01	0,003
5	1	0,04	0,04	0,003

В) Магнитный поток в рабочем объеме,

. (7)

Г) По формуле 5 определяем напряженность магнитного поля Н₃, [А/м]:

. (8)

где – магнитная проницаемость (в рабочем объеме).

Д) м.д.с. третьего участка F₃, [А]:

. (9)

2. Второй участок:

А) По таблице 1 определяем длину участка и среднюю площадь сечения .

Участок 2 состоит из двух участков: (где – длина участка);

Б) Определяем индукцию , на втором участке:

. (10)

В) Напряженность магнитного поля определяем по кривой намагничивания , либо находим по кривой _. Используем формулу .

Г) Для проведения магнитного потока через второй участок необходима м.д.с. , которую находим по формуле .

3. Четвертый участок:

А) По таблице 1 определяем длину участка и среднюю площадь сечения ;

Б) Определяем индукцию, на участке четыре: ;

В) По кривойнаходим ;

Г) Для проведения магнитного потока через четвертый участок необходима м.д.с.,,.

Аналогично находим В, Н и F для первого и пятого участков.

4. Суммарная м.д.с. ,

Определяем суммарную М.Д.С. (формула 6), необходимую для проведения магнитного потока через все участки магнитопровода устройства

.

Расчет обмотки управления ЭММА

Обмотка управления выполнена на каркасах из фиброкартона из медного провода ПЭВ-2.

Определяем диаметр провода d, [мм] обмотки без изоляции по формуле:

, (11)

где U – напряжение питания ОУ, ; – удельное сопротивление меди обмоточного провода; – диаметр среднего витка обмотки;

W_y– число витков обмотки управления; I_y – сила тока в обмотке управления.

Значение диаметра провода округляем до ближайшего большего значения, имеющегося в каталоге. Из каталога выписываем значения: – площадь сечения без изоляции; – диаметр провода с изоляцией.

Площадь сечения провода с изоляцией:

, (12)

Число витков обмотки управления находим из выражения:

, (13)

где – коэффициент запаса (учитываются возможные отклонения от расчетных данных по технологическим и другим причинам), ; – допустимая плотность тока в обмотке управления, ; F – суммарная м.д.с. [А].

Рассчитываем площадь поперечного сечения обмотки управления:

, (14)

где – коэффициент заполнения медью ().

Вычисляем величину максимальной плотности тока:

. (15)

Величина тока, протекающего по обмотке управления равна:

. (16)

По расчетным данным строим графики зависимостей

для всех участков и для суммарной м.д.с. Проводим анализ.

Исследование процесса измельчения продуктов

1. Для проведения исследования процесса измельчения необходимо заполнить рабочий объем ферромагнитными шарами диаметром d = 2 мм с суммарным весом заполнения по указанию преподавателя (4,1; 6,2; 8,3; 10,4; 12,4 г), что соответствует коэффициентам объемного заполнения рабочего объема Кф (0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3).

2. Засыпать исследуемый продукт в ЭММА в количестве 10 г.

3. Подать питание на ОУ.

4. Установить ток в обмотке управления = 0,2А (затем 0,4; 0,6; 0,8 А).

5.Установить частоту вращения внутреннего цилиндра n от 14 до 24 с^-1.

6.Продолжительность диспергирования замерить секундомером. Измельчение производить в течение времени τ =20с , τ =25с, τ =30с и τ =35 с.

7. Замерить мощность, потребляемую электродвигателем N .

8. Провести ряд опытов при различных режимах работы ЭММА.

9. Провести ситовой анализ фракционного состава.

Методика проведения ситового анализа

По окончании механоактивации взвесить измельченный материал G_кон, затем провести ситовой анализ (по стандартной методике).

Ситовый анализ осуществляют путём помещения и встряхивания взвешенной сухой пробы на верхнее наиболее грубое сито. По окончании рассева взвешивают остаток на каждом сите (G₁, G₂,...,Gn), включая также материал на дне сборника. Плотность материала определяют с использованием мерного сосуда.

Данные измерений и результаты ситового анализа необходимо внести в табл.2 и 3.Опыты проводят при различных размерах решетки. Для определения среднего размера частиц материала до измельчения проводят ситовой анализ.

Результаты опыта Таблица 2

№ опыта	Размер решетки	Время, τ	Количество.измельчаемого материала, Gнач	Плотность, γ1	Количество измельчённого материала, Gкон	Плотность, γ2	Мощность,
	мм	с	г	г/см3	г	г/см3	Вт
1
2
3

Результаты ситового анализа Таблица 3

№ опыта	Диаметр отверстий, мм						Остаток на сите, г
	dв	d1	d2	d3	d4	d5	G1	G2	G3	G4	G5
1
2
3

Обработка экспериментальных данных

1. Фактическую производительность ЭММА Q, [кг/с] определяют с использованием данных табл.3 (производят перевод в систему СИ), по формуле:

, (17)

где G_нач – количество измельчаемого материала [кг]; τ – время диспергирования [с].

2. По опытным данным ситового анализа определяют средний размер частиц до и после измельчения, среднюю пробу материала просеивают через набор сит с отверстиями разных размеров и получают несколько фракций [8,9].

Для каждой фракции находят средний размер:

, (18)

где d_i– диаметр отверстий, мм; d_i-1 – диаметр отверстий в предыдущем сите, мм.

Практически размер максимальных частиц определяется размером отверстий сита, через которые проходит весь материал данной фракции, а размер минимальных частиц - размером отверстий сита, на котором находится данная фракция материала. Средний размер частиц находим по уравнению:

, (19)

где d_cpi,d_cpn - средний размер частиц каждой фракции; х_i…хn - относительное массовое содержание каждой фракции в смеси,

, (20)

где - масса остатка на i– ом сите.

3. Степенью измельчения i называется отношения среднего размера частиц исходного диаметра D_cp к среднему размеру частиц измельченного продукта d_cp

, (21)

4.Расчётные данные по п. 1, 2, 3, заносим в табл.4.

Результаты исследований Таблица 4

5. По результатам ситового анализа строим кривые функции распределения измельченного материала по диаметрам частиц R(d) . Функция R(d) равна выраженному в процентах отношению массы всех частиц, диаметр которых больше d, к общей массе пробы измельчённого материала. Величину d определяем по диаметру отверстий сита.

ПРИМЕЧАНИЕ: исследование фракционного состава продуктов помола при различных режимах работы ЭММА целесообразно выполнять на измерительной аппаратуре фирмы “ФРИЧ» со встроенной системой анализа распределения частиц по фракциям [7].

6.По результатам опыта строим зависимость Q=f(l), где l – размер решетки.

7. Удельный расход энергии на единицу веса материала определяем по формуле:

, (22)

где N – потребленная мощность, [Вт]; Q – фактическая производительность, [кг/с].

8.По результатам расчётов строим зависимость=f(i), где i– степень измельчения.

В заключении необходимо представить вывод о степени равномерности распределения частиц продуктов помола по фракциям, производительности и удельных затратах энергии при механоактивации продуктов на ЭММА. Особое внимание следует уделить анализу энергоемкости переработанной продукции при различных режимах работы. Обосновать полученные данные на основании теоретических положений электромагнитного способа механоактивации [1,2,6].

Отчет

Содержание отчета:

1. Результаты расчета магнитопровода и график .

2. Результаты расчета обмотки управления.

3. Результаты ситового анализа продуктов помола.

4. Анализ энергетических затрат, зависимость=f(i).

5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия ЭММА.

2. Объяснить первый закон Кирхгофа для магнитных цепей?

3. Как производится оценка магнитного состояния магнитопровода ЭММА?

4. Как оценить эффективность измельчения и энергоемкость готовой продукции?

5. Как построить график функции распределения частиц измельченного материала по фракциям?

6. Как определяется энергия, затрачиваемая на измельчение материала?

Литература

1. Беззубцева М.М. Электромагнитные измельчители для пищевого сельскохозяйственного сырья. Теория и технологические возможности: дис…докт. техн. наук. – СПб. 1997. – 495 с.

2. Беззубцева М.М. «Теоретические основы электромагнитного измельчения материалов». – СПб.: СПбГАУ, 2005. – 160 с.

3. Беззубцева М.М. Энергоэффективный способ электромагнитной механоактивации

// Международный журнал экспериментального образования, 2012. - №5. – С. 92 – 93.

1. Беззубцева М.М. Волков В.С., Котов А.В. Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании: учебное пособие. – СПб.: СПбГАУ, 2012. – 242 с.

2. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование режимов работы электромагнитных механоактиваторов // Успехи современного естествознания, 2012. - №8. С. 109 – 110.

3. Беззубцева М.М., Волков В.С. Механоактиваторы агропромышленного комплекса. Анализ, инновации, изобретения: монография. – СПб.: СПбГАУ, 2013. – 170 с.

4. Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки: учебное пособие. – СПб.: СПбГАУ, 2012. – 242 с.

5. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. – М.: Химия, 1997.

– 368 с.

1. Коузов П.А. Основы анализа дисперсионного состава промышленных пылей и измельченных материалов. – Л.: Химия 1987 – 268 с.

Код для цитирования: Скопировать