аспирант
Тула, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ОКСО 13.02.10 Электрические машины и аппараты
ББК 30 Техника и технические науки в целом
ТБК 50 Технические науки в целом
BISAC TEC007000 Electrical
Аппараты вихревого слоя могут выступать средствами интенсификации большинства процессов во многих случаях. Особенно эффективно применение этих аппаратов при производстве резиновых изделий, ускорения химических процессов, для приготовления исходных материалов в металлургии, использование в обогатительных процессах переработки руд, решения экологических проблем при очистке сточных вод и во многих других областях. Такое широкое применение возможно благодаря свойствам вихревого слоя, который обеспечивает помимо механического воздействия ещё и электрохимическое. Эффективность традиционных аппаратов данного класса можно повысить путем применения новой конструкции. Эта конструкция отличается наличием в рабочей зоне ротора, который активно влияет на электромагнитные процессы. Исследованию работы ротора в аппарате вихревого слоя посвящена данная статья. Исследование носит практический характер и заключается в изучении работы экспериментальной установки. Конструкция этой установки позволяет выявить закономерности в обозначенной области исследования. Это достигается использованием легкосъемных роторов различного диаметра, которые позволяют получать зазор между ротором и индуктором различной величины. Так же конструкция экспериментальной установки позволяет вводить в активную зону различное количество ферромагнитных элементов. Основным оценочным критерием при исследовании является коэффициент использования энергии ротором. Оценивая абсолютную величину этого коэффициента, был сделан вывод о бесперспективности классических аппаратов для механического воздействия на продукт. Результатами исследования является установление зависимости рабочих параметров от зазора между ротором и индуктором, а также количества ферромагнитных элементов в исследуемом аппарате.
аппарат вихревого слоя (АВС), опытная установка, исследование, моторный режим, электрические характеристики, реактивная мощность, исследуемые параметры
Введение. Одним из методов интенсификации технологических процессов является комплексная обработка в аппарате вихревого слоя ферромагнитными частицами, за счет воздействия на них вращающегося электромагнитного поля [1, 2]. Использование принципа вихревого слоя позволяет интенсифицировать целый ряд технологических процессов [3, 4] за счет комплексного воздействия на обрабатываемые вещества активного перемешивания и диспергирования [5, 6, 7, 8, 9], акустической и электромагнитной обработки, трения, высоких локальных давлений, электролиза [10].
Основной недостаток аппаратов вихревого слоя как электрической машины заключается в плохом коэффициенте мощности [1] (Cosϕ), порядка 0,2–0,4. Это связанно с большой долей реактивной мощности, которую эти аппараты потребляют. Реактивная мощность необходима на образование магнитного поля. Этот недостаток общий для всех аппаратов вихревого слоя, так как магнитное поле, генерируемое индуктором, не замыкается на магнитопровод, а через ферромагнитные элементы рассеивается в пространстве [11]. Поскольку масса ферромагнитных элементов невысока, порядка 400 гр., то полноценным магнитопроводом они выступить не могут.
Реактивная мощность осложняет работу установки в составе электрической сети [12], поэтому её нужно компенсировать или уменьшать [13, 14]. Основным способом компенсации реактивной мощности является параллельное подключение соответствующей данной индуктивности ёмкости. При этом создаётся колебательный контур, в котором при определённой настройке может возникнуть резонанс [12]. Резонанс в параллельном контуре является резонансом напряжений и характерен тем, что потребление реактивной мощности из сети уменьшается, а в идеале становится равным нулю. Этот способ распространён в промышленности и до появления других электронных способов являлся основным. Компенсация реактивной мощности при индуктивном нагреве в печах и других промышленных установках.
Уменьшить реактивную мощность можно только совершенствованием АВС как электроустановки. Для этого необходимо магнитное поле замыкать на магнитопровод. В электродвигателях таким магнитопроводом является вращающийся ротор [12], поэтому 
асинхронных короткозамкнутых двигателей равен 0,9. Ротор в электродвигателях выполнен с минимальными зазорами, чтобы рассеивание магнитного поля было минимальным. Такая конструкция не подходит, потому что аппарат вихревого слоя является машиной, через которую должно проходить обрабатываемая среда. Это подразумевает наличие проходного сечения, то есть между ротором и индуктором должен присутствовать зазор. Предметом проведённого исследования является работа АВС в моторном режимах, с ротором, имеющим увеличенный зазор между индуктором и поверхностью ротора. С заполнением свободного зазора Н (рис. 4) различным количеством ферромагнитных элементов.
С точки зрения концентрации магнитной энергии наличие ротора является положительным моментом, так как позволяет обрабатывать продукт не во всём объёме индуктора, а только в строго определённом зазоре между индуктором и ротором.
Наличие вращающегося ротора так же полезно с точки зрения конструирования перерабатывающих машин на принципах аппаратов вихревого слоя. Это позволит приводить различные агрегаты: насосы, мешалки, дробилки от вала вращающегося ротора.
Методология. Для исследования работы ротора в активной зоне аппарата вихревого слоя разработана лабораторная установка [15, 16]. Общий вид установки представлен на рис. 1., устройство и состав представлены на рис. 2. Установка (рис. 2) состоит из индуктора 7, помещённого в корпус 8, в который герметично заделана труба 18 с фланцами. Корпус закреплён на радиаторе охлаждения 11, который соединён трубопроводами 19 с корпусом. Через трубопроводы 19 циркуляционным насосом 13 осуществляется циркуляция охлаждающего масла. Охлаждается радиатор установленным на него вентилятором 12. Радиатор 11 является основанием, на котором смонтированы все агрегаты установки. В корпус установлен термометр 17, по которому контролируется температура охлаждающего масла. К фланцам трубы 18 крепятся фланцы 14 с установленными в них подшипниками, на которых вращается вал 15. На последнем закрепляется ротор 9, помещенный в активную зону К индуктора 7. Фланцы 14 легко снимаются, что позволяет производить замену ротора 9. Между ротором 9 и трубой 18 вводятся феромагнитные элементы 10. Шайбы 16 препятствуют разлёту ферромагнитных элементов 10 при работе установки.
Рис. 1. Установка для исследования работы АВС
(общий вид)
Для затормаживания ротора установка оснащена устройством, позволяющим измерять момент при торможении ротора.
Тормозное устройство состоит: из тормозного барабана 1, закреплённого на валу 15 ротора 9. Тормозной барабан охватывают накладки, закреплённые на планках тормозного рычага 2. Сила нажима накладок на барабан контролируется загрузочным устройством 3. Создающийся момент на плече L загружает весы 5, которые и измеряют этот момент. Устройство 6 позволяет управлять работой весов. Упор 4 позволяет фиксировать положение рычага 2, тем самым разгружаются весы 5.
Основная часть. При выполнении исследования проводилась работа с пятью роторами рис. 3.
Роторы представляют собой металлическую болванку различного диаметра. Диаметры D роторов следующие: ротор 1 – D=80 мм, ротор 2 – D=70 мм, ротор 3 – D=50 мм, ротор 4 – D=30 мм, ротор 5 – D=18 мм. Учитывая, что диаметр внутренней трубы 20 – 100 мм можно вычислить зазор Н (рис. 2.).
(1)
Вычисляя по формуле (1), получаем зазор Н: ротор 1 – H=10 мм, ротор 2 – H=15 мм, ротор 3 – H=25 мм, ротор 4 – H=35 мм, ротор 5 – H=41 мм.
Порядок проведения экспериментов.
При фиксированной частоте тока в 25, 50, 75, 100 Гц (что для 2-х полюсной обмотки равнозначно 1500, 3000, 4500, 6000 об/мин соответственно), подаваемой на индуктор установки, замерялись параметры: сила F на роторе, которую показывают весы загрузочного устройства [Кг], частота вращения ротора n1 [об/мин], ток потребляемый индуктором I [А], напряжение межфазное, подаваемое на индуктор U [В], мощность электрическая потребляемая индуктором Nэ [кВт].
Замеряемые параметры фиксировались следующими приборами.
Рис. 2. Установка для исследования работы АВС (устройство и состав)
Рис. 3. Сменные роторы различного диаметра
Сила F – подвесными электронными весами, частота вращения n1 – часовым тахометром, питание индуктора установки осуществляется от частотного преобразователя HYUNDAI N700E, электрические параметры I, U и Nэ фиксировались частотным преобразователем HYUNDAI N700E.
При каждом замере фиксировались также расчётные параметры, являющиеся производными замеренных параметров: скольжение S – отставание вращения ротора от вращения магнитного поля,
% (2)
мощность на роторе N – мощность, снимаемая с ротора с помощью тормозного устройства,
(3)
где L=0,29 м – плечо загрузочного устройства, коэффициент использования энергии ротором,
% (4)
Коэффициент мощности
(5)
Обрабатывая результаты экспериментов была выявлена зависимость коэффициента К использования энергии ротором, от зазора Н между статором и ротором. Эта зависимость, для частот 25, 50, 75 и 100 Гц, приведена на рис. 4. Из рис. 4 видно, что с увеличением зазора Н, коэффициент К очень сильно уменьшается.
Рис. 4. Зависимость К, его максимального значения от Н при различных частотах питающего тока
Анализируя данные по коэффициенту мощности, не удалось выявить чёткой зависимости между и размерами роторов. Выявлена зависимость от частоты питающего тока и определен порядок его значения 0,5–0,75, что является достаточно большой величиной.
Порядок проведения исследования с ферромагнитными элементами такой же, как и в предыдущих экспериментах. Отличие заключается во введении в активную зону К (рис. 2) различного количества ферромагнитных элементов (рис. 5.) Ферромагнитные элементы выполнены в виде стальных цилиндров с диаметром 1,5 мм и длиной 12 мм.
Рис. 5. Ферромагнитные элементы
В виду малости зазоров Н (рис. 2.), ротор 1 и ротор 2 (рис. 5.) из экспериментов этого раздела были исключены, так как зазор Н соизмерим с длиной ферромагнитного элемента, что может повлиять на результаты экспериментов. Работа с ферромагнитными элементами проводилась на роторе 3 рис.3.
Анализируя результаты экспериментов, было замечено, что при работе с 50 и 100 граммами ферромагнитных элементов наблюдается увеличение коэффициента использования энергии ротором. Для более четкого выявления этой зависимости построен график К от М (рис. 6.).
Рис. 6. Зависимость К, его максимального значения от М при различных частотах питающего тока
Из рис. 6 видно, что на 100 граммах ферромагнитных элементов наблюдается значительное возрастание К коэффициента использования энергии ротором. Это объясняется тем, что введённые ферромагнитные элементы сгущают магнитное поле, и оно с меньшими потерями доходит до поверхности ротора. Затем после 150 граммов наблюдается значительное уменьшение коэффициента использования энергии ротором К, это связанно с тем, что набирается масса ферромагнитных элементов, которая начинает экранировать ротор от магнитного поля.
Этот эффект, может быть использован для совершенствования процессов, происходящих в аппаратах вихревого слоя. Так же на его основе можно создать прибор для контроля заполнения ферромагнитными элементами активной зоны аппарата вихревого слоя. Вводя измерительный ротор в середину можно контролировать степень поглощения ферромагнитными элементами генерируемого индуктором магнитного поля.
Несмотря на увеличение К его значение составляет порядка 0,5–1 %, что недопустимо мало и показывает несовершенство преобразования электрической энергии в механическую аппаратами вихревого слоя. Это затрудняет использование этих аппаратов для механического воздействия на обрабатываемый материал. Этот вывод можно распространить на все аппараты вихревого слоя классической конструкции, так как 400 грамм ферроэлементов являются, по сути, являются бесформенным ротором.
Анализируя данные по коэффициенту мощности, не удалось выявить чёткой зависимости между и количеством иголок. Установлена зависимость от частоты питающего тока, и определен порядок его значения 0,5–0,75, что является достаточно большой величиной.
Выводы. В статье описано исследование моторных режимов работы аппарата вихревого слоя, по результатам которого можно заключить.
Исследованы моментные характеристики роторов с различными размерами как отдельно, так и с отмеренными массами навесок ферромагнитных элементов. Это позволило выявить зависимости скольжения S и коэффициента использования энергии ротором К от мощности развиваемой ротором, по которым определилось влияние зазора Н, между индуктором и стенкой ротора, на коэффициент К.
Проведенные замеры позволили выявить зависимость скольжения S и коэффициента использования энергии ротором К от мощности N развиваемой ротором, для различного количества ферромагнитных элементов. Это выявило особенность, которая отражена на рис. 6. При введении ферромагнитных элементов на первом этапе осуществляется резкое повышение коэффициента использования энергии ротором, с последующим его резким падением. Этот эффект может полезно использоваться для улучшения работы АВС как в моторном, так и в генераторном режиме.
Определён прядок коэффициента использования энергии ротором К, что выявило его явную недостаточность. Выяснилось, что зависит от частоты питающего тока и для данной установки имеет достаточно высокое значение.
1. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Киев: Изд. «Техника», 1976. 144 c.
2. Нгуен В.М., Конюхов Ю.В., Рыжонков Д.И. Исследование влияния электромагнитного поля и энергомеханической обработки на процесс получения наноразмерных порошков металлического кобальта восстановлением водородом // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. №2. С. 96-101.
3. Селиверстов Г.В., Титов Д.П. Необходимость утилизации золошлаковых отходов с использованием перерабатывающих машин на принципах аппаратов вихревого слоя // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: Материалы междунар. научно-технической конф. Под общ. Редакцией Ш.М. Мерданова. Тюмень: Изд-во ТИУ, 2017. С. 276-278.
4. Селиверстов Г.В., Титов Д.П. Использование машин на принципах аппаратов вихревого слоя для утилизации золошлаковых отходов // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: Материалы междунар. научно-технической конф. Под общ. Редакцией Ш.М. Мерданова. Тюмень: Изд-во ТИУ, 2017. С. 279-282.
5. Войтович В.А., Шварев Р.Р., Захарычев Е.А., Феокристова Е.П., Деребнев Р.Я., Захарычева Н.С. Эффективность применения аппаратов вихревого слоя в процессах измельчения порошковых материалов // Новые огнеупоры. 2017. №10. С. 48-53.
6. Ибрагимов Р.А., Королев Е.В., Дебердеев Т.Р., Лексин В.В. Прочность тяжелого бетона на портландцементе, обработанном в аппарате вихревого слоя // Строительные материалы. 2017. №10. С. 28-31.
7. Ибрагимов Р.А., Королев Е.В., Дебердеев Т.Р., Лексин В.В. Оптимальные параметры и картина магнитного поля рабочей камеры в аппаратах с вихревым слоем // Строительные материалы. 2018. №7. С. 64-67.
8. Ибрагимов Р.А., Королёв Е.В., Дебердеев Т.Р. Влияние пластификаторов на свойства гипсовых вяжущих, активированных в аппаратах вихревого слоя // Вестник МГСУ. 2019. Т14. Вып. (126). С. 293-300.
9. Ibragimov R.A., Pimenov S.I., Izotov V.S. Effect of mechanochemical activation of binder on properties of fine-grained concrete. Magazine of Civil Engineering. 2015. Vol. 54 DOI: 10.5862 mce. 54.7
10. Mischenko M.V., Bokov M.M., Grishaev M.E. Activation of technological processes of materials in the device rotary electromagnetic field // Technical Sciences. 2015. № 2. Рp. 3508-3512.
11. Ibragimov R.A., Korolev E.V., Deberdeev T.R., Leksin V.V. Structural parameters and properties of fine-grained concrete on Portland cement, activated with grained concrete on Portland cement, activated with plasticizers in vortex layer apparatuses // ZKG Internaional. 2018. № 5. Рр. 28-35.
12. Данилина Э.М., Володин Г.И., Бреславец В.П. Потери энергии на вихревые токи в электромагнитных аппаратах вихревого слоя и способы их снижения // Известия вузов. Электромеханика. 2015. №1. С. 43-47.
13. Данилина Э.М., Астахов В.И. Вихревые токи и потери на них в пластине с разрезами // Известия вузов. Электромеханика. 2015. №4. С. 5-12.
14. Кицис С.И. Режимы установившегося самовозбуждения асинхронного генератора // Электричество. 2004. №2. С. 64-66.
15. Исследование параметров и характеристик машин с разомкнутым магнитопроводом. Под ред. Резина М.Г. Свердловск: УПИ, 1977. 137 c.
16. Ивоботенко Б.А. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1975. 185 c.
