Разработка индукционной воскотопки

Введение. Пчеловодство – одна из важных отраслей сельского хозяйства, поэтому повышение эффективности данного направления является важной актуальной и практически значимой задачей. Одним из продуктов пчеловодства является воск, он идет на изготовление вощины, используемой на пасеках для построения сот пчелами, и также используется в качестве сырья в различных отраслях промышленности [1– 3]. Вытапливание воска является основной операцией в технологии его заготовки; от нее зависит количество и качество производимого воска. Данная отрасль, несмотря на свою значимость, не получает достаточного современного высокопроизводительного оснащения средствами механизации и автоматизации.

В настоящее время на пасеках используются воскотопки, требующие достаточно больших затрат труда и времени. В связи с этим разработка устройства, сокращающего трудозатраты и повышающего производительность производства воска, является актуальной задачей.

Цель исследований – повышение производительности труда при вытапливании пчелиного воска путем разработки и применения индукционной воскотопки.

Методика исследования. Вытапливание пчелиного воска требует использования специализированного оборудования, воздействующего на сырье высокими температурами. Для растапливания воска сухим методом используют солнечные, печные, водяные и электрические воскотопки; сухо-влажным методом – паровые. По способу передачи тепловой энергии воску можно выделить воскотопки, работающие на тепловом излучении, теплопередаче, конвекции, а также их сочетании [2]. Таким образом, проанализировав известные устройства для вытапливания воска, можно сделать следующие выводы: для вытапливания воска целесообразно использовать электрические воскотопки; для снижения затрат труда необходимо автоматизировать процесс вытапливания воска, а также предусмотреть возможность перетапливания как уже готового сырья, так и сот на рамках; для повышения производительности воскотопки необходимо сократить время на разогрев устройства и обеспечить возможность быстрого изменения температуры; для равномерного распределения температуры необходимо применить конвекционное воздействие; во избежание застывания воска на дне воскотопки необходимо обеспечить постоянный подогрев поддона.

Для решения этих задач в ФГБОУ ВО Самарский ГАУ была разработана индукционная воскотопка (рисунок 1) [4, 5]. Принцип ее работы основан на использовании лучевого и конвекционного теплового воздействия на восковую сушь [6, 7, 8]. Воскотопка предназначена для растапливания восковой суши как отдельно, так и непосредственно на рамке.

Воскотопка состоит из прямоугольного корпуса 3 (рисунок 1, а), крышки 8 и поддона 2, в полостях которого находится теплоизоляционный материал. Внутри корпуса с двух противоположных сторон установлены кронштейны 9, на которые устанавливаются корзинки 13 с рамками 12. В корпусе установлены два электромагнитных индуктора, состоящих из электромагнитных катушек 6, магнитопроводов 5 и нагревательных контуров 4. Магнитопроводы 5 набраны из листов электротехнической стали, а нагревательные контуры 4 представляют собой короба из нержавеющей стали, в стенках которых выполнены отверстия.

Для исключения перегрева электромагнитные катушки и магнитопроводы вынесены за пределы зоны нагрева. В торцевой стенке воскотопки установлены воздуховоды, соединяющие внутреннее пространство корпуса, вентилятор 11 и нагревательный контур. Для поддержания растопленного воска, упавшего на поддон 2 воскотопки в жидком состоянии, в последнем установлен нагревательный кабель 14. Для слива воска поддон 2 установлен под углом и имеет сливной кран 1. Управление воскотопкой осуществляется с пульта управления 7.

Восковую сушь или рамки 12 с сушью помещают в корзинки, которые устанавливают на кронштейны 9 внутри корпуса 3 воскотопки. Далее закрывают крышку 8 и включают воскотопку, в результате чего производится подача напряжения на электромагнитные катушки 6, привод вентилятора 14 и нагревательный кабель 11.

а – схема:

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

б – общий вид

Рисунок 1 – Индукционная воскотопка

При подаче напряжения на выводы катушек в них протекает 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 распределяется 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 начинают излучать 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. Далее растопленный воск стекает по наклонному поддону 2 и через выпускной кран 1 сливается в тару. После окончания вытопки воска воскотопку выключают, извлекают из корзинок пустые рамки и очищают от нерастопившихся примесей.

Индукционная воскотопка рассчитана на растапливание суши с 3, 6 или 7 рамок. При небольшом объеме работы воскотопка может работать с одним контуром. При этом загружаются три рамки с сушью, а в пространство между контурами устанавливается термоизоляционная вставка. При большой производительности включается второй контур, а вставка убирается.

Основным рабочим элементом воскотопки является электромагнитный индуктор, состоящий из нагревательного контура 1 (рисунок 2), концентратора 2, магнитопровода 3, собранного из листов электротехнической стали, и катушки индуктивности 4. Нагрева- тельный контур 1 представляет собой полую прямоугольную вытянутую вниз трубу.

Контур выполнен из листовой нержавеющей стали (рисунок 3) толщиной g=0,5 мм. Высота контура b превышает высоту рамки с сушью, в среднем высота рамки составляет около 300 мм. Толщина контура составляет d=30 мм. Толщина контура играет важную роль в создании вихревых токов (токов Фуко) больших значений.

а – магнитопровод и катушка индуктивности:

1 – нагревательный контур; 2 – концентратор; 3 – магнитопровод; 4 – катушка индуктивности

б – нагревательный контур                            в – катушка индуктивности с сердечником

Рисунок 2 – Элементы индукционной воскотопки

Результаты исследований и их обсуждение. Рассмотрим основные параметры конструкции, необходимые для продуктивной работы индукционной воскотопки.

Общая длина нагревательного контура

L = a • n_t + l₂ • 2 + c • n₂, m, где a – длина продольного участка контура, м;

d – толщина контура, м;

711– число продольных участков контура, шт.;

^2– длина выступов крайних продольных контуров, м.

Выступы контуров обеспечивают вынос электромагнитной катушки из зоны нагрева;

c – расстояние между центрами продольных участков контура или длина поперечных участков контура, м;

n2 – число поперечных участков контура, шт.

Площадь сечения нагревательного контура Sk = SH – SB, м2, где SH – площадь наружного основания сечения, м2;

S B – площадь внутреннего основания сечения, м ² .

б – сборка листов электротехнической стали а – магнитная индукция и вихревые токи, действующие в нагревательном контуре

Рисунок 3 – Схема нагревательного контура

Длина магнитопровода l с (рисунок 4) должна быть больше длины индукционной катушки.

Основная задача концентраторов – соединение сердечника магнитопровода и нагревательного контура в единую магнитную цепь, снижение потерь энергии при переходе магнитного потока с сердечника на контур, а также снижение нагрева сердечника магнитопровода от нагревательного контура вследствие действия вихревых токов.

Ширина концентратора

_ (с_р + 2 ■ /₅ + d) • n₂ - d - і<.

Особенностью конструкции концентратора является его сложная геометрическая конструкция, форма концентратора изменяется по ширине, высоте и толщине (рисунок 5).

Для поддержания расплавленного состояния и во избежание застывания воска на дне, по внутренней поверхности поддона проложен нагревательный провод. Длина нагревательного провода [9]

_ ғ L_H.n. - 77.

где F – мощность, необходимая для поддержания рабочей температуры, Вт;

P n – мощность одного погонного метра провода, Вт/м.

Мощность, затрачиваемая на поддержание рабочей температуры поддона [10]:

где k – коэффициент теплопередачи поддона воскотопки, Вт/ м ² ∙º;

S – площадь поддона, м ² ;

t вн – рабочая температура внутри устройства;

t нар – температура снаружи устройства;

ω – коэффициент тепловых потерь на воск.

а – концентратор,                  б – концентратор, вид сбоку            в – сердечник магнитопровода вид сверху

Рисунок 4 – Элементы электромагнитного индуктора

Рисунок 5 – Схема разделения концентратора на участки

Выводы. Анализ рынка устройств по переработке восковой продукции показывает, что возникает необходимость повышения производительности и сокращения затрат труда при перетапливании пчелиного воска. Существующие способы растапливания воска сводятся к электрификации устройств, источником энергии в кот′орых является топливо. Наименее энергозатратным и наиболее производительным методом нагрева является индукционный нагрев вихревыми токами, в совокупности с конвекционным воздействием на воск.

Разработана схема индукционной воскотопки с применением конвекционного нагрева воска. Основными составляющими устройства являются индуктор, связанный с частотным преобразователем, конвекционная система, нагревательный кабель поддона.

Расчет экономической эффективности на примере пасеки размером 50 пчелосемей с количеством восковой суши в размере 42 кг, подлежащей переплавке за сезон, показал, что годовой экономический эффект составит 16682 руб.