Способ электродинамической сепарации электропроводящих материалов с использованием индукторов с переменным числом пар полюсов

В РФ очень остро стоит вопрос организации сортировки твердых бытовых отходов (ТБО) – в 2021 году на полигоны отправлялось до 94 % отходов, по России количество незаконных свалок составило более 15 тысяч, из них в только в республике Башкортостан – 1822 [1]. В 2020 году Президент РФ В.В. Путин подписал Указ «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года», который обозначил цели национального проекта «Экология» к 2030 году, важнейшей из которых, с точки зрения авторов, является сокращение вдвое объемов полигонных захоронений [2]. В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка систем автоматической сортировки неселективно собранных ТБО, повышающих в десятки раз, по сравнению с ручной, эффективность и производительность процесса переработки.

Современный уровень систем автоматической сортировки ТБО

Авторами проведен анализ современных конструкций систем автоматической сортировки ТБО [3–13]. Например, в [5] рекомендуется использовать сепараторы на основе линейных асинхронных машин, поскольку такие установки могут быть интегрированы в ранее созданные технологические линии и не имеют движущихся частей, при этом для улучшения технических параметров необходимо использовать конденсаторные батареи, а также модульную конструкцию катушек индуктивности. Результатом таких опций является снижение количества потребляемой электроэнергии от линий электропередачи и компенсация реактивной мощности. В [6] приводятся способы повышения эффективности извлечения металлических частиц из потока ТБО: тонкослойным распределением транспортируемых масс на конвейерной ленте, увеличением ширины линейного индуктора, использованием модульной конструкции линейного индуктора. В таком вихретоковом сепараторе можно улучшить как технологические, так и энергетические показатели. В [7–9] предлагается вихретоковая сепарация частиц цветных металлов. Приводятся ограничения конструкции вращающегося барабана с ременным приводом, а также потенциальные новые конструкции и новые области применения вихретоковых сепараторов. В этом же источнике приведены математические модели, позволяющие исследовать магнитное поле вихретокового сепаратора. В [12] предложен метод электростатической сепарации на примере электростатического отделения алюминия от остатков процесса переработки электрических кабелей. В [13] предлагается электродинамическая сортировка по вихретоковому принципу сепарации, однако вместо того, чтобы вращать механический массив постоянных магнитов, система возбуждает неподвижный электромагнит переменным электрическим током, что позволяет частоте возбуждения выходить далеко за пределы механической системы, и она способна разделять материалы как по электропроводности, так и по массовой плотности.

Проведенный авторами анализ известных конструкций [3–14] выявил следующие недостатки:

– недостаточно высокая эффективность сепарации, так как создаваемое индукторами бегущее электромагнитное поле (БЭМП) практически не оказывает силового воздействия на электропроводящие фрагменты ТБО, размеры которых меньше полюсного деления индукторов, т. е. эффективность силового воздействия БЭМП индуктора снижается и прекращается при уменьшении размеров этих фрагментов;

– при пространственном совмещении индукторов с разнонаправленными БЭМП в рабочей зоне происходит гашение одного поля другим и на конвейерной ленте (КЛ) в этом месте образуется пространство, в котором БЭМП отсутствует и электропроводящие фрагменты (ЭФ) не извлекаются;

– при пространственно удаленном расположении одного индуктора от другого гашение не происходит, но на конвейерной ленте в промежутке между ними также образуется пространство, в котором БЭМП отсутствует и ЭФ не сепарируются;

– для расширения класса крупности извлекаемых ЭФ применяется импульсное усиление мощности индукторов (в несколько раз), это снижает энергоэффективность не пропорционально повышению качества селекции, так как на повышение эффективности электродинамической сепарации и расширение «классов крупности» радикально влияет только «подбор» полюсного деления индуктора.

Описание способа электродинамической сепарации

Авторами разработан оригинальный способ электродинамической сепарации [15], при котором используется один или несколько индукторов, создающих БЭМП, посредством которого воздействуют на ЭФ ТБО. Индукторы имеют переменное число пар полюсов и соответственно полюсное деление, определяемое соотношением

v

τi=2f1, где τi – полюсное деление; v – скорость БЭМП; i – индекс, указывающий на число пар полюсов, которые непрерывно воздействуют на электропроводящие фрагменты БЭМП, f1 – частота тока в обмотке индуктора.

Обмотки индукторов при сепарации переключаются так, что τ _i изменяется дискретно от максимального до минимального или наоборот, c интервалом времени переключения t , определяемым максимальным значением инерции ЭФ с размером, близким к τ _i .

Индукторы, управляемые автономно (каждый своим каналом, рис. 3) и создающие разнонаправленные БЭМП, устанавливаются в рабочей зоне в положениях, исключающих взаимное гашение полей и образование областей, свободных от БЭМП, в направлении движения КЛ, на расстоянии друг от друга не менее чем на величину половины амплитуды внешнего магнитного поля (ВМП) индуктора [16] или с перекрытием ширины в направлении, перпендикулярном движению КЛ.

При стабилизации размеров ЭФ «сканирование» чисел пар полюсов прекращается и фиксиру- ется на оптимальном полюсном делении до тех пор, пока датчик не покажет изменения размеров ЭФ ТБО. Когда такой сигнал получен, соответствующий (или оба) индуктор возвращается коммутирующими устройствами управляющего блока в режим изменения числа пар полюсов (или τi ). Число пар полюсов (или τi ) устанавливают постоянной величиной для обеспечения наиболее эффективной селекции ЭФ ТБО этого размера.

Исходный материал, подлежащий сепарации, подается по КЛ в рабочую зону. Первый и второй индукторы с периодически изменяющимся τ _i постоянно работают в двух режимах: цикличного изменения пар полюсов или с постоянным числом пар полюсов. Эффективность сортировки увеличивается за счет того, что:

– ЭФ ТБО меньшего размера, находящиеся в зоне действия БЭМП, получают более мощный импульс силы при меньшем τ _i (большем числе пар полюсов);

– ЭФ ТБО большего размера получают менее сильный импульс силы при большем τ _i (меньшем числе пар полюсов).

При этом силовое воздействие БЭМП имеет место только при превышении размеров фрагментов больше τ _i .

На рис. 1 представлено воздействие БЭМП при размере ЭФ ТБО меньше полюсного деления, на рис. 2 представлено воздействие БЭМП при размере ЭФ ТБО больше полюсного деления.

БЭМП представлено в виде мгновенной картины «застывших волн» в рабочей зоне, а ЭФ ТБО – в виде отдельных проводящих тел, размеры которых в направлении, перпендикулярном движению

Рис. 1. Воздействие бегущих электромагнитных полей при размере электропроводящего фрагмента меньше полюсного деления

Fig. 1. The impact of traveling electromagnetic fields when the size of the electrically conductive fragment is less than the pole division

Рис. 2. Воздействие бегущих электромагнитных полей при размере электропроводящего фрагмента больше полюсного деления

Fig. 2. The impact of traveling electromagnetic fields when the size of the electrically conductive fragment is greater than the pole division

КЛ, превышают т i . Если размер ЭФ b больше полюсного деления b >  т i (см. рис. 2), то сумма сил, создаваемых поперечными к направлению движения КЛ составляющими тока I , будут определять силу F : —*      —*      —*

F = F + F 2 .

Под действием силы F ЭФ ТБО движется в сторону края КЛ. Направление силы, действующей на фрагменты, определяется правилом левой руки, а направление наведенного тока в ней – правилом правой руки. Ввиду относительно малой скорости движения КЛ при данных рассуждениях она не учитывается.

Картина полей и токов при размере ЭФ ТБО меньше полюсного деления b < т i , поясняется на рис. 1. На поперечные составляющие контуров тока, образованных переменным магнитным полем, в пределах, ограниченных размерами ЭФ ТБО, действуют силы, которые направлены противоположно и поэтому компенсируют друг друга:

F = F 1 - F 2 = 0.

Так как F 1 = F 2 , результирующая сила F равна нулю и ЭФ не движется. То же самое следует из [9]: результирующая сила, которая действует на контур с током в магнитном поле, определяется в соответствии с уравнением

F = I [ dl, В ], где dl – вектор, совпадающий по направлению с током; B – вектор, характеризующий силовое действие БЭМП на движущийся заряд, как (см. рис. 1 и 2).

F = I f [ dl, В ] ,                              (1)

где интегрирование проводится по данному контуру с током I. Если поле в пределах размеров фрагментов образуется двумя разноименными по- люсами (см. рис. 2), то поле неоднородно. Если в пределах размеров ЭФ ТБО находится только один полюс, то магнитное поле можно считать однородным, тогда вектор B можно вынести из-под интеграла (1), и задача сводится к вычислению векторного интеграла:

F = IB (j) dl .

Этот интеграл представляет собой сумму замкнутых в цепочку элементарных векторов dl (продольные и поперечные составляющие тока I (см. рис. 2), поэтому он равен нулю. Значит, и F = 0 , т. е. результирующая сила Ампера равна нулю.

При установке с перекрытием индукторы располагаются на расстоянии друг от друга на величину Δ. Это расстояние, как правило, задает удвоенный размер вылета лобовых частей индукторов и должно быть менее величины выпучивания электромагнитного поля при действующей частоте питающего напряжения и среднем значении магнитной проницаемости сортируемого электропроводящего материала в направлении движения КЛ.

Работа блока управления системой электродинамической сепарации

Для реализации предлагаемого метода электродинамической сепарации авторами разработан блок управления. Работа системы электродинамической сепарации поясняется структурой, приведенной на рис. 3.

Основным центром, управляющим работой системы электродинамической сепарации электропроводящих материалов, является микроконтроллерный блок анализа и управления (МБАиУ) 5 , который может быть реализован на базе программируемого логического контроллера. С помощью сигналов МБАиУ задается направление и скорость

Рис. 3. Структура блока управления системой электродинамической сепарации: 1 – блок управления конвейерной лентой; 2 – блок детектирования электропроводящих фрагментов; 3 и 4 – левосторонний и правосторонний индукторы соответственно; 5 – блок анализа и управления; 6 и 7 – блоки детектирования электропроводящих фрагментов; 8 – блок контроля качества сортировки

Fig. 3. The structure of the control unit of the electrodynamic separation system: 1 – conveyor belt control unit; 2 – block for detecting electrically conductive fragments; 3 and 4 – left-handed and right-handed inductors, respectively; 5 – block of analysis and control; 6 and 7 – blocks for detecting electrically conductive fragments;

8 – sorting quality control unit движения КЛ через блок управления конвейерной лентой 1.

Управление происходит следующим образом: при поступлении данных с первичного блока детектирования количества поступающих ЭФ 2 происходит включение соответственно левостороннего и правостороннего индукторов 3 и 4 для извлечения металла с начальным значением полюсного деления т i .

После этого происходит анализ сигналов с блоков детектирования количества ЭФ 6 и 7, а также блока контроля качества сортировки 8. Если блок 8 показывает наличие ЭФ на КЛ, то изменяется режим работы индукторов 3 и 4 (устанавливается следующее по порядку значение полюсного деления тi +1) и включается реверс КЛ с помощью блока управления 1. Блоки контроля качества сортировки 8 и детектирования поступающих ЭФ 2 могут быть реализованы на основе интегральных схем. Блоки детектирования количества ЭФ 6 и 7 могут быть реализованы различными способами – как электромагнитными, так и оптическими. Затем анализируется сигнал с блока детектирования 2 и возможны два варианта:

– при отсутствии частиц металла КЛ переключается на ход в прямом направлении без изменения режима работы индукторов;

– если датчик блока 2 показывает наличие частиц металла, то КЛ переключается на ход в прямом направлении с изменением режима работы индукторов.

Процесс сортировки продолжается циклически с учетом текущей информации с датчиков блоков детектирования 2 и контроля 8 (блоки 2 , 8 и 6, 7 различаются по месту установки относительно поступающего на ленте материала и по возможному способу реализации).

Таким образом, разработанный авторами оригинальный способ электродинамической сепарации с использованием одного или нескольких индукторов, имеющих переключаемое число пар полюсов, активизирующих движение электропроводящих фрагментов ТБО широкого спектра размеров, позволит повысить эффективность их сортировки.