Индукционная воскотопка для пасеки
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 [13]. 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; суховлажным 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. Нагревательный контур 1 представляет собой полую прямоугольную вытянутую вниз трубу.
Контур выполнен из листовой нержавеющей стали (рисунок 3) толщиной д=0,5 мм. Высота контура Ь 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 * n1 + l2 * 2 + с * n2, м, где a - длина продольного участка контура, м; d - толщина контура, м;
n1- число продольных участков контура, шт.; l2- длина выступов крайних продольных контуров, м.
Выступы контуров обеспечивают вынос электромагнитной катушки из зоны нагрева;
с - расстояние между центрами продольных участков контура или длина поперечных участков контура, м; n2 - число поперечных участков контура, шт.
Площадь сечения нагревательного контура Sк = Sн - Sв, м2,
где Sн - площадь наружного основания сечения, м2; Sв - площадь внутреннего основания сечения, м2.
Sk=(b*d)+((b-2*g)*(d-2*g)), м2
Рисунок 3 - Схема нагревательного контура
Длина магнитопровода lс (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 магнито-провода от нагревательного контура вследствие действия вихревых токов.
Ширина концентратора
bk=((cp+2*l5+d)*n2-d-lc)/2, м
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]
LН.n.= F/Pn
где F - мощность, необходимая для поддержания рабочей температуры, Вт;
Рп - мощность одного погонного метра провода, Вт/м.
Мощность, затрачиваемая на поддержание рабочей температуры поддона [10]:
F=k*S*(tвн-tнар)*ω,
где к - коэффициент теплопередачи поддона воско-топки, Вт/ м2-0;
S - площадь поддона, м2;
tвн - рабочая температура внутри устройства;
tнар - температура снаружи устройства;
ω - коэффициент тепловых потерь на воск.
магнитная индукция и вихревые токи, действующие в нагревательном контуре
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.
В.А. Сыркин, Т.С. Гриднева, С.В. Машков, С.И. Васильев
Смотрите также
Стерилизатор воска роскошь или необходимость?
Как отмыть посуду после вытопки воска и удалить остатки воска?
Вращающаяся солнечная воскотопка
