Электромагнитная механоактивация в постоянном электромагнитном поле

Механоактивация – это повышение химической активности твердых веществ, путем их измельчения в ударном, ударно-истирающем или истирающем режимах, которое приводит к накоплению структурных дефектов, увеличению кривизны поверхности, фазовым превращениям и даже аморфизации кристаллов. Механоактивация происходит, когда скорость накопления дефектов превышает скорость, их исчезновения. Проведение механоактивации в магнитоожиженном слое позволяет интенсифицировать процесс и повысить его энергоэффективность [11,16,25,57,69].

Существуют различные устройства позволяющие осуществлять механоактивацию в магнитоожиженном слое. Наиболее эффективными из них являются аппараты, в которых для создания диспергирующего усилия используется постоянное по знаку и регулируемое по величине электромагнитное поле. К таким аппаратам относятся не имеющие аналогов аппараты - электромагнитные механоактиваторы (ЭММА), разрабатываемые на кафедре «ЭОП и ЭТ» СПбГАУ по научной школе «ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ, ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ». В настоящее время разработана фундаментальная и прикладная теория электромагнитного способа механоактивации [4,…,126]. Аппараты данного типа наиболее перспективны для применения в перерабатывающей отрасли АПК, в пищевой промышленности и, в частности, шоколадном производстве.

Принцип действия электромагнитных механоактиваторовоснован на преобразовании энергии постоян­ного по знаку электромагнитного поля в кинетическую энергию движения рабочих тел (рисунок 2.1) с последующей передачей и частичной аккумуляцией этой энергии слою обрабатываемого материала, находящегося в смеси с магнитоожиженным слоем (ферромагнитными размольными элементами)

Энергонапряженный характер диспергирующих сил в ударном, ударно-истирающем и истирающем режимах приводит к накоплению структурных дефектов в зернах материала, увеличению кривизны поверхности, фазовым превращениям и даже аморфизации кристаллов, что влияет на их химическую активность. Эффективность механоактивации определяется вЭММА количеством аккумулированной обрабатываемым материалом энергии и зависит от разности скоростей накопления дефектов в материале и их исчезновения.

А

Б

В

Рисунко 2.1 -Организация «слоя скольжения» в ЭММА: А – образование структурных построений из ферромагнитных элементов; Б – силовое взаимодействие между ферромагнитным элементами; В – образование слоя скольжения. В – индукция магнитного поля; n – частота вращения подвижного цилиндра, F – силы взаимодействия между ферромагнитными элементами; - тангенциальное усилие сдвига; - угол деформации структурных построений из ферроэлементов

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что ЭММА можно рассматривать как усилитель мощности, позволяющий передавать значительную по величине энергию магнитоожиженному слою рабочих элементов (ферротел) при небольших энергозатратах на создание магнитного поля (до 30 Вт) и его регулирование в широком диапазоне значений. При этом эффективное управление физико-механическими процессами в слое рабочих элементов с обеспечением однородного распределения передачи механической энергии в перерабатываемую среду обеспечивается при выполнении неравенства

(2.1)

где сила тока в обмотке управления (ОУ); минимальное значение силы тока в (ОУ), прикотором создаются структурные группы из ферротел; - индукция в корпусе аппарата; - радиусы, соответственно, внутреннего и наружного цилиндров, ограничивющие рабочий объем аппарата; - минимальная толщина корпуса аппарата; - магнитная проницаемость рабочего объема; - высота корпуса аппарата; - число витков ОУ.

Увеличение силы и числа ударных воздействий на продукт происходит при ускорении смещения поверхностей, ограничивающих рабочий объем ЭММА. При этом действие центробежной силы необходимо компенсировать увеличением м.д.с. обмотки (или обмоток) управления

w = 0,16 , (2.2)

гдеК - коэффициент, характеризующий величину компенсируемой центробежной силы при помощи увеличения м.д.с. обмоток управления; F- сила сцепления между феррошарами и поверхностью внутреннего цилиндра; G - масса феррошара.

Силовое взаимодействие в контактной системе из двух рабочих элементов сферической формы радиусом и магнитной проницаемостью в магнитном поле напряженностью и момент сил взаимодействия поля с системой рабочих тел магнитоожиженного слоя определены выражениями

; (2.3)

. (2.4)

Угол является углом деформации структурных построений из ферроэлементов и его значение, определяя силу между этими элементами, характеризует процесс организации и разрушения структурной группы (рис.2.1).

Зависимость силового взаимодействия между рабочими телами в магнитоожиженном слое от угла деформации структурных построений из феррошаров представлена на рис.2.2.

Рисунок 2.2 - Качественная зависимость силового взаимодействия между размольными шарами от угла деформации структурной группы

При =0, когда линия, соединяющая центры ферротел, параллельна вектору напряженности невозмущенного магнитного поля, имеем

. (2.5)

Знак минус перед формулой указывает на то, что между шарами имеет место притяжение. При этом феррошары (рабочие тела) организуются в устойчивые структуры с максимальным силовым взаимодействием между собой и поверхностями, ограничивающими рабочий объем ЭММА. При смещении этих поверхностей структуры деформируются и угол увеличивается, что уменьшает силовое взаимодействие между рабочими органами аппарата. При достижении критического угла деформации = сила Угол, при котором притяжение рабочих тел сменяется их отталкиванием, определен выражением

. (2.6)

При , т.е. когда линия, соединяющая центры рабочих тел, перпендикулярна вектору напряженности поля, осуществляется целенаправленная переориентация рабочих тел в объеме ЭММА с созданием многоточечных энергонапряженных силовых контактов между этими элементами через прослойку обрабатываемого материала. При этом обеспечивается однородное распределения передачи механической энергии в перерабатываемую среду. Сила взаимодействия определена выражением

. (2.7)

Силовое взаимодействие между феррошарами в основании структурных групп определена методом зеркальных отображений.

При =0 и моменты сил взаимодействия феррошаров . Случай равновесия =0 является устойчивым, - неустойчивым. Правомерность использования математической модели подтверждена результатами экспериментальных исследований электротехнологических процессов АПК на макетах, экспериментальном образце (патент РФ № 1457881) и опытно-промышленном образце ЭММА (патент РФ № 2007094, свидетельство РФ на полезную модель № 769). Установлено, что использование энергии постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля в процессах активации технологических процессов позволяет формировать легкоуправляемые энергонапряженные механические воздействия наиболее экономичным способом, обеспечивает равномерную передачу механической энергии в перерабатываемую среду и позволяет осуществить регулируемую двухстороннюю взаимосвязь в аппаратурно-технологических системах производства.

В настоящее время разработан инновационный аппарат (рисунок2.3), позволяющий осуществлять гомогенное перемешивание, тонкое и сверхтонкое измельчение, а также активацию продуктов различного целевого назначения.

Рисунок2.3 - Электромагнитный механоактиватор:

1 – емкость; 2, 3 – загрузочный и разгрузочный патрубок; 4 – измельчающие элементы; 5,6 – постоянные электромагниты; 7 ,8 – регулируемые токовые обмотки управления; 9 – вал; 10 – перегородки; 11 – щетки-контакты

По результатам проведенных на экспериментальной установке исследований наблюдалась зависимость магнитных характеристик аппарата от коэффициента объемного заполнения рабочего объема. В настоящее время нет единого объективного подхода к определению степени заполнения объема рабочего зазора тем или иным заполнителем. В этой связи необходимость проведения исследований в этой области не вызывают сомнений при рассмотрении ряда эмпирических формул, характеризующих величину силы взаимодействия между ведущей и ведомой частями ЭММА при различных значениях индукции B_δ в их рабочих зазорах. При различном заполнении (концентрации) рабочего зазора ферромагнитным заполнителем величина удельного усилия сдвига τ или f, определенные по формулам и (здесь K_V - коэффициент объемного заполнения магнитной средой; - постоянный коэффициент, зависящий от концентрации смеси, величины рабочего зазора и свойств ферромагнитной составляющей, кгм/см²кгс), при прочих равных условиях будут различными. Поэтому весьма важно однозначно охарактеризовать степень заполнения рабочего зазора заполнителем и, в частности, его ферромагнитной составляющей (магнитоожиженным слоем). В настоящее время на практике используют формулу зависимости средней магнитной проницаемости заполнителя от концентрации магнитной проницаемости магнитодиэлектрика (здесь µ - значение магнитной проницаемости ферромагнитного заполнителя),которая дает ошибку (по сравнению с экспериментом) при K_V= 0,5 более 50%. При проведении исследований под насыпным весом заполнителя принимали вес его единичного объема, не изменяющегося при его свободной утряске. Этот подход к определению связи между весом и объемом, заполняемым частицами заполнителя, является необъективным и вносит ошибку субъективного характера в определение величины коэффициента K_V экспериментатором.

Выявлено, что коэффициент заполнения объема рабочего аппаратов с магнитоожиженным слоем наиболее целесообразно определять по формуле:

, (2.8)

где V_зап - объем заполнителя (ферроэлементов магнитоожиженного слоя); V_РЗ - объем рабочего объема.

В этом случае значение коэффициента заполнения объема рабочего аппаратов магнитоожиженным слоем не зависит от субъективных действий экспериментатора.

На рисунке 2.4 представлена статистическая зависимость магнитной проницаемости ферромагнитного заполнителя рабочего объема µ_δ от индукции в зазоре B_δ при коэффициентах объемного заполнения K_Vзап.

Рисунок 2.4 - Зависимость проницаемости наполнителя µ_δ от индукции B_δ при различных коэффициентах объемного заполнения K_Vзап

Представленная зависимость использована в проектных расчетах типовых рядов ЭММА в программном комплексе ANSYS. В результате исследований установлена адекватность математических моделей для определения коэффициента объемного заполнения рабочего объема ЭММА ферроэлементами магнитоожиженного слоя реальным процессам механоактивации продуктов различного целевого назначения, в том числе и полуфабрикатов шоколадного производства.