CC BY
346
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 537.811:635.21
Лысаков А. А.
Lysakov A. A.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОДОБИЕ АППАРАТОВ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ КАРТОФЕЛЯ
ELECTROMAGNETIC SIMILARITY OF MAGNETIC PROCESSING POTATOES
Одним из наиболее эффективных методов увеличения доступного потребителям количество картофеля в стране без дополнительных затрат на внешние его закупки (кроме увеличения объёма производства в РФ), является сокращение потерь картофеля при хранении, которое можно достичь не только традиционными способами, но и применяя воздействие различных физических факторов, таких как магнитное поле, электрический ток, ионизация.
В результате экспериментальных исследований установлено, что потери массы картофеля при обработке отрицательными ионами составляют 23 процента по сравнению с 39 процентами необработанного контроля; при обработке электромагнитным полем потери массы картофеля составляют 33 процента, также определен диапазон воздействия электромагнитным полем, при котором наблюдался положительный эффект. Однако, все результаты получены на аппарате магнитной обработки картофеля малой производительности, который не подходит для применения в практических целях.
Для создания аппарата высокой производительности необходимо решить ряд проблем, связанных с изменением геометрических, электромагнитных, тепловых и других параметров. Данную задачу успешно решают при помощи теория подобия и моделирования, которая позволяет сократить количество проводимых экспериментов.
Ключевые слова: картофель, хранилище, уменьшение потерь, электромагнитное влияние, постоянный ток, переменный ток, продовольственная безопасность, нелинейное подобие.
One of the most effective methods of increasing available to consumers the amount of potatoes in the country without additional costs for external procurement (in addition to increasing the volume of production in the Russian Federation) is to reduce the losses of potatoes during storage, which can be achieved not only by traditional methods, but also by the impact of the various physical factors, such as the magnetic field, an electric current, ionization.
As a result of experimental research, found that weight losses of potatoes during processing of negative ions make up 23 per cent, compared with 39 percent of the untreated control; When handling mass-loss electromagnetic field of potatoes make up 33 percent, also identified the range of effects of the electromagnetic field in which there has been a positive effect. However, all results obtained on apparatus of magnetic processing potatoes low volume, which is not suitable for use for practical purposes.
To create a high-performance machine, you must solve a number of problems associated with the change of geometrical, electromagnetic, thermal, and other settings. This task successfully solve using similarity theory and modeling, which allows to reduce the number of experiments.
Key words: potato, storage, less waste, electromagnetic impact, direct current, alternating current, food security, nonlinear similarity.
Лысаков Александр Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры
применения электрической энергии в сельском хозяйстве
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: +7-918-867-32-63
Е-mail: s_lysakov@mail.ru
Lysakov Alexander Alexandrovich -
PhD of technical sciences, docent of department use electrical energy in agriculture of Stavropol State Agrarian University Stavropol
Тel.: +7-918-867-32-63 Е-mail: s_lysakov@mail.ru
Проблемой в современных экономических условиях является то, что объёмы производства картофеля внутри страны не удовлетворяют в полной мере потребностей граждан в этом продукте питания, поэтому довольно значительное его количество импортируется из-за рубежа. Одним из наиболее эффективных методов увеличения доступного потребителям количество картофеля в стране без дополнительных затрат на внешние его закупки (кроме увеличения объёма производства в РФ), является сокращение потерь картофеля при хранении, которое можно достичь не только традиционными способами, но и применяя воздействие различных физических факторов, таких как магнитное поле, электрический ток, ионизация. Изу-
чение влияния этих способов воздействия на картофель является актуальной задачей [1,2].
Исследование влияния электрофизических способов обработки картофеля на сохранность клубней являлось целью эксперимента. В ходе эксперимента решались следующие задачи: установить характер влияния электрофизического воздействия на клубни картофеля; определить оптимальные параметры электрофизического воздействия на уменьшение массы картофеля; определить динамику изменения массы обработанных клубней картофеля по сравнению с необработанными [3,4].
При исследовании влияния различных факторов на сохранность картофеля использовались метод планирования эксперимента, метод математической статистики, метод эмпириче-
в
естник АПК
Ставрополья
№ 4(20), 2015
Агроинженерия
47
ского познания метод, многофакторного эксперимента, статистический анализ, определение адекватности.
В результате экспериментальных исследований установлено, что потери массы картофеля при обработке отрицательными ионами составляют 23 процента по сравнению с 39 процентами необработанного контроля; при обработке электромагнитным полем потери массы картофеля составляют 33 процента, также определен диапазон воздействия электромагнитным полем, при котором наблюдался положительный эффект [5,6].
Экспериментальное воздействие на клубни картофеля электромагнитными полями переменного тока показало, что электромагнитная обработка оказывает влияние на внутреннюю структуру картофеля, изменяя концентрацию и размеры частиц крахмала, что, в свою очередь, отражается на массе картофеля [7]. Также было установлено, что существует значение (или диапазон значений) для дозы магнитной обработки, при котором убыль массы картофеля меньше, чем у необработанного контроля [8].
Экспериментальные исследования проведены для аппарата магнитной обработки картофеля малой производительности до 10 килограмм в час. Для производственных целей необходима разработка аппарата высокой производительности порядка 10о килограмм в час. Для создания аппарата высокой производительности необходимо решить ряд проблем, связанных с изменением геометрических, электромагнитных, тепловых и других параметров.
Поскольку принцип работы аппарата магнитной обработки картофеля подчинен единым законам электричества и магнетизма, появляется возможность исследовать характеристики одного аппарата, который является «моделью» с целью их перенесения на необходимый расчетный аппарат - «оригинал», который может быть рассчитан не только на другое значение напряжения, тока и т.д., но и на другую производительность, на другую конфигурацию поля и т.д. Данную задачу успешно решают при помощи теория подобия и моделирования. Теория подобия позволяет сократить количество проводимых экспериментов [9,10].
Подобие электрическое (электромагнитное), - так называют подобие электрических и магнитных полей и цепей у соответствующих в рассмотрении элементов электрических систем. Наиболее простым и распространенным при рассмотрении является подобие цепей.
Электрической цепью является совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать переменный или постоянный электрический ток.
Цепь магнитная - устройство, которое состоит из одного или нескольких ферромагнитных тел, и главным назначением которой является усиление магнитного поля и образование необходимого пути, вдоль которого должен за-
мыкаться магнитным поток, создаваемый намагничивающей силой (М.Д.С.) катушки.
Разработка технически совершенной электрической аппаратуры с оптимальными работоспособными параметрами и необходимыми характеристиками возможно только при опоре на достаточно точную научно - обоснованную методику расчёта магнитных цепей [10,11]. Кроме того, расчёт цепей в значительной мере сокращает общее время проектирования и уменьшает количество дорогих и длительных экспериментов при подборе оптимальных параметров, а также позволяет заранее установить оптимальные пределы параметров, а также позволяет заранее установить характер влияния частоты переменного тока и температуры на характеристики аппарата или прибора. Вместе с тем расчёт магнитной цепи связан с большими трудностями и разработан недостаточно, в особенности для цепи переменного тока. Это объясняется многообразием конструктивных форм магнитных цепей, сложностью распределения объемного магнитного поля рассеяния вдоль длины магнитопровода и поля выпучивания вблизи воздушного зазора, нелинейностью кривой намагничивания, размагничивающим действием электромагнитных экранов и влиянием вихревых потоков и гистерезиса [12].
Классификация магнитных цепей разделяет их на следующие категории:
1) магнитная цепь, поток рассеяния которой имеет ничтожно малое значение и при определении параметров намагничивающей катушки не учитывается;
2) магнитная цепь, поток рассеяния которой должен быть учтен.
При определении критериев подобия в статических режимах реальный АМОВ, как электромагнитный элемент, обычно заменяют эквивалентным, принимая, что:
1) значение поперечного сечения сердечника неизменно по средней длине силовых линии;
2) величина магнитной индукции является постоянной в любой точке пространства для модели и оригинала (В* = idem);
3) потоки рассеяния и потери в стали отсутствуют;
4) для соблюдения подобия нелинейности кривой намагничивания вводится относительная характеристика p* = f (H*) = idem.
При расчете магнитной цепи, через обмотки которой протекает переменный ток, необходимо учитывать ряд особенностей по сравнению с магнитной цепью, по которой проходит постоянный ток. Данные особенности с появлением в цепи переменного тока реактивного магнитного сопротивления Xp наряду с Rp, зависящее от магнитной проницаемости среды, от размеров участка магнитной цепи и структуры магнитного поля на этом участке. Возникновение реактивного магнитного сопротивления связано с влиянием токов, наведенных изменяющимся магнитным потоком в магнитопроводах
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник ЛПК
Ставрополья
и в короткозамкнутых обмотках (или витках). Реактивное магнитное сопротивление не только оказывает влияние на величину результирующего потока, но и является причиной сдвига фаз между этим потоком и магнитодвижущей силой обмотки. Особенность электромагнитного процесса, проходящего в электромагнитных катушках с магнитопроводами на переменном токе: нелинейная зависимость В(Н), поэтому зависимость y(i) также имеет нелинейный характер. Производная dy/di непрерывно изменяется на этой кривой, поэтому L = dy/di = L(i) = var; индуктивность обмотки магнитопровода является непостоянной и величиной и имеет зависимость от тока в электрической цепи; взаимозависимость напряжения на обмотке и тока в ней описывается соотношением U = L(i)di / dt, поэтому при синусоидальном характере напряжения на обмотке форма тока имеет несинусоидальную зависимость; с изменением магнитного поля связано повышение температуры магнитопровода из-за явления гистерезиса и вихревого тока, поэтому, в магнитопроводе появляются потери электроэнергии, которые получили название магнитных потерь [13].
Подобие электромагнитов переменного тока при статических режимах обеспечивается при соблюдении следующих критериев:
1) индуктивное сопротивление катушки
я j = <N2 Scr | / (lcrR6 ) = idem (1)
2) напряженность магнитного поля
я 2 = Н* = u6N /(R6lCTH6 ) = idem (2)
3) активное сопротивление Яэк экранирующего коротко замкнутого витка (витков) Nэк (если таковые имеются )
я, = R* =
ReNl
= idem
следует дополнить критерием гомохронности Оо = юг (по методу интегральных аналогов):
Ж] = (е /у)со; (7)
П2 = цу12со; (8)
жз =Ш. (9)
Используя я-теорему и, полагая в качестве независимых параметров Д у, 1,т, получим:
Ж] = Е /(Ну11-1); (10)
Ж2 = ц /(у11-2 саг1); (11)
жз = е/(ую-1); (12)
ж4 =р/(И1-2 со-1); (13)
Жз = о/(1а>); (14)
Ж6 = г /(О1. (15)
Используя полученные ранее системы критериев подобия, представим множители преобразования для магнитных и электрических цепей, обтекаемых переменным током. Множители преобразования: для действующего значения тока I*
= K,
S
k*
а
для полного сопротивления 2* катушки
2 = К2 ;
* К • £ '
а К*
для полной мощности
= К • £ „ ;
* а К*
для активного сопротивления R= *
К
R = KU
= * U
(3)
K • S, ф
е *
I • 12
I*
4) отношения неэкранированной и экранированной частей полюса
я4 = S„* / S3K* = idem (4)
5) критерия гомохронности
Go = <t = idem (5)
6) должно выполняться соотношение
= f (Н * )= idem (6)
8) должны выполняться условия равенства в сходственных точках аппарата значений магнитной индукции В* и магнитной проницаемости д*, т. е. В* = idem; д* = idem.
В последних выражениях: 1ст и SCT — длина средней магнитной силовой линии и сечение основного полюса магнитопровода; д и Нб - базисные значения магнитной проницаемости и напряженности поля; Sro, S3K - площади неэкранированной и экранированной частей полюса. Последнее условие справедливо и для аппаратов, работающих на постоянном напряжении [14,15].
Для получения критериев подобия электромагнитных полей, создаваемых периодическими переменными токами, системы критериев (1-6)
для активной мощности P= *
Л
P ,= I.
• t
K • S . ф е
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
М-*
Анализируя полученные зависимости (формулы 16-20), можно сделать следующие заключения:
- значение тока катушки I* возрастает - это влияние ряда факторов, главным из которых является изменение обмоточных параметров катушки;
- значение сопротивления катушки (полного на переменном Ък* или на постоянном токе Я) снижается - это связано с изменением параметров обмотки в катушке;
- величина плотности тока)* уменьшается -это связывается со значительным возрастанием поперечного сечения провода при сохранении постоянного значения напряжения;
- величина полной мощности катушки (8* на переменном токе, Р* на постоянном токе) возрастает, поскольку происходит возрастание тока;
- количество витков катушки № уменьшается во всем ряду аппаратов довольно не-
е
в
естник АПК
Ставрополья
№ 4(20), 2015
Агроинженерия
49
значительно из-за увеличения поперечного сечения провода; параметр магнитодвижущая сила катушки имеет тенденцию к росту в связи с увеличением силы тока;
магнитное сопротивление участка магнито-провода уменьшается вследствие увеличения толщины стенок корпуса аппарата, следовательно, магнитная проводимость участка магнитопровода Лм* увеличивается - данное условие вытекает из требования, характеризующее геометрическое подобие; магнитное сопротивление воздушного промежутка Кмв.з* уменьшается, т.к. поперечное сечение трубопровода увеличивается, следовательно, магнитная проводимость воздушного промежутка Лмвз* возрастает; магнитный поток в рабочей зоне Ф* увеличивается, поскольку это связано с возрастанием силы тока и поперечного сечения трубопровода при сохранении значения величины магнитной индукции постоянным; значение индуктивности катушки аппарата Ь* имеет сложную нелинейную зависимость - это связано с изменением величины силы тока и уменьшением количества витков катушки;
- величина полной энергии увеличивается, т. к. происходит увеличение значения силы тока и потокосцепления;
- значение потокосцепления у* увеличивается вследствие увеличения силы тока катушки;
- активное сопротивление катушки Я=* уменьшается вследствие изменения геометрических параметров обмотки при сохранении значения напряжения постоянным;
- величина активной мощности катушки Р=* увеличивается вследствие увеличения значения тока катушки.
Найденное решение системы критериев подобия магнитной цепи справедливо при условии постоянства удельного магнитного сопротивления стального магнитопровода, которое характерно для ненасыщенного участка кривой, в противоположном случае возникают ощутимые погрешности, превышающие 50-70 процентов.
В результате экспериментальных исследований установлено, что электромагнитные поля подобны, если существует геометрическое подобие систем и определяющие критерии подобия равны в сходственных точках пространства и в сходственные моменты времени.
Литература
1. Лысаков А. А., Самарин Ф. Ф. Современные технологии хранения картофеля // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. Ставрополь, 2010. С. 185-188.
2. Никитенко П В., Лысаков А. А., Самарин Ф. Ф. Использование электрофизических способов обработки картофеля для уменьшения его потерь // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. Ставрополь, 2010. С. 189-191.
3. Лысаков А. А., Забилян И. В. Улучшение условий хранения картофеля при помощи физических факторов // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. Ставрополь. 2011. С. 160-163.
4. Никитенко П. В., Лысаков А. А., Самарин Ф. Ф. Электромагнитное устройство для уменьшения потерь картофеля при хранении // Достижения науки и техники АПК. 2010. № 9. С. 71-72.
5. Лысаков А. А. Новые способы хранения картофеля // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. Ставрополь, 2011. С. 168-171.
References
1. Lysakov A. A., Samarin F. F. Modern technologies of potato storage // methods and technical means of increasing the effectiveness of the use of electrical equipment in industry and Agriculture: sat. researcher. tr. Stavropol : AGRUS. 2010. p. 185-188.
2. Nikitenko G. V., Lysakov A. A., Samarin F. F. Use electro-physical methods of processing potatoes to reduce his loss // Methods and technical means of increasing the effectiveness of the use of electrical equipment in industry and Agriculture: sat. researcher. tr. Stavropol : AGRUS. 2010. P. 189-191.
3. Lysakov A. A., Zabilyan I. V. Improvement of potato storage using physical factors // Methods and technical means of increasing the effectiveness of the use of electrical equipment in industry and Agriculture : sat. researcher. tr. Stavropol : AGRUS. 2011. P. 160-163.
4. Nikitenko G. V., Lysakov A. A., Samarin F. F. Electromagnetic device to reduce losses of potatoes during storage // Agricultural science and Technology Achievements. 2010. № 9. P. 71-72.
5. Lysakov A. A. New ways to store potatoes // Methods and technical means of increasing the effectiveness of the use of electrical equipment in industry and Agriculture: sat. researcher. tr. Stavropol : AGRUS. 2011. P. 168-171.
6. Lysakov A. A. Influence of physical factors on safety of potatoes // Methods and technical means of increasing the effectiveness
50
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
6. Лысаков А. А. Воздействие физических факторов на сохранность картофеля // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. Ставрополь, 2011. С. 172-175.
7. Лысаков А. А. Влияние электрофизических способов обработки на сохранность клубней картофеля // Ресурсосберегающие технологии и техническое обеспечение для инновационного развития агропромышленного комплекса : сб. науч. тр. 5-й Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии - основа эффективного развития агропромышленного комплекса России» (г. Зерноград, 27-28 мая 2010 г.). Зерноград, 2010. С. 285-289.
8. Лысаков А. А. Влияние различных физических факторов на сохранность картофеля // Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 1. С. 14-16.
9. Лысаков А. А. Влияние электромагнитного поля на сохранность клубней картофеля // Сборник научных докладов ВИМ.
2012. Т. 1. С. 766-770.
10. Пат. на полезную модель 113630 Российская Федерация. Д01Р25/00 (2006.01) Аппарат электромагнитной обработки клубней картофеля / П. В. Ники-тенко, А. А. Лысаков, И. В. Забилян. № 2011120196/13 ; заявл. 19.05.2011 ; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6. 1 с.
11. Пат. на полезную модель 98860 Российская Федерация. Д01Р25/00 (2006.01) Аппарат электромагнитной обработки клубней картофеля / П. В. Никитенко, А. А. Лысаков, Ф. Ф. Самарин. № 2010125290/21 ; заявл. 18.06.2010 ; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31. 2 с.
12. Лысаков А. А. Разработка ряда аппаратов магнитной обработки поливной воды с использованием теории нелинейного подобия : дис. ... канд. техн. наук / СтПАУ. Ставрополь, 2003. 184 с.
13. Лысаков А. А. Разработка ряда аппаратов магнитной обработки поливной воды с использованием теории нелинейного подобия : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия. Зерноград, 2004. 18 с.
14. Лысаков А. А. Разработка ряда аппаратов магнитной обработки поливной воды с использованием теории нелинейного подобия : моногр. Ставрополь: Изд-во "Курсив", 2012. - 132 с.
15. Лысаков А. А. Новые способы уменьшения потерь картофеля при его хранении // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. Ставрополь,
2013. С.165-171.
of the use of electrical equipment in industry and Agriculture: sat. researcher. tr. Stavropol: AGRUS. 2011. P. 172-175.
7. Lysakov A. A. Influence of electro-physical methods of preservation processing potatoes // resource saving technologies and technical support for the innovative development of agroindustrial complex: Sat. researcher. tr. 5-th intern. researcher Scient. CONF. "Innovation is the basis for the effective development of the agro-industrial complex of Russia" (Zernograd, Rostov region, GNU SKNIIMESH, agricultural sciences 27-28 May 2010 r.). Zernograd, 2010. P. 285-289.
8. Lysakov A. A. Influence of different physical factors on safety of potatoes // Herald of the AGROINDUSTRIAL COMPLEX of Stavropol. 2012. № 1. P. 14-16.
9. Lysakov A. A. Influence of electromagnetic field on the preservation of potatoes // Collection of scientific reports WIM. 2012. So. 1. P. 766-770.
10. Pat. 113630 Russian Federation. A01F25/0000 (2006.01) Apparatus electromagnetic processing Potato tubers [text] / G. V. Nikitenko, A. A. Lysakov, I. V. Zabilyan. № 2011120196/13; Appl. 19.05.2011. Feb 27, Director. № 6. 1 c.
11. Pat. 98860 Russian Federation. A01F25/0000 (2006.01) Apparatus electromagnetic processing Potato tubers [text]/G. V. Ni-kitenko, A. A. Lysakov, F. F. Samarin. № 2010125290/21; Appl. 18/06/2010. 10.11.2010. № 31. 2 c.
12. Lysakov A. A. Number of devices for magnetic water treatment using non-linear theory of similarity: DIS. ... Cand. Tech. Science / Stavropol State Agrarian University. Stavropol, 2003. 184 p.
13. Lysakov A. A. Number of devices for magnetic water treatment using non-linear theory of similarity: katege. dis. ... cand. tech. sciences / Azov-Black Sea State agroengineering academy. Zernograd, 2004. 18 c.
14. Lysakov A. A. Number of devices for magnetic water treatment using non-linear theory of similarity. The monograph. - Stavropol: Publishing House "Kursiv", 2012. -132 p.
15. Lysakov A. A. New ways to reduce losses of potatoes during storage // Methods and technical means of increasing the effectiveness of the use of electrical equipment in industry and Agriculture: sat. researcher. tr. Stavropol : AGRUS. 2013. P. 165-171.
