CC BY
59
УДК 621.3.0
ГЕНЕРАТОРНЫЙ РЕЖИМ В РАБОТЕ АППАРАТА ВИХРЕВОГО СЛОЯ
Г.В. Селиверстов, Д.П. Титов
Дано описание классического аппарата вихревого слоя. Рассматриваются особенности и преимущества работы аппарата вихревого слоя в генераторном режиме. Описывается лабораторная установка для исследования генераторного режима. Изложена методика для проведения исследования. Приведены результаты исследования этого режима. Доказана возможность создания приводных аппаратов вихревого слоя.
Ключевые слова: аппарат вихревого слоя, опытная установка, исследование, генераторный режим, характеристики машины, исследуемые параметры, рабочая область.
Аппарат вихревого слоя (АВС) в классическом исполнении (рис. 1) состоит из специального сердечника 1 (статора), позволяющего создать вращающиеся магнитные поля необходимой мощности.
>
Рис. 1. Конструктивная схема АВС
Внутри статора установлена труба 2 из нержавеющей стали или пластика, в которую загружаются рабочие элементы 3 из стали в форме цилиндров диаметром от 1 до 4 мм и длиной от 8 до 40 мм. Возможна загрузка элементов, изогнутых в одной или двух плоскостях для большей активизации взаимодействия с полем катушек статора, в результате чего рабочие элементы с большой скоростью вращаются в трубе, интенсивно соударяясь. При этом они взаимодействуют с обрабатываемой средой.
Проведённые исследования работы аппаратов вихревого слоя показали бесперспективность использования моторного режима (классический АВС) для измельчения сырья из-за малого значения коэффициента использования энергии ротором (порядка 0,1 - 1 %). Это связано с несовершенством передачи энергии вращающегося электромагнитного поля как ферромагнитным элементам, так и металлическому ротору, работающему с большим зазором между ротором и индуктором.
387
Наличие вращающегося ротора внутри установки при обратимости электрической машины подразумевает получение генераторного режима. Генераторный режим характерен тем, что вращение ротора осуществляется моментом, подводимым из вне. И соответственно момент, снимаемый с ротора ограничивается не самим АВС, а агрегатом приводящим ротор. Применительно к обрабатывающим машинам на основе АВС это исключительно полезно, так как вспомогательные агрегаты, обслуживающие работу обрабатывающей машины, могут быть практически неограниченной мощности. То есть агрегаты предварительной обработки: дробилки, мельницы, насосы будут гарантированно приведены, независимо от электромагнитных процессов, происходящих в аппарате вихревого слоя. При этом, электромагнитные процессы, проходящие в АВС будут полностью идентичны процессам, проходящим при работе в моторном режиме.
Ещё одной положительной особенностью работы установки в генераторном режиме является то, что она перестаёт работать от сетевого электричества, то есть, несмотря на плохой коэффициент мощности Cosф, работа сети не ухудшается. Установка приводится электродвигателем, у которого Cosф=0,9. Это высокий коэффициент, который не влияет на работу сети. Если АВС приводится тепловым мотором (дизельным двигателем), то работа перерабатывающих машин на основе АВС возможна в отсутствии электрических сетей в полевых условиях.
Поэтому исследование генераторного режима имеет большое значение для дальнейшего совершенствования АВС.
Для осуществления экспериментов в генераторном режиме установка оснащается приводным электродвигателем 15 (рис. 2), который через муфту 14 приводит вал 5 ротора 1. Запитывание приводного двигателя осуществляется от частотного преобразователя HYUNDAI N700E, изменением частоты питающего тока можно регулировать частоту приводного двигателя.
2. Статор.
3. Ферромагнитные-злементы.
4. Отражатели.
6. Опоры (юла ротора
7. Труба
8. Корпус установки.
9. Охлаждающее масло.
10. Термометр контроля температуры охлаждающего масла
11. Радиатор охлаждения.
12. Циркуляционный насос системы охлаждения.
13. Воздушный Вентилятор системы охлаждения
74. Соединительная муфта 15. Прибодной злектродби-
К-актибная зона Н-зазор между ротором
Рис. 2. Опытная установка (общий вид)
388
Установка (рис. 2) представляет собой индуктор 2, помещённый в корпус 8, в который налито охлаждающее масло 9. Внутрь индуктора вставлена труба 7, в трубе в зоне индуктора образована рабочая зона k. Так же на фланцах трубы закрепляются опоры 6, на которых вращается ротор 1, вывешенный на валу 5. Ротор можно легко демонтировать, что обеспечивает проведение экспериментов с различными диаметрами роторов. При необходимости проведения замеров с ферромагнитными элементами. Последние помещаются в активную зону k, отражатели 4 препятствуют разлёту ферромагнитных элементов и позволяют им постоянно оставаться в активной зоне k. Привод ротора осуществляется двигателем 15, через соединительную муфту 14. Приводной двигатель может вращаться с различной частотой посредством того, что питание электричеством осуществляется через частотный преобразователь HYUNDAI N700E.
Корпус установки смонтирован на радиаторе охлаждения 11, который выполняет так же роль основания. Циркуляционный насос 12, обеспечивает циркуляцию масла через радиатор охлаждения 11 и корпус 8. Контроль температуры охлаждающего масла осуществляется термометром 10. Воздушные вентиляторы 13 обеспечивают обдув радиатора и съём тепла.
Электрическая схема установки, работающей в генераторном режим, представлена на (рис. 3) С1, С2...СП конденсаторы, необходимые для работы асинхронной машины в генераторном режиме автономно от электрической сети [1].
СV
IvTI
С,
УГвольтметр измеряющий напряжение на конденсаторах. Агамперметр измеряющий силу тока на конденсаторах. V? -Ьольтметр измеряющий напряжение на генераторе . А2-амперметр измеряющий сипу нагрузкой
И- аппарат вихревого с пая. К2 С,.Сг„Сн - батареи конденсаторов различной емкости. R,. - внешняя нагрузка
различной мощности. К,. Кг. к3. Л-,., Кн., - трехполюсные выключатели осуществляющие комутацию емкостей и внешней нагрузки.
Рис. 3. Электрическая схема установки
Все попытки генерировать электрический ток на сплошных металлических роторах и постоянных магнитах успеха не имели. Возбуждение установки не происходило.
При замене ротора на короткозамкнутый ротор установка стала уверенно возбуждаться и выдавать электрическую мощность (рис. 4).
Рис. 4. Общий вид испытательной установки со стендом загрузки
Задача дальнейших опытов сводится к выявлению закономерностей влияния работы генератора с увеличенным зазором между ротором и статором Н, а также к исследованию влияния заполнения рабочей зоны ферромагнитными элементами на характеристики электрических параметров.
На электрической схеме (рис. 3) Г - аппарат вихревого слоя, который в данном случае выступает в роли генератора электрического тока. С1, С2,... ,СП - ёмкости для обеспечения работы генератора автономно от сети, емкости можно подсоединять в произвольном порядке для проведения экспериментов с помощью трёхполюсных выключателей К1, К3,...,КП. Так же возможно подключение с помощью выключателей К2, К4,.,Кп+1, внешней нагрузки Я1, Я2,..., Яп, на лабораторной установки внешняя нагрузка обеспечивается подключением соответствующего числа 95 ватных лампочек. Амперметр А1 и вольтметр У1 фиксируют параметры тока на конденсаторах. Амперметр А2 и вольтметр У2 фиксируют параметры тока вырабатываемого генератором.
Первоначально исследовалась работа установки в генераторном режиме с различными диаметрами роторов, различной ёмкостью конденсаторов под варьируемой нагрузкой. Изначально ротор имел диаметр 94 мм затем осуществлялось его протачивание в диаметры 88, 82 и 76 мм.
Для каждого диаметра осуществлялось снятие нагрузочной характеристики.
Дальнейшее исследование в определении влияния заполнения рабочей зоны ферромагнитными элементами на характеристики электрических параметров при работе установки в генераторном режиме. Это достигалось тем что для ротора в 76 мм осуществлялось порционное введение ферромагнитных элементов, представляющих собой железные цилиндры диаметром 2 мм и длинной 12 мм, в рабочую зону.
Так как уже при первых замерах выяснилось, что при работе с внешней нагрузкой ферромагнитные элементы намного слабее удерживались в активной зоне, то дальнейшее исследование проводилось только в режиме холостого хода. Варьирование проводилось ёмкостью конденсаторов и частотой задающего вращение частотного преобразователя.
Работая с ферромагнитными элементами, установили, что из-за высокой интенсивности процессов в образующемся вихревом слое осуществляется высокая эрозия поверхности ротора и самих ферромагнитных элементов, которые превращаются в ферропорошок с интенсивностью 100 гр. за 15 мин.
Из-за эрозии токопроводящего слоя роторы приходили в негодность вследствие разрыва проводников и отсутствия возбуждения.
В результате сравнения построенных зависимостей определился их типовой характер. Особенности этих построений рассмотрены на примере ротора ф94 с нагрузкой 6 ламп по 95 Вт для емкостей 150 мкФ, 100 мкФ и 50 мкФ (рис. 5).
Как видно из графиков зависимости и от Б, эта взаимосвязь имеет явно выраженный пик В, В1 и В2, после которого напряжение, развиваемое машиной, падает вплоть до полного падения. Просматривается чёткая зависимость как величины максимального напряжения, так и частоты при которой это напряжение развивается, т.е., чем выше емкость, тем ниже напряжение и меньше частота, при которой эта напряжение вырабатывается. Характерной является также зависимость начала возбуждения А, А1 и А2, от частоты: чем выше емкость, тем раньше начинается возбуждение (появляется напряжение на обмотках) и меньше значение.
Рис. 5. Анализ зависимостей исследуемых параметров
Строя огибающую кривую АВ1В2, можно определить область рабочих режимов, т.е. выше напряжения, которое ограничивается этой кривой и при данной частоте получить невозможно ни при какой емкости. Анализируя эту зависимость для различных случаев, становятся понятны её ха-
рактер и значения напряжения, которые может развить установка. Такое значение ограничивается 600 В при данных емкостях и скоростях привода.
Диапазон A, Ai, А2, определяемый расстоянием от точки А, Ai, А2, (начала возбуждения) до точки В, Bi, В2, (наивысшего напряжения) является рабочим диапазоном для данной емкости. Это становится понятным при рассмотрении зависимостей КПДЭЛ от F, Рхх от F, Рэл от F, 1,73UI от F.
КПДэл - это отношение вырабатываемой мощности, которую выдаёт установка во внешнюю сеть на нагрузку, к приводной мощности ротора установки, которую фиксирует питающий её частотный преобразователь. Как видно из графика (рис. 8), КПДЭЛ имеет наибольшую величину в момент возбуждения и в пределах рабочего диапазона уменьшается более чем в два раза. Мощность Рэл, отпускаемая на внешнюю нагрузку в пределах рабочего диапазона, увеличивается, а после точек В, Bi, В2 начинает падать. При этом приводная мощность Рхх возрастает на всех диапазонах A, Ai, А2 и за точками В, Bi, В2 продолжает возрастать. Таким образом, в рабочем диапазоне имеем высокий электрический КПД, положительный градиент напряжения от частоты и малую приводную мощность. В то же время, как за рабочим диапазоном, будет низкий КПД, падающее напряжение и повышенная приводная мощность.
Величина 1,73UI отражает процессы, происходящие в цепи конденсатора. Зависимость 1,73UI от F качественно повторяет зависимость Рэл от F как в рабочем диапазоне, так и вне его, что позволяет оценивать электрические процессы, происходящие в установке по измерениям в цепи конденсаторов.
Скольжение S отражает загрузку установки: чем больше скольжение, тем больше нагрузка. Зависимость S от F имеет линейную зависимость. Диапазон частот для скольжения определяется только емкостью конденсаторов.
По вышеприведенным зависимостям осуществляется определение максимальных значений напряжения Umax, и приводной мощности Рхх в зависимости от относительного зазора Н и емкости конденсаторов.
D — dy,
Относительный зазор Н = , где D = 100 мм - диаметр индуктора (внутренней трубы), dp - диаметр ротора.
На основе определённых зависимостей построены графики (рис. 6, 7), по которым выявляется оптимальная область S по относительным зазорам и подключаемым емкостям. Из этих графиков видно, что 200 мкФ для нашей установки являются явно избыточными вследствие завышенной приводной мощности и пониженного напряжения. Определен также диапазон зазора Н ротора, который для устройств данного типа не должен превышать 20 % от диаметра статора. Зависимость UMax от количества ферромагнитных элементов М, как видно из графика, практически линейная с отрицательным градиентом, причем с увеличением емкости это падение уменьшается.
Зависимость от колличесба феромагнитных злементоВ М
Зависимость U„, от зазора Н
зоо
и [В] 600 и [В]
---
яю 'N1 ч 5
" N N \s
V iOO \ \ ч
ч N > \
- 50г*Ф 300 ---- \ -- - ЭОмкФ - 50 мкФ - ЮОмкФ
--- --- ЮОмкФ 150 тф - \ \ —
-— --- —- 200мкФ \ - 150 мкФ - 200мкФ
М [гр] юо И [%]
юо яю 300
о Ю 20
Рис. 6. Зависимость максимального напря^^ения Umax от относительного зазора Н и количества М ферромагнитных
элементов
Зависимость Р„ от калличесВа феромагнитных элементов М
Зависимость Р„ от зазора Н
Рхх Е]
/- ^ . - ■ — 50мкФ
SI ---ЮО - ВО мкФ мкФ мкФ
----200
М [гр]
Рхх [В]
1 \
>1 \ \ 5
\ л у
ч ч v\ Ч ч ---50 мкФ • ЮОтФ - &Оп(Ф ----200мкФ
ч \ ч
\
Н [%]
т 200 зоо too
20 зо w
Рис. 7. Зависимость приводной мощности Рхх от относительного зазора Н и количества М ферромагнитных элементов
Приводная мощность Рхх с увеличением количества ферромагнитных элементов М незначительно увеличивается для всех емкостей за исключением 50 мкФ, когда после 100 грамм элементов наблюдается падение.
Список литературы:
1. Логвиненко Д. Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Киев: Техника, 1976. 144 с.
2. Селиверстов Г.В., Титов Д.П. Необходимость утилизации зо-лошлаковых отходов (ЗШО) с использованием перерабатывающих машин на принципах аппаратов вихревого слоя (АВС) // Наземные транспортно-
393
технологические комплексы и средства: материалы междунар. научно-технической конф. / под общ. ред. Ш.М. Мерданова. Тюмень: Изд-во ТИУ, 2017. С. 276-278.
3. Селиверстов Г.В., Титов Д.П. Использование машин на принципах аппаратов вихревого слоя (АВС) для утилизации золошлаковых отходов // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: Материалы междунар. научно-технической конф. / под общ. ред. Ш.М. Мерданова. Тюмень: Изд-во ТИУ, 2017. С. 279-282.
Селиверстов Григорий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, s456789@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Титов Дмитрий Петрович, аспирант, titovd1981@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
GENERA TOR MODE IN THE OPERA TION OF THE VORTEX LAYER APPARATUS
G. V. Seliverstov, D.P. Titov
A description of the classical vortex layer apparatus is given. The features and advantages of the vortex layer apparatus in the generator mode are considered. A laboratory installation for studying the generator mode is described. The method for conducting the study is described. The results of the study of this mode are presented. Proved the possibility of creation of power transmission apparatuses of a vortex hand.
Key words and phrases: the apparatus of the vortex layer, pilot plant, research. generator mode, characteristics of the machine, the studied parameters, workspace.
Seliverstov Grigory Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, s456789@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Titov Dmitriy Petrovich, postgraduate, titovd1981@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
