3.15 Тема 15. Тепловая обработка материалов и электроимпульсные технологии

Рассматриваемые вопросы:

- электрооборудование для тепловой обработки материалов;

- электрооборудование активного вентилирования и конвективной сушки;

- электроимпульсные технологии.

Рекомендуемая литература:

- БасовА.М. и др. Электротехнология. Учебное пособие. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992, (текст).

- Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. /Под общ. ред. В.Н. Растригина/. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Электротехнологические промышленные установки. Учебное пособие./ Под ред. Д. Свенчанского/. М.: Энергоиздат, 1982.

Краткое содержание

Тепловая обработка представляет собой технологический процесс, в результате которого под действием теплоты изменяются состояние, структура или физико-химические свойства материалов.

При активном вентилировании зерна исключается его перемещение, перегрев семян при сушке, их травмирование. Чаще всего этот процесс проводят в закромах и специальных бункерах.

Промышленностью выпускается воздухоподогреватель ВПЭ - 6А установленной мощностью 26 кВт. Подача воздуха до 6 тыс. м³/ч. Можно одновременно вентилировать зерно, насыпанное слоем до 1,5 м на площади до 18 м².

Бункер активного вентилирования состоит из двух коаксиальных перфорированных цилиндров, в кольцевой зазор между которыми засыпают зерно. Во внутренний цилиндр с помощью центробежного вентилятора подают воздух, который пронизывает слой зерна в радиальном направлении и уносит излишнюю влагу.

Чаще всего применяют бункера активного вентилирования БВ- 25, БВ-40, и К 878 (изготовитель Германия) вместимостью 25;40 и 29 т и установленной мощностью 29,5; 47,5 и 25,5 кВт.

В бункерах БВ-25 и БВ - 40, а также отделениях бункеров ОБВ -100 ОБВ -160 хранят влажные свежеубранные семена и сушат их. В состав отделения ОБВ -100 входят четыре бункера БВ -25, а ОБВ -160 – четыре бункера БВ-40.

Для сушки рассыпного и прессованного сена применяют установку УДС -300 с осевым вентилятором, электрическим калорифером и системой распределительных воздуховодов. Её установленная мощность 19,5 кВт (в том числе мощность калорифера 15 кВт), воздухопроизводительность 20 тыс. м³/ч.

Конвективную сушку проводят в сушилках или сушильных электропечах, пропуская через слой плодов воздух, нагретый с помощью электрокалориферов до температуры 50…75 С.

Наиболее распространены камерные и туннельные конвективные сушильные электропечи.

Камерная и туннельная электропечи рассчитаны на разовую загрузку одной тонны сырья и сушку в течение суток. Установленная мощность калорифера 42 кВт; при толщине слоя плодов 0,5 м подача вентилятора 4000 м³/ч. Расход электрической энергии 5,3…5,6 кВт∙ч на получение 1 кг сухофруктов.

В основе расчета мощности электроподогревателей воздуха лежит материальный и тепловой баланс сушильной установки.

Из материального баланса сушки определяют массу испаряемой влаги, кг,

m _в = m∙(W₁-W₂)/(100-W₂),

Необходимая подача вентилятора, м³/с,

V_t = m_в∙10³/ ,

где - плотность воздуха, кг/м³, при средней относительной влажности %; d₂ и d₁ – влагосодержание воздуха, выходящего из материала при сушке и входящего в него, г/кг.

Мощность калорифера, Вт,

Р= V_t∙ ),

где h₁ и h₀ – энтальпия воздуха соответственно после и до прохождения через калорифер, Дж/кг; = 0,8…0,9 – коэффициент, учитывающий потери воздуха в сушилке; _к = 0,9… 0,95- КПД электрокалорифера.

Значения d₁, d₂, h₀ и h₁ находят по диаграмме h- d.

Электротерморадиационные сушилки – это устройства, в которых теплота передается обрабатываемому материалу от источников инфракрасного излучения.

Значительное распространение получила терморадиационная сушка лакокрасочных покрытий, тканей, бумаги, электрической изоляции, зерна, риса, семян подсолнечника и овощей, гранулированных кормов и др.

Высокочастотные сушилки - это установка диэлектрического нагрева, в которых происходит объемный ввод энергии в материал. При быстром нагреве внутренних слоев материала создаются градиенты температуры и давления, направленные наружу, что способствует миграции влаги из глубины тела к поверхности и существенной интенсификации процесса сушки. По сравнению с конвективной скорость высокочастотный (ВЧ) сушки выше в десятки – сотни раз. В отличие от других способов ВЧ - сушка обеспечивает равномерную усадку сушильного материала без образования трещин и поверхностной корки.

Для сушки зерна используют частоты 10…12 МГц. Мощность установки определяют, проводя тепловой расчет. Энергоемкость при ВЧ - сушке 1,8…3,5 кВт∙ч на 1кг испаренной влаги.

Тепловую обработку фуражного зерна используют для повышения его перевариваемости при подготовке к скармливанию животным – это пропаривание, экструдирование, микронизация, электрогидротермическая обработка и др.

При микронизации фуражное зерно влажностью 18…20 % в течение 50 с подвергают воздействию ИК-излучения с длиной волны 1000…5000 нм. Инфракрасные лучи проникают в зерно и вызывают его интенсивный нагрев до температуры 90…100 С. Зерно разбухает, становится мягким и растрескивается; после плющения его скармливают животным. Микронизация повышает энергетическую ценность зерна на 10…30 %, частично его обеззараживает, уменьшает всхожесть семян сопутствующих сорных растений.

Установки ИК - нагрева предназначены также для пастеризации молока, уксуса, фруктовых, ягодных и овощных соков, других органических жидкостей, дезинсекции зерна, предпосевной обработки семян.

Лазерные установки используют при предпосевной обработке семян, в селекционной работе, для облучения яиц и др.

Электроимпульсные технологические процессы характеризуются прерывистым подводом энергии с определенной длительностью, частотой и скважностью.

Технологические процессы, основанные на использовании импульсного воздействия, в том числе высоковольтных разрядов в различных средах, применяют для обработки сельскохозяйственного сырья и материалов, управления поведением животных, при электрофизической обработке металлов, разрушении, дроблении и измельчении.

Методы генерирования силовых импульсов условно разделяют на непосредственные, путем инвертирования, формирования (изменения формы кривой) и суммирования или компенсации.

Системы генерирования импульсов делят на подключаемые параллельно нагрузке (релаксационные, электромашинные и др.), последовательно с ней (генераторы с прерывателями и ключами) и комбинированные.

Частоту следования импульсов можно определить:

f = ,

где - время заряда;

=U_p /U_н – степень заряда конденсатора.

Для характеристики импульсов вводят понятие скважности:

S=T/ .

Средняя мощность, подводимая к разрядному контуру:

Р=W/T= f∙W, [Вт]

Мощность генератора импульсов:

Р=Р_и / , [Вт]

где - КПД зарядного контура.

Для ограждения летних лагерей и управления поведением животных применяют электрические изгороди (ЭИ). Электрическая изгородь включает в себя генератор импульсов и изгородь, в состав которой входят опорные стойки с изоляторами и токоведущая линия. Стойки располагают через 10…20 м, токоведущую линию выполняют из стельной оцинкованной проволоки диаметром 1,2…2 мм или токопроводящих шнуров на синтетической основе. Линия может быть одно- или многопроволочной, высота подвеса 30…90 см.

Для ЭИ обычно применяют RC- генераторы как наиболее простые и легкоуправляемые. Они могут быть с индуктивным и емкостным выходом.

Рекомендуемые параметры импульсов

Амплитудное значение напряжения на линии	2…10 кВ
Амплитудное значение тока в импульсе	50…150мА
Частота импульсов	60…120 мин-1
Количество электричества, протекающего через тело животного	2…2,5мКл
Длительность импульса, не более	0,1 с
Скважность импульсов, не менее	15

Электрический ток в зависимости от его параметров стимулирует или угнетает жизнедеятельность растений либо даже прекращает её. При импульсном воздействии можно локализовать такие факторы, как ударная волна, концентрация химических реагентов, поляризация, и достичь ожидаемого эффекта при более низких энергозатратах по сравнению с непрерывной обработкой током.

Электроимпульсную обработку плодов проводят при напряженности поля около 2200 кВ/м. В этом случае плазмолиз возможен не только вследствие поляризационных электрокинетических явлений, но из-за микрогидравлических ударов, приводящих к механическим разрушениям клеток. При таком способе полнее используют сельскохозяйственное сырьё и получают на 10…20 % больше соков.

В электрогидравлических установках используется электрогидравлический эффект (ЭГЕ) – способ непосредственного преобразования электрической энергии в механическую, при котором вследствие электрического разряда в межэлектродном пространстве, заполненном жидкостью, выделяются значительные мощности. Процесс сопровождается ударными волнами, ультразвуковыми колебаниями, кавитационными явлениями, а также инфракрасным, ультрафиолетовым излучениями и ионизацией элементов жидкости.

Для получения ЭГЭ применяют релаксационные генераторы. Для резко неоднородных электрических полей, наиболее часто применяемых в установках ЭГЭ («стержень – плоскость»), максимальное расстояние между электродами, при котором ещё возможен пробой, м.

l_max = ,

где U₀ – напряжение, при котором напряженность электрического поля у вершины стержня принимает критическое значение, достаточное для возникновения ионизации жидкости, В; С- емкость накопительного конденсатора, Ф; = 3,6∙10⁵ В²∙с/м – постоянная; b = 2∙10^-4∙U₁- коэффициент зависящий от напряжения, В; v - удельная электрическая проводимость жидкости, См/м; U₁- напряжение заряженного накопительного конденсатора, В; А – площадь неизолированной поверхности стержня, м².

Периодический затухающий разряд конденсатора, необходимый для получения мощной ударной волны, создается при соотношении:

R< 2∙ .

Индуктивность L разрядной цепи обычно составляет (0,4…10)∙10^-6 Гн. Её сопротивление R складывается из сопротивлений последовательно включенных элементов цепи, в том числе нелинейного сопротивления R_k канала, Ом. В момент, когда сила разрядного тока максимальна,

R_k = 4,4∙10⁷∙l∙ I ,

Максимальная сила тока, А,

I_max  0,5∙U₂∙ .

Максимальная мощность, развиваемая в канале разряда, Вт,

Р_max =

Расстояние между электродами, соответствующее предельно возможной, называют оптимальным, м,

l_опт = 8∙10^-9∙U

При расстоянии между электродами l_опт энергия, Дж, выделяющаяся в межэлектродном промежутке в течение первого полупериода Т₁ 3,8 ∙ колебаний разрядного тока,

W₁ = C∙U /2

На расстоянии х  2,5l от оси канала давление на фронте волны, Па,

р_ф = 6,1∙х

Если х > 2,5l , то давление уменьшается примерно на 30% по сравнению со значением соответствующим х = 2,5l. При х >5l оно падает пропорционально (1/х) .

Применение ЭГЭ перспективно в самых различных областях промышленности и сельского хозяйства для разрушения, дробления и измельчения материалов.

Для реализации данного способа разработаны передвижные установки «Вулкан» и ЭГУРН. Напряжение 6 кВ, энергия импульса 150 кДж, расход электроэнергии 0,2 кВт∙ч/м³, установленная мощность 10кВ∙А.

Пластическая деформация материалов с помощью ЭГЭ используется при обработке металлов давлением и восстановлении изношенных полых деталей.

Напряжение 5…50 кВ, накапливаемая энергия 7,5…150 кДж, размеры заготовок 16…2000 мм.

При очистке, мойке и обеззараживании материалов используют ударную волну и скоростные потоки жидкости, а также ультразвуковые колебания и др.

При обеззараживании воды проявляется комплексное действие ЭГЭ. Процесс обеззараживания характеризуется эмпирическим соотношением

N/N₀ = e^-bn,

где N и N₀ – концентрации бактерий после n разрядов и исходная; b - коэффициент эффективности обеззараживания

Эрозия при электрических разрядах в диэлектрических жидкостях протекает более интенсивно, чем при разрядах в газах, и может быть использована для обработки металлов.

Режимы работы электроэрозионных установок различаются длительностью. Обычно искродуговые разряды называют электроимпульсным режимом - электроэрозионная обработка (ЭЭО), а искровые - электроискровым режимом - электроимпульсная обработка (ЭИО).

При ЭЭО возможны технологические операции, не выполнимые другими способами, например получение отверстий сложной формы или малого диаметра (менее 0,3 мм).

Электронно-ионная технология (ЭИТ) – это область электротехнологии, в которой используют взаимодействие сильных электрических полей с электрически заряженными в них частицами твердого или жидкого вещества.

Рабочим органом в аппаратах ЭИТ являются сильные электрические поля (напряженность более 100 кВ/м). Объекты обработки - материалы, представляющие собой совокупность отдельных частиц размером от микрометра до десятков миллиметров (пыль, порошки, суспензии, семена, волокна и т.д.).

В основе процессов ЭИТ лежат четыре основных стадии: подача материала, его зарядка, движение заряженных частиц материала в электрическом поле, формирование готового продукта.