Очистка и сортирование семян в электрических полях

 

Наибольший объем разработок в сельскохозяйственной ЭИТ выполнен по очистке и сортированию зерна и семян при помощи электрических полей.

Устройства, предназначенные для разделения сыпучих смесей материалов в электрических полях, получили название электросепараторов. Их можно классифицировать: по виду электрического поля - на сепараторы электростатические, коронные, с переменным полем и комбинированные; по конструкции - на камерные, барабанные, транспортерные (ленточные), решетные и др.

В электросепараторах частицы материалов разделяются по совокупности физических, в том числе и электрических, свойств. Эта совокупность свойств называется признаком делимости. Он может быть регулируемым, если степень влияния входящих в него свойств на процесс разделения зависит от параметров режима сепаратора, и нерегулируемым, если такой зависимости нет. Кроме того, различают динамические признаки делимости, зависящие от времени нахождения частиц в электрическом поле, и статические, не зависящие от него.

Коронный барабанный сепаратор. Принцип электрической очистки и сортирования семян рассмотрим на примере коронного барабанного сепаратора (рис. 7.6,а). Семена из загрузочного бункера 3 поступают на поверхность заземленного вращающегося барабана 6 и оказываются в поле коронного разряда, где происходит их комбинированная зарядка (ионная зарядка + зарядка от барабана). Обычно электрическая проводимость семян кондиционной влажности настолько низка, что они получают заряд того же знака, что и потенциал коронирующего электрода.

В верхнем полуцилиндре (т.е. в зоне поля) на частицу 4 действуют следующие активные силы: сила тяжести F_g (ее можно разложить на нормальную F_g1 и тангенциальную F_g2, центробежная сила F_ц; электрические силы F_к и F_з. Силы F_ц и F_g2 стремятся оторвать частицу от барабана, силы F_g1, F_к и F_з прижимают ее к барабану.

Если частица не отрывается от барабана в его верхней части, она, оставаясь на нем, выходит из зоны поля и оказывается на нижней части барабана. Напряженность поля в этой части постепенно спадает до нуля, сила F_к исчезает, а сила F_g1 становится отрывающей. Заряд частицы на нижней части заземленного барабана постепенно стекает. Поэтому сила F_з постепенно уменьшается.

В зависимости от суммарного действия сил одни частицы отрываются от барабана в верхней его части, другие - вне зоны поля, третьи могут быть отделены от него только щеткой 2.

Рис. 7.6. Схемы некоторых электросепараторов: а - коронный барабанный; б - коронный транспортерный; в -коронный камерный; г - коронный типа горка; д, е - диэлектрический барабанный; 1 - приемный бункер; 2-щетка; 3-загрузочный бункер; 4 - семя; 5 - коронирующие электроды; 6- барабан; 7-лента транспортера; 8-заземленная металлическая плоскость (некоронирующий электрод); 9 - бифилярная обмотка; ВН - высокое напряжение.

 

Поскольку все перечисленные силы зависят от свойств семян, то семена с различными свойствами отрываются в разных точках барабана и попадают затем в разные секции приемного бункера 1.

Для вывода аналитического выражения признака делимости в коронном барабанном сепараторе примем следующие допущения: частицы имеют форму двухосного эллипсоида; они мгновенно получают предельный заряд Q_max3 знака коронирующего электрода и затем сохраняют его в зоне поля неизменным; частицы имеют постоянную ориентировку большой осью поперек поля; частицы находятся в состоянии покоя относительно барабана, т.е. их скорость равна окружной скорости барабана; напряженность поля и объемная плотность электрического заряда у поверхности барабана под коронирующими электродами постоянны.

Частица при сделанных допущениях оторвется от барабана тогда, когда результирующая сила, нормальная к поверхности барабана, окажется равной нулю. Условие отрыва частицы в зоне поля коронного разряда записывается в виде

Fк +Fз +Fg cos α0=Fц,

(7.16)

где α₀ - угол отрыва.

Отсюда

,

(7.17)

Силы F_ц и F_g, Н, могут быть найдены из следующих соотношений:

,	(7.18)
Fg=mg,	(7.19)

где m - масса частицы, кг; v - окружная скорость барабана, м/с; R_б - радиус барабана, м; g - ускорение свободного падения, м/с²;

Для частиц в форме двухосного эллипсоида

,

(7.20)

где V - объем эллипсоида; ρ - плотность материала.

При расчете силы F₃ по формуле (16.14) для двухосного эллипсоида, лежащего на электроде малой осью нормально к поверхности, следует принимать h=b/4 [6]. В этом случае

,

(7.21)

Подставляя в формулу (16.17) вместо сил F_ц, F_к, F₃, F_g их выражения соответственно из соотношений (16.18), (16.13), (16.21) и (16.19) с учетом формул (16.20), (16.10) и (16.7), получаем окончательно

,

(7.22)

где величина

,

(7.23)

представляет собой признак делимости для коронного барабанного сепаратора. При сделанных допущениях этот признак является статическим нерегулируемым.

Коронный барабанный сепаратор может быть использован для окончательной очистки семян зерновых, овощных культур, трав; удаления головневых примесей; обеспыливания семян; сортирования путем отделения травмированных, морозобойных, проросших семян и семян с пониженной массой.

Конструктивные параметры сепаратора: R_б = 100...200 мм; r₀ = 0,15...0,25 мм; h = 80...100 мм; d = 75...125 мм; зона поля занимает четверть окружности. Режимные параметры: U = 20...50 кВ; частота вращения барабана n = 20...80 об/мин; на 1 м длины барабана производительность составляет 2,5...4 т/ч (на семенах зерновых); сила тока короны I = 0,1...1 мА.

Предварительная зарядка семян перед их поступлением в зону разделения - один из путей повышения производительности барабанного сепаратора при сохранении качества разделения. В этом случае семена разделяются во время переходного процесса их зарядки, т.е. реализуется динамический признак делимости.

Коронный транспортерный сепаратор. В этом сепараторе процесс разделения (рис. 7.6, б) во многом аналогичен процессу в барабанном сепараторе. Разница заключается лишь в том, что зоны зарядки и разрядки частиц значительно удлинены.

В зоне зарядки частицы уравнивают свою скорость со скоростью транспортерной ленты и получают предельный заряд. Вследствие этого значительно уменьшается сбивание одних частиц другими в цилиндрической части некоронирующего электрода и улучшается качество разделения по сравнению с коронным барабанным сепаратором.

Расширение зоны разрядки позволяет более четко проводить разделение семян по электрическим свойствам.

Транспортерный сепаратор можно использовать для очистки и сортирования семян зерновых и технических культур, а также семян трав. Он хорошо показал себя на сепарации крупы, отделении обрушенного проса. Но наилучшие результаты получены при очистке семян овощных культур, в частности лука-батуна.

Для очистки семян рекомендуется применять транспортерную ленту из металлической фильтровальной сетки, стальной ленты толщиной 0,2...0,3 мм или из специальной электропроводящей ткани (ЭП, ПЭН). При сортировании семян можно использовать транспортерную ленту из непроводящего материала (бельтинг, техническая резина и др.), подкладывая под ленту заземленный металлический лист 8.

Коронный камерный сепаратор. В данном сепараторе семена, выйдя из загрузочного бункера 3, получают заряд за счет ионной зарядки и падают вниз под действием силы тяжести F_g, одновременно смещаясь по горизонтали под действием в основном электрической силы F_k. В результате семена попадают в зависимости от соотношения сил F_g и F_k в различные секции приемного бункера 1 (рис. 7.6, в).

Наилучшие результаты в камерном сепараторе получают при очистке семян зерновых культур от легких примесей (пыль, полова, мелкая солома, семена легких сорняков), и особенно при очистке и сортировании по плотности и размеру семян трав и табака.

Коронный сепаратор типа горка разработан в ЧИМЭСХ на базе обычной семяочистительной горки, представляющей собой бесконечное наклонное полотно, на которое подается семенная смесь. Горки применяю для очистки семян от примесей, отличающихся формой и состоянием поверхности (например, для очистки семян сахарной свеклы от стебельков и листьев). Основное недостаток известных семяочистительных горок - низкая производительность. Чтобы повысить производительность, предложили конструкцию коронной горки, в которой под рабочей ветвью полотна установлен контактирующий с ней заземленный металлический электрод 8, а над полотном, параллельно ему, размещены коронирующие электроды 5 (рис. 7.6, г). Вследствие того что семена получают заряд (за счет ионной зарядки), на них действуют дополнительные прижимающие силы F_g и F_з. Это позволяет увеличить угол наклона полотна и скорость его движения и тем самым повысить производительность на 30...50 %.

Диэлектрические сепараторы. В этих устройствах используется сила, вызванная неоднородностью электрического поля. Данный принцип применен в сепараторах МИИСП [53]. Например, в диэлектрическом барабанном сепараторе (рис. 7.6, д, е) на поверхности барабана 6 уложена бифилярная обмотка 9, которая наматывается одновременно в два изолированных провода. Переменное напряжение (до 5 кВ) промышленной частоты 50 Гц подается на два входных конца обмотки, а два других конца на выходе остаются разомкнутыми. В такой обмотке соседние провода представляют собой разноименно заряженные и изолированные один от другого электроды (знаки "+" и "-" на рисунке 7.6, е условно показывают знаки потенциала жил в некоторый произвольно выбранный момент времени), которые создают неоднородное электрическое поле, действующее на семена 4 с силой F_п. Угол отрыва семян от вращающегося барабана определяется соотношением сил F_п, F_g и F_ц, которые зависят, в частности, от свойств семян. Чем тяжелее, крупнее семена, тем раньше они отрываются от поверхности барабана. На сортировании семян овощных культур сепаратор может работать при подаче 70...230 кг/ч на 1 м длины барабана, потребляемая мощность 1 кВ∙А.

Решетный электросепаратор разработан в ЧИМЭСХ. В нем используется наложение электростатического поля на плоские сортировальные решета с круглыми отверстиями.

Под действием ориентирующего момента семена стремятся установиться длинной осью вдоль поля, т.е. перпендикулярно плоскости решета, что увеличивает вероятность прохождения их через отверстия. Вследствие этого может быть увеличена подача семян на решето. Дополнительный положительный эффект может быть получен за счет различия ориентирующего момента у частиц с различными свойствами.

Электроаэродинамические сепараторы. Благодаря целенаправленной ориентации семян электрическим полем можно повысить качество их сепарации и в вертикальном воздушном потоке. На данном принципе и работают электроаэродинамические сепараторы.