Paweł Janus WSTĘP. Słowa kluczowe: energia, pomiar energii, żywność, silnik elektryczny, maszyna robocza

Transkrypt

1 SCIENTIARUM POLONORUMACTA Technlgia Alimentaria () 00, 03- METODA POMIARU ENERGII UŻYTECZNEJ W PROCESIE TECHNOLOGICZNYM PRZETWÓRSTWA ŻYWNOŚCI OPARTA NA STRATACH POSZCZEGÓLNYCH SILNIKA ELEKTRYCZNEGO I MASZYNY ROBOCZEJ Paweł Janus Streszczenie: Na pdstawie rzważań teretycznych strat pszczególnych trójfazweg silnika elektryczneg i maszyny rbczej napędzanej przez ten silnik sfrmułwan mdele matematyczne d kreślenia zużycia energii użytecznej w prcesie technlgicznym. Zaletą pracwanej metdy jest t, że pdczas jej stswania nie są knieczne specjalne pstje zestawu silnik maszyna rbcza w celu płączenia aparatury pmiarwej z silnikiem. W pracy pdan przykład zastswania tej metdy d kreślenia wskaźników jednstkweg zużycia energii użytecznej w prcesie rzdrabniania ziaren pszenicy. Słwa kluczwe: energia, pmiar energii, żywnść, silnik elektryczny, maszyna rbcza WSTĘP W zakładach przemysłu spżywczeg technldzy i energetycy częst nie wiedzą dkładnie, jakie jest zużycie energii w niektórych pdstawwych prcesach technlgicznych, w których maszyny są napędzane indywidualnymi silnikami elektrycznymi. Fakt ten mżna tłumaczyć brakiem pracwań, które wskazywałyby, w jaki spsób należy wyknać pmiary zużycia energii bez kniecznści zatrzymywania maszyny rbczej na dłuższy czas [Janus i Rywtycki 00]. Technldzy wiedzą bwiem, że przerwy w prcesie prdukcyjnym pgarszają eknmikę prdukcji zakładu [Hicks 993] i dlateg unikają przestjów. Z klei dla energetyków znajmść wartści wskaźników zużycia energii w pszczególnych pdstawwych prcesach technlgicznych jest bardz isttna, ze względu na racjnalną gspdarkę energetyczną zakładu [Singh 978, Metda bliczania , Wjdalski i in. 998]. W literaturze technicznej pdaje się różne metdy wyznaczania mcy na wale silnika elektryczneg napędzająceg maszynę rbczą [Latek 984], ale stswanie ich w praktyce przemysłwej pciąga za sbą długie pstje maszyn, które są niezbędne d zmntwania stanwiska pmiarweg.

2 04 P. Janus Spśród wielu metd pmiaru energii, jedynie metdę wyznaczania pszczególnych rdzajów strat mcy w silniku elektrycznym i maszynie rbczej mżna, p pewnej mdyfikacji, przystswać d pmiaru mcy użytecznej, t jest mcy dprwadznej d prcesu technlgiczneg. Pzstałe metdy mżna także wykrzystać d teg celu, ale są niechętnie stswane, gdyż wymagają na przykład zainstalwania na wale silnika dpwiednieg mmentmierza [Przyrząd ] lub wzrcwania silnika za pmcą specjalnie sknstruwanej hamwnicy indukcyjnej [Dmagała 985 a, 985 b] bądź hamwni kmutatrwej [Dmagała 995], c pciąga za sbą niepżądane pstje układu silnik maszyna rbcza. Opracwana przez autra i zaprezentwana w niniejszej publikacji metda pzwala wyknywać pmiary bez dużych przerw w prcesie prdukcyjnym. MATERIAŁ I METODY BADAŃ Metda plega na wyznaczeniu pszczególnych rdzajów strat w silniku elektrycznym [Latek 984] i w maszynie rbczej [Janus i Rywtycki 00]. W rzważaniach przyjęt najczęściej stswany w praktyce indywidualny układ napędwy, dla któreg mżna sfrmułwać następujące równanie mcy gdzie: P u Pu = P P Pmu () mc użyteczna w urządzeniu technlgicznym, P mc elektryczna dprwadzna d silnika, P suma wszystkich strat mcy w silniku elektrycznym, P mu strata mcy mechanicznej w maszynie rbczej. Pdział sumy wszystkich strat mcy P na pszczególne rdzaje strat w silniku elektrycznym zaprezentwan na rysunku. Straty te pisują następujące równania: Strata mcy pdczas biegu jałweg silnika P = P + P ż m = P 3 I R Strata mcy w uzwjeniach fazwych stjana w czasie bciążenia silnika () Strata mcy w uzwjeniu wirnika P u = 3 I R [ P ( P + P P )] P + u = s Pi = s u ż d (4) Strata mcy ddatkwej występująca w silniku (3) I P = d Pn (5) In gdzie: P ż P m strata mcy w żelazie stjana silnika, strata mcy mechanicznej w silniku, Acta Sci. Pl.

3 Metda pmiaru energii użytecznej I R I R I s P i P n I n mc elektryczna pbrana przez silnik z sieci pdczas biegu jałweg, strata mcy w uzwjeniu stjana przy biegu jałwym silnika, prąd biegu jałweg silnika, rezystancja uzwjenia fazweg stjana, prąd fazwy stjana przy dwlnym bciążeniu silnika, pślizg silnika, mc wewnętrzna silnika, mc znaminwa silnika, prąd znaminwy silnika. Trójfazwy silnik indukcyjny Three-phase inductive mtr Maszyna rbcza Wrking machine Rys.. Wykres Sankeya układu silnik maszyna rbcza: P mc elektryczna silnika, P u strata mcy w uzwjeniu stjana, P ż strata mcy w stali stjana, P d ddatkwa strata mcy silnika, P i mc wewnętrzna silnika, P u strata mcy w uzwjeniu wirnika, P m strata mechaniczna mcy silnika, P mc mechaniczna silnika, P mu strata mcy w maszynie rbczej, P u mc użyteczna maszyny rbczej Fig.. Sankey s graph fr the mtr wrking machine system: P electric pwer f the mtr, P u lss f pwer in the winding f the statr, P ż lss f pwer in the steel f the statr, P d additinal lss f pwer in the mtr, P i internal pwer f the mtr, P u lss f pwer in the winding f the rtr, P m mechanical lss f pwer f the mtr, P mechanical pwer f the mtr, P mu lss f pwer in the wrking machine, P u effective pwer f the wrking machine Strata mcy pdczas biegu jałweg silnika stanwi grupę strat stałych i różni się d mcy elektrycznej pbieranej przez silnik z sieci przy biegu jałwym R niewielką stratę mcy 3 I występującą w uzwjeniach fazwych stjana pd wpływem przepływająceg prądu biegu jałweg. I Technlgia Alimentaria () 00

4 06 P. Janus P u Drugą grupę straty mcy w silniku stanwią zmienne straty bciążeniwe, d których należą straty mcy w uzwjeniach stjana, strata mcy w uzwjeniach wirnika P u i ddatkwa strata mcy P d. Wymienine straty stałe i bciążeniwe stanwią całkwitą stratę mcy silnika mżna bardz dkładnie kreślić na pdsta- Stratę mcy mechanicznej silnika P m wie równania [Latek 984] P = Pż + Pm + Pu + Pu + Pd (6) GD n Pm = (7) 37, T gdzie: GD mment zamachwy silnika (N m ), n prędkść brtwa biegu jałweg silnika (rd/s), T stała czaswa wybiegu silnika (s). Mment zamachwy GD pdaje się w katalgu maszyn elektrycznych lub mżna g wyznaczyć na pdstawie zależnści GD = D 4 l (8) gdzie: D średnica wirnika (m), l czynna długść wirnika (m). Prędkść brtwą biegu jałweg silnika n i stałą czaswą T, występujące w zależnści [Latek 984], należy kreślić na pdstawie wyznacznej dświadczalnie krzywej wybiegu silnika (rys. ). Stratę mcy w maszynie rbczej wyznacza się za pmcą równania mu ( I I ) P = P P + R (9) 3 gdzie:, I mc elektryczna i natężenie prądu silnika pdczas biegu jałweg maszyny rbczej. Rys.. Teretyczna krzywa wybiegu silnika: n prędkść brtwa biegu jałweg, T stała czaswa Fig.. Theretical curve f the casting f the mtr: n rtary velcity f idling, T time cnstant Acta Sci. Pl.

5 Metda pmiaru energii użytecznej Na pdstawie równań (-7) i (9), p dknaniu niezbędnych przekształceń matematycznych, trzymuje się wyrażenie na mc użyteczną P u prcesu technlgiczneg, przebiegająceg w maszynie rbczej (rys. ) ( P A I + B) B + C n P u = (0) n gdzie: n prędkść brtwa silnika przy dwlnym bciążeniu (rd/s), n prędkść brtwa magnetyczneg pla wirująceg (rd/s), A, B, C wielkści stałe. Wielkści A, B, C wyrażają się zależnściami P A = 3 R + 0, 005 () I n n GD n B = 3 I R P + () 37, T C = 3 I R P gdzie: mc znaminwa Pn i prąd znaminwy In silnika pdane są na jeg tabliczce znaminwej. Energię użyteczną zużytą w czasie prcesu technlgiczneg pisuje równanie gdzie: W u energia użyteczna (kj), W u (3) = P t (4) P u mc użyteczna (kw), t czas trwania prcesu (s). Wskaźnik jednstkweg zużycia energii użytecznej w dniesieniu d ilści materiału przerbineg pdczas prcesu technlgiczneg kreśla się za pmcą zależnści [Metda bliczania ] u Wu k = (5) m gdzie: k wskaźnik jednstkweg zużycia energii (kj/kg), m masa przerbineg materiału pdczas badaneg prcesu technlgiczneg (kg). Wskaźnik wyrażny zależnścią (5) mże być wykrzystany także przy dbrze silnika energszczędneg [Flizikwski i Bieliński 000]. W kresie pprzedzającym badania zużycia energii należy wykrzystać wszelkie pstje układu silnik maszyna rbcza i w pdanej niżej klejnści wyknać: pmiar rezystancji uzwjeń fazwych stjana R, próbę wybiegu silnika w celu zmierzenia prędkści brtwej biegu jałweg n i wyznaczenia stałej czaswej T (rys. ), próbę biegu jałweg silnika i wyknanie pmiarów mcy elektrycznej i natężenia prądu, I Technlgia Alimentaria () 00

6 08 P. Janus próbę biegu jałweg maszyny rbczej i zmierzenia mcy elektrycznej raz natężenia prądu I. Na pdstawie pwyższych pmiarów i prób trzymuje się wartści, które są niezbędne d bliczenia stałych A, B, C. Pdczas badania bciążnej maszyny rbczej, kiedy przebiega w niej prces technlgiczny, należy rejestrwać zmiany bciążenia prądweg, mcy pbieranej z sieci elektrycznej P i prędkści brtwej silnika n. Opracwaną metdę zaprezentwan na przykładzie badania wpływu wilgtnści ziaren na zużycie energii użytecznej pdczas przerbu pszenicy na mąkę. Pdczas badań stswan dwie nieznane dmiany pszenicy, które w pracy znaczn literami X i Y. Materiał zstał tak dbrany, aby między badanymi dmianami występwały isttne różnice pd względem twardści pszenicy. Pszenica X miała niską szklistść była miękka, a pszenica Y miała dużą szklistść była twarda. Z bu dmian badanej pszenicy dważan p sześć prcji masie 40 kg każda, p czym prcje te nawilżan d czterech różnych wilgtnści. P 40 h leżakwania uzyskan następujące wilgtnści: dla pszenicy X:,0; 3,9; 5,8; 8,0 (%), dla pszenicy Y:,7; 4,0; 5,9; 7,8 (%). Wilgtnść ziaren pszenicy znaczan metdą grawimetryczną, a ilść wdy ptrzebnej d nawilżania ziaren według metdy, którą pwszechnie stsuje się w przemyśle [Janus i Rywtycki 00]. Ziarna pszenicy pdanych wilgtnściach rzdrabnian za pmcą trzech przemysłwych mlewników w dwóch pwtórzeniach. Mlewniki napędzane były trójfazwymi silnikami indukcyjnymi. Pdczas badań mierzn za pmcą elektrnicznych rejestratrów mc elektryczną, natężenie prądu I i prędkść brtwą n silnika. Mc P użyteczną Pu wyznaczan według mdelu (0), energię użyteczną Wu za pmcą równania (4), a wskaźnik jednstkweg zużycia energii użytecznej k według zależnści (5). Niektórzy autrzy [Flizikwski i Bieliński 000] pdają równania na rczne zużycie energii przez silniki asynchrniczne standardwe i energszczędne, których w tej pracy nie mżna wykrzystać. I WYNIKI Wyniki badań wskaźników jednstkweg zużycia energii przy różnych wilgtnściach ziarna, zaprezentwan na rysunkach 3 i 4. Na rysunku 3 pdan wskaźniki dla pszenicy miękkiej X, a na rysunku 4 dla pszenicy twardej Y. Dla pszenicy miękkiej wilgtnści w < ;8 > % (rys. 3) wskaźnik jednstkweg zużycia energii użytecznej zawarty jest w przedziałach: dla śrutwania k < 8,09; 45,59 > kj/kg, dla przemiału k < 73,93; 96,59 > kj/kg, dla wymielania k < 6,50; 6,0 > kj/kg. W przypadku śrutwania pszenicy miękkiej wskaźnik jednstkweg zużycia energii rśnie nieliniw ze wzrstem wilgtnści według równania k = 0,36w + Acta Sci. Pl.

7 Metda pmiaru energii użytecznej ,9w 734, przy współczynniku determinacji R = 0,944 i dchyleniu standardwym S xy = 47,44. Dla przemiału pszenicy miękkiej k = 6,w + 85,w 35; R = 0,930; S xy = 3,80. Dla wymielania pszenicy miękkiej k = 0,90w + 0,06w 75,0, R = 0,95; S xy = 3,37. Dla pszenicy twardej wilgtnści w < ;8 > % (rys. 4) współczynnik jednstkweg zużycia energii użytecznej zawarty jest w przedziałach: dla śrutwania k < 40,3; 73,3 > kj/kg, dla przemiału k < 80,60; 3,08 > kj/kg, dla wymielania k < 7,87; 3,6 > kj/kg. k, kj/kg w, % Rys. 3. Zależnść wskaźnika jednstkweg zużycia energii użytecznej d wilgtnści dla pszenicy miękkiej k = f(w): słupki lewe śrutwanie, słupki śrdkwe przemiał, słupki prawe wymielanie Fig. 3. Dependence f the cefficient f effective energy unit cnsumptin n misture fr sft wheat k = f(w): left bars grinding, central bars milling, right bars grind k, kj/kg w, % Rys. 4. Zależnść wskaźnika jednstkweg zużycia energii użytecznej d wilgtnści dla pszenicy twardej k = f(w): słupki lewe śrutwanie, słupki śrdkwe przemiał, słupki prawe wymielanie Fig. 4. Dependence f the cefficient f effective energy unit cnsumptin n misture fr durum wheat k = f(w): left bars grinding, central bars milling, right bars grind Technlgia Alimentaria () 00

8 0 P. Janus Dla śrutwania k = 6,6w 76,34w + 304,4; R = 0,904; S xy = 5,6. Dla przemiału k = 0,93w 3 40,w + 559,57w 53,0; R = 0,98; S xy =,3. Dla wymielania k = 0,09w 5 7,5w 4 + 0,67w w w 74776; R = ; S xy = 5,84. Pdczas badań stwierdzn, że ze wzrstem wilgtnści ziaren pszenicy rśnie czas śrutwania, c mżna uzasadnić zwiększającym się współczynnikiem tarcia. Z badań wynika, że ze wzrstem wilgtnści ziaren wzrasta jednstkwe zużycie energii, przy czym w przypadku pszenicy miękkiej X wzrst zużycia energii przebiega silniej niż w przypadku pszenicy twardej Y. WNIOSKI. Opracwaną metdę pmiaru energii użytecznej w prcesie technlgicznym zaleca się stswać wtedy, kiedy czas na płączenie aparatury pmiarwej z silnikiem napędzającym maszynę rbczą jest graniczny. Takie graniczenia czasu mają miejsce przede wszystkim w warunkach przemysłwych.. Na pdstawie wartści zużycia energii użytecznej w prcesie technlgicznym mżna bliczyć isttne dla technlgów i prjektantów wskaźniki jednstkweg zużycia energii. Na pdstawie tych wskaźników mżna pracwać nwe i zmdernizwać dtychczaswe prcesy w technlgii żywnści. 3. Na pdstawie krzywej wybiegu całeg układu silnik maszyna rbcza mżna wniskwać jeg sprawnści i knserwacji. Im krótszy jest czas wybiegu układu w prównaniu z czasem wybiegu nweg, tym większe są pry mechaniczne i tym większe są straty mcy i energii. 4. Za pmcą pracwanej metdy wykazan, że jednstkwe zużycie energii użytecznej pdczas rzdrabniania pszenicy wzrasta ze wzrstem wilgtnści ziarna i że przy rzdrabnianiu pszenicy miękkiej zużycie energii jest większe niż przy rzdrabnianiu pszenicy twardej. PIŚMIENNICTWO Dmagała A., 985 a. Wytyczne d prjektwania hamwnicy indukcyjnej. Wiad. Elektrtech. 43 (), 8-9. Dmagała A., 985 b. Prjektwanie hamwnicy indukcyjnej. Wiad. Elektrtech. 43 (), 3-3. Dmagała A., 995. Sterwanie trójfazwej hamwnicy kmutatrwej. Pmiary-Autmatyka- -Kntrla. (), Flizikwski J., Bieliński K., 000. Prjektwanie śrdwiskwych prcesrów energii. Wyd. AT-R Bydgszcz. Hicks T. C., 993. Fundamental cncepts in the design f experiments. 4th Ed. Saunders Cllege Publishing, New Yrk. Janus P., Rywtycki R., 00. Wybrane zagadnienia z maszynznawstwa przemysłu spżywczeg. Wyd. AR Pznań. Latek W., 984. Badanie maszyn elektrycznych w przemyśle. WNT Warszawa. Metda bliczania wskaźników jednstkweg zużycia paliw i energii w prdukcji rlniczej w przetwórstwie rln-spżywczym, 987. Zesz. Metd. 7. Przyrząd d pmiaru mmentu brtweg i siły Prspekt Zakładu Dświadczaln-Knstrukcyjn-Prttypweg. PIMR Pznań. Acta Sci. Pl.

9 Metda pmiaru energii użytecznej... Singh R.P., 978. Energy accunting in fd prcess peratin. Fd Technl. 4, Wjdalski J., Dmagała A., Kaleta A., Janus P., 998. Użytkwanie energii w przemyśle rln- -spżywczym. Wyd. SGGW Warszawa. METHOD OF MEASUREMENT OF EFFECTIVE ENERGY IN FOOD PROCESSING BASED ON THE INDIVIDUAL LOSSES OF THE MOTOR AND THE WORKING MACHINE Abstract: On the basis f theretical cnsideratins n the individual lsses f a threephase electric mtr and a wrking machine driven by this mtr, mathematical mdels were frmulated t determine the cnsumptin f effective energy in the technlgical prcess. The advantage f this methd is that it is nt necessary t have special shutdwns f the mtr wrking machine unit t cnnect the measuring aparatus t the mtr. This paper presents an example f the applicatin f this methd t determine the cefficients f unit cnsumptin f effective energy in the prcess f crushing wheat grain. Key wrds: energy, measurement f energy, fd, electric mtr, wrking machine P. Janus, Instytut Technlgii Żywnści Pchdzenia Rślinneg, Akademia Rlnicza w Pznaniu, ul. Wjska Plskieg 3, Pznań Technlgia Alimentaria () 00