Анализ разделения отработанных масел на фракции в гидроциклоне Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

По данной методике был рассчитан индекс течения п, входящий в формулу (табл. 2), определена зависимость индекса течения и вязкости от начальной влажности растительно-мясной смеси и температуры расплава в предматричной зоне двухшнекового экструдера (рис. 2). Влияние температуры на реологические свойства зерновой смеси изучалось в интервале от 323 до 433 К, а влажность была выбрана в интервале от 18 до 22 %, что соответствует режиму горячей экструзии.

Из анализа графических зависимостей (см. рис. 2) следует, что разрушение структуры расплава зерновой смеси происходит в интервале скоростей сдвига 100...200 с-1, что свидетельствует о внутренней перестройке, происходящей в расплаве продукта, а в диапазоне 400.435 К имеет место экспоненциальное увеличение скорости сдвига расплава зерновой смеси. Также следует, что влажность оказывает большее влияние, чем температура.

В результате интерполяции экспериментальных данных с помощью математического комплекса 81аШюа 9.0 были получены следующее регрессионные уравнения:

ц = 2848,259 + 0,02Т2 - 15,21Т -- 0,07Ш + 32,847^ - 0,061Ж2, п = 44,812 + 0,0003Т2 - 0,205Т +

2 (3)

+ 0,00017Ж - 0,135^ + 0,0012Ж2, где Т — температура расплава продукта в предматричной зоне экструдера, К; Ж — начальная влажность зерновой смеси, %.

Таким образом, в результате исследования реологических свойств расплава зерновой смеси, нахо-

Т, К

Рис. 2. Кривые течения расплава растительно-мясной смеси при влажности:

1 — 18 %; 2 — 20 %; 3 — 22 %

дящегося в предматричной зоне экструдера, было определено, что расплав в определенном диапазоне скоростей деформации можно отнести к аномально-вязким (неньютоновским) жидкостям. Результаты исследования реологических свойств расплава растительно-мясной смеси будут использованы для проектирования конструкций формующих устройств с целью получения высококачественных экструзионных продуктов.

Список литературы

1. Малкин, А.Я. Реология: концепции, методы: пер. с англ. / А.Я. Малкин, А.Я. Исаева. — СПб.: Профессия, 2007. — 560 с.

2. Остриков, А.Н. Экструзия в пищевой технологии / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, А.С. Рудометкин. — СПб.: ГИОРД, 2004. — 288 с.

УДК 621.43, 631.37 М.В. Селезнёв

A.А. Глущенко, канд. техн. наук

B.М. Холманов, канд. техн. наук

Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина

АНАЛИЗ РАЗДЕЛЕНИЯ ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ НА ФРАКЦИИ В ГИДРОЦИКЛОНЕ

Процесс разделения отработанных масел на фракции в гидроциклоне может быть представлен следующим образом. На частицу, находящуюся в потоке жидкости в гидроциклоне, действуют следующие силы (рис. 1): центробежная Рц, отбрасывающая частицу к периферии; радиальная сила Рг, возникающая от действия радиального потока жидкости и направленная к оси аппарата; сила Кориолиса Рк, которая перемеща-

ет частицу в окружном направлении относительно потока; сила сопротивления среды Рс, препятствующая осаждению частицы; сила инерции Ри, образующаяся вследствие изменения скорости осаждения [1].

Если вследствие малости частицы принять, что она увлекается потоком во вращательное движение с угловой скоростью ю, то основная действующая на нее сила — центробежная:

77

Рис. 1. Силы, действующие на частицу в спиральном потоке в гидроциклоне

2 ^рч Ю2Гв

Рц = Шч ЮЧ = —^------------------------в

^рч v2 6r

где ^ч — масса частицы, кг; ш — угловая скорость вращения, с-1; гв — радиус вращения частицы, м; рч — плотность частицы, кг/м3; v — линейная локальная скорость потока, м/с.

Сила инерции Ри обусловлена изменением относительной скорости частицы в потоке среды при перестройке профиля скорости частицы на входе в цилиндрическую часть гидроциклона. Поток жидкости входит в циклон с начальной скоростью v; (скорость жидкости во входном патрубке циклона); затем профиль скорости изменяется по линии 1-1 (рис. 1).

При переходе жидкости в искривленный канал входного патрубка профиль скорости v изменяется (рис. 1, линия 2-2) и ее распределение по сечению входного канала соответствует закону

vRn = const,

где n — показатель свободы.

Большинство исследователей принимает n =1. _ Скоростью сепарации частиц называют вектор Vc, равный разности векторов:

= Vн - V(г),

где ун — вектор скорости потока на входе в цилиндрическую часть гидроциклона, м/с; \(г) — вектор скорости частицы по радиусу гидроциклона, м/с.

Поэтому учесть силу инерции Ри при анализе очень сложно; обычно этой силой пренебрегают, что и является основной причиной расхождения экспериментальных данных с расчетными.

На частицу, перемещающуюся во вращающемся потоке, действует сила Кориолиса [3]:

Рк = 2тч юу с.

Так как изменение скорости ус в направлении центробежной силы Pк невелико, то силой Корио-лиса можно пренебречь.

Сила сопротивления потока среды [2] такова:

Р=

^чРч V2

где | — коэффициент лобового сопротивления частицы; 5ч — площадь сечения частицы по нормали к ее движению, м2.

Радиальная сила

3[Qd,1

2hr

где ^ — кинематическая вязкость масла, м2/с; Q — производительность гидроциклона, м3/ч; h — высота воздушного столба гидроциклона, м.

Под действием указанных сил скорость движения частицы в любой точке гидроциклона может быть разложена на следующие три составляющие (рис. 2):

vt — тангенциальную скорость, направленную перпендикулярно радиусу вращения частицы в данной точке на горизонтальной плоскости;

vr — радиальную скорость, направленную по радиусу гидроциклона внутрь его;

vz — осевую или вертикальную скорость, направленную под прямым углом к vt и vr вдоль оси гидроциклона.

Поскольку на частицу, находящуюся в потоке жидкости, в гидроциклоне действуют в основном две силы: центробежная Рц и радиальная Рг, то в каждой точке гидроциклона в плоскости, перпендикулярной его оси, частица будет иметь скорость v (см. рис. 2), состоящую из тангенциальной vt и радиальной vr скоростей. Исходя из этого, уравнение радиального движения частицы в цилиндро-

Вследствие изменения скорости сепарации частицы появляется дополнительная сила инерции [2]:

Р„ = Шч

d т

v /

где т — время сепарации частицы, ч.

Вектор скорости ус изменяет свое направление в различных зонах потока. Ниже точки А он направлен к периферии циклона, а выше — к его оси.

Рис. 2. Составляющие скорости движения частицы в гидроциклоне

2

коническом гидроциклоне можно записать следующим образом:

/ \

d2 г

Ш

dt2 где vt(r)

- 1

^(г)

[f “ Vr(^)| + ^(t), (l)

функция, описывающая распределение тангенциального компонента скорости частицы в потоке; уг(г) — функция, описывающая распределение радиального компонента скорости частицы в потоке; |(?) — функция времени, учитывающая случайную составляющую скорости, вызванную стесненностью движения частиц и их взаимными столкновениями.

Предположив обратную пропорциональность тангенциальной Ут(г) и радиальной vr(г) функций компонента скорости жидкости радиальной координате, в условиях отсутствия относительного движения частицы в окружном направлении и ускорения их при радиальном перемещении и, определив силу сопротивления по линейному закону Стокса, уравнение (1) можно записать в следующем виде:

/ \

dг

dt

d і

рч — 1

1

18V

3

-Y + .

5(t)

(2)

г г 3^чрч vс

где А — параметр, характеризующий геометрические ха рактеристики гидроциклона.

Таким образом,

А = Vt Rt,

где vt — тангенциальная скорость частицы на участке, м/с; Rt — радиус, на котором выполняется соотношение vt = const, м; y — параметр, характеризующий пропускную возможность гидроциклона.

Поэтому

Y = А

8HRt

- 4С2

где dM — диаметр входного патрубка гидроциклона, м; Н — высота конической части гидроциклона, м; С — постоянная величина, характеризующая зависимость производительности от высоты гидроциклона.

Постоянную величину находят так:

Q

С=

2nL’

где Q — производительность гидроциклона, м3/ч; L — высота гидроциклона от сливного патрубка до верхнего среза диафрагмы, м.

Если предположить, что функция |(t), учитывающая случайную составляющую скорости, вызванную стесненностью движения частиц и их взаимными столкновениями, определяется функцией времени с нулевым средним значением, то описываемое уравнением (2) случайное перемещение частицы вдоль радиуса гидроциклона в любом его се-

чении является простым процессом и может быть представлено одномерной плотностью вероятности Ж(?, г).Тогда величина Ж^, г)йг характеризует относительное число частиц, находящихся в момент времени ? в сечении г + йг, а функция Ж(?, г) может быть истолкована как концентрация частиц в этот момент времени в данном сечении и определена уравнением

dW df b dW

----= —I -aW +------------

dt дгІ 2 дг )

(3)

с соответствующими уравнению коэффициентами:

г 3d,2

a=

Гч - 1

,рм

18 V

Y

г

b=

ґ \0,65 vdc

9n2d2p2 F2

где d(. — диаметр сливного патрубка, м.

Граничные условия, указывающие на отсутствие перемещения частицы вдоль радиуса вращения r при достижении ими стенки r = Rn гидроциклона, а также границы зоны противотока r = ro, соответствующие радиусу воздушного столба ro и определяющие унос частиц в приспособление для отвода очищенного масла, могут быть записаны в таком виде [l]:

W(t, r) = 0 при r = Rn - г tg а и r = ro,

где г — координата точки по высоте гидроциклона, м; а — угол конусности гидроциклона, град.

С учетом граничных условий и безразмерных параметров, влияющих на процесс отделения частицы г о, а, Y дифференциальное уравнение (3) принимает следующий вид:

/ . — \

dW

dt

д_

дг

1

г

п, 1 dW W + _ _ 2а дг

Тогда унос частиц через сливной патрубок, выраженный в долях единицы от общего числа частиц, поступающих с очищаемым маслом, может быть определен как безразмерная величина потока частиц:

" _L _ y' ш 1 dW" W + _ -

V г3 г ) 2а дг

зависимостью

м

15

м

Таким образом, качество очистки, определяемое массовым содержанием частиц в потоке масла, удаляемого через нижнее сливное отверстие, зависит от времени 7, нахождения частицы в гидроциклоне и радиуса зоны противотока г = г0, т. е. от радиуса поверхности нулевой осевой скорости, определяющей разделение потока масла и унос частиц через верхнее или нижнее сливные отверстия. Поэтому, задавшись временем очистки масла и радиусом поверхности нулевых скоростей, можно рассчитать геометрические параметры гидроциклона, удовлетворяющего предъявляемым тре-

бованиям качества очистки масел от нерастворимых примесей.

Список литературы

1. Глущенко, A.A. Экологически безопасные технологии для восстановления эксплуатационных свойств отработанного моторного масла с использованием гидроциклона | A.A. Глущенко. — Ульяновск: УГСХA, 2011. — 166 с.

2. Поваров, A.K Гидроциклоны | A.K Поваров. — М.: Госгортехиздат, 1961. — 256 с.

3. Мустафьев, АМ. Теория и расчет гидроциклона | АМ. Мустафьев. — Баку: РИФ, 1969. — 172 с.

УДК 681.5:637.117

А.Б. Коршунов, канд. техн. наук

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии

КОНТРОЛЬ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЛОКА С АККУМУЛЯТОРАМИ ЕСТЕСТВЕННОГО ХОЛОДА

Важнейшими задачами оптимального функционирования технологических линий первичной обработки и хранения молока является создание и внедрение автоматизированных систем, обеспечивающих контроль и регулирование потоков молока и хладоносителя с высокой степенью точности изолированно от окружающего воздуха.

Схема контроля и регулирования потоков молока и хладоносителя в системах охлаждения с аккумуляторами естественного холода с использованием электромагнитных средств измерения была разработана во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства. На рисунке представлена функционально-структурная схема, определяющая режимы работы оборудования этой системы, которая состоит из объекта управления (ОУ) и системы управления (СУ). СУ включает электрически связанные между собой устройства управления отдельными подсистемами, комплекты датчиков и преобразователей

[1-3].

Из функционально-структурной схемы видно, что режим работы устройств для контроля и регулирования потоков молока и хладоносителя зависит от функционирования дискретно-регулируемого электропривода (ДРЭ) молочного насоса 2 и насоса хладоносителя 5, управляемых датчиками верхнего и нижнего уровня, расположенных в молочном релизере 1. В общем случае объектом управления в рассматриваемой подсистеме является система трубопровод — поток молока и хладо-

носителя — накопительно-регулирующая емкость (релизер). Это — стационарная, динамическая система с распространенными параметрами, характеризующаяся широким изменением технологических параметров.

Установлено, что параметрическими возмущениями для этой системы являются приращения величин потока молока Qм в молочном релизере 1 и Qх потока хладоносителя с учетом требуемой температуры охлаждения.

Основными уравнениями, описывающими потоки подачи и расхода молока и хладоносителя на /-м участке молокопровода линии обработки являются стационарные, случайные функции, зависящие от времени:

Qм = 1 hi Q ]Q0 (t)

TT

JQi-1 (t)dt -JQj (t)dt < Vp

(1)

где: т [(2м ] — оценка математического ожидания потока подачи молока, м3/ч; ОМ (^) — центрированное значение сплошного случайного потока подачи, м3/ч; Qi-1(^), Qi(^) — средние значения потоков расхода на двух соседних ступенях регулирования, м3/ч; Т — время цикла обработки, ч; Ур — вместимость накопительно-регулирую-щей емкости, м3.

Учитывая, что для системы контроля и регулирования потоков молока и хладоносителя Qn(t) = Qp(0 и соответственно Vp = 0, Qv(t) = const, получим широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) потоков молока и хладоносителя, определяемую ре-