CC BY
0СЕКЦИЯ 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ, ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 664.3.032:637.3
Н.Р. Ахмедова, О.И. Левичева, В.А. Наумов
Калининградский государственный технический университет, Калининград, 236022 e-mail: van-old@mail.ru
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ КУЛАЧКОВОГО НАСОСА НА ПЕРЕКАЧИВАНИЕ ПЛАВЛЕНОГО СЫРА
Рассчитаны показатели энергетической эффективности (ПЭЭ) кулачкового насоса (КН) при перекачивании плавленого сыра (ПС). Увеличение температуры приводит к снижению вязкости ПС. При этом затраченная мощность КН заметно уменьшается, ПЭЭ улучшаются. Если увеличивается перепад давления, то КПД растет, а показатель удельных энергетических затрат снижается.
Ключевые слова: кулачковый насос, плавленый сыр, вязкость, энергетическая эффективность.
N.R. Akhmedova, O.I. Levicheva, V.A. Naumov
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, 236022 e-mail: van-old@mail.ru
ENERGY COSTS OF LOBE PUMP FOR PROCESSED CHEESE PUMPING
The energy efficiency indicators (EEI) of the lobe pump (LP) when pumping processed cheese (PS) are calculated. An increase in temperature leads to decrease in the viscosity of the LP. The consumed LP power is noticeably reduced, the EEI is improved. If the pressure drop increases, the efficiency increases, and the indicator of specific energy costs decreases.
Key words: lobe pump, processed cheese, viscosity, energy efficiency.
Гидравлический расчет течения жидких пищевых продуктов по трубопроводу, по которому они транспортируются от одного аппарата к другому, играет важную роль при разработке нового высокотехнологического оборудования [1, 2]. Исследованию влияния вязкости на работу насосов, перекачивающих такие жидкости, посвящено довольно много публикаций (см. [3, 4] и библиографию в них). Имеются отдельные работы по расчету показателей энергетической эффективности (ПЭЭ) пищевых насосов, например [5]. Однако практически отсутствуют исследования ПЭЭ кулачковых насосов (КН).
Конструкция КН позволяет не повреждать структуру высоковязкой субстанции, поэтому они все больше используются для перекачивания жидких пищевых продуктов, несмотря на высокую стоимость. Для подбора КН необходимы зависимости производительности и затраченной мощности от перепада давлений. Некоторые производители КН размещают в открытом доступе зависимости указанных характеристик от частоты вращения ротора (ЧВР) [6, 7].
В общем случае производительность КН зависит от частоты вращения ротора (ЧВР) n, вязкости перекачиваемой жидкости и перепада давления АР. Чем больше вязкость, тем выше производительность; чем больше АР, тем она ниже [6]. Однако если жидкость имеет большой коэффициент динамической вязкости (КДВ ц > 0,5 Па • с), то подача КН не зависит от ц и определяется так же, как для перекачивания воды при АР = 0 [6]:
Q = Vi • n, (l)
где Q - подача КН, дм3/с; n - ЧВР, с -1; Vi - объем жидкости, перекачиваемой за один оборот вала, дм3. Далее в качестве примера рассматриваем КН 034 WAUKESHA CHERRY-BURRELL (034-WCB), у которого Vi = 0,227 дм3/с.
Гораздо сложнее вышеуказанные факторы влияют на N - затраченную мощность КН при перекачивании жидкости с высокой вязкостью. Анализ результатов испытаний [6] показал линейную зависимость затраченной мощности КН от перепада давления (рис. 1):
N = Nx + B • p, (2)
где Nx - затраченная мощность при AP = 0, кВт; p = AP / Ра - отношение перепада давления к атмосферному давлению Ра; B - эмпирический коэффициент, кВт.
N, кВт
24 13
1.4
05 0.4
01 23 4567 % 9 р
Рис. 1. Зависимость затраченной мощности КН 034-WCB от перепада давления при n = 4,5с -1 и различных значениях КДВ: 1 - ^ = 0,5 Па • с; 2 - ^ = 1 Па • с; 3 - ^ = 2 Па • с; 4 - ^ = 5 Па. Точки - экспериментальные данные [6], линии - результаты расчетов по (2)
Было установлено, что Ых и В зависят от п и ц:
Нх = /1(п, ц), В = /2(п, ц). (3)
Подобранные функции /1 и /2 позволили получить хорошее согласие результатов расчетов экспериментальными данными, показанное на рис. 2.
Ы, кВт
J 4/
J- зу
i Mj
I
1 J
б
Рис. 2. Затраченная мощность КН 034-ШСВ при различных перепадах давления (1 -р = 0; 2 -р = 4; 3 - р = 8; 4 - р = 12); а - зависимость от ЧВР при и = 2 Па • с; б - зависимость от КДВ при п = 4,5с -1. Точки - экспериментальные данные [6], линии - результаты расчетов
а
Как видно из рис. 1 и 2, увеличение перепада давления, ЧВР и КДВ приводят к заметному увеличению затраченной мощности КН.
КДВ плавленого сыра (ПС) со специально подобранным составом при температуре более 90°С и высоком градиенте скорости (ГС) ю может быть менее 0,2 Па • с [8]. Однако большинство сортов ПС имеют КДВ заметно выше [9, 10]. Здесь воспользуемся реологическими характеристиками ПС «Угличский» [10]. По экспериментальным данным при ю = 27 с-1 (что соответствует ЧВР примерно п = 4,3с1) в зависимости от температуры значения КДВ: 60°С - ц = 4,86 Па • с; 70°С - ц = 3,20 Па • с; 80°С - ц = 2,13 Па • с; 90°С - ц = 1,65 Па • с.
Для указанных условий были рассчитаны ПЭЭ: коэффициент полезного действия (КПД, %) П и показатель удельных энергетических затрат (УЭЗ, кДж/дм3) Е:
П = 100 • б ■ АР /N Е = N/ б. (4)
На рис. 3 представлены результаты расчета по формулам (4). Видно, что оба ПЭЭ с увеличением температуры (уменьшением вязкости) улучшаются: КПД растет, УЭЗ падает. Но влияние перепада давления на ПЭЭ различное. С увеличением р оба ПЭЭ растут: КПД показывает улучшение, а УЭЗ - ухудшение энергетической ситуации.
а б
Рис. 3. Результаты расчета ПЭЭ КН 034-WCB при перекачивании ПС «Угличский» (n = 4,5с -1); а - КПД, б - УЭЗ: 1 - 60°С, 2 - 70°С, 3 - 80°С, 4 - 90°С
Перепад давления возрастает, например, при увеличении гидравлических потерь в технологическом трубопроводе. Это, несомненно, ухудшает энергетическую ситуацию. Поэтому в указанных условиях целесообразно оценивать энергетическую эффективность КН по УЭЗ, а не по КПД.
Исследование проведено в рамках выполнения государственного задания НИОКР «Разработка и совершенствование продукционных систем пищевой отрасли».
Литература
1. Горбатов А.В. Реология мясных и молочных продуктов: Монография. - М.: Пищевая промышленность, 1979. - 382 с.
2. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов: Монография. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 216 с.
3. Наумов В.А. Оценка влияния вязкости жидких пищевых продуктов на нагрузочные характеристики одновинтовых насосов // Техника и технология пищевых производств. - 2021. -Т. 51, № 2. - С. 290-300.
4. Ахмедова Н.Р., Левичева О.И., Наумов В.А. Гидравлический расчет технологического трубопровода для перекачивания молочных продуктов центробежным насосом // Вестник Красноярского ГАУ. - 2022. - № 5. - С. 216-225.
5. Наумов В.А., Левичева О.И. Оценка энергетической эффективности центробежных насосов для пищевой промышленности // Известия КГТУ. - 2021. - № 63. - С. 89-100.
6. Waukesha Cherry-Burrell. Rectangular flange positive displacement pumps [Electronic resource]. - URL: https://www.spxflow.com/waukesha-cherry-burrell/products/universal-1-series-rectangular-flange-positive-displacement-pumps/ (accessed 09.09.2022).
7. Pomac Pumps Co. Lobe Pumps PLP Series [Electronic resource]. - URL: https://www.pomacpumps.com/en/pharma/lobe-pump-plp/ (accessed 09.09.2022).
8. Dimitreli G., Thomareis A.S. Effect of temperature and chemical composition on processed cheese apparent viscosity // Journal of Food Engineering. - 2004. - Vol. 64. - P. 265-271.
9. Реологические основы расчета оборудования производства жиросодержащих пищевых продуктов / В.А. Арет, Б.Л. Николаев, Г.П. Забровский, Л.К. Николаев. - СПб: Изд-во СПбГУ-НиТП, 2006. - 435 с.
10. Николаев Л.К., Николаев, Б.Л. О характере изменения эффективной вязкости плавленого сыра «Угличский» // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия Процессы и аппараты пищевых производств. - 2013.- № 4. - С. 18-21.
