CC BY
16
УДК 637.2.225
К ВОПРОСУ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
В. Н. Стригин, канд. техн. наук, доцент;
В. С. Парфенов, канд. техн. наук, профессор;
А. В. Яшин, канд. техн. наук, ст. преподаватель;
С. В. Стригин, канд. техн. наук
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 88412-628-272; e-mail: Jashin1982@mail. ru
Животноводческая отрасль производит для народного хозяйства различный товар, в частности - молоко коровье, из которого изготавливается множество продуктов питания, в том числе сливочное масло. Для его выработки применяется оборудование, к которому относятся и маслоизготовители периодического действия, применение которых эффективно при относительно небольших объемах производства для условий личных подсобных и крестьянско-фермерских хозяйств.
Ключевые слова: исследование, маслоизготовитель, моделирование, мощность, производительность, энергоемкость.
Для этой цели предлагается конструкция маслоизготовителя, новизна которой подтверждена патентом на изобретение РФ № 2269890, а в основу положено следующее техническое решение: снижение времени протекания процесса сбивания и повышение производительности за счет того, что механизм сбивания, состоящий из двух мешалок, совершает при работе сложное движение, обеспечивающее интенсивное разрушение белковой оболочки жировых шариков и их агрегации (слипания), то есть образование масляного зерна.
Данный маслоизготовитель (рисунок) предназначен для выработки масла из сливок, подготовленных по стандартной технологии, методом сбивания и состоит из неподвижной емкости 1 цилиндрической формы, по оси которой установлен механизм сбивания, состоящий из двух мешалок 2, вращающихся в противоположных направлениях и закрепленных в коническом редукторе 3. Конический редуктор 3 смонтирован на полом валу 4, который вращается в подшипниковых узлах 5 и 6. Весь механизм сбивания с небольшой час-
тотой вращается вокруг вертикальной оси, что исключает образование застойных зон по всему объему сливок в емкости 1. Мощность, необходимую для обеспечения требуемой частоты вращения рабочих органов, через клиноременную передачу 7 и приводной вал 8, установленный в полом валу 4, дает электродвигатель 9, закрепленный на крышке 10 емкости 1. Для визуального контроля за процессом сбивания имеется смотровое окно 11, а крышка 10 емкости 1 фиксируется зажимами 12.
Маслоизготовитель периодического действия (патент РФ № 2269890):
1 - емкость; 2 - лопасть; 3 - редуктор;
4 - вал полый; 5,6 - подшипники;
7 - ременная передача; 8 - вал привода;
9 - электродвигатель; 10 - крышка;
11 - окно смотровое; 12 - зажимы крышки
Работает маслоизготовитель следующим образом. Сливки заливают в неподвижную емкость 1, устанавливают крышку 10 с механизмом сбивания, закрывают зажимы 12. При включении привода лопасти 2 мешалки, получая крутящий момент от приводного вала 8 через конический редуктор 3, за счет вращения в противоположных направлениях создают два встречных потока обрабатываемого продукта (сливок). Встречные вихревые потоки, имеющие место при этом, принуждают полый вал 4 с закрепленным механизмом сбивания совершать осевое вращение, тем самым перекрывая не обрабатываемые до этого зоны. Процесс сбивания может визуально контролироваться через смотровое окно 11. По окончании технологического процесса зажимы 12 открываются, крышка емкости 10 с закрепленным в ней механизмом сбивания снимается и полученный продукт (масло) извлекается.
При проектировании маслоизготовите-ля предлагаемого типа для молокоперерабатывающих производств небольшой мощности возникает необходимость создания аналогичных устройств с требуемыми геометрическими размерами и производительностью.
Для этой цели существует множество методик, из которых наиболее подходят (для рассматриваемого нами случая) методы гидравлического моделирования и масштабирования, и суть их состоит в том, чтобы воспроизвести в требуемом масштабе результаты, полученные на модели.
Наиболее распространенным, доступным и дающим объективные результаты является гидравлическое моделирование, основанное на сравнении процессов, протекающих в двух геометрически подобных устройствах (натуре и модели). Для двух геометрически подобных устройств сходственными точками принято называть точки, одинаково расположенные по отношению к границам этих устройств (систем).
Рассматривая гидравлическое моделирование, нужно считать, что в сходственных точках «натуры» и модели на частицы жидкости (сплошной среды) действуют силы одной и той же физической природы -одноименные силы.
Физически подобными явлениями называются явления одной и той же физической природы, для которых все характерные величины подобны: в сходственных точках натуры и модели и в соответственные моменты времени для подобных явлений все векторные величины должны быть геометрически подобными, все же скалярные величины - соответственно пропорциональны.
При моделировании гидравлических явлений с использованием материальных моделей удобно различать геометрическое, кинематическое и динамическое подобия.
Геометрическое подобие. Две гидравлические системы (два гидравлических явления) будут геометрически подобными в том случае, если между сходственными размерами этих систем всюду существует постоянное соотношение:
/
= al = const
(1)
где 1н - некоторый размер действительного сооружения (натуры), м;
1т - сходственный размер модели, м; а,I - масштаб длины.
Для геометрически подобных систем
0,.
■ = а,
(2)
рассматриваемых гидравлических систем, т. е. масштаб сил:
где шн, VH - некоторая площадь и объем, относящиеся к
действительному сооружению;
мм, VM - сходственные площадь и объем модели.
Кинематическое подобие. Две гидравлические системы будут кинематически подобными, если:
- траектории движения сходственных частиц жидкости обеих систем геометрически подобны и одинаково ориентированы по отношению к границам этих систем;
- скорости u и ускорения w в сходственных точках в соответственные моменты времени всюду связаны постоянными соотношениями:
uM
- = au = const (по всему объему). (3)
ин
wM
----= aw = const (по всему объему). (4)
WH
То есть величина au (масштаб скорости), а также величина aw (масштаб ускорения) одинаковы для любой пары сходственных точек в определенный момент времени.
Причем кинематически подобные системы всегда будут геометрически подобными системами.
В связи с кинематическим подобием возникает понятие масштаба времени
t
M
a
t
(5)
н
где ^ и tМ - промежутки времени, в течение которых протекают соответственные явления в натуре и на модели.
Если какая-либо частица жидкости в действительных условиях прошла за время ^ некоторый путь 1н (описала кривую 1н), то сходственная частица модели за время М должна пройти путь 1м (описать кривую 1м), причем кривая 1м должна быть геометрически подобна кривой 1н и ориентирована по отношению к границам системы так же, как и кривая 1н.
Для кинематически подобных систем
at = const (по всему объему).
(6)
Динамическое подобие. Две гидравлические системы будут динамически подобными, если:
- в любой паре сходственных точек действуют одноименные силы;
- соотношение величин соответствующих сил для любой пары сходственных точек одинаково по всему объему обеих
aw '
Fm
= const (по всему объему), (7)
где F - любая сила, действующая на жидкость, Н.
- силы, действующие на натурную гидравлическую систему, ориентированы относительно друг друга и относительно границ системы так, как и силы, действующие на модельную гидравлическую систему.
Следовательно, динамически подобными системами будут такие, для которых векторные поля сил, действующих на жидкость, образованы одноимёнными силами, причём эти поля являются геометрически подобными и одинаково ориентированными относительно границ систем.
Динамическое подобие может иметь место только при наличии кинематического, а следовательно, и геометрического подобия. Как видно, динамическое подобие предопределяет существование кинематического подобия. Поэтому динамически подобные системы являются механически подобными системами. Иногда такого рода системы, относящиеся к жидкости, называют гидродинамически подобными.
На основании рекомендаций указанных выше методик можно рассчитать влияние изменения масштаба на параметры маслоизготовителя, характеризующие сбивание масла при сохранении одного из критериев геометрического подобия. При расчете все конструктивнорежимные параметры лабораторной установки умножаются на масштаб F, представляющий собой отношение одноименных размеров проектируемого маслоизго-товителя и имеющейся лабораторной установки.
При этом обязательно необходимо условие, что соблюдение принципа подобия для одного из параметров не влечет за собой подобия других.
Для рассматриваемого нами случая расчет всех основных параметров будет производиться при условии постоянства
одного из них, т. е. — = 0,33 - отноше-D
ние диаметра лопастей ротора dP к диаметру емкости маслоизготовителя D (при
н
D = °;66 , где Н - высота емкости).
По известным методикам были рассчитаны и приняты степенные показатели масштаба F при турбулентном режиме движения для сливок с динамической вяз-
Таблица 1
Влияние изменения масштаба на основные параметры маслоизготовителя
№ п/п Параметры работы Критерии подобия
Пр Ыр=п - Ср - Пр N/0 Ке
1 Частота вращения ротора пР, с-1 1 р-1 р-0,66 р-2
2 Окружная скорость ротора иР=п-Ср- пР, м/с р1 і р0,33 р-1
3 Мощность Ы, кВт р5 р2 р3 р-1
4 Энергоемкость процесса N/0, кВт -ч/кг Р2 р-1 1 р-4
5 Число Рейнольдса Ке Р2 р1 р1,33 1
6 с1р/Р 0,33 0,33 0,33 0,33
костью ^=0,27-10' Пас и плотностью р=998 кг/м3 при 10оС.
Число Рейнольдса определялось
Я =
Р-п1 -йI
(8)
где пр - частота вращения ротора, мин- .
В качестве примера рассмотрим вариант гидравлического моделирования проектного маслоизготовителя на основании исследований, проведенных на лабораторной модели разработанного маслоизгото-вителя.
В табл. 1 показано влияние изменения масштаба основных параметров, характеризующих работу маслоизготовителя, при сохранении геометрического подобия
й
= 0,33 . Все основные параметры умножаются на масштаб Р в соответствующей степени.
Степенные показатели масштаба Р рассчитывались в соответствии с методиками, изложенными в литературных источниках, и сведены в табл. 1.
В качестве примера рассмотрим моделирование промышленного маслоизготови-теля на основании данных исследований, полученных на лабораторной установке маслоизготовителя периодического действия. Основные параметры его работы при-
ведены в таблице 2. Отмечается, что обязательно должно быть выдержано соотношение = для всех рассматриваемых
вариантов. Значение масштаба (в качестве примера) примем равным четырем Р=4.
Анализируя полученные данные (табл. 2), можно проследить результаты изменения всех основных параметров работы проектируемого маслоизготови-теля. В четвертом столбце таблицы 2 представлены результаты расчетов при постоянной частоте вращения ротора пР в обоих маслоизготовителях. Следует отметить резкое возрастание окружной скорости иР, мощности N и энергоемкости N/0 процесса работы в проектируемом устройстве.
Результаты, сведенные в пятый столбец, получены при постоянной окружной скорости иР в маслоизготовителях, и следует отметить понижение энергоемкости N/0 процесса работы.
Шестой столбец соответствует постоянной энергоемкости N/0, но это приводит к увеличению окружной скорости иР и мощности N.
Для седьмого столбца постоянно значение Яе, и это приводит к значительному снижению частоты вращения ротора пР, окружной скорости иР и энергоемкости N/0 процесса работы в проектируемом устройстве.
Пример расчета влияния изменения масштаба Р=4 на основные параметры маслоизготовителя
Таблица 2
№ п/п Параметр Экспериментальная установка Проектируемый маслоизготовитель при сохранении постоянства
Пр ир=п - Ср - Пр N/0 Ке
1 2 3 4 5 6 7
1 пр, с-1 4,4 4,4 1,1 1,76 0,275
2 С "0 II а с п м/ с 1,52 6,08 1,52 2,4 0,38
3 Ы, кВт 0,25 257 4 16,1 0,063
4 N/0, кВт - ч/кг 0,0093 0,1488 0,0023 0,0093 0,00004
5 Ке 0,2 -106 3,2-106 0,8-106 1,26 -106 0,2 -106
6 Ср/Р 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33
Поэтому наиболее предпочтительным вариантом для проектирования нового маслоизготовителя является вариант с критерием подобия Re=0,2-106.
Однако для полного и объективного уточнения всех основных параметров проектируемого маслоизготовителя его следует изготовить в металле, а в процессе производственных исследований довести конструктивно-режимные параметры до оптимальных значений.
Литература
1. Большаков, В. А. Гидравлика. Общий курс: учебник для вузов / В. А. Большаков,
В. Н. Попов. - Киев.: Высшая школа, 1989. -215 с.
2. Пат. 2269890 РФ, МКП8 А011 15/00, А011 15/02, А011 15/04. Маслоизготовитель периодического действия / В. П. Терюшков,
B. С. Парфенов, С. В. Стригин. - 2004123465/13; Заявлено 29.07.2004; 0публ.20.02.2006, Бюл. № 5.
3. Стригин, С. В. Маслобойка для фермерских и личных подсобных хозяйств (патент РФ 229890) / С. В. Стригин, В. С. Парфенов, В. Н. Стригин // Вестник Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова. - 2007. - № 6. -
C. 61-62.
