CC BY
18
Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2022. - N 1. -С. 40 - 48. - ISSN 2308-8583.
Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. - 2022. - no. 1. - P. 40 - 48. -ISSN 2308-8583.
Научная статья УДК 638.171.3
Многофакторное исследование режимных параметров центрифуги для отжима воска из пасечных вытопок
Николай Михайлович Максимов1,
Татьяна Евгеньевна Фёдорова-Семёнова2, Денис Валерьевич Рыжов3
1,2,3 Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Псковская область, Великие Луки, Россия
"5
Iryzhov 13 @gmail .com
Аннотация. В статье представлены результаты многофакторного исследования режимных параметров центрифуги при отжиме воска из пасечных вытопок.
Статья посвящена вопросу снижения потерь и увеличению количества товарного пчелиного воска. Приведена методика исследований влияния режимных параметров центрифуги на выход воска, описаны конструкция и работа экспериментальной установки в составе технологической линии по переработке воскосырья и применяемые контрольно-измерительные приборы. Проведены исследования влияния режимных параметров центрифуги, включая обороты центрифуги, длительность вращения и температуру пара, на выход остаточного воска из пасечных вытопок.
В ходе обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, описывающее влияние режимных параметров центрифуги на количество получаемого воска в процессе отжима пасечных вытопок. Было установлено, что количество воска, полученное при отжиме пасечных вытопок, зависит от оборотов барабана центрифуги (n), времени отжима (T), температуры пара (t) и варьирует в пределах от 470 до 1127 г при начальной массе отжимаемых пасечных вытопок 3000±10 г. Таким образом, выход воска в центрифуге составил от 15,66 до 37,5%.
Полученные рациональные параметры работы центрифуги при отжиме воска из пасечных вытопок находятся в следующих пределах: частота вращения барабана -n = 1000 мин-1, температура пара - t = 100 °С, длительность работы центрифуги -Т = 15 мин. Производительность центрифуги по выходу воска составила до 10 кг за 1 час работы. Исследования, выполненные по методу В.А. Темнова, показали, что количество остаточного воска в вытопках при рекомендуемых параметрах работы центрифуги составило от 2,5 до 3% от общей массы отжатых пасечных вытопок, что вполне допустимо.
Проведённые исследования показывают, что использование центрифуги при отжиме воска из пасечных вытопок позволяет увеличить выход воска до 37,5% и повысить рентабельность пасеки.
Ключевые слова: воск пасечный, перетопка воска, воскотопка, воскосырьё, центрифуга, пчеловодство, механизация, автоматизация пчеловодства
© Максимов Н. М., Федорова-Семенова Т. Е., Рыжов Д. В., 2022
40
Для цитирования: Максимов Н. М., Федорова-Семенова Т. Е., Рыжов Д. В. Многофакторное исследование режимных параметров центрифуги для отжима воска из пасечных вытопок // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. -2022. - N 1. - С. 40 - 48.
Original article
Multifactorial research of operating parameters of the centrifuge for the extraction of wax from apiary effusions
1 T i
Nikolai M. Maximov , Tatiana E. Fiodorova-Semionova , Denis V. Ryzhov
I Л -5
'' State Agricultural Academy of Velikie Luki, Pskov region, Velikie Luki, Russia 1 [email protected]
л
"5
Iryzhov 13 @gmail .com
Abstract. The article presents the results of a multifactorial study of the centrifuge parameters when squeezing wax from bee effusions.
The article is devoted to the issue of loss reducing and increasing the amount of commercial beewax. A method is given to investigate the effect of the centrifuge operating parameters on wax output. The design and operation of an experimental installation being a part of a technological line for processing wax raw materials as well as control and measuring devices used are described. The influence of the centrifuge operating parameters such as the centrifuge revolution rate, the rotation duration and the steam temperature on the output of residual wax from apiary effusions has also been studied.
After processing the experimental data received, a regression equation was obtained to describe the effect of the centrifuge operating parameters on the amount of wax produced during the extraction of apiary effusions. It was found that the amount of wax obtained during the extraction of apiary effusions depends on the revolutions of the centrifuge drum (n), the extraction time (T), steam temperature (t) and varies from 470 to 1127 g with an initial mass of pressed apiary effusions being presses 3000±10 g. Thus, the wax yield in the centrifuge ranged from 15.66 to 37.5%.
The obtained parameters of the centrifuge operation during wax extraction from apiary effusions lie within the following ranges: the drum rotation frequency is n=1000 min-1, the steam temperature is t=100 °C, the duration of the centrifuge operation is T=15 min. The productivity of the centrifuge for wax output was up to 10 kg per 1 operation hour.
Studies carried out in accordance with the method proposed by V.A. Temnov show that the amount of residual wax in the effusions at the recommended parameters of the centrifuge operation ranged from 2.5 to 3% of the total mass of pressed amount, which is quite acceptable.
The studies conducted show that the use of a centrifuge when squeezing wax from apiary effusions allows to increase the yield of wax up to 37.5% thus increasing the apiary profitability.
Key-words: beekeeping wax, wax melting, wax melter, wax raw materials, centrifuge, mechanization in beekeeping, automation of beekeeping
For citation: Maximov N. M., Fiodorova-Semionova T. E., Ryzhov D. V. Multifactorial research of operating parameters of the centrifuge for the extraction of wax from apiary effusions. Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2022;1:40-48. (In Russ.).
Введение
Воск - уникальный продукт жизнедеятельности медоносных пчёл, используемый в различных отраслях народного хозяйства. Производство пасечного воска составляет около 30 т в год, в то время как экспорт воска из-за рубежа, по данным исследований, оценивается в 700 т в год [1]. Около 80% производимого пасечного воска используется самим пчеловодством для производства вощины, являющейся основой пчелиных сот в рамочном улье.
Пчелиный воск способен впитываться даже в малопористые тела и прочно в них удерживаться. Это свойство препятствует полному выделению воска из тёмных гнездовых сот, содержащих значительное количество неперетапли-ваемых остатков. Использование стандартных паровых и солнечных воското-пок без отжима воскосырья приводит к потерям воска, составляющим до 40% от общей массы перерабатываемого пасечного воскосырья.
Одними из основных путей увеличения производства воска на пасеках являются совершенствование технологии переработки воскосырья и снижение потерь воска за счёт внедрения эффективных и высокопроизводительных агрегатов [2-6]. К числу таких агрегатов следует отнести центрифуги, в которых разогрев воскосырья осуществляется за счёт тепловой энергии водяного пара, получаемого в парогенераторе. Принцип выделения воска в центрифугах основывается на воздействии центробежных сил на расплавленное воскосырьё.
Для центрифугирования воскового сырья на воскоэкстракционных заводах применялись промышленные центрифуги марок ТВ-600-4Р, а также прачечные центрифуги марок ЦПМ-50А и КП-215-1 [1]. Из малогабаритных установок на рынке доступна центробежная воскотопка «Медуница» (ООО «Медуница», г. Бийск), достоинствами которой являются вместительный барабан для отжима воскосырья и осевая фиксация в верхней части барабана. К её недостаткам следует отнести сложность очистки барабана после отжима воскосырья ввиду отсутствия съёмных фильтрующих элементов.
Для пасек с начальным количеством ульев от 15-ти единиц представляет интерес самостоятельное извлечение воска из пасечных вытопок, так как транспортировка вытопок до воскоэкстракционных заводов с последующим извлечением воска в некоторых регионах Российской Федерации затруднена и нерентабельна. Это связано с отсутствием пунктов приёма пасечных вытопок в ряде городов и с их низкой закупочной стоимостью. Имея высокую остаточную влажность, пасечные вытопки хранятся недолго, подвергаются порче, а вместе с ней пропадает до 40% воска.
Целью настоящего исследования является увеличение выхода воска при перетопке пасечного воскосырья путём совершенствования конструктивных и технологических параметров центрифуги.
Материалы и методы
Исследования проводились на частной пасеке, расположенной в Бежа-ницком районе Псковской области. Для этого была собрана технологическая
линия (рисунок 1), работавшая следующим образом. Плавление пасечного вос-косырья производилось в рамочной воскотопке 2 путём подачи перегретого пара из парогенератора 1. Основная часть расплавленного воска собиралась в контейнер 5. Оставшиеся пасечные вытопки 4 в виде мягкой разваренной массы выгружались из рамочной воскотопки 2 и помещались в барабан центрифуги 3 в пористой оболочке. Центрифуга закрывалась крышкой с фиксатором, после чего включалась подача пара. Далее производилось включение электродвигателя и выставлялись нужные обороты барабана центрифуги путём корректировки положения регулятора оборотов. Воск, полученный в центрифуге под действием центробежных сил, сливался в контейнер 5 через сливной лоток. Парогенератор 1 в рассматриваемой технологической линии служил источником перегретого пара для рамочной воскотопки и центрифуги [7].
р_
Гд
► Водяной пар -----► Воск пасочный
1 - парогенератор; 2 - рамочная воскотопка;
3 - центрифуга; 4 - вытопки пасечные; 5 и 6 - контейнеры для воска Рисунок 1 - Комплекс установок по перетопке воска
Схема разработанной центрифуги представлена на рисунке 2 а. Установка имеет корпус из нержавеющей кислотоупорной стали. Внутри корпуса 1 на подшипниках вращается барабан 2, приводимый в действие от электродвигателя 3 посредством ременной передачи 4. Регулирование оборотов двигателя производится при помощи электрического регулятора (на схеме не показан). Корпус центрифуги 1 имеет приваренные к нему жёсткие опоры 6. Загрузка воскосырья вовнутрь барабана центрифуги осуществляется через загрузочный люк 7, на котором размещён биметаллический термометр 8. Для получения воска из воскового сырья используется проницаемая тканевая оболочка, поме-
щаемая вовнутрь барабана центрифуги. В корпус центрифуги 1 при её работе подаётся острый пар, разогревая воскосырьё свыше 100 °С. При вращении барабана из разогретых вытопок извлекается жидкий воск и сливается через лоток 5 в контейнер 9 для сбора воска. Работа установки осуществляется в циклическом режиме и предусматривает следующие технологические операции: загрузку оболочки с пасечными вытопками для отжима, центрифугирование и выгрузку оболочки с отжатыми вытопками. Температура пара, подаваемого внутрь центрифуги, фиксировалась при помощи биметаллического термометра «РОСМА» 8 с интервалом измеряемых температур от 0 °С до +160 °С, установленного в корпусе загрузочного люка 7 (рисунок 2 а).
Общий вид центрифуги представлен на рисунке 2 б.
а б
а - схема устройства, б - общий вид 1 - корпус центрифуги; 2 - барабан; 3 - электродвигатель; 4 - ременная передача; 5 - лоток для слива воска; 6 - опоры; 7 - загрузочный люк;
8 - термометр; 9 - контейнер Рисунок 2 - Центрифуга для получения воска
Для определения рациональных технологических параметров разработанной центрифуги был проведён трехфакторный эксперимент по плану Бокса-Бенкина. Цель эксперимента заключалась в установлении влияния выбранных управляемых факторов на критерий оптимизации (масса отжатого воска, М). В качестве факторов, влияющих на эффективность работы центрифуги, были выбраны: 1) частота вращения ротора центрифуги - п (Ь1), мин-1, 2) длительность центрифугирования - Т (Ь2), мин, 3) температура пара - 1 (Ь3), °С. В соответствии с выбранным планом, для выбранных факторов (Ь1, Ь2 и Ь3) потребовалось 3 уровня (таблица 1).
Изменение частоты вращения барабана центрифуги осуществлялось электронным регулятором оборотов электродвигателя в диапазоне от 500 до 1000 мин-1, с шагом в 250 мин-1. Варьирование температуры пара осуществлялось настройками парогенератора в пределах от 100 до 140 °С. Время работы центрифуги фиксировалось при помощи наручных механических ча-
сов «Atlantic» и находилось в пределах от 5 до 15 минут. Масса воскосырья, загружаемого в барабан центрифуги, при каждом опыте составляла 3000±10 г. Взвешивание пасечных вытопок до и после их отжима в центрифуге, а также взвешивание полученного чистого воска производилось при помощи электронного безмена «Штрих-М E-Scale 45» с пределом измерений до 10 кг.
Таблица 1 - Факторы и уровни их варьирования
Фактор Натуральное обозначение Кодовое обозначение Интервал варьирования Уровни варьирования натуральные
верхний нулевой нижний
Кодированное значение
+1 0 -1
Частота вращения барабана центрифуги, п, мин-1 n Ь1 250 1000 750 500
Длительность центрифугирования, Т, мин Т Ь2 5 15 10 5
Температура пара, I, °С t Ь3 20 140 120 100
Результаты и обсуждение
В ходе обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, описывающее влияние режимных параметров центрифуги на количество получаемого воска в процессе отжима пасечных вытопок:
M = 609,333 + 216,375*b1 + 89,0*b2 + 21,375*b3 + 82,8333*Ь1Л2 + ( + 8,58333*Ь2Л2 + 17,8333*Ь3Л2 + 97,75*Ь1*Ь2 + 19,0*Ь1*Ь3 + 19,25*Ь2*Ь3 (1) где Ь1 - частота вращения барабана центрифуги, мин-1;
Ь2 - время работы центрифуги, мин;
Ь3 - температура пара, подаваемого в центрифугу, °С.
Анализ регрессионной модели (1) показал, что скорректированный коэффициент детерминации k достаточно велик (R - квадрат равен 98,02%). Модель значима, т.к. критерий Фишера F = 27,59 > F0,001 (уровень значимости модели р<0,001). Это означает, что существует статистически значимое отношение между переменными на уровне 27,59%. Заметной корреляции между опытными значениями, размещенными в матрице, нет, т.к. статистика Duibin-Watson (DW) больше, чем 1,4 и составляет 2,67. Таким образом, в ходе эксперимента была получена полная квадратичная модель, адекватно аппроксимирующая результаты эксперимента на уровне значимости а=0,01.
Поверхности отклика, построенные в программе STATGRAPHICS Plus на основе выполненного регрессионного анализа, изображены на рисунках 3, 4 и 5.
Рисунок 3 - Зависимость количества отжатого воска (М) от частоты вращения барабана (Ь1) и длительности центрифугирования (Ь2)
Рисунок 4 - Зависимость количества отжатого воска (М) от частоты вращения
барабана (Ь1) и температуры пара (Ь3)
Рисунок 5 - Зависимость количества отжатого воска (М) от длительности центрифугирования (Ь2) и температуры пара (Ь3)
В ходе эксперимента было установлено, что количество полученного воска при отжиме пасечных вытопок в центрифуге варьирует в пределах от 470 до 1127 г при начальной массе отжимаемых вытопок 3000±10 г и зависит от времени отжима, температуры пара и оборотов барабана центрифуги. Таким образом, выход воска составил от 15,66 до 37,5% от общей массы пасечных вытопок.
Увеличение частоты вращения барабана центрифуги и времени работы центрифуги положительно сказываются на выходе воска из пасечных вытопок.
Наилучшие показатели выхода воска достигаются при частоте вращения барабана - n = 1000 мин-1, времени работы центрифуги - T = 15 минут. Увеличение температуры от 100 °С до 140 °С незначительно влияет на увеличение выхода воска. При нагреве воскосырья свыше 140 °С может наблюдаться забивание пор проницаемой оболочки из-за его сильного размягчения. Следует также учитывать, что увеличение температуры подаваемого в центрифугу пара требует увеличения затрат топлива в парогенераторе. Поэтому рациональным будет поддержание температуры пара на входе в центрифугу на уровне 100 °С. Производительность центрифуги по результатам испытаний составила до 10 кг воска за 1 час работы.
Исследования, проведённые по методу В.А. Темнова [8], показали, что количество остаточного воска в пасечных вытопках при рекомендуемых параметрах работы центрифуги составило от 2,5 до 3% от общей массы отжатых вытопок, что вполне допустимо.
Заключение
Таким образом, эффективная переработка пасечного воскосырья на имеющихся воскотопках затруднена и влечёт за собой потери воска, доля которых может достигать 40% от общей массы воскосырья. Опытным путём установлено, что одним из способов снижения потерь воска при перетопке является использование центрифуги в составе технологической линии, включающей также парогенератор и рамочную воскотопку. Предлагаемая технологическая линия способна перетопить соты из 30 ульевых рамок размером 435х300 мм за 1 час работы и получить с них воск. Продезинфицированные паром ульевые рамки очищены от остатков воска и прополиса и пригодны для дальнейшего использования в ульях.
Была разработана и испытана конструкция центрифуги для перетопки воска и отжима пасечных вытопок. Рациональные параметры работы центрифуги при отжиме воска из вытопок находятся в следующих пределах: частота вращения - n = 1000 мин-1, температура пара - t = 100 °С, длительность работы центрифуги - Т = 15 мин. Производительность центрифуги составила до 10 кг воска за 1 час работы.
Список источников
1. Нагаев, Н. Б. Совершенствование процесса вытопки воска с обоснованием параметров центробежного агрегата : диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / Нагаев Николай Борисович ; Рязанский государственный агротехнологический университет. - Рязань, 2016. - 198 с. - Текст : непосредственный.
2. Бышов, Д. Н. Анализ перспективных направлений повышения качества и выхода сортового пчелиного воска / Д. Н. Бышов, Д. Е. Каширин, В. В. Павлов. - Текст : непосредственный // Технологические новации как фактор устойчивого и эффективного развития современного агропромышленного комплекса : материалы Национальной научно-практической конференции, 20 ноября 2020 года. Часть II. - Рязань, 2020. - С. 77-81.
3. Бышов, Д. Н. Исследование дисперсионных свойств перги различного гранулометрического состава / Д. Н. Бышов, Д. Е. Каширин, В. В. Павлов. - Текст : непосредственный // Вестник Рязанского ГАТУ. - 2017. - № 1(33). - С. 69-74. - ISSN 2077-2084.
4. Максимов, Н. М. К вопросу охлаждения пасечного воска после перетопки воскосырья / Н. М. Максимов. - Текст : непосредственный // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве : сборник докладов XV Международной научно-практической конференции, 9-10 апреля 2020 года. - Великие Луки : РИО ВГСХА, 2020. - С. 127-131. - ISBN 978-58047-0089-9.
5. Максимов, Н. М. Перспективная технология переработки воскового сырья на пасеках с использованием парогенератора / Н. М. Максимов, В. В. Морозов. - Текст : непосредственный // Традиции и инновации в развитии АПК : материалы международной научно-практической конференции, 17-18 апреля 2019 года. - Великие Луки, 2019. - С. 493-498. - ISBN 978-5-8047-0085-1.
6. Максимов, Н. М. Исследование качественных показателей пасечного воска / Н. М. Максимов.
- Текст : непосредственный // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2020. - № 3. - С. 48-54. - ISSN 2308-8583.
7. Патент № 188608 Российская Федерация, МПК7 A 01 K 59/06 (2006.01) F 24 C 1/00 (2006.01). Парогенератор для вытопки воска : № 2018106374/18 : заявл. 20.02.2018; опубл. 17.04.2019 / Морозов В. В., Максимов Н. М. - 2 с. : ил. - Текст : непосредственный.
8. Темнов, В. А. Переработка воскосырья на пасеке / В. А. Темнов. - Москва : Колос, 1968. -104 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Nagaev, N. B. Sovershenstvovanie processa vy'topki voska s obosnovaniem parametrov centrobezhnogo agregata : dissertaciya na soiskanie uchyonoj stepeni kandidata texnicheskix nauk / Nagaev Nikolaj Borisovich ; Ryazanskij gosudarstvenny'j agrotexnologicheskij universitet. - Ryazan', 2016. - 198 s. - Tekst : neposredstvenny'j.
2. By'shov, D. N. Analiz perspektivny'x napravlenij povy'sheniya kachestva i vy'xoda sortovogo pchelinogo voska / D. N. By'shov, D. E. Kashirin, V. V. Pavlov. - Tekst : neposredstvenny'j // Texnologicheskie novacii kak faktor ustojchivogo i e'ffektivnogo razvitiya sovremennogo agropromy'shlennogo kompleksa : materialy' Nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii, 20 noyabrya 2020 goda. Chast' II. - Ryazan', 2020. - S. 77-81.
3. By'shov, D. N. Issledovanie dispersionny'x svojstv pergi razlichnogo granulometricheskogo sostava / D. N. By'shov, D. E. Kashirin, V. V. Pavlov. - Tekst : neposredstvenny'j // Vestnik Ryazanskogo GATU. - 2017. -№ 1(33). - S. 69-74. - ISSN 2077-2084.
4. Maksimov, N. M. K voprosu oxlazhdeniya pasechnogo voska posle peretopki voskosy'r'ya / N. M. Maksimov.
- Tekst : neposredstvenny'j // Nauchno-texnicheskij progress v sel'skoxozyajstvennom proizvodstve : sbornik dokladov XV Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 9-10 aprelya 2020 goda. - Velikie Luki : RIO VGSXA, 2020.
- S. 127-131. - ISBN 978-58047-0089-9.
5. Maksimov, N. M. Perspektivnaya texnologiya pererabotki voskovogo sy'r'ya na pasekax s ispol'zovaniem parogeneratora / N. M. Maksimov, V. V. Morozov. - Tekst : neposredstvenny'j // Tradicii i innovacii v razvitii APK : materialy' mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 17-18 aprelya 2019 goda. - Velikie Luki, 2019. -S. 493-498. - ISBN 978-5-8047-0085-1.
6. Maksimov, N. M. Issledovanie kachestvenny'x pokazatelej pasechnogo voska / N. M. Maksimov. - Tekst : neposredstvenny'j // Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skoxozyajstvennoj akademii. - 2020. - № 3. -S. 48-54. - ISSN 2308-8583.
7. Patent № 188608 Rossijskaya Federaciya, MPK7 A 01 K 59/06 (2006.01) F 24 C 1/00 (2006.01). Par ogenera-tor dlya vytopki voska : № 2018106374/18 : zayavl. 20.02.2018; opubl. 17.04.2019 / Morozov V. V., Maksimov N. M.
- 2 s. : il. - Tekst : neposredstvenny'j.
8. Temnov, V. A. Pererabotka voskosy'r'ya na paseke / V. A. Temnov. - Moskva : Kolos, 1968. - 104 s. - Tekst : neposredstvenny'j.
Информация об авторах
Н. М. Максимов - кандидат технических наук, доцент;
Т. Е. Фёдорова-Семёнова - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент;
Д. В. Рыжов - магистрант.
Information about the authors
N. M. Maximov - Candidate of Technologies, associate professor;
T. E. Fiodorova-Semionova - Candidate of Agriculture, associate professor;
D. V. Ryzhov - master course student.
Статья поступила в редакцию 12.01.2022; одобрена после рецензирования 27.01.2022; принята к публикации 16.03.2022.
The article was submitted 12.01.2022; approved after reviewing 27.01.2022; accepted for publication 16.03.2022.
