Оборудование для получения смесевого биотоплива на основе рапсового масла Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК (631.3.004 : 631.171) + (662. 638 : 665. 334.24)

В.П. Коваленко, доктор техн. наук, профессор Е.А. Улюкина, канд. техн. наук, доцент М.Л. Насоновский, канд. техн. наук, доцент Е.А. Островский, аспирант

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСЕВОГО БИОТОПЛИВА НА ОСНОВЕ РАПСОВОГО МАСЛА

Смешивание компонентов биотоплива — рапсового масла и дизельного топлива — возможно как при заблаговременном приготовлении смеси в расходной емкости, так и путем подачи исходных компонентов в смесительное устройство непосредственно перед выдачей биотоплива потребителю.

Для смешивания двух жидкостей в какой-либо емкости широко используют мешалки различной конструкции, которые обеспечивают достаточно эффективное механическое перемешивание исходной смеси до получения однородной жидкой среды. Учитывая, что процесс получения смесево-го биотоплива целесообразно осуществлять в серийно изготовляемых горизонтальных цилиндрических резервуарах, для перемешивания исходных компонентов наиболее пригодны мешалки якорного типа, контур рабочего органа которых соответствует внутренней форме сосудов, используемых для приготовления смеси. Для цилиндрического резервуара контур рабочего органа (лопасти) мешалки должен иметь форму части кольца (рис. 1).

Рассмотрим дугу кольца с радиусами Ян (наружным) и Явн (внутренним), расположенную между полярными углами а1, а2 и вращающуюся вокруг оси Оу с угловой скоростью ю. Площадь элемента поверхности этой дуги (рис. 2)

Рис. 1. Общий вид мешалки якорного типа:

1 — лопасть; 2 — вал; 3 — втулка; 4 — гайка

oF = rd tydr, (1)

где F — площадь дуги, м2; r — радиус-вектор, м; ф — полярный угол,град.

Элементарная сила, действующая на этот элемент, описывается законом сопротивления Кармана [1]:

dP = cpdFv2 = cprЗю2 sin2 ф drd ф, (2)

где с — коэффициент лобового сопротивления, м2; v = юх = юр sin ф — скорость перемещения элемента поверхности, м/с; р — плотность жидкости, кг/м3.

Проинтегрировав выражение (2), получим силу, действующую на дугу кругового кольца,

R «2

P = сю2р J r3dr J sin^dф. (3)

Поскольку

a 2

J sin2 фdФ =

ф sin2ф 2 4~

(4)

_a2 - a1 sin2a2 - sin2a1

Рис. 2. Расчетная схема мешалки с круглым якорем

2

4

1

имеем

- Я.4.):

Р = с—-ІЛ’ - Я.. IX

ґа2 - а1 8Іп2а2 - 8Іп2а Л

(5)

Координаты точки приложения силы определяем по соотношениям:

Тогда

х = г 8іп ф; у = г сов ф.

.2 Я «2

= с

рю

| г4йг | 8Іп3фйф;

Уо = с

рю

Я™ «1

2 Я «2

| г4йг | 8ІП2ф сов фйф.

(6)

(7)

Яш «1

Поскольку

а 2

| 8Іп3фйф =

3

С08 ф

- С08 ф

3

со8 а0 - со8 а

1 -(

со8 а0 - со8 а

і);

(8)

| 8ІП2ф со8 фйф:

3

8ІП ф

аі

находим

23

3

8іп а0 - 8іп а

хо =-

4 Я - Ян

3 3

со8 а9 - со8 а1 , ч

--------2--------------1 - (со8 а2 - со8 а1)

5 Я4 -а2 8Іп2а2 -8Іп2а1 ’

н н 2 4

(9)

5 5 3 3

у = 4 Д - Дн вш «2 - ^ «1 (10)

15 Д -^ а2-а1 вт2а2 -в1и2а1 ‘

Н 2 4

Мощность, затрачиваемая на вращение лопасти якорной мешалки,

(11)

N = Руо = Р юхо.

где vo — скорость перемещения точки приложения сил, м/с.

Подставив в выражение (11) значения Р и хо, получим

N = с

3

Р“ (Я,5 - Ян ^

33

со8 а2 - со8 а1 /

3 *

со8 а0 - со8 а

1)

(12)

Для якорной мешалки, установленной в горизонтальном цилиндрическом резервуаре, целесообразно принять а1 = 0 и а2 = п/2 (рис. 3). При этом соотношения элементов конструкции мешалки будут

соответствовать рекомендациям, сделанным на основании экспериментальных данных [1]:

В = 0,9В ; Ь = 0,05В ;

н ’ рез’ ’ рез’

к = 0,45£н; I = 0,06£рез.

Тогда

Р = с

ПрЮ 104 04

”16”

х = Я5 - Я5н.

о 15* Я4 - Я4„;

у = І6 Я - Я5Н,

у о ЛСтт т-,4 04

К4 - Я4„); (13)

(14)

(15)

15* К - Я4„

N = с

2рю2 15

К -Я=).

(16)

Значения всех параметров в выражении (16) обусловлены постановкой задачи, за исключением коэффициента лобового сопротивления, теоретическое определение которого связано со значительными трудностями. В общем случае коэффициент лобового сопротивления зависит от множества факторов:

с = Fr, Ве, We),

(17)

IV

где Re = — — критерий Рейнольдса, служащий мерой со-V V2

отношения сил трения и инерции; Fr = — — критерий

ё1

Фруда, характеризующий отношение сил инерции к силе тяжести и отражающий зависимость сопротивления среды от волнообразования; Ве =-------число Берроу, рав-

ное отношению скорости движения к скорости звука и характеризующее сжимаемость жидкости, проявляющееся при скоростях перемещения, близких к скорости звука;

Рис. 3. Схема установки якорной мешалки в горизонтальном цилиндрическом резервуаре:

Врез — диаметр резервуара; Вн — наружный диаметр мешалки; к — высота мешалки; Ь — зазор между лопастью и стенкой резервуара; I — ширина лопасти

2

4

3

plv „

We =--------критерий Вебера, характеризующий влия-

о

ние сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз твердое тело — жидкость; l — характерный линейный размер, м; v — коэффициент поверхностного натяжения, Н/м2; v — скорость звука в жидкости, м/с.

Из приведенных выражений следует, что при полном погружении лопасти в жидкость критерии Фруда, Вебера и Берроу практически не влияют на коэффициент лобового сопротивления.

Таким образом, коэффициент лобового сопротивления практически зависит только от критерия Рейнольдса. Исследованиями [2] установлено, что для пластины, движущейся в направлении, перпендикулярном ее плоскости, коэффициент лобового сопротивления практически постоянен, т. е.

C = ./(Re) = const. (18)

Однако из-за отсутствия аналитической зависимости между величинами, входящими в выражение (18), значение коэффициента лобового сопротивления определяют, как правило, экспериментально. В работе [3] указано, что этот показатель с достаточной степенью точности можно определить по эмпирической зависимости:

с = (0,2... 0,3). (19)

Известно [5], что процессы, характеризующие работу всех струйных аппаратов, описываются тремя основными уравнениями: закона сохранения энергии

hp + ики = (1 - ы)кси, (21)

где hp, hH и hQm — энтальпия соответственно рабочего, инжектируемого потока до аппарата и потока смеси после аппарата, кДж/кг; и = GH/Gp — коэффициент инжекции; GH, Gp — массовые расходы соответственно инжектируемой и рабочей среды, кг/с;

закона сохранения массы

= Gp + ^ (22)

где G — массовый расход смеси, кг/с; закона сохранения импульса

1,2

Jр2 + Jи2 = I Pdf + JCM3, (23)

/см 3

где Jp2, JH2 — импульс соответственно рабочего и инжектируемого потоков во входном сечении смесительной камеры, Н; J 3 — импульс потока смеси в выходном сече-

f 2

нии смесительной камеры, Н; J Pdf — интеграл импуль-

f„,

са по боковой поверхности смесительной камеры, н; /и2, f 3 — площадь соответственно входного и выходного сечений смесительной камеры, м2, p — давление, Па.

Плотность образующейся смеси биотоплива можно рассчитать по формуле [4]

GP.M =

(рем Рд.т К

р.М ГСМ

(20)

где Gры и Gдт — исходная масса соответственно рапсового масла и дизельного топлива, кг; рсы, рд т, рры — плотность соответственно смеси, дизельного топлива и рапсового масла, кг/м3.

Для смешивания жидкостей непосредственно в потоке целесообразно использовать аппарат струйного типа, т. е. устройство, в котором осуществляется процесс инжекции. Струйные аппараты широко используют в различных областях техники, главным образом для перемещения жидкостей и газов, создания давления или вакуума в системе, пневмо- и гидротранспортирования твердых тел. Теоретические основы применения этих устройств для смешения жидкостей с различными физическими свойствами с целью получения эмульсии в известной авторам литературе не рассмотрены. Ниже изложены некоторые теоретические предпосылки создания таких устройств.

Принципиальная схема струйного аппарата представлена на рис. 4. Поток жидкости, подаваемый в устройство с большой скоростью, считается рабочим, а поток, подаваемый в устройство за счет инжекции, — инжектируемым.

Струйный смеситель относится к устройствам, у которых рабочая и инжектируемая среды находятся в одном агрегатном состоянии, причем обе среды практически несжимаемы, т. е. не обладают упругостью. Уравнение характеристики струйного смесителя выведем на основе закона импульсов для несжимаемых сред.

Импульс потока в некотором сечении х-х равен

Jx = Gw + f

(24)

где С — массовый расход, кг/с; — скорость потока, м/с; / — площадь сечения х-х, м2.

Для цилиндрической смесительной камеры уравнение закона импульсов имеет вид

Ф2[Ср^р1 + СЛ2] - (Ср + СиКм3 =

= (Рсм3 - Рк$к2 + (Рсм3 - Рр1^р1 = (25)

= Рсм3^см3 -ри2^п2 -Рp/р1,

где Wpl — скорость рабочего потока на выходе из сопла, м/с; ^2 — скорость инжектируемого потока во входном сечении смесительной камеры, м/с; wсм3 — скорость потока смеси в выходном сечении смесительной камеры; Рр1, Рта, Рсм3 — давления соответственно в выходном сечении рабочего сопла, во входном и выходном сечении рабочего сопла, м2; ф2 — коэффициент скорости смесительной камеры.

Скорости потоков рабочего, инжектируемого и смеси соответственно равны:

Ж

рі'

/ріРр

^и2:

™см3 г п «/и2ги «/смЗРі

+ (26)

где рр, ри, рсм — плотности соответственно рабочей, инжектируемой сред и смеси, кг/ м3.

Давления в струйном смесителе

2

п _ п _ ^смЗРсм. п _ п РсмЗ Рсм ^ 2 5 ^и2 Рж

2фз

^и2Ри. 2ф4 ’

Др1 = Др

^ррр 2Ф? !

(27)

где рр1, ри, р см — давление соответственно рабочего и инжектируемого потоков перед струйным смесителем и потока смеси на выходе из диффузора, Па; ф1, ф4, ф3 — коэффициенты скорости соответственно сопла, входа в камеру смешения и диффузора.

После преобразований получим

АР,

Л

р1

./смЗ

(2 -Фз)

2ф 2 +

Рр /р!

Рсм ./смЗ

2ф 2 - "Г Ф 4

(1 + и2)

/„1

£р -£р!м2 _

Ри ^2

(28)

где ЛРсм = Рсм — Ри; ЛРр = Рр — Ри — перепады давлений между потоками в струйном смесителе, Па.

Данное выражение называют уравнением характеристики струйного смесителя. На основании экспериментальных исследований [6] рекомендованы следующие значения коэффициентов скорости:

ф 1 = 0,95; ф2 = 0,975; ф3 = 0,9; фи = 0,925.

С учетом этих значений выражение (28) примет вид

АРсм = 1р}_ АРр /шз

-1,07

1,76 + 0,7 ^ ^ и2-

Ри fж2

Рр /р1

(і + и2)

(29)

Рсм «/смЗ

Используя уравнение характеристики струйного смесителя, можно определить оптимальное соотношение сечений этого устройства. При заданном значении перепада давления между рабочим и инжектируемым потоками Лр = (рр - Рн), которое принимают по данным технической характеристики подающего насоса и известном значении коэффициента инжекции и, зависящем от выбранного соотношения рапсового масла и дизельного топлива в смесевом биотопливе. С учетом условия

С> АРсм

* (/рі/ /шз)

= о

I р

Рис. 4. Принципиальная схема струйного смесителя:

А — рабочее сопло; Б — приемная камера;

В — смесительная камера; Г — диффузор;

1-1, 2-2, 3-3 — сечения

имеем

«/смЗ V /опт

при

(2-Фз (1+м)2 _

Рсм

2ф 2------2

Ф4„

Рр 2

—пи

Ри

Ф 2

(30)

. ./смЗ _ -/с

смЗ

/и2 /р

РІ

«/смЗ

Л

-1

р1

(31)

Подставив в выражение (30) численные значения коэффициентов скорости, приведенные в работе [6] с учетом формулы (31), вычислим оптималь-

/ Л

^см3

V Ур1 J

от коэффициента инжекции и:

ные значения величины

в зависимости

и 0 1 2 3 4 5 6 10

( \ Ісм 3 І V Р1 У ОПТ 1,11 3,8 7,25 11,6 16,9 23,2 30,3 66,4

Используя найденные значения, можно выбрать оптимальные соотношения сечений струйного смесителя в зависимости от требуемой концентрации компонентов смесевого биотоплива.

Полученные результаты позволяют выбрать способ приготовления смесевого биотоплива в зависимости от условий эксплуатации мобильной техники и на основе найденных зависимостей спроектировать соответствующие устройства — механическую мешалку и струйный смеситель.

Список литературы

1. Канторович, З.Б. Машины химической промышленности / З.Б. Канторович. — М.: Машиностроение, 1965. — 416 с.

2. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. — М.: Химия, 1971. — 784 с.

3. Машины и аппараты химической промышленности / под ред. И.И. Чернобыльского. — Киев: Машгиз, 1962. — 524 с.

4. Коваленко, В.П. Нефтепродуктообеспечение сельских товаропроизводителей / В.П. Коваленко, А.В. Симоненко, В.С. Лоскутов. — М.: МГАУ, 2002. — 110 с.

5. Соколов, Е.Я. Струйные аппараты / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 352 с.

6. Басаргин, Б.Н. Исследование гидродинамики и массообменной способности аппаратов инжекторного типа: дисс. ... доктор техн. наук / Б.Н. Басаргин. — Ярославль: ЯПИ, 1974. — 315 с.

УДК 633.34:575.224(470.0)

Т.П. Кобозева, доктор с.-х. наук, профессор Н.П. Попова, аспирант

С.И. Кобозева, аспирант

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

Т.И. Кель, канд. с.-х. наук, доцент Е.В. Гуреева, аспирант

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»

СОЯ В НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЕ РОССИИ

Острый дефицит пищевого и кормового белка весьма труднорешаемая и спорная задача в современном мире. Один из возможных путей ее решения — производство дешевого и полноценного растительного белка. Именно поэтому в мировом земледелии соя занимает четвертое место после пшеницы, кукурузы и риса и первое среди зерновых бобовых культур, а темпы роста ее производства опережают все другие культуры. Семена сои содержат большое количество масла (17.27 %) и белка (35.55 %), который по биологической ценности занимает первое место среди белков важнейших сельскохозяйственных культур, обладает высокими пищевыми и фуражными преимуществами. Велико значение сои в развитии органического земледелия с использованием ресурсосберегающих технологий, направленных на сохранение плодородия почвы и экономию затрат на азотные удобрения.

Соя довольно пластичная культура, что позволяет возделывать ее от 42-й параллели Южного полушария до 54-й параллели Северного.

В России посевные площади под сою не превышают 720 тыс. га, валовой сбор ее зерна составляет 690 тыс. т. К 2017 г. планируется увеличить производство до 3,0 млн т, посевные площади до 2,7 млн га, в том числе за счет освоения европейского региона, включая северную часть областей Черноземной зоны, юг и центральную часть Нечерноземья.

В 1980-2007 гг. учеными РГСУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, МГАУ им. В.П. Горячкина, Рязанского НИИПТИ АПК и Ярославской ГСХА созданы сорта и формы сои северного экотипа, устойчиво вызревающие на широте 56° при сумме активных температур 1700.1900 °С. Наиболее пер-

спективными сортами являются Светлая, Магева, Окская, Касатка и формы М-134, М-52, средняя продолжительность вегетации которых 103.120 дней, урожайность 1,8.2,55 т/га.

За эти годы разработаны ресурсосберегающие, экологически безопасные технологии возделывания сои в новом регионе на основе использования биологического азота, позволяющие получать до 3,5 т/га зерна, до 1,0 т/га высококачественного сбалансированного по аминокислотам белка и 0,4 т/га жира.

Максимальное сокращение вегетационного периода — одно из важнейших условий в агротехнике сои в Нечерноземье. Значительно сокращают период вегетации по возможности ранние сроки посева (сразу после яровых культур), способ посева — для более скороспелых и низкорослых сортов и форм (М-134, Касатка, Светлая, Магева) — рядовой, при ширине междурядий 15 см, норма высева 600 тыс. всхожих семян/га, более высокорослые и менее скороспелые (Окская, М-52) — широкорядный при норме высева 500 тыс. всхожих семян/га. Большое влияние на формирование дружных всходов оказывает посев семян диаметром 4,5.. .5,0 мм.

Из-за крайне медленного роста в начальные периоды вегетации (первые 20.25 дней после появления всходов) успешное возделывание сои невозможно без своевременного уничтожения сорняков. В этом случае перспективна химическая обработка посевов баковой смесью гербицидов: базагран (2,5 л/га) + поаст супер (3,5 л/га) в фазу третьего-четвертого листа, которая по воздействию на ценоз не уступала ручной прополке.

Важнейшее свойство сои как бобовой культуры — способность к симбиотической фиксации азо-