CC BY
6
Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2023. - N 1. -С. 19-27. - ISSN 2308-8583.
Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2023;(1):19-27. ISSN 2308-8583.
Научная статья УДК 638.171.2 EDN: CXRMAJ
Определение энергозатрат центрифуги при отжиме воска
из воскосырья
1 2 Николай Михайлович Максимов , Денис Валерьевич Рыжов
1 2
' Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Псковская область, Великие Луки, Россия 1 max@vgsa.ru
л
Iryzhov 13 @gmail. com
Аннотация. В статье представлены результаты исследования энергозатрат на привод центрифуги при отжиме воска из пасечного воскосырья.
Статья посвящена вопросу снижения энергозатрат при отжиме воска из пасечного воскосырья. Приведена методика исследования влияния частоты вращения ротора центрифуги на выход воска и энергозатраты. Описаны конструкция и работа экспериментальной установки. Представлены характеристики используемых контрольно-измерительных приборов. Проведены исследования влияния частоты вращения ротора центрифуги на выход получаемого воска из пасечного воскосырья.
В ходе обработки экспериментальных данных были получены уравнения, описывающие влияние частоты вращения центрифуги на количество получаемого воска, производительность и удельные энергозатраты на привод центрифуги. В ходе эксперимента было установлено, что масса воска, полученная при отжиме пасечного воскосырья, зависит от оборотов ротора центрифуги и варьирует в пределах от 312 до 1242 г при начальной массе отжимаемого пасечного воскосырья 3000±10 г. Затраты электроэнергии на привод центрифуги также росли с ростом оборотов ротора центрифуги. Установлено, что при возрастании частоты вращения ротора центрифуги (n) с 300 до 1000 мин-1 энергозатраты (W) возрастали с 93,6 до 348,6 Вт-час, при этом удельные энергозатраты (WYa) возрастали с 37,0 до 46,7 Вт-ч/кг.
Полученное рациональное значение частоты вращения ротора центрифуги при отжиме воска из пасечных вытопок находится на уровне n = 400 мин-1, так как при этом значении наблюдаются минимальные удельные энергозатраты WYa = 35,6 Вт-ч/кг.
Проведённые исследования показывают, что использование центрифуги для отжима воска из пасечного воскосырья в целом рентабельно для пасеки, так как потребление электроэнергии не превышает 350 Вт-ч.
Ключевые слова: воск пасечный, перетопка воска, воскотопка, воскосырьё, центрифуга, пчеловодство, механизация, автоматизация пчеловодства
Для цитирования: Максимов Н. М., Рыжов Д. В. Определение энергозатрат центрифуги при отжиме воска из воскосырья // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2023. - N 1. - С. 19-27. - https://elibrary.ru/cxrmaj.
© Максимов Н. М., Рыжов Д. В., 2023
Original article
Regime Parameters Multifactorial Study for Apiary Waste Wax
Extracting Centrifuges
Nikolay M. Maximov1, Denis V. Ryzhov2
1 9
' State Agricultural Academy of Velikie Luki, Pskov region, Velikie Luki, Russia 1 max@vgsa.ru
л
Iryzhov 13 @gmail .com
Abstract. The article presents the results of an energy consumption study of the centrifuge drive while extracting wax from bee wax raw materials.
The article discusses the issue of reducing energy consumption when pressing wax from bee wax raw materials. The method of investigate the centrifuge rotor rotation frequency influence on the wax output and energy consumption is given. The design and operation of the experimental installation are described. The parametres of the control and measuring devices used are also presented. The centrifuge rotor rotation frequency influence on the output of the wax obtained from the beekeeping wax has been studied.
After processing the experimental data, equations have been obtained that describe the effect of the centrifuge rotation speed on the amount of wax produced as well as of productivity and specific energy consumption for the centrifuge drive. It is found in the experiment that the wax mass obtained during the extraction of bee wax raw material depends on the centrifuge rotor revolutions and varies from 312 to 1242 g, the initial mass of the pressed beekeeping wax being 3000 ± 10 g. The electricity costs for the centrifuge drive also increase with the increase i of the centrifuge rotor rotation speed. It was found that with an increase of the centrifuge rotor rotation frequency (n) from 300 to 1000 min-1, the energy consumption (W) increases from 93.6 to 348.6 W h, while the specific energy consumption (Wsp) increases from 37.0 to 46.7 Wh/kg.
The calculated efficient value of the centrifuge rotor rotational speed during the extraction of wax from the raw materials is at the level of n = 400 min-1, since it is at this value that the minimum specific energy consumption Wd = 35.6 Wh/kg is observed.
The research shows that the use of a centrifuge for extracting wax from bee wax raw materials is generally cost-effective for an apiary, since the electricity consumption does not exceed 350 Wh.
Keywords: bee wax, wax melting, wax melter, raw wax materials, centrifuge, beekeeping mechanization, beekeeping automation
For citation: Maximov N. M., Ryzhov D. V. Regime Parameters Multifactorial Study for Apiary Waste Wax Extracting Centrifuges. Proceedings of the State Agricultural Academy of Ve-likie Luki. 2023;(1):19-27. (In Russ.). https://elibrary.ru/cxrmaj.
Введение
Пчелиный воск является уникальным продуктом жизнедеятельности медоносных пчёл. Он используется в различных отраслях народного хозяйства и находит применение в косметике и медицине, кондитерской промышленности, радиотехнике, металлургической и лакокрасочной промышленности, трёхмерном моделировании и печати, многих других. Несмотря на свою востребованность, до 80% получаемого пасечного воска используется для производства вощины [1].
Одним из основных путей увеличения производства воска на пасеках является снижение его потерь за счёт внедрения эффективных и высокопроизводительных агрегатов [2-6]. К числу таких агрегатов следует отнести разработанную пасечную центрифугу [4]. В таком агрегате разогрев воскосырья осуществляется за счёт тепловой энергии водяного пара. Источником пара может служить парогенератор по разработанной конструкции [7]. Принцип выделения воска в центрифугах основывается на воздействии центробежных сил на разогретое воскосырьё.
Ввиду сложности и отсутствия рентабельности транспортировки пасечных вытопок до воскоэкстракционных заводов с последующим извлечением воска, для небольших пасек возможно самостоятельное извлечение воска из этого воскосырья.
Целью настоящего исследования является изучение энергозатрат на работу центрифуги при перетопке пасечного воскосырья.
Материалы и методы
Исследования проводились на частной пасеке, расположенной в Бежа-ницком районе Псковской области. При исследовании зависимости выхода воска, количества вытопленного воска и затраченной энергии электроприводом центрифуги от частоты вращения ротора центрифуги во время процесса отжима мервы использовался разработанный опытный образец воскотопки-центрифуги [4].
Центрифуга выполнена из нержавеющей кислотоупорной стали (рисунок 1). Внутри корпуса 1 на подшипниках вращается барабан 2, приводимый в действие от электродвигателя 3 посредством ременной передачи 4. Корпус центрифуги 1 имеет приваренные к нему жёсткие опоры 6. Загрузка воскосырья внутрь барабана центрифуги осуществляется через загрузочный люк 7, на котором размещён биметаллический термометр 8. Для получения воска из воскового сырья используется проницаемая тканевая оболочка, помещаемая внутрь центрифуги. В корпус центрифуги 1 при её работе подаётся острый пар, разогревая воскосырьё свыше 100 °С. При вращении ротора из разогретого воскосырья извлекается жидкий воск и сливается через лоток 5 в контейнер 9 для сбора воска [4].
Работа центрифуги предусматривает технологические операции: загрузку оболочки с пасечными вытопками для отжима, центрифугирование и выгрузку оболочки с отжатыми вытопками.
Общий вид центрифуги представлен на рисунке 1 б.
Для проведения испытаний воскотопки-центрифуги использовались гнездовые ульевые рамки из Псковской области средней влажности 8%. Основным критерием отбора рамок являлось их использование пчеловодами не менее двух сезонов и средняя масса около 500 г с учётом невосковой массы (деревянный каркас и проволока). Суммарная масса воскового сырья в одной загрузке составляла 3000±15 г. Время работы центрифуги в каждом опыте составило
10 минут. Взвешивание мервы до и после отжима в центрифуге, а также взвешивание полученного чистого воска производилось при помощи электронного безмена «Штрих-М Е^са1е 45» с пределом измерений до 10 кг. 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 1 а).
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 1 - Центрифуга для получения воска
Измерение количества отжатого воска производилось при помощи электронных весов «Polaris» с пределом измерений до 10 кг и погрешностью ±5 г. Для этого использовалось пластиковое ведро объёмом 3 л, установленное на весы (рисунок 2).
1 - весы электронные; 2 - ёмкость для сбора воска; 3 - лоток для слива воска Рисунок 2 - Измерение массы полученного воска
Результаты и обсуждение
Результаты исследований зависимости выхода воска, количества вытопленного воска, затраченной энергии, энергоёмкости центробежного агрегата для вытопки воска из рамок с восковым сырьём от частоты вращения ротора центрифуги представлены в таблице 1.
Таблица 1 - ^ Результаты исследований
Частота Масса Выход Затраченная Производи- Энергоёмкость
вращения, (п), мин-1 чистого воска (Шв), г воска (св), % энергия Вт-ч тельность (0), кг/час ^уд), Вт-ч/кг
200 312 10,4 93,6 1,872 50,2
300 514 17,1 114,6 3,084 37,0
400 632 21,1 135 3,792 35,6
500 716 23,9 160,8 4,296 37,5
600 779 26,0 183,6 4,674 39,4
700 853 28,4 222,6 5,118 43,4
800 972 32,4 271,2 5,832 46,5
900 1095 36,5 313,2 6,57 47,6
1000 1242 41,4 348,6 7,452 46,7
В эксперименте были представлены измеряемые параметры - масса чистого воска (тв, г) и затраченная электроэнергия Вт-ч). Также были представлены расчётные параметры - выход воска (СВ, %), производительность (0, кг/час), энергоёмкость ^уд, Вт-ч/кг).
Энергоёмкость процесса ^уд, Вт-ч) определяли по формуле:
Ж
=—, Вт-ч/кг
* д
где Ж - затраченная энергия, Вт-ч;
д - производительность центрифуги, кг/ч.
Выход воска определяли по формуле:
(1)
О =
ТПт
Жг
• 100%,
(2)
где Ж - масса полученного чистого воска, г;
шг
масса загружаемого воскосырья, г.
Из условий постановки эксперимента принимали Шс = 3000 г.
Производительность центрифуги будет зависеть от массы полученного воска и времени вращения центрифуги. Производительность центрифуги (Р, кг/ч) в этом случае определится по формуле:
_ т„•60 . О = —-, кг/ч
I
где \ - время вращения центрифуги, мин (1 = 10 минут); тВ - масса воска, полученная за время вращения 1
(3)
По имеющимся формулам (1-3) были вычислены значения расчётных параметров и занесены в таблицу 1. Полученные данные позволили построить графические зависимости, приведённые на рисунках 3-5.
1400 1200 1000
т
3 800 600 400 200 0
Масса полученного воска (т), г
У
00
05х
2 + 1,7516х - 62,962
Я2 =
9775
200
400
600
800
1000
1200 п, мин-1
Рисунок 3 - Зависимость изменения количества вытопленного воска (т) от частоты вращения ротора центрифуги (п)
Затраченная энергия Вт^ч
400 350 300
ч
н 250 В , 200
150
100
50
000
0,1043х
61,41
Я2=0198(
6
200
400
600
800
1000
1200
п, мин-1
Рисунок 4 - Зависимость изменения затраченной энергии от частоты вращения ротора центрифуги (п)
0
0
0
сельскохозяйственные науки
60,0
50,0
г /к 40,0
/ч
н 30,0
В
£ 20,0
£
10,0
0,0
Энергоёмкость (^уд), Вт-ч/кг
У
5Е-05х2 - 0,0557х + 53,55
8
Я2=0,81
200 400 600 800 1000 1200
п, мин-1
0
Рисунок 5 - Зависимость изменения удельных энергозатрат ^уд) процесса вытопки воска от частоты вращения ротора центрифуги (п)
Из полученных данных видно, что выход воска из пасечной мервы увеличивается с ростом частоты вращения ротора центрифуги, что связано с ростом центробежных сил на разваренное воскосырьё (рисунок 3). При частоте вращения барабана, близкой к 1000 мин-1, в некоторых опытах наблюдались вибрации корпуса центрифуги, что может указывать на неравномерность раскладки мер-вы внутри ротора центрифуги в этих опытах. Максимальный выход воска из воскосырья наблюдался при частоте 1000 мин-1. Также следует отметить, что при оборотах ротора в диапазоне от 700 до 1000 мин-1 наблюдалось изменение цвета воска на более тёмный, что свидетельствует о попадании частиц пасечной мервы и остатков перги в расплавленный воск. Полученное значение массы воска, выделяемого при центрифугировании, описывается полиномом второго порядка:
у = -0,0005х2 + 1,7516х - 62,962. (4)
Коэффициент детерминации уравнения (4) достаточно велик и составляет Я2 = 0,9775, что говорит о высокой точности полученной модели.
Энергопотребление в процессе отжима мервы возрастает плавно с увеличением оборотов двигателя и лежит в пределах от 93,6 до 348,6 Ватт-час (рисунок 4). Рост энергопотребления объясняется ростом пиковой нагрузки на электродвигатель, так как центрифуга с мервой имеет значительную массу. Соответственно, чтобы её провернуть, требуется усилие, и чем больше частота вращения центрифуги, тем больше требуется электроэнергии. Полученное значение энергопотребления процесса отжима мервы с ростом оборотов ротора центрифуги наиболее точно описывается полиномом второго порядка, вида:
у=0,0002х2+0,1043х+61,41. (5)
Коэффициент детерминации уравнения (5) достаточно велик и составляет Я = 0,9806, что говорит о высокой точности полученной модели.
При повышении частоты вращения энергоёмкость процесса растёт на участке от 400 до 900 мин-1, а затем незначительно снижается, что описывается полиномом второго порядка:
у=5Е-05х2-0,0557х+53,558. (6)
Коэффициент детерминации уравнения (6) достаточно велик и составляет: Я = 0,813, что говорит о высокой точности полученной модели.
Энергоёмкость процесса отжима воскосырья возрастает в интервале оборотов ротора центрифуги с 400 мин-1 до 900 мин-1, а затем стабилизируется. Низкая энергоёмкость при значении 400 мин-1 указывает на рациональные условия для отделения воска из мервы.
Обобщая вышеизложенное, следует заключить, что увеличение оборотов способствует росту производительности выделения воска и снижению времени на отжим мервы. Вместе с тем, большие обороты центрифуги ведут к вибрациям корпуса центрифуги, что связано с неравномерной раскладкой мервы внутри ротора и снижению качества самого воска вследствие попадания в него частиц мервы и перги.
Заключение
1. Переработка пасечного воскосырья является энергоёмким процессом. Опытным путём установлено, что одним из способов снижения потерь воска при перетопке является использование центрифуги в составе технологической линии по переработке воскосырья, производительность которой составляет до 10 кг/час.
2. Была разработана и испытана конструкция центрифуги для извлечения воска из воскосырья, а также определены её энергозатраты. По результатам испытаний рациональное значение частоты вращения ротора центрифуги при отжиме воска из вытопок находится на значении п = 400 мин-1, при этом удельные энергозатраты составляют Wyд = 35,6 Вт-ч/кг.
3. Полученные уравнения 4, 5 и 6 достаточно хорошо описывают зависимость наблюдаемых величин (тв), ^уд) от частоты вращения ротора цен-
л
трифуги (п). Коэффициенты детерминации (Я ) полученных уравнений высоки, что указывает на высокую точность полученных моделей.
Список источников
1. Нагаев Н. Б. Совершенствование процесса вытопки воска с обоснованием параметров центробежного агрегата : дис. ... канд. тех. наук. - Рязань, 2016. - 198 с.
2. Бышов Д. Н., Каширин Д. Е., Павлов В. В. Анализ перспективных направлений повышения качества и выхода сортового пчелиного воска // Технологические новации как фактор устойчивого и эффективного развития современного агропромышленного комплекса: материалы Национальной науч.-практ. конф. (20 ноября). - Рязань, 2020. - Ч. II. - С. 77-81.
3. Скрипкин П. Б., Каширин Д. Е. Исследование условий, необходимых для отделения органических загрязнений от воскового сырья // Инженерные решения для агропромышленного комплекса : материалы Всерос. науч.-практ. конф. (24 марта 2022 г.). - Рязань, 2022. -С. 155-158.
4. Максимов Н. М., Фёдорова-Семёнова Т. Е., Рыжов Д. В. Многофакторное исследование режимных параметров центрифуги для отжима воска из пасечных вытопок // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2022. - № 1. - С. 40-48.
5. Максимов Н. М., Морозов В. В. Перспективная технология переработки воскового сырья на пасеках с использованием парогенератора // Традиции и инновации в развитии АПК: материалы междунар. науч.-практ. конф. (17-18 апреля 2019 г.). - Великие Луки, 2019. -
C. 493-498.
6. Максимов Н. М. Исследование качественных показателей пасечного воска // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2020. - № 3. - С. 48-54.
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.
References
1. Nagaev N. B. Sovershenstvovanie processa vy4opki voska s obosnovaniem parametrov cen-trobezhnogo agregata : dis. ... kand. tex. nauk. - Ryazan\ 2016. - 198 s.
2. By'shov D. N., Kashirin D. E., Pavlov V. V. Analiz perspektivny'x napravlenij povy'sheniya kachestva i vy'xoda sortovogo pchelinogo voska // Texnologicheskie novacii kak faktor ustojchivogo i effektivnogo razvitiya sovremennogo agropromy'shlennogo kompleksa: materialy' NacionaFnoj nauch.-prakt. konf. (20 noyabrya). - Ryazan\ 2020. - Ch. II. - S. 77-81.
3. Skripkin P. B., Kashirin D. E. Issledovanie uslovij, neobxodimy'x dlya otdeleniya organich-eskix zagryaznenij ot voskovogo syYya // Inzhenernye resheniya dlya agropromy'shlennogo kompleksa : materialy' Vseros. nauch.-prakt. konf. (24 marta 2022 g.). - Ryazan\ 2022. - S. 155158.
4. Maksimov N. M., Fyodorova-Semyonova T. E., Ry'zhov D. V. Mnogofaktornoe issledovanie rezhimny'x parametrov centrifugi dlya otzhima voska iz pasechny'x vy'topok // Izvestiya Ve-likolukskoj gosudarstvennoj seFskoxozyajstvennoj akademii. - 2022. - № 1. - S. 40-48.
5. Maksimov N. M., Morozov V. V. Perspektivnaya texnologiya pererabotki voskovogo syYya na pasekax s ispolzovaniem parogeneratora // Tradicii i innovacii v razvitii APK: materialy' mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (17-18 aprelya 2019 g.). - Velikie Luki, 2019. - S. 493-498.
6. Maksimov N. M. Issledovanie kachestvenny'x pokazatelej pasechnogo voska // Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sekskoxozyajstvennoj akademii. - 2020. - № 3. - S. 48-54.
7. Patent № 188608 Rossijskaya Federaciya, MPK7 A 01 K 59/06 (2006.01) F 24 C 1/00 (2006.01). Parogenerator dlya vy4opki voska : № 2018106374/18 : zayavl. 20.02.2018; opubl. 17.04.2019 / Morozov V. V., Maksimov N. M. - 2 s.
Информация об авторах
Н. М. Максимов - кандидат технических наук, доцент; Д. В. Рыжов - магистрант.
Information about the authors
N. M. Maksimov - Candidate of Technologies, Associate Professor;
D. V. Ryzhov - Master's student.
Статья поступила в редакцию 16.11.2022; одобрена после рецензирования 09.01.2023; принята к публикации 24.03.2023.
The article was submitted 16.11.2022; approved after reviewing 09.01.2023; accepted for publication 24.03.2023.
