CC BY
26
Вестник Курганской ГСХА №1,2019 Технические науки J J
УДК 631.3:638.171
H.M. Максимов, В.В. Морозов
РЕЗУЛЬТАТЫ МНОГОФАКТОРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ПАРА В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ ПРИ ПЕРЕТОПКЕ
ВОСКА НА ПАСЕКАХ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВЕЛИКОЛУКСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ», ВЕЛИКИЕ ЛУКИ, РОССИЯ
N.M. Maximov, V.V. Morozov RESULTS OF MULTIFACTORAL RESEARCH DEVELOPMENT OF THE STEAM IN THE STEAM GENERATOR DURING THE CAST PACECA WAX FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «VELIKIE LUKI STATE
AGRICULTURAL ACADEMY», VELIKIYE LUKI, RUSSIA
Николай Михайлович Максимов
Nikolai Mikhailovich Maximov кандидат технических наук, доцент ms.mikola@yandex.ru
Владимир Васильевич Морозов
Vladimir Vasilyevich Morozov доктор технических наук, профессор
Аннотация. В статье приводятся результаты изучения влияния режимных параметров твердотопливного парогенератора на температуру пара, используемого для перетопки воскосырья. В настоящее время в пчеловодстве используются различные способы перетопки воскосырья с использованием воскотопок различных конструкций. Для более эффективной реализации данного процесса предлагается использование твердотопливного парогенератора в качестве источника пара, совместно с рамочной воскотопкой. Представлены методика и результаты эксперимента по определению эффективности процесса выработки пара. Оценивается влияние трёх факторов: массовый расход древесного топлива, положение воздушной заслонки и положение дымовой заслонки на температуру вырабатываемого пара. Установлена адекватная эмпирическая зависимость, определяющая влияние перечисленных факторов на исследуемый параметр, которым выступает температура вырабатываемого пара. Произведен регрессионный анализ полученной модели в программе STATGRAPHICS Plus 5.0, определены значения факторов, при которых возможно получение перегретого пара с максимально возможной температурой. В частности установлено, что исследуемый параметр - температура вырабатываемого пара - стремится к максимальному значению на уровне 220 °С, при значении расхода топлива в парогенераторе 9 кг/час и полностью открытых воздушной и дымовой заслонках, при которых время выработки пара парогенератором составляет 65 минут. Результаты исследований позволяют определить основные режимные параметры выработки пара, в числе которых установка положения регулирующих заслонок и массовый расход топлива, загружаемого в топочную камеру парогенератора.
Ключевые слова: восковое сырьё, перетопка воска, парогенератор, пасечный воск, испытания парогенератора
Abstract. The article presents the results of studying the effect of operating parameters of a solid-fuel steam generator on the temperature of the steam used to heat the wax. Currently, beekeeping uses various methods of refluxing waxes using wax refineries of various designs. For a more efficient implementation of this process, it is proposed to use a solid fuel steam generator as a source of steam, together with a framework wax refinery. The methodology and results of the experiment to determine the efficiency of the steam generation process are presented. The influence of three factors is estimated: the mass consumption of wood fuel, the position of the air damper and the position of the smoke damper on the temperature of the produced steam. An adequate empirical relationship has been established, which determines the influence of these factors on the parameter being studied, which is the temperature of the produced steam. A regression analysis of the obtained model was carried out in the program STATGRAPHICS Plus 5.0, the values of factors are determined under which it is possible to produce superheated steam with the highest possible temperature. In particular, it was found that the parameter under study - the temperature of the produced steam - tends to a maximum value of 220 °C, when the value of fuel consumption in the steam generator is 9 kg/h and fully open air and smoke dampers, at which time the steam generator produces 65 minutes. The research results allow to determine the main regime parameters of steam generation, including the installation of the position of the regulating slides and the mass flow rate of the fuel loaded into the furnace of the steam generator.
Keywords: wax raw materials, wax reflux, steam generator, foot wax, steam generator tests.
Введение. Известно, что наиболее трудоёмким процессом на пасеках является перетопка воскосырья и получение воска [1, 2]. На сегодняшний день существует множество конструкций воскотопок, однако в условиях средних и крупных пасек их эффективность оставляет желать лучшего. Вследствие малой производительности паровых воскотопок пчеловоду требуется затрачивать довольно много времени на переработку воскосырья, накопленного за предыдущий сезон, к тому же работа паровых воскотопок с открытыми источниками огня не отвечает требованиям пожарной безопасности. Существующие паровые воскотопки, имеющие электрические ТЭНы в качестве нагревающих элементов, лишают воскотопку автономно-
сти и создают необходимость её привязки к электрической сети [3, 4]. В связи с этим встала задача повышения производительности и эффективности процесса вытопки воска на пасеках. Поставленную задачу планировалось решить путём создания надёжного источника выработки высокотемпературного сухого пара, с которым можно связать паровую рамочную воскотопку вместимостью по 30 и более рамок. Таким источником перегретого пара явился парогенератор на твёрдом топливе, на который была подана заявка на полезную модель (заявка № 2018106374 от 20.02.2018 г). Целью исследования являлось изучение влияния режимных параметров парогенератора на температуру вырабатываемого пара для определения эффек-
тивности работы парогенератора.
Методика. Для проведения исследований была разработана конструкция твердотопливного парогенератора, работающего на древесном топливе, который будет вырабатывать и подавать пар для рамочной воскотопки, схема и общий вид которой представлен на рисунке 1.
Установка состоит из топки 1, в которой происходит сжигание топлива, воздушной заслонки 2, водогрейного бака 3, водоотделителя 4, пароподводящей трубки 5, утеплителя 6, сухопарника 7, служащего для перегрева пара за счёт температуры дымовых газов, проходящих по трубе 8; дымовой заслонки 9, клапана сброса давления 10, кранов отбора пара 11 и 14, манометра 12, термометра 13, крана для слива воды 15, инжектора 16, подвижной платформы 17, шланга подачи пара 18, а также рамочной воскотопки 21, имеющей трубку-уровень 19 и патрубок слива расплавленного воска 20.
Регулирование интенсивности горения древесного топлива в ходе эксперимента осуществлялось изменением положения воздушной и дымовой заслонок, соответственно 2 и 9. Инжектор 16 в ходе эксперимента не задействовался. Температура пара на выходе из крана 14 измерялась биметаллическим термометром 13 (рисунок 1).
плану Бокса-Бенкина (рисунок 2). В соответствии с выбранным планом, для выбранных факторов (Ы, Ь2 и ЬЗ) потребовалось 3 уровня (таблица 1).
Рисунок 2 - Парогенератор с рамочной воскотопкой в работе
Таблица 1 - Факторы и уровни их варьирования
ш ш о ^ з: з: -О ф 03 03 Ф ^ ф х О ф со и" о го о: ^ 03 го Уровни варьирования натуральные
Фактор О- о Ф о. верхний нулевой нижний
о 03 Ю О ^ О Ю х _£) ^ о_ го т Кодированное значение
+1 0 -1
Расход топлива,
сжигаемого в топке за 1 час т м 2 9 7 5
работы, т, кг/ч
Положение
воздушной ь, Ь2 25 100 75 50
заслонки,%
Положение
дымовой ь, ЬЗ 25 100 75 50
заслонки,%
I - топка; 2 - заслонка воздушная; 3 - водогрейный
бак; 4 - водоотделитель; 5 - трубка пароподводящая;
6 - утеплитель; 7 - сухопарник; 8 - труба дымовая;
9 - заслонка дымовая; 10 - клапан сброса давления;
II - кран отбора влажного пара; 12 - манометр; 13 -термометр; 14 - кран отбора сухого пара; 15 - кран слива воды; 16-инжектор; 17 - платформа; 18 - шланг подачи пара; 19 - уровень воскотопки; 20 - патрубок слива воска;
21 - рамочная воскотопка
Рисунок 1 - Схема установки для перетопки воскосырья на пасеке
Температура нагретых поверхностей парогенератора в ходе эксперимента фиксировалась при помощи пирометра модели «СЕМ ОТ-8833» (внесён в Госреестр СИ) с интервалом измеряемых температур от -50 °С до +800 °С [5-10].
Для исследования процесса выработки пара в парогенераторе был выполнен трехфакторный эксперимент по
Варьирование расхода топлива, загружаемого в топку парогенератора, находится в пределах от 5 до 9 кг за час и обосновывается размерами топки парогенератора, минимальным количеством топлива, необходимого для начала выработки пара, а также тепловой нагрузкой на парогенератор. Теплота сгорания используемого древесного топлива, согласно справочным данным, составила 14,24 МДж/кг при влажности древесины \л/=20%. Положение воздушной и дымовой заслонок в ходе эксперимента находилось на уровне 100% (полностью открыта), 75% и 50% (прикрыта на 1/2) и выбиралось с учётом обеспечения процесса горения в топке парогенератора и снижения дымности уходящих газов.
Результаты. При проведении многофакторного исследования работы парогенератора было установлено, что время работы парогенератора с полностью заправленным водогрейным баком составляет 4 часа без дозаправки водой, при этом за указанный отрезок времени в топке сжигается до 12 кг топлива. Была снята температурная характеристика парогенератора, которая представлена на рисунке 3.
Анализ температурной характеристики парогенератора (рисунок 3) показывает, что полное время работы парогенератора при сжигании 6,5 кгтоплива составило 65 минут. Расход топлива составил при этом 6 кг/час. Время нагрева воды в баке до начала выработки пара составило 20 минут.
Вестник Курганской ГСХА №1,2019 Технические науки 79
Полное время выработки пара составило 40 минут. Температура воды в водогрейном баке росла по мере её нагрева и закипания и после 20-ой минуты оставалась постоянной в интервале 102-104 °С. Температура отработанных газов (ОГ) при этом росла вверх до момента начала выработки пара =349 °С), после чего начинала постепенно падать и выравниваться с температурой перегретого пара на выходе из крана 14 (рисунок 3).
Перед началом проведения трёхфакторного эксперимента выставлялись необходимые настройки парогенератора (положение заслонок) и загружалась необходимая масса древесного топлива в соответствии с уровнями варьирования факторов (таблица 1). Из температурных характеристик, полученных входе проведения многократного эксперимента, определялось среднее значение температуры пара и заносилось в журнал проведения опытов.
В ходе обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, описывающее влияние настроек парогенератора на температуру вырабатываемого пара.
15 20 25 30 35 40 45 50 Время работы парогенератора, мин
Температура ОГ, °С -^Температура на выходе из крана,
Температура водогрейного бака, °С
Рисунок 3 - Температурная характеристика парогенератора
сч п
а)
.-С
1
0,6 0,2 -0,2 -0,6 1
-0,6
-0,2 0,2 м
0,6
т
— 110,0 - 118,0 126,0 134,0 142,0
— 150,0
— 158,0 166,0
— 174,0 182,0
— 190,0
б)
Рисунок 4 - Зависимость температуры вырабатываемого пара от количества топлива (Ы), положения воздушной (Ь2) и дымовой (ЬЗ) заслонок
Тср = 142,0 + 28,0Ы + 7,75-Ъ2 + 9,5-ЪЗ + 4,0 V -0,5 b/ -1,5 - Ъз + 5,5 -Ь[ ■ - 1,5 ■b1 • b. + 1,5-bj -bj (1)
Поверхность отклика, построенная в программе STATGRAPHICS Plus 5.0 на основе выполненного регрессионного анализа, изображена на рисунке 4.
Анализ регрессионной модели (1) показал, что скорректированный коэффициент детерминации достаточно велик и составил 0,9767 или 97,67%. Модель значима, т.к. критерий Фишера - F=66,21 > F=0,01 (уровень значимости модели р<0,01). Все факторы, влияющие на температуру вырабатываемого пара, оказались значимыми на уровне а=0,1. Заметной корелляции между опытными данными нет, так как статистика Durbin-Watson (DW) больше, чем 1,4. Таким образом, в ходе эксперимента была
получена полная квадратичная модель, адекватно аппроксимирующая результаты эксперимента на уровне значимости а=0,01.
Выводы. В результате статистической обработки результатов эксперимента по определению влияния массового расхода топлива и положения воздушной и дымовой заслонок на температуру вырабатываемого пара было получено уравнение регрессии. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1 все исследованные факторы оказывают влияние на процесс выработки пара. При этом факторы Ь2 (положение воздушной заслонки) и ЬЗ (положение дымовой заслонки) оказывают меньшее влияние, по сравнению с фактором М (массовый расход топлива);
2 рациональными значениями выбранных факторов являются: массовый расход топлива - 7 кг/час, положе-
ние воздушной и дымовой заслонок - полностью открыты (100%). Для регулирования процесса горения и температуры выработки пара рационально воспользоваться воздушной заслонкой. Регулировка температуры вырабатываемого пара путём использования дымовой заслонки не всегда применима, так как при прикрытии её более чем на 50% наблюдается дымление, что делает работу парогенератора неэкологичным;
3 при значении массового расхода топлива на уровне 9 кг/час удалось достичь значения температуры пара на уровне 220 °С на выходе из парогенератора, что вдвое превышает температуру пара стандартных паровых воскотопок. При этом эффективность перетопки воска возрастает, однако увеличивается тепловая нагрузка на конструкцию парогенератора и гибкие паропроводы для подвода пара в воскотопку, к тому же чрезмерно высокая температура пара (выше 250 °С) будет приводить к окислению углеводородов, входящих в воск, и снижению его качественных показателей.
4 Снижение массового расхода топлива с 9 до 5 кг/час ведёт к уменьшению средней температуры пара в парогенераторе со 190 до 110 °С и может быть использовано при перетопке небольших партий восковых сот в рамках в количестве до 10...15 рамок.
Список литературы
1 Бышов Н.В. Исследование процесса получения воска из воскового сырья различного качества / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, И.А. Успенский, В.В. Павлов//Вестник КрасГАУ, г. Красноярск. 2015. № 6. С. 145-149.
2 Каширин Д.Е. Энергосберегающие технологии извлечения перги из сотов специализированными средствами механизации // Диссертация доктора технических наук: 05.20.01 / им. Н.П. Огарева. Рязань, 2013. С. 26-58.
3 Максимов Н.М. Анализ оборудования для получения пчелиного воска на пасеках // Вестник Совета молодых учёных РГАТУ (им. П.А. Костычева). Рязань. 2018. № 1 (6). С. 62-66.
4 Мощный парогенератор для воскотопки. Перетопка воска на пасеке в рамочной воскотопке [Электронный ресурс]. - URL: https://youtu.be/VBmtlqUJuLO, (дата обращения 2.04.2019).
5 Бышов Д.Н. Теоретическое обоснование процесса измельчения воскового сырья/Д.Е. Каширин, В.В. Павлов, В.А. Макаров, Г.А. Борисов, A.M. Кравченко // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. 2018. №4 (40). С. 70-75.
6 Максимов Н.М. Совершенствование технологии переработки воскосырья на пасеках с использованием парогенератора // Аграрная наука в инновационном развитии АПК: материалы международного молодежного аграрного форума. Майский: Изд-во Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина, 2018. С. 148-151.
7 Максимов Н.М. Предпосылки к разработке технологии переработки воскосырья на пасеках с использованием парогенератора // Инновационное научно-образовательное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 69-ой международной научно-практической конференции. Рязань: Изд-во Рязанский государственный агротехнологи-ческий университет им. П.А. Костычева, 2018. С. 235-239.
8 Максимов Н.М. Анализ оборудования для получения пчелиного воска на пасеках // Вестник Совета мо-
лодых ученых Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. 2018. № 1 (6). С. 66-71.
9 Максимов Н.М. Повышение эффективности сушки мелкосеменных масличных культур в бункерных сушилках // Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса России: материалы Всероссийской научно-практической конференции. В 8-ми томах. Благовещенск: Изд-во Дальневосточный государственный аграрный университет, 2017. С. 47-49.
10 Максимов Н.М., Лосякова Е.В. Использование тепловизора для определения качества зимовки пчёл // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии, 2017. № 2. С. 8-12.
List of reference
1 Byshov N. V. Study of the process of obtaining wax from wax raw materials of different quality / D.N. Byshov, D.E. Kashi-rin, I.A. Uspensky, V.V. Pavlov//Herald KrasGAU, Krasnoyarsk. 2015. №6. Pp. 145-149.
2 Kashirin D.E. Energy-saving technologies of extraction of a cane from a combs specialized means of mechanization // Thesis for technical sciences: 05.20.01 / im. N.P Ogarev. Ryazan, 2013. Pp. 26-58.
3 N.M. Maximov Analysis of equipment for obtaining beeswax in apiaries / / Bulletin of the Council of Young Scientists RSATU (named after PA Kostychev). Ryazan. 2018. № 1 (6). Pp. 62-66.
4 Powerful steam generator for wax boilers. Reflowing wax on the apiary in the wax frame [Electronic resource], -URL: https://youtu.be/VBmtlqUJuLO, (appeal date 2.04.2019).
5 D. Byshov. Theoretical substantiation of the grinding process of wax raw materials / D.E. Kashirin, V.V. Pavlov, V.A. Makarov, G.A. Borisov, A.M. Kravchenko // Bulletin of the Ryazan State Agrotechnological University. PA. Kostycheva. 2018. №4(40). Pp. 70-75.
6 Maximov N.M. Improving the technology of processing wax on apiaries using a steam generator // Agrarian science in the innovative development of the agro-industrial sector: materials of the international youth agrarian forum. Maysky: Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorina, 2018. Pp. 148-151.
7 Maximov N.M. Prerequisites for the development of processing technology of waxing at apiaries using a steam generator // Innovative scientific and educational support of the agro-industrial complex: materials of the 69th international scientific-practical conference. Ryazan: Publishing House of the Ryazan State Agrotechnological University. PA. Kostycheva, 2018. Pp. 235-239.
8 Maximov N.M. Analysis of equipment for obtaining beeswax in apiaries // Bulletin of the Council of Young Scientists of the Ryazan State Agrotechnological University named after PA. Kostycheva. 2018. № 1 (6). Pp. 66-71.
9 Maximov N.M. Improving the efficiency of drying small-seeded oilseeds in bunker dryers // Problems and prospects for the development of the agro-industrial complex of Russia: materials of the All-Russian scientific-practical conference. In 8 volumes. Blagoveshchensk: Far Eastern State Agrarian University Publishing House, 2017. Pp. 47-49.
10MaksimovN.M., LosyakovaE.V. Usingathermalimager to determine the quality of wintering bees // Proceedings of the Velikolukskoy State Agricultural Academy, 2017. №2. Pp. 8-12.
