CC BY
21
УДК 621.521
Технико-экономическое обоснование применения
жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с автоматическим регулируемым нагнетательным окном при транспортировании сыпучих растительных материалов
The feasibility statement on use of the liquid ring vacuum pump with automatically regulated delivery window in case of transportation of bulk solids
Профессор Ю.В. Родионов, аспирант П.С. Платицин,
(Тамбовский государственный технический университет) кафедра технической механики и деталей маши, тел. 8-920-478-04-91 E-mail: rodionow.u.w(ö;rambler.ru
доцент Е.С. Вдовина, (Тамбовский государственный технический университет) кафедра экономики
преподаватель Д.А. Чернецов (Колледж техники и технологии наземного транспорта им. М.С. Солнцева) тел. 8-910-851-20-89 E-mail: black777780(£tnail.ru
Professor Yu.V. Rodionov, Graduate Student P.S. Platitsin, (Tambov state technical university) chair technical mechanics and details of machines, tel. 8-920-478-04-91 E-mail: [email protected]
Associate Professor E.S. Vdovina,
(Tambov state technical university) chair economy
Teacher D.A. Chernetsov (College of equipment and technology of the land transport of M.S. Solntsev) tel. 8-910-851-20-89 E-mail: black7777SOtomail.ru
Реферат. В агропромышленном комплексе производится большое количество разнообразных сыпучих растительных материалов: зерновые культуры, травы, используемые в медицине, дрожжи и т.д., которые необходимо транспортировать к месту переработки, хранения и реализации на большие расстояния. Для транспортирования различных, в том числе и сыпучих материалов, во многих случаях используется пневмотранспорт. При использовании пневмотранспорта затраты энергии большие, производительность труда низкая, сохранение качества продукта (сухие растительные материалы), безопасность работы (взрывы) и экологичность (запыленность окружающей среды) не гарантируется. Поэтому перспективным является вакуумное транспортирование сыпучих материалов. Описано устройство и основные принципы работы жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с автоматическим регулированием размера нагнетательного окна. Приведены преимущества разработанного насоса и указан его основной недостаток, который заключается в потребности жидкости, ограничивающей мобильность. Приведен алгоритм выбора насоса для транспортирования сыпучих материалов по требуемой производительности на заданное расстояние. Проведены сравнительные испытания разработанного жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с автоматическим регулируемым размером нагнетательного окна и промышленного вакуумного насоса одинаковой производительности, результаты которых показали эффективность применения первого. Затраты удельной мощности при одинаковой производительности на 15-20 % ниже. Экономический расчет показал, что эффективность применения разработанного насоса в технологическом процессе вакуумного транспортирования сыпучих пищевых продуктов положительная: более высокая себестоимость насоса значительно влияет на экономию энергии за счет использования автоматического регулирования нагнетательного окна. Поэтому разработанный насос рекомендуется использовать для транспортировки сыпучих пищевых продуктов на крупных перерабатывающих предприятиях агропромышленного комплекса.
© Родионов Ю.В., Платицин П.С., Вдовина Е.С., Чернецов Д.А., 2017
Summary. In agro-industrial complex a large amount of various loose plant materials is made: various grain crops, herbs used in medicine, yeast, etc. which need to be transported to the place of conversion, storage and implementation on long distances. For transportation various including bulk solids, in many cases pneumotransport is used. When using pneumotransport of costs of energy big, low production, preserving product quality (dry plant materials), safety of work (explosions) and ecological compatibility (dust content of environment) is not guaranteed. Therefore vacuum transportation of bulk solids is perspective. In article the device and the basic principles of operation of the liquid ring vacuum pump with automatic control of the size of a delivery window and installation for transportation of loose foodstuff on the basis of the created depression is described. Benefits of the developed pump are given and its main shortcoming which consists in requirement of the liquid limiting mobility is specified. The algorithm of the choice of the pump for transportation of bulk solids on required performance on the set distance is given. Comparative testing of the developed liquid ring vacuum pump with automatically regulated size of a delivery window with the industrial vacuum pump of identical performance which results have shown efficiency of its application are carried out. Costs of specific capacity with an identical productivity are 15-20 % lower. Economic calculation has shown that efficiency of use of the developed pump in engineering procedure of vacuum transportation of loose foodstuff positive: higher cost value of the pump considerably influences economy of energy, due to use of automatic control of a delivery window. Therefore developed pumps are recommended to be used for transportation of loose foodstuff on the large overworking enterprises of agro-industrial complex.
Ключевые слова: сельскохозяйственная продукция, транспортирование, жидкостно-кольцевой вакуумный насос, вакуум.
Keywords: agricultural products, transportation, liquid ring vacuum pump, vacuum.
Агропромышленный комплекс (АПК) объединяет все отрасли хозяйства, которые принимают участие в производстве сельскохозяйственной продукции, ее переработке и доведении до потребителя. Значение АПК заключается в обеспечении страны продовольствием и другими потребительскими товарами, поэтому сфера переработки, транспортирования, хранения и реализации пищевых продуктов является приоритетной. Необходимость транспортирования сыпучих растительных материалов (различные зерновые культуры, травы, используемые в медицине, дрожжи и т.д.) к месту переработки, хранения и реализации на большие расстояния способствует перспективному развитию транспорта, при этом решая задачи: повышения производительности труда, снижения энергетических затрат, сохранения качества продукта, повышения безопасности и экологичности технологического процесса. Решение этих задач возможно при внедрении пневматического транспорта. Установки для пневматического перемещения пищевых продуктов делятся на пневмотранспорт, где перемещение сыпучих растительных материалов осуществляется за счет избыточного давления воздуха, и вакуум-транспорт - за счет создаваемого разрежения.
Транспорт вакуумом в сравнении с избыточным давлением позволяет: снизить взрывоопасность перемещения пищевых продуктов за счет исключения наличия кислорода в транспортирующей линии; транспортировать материалы из нескольких мест одновременно; снизить повреждение транспортируемого материала; сохранить качество продукта; повысить экологичность (снизить запыленность окружающей среды) и производительность труда.
Для создания вакуума в транспортной линии используются станции с жид-костно-кольцевыми вакуумными насосами (рис. 1).
1 \ ы;
Рис. 1. Насосная станция на базе ВВН-0,75: 1 - электродвигатель; 2 - ВВН- 0,75
Наряду с преимуществами применение вакуумных насосов имеет основной недостаток - высокие затраты энергии. На кафедре ТМ и ДМ ТГТУ разработан и испытан жидкостно-кольцевой вакуумный насос ЖВН-0,75 РО с автоматическим ре1улированием нагнетательного окна [1]. Основное отличие разработанного насоса от стандартизованного ВВН-0,75 состоит в том, что в нагнетательном окне имеется поршень, который перемещается при работе, тем самым изменяя положение и размер нагнетательного окна (рис. 2).
В начальный момент времени работы, когда давление разрежения равно О (рР= 0) поршень задвинут, и площадь поперечного сечения максимальная, что позволяет интенсифицировать процесс уноса газовой фазы через нагнетательное окно и повысить производительность (быстроту действия) вакуумного насоса. При постепенном повышении давления разрежения поршень выдвигается, и площадь нагнетательного окна уменьшается.
Рис. 2. Вакуумная насосная станция на базе ЖВН-0,75 РО: 1 - электродвигатель; 2 - воздушный трубопровод; 3 - пусковой кран; 4 - система автоматического регулирования размера нагнетательного окна; 5 - ЖВН-0,75 РО
При достижении максимального разрежения в системе поршень максимально выдвинут и занимает такое положение, что площадь поперечного сечения нагнетательного окна минимальна, тем самым увеличивая сопротивление газовому потоку, исключающее обратный проскок газовой фазы. За счет применения автоматического регулирования нагнетательного окна ЖВН-0,75 РО позволяет достигать более глубокого разрежения в системе при общем увеличении производительности и снижении эффективной мощности, что повышает энергоэффективность и спектр применения этого вакуумного насоса в технологических процессах АПК [2].
Существенным недостатком ЖВН-0,75 РО остается энергозависимость и ограничение по мобильности. Насос потребляет 2 л рабочей жидкости в минуту, что ограничивает его использование в местах, где отсутствует доступ к воде [3]. Для создания мобильных вакуумных установок прибегают:
- к рециркуляции рабочей жидкости, но при этом возникают трудности с ее охлаждением;
- применению более дорогостоящих масел, температура кипения которых превышает 200 °С.
В зависимости от гидромеханических характеристик материадовоздушной смеси вакуумная транспортная система делится на участки [4]:
- зона всасывания, где происходит отрыв сыпучего пищевого продукта и равноускоренное движение от состояния покоя vo = 0 до некоторого установившегося fki = const. Длина разгонного участка зависит от аэродинамических, физико-механических, химико-биологических свойств частиц сыпучего пищевого продукта, а также от кинематических и динамических характеристик воздушного потока и от физико-механических свойств поверхности транспортного трубопровода и способа организации подачи;
2 3 4
5
- участок квазиустановившегося режима течения материала, представляющий систему из вертикальных, горизонтальных и наклонных транспортных трубопроводов, где среднюю скорость движения материаловоздушной смеси для вакуумной системы считаем условно-постоянной (fki = const);
- участок торможения (осаждения) сыпучего растительного материала, включающий оборудование: циклон, бункер, пылеуловитель, пылесборник, фильтр;
- участок перемещения воздушной смеси, который является соединительным трубопроводом между вакуум-создающей системой и последним технологическим оборудованием.
Вакуумная транспортная установка (рис. 3) состоит из следующих элементов: транспортного трубопровода 3, воздушного трубопровода 7, технологического оборудования, содержащего циклон б, пылеуловителя 8, вакуум -создающей системы, включающей в себя жидкостно-кольцевой вакуумный насос 11, и пускового крана 10, который необходим для правильного запуска насоса и изменения подачи воздушной фазы. Забор перемещаемого сыпучего растительного материала в транспортный трубопровод осуществляется из бункера 1 через пневмовинтовой питатель 2.
7
Ж'Фижение боэёуше
Рис. 3. Принципиальная схема вакуумной транспортной установки: 1 - заборный бункер; 2 - пневмовинтовой питатель; 3 - транспортный трубопровод; 4 - сборный бункер; 5 - затвор; 6 - циклон; 7 - воздушный трубопровода; 8 - пылеуловитель; 9 - пылесборник; 10 - пусковой кран; 11 - жидкостно-кольцевой вакуумный насос
В зависимости от поставленной задачи вакуумная транспортная установка комплектуется сборным бункером 4 и пылесборником 9. При работе вакуумной транспортной установки сыпучий растительный материал поступает в транспортный трубопровод 3 и по нему перемещается в виде материаловоздушной смеси в циклон 6, где происходит осаждение транспортируемого сыпучего материала, а воздух через пылеуловитель 8 отсасывается жидкостно-кольцевым вакуумным насосом 13 и уходит в атмосферу. Для предотвращения подсосов воздуха через нижнюю часть циклона 6 и пылесборника 9 под ними устанавливают автоматические клапаны-мигалки, которые открываются после остановки вакуумного насоса 11 и снятия разрежения в системе.
Для подбора вакуумного насоса необходимо рассчитать расход воздуха ()в, который требуется для стабильного перемещения сыпучего материала [5]:
0 _ м '-у
■—II
2-Ро
где Ом - производительность установки по растительному сыпучему материалу, кг / с; ро- начальное давление воздуха на входе в транспортный трубопровод, ро = раим , кПа; - средняя (;2 скорость материала в системе, м/с. По значению расхода воздуха выбирается '" ЖВН по действительной быстроте действия (производительности) при давлении ро = 0, кПа:
<2. = 5«
где Бд - действительная быстрота действия (производительность) ЖВН, м3/с.
Для определения режима работы насоса требуется знать длину транспортных и воздушных трубопроводов для определения потерь давления. Общие потери давления Др определяются по формуле
^Р = &Ртт + АРвт
АРти\- — _ АРтт
где - потери давления в технологическом оборудовании, кПа; - потери
Арнт
в транспортном трубопроводе, кПа; - потери давления в воздушном трубо-
проводе, кПа.
Давление всасывания р перед вакуумным насосом равно
Р^РО-ЛР
Затем проводится проверка расхода воздуха в конце воздушного трубопровода и сравнивается с технико-эксплуатационными характеристиками выбранного вакуумного насоса.
С,,-и2 0„ = —^<8ф(р)
2-р
где 8ф(р) - фактическая быстрота действия (производительность) при полученном давлении всасывания, м3/с.
При испытании разработанного ЖВН с автоматическим регулируемым нагнетательным окном было проведено сравнение с промышленным вакуумным насосом (таблица).
Таблица
Сравнительная техническая характеристика вакуумных насосов
Показатель ВВН-0,75 ЖВН-0,75 РО
Номинальная производительность, м3/ ч (м3/мин) 45 (0,75) 45 (0,75)
Расход воды, дм3/мин, не более 3 2
Электродвигатель 4А80В2УЗ 4А80А2УЗ
Мощность, кВт 2,2 1,5
Синхронная частота вращения, мин 1 1500 3000
Напряжение, В 220/380 220/380
Мощность, затрачиваемая на процесс вакуумирования, кВт, не более 2,0 при давлении разрежения 80 кПа 1,4 при давлении разрежения 90 кПа
Тип вакуумного насоса Консольный Двухопорный
Окончание таблицы
Показатель ВВН-0,75 ЖВН-0,75 РО
Место подачи рабочей жидкости В зону всасывания В область образова-
ния жидкостного
кольца
Размеры, мм:
длина 815 620
высота 332 240
ширина 315 290
Масса, кг, не более 82 60
Цена, р. 24 000 30 000
Из таблицы видно, что при одинаковой производительности насосов разработанный ЖВН требует меньше мощности на 0,6 кВт для процесса вакуумирования, при этом создает разрежение на 10 кПа больше. ЖВН-0,75 РО имеет меньшие габаритные размеры и массу.
За счет установки автоматического управления для регулирования размера нагнетательного окна стоимость насоса больше на 6 ООО р.
При выполнении испытаний в качестве транспортируемого продукта использовали пшеничную муку плотностью 600 кг/м3. Перемещение вакуумными насосами осуществляли на расстояние 150 м по трубопроводу. Условия выполнения испытаний для насосов одинаковые. При проведении опытов начинали выполнять замеры при большем давлении всасывания и через каждые 5 кПа в сторону уменьшения разреже- ния (рис. 4).
$ 1« 25 »5 4« 55 65
рР, кПч
Рис. 4. Зависимость удельной мощности от давления разрежения для ВВН-0,75 и ЖВН-0,75 РО
Использование в качестве всасывающей машины ЖВН с автоматическим регулируемым окном ЖВН-0,75 РО, разработанного и испытанного на кафедре ТМ и ДМ ТГТУ [1, 3] позволяет не только унифицировать установку вакуумного транспорта, но и снизить на 15-20 % энергетические затраты организации транспортирования различных сыпучих растительных материалов рассчитываемой группы при различных давлениях разрежения (рис. 4).
Прямой экономический эффект внедрения жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с автоматическим регулируемым нагнетательным окном вместо промышленного вакуумного насоса складывается за счет снижения потребления электроэнергии, что приводит к сокращению затрат.
Затраты на электроэнергию в случае использования вакуумного насоса для транспортирования сыпучих пищевых продуктов целесообразно определять по удельной мощности, так как для каждой разновидности пищевого продукта разной плотности и размера давление всасывания будет отличаться, поэтому для сохранения производительности (быстродействия) насоса требуемая мощность будет меняться.
<йици"""т У IBTAJDU
При проведении испытаний разработанного насоса был проведен расчет удельных затрат на электроэнергию при транспортировании пшеничной муки на расстояние 150 м по формуле:
"уд 60
где Nyd - удельная мощность насоса, кВт-мин/м3; Т - тариф за электроэнергию, руб/кВт-ч . Принимаем Т=6,5 руб/кВт-ч ; 60 - коэффициент перевода минут в часы.
Для промышленного насоса ВВН-0,75 удельные затраты составили 0,249 руб/м3, а для разработанного ЖВН-0,75 РО -0,13 руб/м3.
Удельный экономический эффект, показывающий сколько рублей сэкономят при перемещении 1 м3 пшеничной муки на расстояние 150 м при использовании вакуумного насоса с автоматическим регулируемым нагнетательным окном, составит:
Г\ _ оББН-0,75 _ oJOtH-OJ5PO уд _ JVO Ji»
?
Эуд = 0,249 - ОДЗ = ОД 19 • руб/м;
Зная удельную, экономию можно определить эффект, получаемый в результате транспортирования любого объема сыпучего пищевого продукта. Так, для нашего случая при работе насоса 15 ч и перемещении 675 м3 пшеничной муки экономический эффект составит 80,33 р./сут.
Применительно к массовому производству рассмотрим мукомольный завод по выпуску пшеничной муки плотностью 600 кг/м3, производительностью 450 т/сут, работающий круглый год. Для транспортирования данного объема продукции от мельницы на склад, расстояние между которыми 150 м, достаточно разработанного жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с автоматическим регулируемым нагнетательным окном.
Годовой экономический эффект внедрения ЖВН-0,75 РО будет равен
О-Др-Ю3
эг = э • ———-
>Д р
I
где Q - суточная производительность завода, т/сут; Др - количество рабочих дней в году, дн/год; р - плотность перемещаемого продукта, кг/м3 .
Эг=0,199.450-365-10' =32576,25 р./г.
г 600
Расчет срока окупаемости проводим методом выбора насоса. Так как ЖВН-0,75 РО экономит затраты по сравнению с ВВН-0,75 и инвестиции будут изменяться только по стоимости закупки насоса, то в качестве капитальных вложений рассматриваем разницу в их стоимости, которая составляет 6 000 р.
Тогда
= КВ_
ок „
Jp
)
6000
= г-|2мес-'-
Таким образом, годовой эффект и срок окупаемости позволяют сделать вывод о целесообразности применения ЖВН-0,75 РО.
Таким образом, годовой эффект и срок окупаемости позволяют сделать вывод о целесообразности применения ЖВН-0,75 РО.
На основании вышесказанного можно сделать выводы.
1. Перспективным направлением в транспортировке пищевых продуктов на предприятиях АПК является совершенствование вакуумного транспорта.
2. Транспортировка сыпучих пищевых продуктов вакуумными насосами с автоматическим регулируемым нагнетательным окном позволяет сократить затраты энергии, повысить производительность, сохранить качество перемещаемого продукта, обеспечивает взрывобезопасность, экологичность и возможность применения для материалов различной плотности и размеров (универсализация).
3. Анализ результатов испытаний показал, что использование ЖВН-0,75 РО позволяет снизить затраты энергии на 15-20 % за счет чего прослеживается положительный экономический эффект, который составил 0,119 р. с 1 м3 перемещенного материала. Применительно к мукомольному заводу производительностью 450 т/сут годовой экономический эффект составит 32 576,25 р. при сроке окупаемости 2 мес.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 2303166 РФ. Жидкостно-кольцевая машина с автоматическим регулированием проходного сечения нагнетательного окна / Волков А.В., Воробьев Ю.В., Никитин Д.В.- 2007.
2. Родионов, Ю.В. Система управления жидкостнокольцевым вакуум-насосом с автоматическим регулированием проходного сечения нагнетательного окна [Текст] / Ю.В. Родионов, И.А. Елизаров, Д.В. Никитин // Сб. материалов 4-й Меж-дунар. науч.-практ. конф. «Прогрессивные технологии развития». - Тамбов, 2007. -С. 118-121.
3. Родионов, Ю.В. Регламентация расхода дополнительной жидкости в ЖВН с автоматическим регулированием размера нагнетательного окна [Текст] / Ю.В. Родионов // Материале за 8-а Междунар. науч.-практ. конф. «Динамиката на съвре-менната наука»,- Т. 13,- Технологии. - София, 2012. - С. 18-21.
4. Вишня, Б.Л. Пневмотранспорт. Расчёты, схемы, оборудование [Текст] / Б.Л. Вишня, Б.С. Дроздов, В.Т. Стефаненко.- Екатеринбург, 2010. - 31 с.
5. Плаксин, Ю.М. Процессы и аппараты пищевых производств [Текст] / Ю.М. Плаксин, Н.Н. Малахов, В.А. Ларин. - М.: Колос, 2009. - 760 с.
REFERENCES
1. Volkov A.V., Vorob'ev Yu.V., Nikitin D.V. i dr. Zhidkostno-kol'tsevaya mashina s avtomaticheskim regulirovaniem prokhodnogo secheniya nagnetatel'nogo okna [The liquid ring car with automatic control of the section through passage of a delivery window], Patent RF № 2303166, 2007 (Russian).
2. Rodionov Yu.V. Sistema upravleniya zhidkostnokol'tsevym vakuum-nasosom s avtomaticheskim regulirovaniem prokhodnogo secheniya nagnetatel'nogo okna [Control system of the liquid ring vacuum pump with automatic control of the section through passage of a delivery window] Progressivnye tekhnologii razvitiya: sb. materialov 4-y Mezhdunar. nauch. prakt. konf., 2007, pp. 118-121 (Russian).
3. Rodionov Yu.V. Reglamentatsiya raskhoda dopolnitel'noy zhidkosti v ZhVN s avtomaticheskim regulirovaniem razmera nagnetatel'nogo okna [Regulation of a consumption of additional liquid in ZhVN with automatic control of the size of a delivery window] Dinamikata na s"vremennata nauka. T. 13. Tekhnologii: Materiali za 8-a mezhdunar. nauch. prakt. konf., 2012, pp. 18-21 (Bulgaria).
4. Vishnya B.L., Drozdov B.S., Stefanenko V.T. Pnevmotransport. Raschety, skhe-my, oborudovanie [Pneumotransport. Calculations, schemes, equipment], Ekaterinburg, 2010, 31 pp (Russian).
5. Plaksin Yu.M., Malakhov N.N., Larin V.A. Protsessy i apparaty pishchevykh proizvodstv [Processes and devices of food productions], Moscow, 2009, 760 pp (Russian).
