CC BY
15
Трифанов Алексей Валериевич, кандидат технических наук, заместитель директора по науке ГНУ Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии Тел. (812)476-86-02 E-mail: nii@sp.ru
The technologies ofpig's content are viewed, standard size series of small pig farms with the technological planning solutions are proposed, the characteristics of projects of small farms are given .
Keywords: technology, productivity, feed consumption, small farm, planning decisions, projects pig's farms.
УДК 637.1.02+621.311
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РЕЖИМОВ ПРОМЫВКИ МОЛОКОПРОВОДОВ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
В.В.Кирсанов, В.Ю.Матвеев
Рассмотрены новые инновационные способы промывки молокопроводов за счет применения новых режимов движения жидкости с целью интенсификации работы системы промывки.
Ключевые слова: молокопровод, режим промывки, воздушные инжекторы, промывочный трубопровод, циркуляционная промывка.
Большое внимание при проектировании молокопроводов доильных установок (особенно протяженных) уделяется режиму их промывки. Молокопровод, как правило, изготавливают из термостойкого стекла или нержавеющей стали с высокой степенью чистоты обработки внутренней поверхности. Должно быть также минимальное число стыковых соединений, поворотов и угольников. Усилившиеся в последнее время требования к качеству молока со стороны переработчиков предопределяют и совершенствование режимов промывки оборудования. Достаточно представить, что протяженность закольцованной линии молокопровода в режиме промывки на доильной установке АДМ-8А может составлять 200 и более метров, чтобы понять, насколько сложна и ответственна эта операция. При промывке молокопровода необходим «пробковый» режим движения жидкости, однако такой режим на практике сложно обеспечить, поскольку трудно заполнить трубу большого диаметра 1,5 - 2'', для этого потре-
бовался бы значительный расход воды, неизбежно повлекший за собой увеличение мощности и объема циркулирующего устройства. Поэтому на практике некоторые фирмы используют воздушные инжекторы для впуска воздуха в трубу с целью интенсификации работы системы промывки. Подобный режим применяется на доильной установке с молокопроводом фирмы «Westfalia Surge» и другие. Инжекторы устанавливаются на каждую закольцованную петлю, непосредственно в местах подсоединения промывочных трубопроводов к молокопроводам. Принципиальная схема промывки молокопровода с инжектированием воздуха может выглядеть следующим образом (рис. 1).
Рис. 1. Схема циркуляционной промывки молокопровода с инжектированием воздуха: 1 - молокопровод; 2 - молокоприемник; 3 - промывочный трубопровод;
4 - воздушный инжектор;
5 - разделительный кран
Расходы промывочной жидкости от доильных аппаратов q1... qn поступают по промывочному молокопроводу 3 и далее в молокопровод 1, проходя по нему и возвращаясь через второй вход в молокоприемник 2. При этом первый вход молокоприемника изолирован через кран 5 от трубопровода 3. По мере наполнения молокопровода 1 промывочной жидкостью, в него инжектируют определенный расход воздуха Qв, за счет чего в трубе создается пробковый режим движения промывочной жидкости. Очевидно, чем больше расход воды Qм, тем больше коэффициент наполнения трубы «а» и тем меньше расход воздуха через инжектор. Однако, расход жидкости Qм должен быть меньше расхода насоса молокоприемника Qp.
п
< Qp (1)
1=1
При прохождении воздуха с большей, чем молоко скоростью на поверхности раздела фаз возникают ветровые волны. Рассмотрим условие, при котором волна достигает верхней части трубы и волновой режим переходит в пробко-
вый (рис. 2).
Рис. 2. Схема перехода волнового режима в пробковый
Предположим, что условие распространение волны отвечает требованию: Н > 0,5 ^
где Н - статистический уровень молока в трубе, м;
Х - длина волны, м. В соответствии с теорией Герстнера, скорость распространения трохои-дальной волны выражается:
с = V ч Х / 2п (3)
Откуда можно определить длину волны:
Хв = 2п с2 / в (4)
Скорость распространения волны с небольшим допущением можно принять равной относительной скорости воздуха на поверхности раздела фаз воздух - молоко.
vв = vП - vП (5)
у отн у в у ж
где VВTH - средняя скорость потока воздуха относительно потока жидкости, м/с;
VП - скорость промывочной жидкости на поверхности раздела фаз, м/с; VBП - скорость воздуха на поверхности раздела фаз, м/с. С учетом данного выражения скорость распространения волны определится так:
с = лвр у'отн (6)
где тВрм - коэффициент трения воздуха о молоко или промывочную жидкость на границе раздела фаз.
С учетом выражения (5) окончательно запишем: с = тВРм К - VЖ) (7)
Подставляя последнее выражение в (4), получаем:
0„/„„В/М\2/т г п т/-п\2
я = 2<Лвр ) (Ув - ^) (8)
в &
Примем Н = 0,5 ХВ, тогда из рисунка 2 высота волны может определиться
так:
ь = - н (9)
или с учетом выражения (8) данное выражение перепишем следующим образом:
„/В/М\2Пг п т/-п\2
ь = ём - к(лТР ) {Vв - ^ ) (10)
Скорость движения жидкости на поверхности раздела фаз, предшествующая волновому режиму, можно определить с учетом выражений:
Ум = N0,3 (11)
п 4
Ом = Мо,з ^ (^ )1/64^МТТ4 4п 4
где Ум, - соответственно величины скорости и расхода в трубе; п - коэффициент шероховатости трубы (п - 0,013);
N0^, M0,3 - модули скорости и расхода при а = 0,3; dм - диаметр молокопровода; i - величина гидравлического уклона.
Скорость движения жидкости на поверхности раздела фаз, можно определить также с учетом известной эпюры скоростей:
УЖ = 2 Vж.сp (12)
Учитывая выражение (11) окончательно запишем:
УЖ = 2 N ^У'ОДМ^ (13)
п 4
где УП - скорость движения жидкости на поверхности раздела фаз, м/с; N - модуль скорости при коэффициенте наполнения трубы а = Н / dм. Решая уравнение (5) относительно УЩ получим:
УВП = + 2Ка -^Г^74 (14)
щр л п 4
Поскольку h = dм - ^ и H = a dм, то h = dм (1 - а) (15)
Подставляя значение высоты волны h в уравнение для У'А окончательно будем иметь:
УВП = 4^^ + 2ыа (15)
щР л п 4
Полагая с небольшим допущением эпюру распределения скоростей потока воздуха параболической по живому сечению, определим среднюю скорость потока воздуха:
Vв.сp = 1,5 УВП (16)
Тогда расход воздуха Qв можно определить следующим образом: Qв = 1,5 Увп ®в (17)
где юв - площадь живого сечения воздушного потока газожидкостной смеси.
Учитывая, приблизительно, что юж = а юп, получим:
®в = ®п (1 - а) = ^^ ~ а) (18)
Подставляя последнее выражение в формулу (17), последняя будет иметь окончательно следующий вид:
Qв =
1,5 д/^м 1(^му/б
1ВВМ л ап~ 4' \ 4
Л¿(1 - а)
(19)
Данное выражение представляет собой расход воздуха через инжектор.
Заслуживает также внимания другой способ промывки молокопровода с предварительной аккумуляцией промывочной жидкости в емкости, расположенной между промывочным трубопроводом и молокоприемником (рис. 3)
4
Рис. 3. Схема циркуляционной промывки молокопровода с предварительной аккумуляцией промывочной жидкости: 1 - молокопровод; 2 - молокоприемник; 3 -промывочный трубопровод, 4 - бак; 5, 6 -управляемые вентили; 7 - разделительный кран; 8 - блок управления; 9 - шланг.
Схема работает следующим образом: жидкость под вакуумом засасывается доильными аппаратами (ч1_чп) из устройства промывки в промывочный трубопровод 3 и далее поступает в резервуар 4, который подключен к вакууму через управляемый вентиль 6, при этом нижний вентиль 5 закрыт. По мере заполнения резервуара на величину Ур срабатывает верхний датчик уровня, при этом клапан 6 закрывается, а клапан 5 открывается и жидкость с большой скоростью начинает поступать в молокопровод. Поскольку разделительный кран закрыт, то основной поток уходит в закольцованный молокопровод, а меньший (около 5%) поступает по шлангу 9 через ближайший молокопровод в молоко-приемник 2. Как только уровень жидкости упадет в резервуаре 4 до нижнего уровня, клапан 5 закрывается, а клапан 6 открывается. В баке 4 вновь создается разряжение, и жидкость с высокой интенсивностью засасывается в него. По мо-локопроводу жидкость движется в напорном режиме с высокой скоростью при полностью заполненном сечении трубы. При этом регулируемый объем жидкости в баке Ур должен быть примерно равен объему молокоприемника Ур, для
того, чтобы последний не переполнился, поскольку мгновенный расход жидкости в молокопроводе Омж будет значительно больше расхода молочного насоса молокоприемника 2. Суммарный расход жидкости пр в промывочном трубопроводе 3 будет определяться суммой мгновенных расходов, поступающих через «п» доильных аппаратов.
Ож пр = X = п чда (20)
где чда - расход жидкости через один доильный аппарат.
Тогда продолжительность заполнения бака 4 ,можно определить из выражения:
V1 V1
г6 = -*- = (21)
щ да
Продолжительность опорожнения выразится аналогично:
V1
г6 = —^ (22)
оп ^ср V /
жм
где Осрм - средний расход жидкости, поступающий из бака в молокопро-
вод.
Поступающий в систему объем жидкости из бака Ур займет определенный отрезок молокопровода длинной 1п:
у, = жХ (23)
р 4 у 7
где dм - диаметр молокопровода, м.
Одновременно данный отрезок является длиной промывочной «пробки», проходящей по молокопроводу. Зная общую протяженность закольцованного молокопровода Lм и скорость прохождения пробки по трубе уут, можно определить продолжительность его прохождения
tПр т^ уст (24)
у жм
где УУСт - скорость пробки при установившемся движении, м/с.
Следует отметить, что в процессе движения пробки, она будет постепенно разрушаться, растекаясь по трубе вследствие сил трения. Однако, если ее длина совместима с длиной молокопровода, то при относительно высокой скорости движения пробковая структура может сохраниться до входа в молоко-приемник, обеспечивая эффективный режим промывки. Таким образом, суммарная продолжительность цикла опорожнения и прохождения промывочной пробки по молокопроводу будет определяться из выражения:
^р = О +1 пр = —С— + —— (25)
жм жм
Полагая, что в процессе опорожнения объема У'р скорость жидкости в трубе линейно возрастает от 0 до Утх = уут при установившемся движении, то значение скорости заполнения участка трубопровода будут равно:
тт-уст
Уср = жм (26)
жм ^
Зная среднюю скорость заполнения трубопровода, можно определить О!
0ср = ж МужМ (27)
а—- жм ^ V У
Подставляя последнее выражение в (25) получим: Ц = + — (28)
р Ж2 Оср Ууст
м^ жм жм
Как известно, эффективность промывки молокопровода зависит от скорости движения жидкости, а значит и от числа Рейнольдса.
При Re > 2320 режим течения жидкости будет турбулентным, откуда:
у п = 2320Х (29)
жм 1 V у
м
где УПМ - пограничная скорость движения жидкости, соответствующая числу Рейнольдса Re = 2320.
Если скорость прохождения пробки будет меньше УПМ - пограничного значения скорости, то длину пробки 1п необходимо уменьшить. Пренебрегая «потерей» массы пробки на горизонтальном участке трубопровода, потери напора при движении определяются из выражения:
(30)
к, =
где Ар - перепад давлений, действующий на пробку, кПа. Поскольку
Ар = Р - Р , то
^т атм вак 5
Р - Р
_ атм_вак
7
(31)
С другой стороны потери напора в молокопроводе складываются из потерь по длине и местных потерь/ С учетом ранее полученных выражений можно записать:
1 V2 V2 V2 1 К = 71 ^ + ^ = ^ + (4 + )
(32)
2g ~ 2о 2о
где - коэффициент местного сопротивления (отвод 90°); п - количество поворотов трубопроводов на 90°; ¥пр - скорость прохождения пробки, м/с.
Для квадратичной области сопротивления, которая имеет место при пробковом режиме промывки (Упр > Угрв = 3,12 м/с) коэффициент Дарси будет равен [278К]:
0,082 (33)
„ =
(^м \ 2/9
41
где 1 - высота выступов шероховатости, мкм.
С учетом последнего решаем уравнение (32) относительно скорости пробки:
V =
пр
(Р - Р )2 0
V атм вак / о
2% + п%мс ]
0,082/г
м
4/
(34)
Подставляя значение данного выражения в уравнение (28) вместо Vэ окончательно получим:
уст жм
(35)
7
Литература:
1. Дегтерев, Г.П. Образование загрязнений на молочном оборудовании и средства их удаления / Г.П.Дегтерев // Техника и оборудование для села.- 1999. - № 5(23). - С. 31-33.
2. Доронин, Б.А. Исследование режимов очистки доильно-молочного оборудования и совершенствование технических средств для её выполнения и контроля: дис. ... канд. техн. наук. -Ставрополь, 1982.- 184 с.
3. Брагина, А.Е. Исследование циркуляционной мойки сложных молокопроводов на животноводческих фермах и молокозаводах: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 1972. - 21с.
4. Кирсанов, В.В. Структурно-технологическое обоснование эффективного построения и функционирования доильного оборудования: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2001. - 470 с.
5. Мамедова, Р.А. Интенсификация циркуляционной промывки доильных установок: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2008. - 163 с.
Кирсанов Владимир Вячеславович, доктор технических наук, ученый секретарь отделения
механизации, электрификации и автоматизации Россельхозакадемии
Тел. (499)1247931
E-mail: youri@pochta.ru
Матвеев Владимир Юрьевич, аспирант
Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина Тел. 8(499) 9772365 E-mail: prkom@msau.ru
Considers new and innovative ways of cleaning the milk through the use of new modes offluid motion to intensification-tion of the washing system. Keywords: milk line, cleaning mode, the air injectors, washing line, washing the circulation.
