Теоретическое обоснование работы воскотопки-центрифуги Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2023. - N 4. -С. 35-44. - ISSN 2308-8583.

Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2023;(4):35-44. ISSN 2308-8583.

Научная статья УДК 638.171.3 EDN: OEDUDQ

Теоретическое обоснование работы воскотопки-центрифуги

Николай Михайлович Максимов

Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Псковская область, Великие Луки, Россия, max@vgsa.ru

Аннотация. В статье представлены результаты теоретического обоснования работы воскотопки-центрифуги, предназначенной для отжима воска из пасечного воскосырья. Актуальность проводимых исследований базируется на совершенствовании процесса вытопки воска, путём разработки и испытаний новых машин и оборудования для переработки пасечного воскосырья. В качестве объекта исследований выступает воскотопка-центрифуга, задача которой заключается в отжиме воска из пасечной мервы, остающейся после перетопки тёмных сотов. Приводятся схема и общий вид предлагаемой воскотопки-центрифуги с описанием её отдельных узлов. Теоретическое изучение процесса отжима воска из пасечной мервы предусматривало рассмотрение сил, действующих на восковое сырьё внутри вращающегося барабана воскотопки-центрифуги. Представлена схема воскотопки-центрифуги с обозначением действующих сил и нанесением в схеме её конструктивных параметров. Приведены расчётные формулы сил, действующих на восковое сырьё. В ходе анализа установлено, что процесс выделения воска из мервы возможен при условии преодоления им сил вязкого трения и силы тяжести. Таким образом, сила извлечения воска из мервы должна быть больше суммы сил, удерживающих воск в мерве. Представленный мощностной баланс электропривода воскотопки-центрифуги при отжиме воска из воскосырья наглядно показывает, как расходуется мощность при её работе. Расход энергии для представленной воскотопки-центрифуги, работающей в периодическом режиме, можно рассчитать отдельно для пускового и основного (рабочего) режимов. Дан анализ полученных уравнений, описывающих затраты мощности на привод воскотопки-центрифуги. Энергозатраты при отжиме воска из мервы возможно уменьшить за счёт уменьшения силы трения в подшипниках, а также организовать подачу пара в центрифугу по касательной, в направлении вращения барабана.

Ключевые слова: воск пасечный, перетопка воска, воскотопка, воскосырьё, центрифуга, пчеловодство, автоматизация пчеловодства

Для цитирования: Максимов Н. М. Теоретическое обоснование работы воскотопки-центрифуги // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. -2023. - N 4. - С. 35-44. - https://elibrary.ru/oedudq.

© Максимов Н. М., 2023

Original article

Theoretical Grounds for Wax Melting Centrifuge Operation

Nikolay M. Maximov

State Agricultural Academy of Velikie Luki, Pskov region, Velikie Luki, Russia, max@vgsa.ru

Abstract. The article presents the theoretical grounds for the operation of a wax centrifuge designed to squeeze wax from waxkeeping frames. The relevance of the research is based on the improvement of the wax melting process through the development and testing of new machines and equipment for processing beeswax. The object of research is a wax centrifuge, the task of which is to squeeze wax from the apiary merv remaining after re-digging of dark honeycombs. The diagram and general view of the proposed wax centrifuge with the description of its individual components are given. The theoretical study of extracting wax from the apiary merv presupposed the consideration of the forces acting on the wax raw material inside the rotating drum of the wax centrifuge. A diagram of a wax centrifuge is presented pointing the acting forces and the indication of design parameters. The formulas of the forces acting on wax raw material are given. During the analysis, it was found that the process of separating wax from merv is only possible if it overcomes the viscous friction and gravity forces. Thus, the force of extracting wax from the merv should be greater than the sum of the forces holding the wax in the merv. The presented here power balance of the wax centrifuge electric drive, when pressing wax from wax raw materials, clearly shows how power is consumed during its operation. The energy consumption of the presented wax centrifuge operating in a periodic mode can be calculated separately for the starting and main (working) modes. The analysis of the equations obtained which describe the power consumption of the centrifuge burner drive is presented. Energy consumption during the wax extraction from the merv can be reduced by reducing the friction force in the bearings, as well as organizing the supply of steam to the centrifuge tangentially in the direction of the drum rotation.

Keywords: apiary wax, wax refining, wax grinder, wax raw material, centrifuge, waxkeep-ing frames, automation of beekeeping

For citation: Maksimov N. M. Theoretical Grounds for Wax Melting Centrifuge Operation. Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2023;(4):35-44. (In Russ.). https://elibrary.ru/oedudq.

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 и многих других. Несмотря на свою востребованность, до 80% получаемого пасечного воска используется для производства вощины [1, 2].

Одним из основных путей увеличения производства воска на пасеках является снижение его потерь за счёт внедрения эффективных и высокопроизводительных агрегатов [2-4]. К числу таких агрегатов следует отнести разработанную пасечную воскотопку-центрифугу [5]. В таком агрегате разогрев воско-

сырья осуществляется за счёт тепловой энергии водяного пара. Источником пара может служить парогенератор по разработанной конструкции [2]. 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 необходимо организовывать самостоятельное извлечение воска из этого воскосырья.

Целью настоящего исследования является теоретическое обоснование работы воскотопки-центрифуги при перетопке пасечного воскосырья.

Материалы и методы

Теоретические исследования опирались на данные, полученные на частной пасеке, расположенной в Бежаницком районе Псковской области в ходе испытаний опытного образца воскотопки-центрифуги [3]. Общий вид центрифуги представлен на рисунке 1 б.

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 - Воскотопка-центрифуга для получения воска из пасечной мервы

Корпус центрифуги выполнена из нержавеющей кислотоупорной стали (рисунок 1 а). Внутри корпуса 1 на подшипниках вращается барабан 2, приводимый в действие от коллекторного электродвигателя 3 мощностью 300 Ватт посредством ременной передачи 4. Регулирование оборотов двигателя осуществлялось при помощи регулятора, встроенного в электрическую цепь. Корпус центрифуги 1 имеет приваренные к нему жёсткие опоры 6. Загрузка воско-сырья 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 вос-косырья извлекается жидкий воск и сливается через лоток 5 в контейнер 9 для сбора воска [2].

Работа центрифуги предусматривает технологические операции: загрузку проницаемой оболочки с пасечной мервой внутрь барабана, центрифугирование и выгрузку оболочки с отжатыми вытопками. В качестве такой проницаемой оболочки подойдёт любая ткань, выдерживающая температуру подаваемого водяного пара, сшитая по размерам барабана. В эксперименте была задействована мешковина, сшитая в два ряда. Наилучшим выбором будет использование ткани лавсановой фильтровальной, марки «ФЛ-4», которая имеет высокую механическую прочность и стойкость к высоким температурам.

Результаты и обсуждение

Проведем теоретическое обоснование процесса работы пасечной центрифуги. Схема работы центрифуги при отжиме воска из мервы показана на схеме (рисунок 2).

/?

К

м

П

С

Л

У

т

А,

ц

Мерва

и

Рисунок 2 - Схема работы воскотопки-центрифуги с пасечной мервой

При рассмотрении работы воскотопки-центрифуги сделаем допущение, что восковая масса равномерно распределяется на внутренней поверхности барабана. Уплотнением мервы во время отжима воска пренебрегаем ввиду малых оборотов барабана.

Воскотопка-центрифуга с электроприводом представляет собой механическую систему, в которой происходит отделение воска от мервы и потеря массы последней. Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить рациональные режимные параметры, обеспечивающие максимальную производительность. Опыты показывают, что выделение воска из пасечной мервы происходит при следующих значениях: температура 1 = 100 °С, п = 1000 мин-1, время отжима Т = 15 мин [3]. При указанных параметрах производительность центрифуги по воску составляет 10 кг/час.

Задержка выхода воска из мервы в процессе центрифугирования связана с удерживающей силой (силой вязкого трения) [6]. Её величина находится в функциональной зависимости от частоты вращения ротора с и температуры нагрева воска Т, находящегося в пасечной мерве.

На представленной схеме приведены силы, действующие на расплавленный воск:

- удерживающая сила (сила вязкого трения), Н;

Бц - центробежная сила, Н;

БТ - сила тяжести, обусловленная гравитационным полем, Н.

Для дальнейшего определения производительности центрифуги обозначим следующие величины:

Я - внутренний радиус барабана центрифуги, м;

г1 - внутренний радиус слоя материала, который находится

в центрифуге, м;

Ь - высота барабана, м;

Уб - объем барабана центрифуги, м ;

Ум - объем материала, который находится в центрифуге, м .

Рассмотрим каждую из задействованных сил более подробно.

Сила тяжести может быть определена из выражения [6]:

кт = тм-§' Н (1)

где тм - масса пасечной мервы, загруженной в центрифугу, кг;

# - вектор ускорения свободного падения, м/с2.

Для центробежной силы, действующей на восковую массу, будет справедливо уравнение [6]:

Кц = тм ■ ац ' Н (2)

где ац - центробежное ускорение, м/с2.

В свою очередь, центробежное ускорение может быть найдено по формуле [6]:

\а„ \ = • м

|2

кА м/с2, (3)

я

где ум - линейная скорость воска в слое мервы, м/с;

Ям - расстояние от центра вращения центрифуги до центра слоя мервы, находящегося в центрифуге, м.

Линейная скорость воска в мерве будет:

Ум =®М ' ЯМ , м/с. (4)

Угловая скорость воска в мерве может быть определена по формуле:

, рад/с, (5)

где п - число оборотов барабана, мин-1.

Подставляя известные данные в формулу (2) получаем:

К = Шм • ЯмН. (6)

Сила, удерживающая воск в мерве, будет сильно зависеть от вязкости воска и определится выражением:

Ёу = —Ум -рт, Н. (7)

Сила извлечения воска из мервы должна быть больше суммы сил, удерживающих воск в мерве. Исходя из этого условия, будет справедливо неравенство:

V

+

Рт

(8)

Объём барабана центрифуги может быть найден по формуле: Уб = я- Я2-к, м3. (9)

Объём загруженной в барабан мервы может быть записан в виде: Ум =х\Я2 — Г* )• к, мз. (10)

сельскохозяйственные науки

Расход энергии для пасечной центрифуги, работающей в периодическом режиме, можно рассчитать отдельно для пускового и основного (рабочего) режимов.

Максимальная мощность на привод центрифуги требуется в начальный период, когда преодолевается инерция массы вращающихся частей центрифуги и загруженного материала (мервы). В основном режиме работы центрифуги расход энергии будет ниже.

Полный расход энергии в центрифуге периодического действия будет складываться из следующих затрат:

1) на сообщение барабану центрифуги необходимой скорости - N¡5;

2) на сообщение кинетической энергии мерве, находящейся внутри барабана -

3) на преодоление трения в подшипниках центрифуги - N7;

4) на преодоление трения барабана о паровоздушную смесь внутри корпуса центрифуги - N3.

Работа, затрачиваемая на сообщение барабану необходимой скорости, будет определяться по формуле:

тб - г1 -С ^ ....

А = —, Дж, (11)

где тб - масса вращающихся деталей, включая барабан с мервой, кг;

г1 - внутренний радиус барабана, м;

с - угловая скорость, рад/с.

Мощность, необходимая для разгона барабана до рабочей частоты вращения, определится по формуле:

N =, кВт, (12)

Б 1000-т

где т - время разгона центрифуги, с.

По практическим данным, время разгона барабана центрифуги составляет до 1 минуты.

Работа, затрачиваемая на сообщение кинетической энергии мерве, находящейся внутри барабана, определяется формулой:

тМ (г/ + Я2

Ам = М11 4 ' , Дж, (13)

где тМ - масса загружаемой мервы, кг.

Мощность, необходимая на сообщение кинетической энергии отжимаемой мерве:

ММ =-Ам-, кВт, (14)

М 1000-т-Г!э У }

где г - время разгона центрифуги, с;

т]э - коэффициент, учитывающий снижение расхода электроэнергии на привод, за счёт уменьшения массы мервы.

Мощность, необходимая на преодоление трения в подшипниках запишется в виде:

= т• ц.<ав кВт, (15)

Т 1000

где т - масса вращающихся частей центрифуги и воскосырья, кг; о)В - окружная скорость шейки вала центрифуги, м/с;

л - коэффициент трения.

Масса вращающихся частей будет складываться из массы барабана и массы воскосырья:

т = тБ + тМ, кг. (16)

Окружная скорость на поверхности шейки вала центрифуги будет:

®в =^~тВгП, рад/с, (17)

60

где йВ - диаметр шейки, м;

п - число оборотов вала, мин-1.

Мощность, необходимая на преодоление трения барабана о паровоздушную смесь внутри корпуса центрифуги:

ЫВ = 1,38-р-Н О4 •п3, кВт, (18)

где р - коэффициент трения о паровоздушную смесь; Н - высота барабана, м; о - диаметр барабана, м; п - число оборотов барабана, мин-1.

Максимальная расчётная мощность на валу центрифуги:

Мп = Мв + N + Мб + Мм , кВт. (19)

В раскрученном состоянии расход электроэнергии на центрифугу значительно меньше:

NP = NВ + ^, кВт. (20)

Производительность центрифуги также может определиться по формуле:

О = 1, кг/ч, (21)

г

где 1 - количество полученного на центрифуге воска, кг;

г - продолжительность полного цикла работы центрифуги, ч.

Энергоёмкость процесса центрифугирования мервы можно определить по формуле:

Э = ^, Вт/кг. (22)

О

Анализ уравнений (18-22) показывает, что энергоёмкость процесса центрифугирования мервы может быть снижена за счёт выбора оптимальных конструктивных и режимных параметров центрифуги.

Заключение

1. Переработка пасечного воскосырья является энергоёмким процессом. Одним из способов снижения потерь воска при перетопке является использование центрифуги в составе технологической линии по переработке воскосырья. При рациональном режиме работы электропривода центрифуги, учитывающем закономерности выделения воска из пасечной мервы, повышается качество переработки пасечного воскосырья и снижается трудоёмкость процесса.

2. На пасечную мерву в процессе центрифугирования действует центробежная сила, значение которой должно быть больше суммы сил трения и тяжести, что делает возможным отделение воска из мервы. Выделение воска из пасечной мервы зависит от режимных параметров, в частности, от плотности пасечной мервы, вязкости воска, температуры и частоты вращения барабана.

3. Расход электроэнергии на привод центрифуги в пусковом режиме будет больше, чем в рабочем режиме, на величину преодоления сил инерции при раскручивании барабана с мервой. Энергозатраты при отжиме воска из мервы возможно уменьшить за счёт уменьшения силы трения в подшипниках, а также организовать подачу пара в центрифугу по касательной, в направлении вращения барабана центрифуги.

Список источников

1. 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 2020 г.). - Рязань, 2020. - Часть II. -С. 77-81.

2. 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. -С. 493-498.

3. 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.

4. Максимов Н. М., Рыжов Д. В. Определение энергозатрат центрифуги при отжиме воска из воскосырья // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2023. - № 1(42). - С. 19-27.

5. Патент № 217028 U1 Российская Федерация, МПК7 A01K 59/06. Воскотопка-центрифуга : № 2022109514 : заявл. 08.04.2022 : опубл. 14.03.2023 / Н. М. Максимов. - 2 с.: ил.

6. Хорошунов Н. Г. Режим работы электропривода центрифуги для откачки мёда : специальность 05.20.02 «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве» : дис. ... канд. техн. наук / Хорошунов Николай Геннадьевич ; Кубанский государственный аграрный университет. - Краснодар, 2011. - 144 с.

References

1. 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 e'ffektivnogo razvitiya sovremennogo agropromy'shlennogo kompleksa : materialy' Nacional'noj nauch.-prakt. konf. (20 noyabrya 2020 g.). - Ryazan', 2020. - Chast' II. - S. 77-81.

2. Maksimov N. M., Morozov V. V. Perspektivnaya texnologiya pererabotki voskovogo sy'r'ya na pasekax s ispol'zovaniem parogeneratora // Tradicii i innovacii v razvitii APK : materialy' mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (17-18 aprelya 2019 g.). - Velikie Luki, 2019. - S. 493-498.

3. Maksimov N. M., Fyodorova-Semyonova T. E., Ry'zhov D. V. Mnogofaktornoe issledova-nie rezhimny'x parametrov centrifugi dlya otzhima voska iz pasechny'x vy'topok // Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skoxozyajstvennoj akademii. - 2022. - № 1. - S. 40-48.

4. Maksimov N. M., Ry'zhov D. V. Opredelenie e'nergozatrat centrifugi pri otzhime voska iz voskosy'r'ya // Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skoxozyajstvennoj akademii. - 2023. -№ 1(42). - S. 19-27.

5. Patent № 217028 U1 Rossijskaya Federaciya, MPK7 A01K 59/06. Voskotopka-centrifuga : № 2022109514 : zayavl. 08.04.2022 : opubl. 14.03.2023 / N. M. Maksimov. - 2 s.: il.

6. Xoroshunov N. G. Rezhim raboty' e'lektroprivoda centrifugi dlya otkachki myoda : spe-ciaFnosf 05.20.02 «E'lektrotexnologii i elektrooborudovanie v seFskom xozyajstve» : dis. ... kand. texn. nauk / Xoroshunov Nikolaj Gennad'evich ; Kubanskij gosudarstvenny'j agrarny'j uni-versitet. - Krasnodar, 2011. - 144 s.

Информация об авторе

Н. М. Максимов - кандидат технических наук, доцент.

Information about the author

N. M. Maksimov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor.

Статья поступила в редакцию 19.12.2023; одобрена после рецензирования 26.12.2023; принята к публикации 27.12.2023.

The article was submitted 19.12.2023; approved after reviewing 26.12.2023; accepted for publication 27.12.2023.