Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Влияние вакуумного режима на эффективность процесса доения коров 9
1.2 Классификация вакуумных насосов, используемых на доильных установках 13
1.3 Анализ существующих схем вакуумных установок на базе ВВН 19
1.4 Факторы, влияющие на эффективность работы водоколь-цевой вакуумной установки 27
1.5 Выводы 36
2 Теоретическое исследование водокольцевой вакуумной установки 37
2.1 Обоснование принципиальной схемы водокольцевой вакуумной установки 37
2.2 Обоснование объема водосборника установки 41
2.3 Обоснование геометрических размеров водоотделителя... 46
2.4 Обоснование конструктивных, технологических параметров системы утилизации теплоты, выделяемой при работе установки ..., 50
2.5 Определение производительности установки 52
2.6 Определение расхода рабочей воды 53
2,7 Определение расхода воды через торцевой зазор 54
2.8 Методика проектирования централизованной вакуумной системы 56
2.8.1 Методика расчета оптимального диаметра магистрального вакуумпровода 57
2.8.2 Вычисление координат точки пересечения характеристик. 63
2.9 Выводы 66
3 Методика и результаты экспериментальных исследований водокольцевой вакуумной установки 67
ЗЛ Испытание водокольцевой вакуумной установки в лабораторных условиях 68
3.1.1 Описание лабораторной установки и методика измерений 68
3.2 Методика многофакторного планирования эксперимента. 72
3.2.1 Методика предварительных лабораторных исследований.. 72
3.2.2 Определение оптимальных параметров водокольцевой вакуумной установки методом Бокса-Уилсона , 76
3.2.3 Количество опытов и их повторность 84
3.3 Результаты экспериментальных исследований 87
3.3.1 Результаты предварительных исследований 87
3.3.2 Результаты полнофакторного эксперимента 91
3.3.3 Определение оптимальных режимов водокольцевой вакуумной установки 96
3.4 Производственные испытания... 98
3.5 Выводы по результатам экспериментальных исследований 101
4 Обоснование экономической эффективности внедрения водокольцевой вакуумной установки . 102
4.1 Выводы по результатам расчета экономической эффек тивности 111
5 Общие выводы 112
Список использованной литературы 114
Приложения 124
- Факторы, влияющие на эффективность работы водоколь-цевой вакуумной установки
- Обоснование конструктивных, технологических параметров системы утилизации теплоты, выделяемой при работе установки
- Описание лабораторной установки и методика измерений
- Определение оптимальных режимов водокольцевой вакуумной установки
Введение к работе
Эффективность работы доильных машин и технологии доения в значительной степени определяется постоянством вакуумного режима в технологических линиях доильных установок различных модификаций. Анализ научных работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что даже незначительное несоблюдение параметров вакуумного режима доильной установки или аппарата приводит к росту заболеваний коров маститом, вызывает снижение их продуктивности и качества молока.
В качестве источника вакуума в доильных установках используются вакуумные насосы различных типов. В настоящее время возрастает уровень использования водокольцевых вакуумных установок. Однако при их эксплуатации имеется целый ряд негативных моментов, снижающих эффективность применения. Так, из 27 обследованных молочных ферм Оренбургской области, использующих водоколь-цевые вакуумные насосы, на 22 фермах чистую горячую воду, однократно прошедшую через водокольцевые насосы, сливают в канализацию. Тем самым не используется выделяемая при работе теплота, одновременно увеличивается отложение солей на рабочих поверхностях насоса, что приводит к снижению надежности установки. На 17 молочных фермах из 27 обследованных магистральный вакуумпровод имеет диаметр ниже расчетного в 1,5...2 раза. Заниженный диаметр магистрального вакуумпровода вызывает сверхдопустимое падение вакуум метрического давления, что вынуждает техническую службу хозяйства устанавливать в машинном отделении величину вакуум-метрического давления на уровне 70...75 кПа, что значительно увеличивает расход электроэнергии на привод водокольцевых вакуумных насосов на 70,,80%.
5 Такое положение вызвано, главным образом, отсутствием простых, надежных, доступных методик расчета как водокольцевых вакуумных установок так и централизованных вакуумных систем.
Совершенствование водокольцевых установок позволяет увеличить надежность, снизить расход электроэнергии установок и, соответственно, повысить эффективность процесса доения.
Состояние рассматриваемых вопросов. Развитие водокольцевых вакуумных машин в настоящее время характеризуется:
повышением технического уровня вакуумных установок;
появлением принципиально новых конструкций;
широким использованием средств автоматики.
Вместе с тем, как показывает практика, с ростом уровня механизации в процессе доения, на низком уровне остается эффективность использования имеющихся средств для создания вакуума. Исходя из вышеизложенного создание простой, надежной и экономичной вакуумной установки, способной наиболее полно реализовать свои возможности на доильной установке, позволит значительно увеличить не только надежность доильной установки в целом, но и существенно снизить расход энергоресурсов.
Цель исследования. Повышение эффективности использования водокольцевых вакуумных установок на крупных молочных фермах.
Объект исследования. Процесс работы модернизированной водокольцевой вакуумной установки.
Задачи исследования:
- выполнить анализ конструктивных схем существующих водо
кольцевых вакуумных установок;
- обосновать выбор принципиальной схемы водокольцевой ва
куумной установки;
обосновать рациональный объем водосборника водокольцевой вакуумной установки;
выполнить оптимизацию конструктивно режимных параметров установки;
разработать методику инженерного расчета централизованной вакуумной системы;
определить технико-экономическую эффективность водокольцевой вакуумной установки.
Методика исследования. В работе использованы аналитический, экспериментальный и расчетно-конструктивный методы.
Аналитический метод включал изучение технологического процесса с применением методов аналогового моделирования, классической механики, термодинамики и теплотехники, системы современных средств ЭВМ.
В экспериментальных исследованиях использовались методы физического моделирования для проверки положений и выводов теории. Использование расчета о-констру ктивн ого метода на основе результатов математического и экспериментального моделирования позволил получить оптимальные значения конструктивных и технологических параметров водокольцевой вакуумной установки.
Результаты экспериментов обрабатывались с применением известных методов математической статистики, использовались программные средства ЭВМ.
Научная новизна работы:
результаты теоретических и практических исследований, определяющих конструкцию и режимные параметры вакуумных систем на базе водокольцевых вакуумных установок;
обоснование и выбор факторов, оказывающих влияние на режим работы водокольцевой вакуумной системы;
аналитические зависимости для определения оптимальных параметров водокольцевой вакуумной системы;
результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность предлагаемой водокольцевой вакуумной системы;
Практическую ценность представляют:
- методика расчета конструктивно - технологических параметров
водокольцевой вакуумной установки;
- методика расчета централизованной вакуумной системы;
- конструкция водокольцевой вакуумной установки;
Реализации результатов исследований.
Опытные образцы водокольцевой вакуумной установки проходили проверку и были внедрены в ряде хозяйств Оренбургской области: СПК «Илькульганское» Шарлыкского района и ЗАО «Нива» Октябрьского района.
Экспериментальный образец водокольцевой вакуумной установки демонстрировался на областных выставках научно - технического творчества молодежи НТТМ - 2002 и НТТМ - 2003, региональной выставке «Наука - народному хозяйству», где был отмечен дипломами.
Апробации работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников ОГАУ и других вузов в 2000...2003 г.; на региональных научно - практических конференциях молодых ученых и специалистов сельского хозяйства / г. Оренбург 2000...2003г./; на международной научной практической конференции «Состояние и перспективы увеличения производства продукции животноводства и птицеводства» /г. Оренбург-2003 г./.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, получено два патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложений, списка использованной литературы (111 наименований). Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 12 таблиц, приложения на 60 страницах.
Факторы, влияющие на эффективность работы водоколь-цевой вакуумной установки
Эффективность использования водокольцевых вакуумных машин для доильных установок определяется целым комплексом факторов (рис 1.13).
Основные определяющие факторы, оказывающие влияние на работу вакуумной установки, можно разделить на четыре группы: конструктивные, технологические, механические и эксплуатационные.
Опыт применения водокольцевых вакуумных насосов на молочных фермах позволил выделить главные факторы, оказывающие наибольшее влияние на производительность и срок службы вакуумной установки. К ним относится величина зазора между торцевыми плоскостями колеса и лобовинами вакуумного насоса, расход, давление и температура воды, поступающей в насос, противодавление на нагнетающей стороне машины, объем водосборника. Наиболее существенное влияние на производительность и срок службы насосов оказывает зазор между ротором и лобовинами, который не должен превышать 0,2 мм для насосов РЛП и 0,3...0,4 для ВВН. При его увеличении до 0,5...0,8 мм возрастает перетекание воздуха из нагнетающей стороны во всасывающую, в результате чего подача насоса при вакууме 42...62кПа уменьшается на 21...25%, а при зазоре 1,5 мм на 80...90% (рис. 1.14.) [33, 76].
Отрицательным моментом в эксплуатации данных установок, является повышение температуры питающей воды, которая к концу рабочего времени может достигнуть 70 С [33, 107, 108]. Как известно, давление парообразования при оптимальной для насоса температуре воды (15...25 С) намного меньше рабочего давления на его входе, что устраняет паровую кавитацию. При 70 С давление ларов воды становится равным давлением в жидкости. Это приводит к частичному вскипанию поверхностного слоя жидкостного кольца, кавитационно-му разрушению лопаток и корпуса на стороне нагнетания, а также значительному падению подачи. Последнее объясняется тем, что образующий пар занимает часть ячейки, уменьшая се полезный объем.
Установлено, что отношение объемов всасывания при рабочей температуре воды Vx и нормальной V]5 прямо пропорционально отношению разностей общего давления Р и парционального давления пара при рабочей Pdx и нормальной Pdi5 температурах [95]:
На рис. 1.15 представлена зависимость относительной производительности насоса от температуры питающей воды при различном вакууме. Как видно, увеличение температуры жидкостного кольца до 50С при вакууме 40-60 кПа уменьшает объем всасывания на 18 -23 %, при 70 С-на52-76% [108].
С учетом особенностей насосов снижение производительности несколько отличается от расчетной. Так, с изменением температуры рабочей жидкости с 12 до 47 С у ВВН-0.75 при вакууме 71 кПа она уменьшилась на 20%, у ВНН-3 на 26%.
Давление парообразования при данной температуре воды определяет предельный вакуум, достигаемый насосом. Так, при температуре воды, равной 50 С, максимальный вакуум составляет 83 кПа, при 70 С - 63 кПа, а при 80 С- всего лишь 47 кПа. При 2-х последних режимах работы производительность насоса равна нулю, а незначительное повышение вакуума сопровождается вскипанием воды в нем и срывом работы.
Особенно это сказывается в летнее время. Вода не успевает охлаждаться к следующей дойке и ее начальная температура может достигать 25-40 С, что значительно уменьшает время работы установки. Чтобы исключить данный недостаток в установке меняют воду. Это приводит к повышенному отложению накипи на рабочих поверхностях насоса, что снижает его надежность, и дополнительному расходу воды.
Одним из отрицательных моментов в эксплуатации водокольце-вой вакуумной установки, имеющим место на большинстве обследованных молочных ферм, является также неправильный выбор параметров вакуумной магистрали [50, 95]. Величина вакуума у насоса, как правило, составляет 60...75 кПа, в то время как у доильных установок она равна 48...50,7 кПа. Столь значительные потери вакуума по длине магистрального вакуум-провода обусловлены недостаточным его диаметром, а так же отсутствием надлежащего технического ухода за ним. Отличительной особенностью водокольцевых вакуумных насосов является практически постоянное, независимое от создаваемого вакуума значение потребляемой приводом мощности. Это обусловлено тем, что до 60% мощности расходуется на перемещение жидкости в насосе и лишь 20-25% на перекачку воздуха. Поскольку приведенные характеристики насосов имеют крутопадающий характер [38, 76], удельные затраты мощности на кубометр откачиваемого воздуха резко отличаются на разных режимах работы насосов (рис. 1.16 ). Так, если при рабочем вакууме, равном 50 кПа, удельные энергозатраты их составляет 3...4 кВт/(м /мин), то при 75 кПа - 6...9 кВт/(м /мин), то есть в 2 раза больше. А так как вероятностные расходы воздуха до 32 ильными установками определяются технологией доения, качеством работы операторов и т.д., то установка должна откачать воздух, поступивший в систему, независимо от режима ее работы.
Обоснование конструктивных, технологических параметров системы утилизации теплоты, выделяемой при работе установки
На молочной ферме горячую воду получают чаще всего электрическим нагревом и применяют для приготовления корма, доения и первичной обработки молока, поения животных, удовлетворения различных санитарно - гигиенических нужд и т.д. При этом тратится большое количество электроэнергии. Для снижения этих затрат необходимо использовать выделяемую теплоту при работе водокольцевой вакуумной установки [62, 88].
Выше было сказано, что для решения данной проблемы в водосборник устанавливается трубчатый теплообменник.
Я — коэффициент, учитывающий уменьшение производительности вследствие перетекания газа из области нагнетания в область всасывания, перетекания газа между ячейками из - за торцевого зазора и испарения рабочей жидкости в ячейках всасывания. Данный коэффициент определяется экспериментально и лежит в пределах 0,25... 0,35 [33].
Под теоретической производительностью понимают объем газа, откачиваемого в единицу времени через входной патрубок при давлении нагнетания без потерь [38]:
Заключенный в камерах газ сжимается почти изотермически. В соответствие с принципом работы в водокольцевой насос необходимо постоянно подавать холодную воду, так называемую производственную жидкость. Она выполняет различные функции:
а) отвод теплоты сжатия газа;
б) пополнение жидкостного кольца, из которого часть жидкости постоянно уходит вместе с сжатым газом через нагнетательное отверстие;
в) уплотнение торцовых зазоров между вращающимся колесом и крышками насоса;
г) охлаждение и смазка внутренней части сальника.
Полагая, что в ячейках всасывания находится смесь газа и насыщенного пара и давление в рабочих ячейках всасывания - давление смеси, а температура смеси Тсм =(Т + Тжк)/2 (К), найдем плотность насыщенного пара в рабочих ячейках всасывания (кг/м3):
Величину тжпр определяют методом последовательных приближений. В первом приближении принимают Re 2000 и рассчитывают тж„р_ по формуле (2.23). Затем по полученному расходу Шлср, определяют критерий Рейнольдса по формуле (2.25). Если Re 2000. то значение тж,„„, определенное по формуле (2.23), и есть рас 55 ход, необходимый для уплотнения торцовых щелей. Если критерий Рейнольдса в первом приближении больше или равен 2000, то рассчитывают расход тж_„р_ во втором приближении по формуле (2.24). По рассчитанному расходу определяют критерий Рейнольдса во втором приближении по формуле (2,23) и по нему определяют новые значения коэффициентов \,р и ,,. Если они отличаются от ранее полученных значений менее чем на 5 %, то расчет заканчивают. Если расхождение коэффициентов значительное, то производят расчет в третьем приближении и т. д.
На крупных молочных фермах с поголовьем более 400 коров во многих регионах РФ широко используются централизованные вакуумные системы на базе водокольцевых вакуумных насосов ВВН-1,5; ВВН-3; ВВН-6. О преимуществе водокольцевых вакуумных насосов перед роторно-пластинчатыми типа УВУ-45/60 было сказано выше.
Однако на практике при эксплуатации централизованных вакуумных систем на базе водокольцевых вакуумных насосов встречается целый ряд проблем, снижающих экономический эффект использования этих систем [54, 55, 57, 68, 106].
Существующие рекомендации [87,89] не раскрывают полной методики расчета и выбора составляющих звеньев централизованной вакуумной системы, а предлагают воспользоваться одним из готовых вариантов применительно к определенным размерам молочных ферм.
Однако воспользоваться данными рекомендациями в ряде случаев не предоставляется возможным потому, что:
во-первых, просчитанные варианты не могут охватить все разнообразие планировок молочных ферм России.
во-вторых, не рассчитывают диаметр централизованного ваку-умпровода. В результате чего используют трубы либо заниженного, либо неоправданно завышенного диаметра.
Описание лабораторной установки и методика измерений
Для оценки эксплуатационных свойств водокольцевой вакуумной установки, необходимо выбрать соответствующий показатель, характеризующий эффективную работу установки [109]. К параметру оптимизации, предназначенному для исследования установки, разработаны общие требования, согласно которым он должен обладать следующими свойствами [21]:
1. Характеризовать эффективность процесса с позиции конечной цели.
2. Выражаться количественно и однозначно оцениваться одним числом. В идеальном случае числовые значения параметра пропорциональны эффективности и равномерно распределены во всем интервале изменений параметра.
3. Обладать определенной универсальностью для групп однородных процессов.
4. Быть статически эффективным, то есть нечувствительным к небольшим случайным колебаниям.
5. Быть простым и иметь ясный физический смысл.
Исходя из проведенных теоретических исследований, конкретных условий объекта исследования в качестве критерия оптимизации была выбрана удельная мощность установки Y, которая наиболее полно отражает эффективность работы.
С целью изучения влияния различных факторов на удельную производительность, сокращение времени исследования и исключения влияния некоторых возмущающих факторов нами была создана лабораторная установка (рис. 3.2) структурно функциональная схема которой представлена на рис. 3.3.
Установка стационарного типа состоит из электродвигателя, во-докольцевого вакуумного насоса, водоотделителя, водосборника и приборов измерения.
На водокольцевом вакуумном насосе установлены сменные ребра охлаждения, которые позволяют изменять площадь охлаждения насоса.
Торцевой зазор между рабочем колесом и торцевой крышкой регулируется прокладками толщиной 0.1 мм.
Расход воды регулируется шаровым краном и измеряется трубками Пито - Прандтля длиной 200 мм. и диаметром 5мм.
Температура измеряется термометром ТКП-100 предел измерения 0-100 С.
Производительность установки измеряется ротаметром.
Величина вакуума измеряется вакуумметром ВПЗ-УУ2 предел измерения -1 кг/см2. Расход электроэнергии измеряется прибором К 50.
Испытание проводится следующим образом.
1. Устанавливаем необходимый торцевой зазор, на водокольцевом вакуумном насосе, добавляя или удаляя прокладки.
2. Изменяем площадь теплообмена водокольцевого вакуумного насоса устанавливая или удаляя ребра охлаждения.
3. Доводим температуру рабочей жидкости до необходимой величины подогревом ее или охлаждением.
4. Запуск установки.
5. Устанавливаем необходимый расход рабочей жидкости с помощью крана,
6. Изменяем вакуум с помощью заслонки на входе. Рис. 3.3. Структурно функциональная схема экспериментальной установки.
1 - ротаметр, 2 - пульт управление, 3 — измерительный прибор К -50, 4 - водоотделитель, 5 - водосборник, 6 — водяной насос, 7 - кран, 8 - трубка пито, 9 - термометр, 10 - водокольцевой вакуумный насос. 7. Снимаем показания с приборов и фиксируем в журнале наблюдения.
8. Установку настраиваем на следующий режим.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований водокольцевой вакуумной установки показывают, что процесс работы установки является сложным, многомерным, кинематику которого определяют конструктивные и режимные параметры.
Кроме того, на процесс оказывают влияния возмущения, случайным образом распределенные во времени. В такой сложной ситуации важное значение приобретает выбор рационального метода исследования, так как от этого в большой степени будут зависеть быстрота и точность решения поставленных задач.
В нашем случае, когда для исследования процесса работы водокольцевой вакуумной установки выделены шесть факторов, а степень влияния большинства из них малоизученна, многофакторные методы планирования являются наиболее рациональными.
При многофакторном планировании эксперимента процесс исследования разбивается на отдельные этапы [30, 31, 97]. После каждого этапа исследователь получает новую информацию об объекте, позволяющую изменять стратегию исследования.
Определение оптимальных режимов водокольцевой вакуумной установки
По результатам экспериментов при помощи метода наименьших квадратов (М Н К) определим оптимальные параметры, необходимые для работы водо кольцевой вакуумной установки [97]. Для этого уравнение регрессии продифференцируем по dX\, СІХ2, dXi, получим
Произведя математические вычисления и раскодировку значений, получим оптимальные параметры:
ХІ= 8,5 л/ мин, Х2=25 С, Ху= 0,2 мм.
Лабораторные исследования позволили определить оптимальные параметры и режимы работы водокольцевои вакуумной установки. Полученные данные использованы для проектирования и изготовления опытного образца водокольцевои вакуумной установки.
Испытания установки проводили на молочно-товарной ферме 3 АО «Нива» и СПК «Илькульганское».
В качестве эталона была использована установка УВВ-Ф-90 производства ОАО «Кургансельмаш», которая по основным показателям ближе подходит к испытуемой установке (табл. 3.10). Цель испытания - оценка эффективности работы и степени влияния установки на вакуумный режим.
Обе вакуумные установки испытаны на доильной установке с ведрами и доильными аппаратами «Волга». При испытании замерялись такие параметры как производительность водокольцевои вакуумной установки в процессе работы, температура воды в резервуаре, расход рабочей жидкости. Изменение производительности, как видно из рис. 3.7 у испытуемой установки снижается в начале работы на 15% и стабилизируется до конца дойки. У серийной установки производительность снижается в течение всей дойки и к концу работы составляет 45% от начальной. Исходя из этого, к доильной установке с испытуемой вакуумной установкой, можно подключать 18 доильных аппаратов, а к серийной только 10 аппаратов.
Расход рабочей жидкости у испытуемой установки составил 6 л/час, а у серийной 10 л/час.
Лабораторные и производственные испытания показали, что созданная водокольцевая вакуумная установка по качеству выгодно отличается от существующих вакуумных установок. Однако, следует отметить, что качественные показатели, полученные при испытании установки в лабораторных условиях и производственных условиях, отличаются друг от друга.
Расхождения показателей вызваны, прежде всего, тем, что на производственной установке не удалось обеспечить равномерную подачу воздуха.
Перечисленные недостатки несколько ухудшили процесс работы экспериментальной установки. Тем не менее, качественные показатели процесса в испытуемой установки выше, чем у базовой.
1. Намеченная программа экспериментальных исследований в ходе ее исполнения показала состоятельность выбранных методов.
2. Лабораторные испытания водокольцевой вакуумной установки показали ее работоспособность и высокую точность настройки на заданные режимы работы.
3. Результаты предварительного эксперимента позволили выявить значимые факторы, влияющие на работу установки, необходимые для второго этапа исследования.
4. Обработка много факторного эксперимента позволила вы явить оптимальные конструктивные и режимные параметры установ ки, значение которых были использованы при конструирование и на стройки производственного образца для сравнительных испытаний.
5. Производственный эксперимент показал, что разработанный вариант конструкции водокольцевой вакуумной установки имеет зна чительные преимущества перед серийной установкой УВВ-Ф-90 производства ОАО «Кургансельмаш». Значение удельной производи тельности установки находилось в пределах 33 м3/кВт-ч, тогда как производительность серийной установки составила 22.5 м /кВт-ч.. Установка обеспечивает необходимую стабильность вакуумного режима, при одновременно работающих 20 доильных аппаратов «Волга», а усерийнойтолько при 12.
