Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Историческая справка 9
1.2. Современные конструкции резервуаров-охладителей и технологические линии обработки парного молока 17
1.3. Классификация резервуаров-охладителей 34
1.4. Современное состояние теории и расчета оборудования для охлаждения молока и других жидкостей в аппаратах периодического действия 41
1.5. Выводы и задачи исследований 54
2. Исследование процесса охлаждения и обоснование основных параметров резервуара-охладителя молока 56
2.1. Аналитическое исследование процесса охлаждения молока в резервуаре-охладителе 56
2.2. Аналитическое обоснование и выбор наиболее рациональ
ной формы резервуара-охладителя молока 68
3. Экспериментальные исследования ; кинематики потоков жидкости в резервуарах 72
3.1. Методика экспериментальных исследований 72
3.2. Исследование поля скоростей перемешиваемой жидкости в горизонтальных цилиндрических резервуарах эллиптического поперечного сечения 75
3.3. Исследование влияния способа ввода молока на интенсивность его перемешивания 79
4. Исследование процесса теплоошена в резервуарах молока 91
4.1. Экспериментальная установка и методика проведения опытов по исследованию теплообмена в резервуарах-охладителях молока с непосредственным охлаждением 91
4.2. Результаты экспериментальных исследований теплоотдачи от жидкости к теплообменной поверхности резервуара 99
4.3. Результаты эксперюлентальных исследований теплоотдачи от стенки резервуара-охладителя к кипящему холодильному агенту 103
4.4. Определение с помощью регрессионного анализа наиболее существенных факторов, оказывающих влияние на эффективность охлаждения молока в резервуарах-охладителях 106
5. Разработка, испытания и технико-экономическое обоснование резервуара-охладителя молока с непосредственным охлаждением 122
5.1. Расчет теплотехнических параметров резервуара-охладителя молока 122
5.2. Лабораторные и хозяйственные испытания резервуара-охладителя с непосредственным охлаждением и их результаты 125
5.3. Технико-экономическое обоснование резервуара-охладителя молока с непосредственным охлаждением 130
Выводы 138
Литература 140
Приложения 150
- Современные конструкции резервуаров-охладителей и технологические линии обработки парного молока
- Аналитическое исследование процесса охлаждения молока в резервуаре-охладителе
- Исследование поля скоростей перемешиваемой жидкости в горизонтальных цилиндрических резервуарах эллиптического поперечного сечения
- Результаты экспериментальных исследований теплоотдачи от жидкости к теплообменной поверхности резервуара
Введение к работе
В осуществлении Продовольственной программы, одобренной на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС, особое место принадлежит животноводству, которое партия объявила ударным фронтом на селе.
Выполнение поставленных перед тружениками ферм задач по увеличению объемов, повьшению качества и снижению себестоимости молока в значительной степени зависит от технической вооруженности и уровня использования новой техники на фермах.
Наряду с количественным ростом производства молока, которое в XI пятилетке намечено довести до 97...99 млн. тонн в год /I.I/, исключительно важное значение приобретает вопрос о его первичной обработке, которая в условиях молочно-животноводческих ферм является необходимым и решающим условием получения качественной продукции и решается на базе новой индустриальной технологии.
Важнейшими рычагами индустриализации молочного животноводства является всемерное повышение уровня механизации и автоматизации, техническое перевооружение ферм и комплексов промышленного типа. Оснащение животноводческих ферм современной техникой, комплексная механизация и рациональная организация рабочих процессов - все это создает предпосылки для значительного повышения производительности труда работников ферм и снижения себестоимости продукции.
Вместе с тем широкое внедрение на фермах машинной технологии для первичной обработки молока, требует массовой поставки колхозам и совхозам соответствующего технологического оборудования.
Важным звеном технологической линии первичной обработки молока на фермах и комплексах является процесс его охлаждения для подавления активной жизнедеятельности микроорганизмов в том числе
вызывающих порчу молока, которые попадают в него при выдаивании молока и его транспортировке от доильного аппарата до охладителя.
ГОСТ 13264-70 "Молоко коровье. Требования при заготовках" при сдаче молока на молочные заводы предусматривает дифференцированную оплату за продукцию в зависимости от ее качества. В связи с этим хозяйствам становится выгодным сдавать охлажденное молоко повышенного качества. По данным ЦСУ СССР в 1983 году колхозы и совхозы получили 269,034 млн. рублей дополнительной оплаты за сдачу охлажденного до 10 С молока.
В условиях крупных ферм и комплексов промышленного типа эффективное охлаждение молока может быть достигнуто при непрерывном способе обработки сразу же после его выдаивания (фильтрация или центробежная очистка, охлаждение на спиральных, пластинчатых и других поточных охладителях, а также в резервуарах-охладителях; . Применение последних наиболее эффективно на фермах с поголовьем до 400 голов, которые в XI и XII пятилетках будут преобладать над остальными размерами ферм и комплексов.
Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 497 от 25 1978 года предусматривает в XI пятилетке выпуск 23000 высокоэффективных резервуаров-охладителей молока. В связи с этим задача интенсификации теплообмена в резервуарах-охладителях, снижение их энергоемкости и металлоемкости весьма актуальна. Одним из удачных решений этой задачи может явиться применение резервуаров-охладителей с непосредственным охлаждением, имеющих целый ряд преимуществ в сравнении с резервуарами-охладителями с промежуточным хладоносителем.
Для обоснованного конструирования резервуара-охладителя с непосредственным охлаждением необходимо располагать данными, позволяющими провести его теплотехнический и конструктивный расчеты.
&
Отсутствие в литературе исчерпывающих обобщенных данных по расчету параметров резервуаров-охладителей с непосредственным охлаждением молока обусловливает необходимость постановки экспериментальных исследований их теплотехнических, гидродинамических и эксплуатационных параметров, оказывающих влияние на эффективность охлаждения молока, что и является основной целью настоящей работы.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить и проанализировать существующие системы охлаждения
молока в резервуарах-охладителях.
Аналитически обосновать оптимальные конструктивные параметры резервуаров-охладителей.
Исследовать кинематику потоков жидкости в наиболее перспективных формах резервуара при механическом перемешивании.
Исследовать влияние способа ввода молока на интенсивность его охлаждения.
Исследовать процесс теплообмена в резервуарах-охладителях с непосредственным охлаждением и выявить возможные пути его интенсификации .
Разработать инженерную методику расчета резервуаров-охладителей молока с непосредственным охлаждением.
Современные конструкции резервуаров-охладителей и технологические линии обработки парного молока
Но отсутствие стандарта привело к появлению большого количества разнообразных конструїщий резервуаров-охладителей молока. В конце шестидесятых годов Киевским ГСКБ по комплексу машин для животноводства разработаны танки-охладители молока Т0М-І и ТОМ-2, а Всесоюзным научно-исследовательским институтом холодильной промышленности (ВНИХй) была создана молокоохладительная теплонасосная установка МТУ-500, которые были выпущены промышленностью в небольшом количестве и значительно отличались по основным показателям. Танк-охладитель марки МТУ-500 был оборудован двумя конденсаторами: воздушным и водяным, включенными в систему холодильной установки последовательно. Применение водяного конденсатора позволило утилизировать тепло перегретых паров хладагента.
В 1967 году Пярнуский завод "Продмаш" освоил производство резервуаров-охладителей с непосредственным охлаждением молока. АХУ-І000 (рис. 1.5) по типу чешского танка-охладителя- JSB-I000, состоящего из двух ванн вместимостью 500 литров каждая и компрес-сорно-конденсаторного агрегата ЙФ-56. Испаритель трубчатого типа находился в днище каждой из ванн и имел два терморегулирующих вентиля для поочередного включения ванн в зависимости от количес-? тва поступающего молока. Однако по длительности охлаждения резервуар-охладитель АХУ-І000 не соответствовал требованиям Г0СТ--ІІП6-65 "Танки резервуары негерметичные стационарные, для охлаждения и хранения молока на молочно-животноводческих фермах", а раздельное использование испарителей не обеспечивало равномерного респределения хладагента, что приводило к примораживанию молока к днищу ванн. По этим причинам резервуар-охладитель АХУ-І000 был досрочно снять с производства.
В 1969 году Краснодарский компрессорный завод приступил к серийному производству танков (резервуаров)-охладителей молока T0M-2A fрис. 1.6) вместимостью 1800 литров. Танк оборудован холодильным агрегатом МХУн12 с панельным испарителем, помещенным под днищем ванны, и конденсатором с воздушным охлаждением. Холодильный агрегат в период между циклами охлаждения аккумулировал на панелях испарителя лед, который в процессе охлаждения молока позволял получать ледяную воду с температурой I...2 С.
Система охлаждения резервуара - оросительная. В процессе модернизации резервуар был оснащен механической системой промывки и более совершенной системой охлаждения. Однако по ряду конструктивных и технологических параметров ( вместшлости, металлоемкости] резервуар-охладитель не соответствует ГОСТ IIII6-78 "Резервуары молочные. Технические условия".
Специальное конструкторское бюро Одесского завода "Холодмаш" разработало и представило в 1970 году на испытания танк-охладитель марки 0-1000 с непосредственным охлаждением и рекуперацией тепла, полученного при охлаждении молока. Однако расчет системы охлаждения был выполнен без учета эффективности теплопередачи, продолжительность охлаждения превысила требования ГОСТ IIII6-65 (при 100% заполнении длительность охлаждения составила более 7 часов]. В результате этого резервуар (танк;-охладитель не прошел приемочных испытаний.
Созданию вакуумированных танков-охладителей молока как у нас, так и за рубежом способствовало распространение доильных установок с транспортировкой молока по молокопроводу. При использовании такой системы доения, сбора и первичной обработки молоко от вымени коровы до танка-охладителя не соприкасается с окружающим воздухом и не подвергается механическому воздействию перекачивающих устройств. Производство вакуумированных танков-охладителей Т0В-І рис. 1.7] было освоено на Московском заводе молочного оборудова-наия в 1971 году.
В качестве хладоносителя в них используется ледяная вода от водоохлаждающих холодильных машин или холодная вода из водопровода. Вместе с тем повышенная,металлоемкость танка, связанная с необходимостью использования вакуума в технологическом процессе, и недостаточная вместимость (1000 литров) , не соответствующая требованиям ГОСТ ПП6-78, привели к замене его на более эффективный, открытый резервуар-охладитель РПО-1,6 (рис 1.8), освоенный в 1981 году Пярнуским заводом "Продмаш". Этим же заводом освоен также производством резервуар-охладитель с промежуточным хладоносителем ИЮ-2,5 (рис. 1.9), вместимостью 2500 литров.
Аналитическое исследование процесса охлаждения молока в резервуаре-охладителе
В горизонтальных цилиндрических резервуарах закрытой формы круглого и эллиптического поперечного сечения процесс ввода молока в резервуар (рис. 3.10а и рис. 3.I06J осуществляется над зоной максимальных скоростей потоков перемешиваемго продукта. В резервуарах-охладителях такой формы щжь\лІе$ сііa.ficizi-Kooi Jcipy, и др. как и в резервуарах открытой цилиндрической формы максимум скоростей имеет место /3.31/ вблизи лопасти мешалки (рис. 3.11).
Анализ эпюр распределения скоростей потоков жидкости в резервуарах различных форм показал, что введение в них молока без учета движения его частиц по объему при механическом перемешивании снижает эффективность распределения жировой фазы по всей массе и теплоотдачу от продукта к охлшкдающей стенке. Оптимальными зонами процесса ввода молока в резервуары, исходя из условий перемешивания продукта, являются зоны, лежащие в плоскости вращения мешалки и ограниченные ее кромками.
Осуществление процесса ввода молока именно в эти зоны обеспечит лучшие условия перемешивания вводимого продукта и позволит интенсифицировать теплообмен, однако, требует экспериментальной проверки.
Введение окрашенной жидкости в различных точках резервуара показало, что длительность распределения частичек краски при перемешивании молока по его объему неодинакова. Наибольшая длительность распределения красящей жидкости имела место при вводе молока в углах резервуара (точка 3, рис. 3.IIJ.
Поэтапное распределение красящей жидкости в заполненном на 100 / вместимости резервуара показано на (рис. 3.12). Красящая жидкость поступая из подводящего шланга (кадры 6297, 6298, 9300, 630 , в медленно двигающуюся среду, за счет наличия поперечных пульсаций скорости вовлекается в движение. В результате в углу резервуара образуется зона с медленным круговым движением красящей жидкости на кинограмме она окращена в черный цвет , Зто движение сохраняется до тех пор, пока радиальные потоки не вытеснят часть окрашенной жидкости в зону центрального вихря, где она подхватывается осевыми восходящими и нисходящими потоками и распределяется в перемешиваемой среде (кадры 6304 6306 6308 6310j.
Дальнейшее распределение красящей жидкости (кадры 6312, 6314, 6318J происходит за счет возмущающего действия радиальных потоков, образующихся в области вращающейся лопасти мешалки.
Длительность распределения красящей жидкости в перемешиваемой среде несколько ниже при введении ее в точке 4 и составляет в соответстви с кинограммой 20 секунд. Аналогичная скорость распределения красящей жидкости по объему перемешиваемой среды получена при вводе первой в зону наибольших скоростей через зеркало последней.
Минимальная длительность распределения красящей жидкости, по всему объему резервуара получена при ее введении через полый вал мешалки ґрис. 3.13). В этом случае распределение красящей жидкости начинается в зоне центрального вихря и распространяется по. объему перемешиваемой среды из области вращения мешалки. Зто позволяет значительно интенсифицировать процесс перемешивания и на 30 % снизить его длительность.
Вместе с тем, ввод молока через полый вал мешалки в зону наибольших скоростей охлаждаемой среды приводит к некоторому ус ложнению системы промывки резервуара и поэтому требует экспериментальной проверки теплотехнических параметров резервуаров при такой системы ввода и экономического обоснования его целесообразности.
Исследования скоростного поля проводились на опытных образцах горизонтальных резервуаров эллиптического поперечного сечения вместимостью 1600 и 2500 литров и соответствующих моделях, оборудованных лопастными мешалками.
При исследованиях установлено, что движение потоков жидкости в резервуаре имеет развитый турбулентный характер с числами Рей-нольдса от 0,76 10 при dn= 400 мм. до 1,54.10 при dn = 570 мм.
Анализ полученных эпюр распределения скоростей (рис. 3.3) свидетельствует о том, что распределение скоростей потоков перемешиваемой жидкости по сечениям имеет одинаковый характер при некотором увеличении абсолютных значений с приближением к валу мешалки. Незначительное отклонение распределения скоростей потоков по высоте перемешиваемой жидкости свидетельствует о том, что тангенциальные потоки не преобладают над осевыми и радиальными. Последнее очень важно для равномерного распределения жировой фазы по всему объему перемешиваемого молока.
Абсолютное значение скоростей потоков жидкостей находится в прямой зависимости от размеров резервуара и мешалки. Увеличение диаметра мешалки в 1,4 раза ( с 400 до 570 MLI) привело к возрастанию абсолютных значений скоростей потоков на 25...30%. при сохранении характера распределения скоростей по исследуемым сечениям.
Из полученных эпюр распределения скоростей в горизонтальных резервуарах эллиптического поперечного сечения видно, что наибольшее значение скорости потоков жидкости имеет место в области вращения мешалки. Следовательно, для интенсификации теплообмена в резервуаре испаритель следует располагать на дне и в области вращения лопасти мешалки.
Исследование поля скоростей перемешиваемой жидкости в горизонтальных цилиндрических резервуарах эллиптического поперечного сечения
Таким образом, при восхождении в область максимума обобщенной функции желательности щ , численные значения этик факторов, считая от нулевого (среднего) уровня их варьирования, уменьшаются с определенным шагом. Менее значимые факторы также зафиксированы на определенном уровне, способствующие повышению обобщенной фун-ции желательности. В общем случае могут быть приняты во внимание ограничения, накладываемые конструктивными и другими соображениями, например, связанные с требованиями Г0СТ-ов и т.д.
В таблице 4.9 приведены основные результаты регрессионного анализа для резервуара с панельным испарителем. Уравнение регрессии имеет вид: торе Xg означает, что с увеличением численного значения Хо обобщенная функция желательности 2)Л увеличивается и наоборот. Отрицательные знаки при коэффициентах уравнения регрессии для аргументов Хр и Хл свидетельствует о том, что с их увеличением численное значение Я)„ будет уменьшаться и наоборот. Для определения максимума обобщенной функции желательности для щелевых и панельных испарителей были разработаны и реализованы соответствующие матрицы планирования эксперимента , которые представлены в таблицах 4.10 и 4.II. В этих опытах определены оптимальные численные значения факторов Хт, Хо, Хд, Хд при максимуме соответствующих обобщенных функций желательности Я и !» . Результаты планирования эксперимента при восхождении в область оптимума для резервуара-охладителя со щелевым. испарителем, представлены в табл. 4.10. Восхождение в область максимума начинаем по градиенту при среднем уровне значимых факторов Xj и Х . Были проведены 4 опыта. Для самого значимого фактора Х был принять шаг его изменения (уменьшения} Л = 0,25 ч, а для фактора Xj - Л =0,05 мм. Численное значение менее значимого фактора Хо получено расчетным путем с учетом численного значения фактора Х . Численное значение малозначимого фактора Х3 было принято на одном уровне - 19,8 кВт для каждого опыта. В 4-ом опыте табл. 4.10 достигнут максимум обобщенной функции желательности Й и зафиксированы оптимальные численные значения рабочих параметров резервуара со щелевыми испарителями Xj, х2» х3 и Х4 В табл. 4.II представлены матрицы планирования эксперимента и результаты этих экспериментов при восхождении в область максимума обобщенной функции желательности 2)/г для резервуара с панельным испарителем. Было проведено 4 опыта. Для 1-го опыта численные значения значимых факторов Хо и Х4 приняты на среднем уровне. При этом для каждого последующего опыта численное значение наиболее значимого фактора Хо увеличивалось с принятым шагом его увеличения Aj- 0,224 кВт, а численное значение значимого фактора Х уменьшалось с рассчитанным шагом Лч = 0,56 ч. Значение Фактора Хо получено расчетным путем с учетом численного значения фактора Хд. Исходя из конструктивных сооб« ражений численное значение малозначимого фактора Xj было принято для всех 4-х опытов равным I.
В 4-ом опыте(табл. 4.II) достигнут максимум обобщенной функции желательности Я)я и зафиксированы оптимальные численные значения рабочих параметров панельных испарителей.
Проведенный анализ позволил установить максимум обобщенной функции желательности для щелевых и панельных испарителей резервуаров-охладителей молока с непосредственным охлаждением. В результате было установлено, что оптимальным зазором щелевых испарителей является 0,002...0,0028 м, а для панельных оптимальное отношение ширины канала к расстоянию между каналами находится в пределах единицы. При таких параметрах испарителей коэффициенты теплоотдачи со стороны кипящего хладагента максимальны.
Результаты экспериментальных исследований теплоотдачи от жидкости к теплообменной поверхности резервуара
Выпуск валовой продукции за год по ВПО "Союзживмаш"; а - коэффициент технической эквивалентности базового и нового средства труда где Рт и Ро - доли отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление (реновацию) базовой и новой машин. экономия потребителя на текущих издержках эксплуатации и отчислениях от сопутствующих капиталовложений за весь срок службы новой машины с учетом фактора времени по сравнению с базовой, руб. А - годовой объем производства новых средств труда в расчетном году, в натуральных единицах (среднегодовой планируемый выпуск резервуаров-охладителей с непосредственным охлаждением 6000 по Постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 25 мая 1978 г. № 497 " 0 мерах по увеличению производства в 1978...1985 гг высокопроизводительной техники для кормопроизводства и кормоприготов-ления, комплексной механизации на животноводческих фермах и птицеводства") . 1. Исследованиями и практикой установлено, что механизация первичной обработки молока на фермах и комплексах КРС не всегда дает ожидаемые результаты. Это объясняется рядом причин, в частности отсутствием научно обоснованных методик как проектирования указанных линий, так и соответствующего оборудования для охлаждения и хранения. 2. На основании изучения работы теплообменных аппаратов для охлаждения молока периодического действия установлено, что наиболее эффективными на фермах 100...400 голов являются резервуары непосредственного охлаждения. Поэтому совершенствование их теплотехнических параметров представляет большое народнохозяйственное значение. 3. Интенсификация теплообмена в резервуарах непосредственного охлаждения молока может быть достигнута наиболее эффективно увеличением коэффициента теплоотдачи со стороны кипящего холодильного агента. 4. Аналитически обосновано, что наиболее оптимальной формой исполнения резервуара непосредственного охлаждения является горизонтальный цилиндрический с круглым или овальным поперечным сечением. 5. Максимальное поле скоростей в резервуарах овального поперечного сечения находится в области вращения мешалки. Зто место является наиболее оптимальным для расположения испарителя. 6. Оптимальный зазор щелевых испарителей резервуаров-охладителей составляет 0,002...0,0028 м. 7. Смещение вала мешалки относительно.осей симметрии резервуара повышает интенсивность теплоотдачи от перемешиваемого молока к стенке. Оптимальная величина этого смещения составляет (0,08...0,1). 8. Доказано, что энергоемкость процесса охлаждения в резервуарах непосредственного охлаждения молока в 2...2,5 раза ниже, чем в резервуарах с промежуточным хладоносителем. 9. Разработана методика определения теплотехнических параметров резервуаров-охладителей непосредственного охлаждения, которая была использована при расчетах резервуаров-охладителей типа РНО и МКА. 10. Экономический эффект от внедрения одного резервуара-охладителя непосредственного охлаждения вместимостью 2500 л в сравнении с РПО-2,5 составляет 538,2 руб. 11. На основании результатов исследований разработаны и рекомендованы в серийное производство резервуары с непосредственным охлаждением РНО-1,6, РНО-2,5 и ЖА-2000Л-2А.
