Содержание к диссертации
-
Воздействие молочного насоса и процесса подсоса воздуха на качественные показатели молока 12
-
Анализ конструктивных схем рабочих органов молочных насосов.39
Математическая модель взаимодействия лопасти рабочего колеса с молоком 56
-
Определение геометрических соотношений углов лопастей 57
-
Определение угла установки лопасти 57
-
-
-
Работа с реологическими параметрами молока 93
-
-
ПРОГРАММА И ЧАСТНЫЕ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПЕРЕКАЧИВАНИЯ МОЛОКА НАСОСОМ ДОИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 99
-
Экспериментальная база для исследований 101
-
-
4.3.3 Цикл опытов по исследованию влияния конструкций рабочих колес на эксплуатационные параметры процесса работы насоса и качество перекачиваемого молока 124
-
Методика определения влияния конструктивных параметров рабочих колес на эксплуатационные параметры процесса работы насоса 124
6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ МОЛОЧНОГО
Введение к работе
Научно-технический прогресс в молочном животноводстве привел к создаиию герметизированных и автоматизированных молочных линий, которые используют в отраслях, связанных с обработкой жидкостей. Вместе с тем анализ научных работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что, несмотря на достаточно высокий технический уровень современных фермских молочных линий, показатели качества перекачиваемого молока не всегда удовлетворительны из-за механических воздействий со стороны внутренних поверхностей деталей молочной линии на молоко.
Эти воздействия приводят к возникновению завихрений движущегося потока, с гомогенизирующим эффектом и, как следствие, происходит деформация жировых шариков молока и повреждение их оболочек. В результате в молоке образуются масляные зерна и комки жира, которые оседают на внутренних поверхностях коммуникаций, задерживаются фильтрами и при промывке безвозвратно теряются.
После частичной (неполной) гомогенизации остается дестабилизированный жир, который отстаивается и сбивается в масло, при хранении в емкостях. Такое молоко за небольшое время приобретает прогорклый и горький вкус, а вместе с ним и вырабатываемая из него продукция, при этом такой вкус нельзя устранить никакими технологическими приемами. Кроме этого воздух, засасываемый в молочные коммуникации, является источником бактерицидного обсеменения молока, за счет окисления белковых оболочек жировых частиц.
Все эти негативные факторы приводят к ухудшению санитарно- гигиенического состояния качества молока, которое проявляется в снижении сортности молока.
В Оренбургской области в последние годы наметилась тенденция строительства животноводческих ферм на 1000 и более голов КРС (Бугуруслан - 1200, Саракташ «Юж. Урал» - 1000, «Иволга» - 1000). Поэтому современные доильные установки должны быть высокопроизводительными, а значит, обеспечивать высокую интенсивностью отвода молока из молочной линии МТФ. Для этого необходимо создание нового типоразмера молочного насоса, который удовлетворял бы двум основным требованиям: обеспечение высокой производительности, с возможностью перекачивания молока из-под вакуума в емкость с атмосферным давлением и сохранение качества молока контактирующего с внутренними поверхностями деталей насоса.
Цель работы: повышение эффективности работы молочного насоса и качества перекачиваемого молока, за счет оптимизации конструктивно- эксплуатационных параметров насоса доильной установки.
Объект исследования: процесс перекачивания молока из емкости, находящейся под вакуумом, в емкость с атмосферным давлением.
Предмет исследования: закономерности воздействия насоса доильной установки на процесс перекачивания молока.
Рабочая гипотеза исследования: при оптимизации конструктивно- эксплуатационных параметров насоса, происходит уменьшение потерь молочного жира в доильной установке.
Методика исследований. Условия обеспечения постоянного воздействия лопастей рабочего колеса насоса на жировые шарики молока, не превышающего предельных значений были получены с использованием струйной теории Эйлера, элементарной теории радиальных вентиляторов В.П. Горячкина и теории рабочего процесса дискового аппарата. При создании методики расчета конструктивно-эксплуатационных параметров центробежного насоса использовалась теоретическая схема элементарного представления о кинематике потока в колесе, с поправкой Пфлейдерера на теоретический напор, с учетом конечного числа лопастей.
Реализация этапов вычислительного эксперимента для параметрического синтеза центробежного молочного насоса проводилась на основании общепринятой методологии программирования.
Экспериментальные исследования проводились по разработанным частным методикам испытаний. Расчет и анализ параметров процесса осуществлялся с использованием теории математической обработки данных.
В работе использовалась фото- и видеосъемка, применялись программно- технические средства.
Научную новизну работы составляют: теоретическое обоснование процесса перекачивания молока насосом, состоящее из выбора реологических параметров молока, разработки математической модели взаимодействия лопасти колеса насоса с молоком и расчета конструктивно-эксплуатационных параметров молочного насоса; частные методики экспериментальных исследований процесса перекачивания молока и расчета параметров процесса; программные средства с использованием ЭВМ для моделирования профиля лопасти рабочего колеса и процесса работы молочного насоса (свидетельство 2008610484).
Практическую ценность работы имеют: конструкции стенда для испытания молочного насоса (патент 2321773), устройства для заполнения молочного насоса (патент 2321774), устройства для испытания лопастей рабочего колеса центробежного молочного насоса (положит, решение 2006147157), устройства для исследования воздействия насоса доильной установки на молоко, установки для определения динамического коэффициента, установки для определения нормального усилия; результаты экспериментальных исследований процесса перекачивания молока насосом доильной установки.
На защиту выносятся: теоретическое обоснование процесса перекачивания молока насосом; новые технические решения и программные средства для исследования и повышения эффективности процесса перекачивания молока насосом; частные методики проведения экспериментальных исследований процесса перекачивания молока и расчета параметров процесса; - результаты экспериментальных исследований и анализ параметров процесса перекачивания молока насосом.
Достоверность основных теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных (кафедра «Механизация животноводства» Оренбургского ГАУ) и производственных (МТФ с. Новотроицкое, Октябрьского района, ЗАО "Нива") условиях.
Апробация работы. Общие положения диссертации опубликованы в материалах международных научно-практических конференций Оренбургского ГАУ (2005, 2006, 2007), ХП1 и XIV Международного симпозиума по вопросам машинного доения сельскохозяйственных животных (Гомель, Белоруссия, 2006; Углич, Россия, 2008), X и XI Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - машинно- технологическая модернизация отрасли» (ГНУ ВНИИМЖ, Москва, 2007, 2008).
Фрагменты диссертации включены в проект, утвержденный к одностороннему финансированию на 2008 год по итогам регионального конкурса «Урал» Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Оренбургской области (заявка № 08-08-99119-Р-ОФИ).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ (одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК РФ), в т.ч. получены два патента на изобретения и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА
В настоящее время молочные центробежные насосы применяют как для транспортировки молока и молочных продуктов в пределах перерабатывающих предприятий, так и для перекачивании молока из молочной линии ферм, находящейся под вакуумом и последующей транспортировки молока через фильтры, охладители в резервуар для охлаждения и хранения. Отказ насоса или снижение его производительности приводит к аварийной ситуации, так как происходит переполнение молокоприемника и возникает необходимость прерывания дойки [1].
Среди факторов, оказывающих наибольшее влияние на качественные показатели молока, выделяют гидродинамическое воздействие рабочего колеса молочного насоса и процесс подсоса воздуха в молочные коммуникации.
1.1 Воздействие молочного насоса и процесса подсоса воздуха на качественные показатели молока
Молоко в процессе его получения, транспортировки и обработки в молочных линиях подвергается сильным гидромеханическим воздействиям и влиянию воздуха [2].
Воздействия могут быть преднамеренные, связанные с изменением состояния молока (центрифугирование, сбивание, перемешивание, гомогенизация и т. д.), и неизбежные, связанные с выполнением производственного процесса.
Степень гидромеханического воздействия на такие важнейшие показатели качества молока, как дисперсный состав и структура жировых частиц зависит, прежде всего, от скорости и ускорения потока, конфигурации и состояния поверхностей коммуникаций.
Гидромеханическое воздействие на жировые частицы в потоке движущегося молока обусловлено напряжением сдвига, вызванного трением, действием вихрей в турбулентном потоке.
Механическое воздействие рабочих органов ряда насосов на продукт приводит к разрушению его структурной сетки. Для получения равномерного установившегося движения необходимо, чтобы касательные напряжения на молоко в насосе были меньше касательных напряжений в трубопроводе. При этом следует иметь в виду, что применение повышенных скоростей движения продукта может привести к нежелательным явлениям [3, 4, 5].
Молоко, как известно, представляет собой сложную дисперсную систему, компоненты которой обладают различными свойствами. В связи с этим следует также ожидать интенсификации взаимных столкновений как воздушных пузырьков, находящихся в свежевыдоенном молоке, так и жировых частиц различных размеров под воздействием различных инерционных сил, обусловленных неустановившимся режимом движения потока [2].
В процессе перекачивания молоко подвергается интенсивным гидромеханическим воздействиям, в результате чего происходит изменение дисперсного состава жировой фазы и структуры оболочек жировых частиц. В результате подсоса воздуха происходит ценообразование и возникают явления дезагрегации казеиновых мицелл. Все перечисленные изменения в значительной мере ухудшают технологические свойства молока и качество вырабатываемых из него продуктов. Экспериментальные данные Е. Кцопа [6] и др. достаточно убедительно подтвердили наличие изменений в структуре жировых частиц. Так, в осторожно выдоенном молоке оболочки жировых частиц толстые и шероховатые, после транспортировки молока они уменьшились в толщине и стали более гладкими. Как показали исследования В.Е. Шкинке [7], при доении в стойловый молокопровод на различных его участках происходит не только укрупнение, но и измельчение жировых частиц. На степень изменения жировой фазы оказывает влияние и продолжительность воздействия. Так, по данным А. Г. Казанкова [8], средний диаметр жировых частиц возрастает при транспортировке молока по молокопроводу длиной 34 м на 10-15%, по молокопроводу длиной 74 м - на 25-30%.
Исследованиями установлено изменение дисперсного состава жировой фазы при перекачивании молока насосами. В таблице 1.1 приведены данные Рана и Шарпа [9] об изменении распределения жировых частиц по размерным классам, после перекачивания молока центробежным насосом.
Таблица 1.1 - Распределения жировых частиц по размерным классам
Видно, что относительное содержание жировых частиц до 9 мкм по всем размерным классам после перекачивания молока уменьшилось, а частиц более крупных увеличилось. При этом в молоке после перекачивания насосом обнаружены крупные частицы (14—17 мкм), которых не было в исходном молоке.
Примерно такие же данные получены А.Ф. Андреевым [10]. Им установлено, что наименьшая степень сбивания жира наблюдается в области наименьшей производительности и наибольшего напора, а наибольшая — в области наибольшей производительности и наименьшего напора. По данным того же автора, при использовании центробежного самовсасывающего молочного насоса сбивание жира происходит гораздо интенсивнее, чем при работе с обычными насосами, в среднем на 8% по всем размерным классам.
В процессе общей обработки и переработки молоко подвергается сильным воздействиям, которые в современных крупных молочных хозяйствах начинаются уже при доении [11]. Механическое воздействие неизбежно и в процессе перемешивания молока в молокохранительных танках, и при транспортировке его на молочные предприятия. Протекание молока через клапаны и изгибы трубопроводов, а также его перемешивание, приводят к возникновению турбулентных течений, при которых действуют усилия сдвига, иногда довольно значительные у стенок трубопроводов - в ламинарном пограничном слое. Усилия сдвига увеличиваются в зависимости от расположения и количества плоскостей и кромок, преломляющих течение, а также от крутизны изгибов труб и величины разности давлений. В поворотных участках трубопроводов к ним присоединяются центробежные силы, которые перекрывают энергию течения. Образуются вторичные течения и возникают области избыточного и низкого давления.
Течение вязких жидкостей носит ламинарный характер. При этом жидкость состоит из слоев, которые скользят друг относительно друга, не смешиваясь. Для жировых шариков молока подобное течение образует течение сдвига, так как сила трения направлена противоположно направлению движения. Шарообразные частицы вращаются вокруг собственной оси с угловой скоростью под влиянием характера распределения напряжения и давления вокруг них. При этом на одну и ту же точку частицы периодически действуют усилие сжатия и напряжение сдвига. Эти силы трения молочной плазмы можно рассчитать. По Раашу [12, 13], распределение давления на поверхности шарообразной частицы при течении сдвига (рис. 1.1) определяется зависимостью:
Р~——с Г} sin 2(р cos" v, (1-1) где // — коэффициент динамической вязкости, сП; с - градиент скорости или среза, с"1, (p,v - пространственные углы, град.
Распределение напряжения сдвига, вызванного трением, на поверхности жирового шарика выражается зависимостью: (1.2)
Та = —С Т] СОЭ2(р ' С05 и,
Рис. 1.1 - Распределение давления на поверхности жировой частицы в плоскости х-у (1.3)
Если предположить, что частица обладает линейно-упругими характеристиками на том основании, что жировой шарик вследствие наличия у него оболочки и прилегающего к ней кристаллизационного триглицеридного слоя имеет стабильную форму, то величину чистого напряжения сдвига (рис. 1.2) в шарообразной частице можно определить по формуле:
5 _ 5 где тр- напряжение сдвига в жидкости.
Эти рассуждения о действующих на поверхности жировых шариков напряжениях сдвига показывают, что при течениях сдвига жировые шарики испытывают нагрузку со стороны окружающей их молочной плазмы. Однако на практике не существует чистых течений сдвига. Всякие препятствия и поворотные участки трубопроводов ведут к возникновению турбулентных течений.
Рис. 1.2 - Напряжение сдвига, вызванное трением на поверхности жировой частицы, в плоскости х-)7
При турбулентном характере течения на движение в осевом направлении напластовываются поперечные движения, направленные перпендикулярно его оси, которые вызывают смешивание слоев протекающей жидкости (рис. 1.3).
Более подробное рассмотрение турбулентного течения показывает, что в заданной точке объема жидкости скорость и давление не постоянны во времени, а изменяются с частой повторяемостью.
Вследствие незначительной разницы в плотности жира и воды, а также малого диаметра жировых шариков (1-10 мкм), они участвуют в пульсационных движениях турбулентного течения. В турбулентных течениях образуются завихрения, обладающие энергией, которая оказывает воздействие на грубо- и тонко диспергированные частицы. Поэтому общее напряжение сдвига, вызванное трением, действующее на жировую частицу, складывается из ламинарного и турбулентного напряжений сдвига: (1.4) где ть - напряжение сдвига ламинарного течения, Н/м", тТи- напряжение сдвига турбулентного течения, Н/м".
Рис. 1.3 - Схематичное изображение течения: а - ламинарного, б - турбулентного.
Напряжения турбулентности в большинстве случаев преобладают над напряжениями ламинарного течения, поэтому при турбулентных течениях турбулентные напряжения сдвига, вызываемые трением, играют решающую роль в изменениях диспергированных частиц, вызываемых механической энергией. По Беку [14], на жировые шарики оказывают влияние следующие физические параметры течения: а) количество нагрузки N - это параметр показывающий, как часто действуют напряжения сдвига жидкости в определенной точке поверхности частицы: ^ = (1.5) б) продолжительность действия нагрузки ^; в) скорость течения и; г) средний градиент скорости с ; д) возникающие в турбулентных течениях пульсации, выражаемые через степень турбулентности Ти.
Кроме этого, на все механические воздействия оказывает значительное влияние температура.
Последствия воздействия. Режимы течения в трубопроводах и насосах или при перемешивании выбирают в зависимости от цели: транспортировки молока или поддержания равномерного диспергирования жировых шариков.
Действующие при течении напряжения сдвига или касательные напряжения, вызываемые трением, как ламинарные, так и турбулентные, должны оставаться по возможности незначительными, с тем чтобы оболочка жировых шариков испытывала слабые нагрузки и не претерпевала изменений. В то же время, при перемешивании кинетическая энергия должна превышать энергию дисперсионных сил жировых шариков, чтобы препятствовать интенсивному образованию гроздевидных скоплений и хлопьев. Барток и Мейсен [15] установили, что жировые шарики при скоростях течения, характеризующихся малыми числами Рейнольдса, сближаясь, не входят в прямой контакт друг с другом и не соприкасаются. Следовательно, эта энергия выше, чем минимум вторичной энергии, но меньше, чем энергетический барьер между жировыми шариками. Более высокие силы давления и напряжения сдвига ведут к деформации жировых шариков и повреждению их оболочек.
Особенностью фермских молочных линий является постоянный подсос воздуха в молочные коммуникации, что связано с обеспечением работы вакуумных доильных аппаратов. В связи с этим, транспортирование молока через технологические коммуникации осуществляется в виде молоко- воздушной смеси со сравнительно большим объемом газосодержания [2]. Движение молоко воздушной смеси носит ярко выраженный неустановившийся характер со сравнительно большими мгновенными значениями скоростей и ускорений при наличии больших удельных поверхностей раздела фаз. В процессе транспортировки молоковоздушная смесь подвергается интенсивным механическим ударам, перемешиванию и сопровождается пенообразованием. Совокупное воздействие перечисленных факторов приводит к отрицательному изменению одного из важнейших технологических показателей молока — дисперсного состояния жировой фазы, что проявляется образованием в молоке масляных зерен и комков жира. Последние оседают на внутренних поверхностях коммуникаций, задерживаются фильтрами и при промывке безвозвратно теряются.
Так, при проведении зоотехнических исследований [16] процесса движения молоковоздушной смеси через узлы и детали доильной установки выявлено, что общие потери жира молока в доильной установке составляют
0,13-0,19%, причем потери жира при транспортировке по молокопроводу - 0,060,08%, через молочный насос - 0,06-0,1%, прочие - менее 0,01%.
Принципы образования масляных зерен и конгломератов (скопление жировых частиц в виде комочка) в фермерских молочных линиях достаточно хорошо объясняются физико-химической (флотационной) теорией маслообразования, предложенной и развитой в работах А. Белоусова, Поккельса, Рана, Ван-Дама, Хольверта, Н. Кинга [17,18,19,20]. Согласно этой теории (рис. 1.4), при скоплении жировых частиц с воздушным пузырьком, поверхностно-активные лецитино-белковые оболочки частично отрываются от жировых частиц и переходят на поверхность воздушного пузырька. При этом жировые частицы, теряя часть защитной оболочки, флотируются воздушным пузырьком и образуются мелкие первичные масляные конгломераты. Далее первичные масляные конгломераты флотируются другими пузырьками воздуха, образуя более крупные масляные конгломераты. Описанный процесс в конечном итоге приводит к образованию масляных зерен. По А. Белоусову [17], флотирующее действие воздушных пузырьков, вызванное различной поверхностной активностью конгломератов, является одним из основных факторов, вызывающих образование первичных масляных агломератов.
ТУ- '„» >? Г^^.* <1* ^ = ; "г * Л - > и
Исследования, выполненные им в ВИЭСХ совместно с В.А. Гущиным, полностью подтвердили правомерность использования основных положений флотационной теории маслообразования при исследовании влияния воздуха на дисперсный состав жира в свежевыдоенном молоке.
Засасывание воздуха насосами вызывает пенообразование, усиливающееся вследствие турбулентности течения, что отрицательно сказывается на оболочечных веществах и ведет к их переориентации. Последствия этого проявляются следующим образом: происходит десорбция адсорбированных оболочкой жировых шариков ферментов и повышается их активность; образуются агломераты из поврежденных и неповрежденных жировых шариков, что приводит к увеличению количества свободного жира; начинает проявлять активность липаза по отношению к свободному жиру, из-за чего повышается содержание свободных жирных кислот и появляются связанные с этим изменения сенсорных показателей.
Все три явления позволяют распознавать действие механических нагрузок. Так, Бек и Ройтер [13] показали, что с увеличением напряжения сдвига повышается активность ксантиноксидазы, что служит предпосылкой для ее усиленной десорбции с поверхности мембран жировых шариков.
Графические результаты влияния ламинарных и турбулентных течений с различной максимальной скоростью, при разных температурах и продолжительности воздействия нагрузки представлены на рис. 1.5 [14]. За исходную величину (100%) - исследователи приняли содержание жира в сыром молоке, не подвергнутом механической нагрузке. Если после образования агломератов жировых шариков профильтровать молоко через фильтр с порами определенной величины, то агломераты жира останутся на фильтре, а в прошедшем через него молоке будет лишь незначительное содержание жира. Наблюдения показали, что ламинарное течение с максимальной скоростью 2,03 м/с не вызывает образования агломератов. Этот процесс начинается с турбулентной области в зависимости от продолжительности механического воздействия при максимальной скорости примерно 6 м/с.
^ ?//- \ Ламинарное ^ 20 - I т~. , ^ ' , Турбулентное * ъ 50 '
О 3 6 8 П
Максимальная скорость щМ
Рис. 1.5 - Процентное содержание жира молока, подвергнутого нагрузке, в зависимости от времени воздействия и температуры молока: а—7 мин.; б—15 мин.; 1—температура 5 С; 2— температура 10 С; 3 — температура 15 С; 4 — температура 20 С; 5 — температура 25 С.
1—! ! 1
О 3 5 3 12
Максимальная скорость и0,мс
Образование свободного жира ведет к усиленному липолизу и выражается в повышении содержания свободных жирных кислот. Увеличение их в молоке наблюдается тогда, когда начинается образование агломератов, т.е. при максимальной скорости б м/с.
Проведенные нами исследования доильных установок различных типов показали, что при крайне неблагоприятном в гидродинамическом отношении монтировании трубопроводов, малых диаметрах труб и высокой производительности насоса действуют значительные механические нагрузки. Все это приводит к разрушение жировых шариков, повышению содержания свободных жирных кислот и налипанию жира на внутренние поверхности деталей молокопровода (рис. 1.6).
Незначительные механические нагрузки на молоко при доении с помощью доильной установки в ведра, небольшая высота напора, малая протяженность трубопроводов практически не вызывают увеличения содержания свободных жирных кислот. Повышение количества их в молоке при использовании доильных установок с доением в трубопровод, в частности с одним трубопроводом, можно объяснить усиленным засасыванием воздуха в
а б в
Рис. 1.6 - Потери молочного жира, вследствие налипания на: а - обратный клапан молочного насоса, б - всасывающий патрубок насоса, в - уплотннтсльное кольцо всасывающего патрубка насоса.
Содержание свободных жирных кислот в количестве 2,0 МЭКВ-Л"1 и выше относятся к пороговой величине вкуса.
Механические воздействия, превышающие допустимый уровень, например при слишком длительном перемешивании, использовании трубопроводов и насосов, засасывающих воздух, наличии сильной турбулентности, изменяют состояние молока и могут привести к ухудшению его качества.
1.2 Классификация существующих молочных насосов и рабочих органов центробежный молочный насос доильной установки и возникновением турбулентности,
В молочной промышленности насосы применяют в основном для перекачивания молока в молокохранительные резервуары при приемке его из автомобильных, железнодорожных цистерн и других емкостей, для транспортировки молока и жидких молочных продуктов на территории завода или цеха, а также в непрерывных технологических схемах обработки молока и производства различных продуктов для подачи и проталкивания продукта через другие аппараты, например через пластинчатые, трубчатые пастеризаторы и охладители, фильтры, герметические сепараторы, распылительные форсунки и другие аппараты [21].
К насосам для молока и молочных продуктов предъявляются следующие требования: насос должен оказывать возможно меньшее механическое воздействие (консистенция, жировая фаза молока) на продукт, не изменяя его природные свойства; рабочие органы насосов, соприкасающиеся с продуктом, должны быть выполнены из материалов разрешенных «Министерством здравоохранения и социального развития РФ» для контакта с молочными продуктами; конструкция насосов должна обеспечивать безразборную мойку или быструю и легкую разборку для мойки; насосы должны легко присоединяться к трубопроводам; насосы должны обеспечивать наибольшую подачу, при перекачивании молока из одной емкости в другую и создавать необходимое давление, при нагнетании продукта через аппараты технологической схемы при устойчивой подаче; насосы должны обеспечивать равномерную подачу продукта.
Насосы, используемые в молочной промышленности, по принципу действия разделяются на следующие типы: динамические и объемные.
Динамическими называются насосы, предназначенные для перемещения, главным образом, капельной жидкости под действием центробежных сил, сообщаемых рабочим колесом, при этом камера насоса постоянно сообщается с всасывающим и нагнетательным патрубком. К преимуществам насосов такого типа относятся: высокая плавность работы, высокая надежность (минимизация отказов при работе), большая производительность, равномерная подача, простота конструкции (малые габаритные размеры и масса), низкие эксплуатационные затраты [22].
Объемными называются насосы, предназначенные для механического, периодического вытеснения жидкости под действием рабочего органа из рабочей камеры, которая попеременно сообщается с входным и выходным патрубками. К общим свойствам насосов объемного типа относятся: цикличность рабочего процесса (порционность, неравномерность подачи), герметичность (разобщение патрубков), самовсасывание, жесткость характеристики насоса, независимость давления (от скорости движения рабочего органа), сложность конструкции.
Для подачи молока под давлением через другие аппараты, а также из-под вакуума необходимо выбрать насос, обеспечивающий большой напор, равномерную подачу и устойчивую производительность.
Нами была проведена работа по обобщению и систематизации существующих типов насосов для перекачивания молока и молочных продуктов [23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33]. Классификация насосов представлена на рис. 1.7.
Насосьг
Трений
Релиэерные -» Шланговые
Поршневые
Плунжерные иестеренные -ЦДиафрагмен ныв идносту- пенчатые
Многоступенчатые иднсюту- ^Т"пеичатые
Двухстороннего всасывания
Г*{ Консольные |~Т* ^Моноблочные ]—иГ
Виурйяыр
Осевые
Лопастные |- г» Консольные ~*1Центрооежныв
Многоступенчатые
Со свободным иэливом
Одностороннего действия
Одноплунжерные
Многоступенчатые
М ногопл у нже р н ые
Нагнетательные Ыэднощланговые 1 -Ыи ногошлангоаыеП
Одноступенчатые
Двустороннего действия с внешним зацеплением
С внутренним зацеплением
С одинарной ра&очей камерой
С двойной рабочей камерой г» Одновинтовые г» Винтовые
Двухвинтовые
Роторные —
Зубчатые
Пластинчатые
Роторно- вращательные
Роторно- поступательные
Рис. 1.7 - Классификация насосов для молока и молочных продуктов
В доильных установках сельского хозяйства России, рубежа 80-х - 90-х годов, для впуска и перекачивания молока из системы, находящейся под вакуумом, в систему с атмосферным давлением в основном использовались диафрагменные молочные насосы (рис. 1.8).
Рис. 1.8 - Диафрагменный молочный насос:
1 — всасывающий клапан, 2 — напорный клапан, 3 — молочный патрубок, 4, 6 — крышка, 5 — распорное кольно, 7 — узел диафрагм, 8 — блок пульсаторов, 9 — ниппель, 10 — регулировочный винт, 11,12 — диафрагмы.
Эти насосы имеют ряд недостатков [23]: повышенные требования к техническому уходу (сложная конструкция), низкая надежность, не высокая объемная производительность (в сравнении с насосами других типов), повышенная шумность при работе, плохая промывочная способность.
Для устранения приведенных недостатков отечественной промышленностью выпускались релизерные установки со шлюзовой камерой на 1,5 - 2 л. молока (рис. 1.9). В частности они обладали простотой в устройстве, надежностью и безотказностью в работе. Но имели существенные недостатки: невозможность перекачивания молока, в случае падения вакуума в доильной установке, безнапорное перемещение молока (необходимость применения дополнительного насоса). ; 7 /
Рис. 1.9 - Схема релизерной установки: 1 — вакуум-провод, 2 — молокосборнын цилиндр, 3 — патрубок к молокопроводу, 4 молочный шланг, 5 — шлюзовая камера, 6 — камера релизера, 7,8 — клапаны, 9 пульсатор, 10 — патрубок к вакуумнроводу.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом широко распространены центробежные молочные насосы. Это объясняется некоторыми их преимуществами: большой объемной производительностью, простотой конструкции, сравнительно большим сроком службы между ТО и ремонтом, низкими эксплуатационными затратами высокой эксплуатационной надежностью, способность эффективно перекачивать молоко из под вакуума, соответствием экологическим требованиям.
Результаты исследований Л.П. Карташова, В.А. Урбана направленные на определение технологических и эксплуатационных показателей этих насосов показали, что лопастные насосы соответствуют требованиям, предъявляемым к ним технологией машинного доения.
Опытным путем установлено, что производительность центробежного насоса больше и стабильнее, чем диафрагменного [24]. Это объясняется тем, что в центробежном насосе жидкость подается под действием центробежных сил инерции, при этом эксплуатационная надежность в 2,5...3 раза выше, чем у диафрагменного насоса.
Поэтому нами из широкого ряда насосов был выбран насос центробежного типа, т.к. лучше других обеспечивает достижение требований предъявляемых к насосам для молока и молочных продуктов. При этом, современные насосы центробежного типа имеют один существенный недостаток - это высокое гидромеханическое воздействие на молоко, в процессе перекачивания из молокосборника в молочный танк.
Так, в результате изучения процесса движения молока через насос доильной установки обнаружено, что его рабочее колесо оказывает наибольшее механическое воздействие на жировые частицы. Это объясняется следующими факторами, воздействующими на молоко в рабочей камере насоса: резкое увеличение поверхностей, с которыми контактирует молоко; ярко выраженный не установившийся режим движения молоковоздушной смеси; сравнительно большие скорости, ускорения и их градиенты; большие поверхности раздела между молоком и воздухом; гидромеханические удары [2].
К сожалению, отечественные молочные насосы из-за ряда конструктивных и производственных недостатков, приводят к травмированию дисперсного состава жировой фазы. Причиной потерь жира при прохождении через насос является несовершенная конструкция его рабочего колеса.
Для минимизации потерь жира необходимо оптимизировать профиль лопастей рабочего колеса насоса. Поэтому на начальном этапе исследований нами были обобщены и систематизированы существующие типы конструкций лопастных рабочих колес [22, 25, 26, 27, 29]. Результаты исследований представлены на рис. 1.10.
В зависимости от быстроходности лопастных насосов, характеризуемой коэффициентом быстроходности п8, конструктивные схемы рабочих колес классифицируют следующим образом: центробежные (тихоходные, нормальные, быстроходные), диагональные, осевые [25, 26, 27].
Наименьшее механическое воздействие на молоко оказывает центробежное колесо тихоходного типа, поэтому принимаем его конструкцию для дальнейшей оптимизации. При этом ограничимся цилиндрическими лопастями, т.к. профилирование пространственных лопастей является слишком трудоемкой работой, объем которой не может быть ограничен кандидатской диссертационной работой. типа ними лопатками —1 1С пространствен-;
I чшд —' ипип днищ дяди ^Многоступенчатые)—
I 1олуоткрыв И С двухсгорон- ЦШМН..ТОПаиаыю
С лопатками олипарной кривизны С лопатками | тихоходные! }_<50-1 80) Г
Нормальные'
ГНП 1М11 ыстроходныс 50 п. 350) того типа 1 Ьими .лопатками
Лопастные рабочие колеса
Закрытого типа
Открытого типа
Д нагонял ьные | (350 п. 500)
С олн о сторон- .ними .юна!ками!
С двухсторонними лопатками | Одноступенчатые | -1~|М ] ] о госту пе нч атыс|
С одноступенчатыми лопатками
С многоступенчатыми [разрезными) лопатками
Осевые (500 п, 1500)
Рис. 1.10 —Классификация лопастных рабочих колес молочных насосов
В молочной промышленности применяют центробежные насосы одноступенчатой конструкции (рис. 1.11). Они имеют вращающееся рабочее колесо 4, расположенное в корпусе 8, к которому присоединен патрубок для подвода жидкости к лопастному колесу и патрубок для отвода потока жидкости от него. В корпусе происходит преобразование энергии потока в давление [34].
Рабочее колесо представляет собой камеру, ограниченную двумя дисками, в которой расположена система лопастей 1. Лопасти находятся на одном из дисков и образуют криволинейные каналы для прохода жидкости. В камеру рабочего колеса жидкость поступает через отверстие в центре одного диска и выходит из канала 5 по окружности. В центробежных насосах для молока входное отверстие расположено в крышке 7 насоса и соединено со всасывающим патрубком 6. При вращении рабочего колеса в камере, заполненной молоком, возникает взаимодействие потока с колесом, в результате которого молоку сообщается вращательное и поступательное движение в каналах. Частицы молока приобретают скорость и давление, т. е. механическую энергию. Под действием давления и скорости молоко из каналов рабочего колеса нагнетается в кольцевой или спиральный канал 2 внутри корпуса, а затем в нагнетательный патрубок 3 [21].
Рис. 1.11 - Центробежный насос для молока: 1 — лопасти; 2, 5 - каналы; 3 - нагнетательный патрубок; 4 - рабочее колесо; 6 - всасывающий патрубок; 7 - крышка; 8 - корпус.
При выходе молока из рабочего колеса в нем создается некоторое разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление новых порций молока.
Приращение энергии потока жидкости в рабочем колесе зависит от скоростей протекания потока, частоты вращения колеса, его размеров и формы.
1.3 Обзор существующих насосов для перекачивания молока
Широкое применение насосов в различных отраслях народного хозяйства привело к созданию ряда конструкций молочных насосов. В настоящее время разработано большое количество центробежных молочных насосов для молочных ферм. Ряд предприятий наладил их выпуск (таблица 1.2). Из крупнейших отечественных производителей молено выделить ОАО «Кургансельмаш» [35] и ЗАО НТКФ «Агроживмаш-технология» [36], которые выпускают насос молочный универсальный НМУ-6; Бийский завод «Молмашстрой» - центробежный насос ОНЦ 6,3/20К-1,5/2; НЛП "Насосы и уплотнения" [37] - центробежный самовсасывающий насос ОНЦс 6,3/25К- 2,2/2, динамический ламинарный насос ОНЛ 50-50-150К-3/2, роторный самовсасывающий насос ОНР 9/16К-2,2/8, вихревой самовсасывающий насос ВКс 6,3/15К-2,2/2; ЗАО «Московский насосный завод №1» [38]- центробежный насос ОНЦ1М-6,3/20-5-35.
Таблица 1.2 — Характеристики насосов для молочной промышленности
Из зарубежных производителей молочных насосов нужно отметить фирму "Tapflo" (Швеция) [39] производящую мембранные насосы Tapflo Т 125SET; фирму S. A. CHRISTENSEN & СО (Дания) [40] - диафрагменные молочные насосы SAC М, съемный молоконасос центробежного типа; фирму "Aifa Laval" (Швеция) [41] - насосы центробежные SolidC-1.
Так в ОАО «Кургансельмаш» разработан молочный насос НМУ-6 (рис. 1.12) в котором рабочая жидкость нагнетается двухлопастной крыльчаткой [31]. Существенными конструктивными недостатками насоса являются интенсивное взбивание молока крыльчаткой 7, лопасти которой прямолинейны и расположены радиально, и подсос воздуха из под обратного клапана 3 насоса и уплотнительного наконечника 15. Процесс взбивания молока происходит более интенсивно при процессе подсоса воздуха.
Рис. 1.12 - Молочный насос НМУ-6
Заполнение рабочей камеры центробежного насоса является основным условием для гарантированного запуска в работу. При отсутствии этого нарушается параллельность плоскости крыльчатки 7 по отношению к задней стенке 9 и корпусу насоса 6. В результате происходит потери производительности, дополнительный расход электроэнергии, а также сбивание жировых шариков молока. При периодически частом включении наблюдается нарушение уплотнения и выход из строя графитного сальника. Устранить эти дефекты можно только посредством механической обработки рабочих поверхностей (задней стенки, корпуса насоса) или полной их замены.
Бийским заводом «Молмашстрой» предложен молочный насос ОНЦ 6,3/20К-1,5/2 (рис.1.13), который представляет собой двухлопастной насос центробежного типа с закрытым рабочим колесом. Недостатками насоса являются: нестабильная работа при выводе молока из под вакуума доильной установки, вследствие возникновения перетекания жидкости в рабочей камере насоса; плохая промывочная способность бачка 8 для резервной жидкости; интенсивное взбивание молока рабочим колесом 2.
Рис. 1.13 - Молочный насос ОЦН 63/20К-1,5/2
Центробежные молочные насосы типов: OHJ1 50-50-150К-3/2, ОНЦс 6,3/25К-2,2/2, ОНР 9/16К-2,2/8, ВКс 6,3/15К-2,2/2, выпускаются НПП "Насосы и уплотнения". Насос ОНЛ 50-50-150К-3/2 (рис 1.14) имеет следующие недостатки: плохая промывочная способность бачка 8 для резервной жидкости; интенсивное взбивание молока рабочим колесом 2.
Рис. 1.14- Насос ОНЛ 50-50-150К-3/2
Насосы ОНЦс 6,3/25К-2,2/2, ОНР 9/16К-2.2/8 и ВКс 6,3/15К-2,2/2 (рис. 1.15) имеют общее свойство конструкции - самовсасывание. В связи с этим интенсивность воздействия на поток молока высокая, а это неотъемлемо приводит к сильному гидромеханическому воздействию на молоко и к травмированию жировой фазы молока,
а б в
Рис. 1.15-Насосы для перекачивания молока: а - ОНЦс 6,3/25К-2,2/2, б - ОНР 9/16К-2,2/8, в - ВКс 6,3/15К-2,2/2
ЗАО «Московский насосный завод №1» выпускает центробежный насос ОНЦ1М-6,3/20-5-35 (рис. 1.16), который обладает недостатками аналогичными насосу ОЦН 6,3/20К-1,5/2 завода «Молмашстрой».
Рис. 1.16- ОНЦ1М-63/20-5-35
Фирмой "ТарАо" (Швеция) производится мембранный насос ТарЯо Т 1255ЕТ. Эта серия насосов спроектирована для применения в таких отраслях промышленности как: пищевая, пивоваренная, фармацевтическая и косметическая. Изготовлен насос из нержавеющей стали, соответствует гигиеническим требованиям.
Принцип действия основан на возвратно поступательном движении вала, соединенного с двумя мембранами (рис. 1.17). Насос в работу приводится под действием попеременного нагнетания воздуха в камеры между мембранами. После достижения максимального отклонения первой мембраны наступает автоматическое переключение распределителя, и воздух перемещается в камеру под второй мембраной. « Вщ -* Ц№ 2
а б
Рис. 1.17 - Мембранный насос ТарЛо Т 1255ЕТ: а - принцип действия, б - в сборе.
Преимущества: безопасная работа в сухую, тонкая плавная регулировка подачи, самовсасывание до 8 м., прочная конструкция, незагрязняющая система воздухораспределения. При этом у насоса есть существенные недостатки: качественная промывка достигается только при разборке и стерилизации деталей в оборудовании С.I.P и S.I.P. (выпускаемое фирмой "Tapflo"), ценовая категория насосов такого класса, составляющая 3135 euro, недоступна для большинства отечественных молокопро из водителей.
Фирма S, A. CHRISTEN SEN & СО. (Дания) производит серию молочных насосов специально для применения в доильных установках, среди них: диафрагменные молочные насосы SAC М, съемный молоконасос центробежного типа, частотно-регулируемый молочный насос.
Диафрагменный молочный насос SAC М (рис. 1.18), управляемый вакуумом, сконструирован для доильных залов, которые спроектированы для работы на вакууме, т.е. потребность в доении без электричества (например, в областях с нерегулярным электропитанием). Производительность молочного насоса - 1000 л/ч., при 40 кРа. Насос применим для доильных установок до 4 доильных аппаратов.
Рис. 1.18-Диафрагменный насос SAC М
Достоинства: эффективность промывки насоса без разборки вместе с комплектом вакуумного контроля, небольшое разрушение молочных жировых частиц. Недостатки насоса: насос применим для доильных установок до 4 доильных аппаратов, ценовая категория насоса недоступна для большинства отечественных молокопроизводителей.
Съемный молоконасос SAC центробежного типа (рис. 1.19), разработан для не стационарного многофункционального применения в условиях небольших фермерских хозяйств.
Рис. 1.J9 - Съемный молоконасос SAC центробежного типа
Преимущества насоса: многофункциональность (использование в разных участках линии доильной установки), мобильность в применении, компактность насоса, легкость в промывке, исключение подсоса воздуха в насос (применение статичного клапана). Недостатки: интенсивное взбивание молока рабочим колесом (травмирование жировой фазы молока), нестабильная работа при выводе молока из под вакуума доильной установки (невысокая напорная характеристика).
Частотно-регулируемый молочный насос SAC (рис. 1.20) относится к насосам объемного типа и применяется с целью контроля уровня давления в м олокос бор н ике.
Рис. 1.20 - Частотно-регулируемый молочный насос SAC
Насос позволяет произвести регулирование числа оборотов ведущего ротора от 0 до 120 % от номинального значения. Такая регулировка необходима для поддержания постоянного уровня молока и значения вакууммегрического давления в молокосборнике и, таким образом, гарантирует, что молоко выкачивается из резервуара в том же количестве, в каком оно поступает в молокосборпик. Преимущества: поддержание постоянства вакуума в молочной линии, создание условий для снижения травмирования жировой фазы молока, эффективность охлаждения молока, за счет равномерной подачи молока во время дойки, минимизация затрат электроэнергии и потерь тепла в режиме промывки молочной линии, за счет увеличения подачи насоса на 20% от номинального значения.
Фирма "Alfa Laval" (Швеция) выпускает насос центробежного типа SofidC-Црис. 1.20), который представляет собой цилиндрическую рабочую камеру из нержавеющей стали, с шестилопастным пространственным рабочим колесом открытого типа (рис. 1.21). Недостатками насоса являются: нестабильность процесса перекачивания молока из под вакуума при минимальной подаче, ценовая категория насоса (3500 euro) недоступна для большинства отечественных молокоироизводителей.
а б
Рис. 1.20 - Насос центробежного типа SolidC-l: а - схема конструктивная, б - в сборе.
Рис. 1.21 — Рабочее колесо центробежного насоса SolidC-1
Существующие конструкции насосов для перекачивания молока обладают одним общим недостатком - это интенсивное гидромеханическое воздействие на жировую фазу молока. Причем, некоторые зарубежные насосы с меньшей степенью воздействуют на качественные параметры молока, но при этом их стоимость как минимум в 35 раз превышает стоимость аналогичных типов отечественных насосов.
Для решения вышеизложенных проблем необходимо оптимизировать конструктивно-эксплуатационные параметры отечественных насосов центробежного типа, поэтому необходимо выявить все факторы, влияющие на эффективность процесса перекачивания молока.
1.4 Анализ конструктивных схем рабочих органов молочных насосов
Новейшие исследования в области оптимизации конструктивных параметров рабочих органов насосов были проведены д.т.н., профессором В.Г. Мохнаткиным, д.т.н., профессором В.Н. Шулятьевым и инж. P.M. Горбуновым («Вятская государственная сельскохозяйственная академия», г. Киров), к.т.н. В.М. Русских (ЗАО «ОКБ ОСКОН», г. Глазов), д.т.н., профессором Л.П. Карташовым и к.т.н. В.А. Урбаном («Оренбургский государственный аграрный университет»), д.т.н., профессором И.Н. Красновым и к.т.н. А.Н. Федюшиным (Азово-черноморская государственная агроинженерная академия, Зеленоград).
Так, исследованиями В.Г. Мохнаткина, В.Н. Шулятьева и P.M. Горбунова [42, 43, 44, 45, 46] было установлено, что максимальные преобразующие свойства нагнетателей-преобразователей (молочный насос многоцелевого назначения) достигаются при следующих оптимальных конструктивных параметрах (рис. 1.22): лопасти и неподвижные лопатки молочного насоса должны быть расположены радиально, число основных лопастей равно 6, число дополнительных лопаток равно 6, угол установки лопастей для насосов с прямолинейной формой лопасти равен (32 = 0.
1 - отвод; 2 - лопатки; 3 - лопастной диск; 4 - отбойные пласгины; 5 - радиальные лопасти; 6 — тангенциальные лопасти; 7 - корпус.
В работе В.А. Урбана [24] оптимальной конструкции рабочего колеса насоса, соответствуют следующие значения параметров (рис, 1.23): торцевой зазор - 2,5 мм, количество лопастей - 5, Лопатка очерчена по дуге окружности
1 - лопатки; 2 - ведущий диск; 3 - входное отверстие. радиусом 55 мм, центр которой располагается на дуге центральной окружности радиусом 32,5 мм, центр которой является ось рабочего колеса.
В работе В.М. Русских [47, 48, 49, 50] оптимальную конструкцию представляет полуоткрытое рабочее колесо (рис. 1.24) с 4-мя лопатками, диаметр входа 43 мм, диаметр выхода 105 мм, высота лопасти — 8 мм, угол установки - 20.
Рис. 1.24 - Конструкция рабочего колеса центробежного насоса: 1 -диск основной; 2 — диск лопастной; 3 — диск покрывающий.
В работе А.Н. Федюшина [51, 52] обосновывается усовершенствованная конструкция диафрагменного молочного насоса (рис. 1.25) для доильных установок типа УДС-ЗА с молокопроводом. Определены следующие рациональные параметры насоса: доение мойка глубина вакуума в системе пневмопривода, кПа подача, м3/ч объем рабочей камеры, л. частота двойных ходов блока мембран, Гц ход блока мембран, мм диаметр клапанов, мм произведение линии пневмопривода, мм2
Рис. 1.25 - Конструкция диафрагменного молочного насоса: I, II, III - камеры насоса; 1, 2, 3 — тензодатчикн; 4 — крышка насоса; 5 — корпус насоса; 6 — корпус рабочей камеры; 7, 8 - мембраны насоса; 9 — корпус датчика; 10, 12 - тензосопротивления; 11 — пластина; 13 — выводы датчиков.
Проанализировав схемы диафрагменных молочных насосов нами были выявлены серьезные недостатки: ненадежная работа, сложность в изготовлении конструкции, плохая промывочная способность, потери порции молока при переходе из режима «дойка» в режим «мойка» молокопровода.
Ни в одной из вышеперечисленных работ не рассматривался процесс гидромеханических воздействий рабочих органов насоса (колеса, диафрагмы) на молоко, в сочетании с явлением подсоса воздуха, которые приводят к травмированию белковых оболочек жировых шариков.
Таким образом, возникает необходимость оптимизировать конструктивно-эксплуатационные параметры молочного насоса, с целью снижения травмирования молочного жира, за счет сохранения постоянного воздействия лопастей колеса на жировые шарики молока, не превышающего предельного значения.
1.5 Факторы, влияющие на эффективность процесса перекачивания молока насосом
Эффективность использования центробежных молочных насосов для ' доильных установок определяется целым рядом факторов (рис. 1.26).
Основные определяющие факторы, оказывающие влияние на работу центробежного молочного насоса, можно разделить на три группы: конструктивные, эксплуатационные, технологические [25].
Опыт применения насосов центробежного типа на молочных фермах позволил выделить главные факторы, оказывающие наибольшее влияние на производительность и срок службы насоса. К ним относятся конструктивные, а именно, параметры внутренних поверхностей насоса, объемные параметры, и эксплуатационные - физико-химические свойства молока.
Рис. 1.26 - Классификация факторов
Кроме этого, существенное влияние на производительность и срок службы насосов оказывает зазор между торцевой плоскостью рабочего колеса и корпусом насоса (рис. 1.27), который не должен превышать 2,3 - 2,5 мм. [24]. При его увеличении до 3 - 4 мм возрастает перетекание молока из нагнетающей
При включении насоса, в рабочую камеру из-под обратного клапана попадает воздух. Во время работы насоса воздух перемещается во всасывающий патрубок и, перекрыв сечение патрубка, препятствует полному поступлению молока в рабочую камеру. Зависимость объема воздушного пространства рабочей камеры от величины вакуума (рис 1.28) показывает, что при увеличении вакуума воздушное пространство в рабочей камере возрастает, а при уменьшении соответственно сокращается.
Между подачей насоса V, его напором Н, потребляемой мощностью N и частотой вращения рабочего колеса п имеется зависимость [22]: V _ п Н _ п \ N (1.6)
К, ~ пх ' Я, ~ п] ' N. ~ пъ{ нагнетательной полости во всасывающую, в результате чего подача насоса уменьшается на 30 - 40%, а при зазоре 4 - 10 мм на 80 - 90%. ст.мм
2 4 б 8 Ю 12 14 16 (Хм1
Рис. 1.27 - Влияние торцевого зазора (У на производительность насоса
Она показывает, что с изменением частоты вращения колеса соответственно изменяются величины напора и потребляемой мощности, величина подачи прямо пропорциональна скорости вращения, напора, пропорциональна частоте вращения колеса в квадрате, потребляемой мощности, пропорциональна частоте вращения в кубе.
На рис. 1.29 представлена зависимость напорной характеристики от величины вакуума. Как видно, уменьшение величины вакуума ведет к о 0,1 0,2 0,3 0,4 у 10"ы
Рис 1.28 - Зависимость объема воздушного пространства V в рабочей камере насоса от величины вакуума рв в системе
0,00279-0,09553 дм3, м . = 0,00453-0,1224 дм3,
0,00993-0,1672 дм3, . . _ 0,0191-0,2035 дм3. увеличению производительности, а при увеличении вакуума - к снижению. Так как в системе доильной установки вакуум должен находится в пределах 47- 50 кПа, то наиболее подходящая характеристика при давлении 50 кПа.
Рис. 1.29 - Зависимость напорной характеристики от величины вакуума
Рис. 1.30 - Зависимость удельной мощности от величины вакуума
0.2 0,.'. 0.6 0.8 1 V V 1.6
Н.кВгг,
Производительность насоса возрастает пропорционально плотности рабочей жидкости. Рост производительности опережает увеличение потребляемой мощности, что приводит к незначительному увеличению КПД насоса. Применение рабочих жидкостей с вязкостью большей, чем вязкость молока, приводит к уменьшению производительности и увеличению потребляемой мощности, затрачиваемой на вращение рабочего колеса центробежного молочного насоса [25].
Из основных конструктивных факторов можно выделить число лопастей, угол установки лопасти на входе в колесо и выходе из него, полярный угол установки лопасти, шаг лопастей, торцевой зазор, диаметр колеса на входе и выходе.
В результате изучения факторов, достижение эффективного процесса перекачивания молока центробежным насосом доильной установки возможно только в случае оптимизации конструктивных и эксплуатационных факторов.
Отличительной способностью центробежных молочных насосов является практически постоянное, независимое от создаваемого давления, значение потребляемой приводом мощности. Это обусловлено тем, что до 60% мощности расходуется на преодоление местных сопротивлений, и лишь 20 - 25% на перемещение жидкости через насос. Поскольку приведенные характеристики насосов имеют крутопадающий характер, удельные затраты мощности на кубометр перекачиваемой жидкости резко отличаются на разных режимах работы насосов (рис. 1.30). Это приводит к 1,5 - 2 кратному перерасходу электроэнергии на привод рабочего колеса молочного насоса.
1.6 ВЫВОДЫ
При большом разнообразии конструктивных схем молочных насосов наиболее рациональными являются центробежные молочные насосы тихоходного типа. Однако, современные серийно выпускаемые центробежные молочные насосы имеют ряд существенных недостатков: небольшая производительность, большая удельная металлоемкость, нестабильность работы при подсосах воздуха в рабочую камеру насоса, находящуюся под вакуумом, высокие энергозатраты, высокая травмируемость молочного жира рабочим колесом.
Эти недостатки объясняются отсутствием научно-обоснованных расчетов конструктивно-эксплуатационных параметров молочного насоса.
Для эффективного раскрытия темы и достижения цели исследования необходимо последовательно решить следующие задачи:
Оценить влияние насоса на качество перекачиваемого молока, разработать классификацию факторов, влияющих на эффективность процесса перекачивания молока насосом, провести анализ конструктивных схем молочных насосов, выявить их преимущества и недостатки;
Провести теоретическое обоснование процесса перекачивания молока насосом;
Создать программные средства с использованием ЭВМ для моделирования профиля лопасти рабочего колеса и процесса работы молочного насоса;
Создать стенд, комплекс устройств и установок для исследования процесса перекачивания молока насосом, разработать частные методики экспериментальных исследований процесса;
Провести лабораторные и производственные испытания разработанных технических средств, дать экономическую оценку внедрения рабочего колеса и устройства для заполнения молочного насоса.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕКАЧИВАНИЯ МОЛОКА НАСОСОМ ДОИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Выбор реологических параметров молока
Физико-химические свойства классифицируют по виду влияния дисперсных фаз на две группы: свойства, на которые существенно влияют частицы всех дисперсных фаз (например, плотность), и свойства, обусловленные преимущественно самой фазой (например, истинно растворимые составные части, которые вызывают изменение температуры замерзания) [11].
При рассмотрении вопроса взаимодействия насоса доильной установки с молоком примем во внимание свойства, относящиеся к первой группе. Наибольшая степень влияния конструктивных параметров рабочего колеса на реологические свойства молока проявляется в следующих параметрах: плотность, вязкость и размер жировых частиц молока.
2.1.1 Определение плотности молока
Плотность молока зависит от количества влаги, сухого обезжиренного остатка (лактоза, белок, соли), жира и содержание воздуха в молоке [11].
Наибольший интерес для исследования процесса транспортировки молока представляет изучение зависимости плотности от содержания в нём воздуха. Стандартом установлена плотность закупаемого молока 1027 кг/м*. Для смешанного молока диапазон значений плотности от 1026 до 1034 кг/м3.
Выражение для определения плотности молока имеет вид: r i л 1 —— V 100 У
100-./ 100 (2.1)
Р1 Р<-Р 1ПЛ Рср где j - содержание воздуха в молоке (интервал j от 0 до 100%), %, рср - значение базисной плотности (при содержании воздуха в молоке 0% - рср=1030 кг/м ), кг/м .
Результаты расчетов представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Зависимость плотности смеси от содержания воздуха в молоке
Упростив выражение (2.1), получим: (2.1) р} =1030-
1030-1,03-у,
2.1.2 Определение вязкости молока
Вязкостью называют сопротивление жидкостей течению. Знание текучести веществ очень важно для транспортировки их по трубопроводам и перекачивания насосами. Для характеристики реологических свойств вязких жидкостей служит кривая вязкости [11], отражающая зависимость между вязкостью ц и градиентом среза (скорости) с. На рис. 2.1 [11] изображена кривая вязкости ц = [(с).
Рис. 2.1 - Кривая вязкости для сырого молока
На вязкость молока оказывают влияние эмульгированные и коллоиднорастворимые частицы, б частности концентрация жира, величина жировых частиц и распределение их по размерам, наличие агломератов жировых шариков, содержание казеина и его состояния, состояние сывороточных белков, обработка молока после доения (сильное механическое воздействие, нагревание), возраст молока. Самое сильное влияние на вязкость молока оказывает жир.
В процессе гомогенизации молоко испытывает механические нагрузки, приводящие к образованию в нем агломератов жировых шариков. Интенсивное образование агломератов в таком молоке становится причиной повышения вязкости молока (рис. 2.2) [11].
В отличие от сырого молока с таким же содержанием жира гомогенизированное молоко показывает незначительное отклонение от текучести ньютоновской жидкости в довольно широком диапазоне градиента среза (рис. 2.1). При низком значении градиента среза сырое молоко обладает
1 2 3 ^ Ж ,% Рис. 2.2 - Кривая вязкости молока подвергнутого неполной гомогенизации
Расчет вязкости для ньютоновской жидкости. Чистое молоко при действующем на него усилии сдвига г, прямо пропорциональное градиенту скорости (среза) с, обладает свойствами ньютоновской жидкости. Жидкость, находящаяся в таком состоянии, подчиняется закону вязкости Ньютона: т = г]-с, (2.2)
При этом с находится в интервале от 400 до 1500 с"1 (рис. 2.1). Жирность молока частично гомогенизированного (после перекачивания насосом) будет находиться в интервале от 0 до 2,86% (рис. 2.2).
Разобьем кривую г} = /(Ж) на три элементарных участка АВ, ВС, СО таким образом, чтобы кривизна этих линий на каждом из участков была наименьшей. С некоторой долей порешности примем каждый из выделенных участков за отрезки прямых линий. ярко выраженными структурно - вязкостными свойствами.
Итак, написание численной связи /; = /(Ж) сводится к решению уравнений прямой, проходящей через 2 точки [53] для каждого отрезка.
Общий вид уравнения: (2.3) уК-, — УК)
Первый отрезок АВ заключен между точками с координатами: т. А (0;1,6) и т.В (1;1,71). Подставим координаты в уравнение (2.3), получим: = о),
Второй отрезок ВС заключен между точками с координатами: т.В (1;1,71) и т.С (2; 1,86). Подставим координаты в уравнение (2.3), получим: — 0,15-Ж+ 1,56, (2.5)
Третий отрезок СЭ заключен между точками с координатами: т.С (2; 1,86) и т.О (2,86;2). Подставим координаты в уравнение (2.3), получим:
2,86-2 4 7 // = 0,163 -Ж +1,534, (2.6)
Полученные выражения (2.4), (2.5), (2.6), соответствующие ньютоновской жидкости подставляем в выражение (2.58) раздела 2.2.1.
Расчет вязкости для неньютоновской жидкости отличается зависимостью вязкости от величины напряжения сдвига Т , или градиента скорости с , а также от продолжительности процесса течения. Вязкость молокаснижается по мере увеличения напряжения сдвига, при этом градиент скорости с уменьшается. Такой вид неньютоновской жидкости называется структурной, причем она проявляется в том случае, если растворенные частицы крупнее молекул растворителя (жировые частицы молока).
Текучесть неныотоновской жидкости можно выразить логарифмической формулой Оствальда и Де Ваеле [15]: т = к-с'\ (2.7) где к - константа, характеризующая меру консистенции, п - отклонение от неньютоновского состояния текучести (для структурно-вязкой текучести п< 1).
При структурно-вязких свойствах жидкости с меньше 400 с"1, поэтому жирность будет находиться в интервале от 2,86 до 6 %. (2.8)
Радиус кривизны линии ЭЕ (рис. 2.2) стремится' к бесконечности, поэтому с некоторой долей погрешности примем линию ЭЕ за отрезок. Тогда уравнение этой прямой, проходящей через 2 точки (т.Б (2,86;2), т.Е (4;2,23)) согласно уравнению (2.3) имеет вид: = 2,23 2 (Ж_ у 4-2,86 /7 = 0,202 -Ж + 1,423
Полученное выражение (2.8) для неньютоновской жидкости подставим в выражение (2.58) раздела 2.2.1.
2.1.3 Определение градиента скорости
На жировую частицу со стороны потока молока действует результирующая сила Р (главного вектора) по касательной к рабочей поверхности лопасти, которая характеризуется изменяющейся скоростью (IV по мере перемещения частицы от центра колеса к периферии. В этом случае: (2.9) где с/п - перемещение жировой частицы в направлении нормали, проведенной в каждой точке взаимодействия частицы с лопастью.
с
Определим математическую взаимосвязь градиента скорости с от жирности молока при помощи графических зависимостей (рис. 2.1, рис.2.2). (2.10) (2.11)
Расчет градиента скорости для иъютоновскои жидкости. Анализируя график кривой вязкости (рис. 2.1), видим, что при ньютоновских свойствах жидкости (с >400 с"1) градиент среза прямо пропорционален динамической вязкости. Для значений // от 1,6 до 2 сП зависимости г]- /{Ж) определены в п.2.1.2.
Найдем математическое описание функции = /(с), при с >400 с" с помощью уравнения прямой, проходящей через 2 точки [53]: т. С (400; 2) и т. 0(1500; 1,6) >Ь - п 1 Г — ч с, - с,
В результате вычислений имеем: с = 5900 - 2750/7 ,
Подставим выражения (2.4), (2.5), (2.6) в (2.11), получим: -для участка АВ (рис. 2.2): с-= 5900-2750-/7 = 5900-2750-(0,11-Ж+ 1,6) = 1500-302,5-Ж , (2.12) -для участка ВС (рис.2.2): с = 5900 - 2750 г} = 5900 - 2750 (0,15 Ж* +1,56) = 1610 -412,5 - Ж , (2.13) -для участка СО (рис.2.2): с = 5900-2750 ц = 5900-2750 (0,163 Ж +1,534) = 1681,5 -448,25 Ж, (2.14) (2.15) (2.16) (2.17)
Расчет градиента скорости для ненъютоновской жидкости. При структурно-вязкой текучести жидкости (с >400 с"1) зависимость градиента скорости от вязкости принимает параболический вид (см. рис. 2.1). Для нахождения этой зависимости запишем уравнение параболы, проходящей через
3 точки (т. А (114,29; 2,5), т. В (200; 2,25), т. С (400; 2)) [54]:
7]{с) - а2 с2 + с -ь я,
Подставим координаты точек А, В, С в уравнение (2.15), получим систему уравнений, из которых найдем постоянные ао, , а2 - а2 - (114,29)2 + ах 114,29 + а0= 2,5 а2 - 2002 + ау - 200 + а0 = 2,25 а2 -4002+аЛ -400 + я0 =2
После несложных математических преобразований, получим: #0=2,97, #1=0,00475, =5,84-10~б. Тогда уравнение параболы кривой вязкости следующее: ф) = 5,84 1О"6 с2 - 0,00475 с + 2,970 (2.18)
Приравняем уравнения (2.17) и (2.8) для получения зависимости с = /(Ж). Получим квадратное уравнение:
5,84- 1(Гб с2 -0,00475 с +1,544 - 0,202-Ж = 0
Решив уравнение (2.18), получим два корня. Тогда значения градиента среза, соответствующие левой ветви параболы (рис. 2.1) найдем из следующего выражения (положительный корень уравнения 2.18): {2Л9)
475,35 Ю-5 - ^4,72 - КГ6 - Ж- 1Л5 10
11,86-КГ6
Похожие диссертации на Совершенствование процесса перекачивания молока насосом доильной установки
-
-
-
-
