Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования
1.1 Характеристика современного уровня развития молочных перерабаты вающих производств 7
1.2 Особенности и требования к работе сепараторов-разделителей 11
1.3 Краткая характеристика и особенности продукта разделения 13
1.4 Характеристики технологий и технических средств, используемых для разделения молока 15
1.5 Достоинства и недостатки современных средств разделения 20
1.6 Цель и задачи исследования 30
Глава 2. Теоретическое обоснование процесса разделения и очистки молока и конструктивно-технологических параметров рабочих органов сепаратора-разделителя-очистителя
2.1 Теоретическое исследование процесса сепарирования и обоснование его основных параметров 31
2.2 Определение диаметра отверстий сопла в целях создания вращающего момента 38
2.3 Условие предупреждения критических резонансных частот 40
2.4 Анализ вращения тела с постоянно изменяющейся массой молока 41
.2.5 Анализ вращения тела с постоянно разделяемой массой 45
2,6 Условие невозможности встречи струи с сопловым выступом 56
2.7 Влияние угловой скорости барабана на расход через сопла 59
Глава 3. Исследование процесса разделения молока
3.1 Планирование эксперимента 62
3.2 Общая методика экспериментальных исследований реактивного гидропривода. 73
3.3 Описание и принцип действия лабораторной установки 74
3.4 Методика и техника эксперимента 83
3.4.1 Запись частоты вращения барабана 85
3.4.2 Технология приготовления рабочей жидкости 85
3.4.3 Определение эффективности разделения 86
Глава 4, Экспериментальная оценка воздействия выбранных факторов на выходные параметры технологического процесса
4.1 Влияние факторов на производительность сепаратора при разделении рабочей жидкости на составляющие - 88
4.2 Действие факторов на частоту вращения барабана сепаратора 91
4.3 Влияние факторов на разделясмость суспензии 92
4.4 Влияние факторов на время разгона, необходимое для достижения рабочей частоты вращения 94
Основные выводы , , 100
Список литературы 102
Приложения
- Характеристика современного уровня развития молочных перерабаты вающих производств
- Теоретическое исследование процесса сепарирования и обоснование его основных параметров
- Планирование эксперимента
- Влияние факторов на производительность сепаратора при разделении рабочей жидкости на составляющие
Введение к работе
Натуральное молоко в России используется следующим образом: на
производство цельномолочной продукции направляется около 42 % заготов
ляемого молока, около 46% масла, 7 -8 % сыра, 5% молочных консервов /55/.
V По неофициальным данным около 20% молока «теряется» на стадии произ-
водства и переработки - крайне низка глубина переработки молока, практически не используются так называемые «вторичные ресурсы» (сыворотка, обезжиренное молоко, пахта).
Северо - Западный регион характеризуется наиболее интенсивным развитием молочного скотоводства с ярко выраженной специализацией производства цельномолочной продукции. Молочному направлению скотоводства соответствует структура стада с удельным весом коров 60% и выше. Ремонтный сверхремонтный молодняк выращивается в специализированных фермах и хозяйствах. Для региона характерна высокая распаханность земель и ограничение площади природных кормовых угодий.
Основными производителями молока и мяса КРС являются фермы общественного сектора, где производится 52-53% молока, а также личные подсобные хозяйства (ЛПХ).
При этом удельный вес ЛПХ в производстве молока в 1996 г. составил 45%/55/.
Первая группа товаропроизводителей относится к числу крупных сель
хозпредприятий. Их количество составляет 30, 6 тыс. предприятий (колхозы,
* совхозы, акционерные общества, агрофирмы и т. д.), которые поставляют
90% товарной продукции.
Вторая группа товаропроизводителей - около 13 млн. личных подсобных хозяйств жителей сел и небольших городов. Продукция ЛПХ в основном используется для собственного потребления и только некоторая часть ее является товарной.
Третья группа товаропроизводителей - 269 тыс. крестьянских (фермерских) хозяйств. В среднем на одно фермерское хозяйство приходится 42 га всей земли.
Первая группа товаропроизводителей (сельхозпредприятия) имеет 36, 2
млн. голов крупного рогатого скота, в том числе 12,8 млн. коров. Средний
\ удой на фуражную корову составляет 2250 кг, валовое производство молока
- 29,9 млн. т.
В личных подсобных и крестьянских хозяйствах содержится 12,7 млн. голов крупного рогатого скота, в том числе 7 млн. коров. Они производят 35,7% молока.
Первая группа товаропроизводителей практически обеспечена капи
тальными животноводческими помещениями. Уровень комплексной механи
зации зависит от размера ферм. На фермах с поголовьем до 100 коров произ
водственные процессы механизированы на 17,5%, от 101 - 200 коров - на
ї 36,7%, от 201 до 400 коров - на 41,5%. Практически полностью механизиро-
вано доение коров и поение скота. Уровень механизации раздачи кормов и уборки навоза - на 64 и 88% /55/.
Животноводческие фермы личных подсобных хозяйств (вторая группа товаропроизводителей) характеризуется малыми размерами, имеют до пяти собственных коров и приплод, а также другие виды животных. Производственные процессы на фермах выполняются вручную,
Самой сложной и трудноразрешимой проблемой в крестьянских хозяй
ствах является обеспечение сельскохозяйственной техникой, машинами и
* оборудованием. Промышленность практически еще не освоила выпуск спе-
циализированной техники для животноводства фермерских хозяйств. Поэтому уровень механизации в этих хозяйствах очень низок.
Современное неудовлетворительное состояние оснащения ферм, необходимость повышения конкурентоспособности отечественной продукции требуют разработки более совершенных средств механизации. Создание и внедрение новых технологий и технических средств, пригодных как для
6 вновь строящихся ферм и комплексов, так и для существующих помещений коллективных и фермерских хозяйств.
Такие технологии должны базироваться на самых современных достижениях инженерной, зоотехнической и биологической науки, что позволяет повышать производительность и облегчать труд обслуживающего персонала.
Поэтому целью диссертационной работы является совершенствование сепаратора молока с обоснованием и разработкой безредукторного привода.
По результатам исследования на защиту выносятся следующие положения:
теоретические предпосылки по обоснованию технологических, конструктивных и режимных параметров сепаратора-разделителя (очистителя);
математические модели рабочего процесса и рациональных параметров сепаратора;
практические результаты выполненных исследований и их энергетическая и экономическая эффективность;
конструкция сепаратора для разделения молока на фракции для J11IX, фермерских хозяйств и малых ферм.
Характеристика современного уровня развития молочных перерабаты вающих производств
Тысячелетиями молоко и молочные продукты были постоянной пищей человека, но промышленное производство с его машинами и механизмами, множеством рабочих долго не вторгались в эту область. В России товарное молочное хозяйство зародилось в конце восемнадцатого века, когда в помещичьих усадьбах были организованы сыроварни с изготовлением для рынка не только сыров, но и топлёного масла, сметаны, творога. Первые городские молочные заводы, перерабатывающие в сутки 120 тонн молока, были построены в 1860 - 1864 годах. ї Основоположником научной постановки молочного дела в России был А.А. Калантар, работавший в Едимоновской школе с 1882 года и организовавший здесь первую молочно-испытательную лабораторию с проведением научных исследований /102/. В двадцатом веке была создана молочно-консервная промышленность, освоено промышленное производство мороженого, плавленых сыров. В настоящее время в стране работают более 1700 предприятий, произво дящих молоко и молочную продукцию. Среди них молочных заводов - 673, маслодельных - 340, сыродельных - 104, маслодельно-сыродельных - 160, ., молочноконсервных- 39, прочих - 220 /90,91/. Молоко и продукты его переработки пользуются широкой популярностью у всех слоев населения.
Потребление населением страны молока и молочных продуктов остается пока на невысоком уровне, хотя и наблюдается незначительный его рост за последние годы.
Как видно из приведённых данных, наибольший спад производства приходится на цельномолочную продукцию. За период с 1990 по 2004 годы объём её выработки сократился более чем вдвое. Наблюдается спад производства и других видов продукции.
По сравнению с 2003 г, значительно снизились темпы прироста объемов производства цельномолочной продукции и сыра жирного. Если в 2003 г. цельномолочной продукции было выработано на 9% больше, чем в 2002 г., то в 2004 г. рост составил 3% к объемам 2003 г. Темп роста производства сыра жирного в 2004 г. составил 101% к предыдущему году, в то время как в 2003 г. он достигал 110% к объемам 2002г.
Изменилось и распределение производителей молока по РФ - фермерские хозяйства - 1,8%; личные подсобные хозяйства - 50,9%; с/х предприятия - 47% (по данным на январь 2004 г.) /84/. Поэтому основным направле нием в изучении перерабатывающей отрасли - развитие предприятий малой мощности. Предприятия малой мощности отличаются чаще всего приближением предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье к местам его производства. При этом направленность их деятельности объективно сориен тирована в первую очередь на обеспечение населения сельской местности при выпуске минимальных видов продукции и наличии наиболее необходимого набора оборудования.
"В настоящее время свыше 70 наименований эксплуатируемого обору дования представляют собой устаревшие образцы, и подлежат замене или модернизации. Уровень выпускаемого машиностроительными предприятиями технологического оборудования продолжает отставать от аналогичного оборудования зарубежных фирм.
Энергетика сельского хозяйства имеет ряд специфических особенностей: рассредоточенность потребителей, малая единичная мощность, большая протяженность сетей - электрических, тепловых, газовых, наличие большого числа удаленных регионов и потребителей, где ведется сельскохозяйственное производство без централизованного энергообеспечения, а также наличие неиспользуемых местных энергоресурсов (растительные и древесные отходы, торф, биомасса, биогаз и т.д.).
Очень велики потери энергии в энергосетях у потребителей, которые в ряде случаев достигают 35% /26/.
Надежность энергоснабжения по мере износа сетей (износ составляет 50%) и снижения уровня эксплуатации энергетического оборудования резко упала.
Ущерб сельскому хозяйству от перерывов в электроснабжении, а также от снижения качества подаваемой энергии (главным образом по напряжению) достигает 1,5 млрд. руб. в год /26/. В первую очередь это относится к производителям малого и среднего предпринимательства, молочным комплексам, молокозаводам.
Это требует принятия радикальных мер по обеспечению надежного энергообеспечения, внедрения новых технологий и экономичного топливо-и электропотребляющего оборудования, использования местных энергоресурсов, возобновляемых источников энергии.
Теоретическое исследование процесса сепарирования и обоснование его основных параметров
Расчетный жировой шарик, находящийся в самых неблагоприятных условиях (точка А) проходит путь / со скоростью и„ в течение времени Т (ип -скорость потока молока, соразмерная суммарному объему молока, выводимому из барабана). В этот же промежуток времени он должен пройти путь S (расстояние между тарелками по горизонтали), чтобы выделиться из потока молока со скоростью ив (скорость вспльгеания жирового шарика).
Поскольку вращение сепаратора является следствием действия реактивных сил, получена возможность варьировать частотой вращения в широких пределах изменением давления в системе, а значит, достигается различная (в определенных пределах) производительность при работе с молоком, имеющего различную исходную температуру от 20 до 35С.
При этом учитывается, что в формуле производительности (2.8) значение числового коэффициента 039060, логарифм отношения диаметров In объем барабана V постоянны. Изменяя значения переменных, получим данные, на основе которых построены функциональные зависимости, заносимые в номограмму.
Методика построения и использования номограммы следующая. От оси абсцисс первой четверти, где откладывается шкала значения исходной температуры молока, проводится вертикаль от отметки конкретного значения температуры до пересечения с кривой функциональной зависимости производительности от т или температуры молока (точка А). От точки пересечения А проводится горизонтальная линия во вторую четверть до пересечения с прямой перевода стрелки на шкалу производительности Q оси абсцисс, где указывается оптимальная рабочая производительность сепаратора.
В третьей четверти строится кривая функциональной зависимости p=f(Q). Проводя линию далее до пересечения с кривой p=f(Q) (точка В), фиксируем на шкале оси ординат значение степени использования производительности.
Параллельно шкале р нанесена шкала п частоты вращения построенной на основе функциональной зависимости Q=f(n). Для каждого из принимаемых диапазонов температуры молока (20...25, 25...35, 35...45С) определены на основе расчетов оптимальные уровни частот вращения барабана, устанавливаемые механизмом регулирования подачи насоса изменением давления в системе и отраженных на шкале п оси ординат в четвертой четверти. Таким образом, в первой четверти номограммы кривая Q=f(t) имеет ступенчатую форму, что связано с необходимостью работы барабана в оптимальных частотах вращения для каждого температурного диапазона исходного состояния молока. Регулировка частоты вращения производится по показанию манометра давления в системе, поскольку частота вращения барабана находится в прямой пропорциональной зависимости от давления, создаваемого насосом. Г- м и н
Примем объем молока в барабане, вращение которого происходит под действием реактивных сил от струй того же молока из сопел, как объем переменной массы.
Механика тела переменной массы имеет большое значение для правильного описания движущихся тел, масса которых изменяется во время движения. Основные законы для тел переменной массы выводятся при использовании законов механики тел постоянной массы. Замкнутой механической системой точек называем такую систему, в которой движение частиц обусловлено только силами взаимодействия или внутренними силами /58/.
Точку переменной массы M=M(t) и систему отбрасываемых частиц с массами ть т2 можно в совокупности рассматривать как систему точек постоянной массы. Точку переменной массы М будем представлять как центр тяжести тела, масса которого изменяется с течением времени, причем процесс изменения массы происходит таким образом, что относительные смещения центра масс М по отношению к осям координат, связанным с движущимся телом столь малы, что их можно не учитывать. С математической точки зрения точка переменной массы - это геометрическая точка с некоторой конечной массой, изменяющейся во время движения /58/.
Принципиальным упрощающим предположением, которое будет принято в дальнейшем, является предположение близкодействия (контактного взаимодействия) при отбрасывании частиц (жировых шариков и обрата) от основной массы М. Будем считать, что отбрасываемая от точки М частица т\ изменяет ее количество движения только в момент непосредственного контакта М и mt. Как только молочный жир и обрат получат относительную скорость по отношению к массе М, ее воздействие на массу М прекращается.
Элементарная реактивная сила, возникающая по закону действия и противодействия в момент отделения частицы т, аналогична силе удара, возникающей при внезапном нарушении связей в задачах классической механики. При выводе уравнений движения ограничимся случаями, когда процесс изменения массы М происходит непрерывно.
Планирование эксперимента
Планирование - это определение задачи исследования, разработка схемы эксперимента, выбор оборудования для проведения экспериментов и структуры опыта.
Наиболее сложным вопросом является планирование схемы опыта. При этом: необходима выдержка принципа единственного различия и принципа факториальности - построения схемы многофакторного опыта, которая предусматривает испытание всех возможных сочетаний изучаемых факторов.
Обработка данной зависимости позволяет получить в трехмерном пространстве соответствующую поверхность отклика. Итак, изучение действия многих факторов на состояние зависимой переменной сводится к исследованию формы поверхности отклика; задача планирования эксперимента заключается в выборе определенной комбинации экспериментальных точек в факторном пространстве.
Если число изучаемых факторов обозначим п, при одинаковом числе градаций для каждого фактора q в полном факториальном эксперименте количество вариантов будет равно qn. Таким образом, по числу градаций q11 определяем число вариантов опыта, а план полного факториального эксперимента можно представить в виде таблицы чисел (матрицы планирования), где число столбцов в матрице соответствует числу факторов, а число строк -числу вариантов.
При обычных исследованиях в технике для нахождения зависимостей влияния различных факторов достаточно а=0,7... 0,9 /43/. 2) допустимой ошибкой є, выраженной в долях среднеквадратического отклонения, с, которые в случае наших экспериментов при многократных измерениях одной и той же величины должны лежать в пределах ±3сг /43/. Задаемся данной ошибкой ±3с Тогда при рекомендуемой а=0,9 необходимое количество повторностей равно 2 (таблица 4 /43/). Если принять а=0,95, то число повторностей равно 3, т.е. результат близок к предыдущему.
Статистическая обработка экспериментальных данных при многофакторном дисперсионном анализе выполнена в следующей последовательности: 1) результаты экспериментальных данных заносятся в таблицу наблюдений, определяются средние значения;
2) вычисляются суммы квадратов для общего варьирования повторений вариантов остатка;
3) общее варьирование вариантов раскладывается на компоненты - главные эффекты изучаемых факторов и их взаимодействия;
4) составляется таблица дисперсионного анализа и проверяется нулевая гипотеза о существенности действия и взаимодействия факторов по F- критерию.
Многофакторный дисперсионный комплекс - это совокупность экспериментальных результатов, позволяющих статистически оценить действия и взаимодействия нескольких изучаемых факторов на изменчивость результативного признака.
Планирование и статистическая обработка наблюдений и учетов результативна, когда при достаточном объеме опыта получаем качественно однородную изучаемую совокупность. Репрезентативность (представительность) достигается случайностью выбора, когда каждой единице совокупности обеспечена равная вероятность попасть в выборку. Сроки и частота проведения наблюдений не существенны и лимитированы лишь техническими возможностями.
Планирование размера выборки устанавливается как для исследований, требующих статистической оценки, где каждый индивидуальный или средний результат анализируется отдельно.
Следовательно, для получения средних с ошибкой 6 ед. необходима выборка из 16 вариантов (здесь каждая единица условно принятое значение, составляющее 0,5% жирности).
В первом случае при сравнении двух выборочных средних разности могут считаться существенными, если они превосходят ±3ах. Таким образом, для доказательства незначительных разностей необходима обінирная выборка, тогда как большие разности могут быть доказаны и при малом значении п.
В экспериментальных исследованиях необходимо рассчитать ошибку измерения, являющуюся разностью х-хо между результатом измерения Хі и истинным значением х0 измеряемой величины, что является одной из основных задач математической обработки.
При малых объемах наблюдений п величина t существенно отличается от и и подчинена распределению Стьюдента или t - распределению. Р - уровень значимости (часто принимается Р=0Д; Р=0,05). Для оценки дисперсии генеральной совокупности в математической статистике используется распределение Пирсона или у"- распределение.
Расчет ошибок измерения ведем выявлением случайной ошибки, которая учитывается методами теории вероятности. Определяем разность Дхрх -хо, называемой абсолютной ошибкой, однако качество результатов измерений целесообразно характеризовать абсолютной ошибкой (отношением абсолютной ошибки к истинному значению измеряемой величины, выраженной в процентах).
Влияние факторов на производительность сепаратора при разделении рабочей жидкости на составляющие
Многофакторный регрессионный анализ, /12, 22, 23, 72, 108/, по определению влияния таких факторов, представленных в матрице планирования (таблица 1, Приложение Г), как давление в системе, диаметр сопла и количество сопел на производительность была получена следующая математическая модель (в кодированном виде):
Условия кодирования факторов и уровни их варьирования представлены в Приложении В. При изучении обработанных данных (Приложение Ц), а также анализе поверхностей отклика (рисунки 4.1, 4.2) построенные по полученной математической зависимости, следует отметить, что доминирующее влияние на производительность сепаратора (q) оказывает изменение давления в системе
С увеличением диаметра сопла с 1,0 мм до 2,0 мм производительность возрастает с 0,008 до 0,02 м /мин, за счет увеличения пропускной способности сепаратора.
Возрастание давления в системе р (bi) с 0,036 до 0,11 МПа так же при-водит к увеличению производительности на 0,004 м /мин. Это объясняется более ускоренным перемещением суспензии из емкости системы циркуляции к барабану сепаратора, т. е. более эффективным процессом подачи жидкости, в результате чего сокращается время пребывания ее в барабане.
С уменьшением числа m (Ьз) сопел с 4 до 2 производительность возрастает на 0,0006 м3/мин в связи с увеличением проходного сечения сопел в результате чего при одном и том же давлении снижается напряжение струи.
Наиболее целесообразно использование двух сопел, так как при этом состав обогащенной части после разделения отвечает требованиям по качеству, и производительность остается высокой.
Зависимость производительности сепаратора от давления в системе и диаметра сопла Рисунок 4.2 - Зависимость производительности сепаратора от давления в системе и количества сопел 4.2 Действие факторов на частоту вращения барабана сепаратора
После исключения из уравнения регрессии коэффициентов с уровнем значимости более 0,5 и проведения повторного многофакторного регрессионного анализа, без учета незначимых эффектов, были обработаны результаты, представленные в Приложении И.
Полученные данные и анализ поверхностей отклика (рисунок 4.3) позволил установить, что доминирующее влияние на частоту вращения барабана сепаратора оказывают такие факторы, как давление в системе р (bi) и диаметр сопла di (b2). В меньшей степени частота вращения барабана зависит от количества сопел m(b3).
Такие факторы, как давление в системе и диаметр сопла влияют на выходную величину, взаимодействуя между собой (рисунок 4.3).
Дело в том, что набор частот вращении через определенный интервал давления зависит от скорости истечения жидкости из сопел, а сопла установлены на основании барабана.
С увеличением числа сопел с 2 до 4 повышается эффективность процесса разделения на 0,4% (в 2 раза). С изменением диаметра сопла с 1,0 до 1,5 мм происходит снижение качества разделения на 0,08%, а дальнейшее увеличение диаметра сопла с 1,5 до 2,0 мм приводит к росту фактора разделения. Это связано с возрастанием в этом интервале частоты вращения.
Зависимость степени обогащенности выходной составляющей после разделения от диаметра и количества сопел 4.4 Влияние факторов на время разгона, необходимое для достижения рабочей частоты вращения
Анализируя обработанные данные экспериментальных исследований (Приложение Л) и поверхности отклика (рисунки 4.5, 4.6) построенные по полученной математической зависимости, следует отметить, что доминирующее влияние на время разгона (t) оказывает давление в системе Р (Ъ{).
С увеличением количества сопел m (b3) с 2 до 4 время разгона снижается со 150 до 125 с. С изменением диаметра сопла с 1,0 до 1,5 мм происходит уменьшение времени разгона на 20 с, а дальнейшее увеличение диаметра сопла с 1,5 до 2,0 мм приводит к увеличению продолжительности разгона. Это связано с возрастанием в этом интервале частоты вращения.
Увеличение давления в системе также приводит к снижению продолжительности разгона со 170 до 150 с. Рисунок 4.5 - Зависимость продолжительности разгона от давления в системе и диаметра сопла
Зависимость продолжительности разгона от давления в системе и количества сопел Глава 5. Экономическая эффективность разработки.
Экономическая эффективность предполагаемого технического решения определяем по известным методикам расчета /25, 81, 82,1.1.2/. Себестоимость молока (из расчета годового объема работ) принимаем из существующего уровня по молочному комплексу ЗАО «Великолукское» Псковской области Sirex=3,51 руб/кг. Часть молока перерабатывается в собственном мини - цехе, а большая сдается на ЗАО «Великолукский молочный комбинат» по цене 6,04 руб/кг. Себестоимость производимой продукции Snp определим, используя таблицу 5.1 /13/. Принимается также вариант сравнения со сдачей молока без переработки на сливкоотделение. При изготовлении сливок в хозяйстве использовался сепаратор-сливкоотделитель СПМФ-2000 и проектный сепаратор с гидроприводом.
На технологические нужды в год необходимо 4,1 т воды (4,1 м ). Расценка за 1 MS воды - 10 руб, тогда стоимость воды - 410 руб. Амортизация оборудования - 230740 руб; амортизация помещения (1500000-9)/100=135000 руб. Итого - 365740 руб. Предусмотрена реклама в местной газете о новой разработке. Периодичность рекламы - 1 раз в месяц. Стоимость 1/64 полосы рекламы в газете составляет 140,6 руб, тогда расход на рекламу 140,6-12=1687,2 руб.
Отчисления в дорожные фонды рассчитываем исходя из ставки 0,4% выручки без НДС, определенной по среднерыночной цене руб и объему 376065 кг, т.е (17-376065-0,4)/100-25572,42 руб. Затраты на зап. части - 0,2% от стоимости ОПФ - 0,2-(1625000+1500000)/100=6250 руб; отчисления на ТР и техническое обслуживание 260000 руб. Итого - 266250 руб.
Рекомендуются технологические схемы для коллективных, фермерских и личных подсобных хозяйств с поголовьем от 10 до 100 голов разработанные технологические схемы доения, первичной обработки и первичной переработки молока с включением гидроприводного сепаратора (Приложение Н). Использование предложенных технологий обеспечивает требуемую производительность, снижение энерго - и трудозатрат, соответствие зоотехническим требованиям и экономическую эффективность в размере 11000 рублей при технологической схеме очистки молока и 46500 рублей при технологической схеме сливкоотделения.
