автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и повышение эффективности функционирования гидродинамического нагревателя жидкости сельскохозяйственного назначения

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Потребление воды в сельскохозяйственном производстве.

1.2. Установки для нагрева воды и получения пара, применяемые в сельском хозяйстве.

1.3. Пастеризационные установки, применяемые в животноводстве.

1.4. Аэро- и гидродинамические нагреватели.

1.4.1. Принцип действия.

1.4.2. Аэродинамические нагреватели.

1.4.3. Классификация существующих конструкций гидродинамических нагревателей.

1.4.4. Пастеризационные установки на основе гидродинамического нагревателя.

1.5. Сравнительные характеристики рассмотренных нагревательных и пастеризационных установок.

1.6.Теоретические исследования в данной области.

1.6.1. Теоретические исследования гидродинамических нагревателей.

1.6.2. Рабочая характеристика гидродинамической муфты.

1.7. Цель и задачи исследований.

1.8. Выводы.

2. ТЕОРИЯ РАБОТЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

2.1 Рабочий процесс в гидродинамическом нагревателе жидкости.

2.2. Основные положения теории.

2.3. Баланс энергии гидродинамического нагревателя.

2.3.1. Баланс удельной энергии потока.

2.3.2. Тепловыделение от трения в зазоре между корпусом и ротором.

2.3.3. Уравнение баланса мощности гидродинамического нагревателя.

2.4. Математическая модель функционирования гидродинамического нагревателя.

2.5. Влияние геометрических параметров на рабочий процесс.

2.6. Коэффициент полезного действия нагревателя.

2.7 Кавитация в нагревателе.

2.8. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.

3.2. Выбор отклика в экспериментах.

3.3. Выбор факторов.

3.4. Методика определения параметров косвенным путем.

3.5. Планирование эксперимента.

3.6. Описание экспериментальной установки и оборудования.

3.7. Свойства применяемых жидкостей.

3.8. Теоретическое определение возможных потерь тепла вследствие теплообмена с окружающей средой.

3.9. Проведение экспериментов при регулировке подачи на выходе.

3.9.1. Результаты экспериментов.

3.9.2. Расчет ошибки измерений.

3.9.3 Результаты опытов на гидродинамическом нагревателе с диаметром ротора 200 мм.

3.9.4. Уточненная математическая модель функционирования нагревателя.

3.9.5. Проверка адекватности построенной модели.

3.9.6. Расчет кавитационной устойчивости нагревателя.

3.10. Эксперименты при регулировке подачи воды на входе в нагреватель.

3.11. Опыты на масле.

3.12. Микробиологические и паразитологические исследования воды, прошедшей через гидродинамический нагреватель.

3.13. Анализ результатов экспериментов.

3.14. Выводы.

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ.

4.1. Конструкция и теоретический расчет характеристики нового нагревателя.

4.2. Проведение экспериментов.

4.3. Сравнение характеристик базового и нового типа нагревателей.

4.4. Выводы.

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Применение гидродинамического нагревателя жидкости сельскохозяйственного назначения в животноводческих комплексах.

5.2. Методика расчета гидродинамических нагревателей по формулам подобия.

5.2.1. Методика расчета нагревателей типа ГДНЖ-1.

5.2.2. Методика расчета гидродинамического нагревателя новой конструкции (ГДНЖ-2).

5.3. Примеры расчета гидродинамических нагревателей по формулам подобия.

5.3.1. Пример расчета базового образца гидродинамического нагревателя (ГДНЖ-1).

5.3.2. Пример расчета ГДНЖ-2 по формулам подобия.

5.4 Бизнес-план производства гидродинамических нагревателей.

5.5. Внедрение результатов исследований.

5.6. Выводы.

Вода - один из важнейших факторов, влияющих на здоровье и продуктивность сельскохозяйственных животных. Она является одним из основных материалов клеток живого организма и участвует во многих биологических процессах, протекающих в организме животных. Обмен веществ возможен только при условии, когда питательные вещества и продукты обмена растворены и находятся в движении. Главным растворителем для них служит вода. С водой в различные части тела доставляются питательные вещества, и с ней же из организма животных уносятся ненужные и вредные для него продукты обмена. Значительное количество воды животные выделяют через легкие, через поры кожи в виде пота, через почки с мочой, через вымя с молоком. Вода участвует в терморегуляции организма и является составной частью молока, на образование 1 кг которого расходуется 3 кг воды. Недостаток воды в организме животного переносится значительно труднее, чем голод. Животное при этом теряет аппетит, и даже при самых лучших кормовых рационах у него появляется слабость, снижается масса и продуктивность.

Воду в животноводческих фермах используют для поения скота, приготовления и транспортировки кормов, удаления навоза, мойки посуды и оборудования, подмывания животных, отопления помещений, удовлетворения санитарно-гигиенических потребностей персонала и других целей. Все это обуславливает значительное потребление как холодной, так и горячей воды животноводческими фермами. Особое внимание уделяется как качеству, так и температуре воды. Использование для поения животных и приготовления кормов недоброкачественной воды вызывает заболевание животных и гибель молодняка вследствие отравления.

В настоящее время, для нагрева воды в сельском хозяйстве, в основном, используются всевозможные котлы, теплообменники и электроводонагреватели. В большинстве своем - это аппараты косвенного нагрева. В них нагрев воды и других жидкостей происходит через промежуточный теплоноситель: нагретое тело, горячие газы, пар и пр. Такой способ нагрева имеет некоторые недостатки, основными из которых являются пониженный КПД процесса нагрева, высокая металлоемкость, образование накипи на греющей поверхности, сложность конструкции, потребность в дополнительном оборудовании (насосы, вытяжные системы, сложная автоматика и т.д.) ограниченные возможности по плавному регулированию тепловыделения, загрязнение окружающей среды, пожаро- и взрывоопасность и пр.

Разрешение этих вопросов возможно при применении аппаратов непосредственного нагрева жидкости. К таким аппаратам относится гидродинамический нагреватель жидкости. Нагрев жидкости в нем происходит за счет диссипации энергии при ее движении в рабочей полости нагревателя, благодаря чему он лишен перечисленных выше недостатков.

Гидродинамический нагреватель жидкости может работать в условиях интенсивной кавитации. При этом наблюдается значительное снижение микрофлоры, находящейся в воде, т.е. он обладает обеззараживающим свойством, благодаря чему гидродинамический нагреватель можно использовать в целях нагрева и дополнительного обеззараживания воды при подаче ее для поения молодняка и приготовления кормов. Гидродинамический нагреватель жидкости показал хорошую работоспособность при коагуляции зеленого сока растений [79].

Сфера практического применения гидродинамического нагревателя очень широка, что является безусловным преимуществом для производителей гидродинамических нагревателей в современных рыночных условиях. Это предприятия пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности, домохозяйства и т.д.

Однако, несмотря на очевидные преимущества, гидродинамические нагреватели до сих пор недостаточно сильно распространены в мире. Это связано с недостаточной изученностью данного типа оборудования.

Сотрудниками ДГТУ был разработан гидродинамический нагреватель жидкости первоначально для коагуляции зеленого сока растений [1]. Помимо этого, он показал хорошую работоспособность также и как нагреватель жидкости. Однако разработанный нагреватель не был исследован. 7

В данной работе приведены результаты исследований гидродинамического нагревателя. В результате исследований была построена математическая модель его функционирования, определена зависимость его рабочих характеристик от режимов работы, определено влияние гидродинамической кавитации на микрофлору, находящуюся в воде, прошедшей через нагреватель. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также изучения аналогичных машин была предложена усовершенствованная конструкция нагревателя, имеющего больший тепловой КПД и тепловыделение при той же массе.

На основе разработанной математической модели, результатов проведенных экспериментальных исследований и применения теории размерности и подобия была разработана методика расчета гидродинамических нагревателей базовой и усовершенствованной конструкций, позволяющая на практике определять геометрические и кинематические параметры нагревателя при заданном требуемом тепловыделении и перепаде напоров.

В работе предложены варианты использования гидродинамического нагревателя жидкости не только в сельском хозяйстве, но и в линиях розлива пищевых жидкостей.

На основе проведенных исследований разработан бизнес-план производства гидродинамических нагревателей.

5.6. Выводы.

1. ГДНЖ сельскохозяйственного назначения имеет ряд преимуществ перед традиционно используемым в животноводческих комплексах оборудованием, таких как дезинтегрирующий и насосный эффекты, более высокий КПД при работе в проточном режиме, снижение эксплуатационных затрат, универсальность.

2. Варьируя диаметром и угловой скоростью ротора можно создать нагреватели, имеющие заданные значения перепада напоров и тепловыделения.

3. Предложенная методика расчета позволяет определить кинематические и геометрические параметры проектируемого ГДНЖ при заданном тепловыделении и перепаде напоров.

4. При одинаковом тепловыделении нагреватель (подобный ГДНЖ-1), имеющий больший диаметр и меньшую частоту вращения, имеет больший тепловой КПД, но создает меньше напор, чем нагреватель, имеющий меньший диаметр ротора и большую частоту вращения ротора.

5. Производство гидродинамических нагревателей является выгодным с точки зрения бизнеса.

6. Гидродинамический нагреватель сельскохозяйственного назначения может быть применен и в других отраслях промышленности, в частности в пищевой промышленности, что является бесспорным преимуществом в современных рыночных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Исследован процесс работы ГДНЖ сельскохозяйственного назначения и определены основные факторы, влияющие на него — угловая скорость ротора, его диаметр и форма рабочей полости (взаимное расположение ротора и статора).

2. Построены адекватные математические модели функционирования ГДНЖ-1, позволяющие определить тепловыделение, расход жидкости в лопастном канале, избыточное давление, создаваемое нагревателем, и его тепловой КПД в зависимости от геометрических и кинематических параметров.

3. Определен характер диссипации энергии. Эксперименты показали, что у ГДНЖ-1 основная диссипация энергии (до 93%) происходит за счет трения в лопастной области бокового зазора. Тепловыделение от гидравлических потерь составляет всего 7%, причем 99% из них приходится на потери от удара, а лишь 1% на потери от трения в лопастном канале.

4. При регулировке подачи на выходе из нагревателя, работа происходит с кавитацией, часть потребляемой энергии затрачивается на создание избыточного напора, а тепловыделение максимальное. При регулировке подачи жидкости на входе в нагреватель кавитационных явлений не наблюдается, тепловыделение несколько ниже, а тепловой КПД нагревателя выше, вследствие того, что нет затрат энергии на повышение напора. Тепловой КПД экспериментальной установки составляет от 82 до 86% в зависимости от схемы регулировки подачи. При увеличении окружной скорости ротора (на максимальном диаметре) КПД несколько снижается, а при увеличении бокового зазора - увеличивается. Рекомендуемое значение бокового зазора s=0,0294£>.

5. ГДНЖ обеззараживает воду. Количество микроорганизмов снижается в среднем на 74%, а личинки паразитов уничтожаются полностью.

6. Наиболее рациональным режимом работы нагревателя в животноводческих комплексах является работа при регулировке подачи на выходе из ГДНЖ, т.е. в режиме гидродинамической кавитации и подкачки воды. При отсутствии необходимости в обеззараживании воды и создании избыточного напора более рационально регулировать подачу на входе в нагреватель.

7. Разработана и испытана усовершенствованная конструкция нагревателя, имеющая более высокий тепловой КПД (88%) и ниже удельную металлоемкость (4,3 кг/кВт), по сравнению с базовой конструкцией (12,2 кг/кВт). Для ГДНЖ-2 построена математическая модель тепловыделения, учитывающая особенности его конструкции. У ГДНЖ-2 основная диссипация энергии (до 99%) происходит за счет гидравлических потерь.

8. Разработана методика расчета гидродинамических нагревателей базовой и усовершенствованной конструкции.

9. Методика расчета ГДНЖ, конструкторская документация, материалы испытаний и действующий натурный образец переданы в ФГУП ЦКТБ «Каскад» для использования в линиях розлива пищевых жидкостей.

10. Разработан бизнес-план производства гидродинамических нагревателей жидкости.

Актуальность темы диссертационной работы и ее многогранность предоставляют широкое поле для дальнейших исследований в данной области. Предполагается продолжить работу по следующим направлениям:

1. Проанализировать влияние кавитационных процессов на пастеризацию жидких продуктов, с целью уменьшения температуры пастеризации.

2. Разработать обобщенный алгоритм методики расчета гидродинамических нагревателей с целью создания программы для ЭВМ.

3. Разработать более совершенные методы регулировки тепловыделения в нагревателе.

4. Оценить работоспособность гидродинамического нагревателя на других жидкостях, применяющихся в сельском хозяйстве.

1. Авторское свидетельство. SU № 1161060 А. Устройство для коагуляции жидких продуктов. Авторы: В.Е. Заушицин, В.И. Фомин, А.Х. Терсков, Г.И. Проценко. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР. Бюл.№22 от 15.06.85г.

2. Авторское свидетельство. SU № 1324620 А1. Устройство для нагрева жидкости. Авторы: В.Е. Заушицин, В.И. Фомин, Ю.А. Фаянс, Г.И. Проценко, JI.H. Кривцов и М.И. Мучник. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР. Бюл.№27 от 23.07.87г.

3. Авторское свидетельство. SU №1738717 А1. Устройство для нагрева жидкости. Авторы: Г.И. Процеко, И.А. Хозяев, Н.И. Пройдак, и О.Р. Кирищиев. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР. Бюл.№21 от 07.06.92г.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., «Наука», 1976г., 280 с.

5. Алексопольский Д.Я. Гидродинамические передачи. М. Машгиз, 1963, 271 с. с черт.

6. Альшуль А.Д. Гидравлические потери на трение в трубопроводах, М. -JI. госэнергоиздат, 1963.

7. Аминов М.С., Мурадов М.С., Аминова Э.М. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Колос, 1999 - 504 с.:ил.

8. Анохин В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных сельскохозяйственных тракторах. М.: Машиностроение, 1972. 303 с.

9. Антроповский Н.М. и др. Молочное оборудование животноводческих ферм. М., Россельхозиздат, 1975 144 е., ил.

10. Аунапу Ф.Ф., Гриванс Ю.М., Микенин В. А., Технология сельскохозяйственного машиностроения. М., «Машиностроение», 1968, 490 с.

11. Бабенко И.И. Водоснабжение животноводческих ферм. М.: «Колос», 1964-287 с.

12. Барцлавский X.JI. Гидродинамические передачи строительных и дорожных машин. М.: Машиностроение, 1976. 149 с.

13. Бойко В.Ф. Движение жидкости в тонких кольцевых щелях. // Напорные движения жидкости во вращающихся каналах и гидротранспорт. Тр. МИИТ, 1971, вып. 386 с. 73 - 86.

14. Бородачев П.Д., Усаковский В.М. Водоснабжение животноводческих ферм и комплексов, М., Россельхозиздат, 1972 264 с.

15. Борщов Д.Я. Чугунные и стальные отопительные котлы: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1992. 265 е., ил. - (Библиотека теплотехника).

16. Борщов Д.Я., Воликов А.Н. Защита окружающей среды при эксплуатации котлов малой мощности. М.: Стройиздат, 1987 - 156 е.; ил.

17. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М,: Мир, 1973 753 с.

18. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. Изд. 3-е, доп. М., «Колос», 1973 199 е., ил.

19. Витков Г. А., Холпанов Л.П., Шерстнев С.Н. Гидравлические сопротивления и тепломассообмен. М.: «Наука», 1994 288 с.

20. Вукалович М.П. и др. Таблица теплофизических свойств воды и водяного пара. М., Издательство стандартов 1969 408 е., с черт.

21. Гавриленко Б.А. и др. Гидравлический привод. М.: «Машиностроение», 1968-503 с.

22. Гавриленко Б.А., Минин В.А. Гидродинамические муфты. Оборонгиз, 1959-338 е., ил.

23. Гавриленко Б.Л., Минин В.А., Оловников JI.C. Гидравлические тормоза. М., «Машгиз», 1961 244 с.

24. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы: Учеб. пособ для машиностроительных вузов / Т. М. Башта, С.С. Руднев и др. 2-е изд.,перераб. М., Машиностроение, 1982. - 423 е., ил.

25. Горбунов П.П., Черпак Ф.А., Львовский К .Я. Гидромеханические трансмиссии тракторов. М. «Машиностроение», 1966 447 с.

26. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массообмена. М.: Высшая школа", 1974 328с.

27. Золотин Ю.П. и др. Оборудование предприятий молочной промышленности. М.: Агропромиздат, 1985, 270 с.

28. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975, 551 с.

29. Кавецкий Г.А., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: ВО «Агропромиздат», 1991. - 432 с.

30. Казимир А.П., Керпелева И.Е. Эксплуатация электротермических установок в сельскохозяйственном производстве. М.: Россельхозиздат, 1984. - 208 е., ил.

31. Калинина В.И., Панкин В.Ф. Математическая статистика, М., Высшая школа, 1998-336 с.

32. Кашеков Л.Я. Механизация водоснабжения животноводческих ферм и пастбищ, М., Колос, 1976 288 с.

33. Квитковский Ю.В. Влияние вращения криволинейного канала на гидравлическое сопротивление. Труды МИИТ. Вып. 242. М., «Транспорт», 1967.

34. Киселев Н.А. Котельные установки. М.: «Высшая школа», 1979 270 с.

35. Молочное оборудование животноводческих ферм и комплексов. Справочник. М., Россельхозиздат, 1987 367 с.

36. Козлов С.Н. Исследование и расчет гидродинамических муфт. В кн. Гидропередачи и гидроавтоматика. Часть II М., ЦИНТИАМ, 1963.

37. Комплексная механизация в животноводстве, М., Колос, 1964 350 с.

38. Комплексная механизация производственных процессов в животноводстве. Кишинев: Картя млодовеняскэ, 1988 359 с.

39. Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи. М. Л., «Машиностроение», 1971,336 с.

40. Кривченко Г.И. Гидродинамические машины: турбины и насосы. М.: Энергоиздат, 1983 320 с.

41. Кудрявцев А.П. Проектирование, постройка и испытание гидравлических турбопередач. М., Машгиз, 1947.

42. Кудрявцев Я.Б. Исследование свойств гидротрансформаторов, регулируемых поворотом лопаток. Труды МИИТ. Вып. 150. М., 1962.

43. Кудрявцев Я.Б. Переходные процессы при движении рабочей жидкости в одноступенчатых гидротрансформаторах. Вестник машиностроения, 1970, № 11, с 42 - 46.

44. Кузьмин Г.Л. Динамический расчет гидротрансформатора. Тр. МИИТ, 1970, №316, с 25- 41.

45. Кук Г.А. Процессы и аппараты молочной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1973 768с.

46. Курган Б.М., Лезнов Б.С. Установки для подачи и очистки воды на фермах. М., Россельхозиздат, 1981 -48 е., ил.

47. Кутателадзе С.С. и Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М., госэнергоиздат, 1959 395 с.

48. Лаптев Ю.Н. Автотранспортные одноступенчатые гидродинамические трансформаторы. М., Машгиз, 1963 219 с.

49. Лаптев Ю.Н. Динамика гидромеханических передач. М., «Машиностроение», 1983, 104с., ил.

50. Лаптев Ю.Н., Демченко В.Д. Исследование неустановившихся режимов работы гидротрансформатора. Изв. Вузов. Энергетика, 1970, №9, с. 98 -103.

51. Лаптев Ю.Н., Демченко В.Д., Труханов Б.Н. Уравнение баланса энергии для гидротрансформаторов с противовращением реактора при неустановившихся режимах работы. Изв. Вузов. Энергетика, 1970, №5, с.85 - 89.

52. Лаптев Ю.Н., Поколов Н.И. Частотные характеристики комплексного гидротрансформатора. Вестник машиностроения, 1973, №8, с.26 - 30.

53. Лаптев Ю.Н., Ровный С.И. Отклонение потока за колесами гидротурбо-машин на переходных режимах работы. Изв. Вузов. Энергетика, 1978, №7, с. 105- 109.

54. Левицкий В.В. Что делать с молоком, соком, квасом, пивом? Мы предлагаем роторные пастеризаторы и доильные ведра. АгроБизнес Юга России, №7 032., 1998 с. 6 - 7.

55. Липатов М.М. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Экономика, 1987. - 272 с.

56. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.; «Наука», 1970 904с.

57. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М. Л., «Машиностроение», 1966, 364 с.

58. Лыков А.В. Теория теплопроводности, М., «Государственное издательство технико-теоритической литературы», 1952., 392 с.

59. Любанова Т.П., Мясоедова Л.В., Грамотенко Т.А., Олейникова Ю.А. Бизнес-план. Учебно-практическое пособие. М., «Издательство ПРИОР», 2000. - 96 с.

60. Матусевич В.Е. Машины и оборудование ферм для откорма крупно рогатого скота М.: Россельхозиздат, 1983 - 64 с.

61. Машины, оборудование и средства автоматизации для перерабатывающей промышленности, т.1. ч.З. Молочная промышленность, М., ВНИИ-ТЭИагромаш 1990 г.

62. Машины, оборудование, приборы и средства автоматизации для переработки отраслей АПК. М.: Информагротехника, - Ч. 1 -1995 - 96 с.

63. Мельников С.В. Планирование эксперимента в исследовании сельскохозяйственных процессов. Л.: «Колос», 1980 168с.

64. Мельников С.В., Калюга В.В., Сафонов Ю.К. Гидравлический транспорт на животноводстве. М., Россельхозиздат, 1976 192 с.

65. Механизация животноводства и кормопроизводства. Киев: Вища школа,66