автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя периодического действия

Стригин Сергей Викторович

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Пенза-2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ В ПО «Пензенская ГСХА») на кафедре «Механизация животноводства»

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Парфенов Виктор Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Курочкин Анатолий Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Лянденбурский Владимир Владимирович

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Мордовский государственный

университет имени Н П Огарева»

Защита состоится «22» февраля 2008г в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220 053 02 при ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу 440014, г Пенза, ул Ботаническая, 30, ауд 1246

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» Автореферат разослан «21» января 2008 г

Учёный секретарь диссертационного совета Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Животноводческая отрасль производит для народного хозяйства различный товар, в частности - молоко коровье, из которого изготавливается множество продуктов питания, в том числе сливочное масло Для его выработки применяется оборудование, к которому относятся и маслоизготовители периодического действия, анализ работы которых показывает, что время сбивания в них составляет от 0,35ч до 2ч Это снижает их производительность и повышает энергоёмкость процесса в целом При использовании маслоизготовителей непрерывного действия снижается время сбивания, но отход жира в пахту выходит за пределы требований Все это свидетельствует о необходимости совершенствования конструкции маслоизготовителя периодического действия, его теоретического и экспериментального исследования с обоснованием оптимальных конструктивно-режимных параметров

Работа проводилась по плану НИОКР ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» в соответствии с темой № 28 «Совершенствование технологии и средств механизации животноводства и растениеводства»

Цель исследований. Разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя периодического действия, обеспечивающего снижение энергоемкости сбивания

Объект исследований Сбивание сливочного масла в маслоизготовителе периодического действия с механизмом в виде двухвального лопастного ротора, вращающегося вокруг горизонтальной и вертикальной осей

Предмет исследований Закономерности и режимы сбивания сливочного масла в маслоизготовителе периодического действия

Методика исследований Для определения основных показателей качества сливочного масла и исходного продукта (сливок) использовали методики действующих ГОСТов и ОСТов Для теоретического обоснования формы лопастей маслоизготовителя, способа их установки на роторе и определения затрат мощности на сбивание применялся математический анализ и моделирование гидродинамических явлений при движении сливок С целью определения оптимальных конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя использовалась методика планирования эксперимента и стандартные компьютерные программы Statistica 6 0, MathCAD 11, Microsoft office Excel

Научная новизна. Конструкция маслоизготовителя периодического действия и методика расчета конструктивно-режимных параметров, аналитическое выражение для

определения затрачиваемой мощности и уравнение регрессии энергоемкости сбивания, оптимальные значения конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя

Научная новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение №>2269890

Практическая ценность и реализация исследований Оптимальные конструктивно-режимные параметры разработанного масяоизготовителя периодического действия обеспечивают снижение энергоемкости сбивания на 58% и увеличивают производительность на 17% по сравнению с серийно-выпускаемым ИПКС-030 Предлагаемый маслоизготовитель внедрен в МП «Комбинат детского питания» и КФХ «Горизонт» Пензенской области

Публикаиии По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в т ч получен патент РФ на изобретение, две статьи опубликованы в издании, указанном в «Перечне ВАК» и три — без соавторов Общий объем публикаций составляет 2,1 п л , из них автору принадлежит 0,7 п л

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2003 2007гг), ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им НИ Вавилова» (2005г), региональной НПК вузов Поволжья и Предуралья ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2006г), IV международной научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2007г )

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 125 наименований и приложения Объем диссертации составляет 151 с, 16 табл и 38 рис

Научные положения и результаты исследований. выносимые на защиту

- теоретические исследования по обоснованию формы лопастей и способа их установки на валу ротора, а также математическое выражение для определения мощности на привод механизма сбивания,

-методика расчёта конструктивно-режимных параметров предлагаемого маслоизготовителя периодического действия,

- конструкция маслоизготовителя периодического действия с механизмом сбивания в виде двухвального лопастного ротора, вращающегося вокруг горизонтальной и вертикальной осей,

- уравнение регрессии энергоемкости сбивания в маслоизготовителе и результаты экспериментальных исследований по определению его оптимальных конструктивно-режимных параметров

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы исследований и общую характеристику работы

В первом разделе «Состояние вопроса выработки сливочного масла Цель и задачи исследований» На основании анализа существующих конструкций устройств для выработки сливочного масла предлагается их классификация по ряду наиболее характерных признаков Приведены основные положения теории образования масляного зерна и производства сливочного масла, в развитие которых большой вклад внесли ученые Асейкин Р П, Белянчиков Н Н, Вышемирский Ф А, Гордиенко П Л, Курочкин А А, Карнаух В Н , Кук Г А , Котова О Г, Парфенов В С , Сурков В Д, Терюшков В П , Умщенко А Д, Шувалов ВЫ и другие Целью исследований являлась разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя периодического действия, обеспечивающего снижение энергоемкости сбивания сливочного масла В соответствии с этим сформулированы следующие задачи исследований:

1 Обосновать конструктивно-технологическую схему маслоизготовителя периодического действия

2 Провести теоретические исследования по определению формы лопастей и способа их установки на валу ротора, определить затраты мощности на привод маслоизготовителя с механизмом сбивания в виде двухвального лопастного ротора, вращающегося вокруг горизонтальной и вертикальной осей, и разработать методику расчета его конструктивно-режимных параметров

3 Изготовить опытный образец маслоизготовителя периодического действия и экспериментально определить оптимальные значения конструктивно-режимных параметров

4 Оценить работоспособность маслоизготовителя в производственных условиях и определить его технико-экономическую эффективность

Во втором разделе «Теоретическое обоснование основных конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя периодического действия» предложена запатентованная конструктивно-технологическая схема маслоизготовителя периодического действия, у которого механизм сбивания, состоящий из двух мешалок, совершает при работе сложное движение, обеспечивающее интенсивное разрушение оболочки жировых шариков и их агрегации (слипании), то есть образование масляного зерна

Работа маслоизготовителя заключается в следующем Сливки заливают в неподвижную емкость 1 (рисунок 1), устанавливают крышку 10 с механизмом сбивания,

закрывают зажимы 12. При включении электропривода лопасти 2, получая крутящий момент от приводного вала 8 через конический редуктор 3, за счет вращения в противоположных направлениях создают два встречных потока обрабатываемого продукта (сливок). Вихревые потоки, имеющие место при этом, принуждают полый вал 4 с закрепленным механизмом сбивания совершать осевое вращение, тем самым перекрывая не обрабатываемые до этого зоны. Процесс сбивания может визуально контролироваться через смотровое окно 11. По окончании технологического процесса зажимы 12 открываются, крышка 10 емкости с закрепленным в ней механизмом сбивания снимается и полученный продукт извлекается.

Рисунок 1 - Маслоизготовитель периодического действия: I - емкость: 2 — лопасть; 3 — редуктор; 4 - вал полый; 5,6 — подшипники; 7-передача ременная; 8 - вал привода; 9 — электродвигатель;

10 — крышка; 11— окно смотровое; 12 — зажимы крышки

При вращении лопасти ротора механизма сбивания, наиболее целесообразно рассматривать движение потока жидкости с построением треугольников скоростей. Очевидно, что частица жидкости, покидая лопасть ротора, будет находиться одновременно под воздействием окружной скорости и (рисунок 2) и относительной скорости IV, в результате чего получит абсолютную скорость С, направленную по равнодействующей от геометрически сложенных скоростей 11 н IV. Для основных параметров на входе жидкости на лопасть придается индекс 1, а на выходе - 2: г - радиус лопасти, м; а - угол между окружной и и абсолютной С скоростями, град; со - угловая скорость лопасти, с'.

Момент количества движения сливок М = б • р ■ С I, Нм, (1)

где <2 - объемная производительность, м!/с\ р - плотность сливок, кг/м3\ I - плечо действия до направления скорости С, м.

^—| - -у

9

Рисунок 2 - Схема планов скоростей к определению моментов количества движения сливок Учитывая изменение момента количества движения (от точки 1 до точки 2),

гидравлический КПД - t)r, коэффициент циркуляции К<1, полагая Су =0 при а, = 90° и опуская промежуточные действия, получим уравнение Эйлера для напора

H = Kr,rU>C>cosa\ м. (2)

8

Уравнение (2) является универсальным (общим) для всех лопастных машин (насосов, турбин, мешалок), к которым можно отнести и лопастной ротор предлагаемого маслоизготовителя периодического действия. Графическая зависимость напора от подачи сливок в маслоизготовителе показана на рисунке 3.

Известно, что производительность лопастной машины, в том числе и ротора маслоизготовителя (при толщине лопастей равной нулю) запишется

Q = K b dp W2 sm02, м3/с, (3)

где Ь - ширина лопасти, м\ dP - диаметр ротора, м\ (¡2 - угол между касательной к диаметру ротора и относительной скоростью W (рисунок 4), град.

При совместном решении уравнений (2) и (3) и полагая С,, = со ■ /2 ■ cos а2, имеем

И = K-7ir- — -(l- Q ), м. (4)

С целью создания большей производительности лопастного ротора целесообразно, чтобы в общем напоре преобладала потенциальная энергия

(статический напор), что приводит к более эффективному процессу образования масляного зерна за счет высокой интенсивности перемешивания сливок по всему объему.

Я N

&*< о

Рисунок 3 - Зависимость напора (Н) и мощности (Н) от подачи (О) сливок в маслоизготовитель Из рисунков 3, 4, 5 и выражения (4) видно, что при ¡32<9& напор, создаваемый лопастями ротора маслоизготовителя, падает с увеличением Q, и при некотором предельном значении Q~Qmax может принимать минимальное значение. Потребляемая ротором маслоизготовителя мощность N не будет равна нулю на всем интервале от Q=0 до 0,=0,тах из-за наличия различного рода потерь, на компенсацию которых необходимо затрачивать энергию.

в в

Рисунок 5 - Характеристики изменения напора (Н) и мощности (Ы) от подачи (О) сливок при различных углах ф^)

При сбивании масла лопастные рабочие органы маслоизготовителя воздействуют на сливки, в результате чего выполняются основные положения теории образования масляного зерна, т.е. турбулентность движения сливок, кавитационный ркжим работы лопастей ротора, интенсивное пенообразование. Исходя из основных положений теории кавитации и теории обтекания жидкостью тел различной формы, наиболее предпочтительной, для ротора предлагаемого маслоизготовителя, является лопасть плоской формы, обеспечивающая при своем движении режим кавитации с отрывом жидкости от задней грани. Кроме этого, лопасть должна быть прямолинейной (как более простая в изготовлении) и отогнутая назад (Д <90"), что при ее работе позволяет получить более высокую <2 при минимальном напоре Н.

Для определения мощности на работу ротора предлагаемого маслоизготовителя рг.ссмотрим вращение лопасти (пластинки) вокруг оси О-О (рисунок 6) с постоянной угловой скоростью со = к п/30.

О .9 г

о

'У/ 1

р -с;.! |

(

оУ

О-

о

а)

б)

Рисунок б - Схема к расчету мощности маслоизготовителя: а) лопасть,

отстоящая от оси вращения на величину г/; 6) лопасть, проходящая через ось вращения О-О

Исходя из теории обтекания тел жидкостью, применим к вращающейся плоской лсласти уравнение Ньютона-Кармана, плоскость которой расположена под утлом х к шоскости вращения. Выделим элемент поверхности (рисунок 6 а) Ь-сЬс-зт% на расстоянии х от оси вращения, который движется со скоростью £/ = со- х.

всю лопасть р = ^с Р ®2 Ь (^-г,3) ьт % г Н (6)

Известно по Карману, что сила, приходящаяся на элемент поверхности

с1Р — с р Ъ <Ьс (о2 х2 этх, Н, (5)

где с - коэффициент сопротивления

Интегрируя выражение (5) в пределах гь г2, получим силу, действующую на

1

— {

3

Для случая, когда г,=0 (рисунок 6 б), получим

Р = р ео2 Ь г1$тх, Н (7)

Точка А приложения силы Р в рассматриваемом случае (рисунок 6 б) находится на оси симметрии прямоугольника на расстоянии хА, равном

с1Р с р о)2

}х3с1х (8)

Подставляя в это выражение значение Р и интегрируя, получим

л 4 4

И ^ ^

з

При г 1=0 хл=—гг, м (10)

Окружная скорость точки приложения силы Р на плече хА

ил=а> ха=~ Т, м/с (11)

4 Гг Гх

Мощность N - Р ил, откуда, подставляя значения 1!л и Р при ¡'¡=0 и полагая, что плоскость лопасти воспринимает нормальное давление жидкости (х=90°), а также принимая во внимание формулу определения мощности по В И Мельникову с учетом поправочного коэффициента 1,5 для уточнения относительной неравномерности значений коэффициента сопротивления с при воздействии лопастей ротора маслоизготовителя на весь объем обрабатываемых сливок, получим

N = 1,5 ; с р а? Ь ¿4р, Вт, (12)

где г — число однотипных пар лопастей ротора, шт, р — плотность сливок, кг/м3, Ь — ширина лопастей, м,<1р — диаметр ротора, м, со — угловая скорость, с1

Известно, что коэффициент сопротивления с для квадратичной области (автомодельный режим) является величиной постоянной и принимается в расчетах с=0,44

Мощность на привод маслоизготовителя

NV=N+Nia, Вт, (13)

где Nxx - мощность холостого хода, Вт

На основании результатов исследований предлагаемого маслоизготовителя можно принять, что Nxx=0, ISN

N„p=l,l5N, Вт (14)

В третьем разделе «Программа и методика исследований» изложены программа и методики по определению физико-механических свойств сливок и сливочного масла, динамической вязкости сливок, а также полнофакторного эксперимента по оценке энергоемкости сбивания сливок в зависимости от конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя

Программа экспериментальных исследований включала

1 Лабораторные исследования по оценке влияния конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя на энергоемкость сбивания сливочного масла с целью определения их оптимальных значений, а также основных физико-механических свойств сливок и масла,

2 Экспериментальные исследования маслоизготовителя в производственных условиях для проверки его работоспособности с обоснованными конструктивно-режимными параметрами,

3 Комплексная оценка качества сливочного масла, приготовленного с использованием разработанного и изготовленного маслоизготовителя

Исследования, предусмотренные программой, проводили на экспериментальной установке маслоизготовителя (рисунок 7)

Исследования маслоизготовителя проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52054-2003, ГОСТ 3626-73, ГОСТ 5867-90, ГОСТ 37-91, ТУ 49200-73, ОСТ 70 19 2-74, ГОСТ 3624-92, а также с учетом рекомендаций Г В Веденяпина, В В Коновалова, С В Мельникова, Г Н Крусь и других авторов

Для исследований использовали сливки, приготовленные по стандартной технологии с жирностью 39%, температурой l(fC и временем выдержки до 12 часов

Исходя из условия, что предельная ошибка во всех опытах приближенно равна наибольшей возможной статистической и задаваясь доверительной вероятностью при исследованиях (р=0,95), была выбрана трехкратная повторность опытов

Рисунок 7 - Экспериментальная установка для исследования маслоизготовителя периодического действия: 1 - измерительный комплект М 890й; 2 — секундомер; 3 - вискозиметр; 4- тахометр часового типа ТЧ-10Р; 5 - привод однофазный с регулируемой частотой вращения; 6 - крышка; 7 - емкость; 8 — механизм сбивания

С целью нахождения оптимальных конструктивно-режимных параметров предлагаемого маслоизготовителя применялась методика планирования полнофакторного эксперимента Критерием оптимизации являлась энергоемкость сбивания, а отход жира в пахту (не более 0,4%) служил ограничением этой целевой функции. При проведении опытов частоту вращения роторов механизма сбивания изменяли частотой вращения электропривода 5 (рисунок 7), а всего механизма сбивания вокруг вертикальной оси - механическим регулируемым тормозом, установленным на крышке 6 (на рисунке 7 он не показан). Температуру сливок при сбивании измеряли термометром, время образования масляного зерна — секундомером 2, частоту вращения работах органов маслоизготовителя - тахометром часового типа ТЧ-10Р 4, динамическую вязкость сливок - вискозиметром 3.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований маслоизготовителя периодического действия» приведены результаты отсеивающего эксперимента, которые подтвердили неадекватность линейного уравнения регрессии сбивания сливочного масла, на основании чего приняты для дальнейшего рассмотрения следующие факторы и уровни их варьирования (таблица 1).

Таблица 1 — Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы Кодовое обозначение Уровни варьирования Интервал варьирования

+1,547 +1 0 -1 -1,547

пр — частота вращения роторов, мин1 X] 620 400 300 200 90 100

I - угол установки лопастей ротора, град Х2 83 60 45 30 7 15

Ь - ширина лопастей, Хз 28 18 12 6 2,7 6

<рж - степень заполнения емкости X, 0,96 0,8 0,7 0,6 0,44 0,1

л, - частота вращения механизма сбивания вокруг вертикальной оси, мин1 Х5 93 60 40 20 9 20

Для определения энергоемкости сбивания в предлагаемом маслоизготовителе с использованием ортогонального композиционного пятифакгорного плана получили уравнение регрессии Y=0,008155-0,02077 xJ+0,020553 х2+0,020755 хЗ+0,022433 х4+ 0,0207446x5+0,001689 xl2+0,001582 х22+0,002011 х32+0,001389 х42+ +0,001968 х52++0,09513 х 1 х2+0,0871 xl хЗ+0,087524 xl х4+ 0,087605 xl х5+0,099395 х2 хЗ+0,09957x2 х4+0,099651 х2 х5+ +0,107426 хЗ х4+0,107432 хЗ х5+0,10737x4 х5+0,008049 xl3--0,009224 х23-0,009252 хЗ}-0,01002 х43-0,008717 х53+0,095623 xl х2 хЗ+ +0,09556 xl х2 х4+0,095567-xl х2 х5+0,087269 xl хЗ х4+0,08735 xl хЗ х5+ +0,087524 х 1 х4 х5+0,099315 х2 х3 х4+0,099396-х2 хЗ х5+0,09982 х2 х4 х5+ +0,107863 хЗ х4х5+0,065378 xl х2 хЗ х4х5+0,137615 хI2 х22 хЗ2 х42 х52+

+0,065378 xl3 х23 хЗ3 х43 х53, ^ÜLl (15)

кг

Статистическая обработка с применением программ Statistica 6 0, MathCAD 11 и Microsoft office Excel, подтвердила адекватность полученного уравнения регрессии, а также выявила оптимальные значения факторов (рисунок 8) частота вращения ротора 264 мин1, угол установки лопастей 45 град , степень заполнения емкости 0,71, частота вращения механизма сбивания вокруг вертикальной оси 40 мин1, ширина лопастей ротора 0,012м, число блоков лопастей 6шт, количество лопастей в блоке 4шт, при которых энергоемкость сбивания сливочного масла составляет 0,0093кВт ч/кг при производительности 27кг/ч и потребляемой мощности 0,25кВт

Основные показатели качества сливочного масла и процесса сбивания следующие: жирность 78,5...82,6%, влажность 15,7... 17,6%, содержание воздуха 2,5...2,6%, кислотность 2ГТ, отход жира в пахту 0,4% и выход масла 59,9%, что соответствует требованиям госстандартов.

1,547

-1,547.

-1,547

1,547

-1,547_

1,547'

-1,5411

1,547

1,547

1,547

-1,547

1,547

-1,547.

-1,547

1,547

Рисунок 8 - Двухмерные сечение поверхности отклика энергоемкости У выработки сливочного масла от параметров: частоты вращения роторов х1, угла установки лопастей ротора х2, ширины лопастей х3, степени заполнения емкости масло-изготовителя х4 и частоты вращения механизма сбивания вокруг вертикальной оси х5

Для проектирования маслоизготовителя с более высокой производительностью, на основании методик моделирования и масштабирования при перемешивании жидкостей, предлагается следующий порядок расчета. Для различных критериев подобия рассчитывались степенные показатели масштаба Р. В рассматриваемом случае, расчет всех основных параметров будет проводиться при условии постоянства

маслоизготовителя 0,33 (при отношении высоты Н к диаметру О емкости 0,66). Все остальные параметры умножаются на масштаб Р' в соответствующей степени (таблица 2).

Таблица 2 — Влияние изменения масштаба на основные _параметры маслоизготовителя_

№ Параметры Критерии подобия

п/п Пр Up=jt-dp-np N/Q К

1 Частота вращения ротора пр, с'1 1 F' Fl

2 Окружная скорость ротора Up=n-dp-np, м/с F1 1 pO 33 F'

3 Мощность N, кВт f6 F1 F> F'

4 Энергоемкость процесса N/Q, кВт ч/кг F* Г' 1 F*

5 Число Рейнольдса R<, F* F133 1

6 Отношение dp/D 0,33 0,33 0,33 0,33

В качестве примера представляется проектирование маслоизготовителя с масштабом Р=4 Анализируя полученные данные (таблица 3) можно проследить результаты изменения всех основных параметров проектируемого маслоизготовителя В четвертом столбце представлены результаты расчетов при постоянной частоте вращения ротора пР Следует отметить резкое возрастание окружной скорости £//>, мощности N и энергоемкости сбивания N/<2 в проектируемом маслоизготовителе Результаты, сведенные в пятый столбец, получены при постоянной окружной скорости 1}р в натурном и проектируемом маслоизготовителях и понижение энергоемкости сбивания N/<2 Шестой столбец соответствует постоянной энергоемкости А'/(?> но это приводит к увеличению окружной скорости С/> и мощности N Для седьмого столбца постоянно значение числа Ке и это приводит к значительному снижению частоты вращения ротора пР, окружной скорости иР и энергоемкости N/2 в проектируемом маслоизготовителе Поэтому наиболее предпочтительным вариантом для проектируемого маслоизготовителя является вариант с критерием подобия Яс=0,2 к?

Таблица 3 - Пример расчета влияния масштаба Р=4 на основные

параметры маслоизготовителя

JYS n/n Параметр Экспериментальная установка Проектируемый маслоизготовитель при сохранении постоянства

ир Up-n-dp пР N/Q R.

1 2 3 4 5 6 7

1 Яр, с' 4,4 4,4 1,1 1,76 0,275

2 Vp~7Z<ip Пр, м/с 1,52 6,08 1,52 2,4 0,38

3 U, кВт 0,25 257 4 16,1 0,063

4 NJO, кВт ч/кг 0,0093 0,1488 0,0023 0,0093 0,00004

5 К 0,2 106 3,2 106 0,8 106 1,26 10" 0,2 106

6 dp/D 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33

Однако для полного и объективного уточнения всех основных параметров проектируемого маслоизготовителя его следует изготовить в натурную величину, а в процессе производственных исследований довести конструктивно-режимные параметры до оптимальных значений

В пятом разделе «Экспериментальные исследования маслоизготовителя периодического действия в производственных условиях» приведены результаты

производственных исследований маслоизготовителя с оптимальными конструктивно-режимными параметрами, при которых энергоемкость сбивания составляет 0,0093кВт ч/кг при производительности 27кг/ч и потребляемой мощности 0,25кВт Расхождение расчетных значений мощности на привод по выражению (14) со значениями экспериментальных исследований не превышает 26% Основные показатели качества сливочного масла и процесса сбивания следующие жирность 78,8 81,8%, влажность 15,8 17,4%, содержание воздуха 2,5 2,6%, кислотность 21°Т, отход жира в пахту 0,4% и выход масла 59,9%

Данный маслоизготовитель периодического действия внедрен в МП «Комбинат детского питания» и КФХ «Горизонт» Пензенской области

В шестом разделе «Экономическая эффективность применения предлагаемого маслоизготовителя периодического действия» представлены расчеты по приведенным затратам в сравнении с серийно-выпускаемой машиной ИПКС-030 Годовой экономический эффект, при годовом объеме работ 15000кг сливок, составляет 13391 руб и сроке окупаемости дополнительных затрат 0,65 года Годовой экономический эффект получен за счет увеличения производительности маслоизготовителя и снижения капитальных вложений

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ существующих конструкций маслоизготовителей периодического действия, а также поисковые опыты подтвердили целесообразность установки в емкости маслоизготовителя механизма сбивания в виде двухвального лопастного ротора, вращающего вокруг горизонтальной и вертикальной осей, способствуя интенсификации гидродинамических явлений в маслоизготовителе, что обеспечивает турбулизацию движения сливок и ускоряет процесс образования масляного зерна

2 Теоретическими исследованиями получено уравнение для расчёта мощности на привод маслоизготовителя, определена плоская форма лопастей с установкой их на роторе тангенциально против вращения, что позволяет получить высокую подачу при минимальном напоре, снизить время агрегации жировых шариков и энергоемкость сбивания масла

3 По критерию оптимизации — энергоемкости процесса сбивания масла в маслоизготовителе - выявлены стационарные области, которые позволили определить оптимальные конструктивно-режимные параметры частота вращения ротора пр=264 мин, угол установки лопастей 1=45 град, ширина лопастей Ь=12 мм, степень заполнения емкости <рза„=0,71, частота вращения механизма вокруг

вертикальной оси пв=40 мин'1, обеспечивающие производительность по маслу 27 кг/ч с выходом масла 59,9%, отходом жира в пахту не более 0,4% и надлежащем (в соответствии с требованиями ГОСТ 37-91) качестве сливочного масла Методика гидравлического моделирования маслоизготовителя по критерию подобия Реинольдса при динамической вязкости сливок ц=0,27 Ш4 Па-с с плотностью р=998 кг/м3 при 1СРС позволяет проектировать маслоизготовитель требуемой производительности

4 Экспериментальными исследованиями установлено, что при оптимальных конструктивно-режимных параметрах энергоёмкость сбивания составляет 0,0093 кВт ч/кг при потребляемой мощности 0,25 кВт Производственные исследования подтвердили работоспособность предлагаемой конструкции маслоизготовителя и результаты лабораторных опытов Годовой экономический эффект от применения предлагаемого маслоизготовителя составляет 13391 руб, срок окупаемости дополнительных затрат 0,65 года при годовом объеме переработки сливок 15000 кг

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Стригин, С В Основы теории маслоизготовителя периодического действия / С В Стригин, В С Парфенов, В Н Стригин // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2007 - №4 - С 20

2 Стригин, С В Маслобойка для личных и подсобных крестьянских хозяйств / С В Стригин, В С Парфенов, В Н Стригин // Сельский механизатор - 2007 - №5 - С 47

Публикации в бюллетенях изобретений, сборниках научных трудов и материалов конференци

3 Пат 2269890 РФ, МКП8 А0И 15/00, А011 15/02, А011 15/04 Маслоизготовитель периодического действия / В П Терюшков, В С Парфенов, С В Стригин - 2004123465/13, Заявлено 29 07 2004, Опубл 20 02 2006, Бюл №5

4 Стригин, С В Методика отсеивающего эксперимента при исследовании маслоизготовителя периодического действия / С В Стригин, В П Терюшков // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники межвузовский сб тр XVI региональной НПК вузов Поволжья и Предуралья - Пенза РИО ПГСХА, 2005 - С 259 - 260

5 Стригин, С В Вискозиметр / С В Стригин // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники межвузовский сб тр XVI региональной НПК вузов Поволжья и Предуралья - Пенза РИО ПГСХА, 2005 -С 259-260

6 Стригин, С В Анализ пути совершенствования оборудования для приготовления сливочного масла в условиях крестьянских хозяйств / С В, Стригин, В С Парфенов, В П Терюшков // Роль науки в АПК сб тр НПК инж ф-та Пензенской ГСХА - Пенза РИО ПГСХА, 2005 -С 165-166

7 Парфенов, В С Маслоизготовитель периодического действия / ВС Парфенов, С В Стригин, В П Терюшков// Роль науки в АПК сб тр НПК инж ф-та Пензенской ГСХА - Пенза РИО ПГСХА, 2005 -С 165-166

8 Стригин, С В Лабораторная установка и методика исследований маслоизготовителя периодического действия / С В Стригин // Роль науки в АПК сб тр НПК инж ф-та Пензенской ГСХА -Пенза РИО ПГСХА, 2005 -С 167-168

9 Стригин, С В К обоснованию выбора факторов и уровней их варьирования при исследовании маслоизготовителя периодического действия / С В Стригин, В С Парфенов, В П Терюшков // Материалы междунар НПК, посвященной 75-летию со дня рождения профессора Виктора Григорьевича Кобы - Саратов ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им НИ Вавилова, 2006 -Т1 -С 107 -109

10 Стригин, С В К вопросу тарировки вискозиметра / С В Стригин // Природоресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России сборник материалов IV междунар НПК -Пенза РИО ПГСХА, 2006 -С 214-215

Подписано в печать 15 01 08 Объем 1,0 уел п л Тираж 100 экз Заказ № 24

Отпечатано с готового оригинал-макета в мини-типографии Свидетельство № 5551 440600, г Пенза, ул Московская, 74

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА СЛИВОЧНОГО МАСЛА.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Производство сливочного масла, его ассортимент и способы изготовления

1.2 Основные положения теории сбивания сливок и образования масляного зерна

1.3 Классификация и анализ устройств для изготовления сливочного масла

1.4 Цель и задачи исследований

1.5 Выводы

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы маслоизго-товителя периодического действия и сбивания в нем сливок

2.2 Основы теории работы ротора маслоизготовителя

2.3 Форма лопастей маслоизготовителя и способ их установки на роторе

2.4 Затраты мощности на работу маслоизготовителя

2.5 Выводы

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа исследований и описание экспериментальной установки

3.2 Общая методика исследований

3.3 Лабораторные исследования

3.3.1 Методика определения физико-механических свойств сливок и сливочного масла

3.3.2 Лабораторная установка по определению динамической вязкости сливок

3.4 Выбор факторов и уровней их варьирования. Методика экспериментальных исследований по определению оптимальных конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя периодического действия

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

4.1 Результаты отсеивающего эксперимента

4.2 Определение основных конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя

4.3 Методика гидравлического моделирования маслоизготовителя периодического действия

4.4 Выводы

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Животноводческая отрасль даёт народному хозяйству около 2/3 продуктов питания, а также различное сырьё для лёгкой промышленности. Важнейшим продуктом отрасли является молоко, из которого изготавливается и реализуется населению питьевое молоко, творог, кисломолочная продукция, сливочное масло и многое другое.

Сливочное масло является для человека ценнейшим продуктом питания, который усваивается организмом практически полностью. В настоящее время этот продукт производится в достаточно широком ассортименте, насчитывающем более двадцати сортов.

Сливочное масло вырабатывается по двум технологиям: сбивания (на маслоизготовителях) и преобразования высокожирных сливок (на маслообразователях). Вторая технология применяется только при больших объёмах производства масла. Технологию сбивания осуществляют на маслоизготовителях непрерывного (при переработке более 300 литров сливок в смену) и периодического (при объёме менее 300 литров сливок в смену) действия [8. 12, 29,33].

Учитывая увеличение поголовья коров в личных подсобных и фермерских хозяйствах и соответственно выход молока [1 —7, 29, 31.34] I более выгодно и эффективно для производства масла применение маслоизготовителей периодического действия. Однако исходя из анализа работы подобных устройств [29; 33.60] видно, что процесс сбивания масла в 1 них занимает значительный период времени (от 0,35ч до 2ч) и это значительно снижает их производительность и повышает энергоёмкость процесса в целом. Использование более производительных маслоизготовителей снижает время сбивания масла, но отход жира в пахту выходит за пределы требований ГОСТа. Все это свидетельствует о необходимости совершенствования конструкций маслоизготовителей периодического действия, теоретического и экспериментального исследования процесса работы и обоснования их оптимальных конструктивно-режимных параметров.

Основные положения диссертационной работы следующие.

Цель исследований.

Разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров I маслоизготовителя периодического действия, обеспечивающего снижение энергоемкости сбивания.

Объект исследований.

Сбивание сливочного масла в маслоизготовителе периодического действия с механизмом в виде двухвального лопастного ротора, вращающегося вокруг горизонтальной и вертикальной осей.

Предмет исследований.

Закономерности и режимы сбивания сливочного масла в маслоизготовителе периодического действия.

Методика исследований.

Для определения основных показателей качества^ сливочного масла и исходного продукта (сливок) использовали методики действующих ГОСТов*и ОСТов. Для теоретического обоснования формы лопастей маслоизготовителя, способа их установки на роторе и определения затрат мощности на сбивание применялся математический анализ и моделирование гидродинамических явлений при движении сливок. С целью определения оптимальных конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя использовалась методика планирования эксперимента и стандартные компьютерные программы Statistica 6.0, MathCAD 11, Microsoft office Excel.

Научная новизна.

Конструкция маслоизготовителя периодического действия и методика расчета конструктивно-режимных параметров; аналитическое выражение для определения затрачиваемой мощности и уравнение регрессии энергоемкости сбивания; оптимальные значения конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя.

Научная новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение №2269890.

Практическая ценность и реализация исследований.

Оптимальные конструктивно-режимные параметры разработанного маслоизготовителя периодического действия обеспечивают снижение энергоемкости сбивания на 58% и увеличивают производительность на 17% по сравнению с серийно-выпускаемым ИПКС-030. Предлагаемый маслоизготовитель внедрен в МП «Комбинат детского питания» и КФХ «Горизонт» Пензенской области.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в, т.ч. получен патент РФ на изобретение, две статьи опубликованы в издании, указанном в «Перечне.ВАК» и три - без соавторов. Общий объем публикаций составляет 2,1 п.л., из них автору принадлежит 0,7 п.л.

Апробация работы.

Основные положения диссертации1 и результаты исследованию доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2003.2007гг.), ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И> Вавилова» (2005г.), региональной НПК вузов Поволжья и Предуралья* ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2006г.), IV международной научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2007г.).

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 125 наименований* и приложения. Объем диссертации составляет 151 е., 16 табл. и 38 рис.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих конструкций маслоизготовителей периодического действия, а также поисковые опыты подтвердили целесообразность установки в ёмкости маслоизготовителя механизма сбивания в виде двухвального лопастного ротора, вращающегося вокруг горизонтальной и вертикальной осей, способствуя интенсификации гидродинамических явлений в маслоизготовителе, что обеспечивает турбулизацию движения сливок и ускоряет процесс образования масляного зерна.

2. Теоретическими исследованиями получено уравнение для расчёта мощности на привод маслоизготовителя, определена плоская форма лопастей с установкой Pix на роторе тангенциально против вращения, что, позволяет получить высокую подачу при минимальном напоре, снизить время агрегации жировых шариков и энергоёмкость сбивания.

3. По критерию оптимиз'ации '— энергоёмкости сбивания в у маслоизготовителе - выявлены стационарные области, которые позволили определить оптимальные конструктивно-режимные параметры: частота вращения ротора пр—264 мин, угол установки лопастей i=45 град; ширина лопастей Ь=12 мм\ степень заполнения ёмкости <рзап-0,71; частота вращения механизма вокруг вертикальной оси ' пв=40 мин1, обеспечивающие производительность по маслу 27 кг/ч с выходом масла 59,9%, отходом жира в пахту не более-0,4% и надлежащем (в соответствии с требованиями'ГОСТ 3791) качестве сливочного масла. Методика4 гидравлического моделирования маслоизготовителя по критерию подобия Рейнольдса при динамической вязкости сливок р=0,27-10'4 Па-с с плотностью р=998 кг/м при 10°С позволяет проектировать маслоизготовитель требуемой производительности.

4. Экспериментальными исследованиями установлено, что при оптимальных конструктивно-режимных параметрах энергоёмкость сбивания составляет 0,0093 кВт-ч/кг при потребляемой мощности 0,25 кВт. Производственные исследования подтвердили работоспособность предлагаемой конструкции маслоизготовителя и результаты лабораторных опытов. Годовой экономический эффект от применения предлагаемого маслоизготовителя составляет 13391 руб., срок окупаемости дополнительных затрат 0,65 года при годовом объеме переработки сливок 15000 кг.

1. Горощенко, Л.П. Российский рынок молочных продуктов / Л.П. Горощенко // Молочная промышленность. — 2007. — №1. - С. 4 - 9.

2. Сергеев, В.Н. Молочная промышленность России: первая пятилетка XXI века / В.Н. Сергеев // Молочная промышленность. — 2006. №4. — С. 4 - 10.

3. Лабинов, В.В. Состояние молочной промышленности России: проблемы и решения / В.В. Лабинов // Молочная промышленность. 2006. — №9. - С. 42 - 46.

4. Негреева, А.Н. Качество молока коров разных генотипов / А.Н. Негреева // Молочная промышленность. — 2006. №10. - С. 20 - 21.

5. Скаркина, H.A. Показатели масла из молока коров разного генотипа / H.A. Скаркина // Молочная промышленность. 2006. - №10. - С. 38 - 39.

6. Пензенская область. Основные показатели развития с 1991 по 2005г. — Статистический ежегодник. Официальные издания. Пенза, 2006. - 484с.

7. Сельское хозяйство Пензенской области Пенза, Пензастат., 2006. — 259с.

8. Грищенко, А.Д. Сливочное масло / А.Д. Грищенко. М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1983. -328 с.

9. Андрианов, Ю.П. Производство сливочного масла / Ю.П. Андрианов. М.: Агропромиздат, 1988: - 302 с.

10. Барабанщиков, Н.В. Качество молока и молочных продуктов / Н.В.Барабанщиков. М.: Колос, 1980. - 241с.

11. Баранов, H.H. Совершенствование технологии производства масла на непрерывных маслосбивателях: Автореф. дис.канд. техн. наук / H.H. Баранов.-М.: 1953.-18 с.

12. Антонова, B.C. Технология молока и молочных продуктов / B.C. Антонова, С.А. Соловьёв. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2001. - 440с.

13. Кук, Г.А. Гидродинамическая теория маслообразования / Г.А. Кук. — Труды ЛИХПМ. Т.4, 1953. - 318с.

14. Сурков, В.Д. Теория кавитации и процесса сбивания масла / В.Д. Сурков // Молочная промышленность. 1948. -№10. - С. 21-22.

15. Сурков, В.Д. Гидродинамические основы молокопереработки: Автореф. дис. .д-ра техн. наук /В.Д. Сурков. — М.: 1950. — 28 с.

16. Грищенко, А.Д. Кинетическая закономерность агрегации жировых шариков / А.Д. Грищенко // Молочная промышленность. — 1966. — №4. — С. 28 -29.

17. Верглесов, В.М. Изучение основных закономерностей кристаллизации молочного жира и их влияние на формирование структуры сливочного масла: Автореф. дис. .канд. техн. наук / В.М. Верглесов. Киев , 1973. - 22 с.

18. Гордиенко, А.Д. О влиянии пены и формы потока на процесс маслообразования / А.Д. Гордиенко // Молочная промышленность. — 1949. -№12. С. 14-16.

19. Белоусов, А.П. Физико-химические процессы в производстве масла сбиванием сливок / А.П. Белоусов. М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1984. - 192 с.

20. Грищенко, А.Д. О влиянии термомеханических условий обработки сливок на агрегацию жировых шариков и кристаллизацию триглицеридов молочного жира: Автореф. Дис.д-ра техн. наук / А.Д. Грищенко. Л.: 1962.-32 с.

21. Вышемирский, Ф.А. Фактор повышения качества сливочного масла / Ф.А. Вышемирский. М.: 1971. - 234 с.

22. Вышемирский, Ф.А. Производство сливочного масла / Ф.А. Вышемирский. -М.: Агропромиздат, 1987. 362 с.

23. Котова, О.Г. Учебное пособие по технологии масла / О.Г. Котова. — Ленинград Вологда, 1973. - 72 с.

24. Котова, О.Г. Повышение качества сливочного масла / О.Г. Котова. — М.: Пищевая промышленность, 1979. — 127 с.

25. Бержинскас, Г.Г. Исследование влияния технологических факторов на структуру и консистенцию сливочного масла, изготавливаемого непрерывным сбиванием: Автореф. дис.канд. техн. наук / Г.Г. Бержинскас. Каунас, 1969. - 22 с.

26. Мотекайтис, П.В. Влияние механической обработки на структуру и консистенцию сливочного масла: Автореф. дис.канд. техн. наук / П.В. Мотекайтис. Вильнюс, 1970. - 20 с.

27. Карнаух,. В.И. Исследование механизма сбивания в маслоизготовителях непрерывного действия: Автореф. дис.канд. техн. наук / В.И. Карнаух. -М.: 1970.-22 с.

28. Шиллер, Г.Г. Совершенствование методов в маслоделии и сыроделии / Г.Г. Шиллер. Ярославль, 1978. - 94 с.

29. Терюшков, В.П. Повышение использования молочного жира за счёт оптимизации параметров маслоизготовителя: Автореф. дис.канд. техн. наук / В.П. Терюшков. Пенза, 2003. - 16 с.

30. Кофтунова, J1.E. Повышение качества масла / JI.E. Кофтунова. М.: Наука, 1970.-94с.

31. Качераускис, Д.В. Новое в производстве масла способом периодического сбивания/ Д.В. Качераускис. М.: 1970. - 124с.

32. Бредихин, С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. -М.: Колос, 2001. 400 с.

33. Курочкин, A.A. Технология и оборудование для переработки продукции животноводства / A.A. Курочкин, В.В. Ляшенко. -М.: Колос, 2001. 440 с.

34. Забелина, М.В. Технологические основы производства и переработки продукции животноводства / М.В. Забелина, P.A. Денисов. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2006. - 1126 с.35