автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Снижение энергозатрат при производстве сливочного масла, с разработкой и обоснованием параметров пневмомеханического маслоизготовителя

На правах рукописи

ПОРОСЯТНИКОВ Антон Вячеславович

Снижение энергозатрат при производстве сливочного масла, с разработкой и обоснованием параметров пневмомеханического маслоизгоговители

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1Р НЛП уип

Уфа - 2013

005059408

005059408

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А.Столыпина»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Губейдуллин Харис Халеуллович

Официальные оппоненты:

Артемьев Владимир Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина, профессор кафедры

сельскохозяйственных машин

Хисаев Инне Абзалович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, доцент кафедры технологического оборудования животноводческих и перерабатывающих предприятий»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Казанский государственный

аграрный университет»

Защита состоится 24 мая 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО «Башкирский

государственный аграрный университет» по адресу: 450001, г. Уфа, ул.50-летия Октября, 34, ауд. 257/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан_ апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

С.Г. Мударисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сливочное масло - энергетически пенный пищевой продукт, который вырабатывают из молока. При производстве сливочного масла используют в основном две технологии: сбивания (периодического и непрерывного действия) и преобразования высокожирных сливок, применение которых обуславливается объёмами производства.

В настоящее время число небольших фермерских хозяйств с малыми объёмами переработки сырья значительно возрастает, вследствие этого сеть необходимость использования маслоизготовителсй периодического действия.

Анализ существующего оборудования по производству масла показывает, что технологический процесс сбивания масла сопровождается высокими энергетическими и временными затратами, а металлоемкость самих конструкций существенным образом отражается на себестоимости продукции. Использование ручного труда при выгрузке готовой продукции не соответствует современным требованиям механизации и автоматизации данного процесса, что противоречит действующим санитарным правилам и нормам.

Анализ теорий маслообразования и конструкций самих установок позволил определить основные направления совершенствования существующих устройств в виде агрегата с неподвижной ёмкостью и активным спиральным энергосберегающим рабочим органом.

Поэтому научное исследование, направленное на определение оптимальных конструктивно-режимных параметров маслоизготовителя периодического действия, обеспечивающее высокое качество получаемой продукции ири минимальных затратах электроэнергии и времени на выполнение тсхнологаческого процесса, представляет собой актуальную научную задачу.

Цель исследований. Разработка и обоснование конструктивных параметров и режимов работы пневмомеханического маслоизготовителя обеспечивающего снижение энергозатрат и времени на выполнение технологического процесса производства масла

Объект исследований. Технологический процесс сбивания масла пневмомеханическим воздействием на обрабатываемый продукт.

Предмет исследований. Закономерности процесса сбивания масла пневмомеханическим маслоизготовителем при различных режимах его работы.

Методика исследований. Для определения физико-химических свойств масла были использованы действующие нормативно-технические документы. Для теоретического обоснования расположения сопла для подачи воздуха, степени заполнения сливками в ёмкость, а также определение затрат мощности необходимое на вращение спирального винта применялся математический анализ и моделирование пневмомеханических и гидродинамических явлений ири движении сливок. В ходе выявления оптимума конструктивных и режимных параметров пневмомеханического маслоизготовителя применялась методика шинирования эксперимента и стандартных программы MathCAD 15, КОМПАС 3D V12 и Excel.

Научная новизна.

1. Установлены аналитические зависимости мощности требуемой на привод рабочего органа от конструктивных параметров и режимов работы маслоизготовителя.

2. Получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс получения масла в маслоизготовителе.

3. Установлены оптимальные параметры и режимы работы пневмомеханического маслоизготовителя, обеспечивающие снижение затрат энергии и времени на изготовление масла.

Новизна технического решения подтверждена патентом на полезную модель 97243 RU, МПК A01J 25/02 Маслоизготовитель периодического действия.

Практическая ценность и реализация исследований. Разработанный пневмомеханический маслоизготовитель снижает удельные энергозатраты на 1 кг масла до 5 раз по сравнению с серийным маслоизготовителем БМП - 150, а также данный маслоизготовитель в 2,6 раз уступает пневмомеханическому маслоизготовителю по временному показателю. Экспериментальные данные дают возможность уточнить оптимальные значения конструктивно-режимных параметров. Реализация результатов на практике позволяет существенным образом сократить время на выполнение технологического процесса и повысить экономическую эффективность производства масла. Внедрение пневмомеханического маслоизготовителя осуществлялось на молочном заводе СПК им. Н.К. Крупской и на маслозаводе СППК «Хмелёвский» Мелекесского района Ульяновской области.

Личный вклад автора. Проведены теоретические исследования технологического процесса получения масла и обоснование параметров пневмомеханического маслоизготовителя. Разработаны методики и проведены экспериментальные исследования, обработка и анализ полученных результатов. Разработана конструктивно-технологическая схема и изготовлена лабораторная установка и опытный образец маслоизготовителя. Подготовлены основные публикации и выводы по работе.

Апробация работы. Основные положения по диссертационной работе, а также результаты научных исследований были доложены и одобрены на конференциях: институт радиотехники, г. Ульяновск, (2009г.); Мелекесский СХТ, (2009г.); Технологический институт - филиал ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», (2010г.); ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», (2010 - 2012гг.); Ульяновский ГТУ, (2010г.); «Селигер-2010» (2010г.); «Инженер года - 2010» г. Ульяновск, (2011г.); Башкирский ГАУ (2011г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях указанных в «Перечне...ВАК». Получен патент на полезную модель №97243 РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 1,9 пл., из них автору принадлежит 0,7 пл.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 112 наименований, приложения на 36 с. Работа изложена на 110 е., содержит 45 рис. и 16 табл.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

— конструктивное обоснование пневмомеханического маслоизготовителя;

- аналитическая оценка конструктивных параметров и режимов работы установки, мощности привода, выявление зоны дислокации и размеров воздушных пузырьков в жидкости;

- результаты экспериментальных исследований но определению оптимальных параметров по снижению энергозатрат пневмомеханического маслоизготовителя;

— уравнение регрессии, адекватно описывающие процесс изготовление масла в пневмомеханическом маслоизготовителе;

В соответствии с целью исследований были сформулированы следующие задачи:

1. Выявить основные направления совершенствования устройств используемых для производства масла.

2. Обосновать конструкцию пневмомеханического маслоизготовителя.

3. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования пневмомеханического маслоизготовителя, обосновать его оптимальные конструктивные параметры и режимы работы.

4. Провести исследования в производственных условиях разработанного маслоизготовителя, оценить технико-экономическую эффективность от его внедрения в производство.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности исследуемой темы, а также дана общая характеристика работы.

В первом разделе «Анализ технических средств по производству сливочного масла. Цель и задачи исследований» на основании патентного обзора и анализа литературных источников была предложена классификация конструкций по производству сливочного масла на рисунке 1. Дано описание и принцип действия существующих устройств для получения сливочного масла с выявлением

Рисунок 1 - Классификация конструкций по производству сливочного масла

Изучением проблематики в области маслодельной отрасли занимались такие учёные, как Р. П. Асейкин, А.П. Белоусов, С.А. Бредихин, Ф.А. Вышемирский, А.Д. Грищенко, Я.С. Зайковского, М.М. Казанский, В.М. Карнаух, B.C. Парфёнов, В.Д. Сурков, O.A. Шейфель и другие, внесшие значительный вклад в область маслоделия. Исследованиями и разработкой спирально-винтовых устройств занимались такие учёные, как В.Г. Артемьев, Х.Х. Губейдуллин, Ю.М. Исаев, В.И. Курдюмов и другие.

Во втором разделе ((Теоретические исследования технологического процесса получения масла и обоснование параметров пневмомеханического маслоизготовителя» предложена конструктивно-технологическая схема пневмомеханического маслоизготовителя (рисунок 2), в основу которого положено следующее техническое решение: автоматическая выгрузка продукта, повышение производительности, снижение затрат времени и энергии на выполнение технологического процесса.

Пневмомеханический маслоизготовитель работает следующим образом. Открывают люк Ни заливают в ёмкость 1 сливки. После этого люк 11 закрывают. Включают электродвигатель 7, который через шкив 8 приводит во вращение спиральный винт 2, активно перемешивая сливки. Кроме того, толщу сливок насыщает воздух, выходящий по подводящей трубке 10 через сопло, которое расположено в нижней части ёмкости 1. Избытки воздуха уходят из ёмкости 1 через выпускной клапан 12. После окончания процесса маслоизготовления открывается кран 6, через который сливают пахту. Затем через кран 5 заливают в ёмкость 1 холодную воду до уровня расположения патрубка 3. При отключенном компрессоре 9 приводят во вращение в противоположную сторону спиральный винт 2. Открывают задвижку 4, при этом масло по патрубку 3 выходит из ёмкости 1 наружу.

Рисунок 2 - Пневмомеханический маслоизготовитель: 1 - ёмкость; 2 - спиральный винт;

3 - патрубок; 4 - задвижка; 5 - кран для впуска воды; б — кран для выпуска пахты; 7 - электродвигатель; 8 — шкив; 9 - компрессор; 10 - трубка; II - смотровое окно; 12 - выпускной клапан

В теоретическую часть входят следующие исследования это определение движения воздушных пузырьков, степень заполнения ёмкости, а также расчет необходимой мощности на вращение спирального винта.

Для оценки основных параметров перемещения сливок в вертикальной ёмкости в первом приближении рассматривались процессы вращательного потока сливок под действием спирального винта.

| г

Рисунок 3 - Схема вращения сливок в ёмкости На начальном этапе рассматривали подъём жидкости условной заменой спирального винта вращающимся цилиндром (рисунок 3).

Уравнение поверхности уровня сливок, вращающейся вместе с ёмкостью,

в цилиндрических координатах (г, г) имеет уравнение:

_ - "2г2

2 7'° ~ 2д '

где 1 - вертикальная координата вершины параболоида поверхности уровня сливок; (г, г) - координаты любой точки поверхности уровня сливок

Высота параболоида //„, м:

где г - радиус ёмкости, м.

Угловую скорость вращения уравнения (1):

2 д

(1)

сливок в емкости со, с выразили из

О)

(2)

Данное уравнение позволяет устанавливать взаимосвязь угловой скорости вращения сливок с высотой параболоида при определённых значениях радиуса.

Зная высоту параболоида при конкретных значениях угловой скорости и радиуса ёмкости, можно установить степень заполнения ёмкости сливками и габаритные размеры самой ёмкости в целом.

Пузырьковый режим наблюдается в случае возникновения сферических пузырьков, рассмотрим данный процесс более детально применительно с возникновением пузырчатой массы, необходимой для эффективного переноса воздуха в толщу сливок без вращения рабочего органа.

Соотношение между диаметром всплывающего пузырька с1„ и диаметром

отверстия сопла с/0, можно определить из равенства подъемной силы и силы сопротивления отрыва пузырька. Применительно к нашему исследованию равенство имеет вид:

~9(Рс ~ Р.) = пй0аК, (3)

где д - ускорение свободного падения, м/с2; рс - плотность сливок, кг/м3; р„ -плотность воздуха, кг/м3; с]п - диаметр пузырька, м; с1„ - диаметр отверстия сопла, м; а - поверхностное натяжение сливок, Н/м. Коэффициент, учитывающий расход воздуха применяемого компрессора К = 3.

В режиме свободного всплывания диаметр пузырька определяется физическими свойствами жидкости, а также размером отверстия. Расход воздуха равен 1 м3/с, следовательно, им пренебрегаем и выражаем с1„ из уравнения (3):

, _ з)

л/аСА^РЛ" (4)

Выражаем из уравнения (4) диаметр отверстия сопла, который примет

вид:

а0 = (5)

Рассчитываем скорость всплытия воздушного пузырька в толще сливок по уравнению:

Vвсп с '

где и всп - скорость всплытия воздушного пузырька, м/с; О - расход воздуха, м3/с;

5о- площадь сечения отверстия сопла для подачи воздуха, м2. Подставляя выражение (5) в (6), получаем:

_ 4дзб<т2 и""' ~ пКЫЬдЧРс~Р.)г ' Выразим величины, которые не будут меняться в течение всего исследования через 5:

я — 1441,2 _ до

пэ2*2' У"с" ~ чиРс-Р.У (7)

Как видно из формулы (7), скорость всплытия воздушного пузырька зависит, в первую очередь, от диаметра пузырька, плотности сливок и расхода воздуха.

Принимая <1„ = 0,009 м и в среднем диаметр жирового шарика, равный 510^ м, из расчёта геометрических формул следует, что на 1 воздушный пузырёк «налипается» около 14 млн. жировых шариков.

Внутри ёмкости расположен рабочий орган в виде спирального винта, при его вращении внутри цилиндра создаётся турбулентный поток.

Полагая случайное место нахождения инородной частицы (воздушного пузырька) в сечении цилиндра установки, приходим к вероятностному описанию процесса, показанному на рисунке 4.

(б)

Рисунок 4 — Распределение пузырьков в толще сливок при вращении рабочего органа

На расположение пузырька, как показано на рисунке 4, в круглом сечении влияет множество случайных факторов: частота вращения, диаметр проволоки, шаг и диаметр рабочего органа, сопло с диаметром отверстия, в связи с чем, температура подаваемого воздуха и температура сливок. Исходя из центральной предельной теоремы, можно предложить закон распределения в объёмном пространстве воздушных пузырьков, р нормальным (Гаусса).

Расстояние е - распределено на конечном интервале [0,г], где /• - радиус ёмкости.

Будем считать случайной величиной - расстояние от пузырька до оси цилиндра, £ = е.

Пусть £ имеет усечённое нормальное распределение в связи с имеющимися границами области возможных значений:

где а,/} - границы области возможных значений случайной величины (левая и правая точки усечения);

т — параметр положения воздушного пузырька в определённый момент времени (математическое ожидание, если бы £ не была усечённой);

а - параметр масштаба (среднеквадратичное отклонение воздушного пузырька от возможного его местонахождения, если бы распределение не было усеченным, а> 0).

В рассматриваемой задаче нахождение случайной величины £ определено на отрезке [0;г].

В нашем случае точки усечения известны а = 0, Р = г, для нахождения оценок максимального правдоподобия параметров ш и а можно использовать следующие соотношения:

a —mi ии =-,u2¡ =

P-mi

■•«2 Í = —-—.

<p(un) - <P(UlD . Ф0(щ) - Ф0(и2)'

=D¡ + (mj - mi+1)z - al

2 "«»(игД-ЦЩ'СЦц)

' «>o(u2i)-,'>o("ii)

где m¡ и (7/ - i-e приближение оценок максимального правдоподобия параметров т и ег; rp(u) ~ плотность вероятности стандартного нормального распределения; Фо(и) - функция Лапласа; ггц и Df - выборочные математического ожидания m¡ и дисперсии Di, найденные по реализациям усечённой нормальной случайной величины.

Рисунок 6 — Функция распределения воздушных пузырьков в толще сливок В качестве нулевых (начальных) приближений т0 и сгд можно использовать выборочные оценки т£ и Однако, учитывая эффект усечения, сгц следует взять несколько больше а для получения т0 необходимо немного подправить в сторону большего, усечения.

На основании выражения (8) представлена функция распределения воздушных пузырьков в толще сливок (рисунок 6), которая позволяет увидеть зону нахождения воздушных пузырьков в объёмном пространстве в процессе работы пневмомеханического маслоизготовителя. Из рисунка 6 видно, что в момент вращения спирального винта частицы в большей степени дислоцируются в центральной зоне. Исследования показали, что в процессе вращения спирального винта механическому воздействию подвергаются жировые шарики, находящиеся в зоне образования вихрей по следу движения самого спирального винта, а центральная зона остаётся менее активной, и процесс разрушения жировых шариков незначительный.

Таким образом, проведённые исследования позволяют сделать вывод о необходимости подачи в мёртвую зону воздушных пузырьков через сопло расположенного в нижней части ёмкости, удалённого от центра к периферии, для активного взаимодействия и последующего их разрушения.

В процессе маслообразования жировые шарики вовлекается на пограничную поверхность плазма-воздух, затем разрушенная оболочка растекается по внешнему слою пузырька. Это обусловлено, прежде всего, низкой удельной поверхностью энергии жира на границе с воздухом -А)34,510"3 Н/м2 (34,5 дин/см2) при температуре 20 °С по сравнению с

\fM

т*2; а-1 u=l fi-3,5

норм(2,1)

/

¿7 Г " и 2 J ¡I

поверхностной энергией жира на границе с плазмой Б) 49 10 3 Н/м2 (49 дин/см2).

По нашему мнению, процесс агрегации жировых шариков заключается в соединении воздушной фазы с жировой фракцией, приводящий к образованию масляного зерна путём механического воздействия. Данный процесс можно разделить на пять этапов, как показано на рисунке 7:

7......2 3 1 2 3 1. 2 3 2 3

2

а

IV

чтщ§Р

V

5.

1 - Воздушный пузырек

2 - Жидкий жир

Рисунок 7— Этапы разрушения жирового шарика в процессе сбивания масла

1. Подача пузырьков воздуха в обрабатываемый продукт;

2. Процесс соединения жировых шариков с воздушным пузырьком;

3. Процесс растекания жидкого жира на поверхность пузырька ввиду разных поверхностных энергий.

Процесс схлопывания воздушного пузырька и образование масляного зерна. Соединение масляного зерна в пласт путём механического воздействия на продукт рабочим органом.

Процесс образования масляного зерна длится в течение всею цикла, т.е. с появлением первого воздушного пузырька и последующее прилипание жирового шарика к нему, и в конечном счете, разрушение.

Мощность на привод спирального винта в общем виде зависит от мног их факторов: производительности рабочего органа, длины спирального винта, плотности сливок и других.

Баланс мощности состоит из следующих слагаемых:

N = N¡ + N2 + ^ + N4, (9)

где N1 - мощность на вращение спирального винта и сообщение поступающим в ёмкость сливкам кинетической энергии, кВт; ,\'2 - мощность на трение между вращающимися сливками и внутренней поверхностью ёмкости, кВт; А;Г3 -мощность на трение между сливками и поверхностью спирального винта, кВт; N4 - мощность на вращение толщи сливок в процессе сбивания масла, кВт.

В более общем виде с учётом всех преобразований мощность Ы,(кВт) на приводном валу спирального винта определяем согласно законам механики, применительно к нашему случаю:

N

= Хр-

-5.

(10)

прв 8/? 102

коэффициент сопротивления, практические данные позволяют считать, что

механический к.п.д. 5 - площадь

где Я ■

Л примерно равен 0,02...1; р - плотность сливок, кг/м3; 4

передачи; шсрс — средняя угловая скорость; г

поверхности соприкосновения сливок с емкостью, м'

радиус емкости;

В третьем разделе «План выполнения эксперимента и результаты исследований пневмомеханического маслоизготовителя» представлена программа, методика и результаты проведённых исследований. Статистическая обработка полученных данных проводилась с помощью компьютерных программ Statistica 6.0, MathCAD 15 и Excel.

Для проведения отсеивающего эксперимента использовался метод «чёрного ящика» по выявлению незначимых факторов. Из имеющихся n-факторов п-1 -фиксировались, а один варьировался с целью выяснения амплитуды колебаний отклика. Рассматривались все три значения отклика Yb Y2, Y3.

В результате из 7 факторов было принято 3 в виде значащих: X] — частота вращения рабочего органа; Х2 - шаг спирального винта; Х3 - диаметр отверстия сопла для подачи воздуха.

Факторы Х4 (температура подаваемого воздуха), Х5 (диаметр проволоки рабочего органа), Хв (температура сливок), Х7 (диаметр рабочего органа) являются незначимыми, т.к. амплитуда колебаний отклика незначительна и берутся усреднённые значения.

.............. шгш

Рисунок 8 - Лабораторная установка маслоизготовителя: 1 - компрессор; 2 — ваттметр Д-5107; 3 - тахометр часового типа ТЧ-10Р; 4 - маслоизготовитель; 5 -электродвигатель с регулируемой частотой вращения В таблице 1 представлены наиболее значащие факторы, влияющие на процесс сбивания масла.

Таблица I — Граничные значения факторов

Фактор Наименование фактора Варьирование факторов

-1 -0,5 0 + 0,5 +1

X, Частота вращения, мин'1 100 200 300 400 500

х2 Шаг спирального винта, мм 50 - 100 - 150

Х3 Диаметр отверстия сопла, мм 1 - 4 - 7

На основе этих трех факторов и будет построена математическая модель процесса сбивания масла с использованием лабораторной установки представленной на рисунке 8.

Рассматриваются три функции отклика: У1=^(х1,х2,х3) — характеризует степень использования жира. У2=г2(х,,х2,хз) - характеризует время сбивания масла. Уз=^з(х1,х2,хз) - характеризует удельное энергопотребление.

Проверка гипотезы об одноразности дисперсий (о воспроизводимости опытов) осуществлялась с помощью критерия Кохрена, Ор.

Критическое значение критерия Кохрена по числу степеней свободы числителя Г|=к—1=3 и знаменателя Г2=Ы=45, и уровню значимости а 0,05:

Скр = 0,1168.

Во всех трех случаях Ор<Окр, т. е. гипотезы об однородности дисперсий следует принять с уровнем значимости а=0,05.

В ходе проведения экспериментальных исследований по выявлению конфигурации устройства для выгрузки готового продукта были выбраны два способа: круглого и квадратного сечения.

Автоматическая выгрузка масла будет осуществляться при достижении такой центробежной силы, когда масло будет выходить через патрубок.

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Й 0,75 !

¡4 |

0,7

....................0 35 |

......Г ____ 0, 0, '.6 !

0, 12^ —^ * :

0, 21 ^^

°^ п 1______ ,.1

200 250 300 350 100 150 Частота вращения, мин-1

500

Рисунок 9 — Зависимость времени выгрузки масла от частоты вращения

На рисунке 9 представлена зависимость времени выгрузки масла от

частоты вращения, которая показывает, что необходимая и достаточная частота

вращения для выгрузки масла составляет 200 мин"1.

Из рисунка 9 видно, что круглое сечение значительно уступает

квадратному по временному показателю. Таким образом, приходим к выводу о

необходимости использования выгрузного устройства квадратного сечения

(Рисунок 10). ИЩЙр......................................................

ШШШШкяв.

Рисунок 10 — Пневмомеханический маслоизготовитель: 1 — электродвигатель; 2 - ёмкость; 3 - выгрузной патрубок квадратного сечения

Для определения степени заполнения ёмкости без подачи воздуха воспользуемся ранее рассчитанной формулой (2). Частота вращения спирального винта выбрана в результате выявления оптимального значения в ходе экспериментальных исследований.

Если «=286,7 мин"'=4,76 с"1, тогда си=2гт=29,89 с"1,

Высота параболоида вращения спирального винта составляет 650мм. При проведении эксперимента высота параболоида вращающихся сливок составляла Яп= 70 мм., радиус ёмкости равен 120 мм. Зная высоту параболоида сливок в ёмкости, вычислили угловую скорость вращающихся сливок, которая равна 9,76 с 1 (93,25 мин"1):

Зная высоту параболоида вращающихся сливок Нп = 70 мм, можно вычислить оптимальную высоту заполнения ёмкости сливками. Во избежание попадания сливок в патрубок снижаем Н3 на 20 мм.

Высота ёмкости //=410 мм; высота до патрубка //¿=295 мм; радиус ёмкости г= 120 мм; общий объём ёмкости У= 15,5 литров; оптимальная высота заливания сливок равна Ну = 239 мм, или V— 9 литров.

Исходя из того, что при вращении спирального винта в сливках отсутствует воздушная фаза (в связи с проведением исследований с подачей воздуха и его отсутствием), принимаем во внимание гидродинамическую теорию, согласно которой образование масляного зерна происходит за счёт жидкостных вихрей. Следует принять частоту вращения рабочего органа в пределах 286,7 мин"1, а сливок 93,25 мин"1, тем самым в 3 раза рабочий орган опережает жидкие сливки, что приводит к образованию жидкостных вихрей. Из результатов экспериментальных исследований видно, что при увеличении частоты вращения рабочего органа, время сбивания масляного зерна уменьшается. В связи с вышеизложенным, можно предположить, что при увеличении скорости вращения рабочего органа, число жидкостных вихрей возрастает, вследствие этого время технологического процесса снижается.

Теоретическая мощность на вращение спирального винта будет определяться с помощью выражения (¡0).

При расчёте мощности на привод следует учесть, что плотность сливок за счёт подачи воздуха в процессе сбивания меняется от 910 до 996 кг/м3 и вследствие того, что в ходе рабочего процесса воздушные пузырьки находятся во всей толще сливок, плотность которых равна 1,204 кг/м3. При расчёте использовались следующие данные: X примерно равно 0,02; при р = 886,86 кг/м3; г) =0,9; 5= 0,2 м2, г = 0,2 м, угловая скорость сливок является переменной величиной, которая варьируется на разных уровнях (6,4; 9,04; 11,67; 14,3; 16,51) с"1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований мощности на привод рабочего органа представлены графически на рисунке 11.

Из полученных данных на рисунке 11 видно, что теоретическая зависимость даёт при малых оборотах заниженное значение по мощности, но совпадает при 500 оборотах с экспериментальной зависимостью. Исследованиями установлено, что необходимая мощность на вращение спирального винта составляет 0,2 кВт.

н 0.255 00

4 0,205

5 0,155

1 0,105

О

2 0,055

# теоретическая мощность

м экспериментальная мощность

0,005 У---------1-------------------i-------------—..............................<

100 200 300 400 500

Частота вращения, мин-1 Рисунок 11 - Теоретическая и экспериментальная зависимость мощности на привод от частоты вращения

Однако на завершающем этапе маслообразования вязкость сливок резко возрастает, в связи с чем, потребуется увеличение мощности в 3,5 раза на привод рабочего органа. Исходя из стандартных серийно-выиускаемых электродвигателей, рекомендуемая мощность электродвигателя с учётом расходов на привод компрессора составляет 0,7 кВт.

В результате определения зоны оптимума для степени использования жира были получены следующие зависимости:

Sa= 99,593 + 8,222-10 -X, + 0,033 X,2 + 4- 10'3Х2 + 4,667- 10"3Х22 + 2- 10~3 Х,Х2, Sjf= 99,596 + 8,222- 10'3-Х, + 0,033 -X,2 + 3,333 ■ 10^ -Х3 - 3,333 • 104-Х32+ 6,667 1О4 -Х,Х3, где X] - частота вращения спирального винта, мин"';

Х2 - шаг спирального винта, мм;

Х3 — диаметр отверстия сопла для подачи воздуха в ёмкость, мм.

а) б)

Рисунок 12-Поверхности отклика степени использования жира S, % от а) X) 11X2; б) X) и А3;

Анализируя поверхности отклика (рисунок 12) следует, что зона оптимума степени использования жира, равная 99,59 %, в декодированных значениях составляет: частота вращения 275,7 мин"1, шаг спирального винта 79,2 мм и диаметр отверстия сопла 5,3 мм.

В результате определения зоны оптимума для времени сбивания были получены следующие зависимости:

та= 0,208-7,578- 10-3-Х,+ 0,2Х,2 + 4,533- 10"3-Х2-6- 10^-X22+8,333-104-X,X2 ТЙ= 0,207-7,578- 10"3X, + 0,02-Х,2 + 2,467- 10"3Х3+ 1,2- 10"3-Х32 + 5,333- lQ-'XX,

а) б)

Рисунок 14 - Поверхности отклика удельного энергопотребления N, Вт кг/ч от a) Xi и Х2; б) X, иХ3;

Из анализа рисунка 14 следует, что зона оптимума удельного энергопотребления при 10,91 Вт ч/кг в декодированных значениях составляет: частота вращения 252,7 мин"1, шаг спирального винта 150 мм и диаметр отверстия сопла для выхода воздуха 1 мм.

Однако возникает необходимость изменения технических показателей в сторону увеличения или уменьшения модели до натурных значений. В связи со сложностью процесса перемешивания сливок и протекающих в нём гидродинамических явлений во время сбивания сливочного масла, мы воспользуемся явлением подобия, для которого отношение сходных и характеризующих их величин постоянны.

а) б)

Рисунок 13 - Поверхности отклика времени сбивания г, ч. от а) Х[ иХг; б)Х/и Хз;

В ходе анализа поверхностей отклика (рисунок 13) следует, что зона оптимума продолжительности сбивания масла, равная 0,22 часа, в декодированных значениях составляет: частота вращения 331,8 мин"1, шаг спирального винта 150 мм и диаметр отверстия сопла 1 мм.

В результате определения зоны оптимума энергопотребления были получены следующие зависимости:

для удельного

К, = 10,665 + 0,901 Xt+2,017Х, - 0,292 Х2 - 0,091 -Х/ - 0,185 N6 = 10,587 + 0,091 Х,+2,017 Х,2 + 0,095 Х3 +0,012 Х32 + 0,038-Х,Х3

10"4-Х,Х2

к

Результаты расчета лабораторного образца при условии увеличения геометрических параметров в 2 раза, сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчётных значений опытного образца

7/150

0,008

286,7

Однако многие авторы отмечают, что спроектированные значения отличаются от реальных, в связи с этим уточнение показателей натурного образца является необходимостью.

Исследования в производственных условиях проводились на опытном образце (рисунок 15) на молочном заводе СПК им. ILK. Крупской и на маслозаводе СППК «Хмелёвский» Мелекесского района Ульяновской области с целью проверки выбранных оптимальных значений. Конструктивно-режимные параметры были выбраны с учётом увеличения геометрических размеров в 2 раза.

Техническая характеристика опытного образца:

- частота вращения - 570 мин"1;

- шаг спирального винта - 250 мм;

- диаметр отверстия сопла - 3,5 мм;

- температура подаваемого воздуха - 20 °С;

- диаметр проволоки рабочего органа - 16 мм;

- температура сливок при обработке - 17 °С;

- диаметр рабочего органа - 320 мм.

Рисунок 15 - Опытный образец пневмомеханического маслоизготовителя

Проведённые исследования показали, что в производственных условиях предложенная установка работает устойчиво. Она является мобильной и неметаллоёмкой, что позволяет перемещать установку в любую часть цеха маслозавода. В результате проведения исследования удельные энергозатраты при производстве масла составили в пределах 43,68 Вт ч/кг, степень использования жира не ниже 99,63 %, время сбивания не более 0,5 часа.

Значения параметров

В четвёртом разделе «Технико-экономическая оценка эффективности использования пневмомеханического маслоизготовителя» рассчитывалась годовая экономическая эффективность от внедрения в производство пневмомеханического маслоизготовителя по сравнению с серийно-выпускаемым маслоизготовителем БМП - 150 составило 282880 рублей в год. Срок окупаемости пневмомеханического маслоизготовителя в производстве составит 0,2 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ конструкций для получения масла позволил выявить их основные недостатки: повышенные энергозатраты и время на изготовление масла, а также высокое содержание жира в пахте и др. Перспективным направлением совершенствования маслоизготовителей является снабжение неподвижной ёмкости и активным рабочим органом в виде спирального винта.

2. Предложен пневмомеханический маслоизготовитель с рабочим органом в виде спирального винта. Соотношение шага спирального винта, к диаметру рабочего органа составляет 0,75...0,85. Маслоизготовитель снабжён компрессором обеспечивающий непрерывную подачу воздуха в толщу сливок. В ёмкости установлено 2 крана, один из которых расположен в нижней части для слива пахты. Механизм сбивания выполнен в виде соосно установленного в ёмкости с возможностью вращения в противоположные стороны спирального винта, выполненного из цельной проволоки, тем самым интенсифицирует процесс образования масла.

3. В результате теоретических исследований процесса изготовления масла выявлены выражения, позволяющие определить характер движения жировых шариков и воздушных пузырьков в толщу сливок, а также мощность, требуемую на привод спирального винта. Определены наиболее значимые факторы: диаметр отверстия сопла для подачи воздуха, частота вращения и шаг спирального винта.

4. Исследованиями установлены следующие оптимальные конструктивно-режимные параметры маслоизготовителя: частота вращения спирального винта — 570 мин"1; диаметр проволоки рабочего органа - 16 мм; диаметр отверстия сопла для подачи воздуха - 3,5 мм; шаг спирального винта - 250 мм; диаметр рабочего органа - 320 мм. При данных значениях удельное энергопотребление составляет 43,68 Втч/кг, степень использования жира равна 99,63 %, а время технологического процесса составляет 0,5 часа.

Годовая экономическая эффективность от внедрения в производство пневмомеханического маслоизготовителя по сравнению с серийно-выпускаемым маслоизготовителем БМП - 150 составило 282880 рублей в год. Срок окупаемости пневмомеханического маслоизготовителя в производстве составит 0,2 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работ ах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Поросятников, A.B. Пневмомеханический маслоизготовитель / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин // Сельский механизатор, выпуск №8. — М.: 2012.

2. Поросятников, A.B. Экспериментальные исследования пневмомеханического маслоизготовителя / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин, Ю.М. Исаев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии, выпуск №3. - Самара, 2012.

Патент на полезную модель

3. Пат. 97243 RU, МГ1К A01J 25/02. Маслоизготовитель периодического действия / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин, В.И. Курдюмов / заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА. -№2010115033/10; заявл 14.04.2010; опубл. 10.09.2010, Бюл. № 25.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

4. Поросятников, A.B. Классификация и анализ существующих конструкций для производства масла / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин // Вестник научно -практической конференции, МСХТ Димитровград, 2009.

5. Поросятников, A.B. Пневмомеханический маслоизготовитель с автоматической выгрузкой продукта / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин // Научный вестник научно - практическая конференция по МФО. Институт радиотехники г. Ульяновск, 2009.

6. Поросятников, A.B. Классификация устройств для получения масла / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин // Сборник аннотаций проектов молодежного инновационного форума ПФО УлГ'ГУ- Ульяновск, 2010.

7. Поросятников, A.B. Анализ теоретических предпосылок образования масла. / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин // Вестник международной практической конференции филиала Ульяновской ГСХА. — Димитровфад, 2011.

8. Поросятников, A.B. Результаты исследований пневмомеханического воздействия на сливки при производстве масла. / A.B. Поросятников, Х.Х. Губейдуллин // Научный вестник международной практической конференции филиала Ульяновской ГСХА. - Димитровград, 2012.

9. Поросятников, A.B. Экспериментальные исследования степени использования жира при производстве масла. / A.B. Поросятников // Вестник международной практической конференции филиала Ульяновской ГСХА. Димитровград, 2012.

10. Поросятников, A.B. Экспериментальные исследования времени сбивания при производстве масла / A.B. Поросятников // Вестник международной практической конференции филиала Ульяновской ГСХА. - Димитровград, 2012.

Подписано в печать 22 апреля 2013 г. Формат 60x84. Усл.печ.л. 1,0. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать оперативная, отпечатано в полном соответствии с предоставленными диапозитивамп в типографии им, Ф.Э. Дзержинского. Заказ № 1761. Тираж 100 экз. Адрес: г. Димитрошрад, ул. Юнг Северного флота, 107. Тел/факс: (84235)3-16-22.