автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование теоретических методов расчета и обоснование параметров и режимов жидкостнокольцевых вакуумных насосов с учетом особенностей технологических процессов в АПК

На правах рукописи

РОДИОНОВ Юрий Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

И РЕЖИМОВ ЖИДКОСТНОКОЛЬЦЕВЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АПК

05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ 4АПР 2013

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Мичуринск-Наукоград РФ 2013

005051270

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» на кафедре «Теория машин, механизмов и детали машин».

Научный консультант доктор технических наук, профессор,

академик РАСХН Завражнов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Рудобашта Станислав Павлович

доктор технических наук, профессор, Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, кафедра «Теплотехника и энергообеспечение предприятий», заведующий

Капустин Василий Петрович

доктор технических наук, профессор, Тамбовский государственный технический университет, кафедра «Автомобильная и аграрная техника», профессор

Латышенок Михаил Борисович

доктор технических наук, профессор, Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева, кафедра «Безопасность жизнедеятельности», заведующий

Ведущая организация Рязанский научно-исследовательский институт

сельского хозяйства Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 29 марта 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2013 г. и размещен на сайтах

www.vak.ed.gov.ru и www.mgau.ru/ /

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Ю. Ланцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реальная необходимость удовлетворения растущей физиологической потребности населения в продуктах питания, в том числе молоке, овощах, фруктах и ягодах высокого качества, получаемых в агропромышленном комплексе, объективно ставит задачу увеличения их производства.

Среди них особую роль имеют высушенные с использованием вакуумных насосов плоды, потребность в которых значительно возрастает в связи с расширением сферы их использования, включая потребности северных областей страны и питание космонавтов.

Важное значение при этом приобретает эффективное использование потенциальных возможностей жидкостнокольцевых вакуумных насосов (ЖВН) в технологиях сушки растительного сырья, хранения готовой продукции и доения коров.

На основании многолетних отечественных и зарубежных исследований и опыта использования вакуум-насосов в технологических процессах сушки, хранения готовой продукции и доения коров установлено, что в реальных условиях получают продукцию недостаточного качества и низкой конкурентоспособности. Применение традиционных ЖВН при сушке и хранении приводит к получению продукции при больших затратах энергии и длительности процесса, при доении коров из-за нестабильности вакуума - к заболеваниям животных маститом, снижению надоев молока.

Изложенное позволяет констатировать, что разработка новых и совершенствование существующих методик расчета и создание на их базе ЖВН для технологических процессов сушки растительных материалов, хранения готовой продукции и доения коров, обеспечивающих теоретическое и практическое повышение эффективности указанных процессов, остается актуальной проблемой, решение которой внесет значительный вклад в развитие агропромышленного комплекса страны.

Работа выполнена в рамках гранта, предоставленного Фондом содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере, программы СТАРТ-09 по государственным контрактам № 6844 от 23.03.2009 «Сушка и хранение растительного сырья с использованием вакуумной техники», № 9920р/9352 от 11.01.2012 г. «Разработка технологии хранения и сушки для растительных продуктов с последующим исследованием путей интенсификации процесса»; «Теоретико-экспериментальные исследования влияния поверхностных явлений на сорб-ционные и проницаемые коэффициенты пористых тел» на 2009 - 2011 гт. (государственный контракт № 02.740.11.0272 от 07.07.2009); при поддержке федеральных целевых программ «Повышение научного потенциала высшей школы» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по государственным контрактам № 14.740.11.1028 от 23 мая 2011 г., № 16.740.11.0659 от 02 июня 2011 г., № 16.740.11.0525 от 16 мая 2011 г.

Цель исследований - повышение производительности (быстроты действия), давления разрежения, КПД, снижение расхода жидкости и энергозатрат ЖВН при использовании их в технологических процессах сушки плодоовощного сырья, хранении готовой растительной продукции и доении коров.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:

- разработать методику расчета действительной быстроты действия и эффективной мощности двухступенчатого жидкостно-пластинчатого вакуумного насоса (ЖПВН) и усовершенствовать методику расчета этих показателей для различных типов ЖВН, методику расчета проектирования эвольвентного профиля кинематического замыкания на долговечность по критериям износа и отсутствия заедания;

- исследовать влияние расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости, давления разрежения, частоты вращения рабочего колеса и физических свойств рабочей жидкости на форму внутренней поверхности жидкостного кольца и эксплуатационные характеристики и определить распределение скорости жидкости в рабочей полости одноступенчатого ЖВН;

- разработать программу оптимизации конструктивных параметров (наименьшие зазоры между рабочими колесами и корпусами, радиусы рабочих колес, углы наклона лопаток рабочих колес, ширина корпусов, эксцентриситет) из условия минимума удельной мощности одноступенчатых и двухступенчатых ЖВН;

- разработать экспериментальную установку для определения утечек газовой фазы в шарнирах двухступенчатых ЖПВН и стенды для испытаний ЖВН средней и малой быстроты действия всех предложенных конструкций;

- разработать и обосновать конструктивные параметры двухступенчатых конвективных вакуумно-импульсных сушилок растительных материалов, вакуумных контейнеров для хранения пищевых продуктов и минидоильной установки на базе одноступенчатого ЖВН с регулируемым нагнетательным окном;

- провести проверку в производственных условиях предложенных конструкций насосов в технологических процессах сушки растительных материалов, хранении пищевых продуктов и минидоильной установки и выявить показатели их эффективности и целесообразности использования (внедрения, применения);

- разработать математические модели движения жидкости в новых и усовершенствованных ЖВН, учитывающие их конструктивные особенности и наличие газовой фазы, и обосновать параметры различных ЖВН для использования в технологических процессах сушки овощного сырья, хранения готовой продукции и доения коров.

Объект исследования. Технологические процессы создания вакуума при сушке растительного сырья, доении коров и хранении сельскохозяйственной продукции и средства, их обеспечивающие.

Предмет исследования. Закономерности движения жидкости и газа в ЖВН различных конструкций, влияние режимов вакуумирования на процессы сушки, хранения и доения.

Методика исследования. В теоретических исследованиях использовались законы гидродинамики, теплотехники и аэродинамики. При экспериментальных исследованиях использовались общеизвестные методики, ГОСТы и ОСТы, методика планирования эксперимента, а также разработанные на их основе частные методики. При этом использовались современные приборы и оборудование, а также новые разработанные экспериментальные установки.

Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием современных компьютерных математических программ.

Научная новизна. Обоснованы конструктивно технологические схемы различных конструкций ЖВН, характеризующихся высокими удельной производительностью, надежностью, давлением разрежения, коэффициентом полезного действия и сниженными энергозатратами. Техническая новизна подтверждена 10 патентами РФ.

Новые адекватные физические и математические модели течения среды с учетом термодинамики газовой фазы в рабочей полости, динамики внешних процессов и конструктивных особенностей насосов для гидродинамических процессов, протекающих в безлопаточном и лопаточном пространствах ЖВН.

На основании разработанных моделей движения несжимаемой жидкости в зависимости от значения предельного остаточного давления и термодинамики внешних процессов предложены: методики расчета конструкций новых и модернизация существующих ЖВН; критерии и симплексы подобия оценки влияния режимных и конструктивных параметров на закономерности квазистационарных процессов в ЖВН; классификация ЖВН с учетом конструктивных, кинематических, геометрических, технологических признаков, интеллектуализации работы конструкции и процесса в целом; усовершенствованная методика проведения экспериментальных исследований определения кинематических и динамических параметров турбулентного движения жидкости в центробежном силовом поле с использованием разработанного нового стенда.

Теоретическую и практическую значимость работы составляют: методики расчета конструктивно-режимных параметров насосов для технологических процессов сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доения коров.

Полученные результаты могут иметь большую значимость для проектно-конструкторских организаций (разработанные конструкции машин и оборудование, отдельные элементы, методика обоснования конструкций и их классификация), государственных и частных предприятий, отраслевых министерств, организаций планирования (при разработке концепций, прогнозов, планов, методических рекомендаций, программ обоснования стратегий, различных нормативных документов по обеспечению продовольственной безопасности страны), в вузах (при чтении лекций, проведении лабораторных работ и практических занятий).

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

- обоснование конструктивных параметров и режимов различных ЖВН для использования в технологических процессах при сушке плодоовощного сырья, хранении готовой растительной продукции и доении коров;

- математические модели движения жидкости в новых и усовершенствованных ЖВН, учитывающие их конструктивные особенности и наличие газовой фазы;

- зависимости влияния расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости, давления разрежения, частоты вращения рабочего колеса и физических свойств рабочей жидкости на форму внутренней поверхности жидкостного кольца и эксплуатационные характеристики с учетом закономерностей распределения скорости жидкости в рабочей полости ЖВН;

- новая методика расчета действительной быстроты действия и эффективной мощности двухступенчатого ЖПВН и усовершенствованные методики расчета этих показателей для различных типов ЖВН, Методика расчета проектирования

эвольвентного профиля кинематического замыкания на долговечность по критерию отсутствия заедания;

- программы для ЭВМ оптимизации конструктивных параметров одноступенчатых и двухступенчатых ЖВН по удельной мощности;

- новые экспериментальные установки для определения утечек газовой фазы в шарнирах двухступенчатых ЖПВН, скорости потока жидкости, быстроты действия, эффективной мощности, расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости, формы жидкостного кольца, давления разрежения и нагнетания газовой фазы и стенды для испытаний ЖВН средней и малой быстроты действия всех предложенных конструкций;

- результаты проверки в производственных условиях предложенных конструкций насосов в технологических процессах плодоовощного сырья, хранении готовых растительных продуктов, доении коров и показатели их эффективности.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований, предложенные методики расчета и разработанные на их основе конструкции ЖВН используются на ОАО «Мичуринский завод «Прогресс», ОАО «Тамбовполимермаш». На базе разработанных ЖВН в ООО «Навакс» спроектирована и изготовлена двухступенчатая конвективная вакуум-импульсная сушка растительного сырья. Она внедрена в производство на НПО «Здоровье и питание», ИП Долгова. Методики расчета ЖВН используются в учебном процессе при курсовом проектировании, в учебной и научно-исследовательской работе при подготовке магистров направления высшего профессионального образования 150400 «Технологические машины и оборудование». Жидкостнокольцевые вакуум-насосы применены в проектах ГНУ ВНИИТиН для минидоильных установок на 10 голов и установок для ферм на 200 голов. Вакуумные контейнеры прошли испытание на кафедре «Технологии хранения и переработки растительной продукции» ФГБОУ ВПО МичГАУ и используются в учебном процессе для бакалавров, магистров и аспирантов.

Достоверность полученных результатов исследования. Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и их согласованием с теоретическими данными, использованием действующих и новых разработанных методик, современной измерительной аппаратуры, разработанных новых экспериментальных стендов, обработкой экспериментальных данных с помощью компьютерных и математических программ; выступлениями с результатами исследований на различного уровня научно-практических конференциях, их одобрением, и публикацией материалов, внедрением разработок в производство.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на Международной научно-технической интернет конференции «Технология - 2002» (Орел, 2002); Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003); Международной практической конференции «Прогрессивные технологии развития» (Тамбов, 2004); Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2005); III Международной научной интернет-конференции (Орел, 2005); 3-й Международной научно-практической конференции «Качество науки, качество жизни» (Тамбов, 2006); Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-

технического прогресса» (Тамбов, 2006); 2-й Международной научно-практической конференции «Достижения ученых XXI века» (Тамбов, 2006); 2-й Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2006); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции» (Мичуринск-Наукоград РФ, 2007); 3-й Международной научно-практической конференции «Достижения ученых XXI века» (Тамбов, 2007); 3-й Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2007); научно-практической конференции «Перспективы селекции яблони и других культур для промышленных насаждений» (Мичуринск-Наукоград РФ, 2007); 4-й Международной научно-практической конференции «Качество науки, качество жизни» (Тамбов, 2008); 5-й Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развитая» (Тамбов, 2009); Международной практической конференции «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010); Международной научно-практической конференции «Достижения науки и инновации в производстве, хранении и переработке сельскохозяйственной продукции» (Мичуринск-Наукоград РФ, 2011); Международной научной конференции «Динамика современной науки» (Болгария, 2012); IV, V, VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 93 научных трудах, в том числе 19 статьях рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК, 10 патентах РФ на изобретения и свидетельстве о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 434 страницы основного текста, содержит 165 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 296 наименований, из них 15 на иностранных языках и 23 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и дана ее общая характеристика.

В первой главе «Постановка проблемы. Цель и задачи исследований» приведен анализ конструкций ЖВН, технологических процессов сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доения коров.

Разработке и совершенствованию ЖВН посвящены работы И.А. Райзмана, В.Д. Лубенца, И.В. Автономова, В.И. Кучеренко, Э.Е. Апанасенко, Ю.М. Вертепо-ва, В.П. Галича и др.

Значительный вклад в изучение процесса сушки растительных материалов внесли П.А. Ребиндер, С.М. Липатов, Ю.Л. Кавказов, A.B. Лыков, С.П. Рудобашта и др. Особенно большой научный и практический интерес представляют комбинированные способы сушки с чередованием инфракрасной и конвективной или высокочастотной и конвективной ступенями, предложенные Б.А. Посновым и H.A. Першановым. Огромный вклад в развитие вакуум-импульсного способа суш-

ки сделал академик Я.К. Абрамов, на основе исследований которого созданы специальные сушильные установки. Но при разработке различных способов сушки растительных материалов мало уделялось внимания сохранению качества конечного продукта, что явилось основанием для совершенствования ступеней и стадий сушки.

Большой научный вклад в исследования процесса хранения внесли ученые В.А. Гудковский, Ю.Г. Скрипников, A.C. Ильинский и др.

Проведен теоретический анализ процесса доения и использования в нем вакуумных насосов по работам А.И. Завражнова, И.З. Аширова, А.Н. Матвеева и др.

В результате анализа литературных источников автором предложена классификация ЖВН, позволяющая выделить основные направления в их совершенствовании для использования в технологических процессах сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доения коров.

Особый интерес представляют новые конструкции ЖВН различного диапазона предельного остаточного давления, со сниженными показателями энергозатрат, регламентацией дополнительно подаваемой рабочей жидкости, автоматическим управлением и контролем процесса вакуумирования.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе «Теоретические исследования рабочих процессов жидкост-нокольцевых вакуумных насосов» представлены результаты: теоретического исследования движения жидкости в рабочей полости ЖВН, определения действительной быстроты действия и эффективной мощности.

По способу вращения жидкости в рабочей полости ЖВН могут быть подразделены на три типа:

- жидкость вращается под действием рабочего колеса. При этом корпус насоса может быть неподвижным (ЖВН с неподвижным корпусом) или в рабочем пространстве корпуса размещается свободно вращающаяся втулка;

- жидкость вращается под действием корпуса насоса. При этом рабочее колесо, размещенное на неподвижном валу, свободно вращается (ЖВН с кинематическим замыканием);

- жидкость в ЖПВН вращается под действием корпуса и рабочего колеса, привод которых осуществляется от одного приводного вала.

Движение жидкости в ЖВН - процесс, осуществляющийся в замкнутом объеме (рабочей полости) и включающий два тела в различных агрегатных состояниях (жидкость и газ), что определяет сложность его изучения.

Процесс движения жидкости в ЖВН происходит с большими скоростями. Число Рейнольдса в рабочем пространстве ЖВН различных размеров равно 2 1 04...3 1 05, с учетом этого движение жидкости следует рассматривать турбулентным.

Для математического описания движения жидкости в ЖВН с неподвижным корпусом используем уравнения Навье-Стокса и неразрывности, записанных в декартовой системе координат.

Моделируя движение жидкости в рабочей полости одноступенчатого ЖВН, принимаем за основу следующие допущения:

1) жидкость - вязкая и несжимаемая р = const;

2) движение жидкости двухмерное и установившееся;

3) массовые силы и силы поверхностного натяжения малы по сравнению с вязкостным сопротивлением и силами инерции, поэтому ими можно пренебречь.

Используя основные допущения, получаем систему уравнений, описывающих движение жидкости в рабочей полости ЖВН:

Э и ди 1 Эр

и — + у— =---—+

Эх Э у р Эх

Э 2и Э 2и дх2

Эу Эу 1 Эр

и-+ У-=---—+

Эх ду р Эу ди + Эу _ Эх ду

д2у д2у дх2 +

ду2 Эу2

0)

где х, у ~ координаты частицы жидкости; и{ху), \>(ху) - составляющие эпюры ос-редненной скорости 1/(ху); р - плотность жидкости, кг/м3.

В системе уравнений (1) турбулентная вязкость v,, в отличие от молекулярной вязкости, не является физической постоянной жидкости, так как зависит от скорости жидкости и других параметров, характеризующих степень турбулентности потока. Значение турбулентной вязкости часто превышает молекулярную вязкость на несколько порядков.

Для решения системы уравнений (1) сформулируем граничные условия для ЖВН с неподвижным корпусом.

В точках соприкосновения вязкой жидкости с неподвижным корпусом (граница Дь рис. 1) скорость жидкости равна нулю.

и = 0, у = 0 при г = Я . (2)

В точках примыкания вязкой жидкости к подвижным лопаткам рабочего колеса (граница Д2) скорость жидкости по величине и направлению совпадает со скоростью соответствующей точки стенки. С учетом этого граничные условия примут вид:

Рис. 1. Принципиальная схема ЖВН с неподвижным корпусом

и = -с^/х2 + у2 5?'п0ап(>' / х)); у = -ю^х2 +у2 со$(1ап(>> / х))

при г = г2.

(3)

Давление на границе Д3 будет равно давлению газовой фазы рг, которое принимает свое значение в зависимости от угла поворота рабочего колеса. В соответствии с этим граничные условия примут вид:

Рг=Р при Ф = Фвс=Фм.з; рг=рт""-Др,

где Т - степень повышения давления; ПРИ 'Р ~ *Рсж ' т - показатель политропы.

Рг = Ра + кРсж при Ф = Фн •

(4)

(5)

Скорость движения жидкости на границе Д3 совпадает по величине и направлению со скоростью соответствующей точки границы Д3:

I = —а>д/х2 + у2 вт^апО / х)); > = -иу^х2 + у2 со8(1ап(у / х))

при Г = Г2 2-

(7)

Рис. 2. Схема определения граничных условий в ЖВН-КЗ

Чтобы смоделировать движение жидкости в рабочей полости ЖВН с кинематическим замыканием, принимаем за основу допущения 1) - 3) и систему уравнений (1).

Для решения задачи о движении жидкости необходимо к этим уравнениям сформулировать граничные условия (рис. 2).

Граничные условия в ЖВН КЗ задаем на границе Д,- области течения жидкости и газовой фазы в рабочей полости. В нашей задаче граница Д¡ в зависимости от угла поворота рабочего колеса делится на три части (рис. 2): подвижная граница Д[ и Д2 (корпус с лопатками вакуум-насоса и лопатки рабочего колеса); Д3 - свободная граница в ячейках рабочего колеса (поверхность раздела жидкости и газовой фазы).

В зависимости от угла поворота рабочего колеса условия для давления газовой фазы на границе Д3 определяются по формулам (4) - (6). Скорость жидкости на границе Д3 определяется по формуле (7).

Особенность ЖПВН заключается в том, что весь поток жидкости движется между вращающимся корпусом 1 и лопатками рабочего колеса 2, т.е. в безлопаточном пространстве (БЛП) (рис. 3). Внутренняя граница корпуса Д[ подвижна и вращается с постоянной угловой скоростью, равной скорости вращения корпуса 1. Свободная граница жидкостного кольца Д2 вращается со скоростью, равной скорости вращения лопаток рабочего колеса 2. Для описания движения вязкой несжимаемой жидкости в рабочей полости ЖПВН будем пользоваться системой уравнений (1).

Граничные условия для внутренней поверхности корпуса свободной поверхности жидкостного кольца определяются по формуле (7) (Д] при г = Я ; Дг при Г =г2 )•

Рис. 3. Схема определения граничных условий в ЖПВН

Система уравнений (1) решалась методом конечных элементов (МКЭ), для реализации которого использовался программный продукт фирмы PDE Solutions Inc. FlexPDE, предназначенный для построения сценарных моделей решения дифференциальных уравнений и их систем.

В качестве объекта исследования использовалась часть рабочего пространства одноступенчатого ЖВН, заполненная рабочей жидкостью, ограниченная корпусом радиусом R и внутренней поверхностью жидкостного кольца радиусом г22-

Геометрические размеры модели соответствовали экспериментальному образцу ЖВН 0,5(30)Р с регулируемым нагнетательным окном, разработанному на кафедре «Теория машин, механизмов и детали машин» ГОУ ВПО ТГТУ: г{ = 20,0 мм; г2 = 45,0 мм; R = 54,0 мм; е = 7,0 мм; z = 10; |3 = 0°; 6 = 2,0 мм. В качестве модельных жидкостей использовались вода, растворы воды и глицерина, моторное масло М-6з/12Г1.

Моделирование проводилось во всем диапазоне изменения давления разрежения (или давлением всасывания, которое определяется какр = ра-рр) с угловой скоростью рабочего колеса - 298,3 рад/с. Моделирование внутренней степени сжатия осуществлялось изменением размера проходного сечения нагнетательного окна.

Данные математического моделирования позволили определить профиль скорости материала в жидкостном кольце. Интегрируя полученный профиль скорости жидкости и относя его к единице площади рассматриваемого радиального сечения, вычислялась средняя скорость жидкости vcp<p, что позволило определить массовый расход жидкости в любом сечении жидкостного кольца, мощность, затрачиваемая иа перемещение жидкостного кольца, и уточнить методику расчета эффективной мощности одноступенчатого ЖВН.

На рисунках 4, 5 представлены некоторые результаты расчета гидродинамических параметров жидкостного кольца.

Результаты математического моделирования позволили сделать вывод, что скорость жидкости в нижнем сечении П-И фактически меньше скорости концов лопаток рабочего колеса.

v, м/с 10

-К)

2 у\!0'\ м

v, м/с 10

-10

-6

I

t

II II

2 у|»\ч

Рис. 4. Профиль радиальной скорости движения жидкости в сечениях I-I, II—II

1'ис. 5. Профиль окружной скорости движения жидкости в сечениях I—I, II—II

Потери скорости жидкости, зависящие от вязкостного трения и вихреобразо-вания, учитываются скоростным коэффициентом к^, полученным в данной работе.

При разработке новых конструкций ЖВН использовалась теория подобия. ЖВН являются подобными, если они обладают геометрическим подобием и имеют одинаковые модифицированное число Эйлера и число Рейнольдса в виде

Ей,

(8)

При проектировании ЖВН необходимо определять значения быстроты действия и эффективной мощности.

Действительная быстрота действия зависит от теоретической и всегда меньше ее на значение потерь, зависящих от ряда факторов и учитываемых коэффициентом подачи А.п.

Геометрическая быстрота действия определяется как цилиндр с радиусом г22к/ 8 каждой ячейке рабочей полости.

Коэффициент подачи для одноступенчатого ЖВН с неподвижным корпусом рассматривается в следующем виде:

=1-^1 -Х3 . (9)

Коэффициент ^ учитывает потери быстроты действия, обусловленные переносом газовой фазы со стороны нагнетания на сторону всасывания через «мертвую зону» (пространство между втулкой рабочего колеса и внутренней поверхностью жидкостного кольца в сечении 1-1 вакуум-насоса) (рис. 6). X.] зависит от размеров и положения нагнетательного окна, области подачи и расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости и определяется по формуле

мертЬая зона

К,

Рис. 6. Схема расположения «мертвой зоны» и максимальной ячейки

Я(4 ~П2)

(10)

¿>1|/

где Км з - объем «мертвой зоны».

Коэффициент \2 характеризует потери быстроты действия вследствие перетечек газовой фазы в соседние ячейки через торцевые зазоры. Количество газовой фазы, перетекающей по торцевым зазорам в соседние ячейки, определяется по методике, приведенной в работе И.А. Сакуна.

Коэффициент учитывает потери быстроты действия за счет испарения, для его нахождения необходимо использовать методику, предложенную И.А. Райзманом:

Х3 =

4Г22-П2)

где Уисп - объем испарившейся жидкости; Ь - ширина рабочего колеса. 10

Используя уравнение неразрывности жидкого потока в любом радиальном сечении жидкостного кольца находим радиус внутренней поверхности жидкостного кольца по углу поворота рабочего колеса:

(г,+с/)2 2^ф(2е + Д)С

Г22<р = г2.\ '---— +-1--е(1 +соэф), (12)

у г{ V г2\|/

где = V (1 ср /г/2 - скоростной коэффициент в верхнем сечении; уПср - средняя

скорость рабочей жидкости в безлопаточном пространстве в верхнем сечении, м/с; иг - окружная скорость на периферии рабочего колеса, м/с; с) - зазор между ступицей и жидкостным кольцом в верхнем сечении, м; С, - коэффициент, учитывающий торцевой зазор; 5 = Д/г2 - относительный зазор; е - эксцентриситет.

Действительная быстрота действия двухступенчатого ЖВН модульного типа с одновременным включением ступеней определяется

5д=5т1^?12п,. (13)

Таким образом, для расчета геометрических размеров второй ступени следует правильно разбить двухступенчатый вакуум-насос по степеням повышения давления ступеней. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показали, что в общем случае для выбора давления первой ступени в двухступенчатом вакуум-насосе подтверждаются ранее принятые рекомендации. Однако, как показали проведенные исследования, на стадии проектирования следует как можно больше сузить диапазон выбора степени повышения давления т, первой ступени. Для двухступенчатых вакуум-насосов средней быстроты действия предлагается выбирать Т[ в интервале 2,5...3.

Для проектирования второй ступени предложено использовать зависимость числа лопаток второй ступени от первой, так как для двухступенчатого ЖВН окружная скорость на периферии рабочего колеса второй ступени должна быть больше, чем на первой. При одинаковых диаметрах и выбранной ширине каждого рабочего колеса этого можно достигнуть выбором разного числа лопаток рабочих колес первой и второй ступеней.

Оптимальное число лопаток зависит от потери напора ТУ£ за счет циркуляции жидкости в канале.

Используя уравнение Эйлера из условия

^ = 0,

получено выражение для определения оптимального числа лопаток. Учитывая расход жидкости первой и второй ступеней, получена зависимость к7 числа лопаток второй ступени от числа лопаток первой, которая следует из полученных зависимостей числа лопаток первой и второй ступеней от расхода жидкости и быстроты действия первой ступени. Так, для опытного образца насоса (¡гдпрж = 0,72 м3/ч; Т| = 2,5; к7 = 1,224, = 12, = 15. По решению уравнения (14) построены зависимости, представленные на рис. 7.

Имея параметры первой ступени и ть вводим понятие приведенной быстроты действия второй ступени

¿м^/т,,' (15)

посредством которого выражаем ширину рабочего колеса второй ступени

ь2=-^2-, 06)

кг2\\12

Лг2 л. л. где Уз =———'-- коэффициент,

я (г?-г?)

учитывающий уменьшение геометрического объема второй ступени за счет толщины лопаток.

При известных геометрических параметрах второй ступени коэффициент подачи будет определятся по формуле

(17)

где к-к = -!_—— коэффициент пропорциональности.

Быстрота действия двухступенчатого ЖВН модульного типа с последовательным включением ступеней определяется по формулам:

прир1 <рЪм 5Д = 5д1 = 5т1 Л,п1, (18)

при Р1>РВКЛ 5Д1=5Д (19)

, 101,3

где р.кл=р1 =-.

тГ-0,8

Установлено, что жидкостные кольца в первой и второй ступенях идентичны при условии

Еит\ = Еит2 . (20)

Так, для двухступенчатого ЖВН модульного типа с последовательным включением ступеней, быстротой действия 30 м3/ч, предельно достигаемым вакуумом 5 кПа и конструктивными параметрами Х\ =~ = 2; ~/_2 = — = 0,8 ;

г2 х,

е=— = 0,15 ; Т! = 2,5; (о2\ = 298,3 с установлена эмпирическая зависимость меж-г2

ду числами подобия в первой и второй ступенях при условии соблюдения идентичности жидкостных колец (рис. 8).

Рис. 7. Зависимость оптимального числа лопаток второй ступени от степени сжатия в первой сту пени при расходе воды </дпрж:

1 - <7дпрж = 0,72 м3/ч;

2 - 9дпрж = 0,9 м3/ч; 3-9дпрж= 1,8 м3/ч

Из условия (20) получаем соотношения угловых скоростей вращения рабочих колес ступеней для конкретных режимов:

со22

(21)

При проектировании одноступенчатого ЖВН с кинематическим замыканием необходимо также определить значение действительной и теоретической быстроты действия.

С учетом Ь = %г2, г\ = уг2, е = ег2, 4 = Я - гг, ю2 = Ш\/и\2 радиус внутренней поверхности жидкостного кольца по углу поворота рабочего колеса ф определим по формуле

ее 0.11 ою

0.09 0.08 0.07 006

1610' 1.710' 1.810' 1910' 210' 2.110' 2210' де

Рис. 8. Зависимость между критериями подобия:

1 - первая ступень; 2 - вторая ступень

_ 1-(уД2 пЛ22 -\|/г22-Ак^уе+гк^Щ-гк^ггугъ-ипП2 +щ2га2)

у--

-е (1 + совф) . (22)

Коэффициент подачи для данного насоса определяется по выражению

А.„=1-а.3- (23)

Для ЖГ1ВН действительная быстрота действия определяется по формулам: при Р1 < рВКЛ 5Д = 5г1А.п] А,п2 ; (24)

при р] > рВКЛ

(25)

где 5,1 - геометрический объем газовой фазы, подаваемой первой ступенью насоса со стороны всасывания на сторону нагнетания в единицу времени при отсутствии потерь, м3/с.

Для первой ступени ЖПВН, работающей как ЖВН, коэффициент подачи характеризует потери быстроты действия на каждом режиме работы, которые

связаны с перетеканием и натеканием газовой фазы в торцевых зазорах , шарнирах \2 и испарением (конденсацией) рабочей жидкости в ячейки рабочего колеса Х.3 и определяется по формуле

-1 —А,] — А-2 — Х-з . Для ЖПВН с гибкой оболочкой принимается равным 0.

(26)

Для второй ступени ЖПВН, представляющей собой пластинчатый вакуум-насос, коэффициент подачи характеризует потери быстроты действия перетеканием газовой фазы в торцевых зазорах Л;, шарнирах К2 с учетом возможного попадания капельной жидкости и коэффициентом дросселирования ка. Тогда:

А.П2=М*.1-А.2)*Д. (27)

Эффективная мощность одноступенчатого ЖВН с неподвижным корпусом ЛГе на валу насоса складывается из мощности Мсж, затрачиваемой на сжатие парогазовой смеси; мощности Л^, затрачиваемой на перемещение жидкостного кольца, и мощности Л^р, затрачиваемой на преодоление трения в сальниках и подшипниках, т.е.

М^М^ + К + М^. (28)

В свою очередь мощность, затрачиваемую на перемещение жидкостного кольца, определяем как:

= + (29)

где А'бл» Л'к - мощности, затрачиваемые на движение жидкостного кольца в безлопаточном пространстве и рабочем колесе соответственно.

Процесс сжатия в насосе политропный. Среднее значение показателя политропы определяется путем замера параметров газа на входе и выходе из вакуум-насоса.

Эффективная мощность двухступенчатого ЖВН модульного типа с одновременным включением ступеней Ие на валу насоса складывается из мощности А'сж, затрачиваемой на сжатие парогазовой смеси в первой и во второй ступенях; мощности затрачиваемой на перемещение жидкостного кольца в первой и во второй ступенях, и мощности Мтр,

Ъ = лгсж1 + ЛГсж2 + Мг] + Иг2 + Л^р. (30)

Организация процесса вакуумирования с последовательным включением первой и второй ступеней позволяет исключить на начальных стадиях работы затраты мощности на сжатие парогазовой смеси во второй ступени ЛГсж2 и мощности, затрачиваемой на перемещение жидкостного кольца во второй ступени

Тогда до значения вакуума, определяемого как рВКЛ = (101,3-103)/т|", формула

эффективной мощности аналогична формуле (28).

Эффективная мощность вакуум-насоса с кинематическим замыканием на валу складывается из мощностей Мсж, Л^ и мощности Л^ 3, затрачиваемой на кинематическое замыкание лопаток корпуса и рабочего колеса, т.е.

Л^Л^ж+Л'г + Л^ + Л'к.з. (31)

Эффективная мощность на валу ЖПВН складывается из мощностей Лгсж,, Лсж2> А'бл, ^тр и мощности, затрачиваемой на трение в шарнирах

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлены программа, общая и частные методики экспериментальных исследований и обработки полученных данных. Описаны устройства новых разработанных экспериментальных установок и стендов.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований жидкост-нокольцевых вакуумных насосов и технологических процессов сушки овощного сырья, хранения готовой продукции и доения коров» приведены результаты экспериментальных исследований формы внутренней поверхности жидкостного кольца при различных давлениях разрежения, частотах вращения рабочего колеса и рабочих жидкостях показали, что его форма изменяется от указанных параметров (рис. 9, 10), а, следовательно, изменяются эксплуатационные характеристики ЖВН. Полученные данные позволили уточнить расчет формы внутренней поверхности жидкостного кольца, а, следовательно, усовершенствовать методику расчета действительной быстроты действия и эффективной мощности ЖВН.

Результаты экспериментальных исследований влияния расхода дополнительно подаваемой рабочей (<?дпрж) жидкости на действительную быстроту действия и давление разрежения представлены на рис. 11,12.

а) б) в)

Рис. 9. Фотографии жидкостного кольца:

а - ддпрж = 0,08 м3/ч; б - ддпрж = 0,13 м3/ч; в - ?дпрж = 0,24 м3/ч; рт = 0 Па

") б) в)

Рис. 10. Фотография жидкостного кольца, рабочая жидкость - тосол 40 «Аляска»:

а-рр = 0 Па; б~рг = ЗО Ю3 Па; в-рр= 80-Ю3 Па

верхняя граница жидкостного г,чш>иа

s„/sr

0,335 0,330 0,325 0,320 0,315 0,310

0 9,95 0,1

♦ - S,/Sr;

Рис. 11. Зависимость Л',IS, и Ne от <7дпрж; р, = 0 Па

у -7.88 1.V-+ 4.0526 ♦ 0.6935

\

'у= -1.07! 3*!+0.3103а + 0.3149 \ ♦

/ /

/

Рис. 12. Зависимость pf и Ne от </дпрж

100 so 60 40 20 О

у =-297 ,7*+ 109, 5

Значение действительной быстроты действия и давления разрежения увеличивается с ростом <7дпрж- Характер изменения действительной быстроты действия и давления разрежения вполне закономерен, так как при малых значениях ^дщ>ж торцевые зазоры между лопатками рабочего колеса и боковыми крышками, а также «мертвая зона» в значительной степени открыты для перетечек газовой фазы, что приводит к меньшим значениям действительной быстроты действия и давления разрежения. С увеличением дддрж расход газовой фазы через торцевые зазоры

и площадь «мертвой зоны» уменьшаются (рис. 13), так как рабочая жидкость занимает большую часть торцевого зазора и заполняет «мертвую зону», при этом действительная быстрота действия начинает расти. Причем рост значений действительной быстроты действия происходит до некоторого значения <?дпрж (см. рис.11), после которого действительная быстрота действия резко уменьшается, а давление разрежения остается постоянным, при этом эффективная мощность возрастает по линейному закону (см. рис. 12). Это изменение объясняется заполнением полезного объема поступающей рабочей жидкостью и увеличением гидравлического сопротивления.

Результаты исследования эпюры скорости жидкости в рабочей полости ЖВН приведены на рис. 14. Наибольшая погрешность результатов математического моделирования

0,05 0,1 0,15 0,2 "W

Рис. 13. Зависимость площади «мертвой зоны» F„., от ^дпрж

О 20

♦ - расчетная; <

40 бо рр, кПа

- экспериментальная

Рис. 14. Зависимость скорости движения жидкости в безлопаточном пространстве (сечение II-II) от давления разрежения

и экспериментальных данных не превышает 10... 15%. В целом было установлено удовлетворительное совпадение результатов эксперимента с расчетными данными математической модели, что позволяет использовать ее при проектировании одноступенчатых ЖВН.

Анализ экспериментальных исследований влияния размера нагнетательного окна на эксплуатационные характеристики одноступенчатого ЖВН (рис. 15, 16) позволил сделать вывод - каждому режиму работы (значению давления разрежения) соответствует оптимальный размер проходного сечения нагнетательного окна, который обеспечивает наилучшие эксплуатационные характеристики одноступенчатого ЖВН.

♦ - Рок = 250 мм2; • А -Рок = 135 мм2; 1

60 по .», «ш

Рок = 190 мм2; - Рок = 95 мм2

р. 1н

♦ - Рок = 250 мм2; • - Р„к = 190 мм2; А - Рок = 135 мм2; ■ - Р„к = 95 мм2

Рис. 15. Зависимость эффективной мощности от давления разрежения одноступенчатого ЖВН при различных размерах нагнетательного окна

Рис. 16. Зависимость действительной быстроты действия от давления разрежения односту пенчатого ЖВН при различных размерах нагнетательного окна

На эффективную работу ЖВН с регулируемым нагнетательным окном оказывает влияние расход дополнительно подаваемой жидкости, площадь нагнетательного окна и давление разрежения (рис. 17).

Анализ зависимостей, аппроксимирующих экспериментальные данные (см. рис. 17) при различных значениях давления разрежения, позволяет определить минимум удельной мощности в диапазоне варьирования определяющих параметров.

Ыю кВт ч/м ,62 5,0 \ 4.1) I

Л.О 4

199,«

1(4) / 150 200

-тч

9ДПРЖ и Рок при Рр = 5 кПа

Луд, кВт ч/м 10 2

-.о I о,о|

5,01

• лвд

150

¿50

^дчжЛ-'Ч

<?дпрж и Р„к при рр = 20 кПа

Д'и, кВтч/м3 ■)Л> :

оло | 0.18 | од-;

о,1б ;

мм3

<7дпрж И Рок при рр = 50 кПа

Рис. 17. Зависимость /V,.., от </дпрж и /•',„;

При pv = 5 кПа минимум удельной мощности Л'уя = 0,0316 кВт-ч/м3 следует ожидать при значениях FOK = 209,9 мм2 и <?дпрЖ = 100 л/ч. При pf = 20 кПа минимум удельной мощности Nya = 0,0508 кВт-ч/м3 будет при FOK = 208,4 мм2 и ддпрж = = 100 л/ч. При Рр = 50 кПа минимум удельной мощности Муя = 0,1650 кВт-ч/м3 обеспечивают F0K = 177,1 мм2 и ддпрж = 136,7 л/ч.

В результате получена математическая зависимость, позволяющая создавать конструкции ЖВН с регулируемым нагнетательным окном и внедрять автоматическую систему управления насосом при работе на всех режимах.

Nya = аеЬ>Рр + b'2F0K + b'3qmрЖ + b'4F0KqдпрЖ + b'5F¿K + Ь'^щРЖ . (33)

По результатам экспериментальных исследований предложена новая конструкция двухступенчатого ЖВН, отличительной особенностью которой является наличие промежуточной камеры, отношение ширины модуля первой ступени ко второй составляет 3,125, что соответствует расчетному значению, приведенному по формуле (16).

Конструкция позволяет изменять направление ввода и вывода жидкой фазы (что влияет на гидродинамический режим в ступенях) посредством дополнительных отверстий в крышках и корпусе. Включение в конструкцию новых уплотни-тельных устройств снижает потери на трение и повышает герметичность насоса. Данная конструкция насоса позволяет получить следующие технические характеристики ЖВН ДМ 3(180):

- предельный вакуум - 98% (2 кПа);

- максимальная потребляемая мощность на валу насоса - 4,7 кВт.

Рис. 18. Двухступенчатый ЖВН ДМ 3(180) с мультипликатором и электромагнитной муфтой:

1,2- корпуса первой и второй ступеней; 3 - промежуточная камера; 4 - вал первой ступени; 5 - полый вал второй ступени; 6,7 - рабочие колеса первой и второй ступеней; 8, 9 - торцевые крышки первой и второй ступени; 10 - двухступенчатый мультипликатор; 11 - электромагнитная муфта; 12 - щеткодержатель; 13 - коллектор; гг, г* - шестерни и колеса мультипликатора

Проведенные экспериментальные исследования двухступенчатого ЖВН с последовательным включением ступеней по определению оптимальных значений частот вращения ступеней и давления разрежения позволяют проектировать ЖВН, характеризущиеся минимальными удельными энергетическими затратами, высокими эксплуатационно-техническими показателями, универсальностью использования с точки зрения давления разрежения (рис. 18).

Проведены экспериментальные исследования зависимости действительной быстроты действия и эффективной мощности от вакуума при работе на одной, двух ступенях и последовательным включением ступеней, рис. 19, 20.

Для определения давления включения р второй ступени проведены эксперименты по установлению зависимости эффективной мощности и действительной быстроты действия от давления разрежения при работе на одной (одноступенчатый ЖВН), двух ступенях (двухступенчатый ЖВН с одновременным включением ступеней). Установлено, что на начальных режимах вакуумирования эффективней использовать одноступенчатый ЖВН (рис. 19, 20, кривая 2). Это подтверждается меньшими затратами потребляемой мощности и лучшими показателями быстроты действия. Получение заданного вакуума возможно при использовании второй ступени (рис. 19, 20 кривая 1). Для испытуемого ЖВН (г2 = 45 мм, Ь\ = 92 мм; Ъ2 = = 36 мм; Т) = 2,5; Ю21 = 298,3 с-1; м22 = 388 с-1) давление включения р' = 50 кПа, что подтверждает расчетную формулу.

Рис. 19. Зависимость действительной быстроты действия от вакуума при работе:

/ - на двух ступенях; 2 — на одной ступени; 3-е последовательным включением ступеней

Рис. 20. Зависимость эффективной мощности от вакуума:

1 - на двух ступенях; 2 — на одной ступени; 3-е последовательным включением ступеней

В пятой главе «Методика расчета жидкостнокольцевых вакуум-насосов» решались задачи определения коэффициента быстроты действия и оптимизации конструктивных параметров (наименьший зазор между рабочим колесом и корпусом, радиус рабочих колес, угол наклона лопаток рабочего колеса, ширина корпусов, эксцентриситет) одноступенчатого и двухступенчатого ЖВН по удельной мощности.

ЖВН, используемые в процессах сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доении коров, должны удовлетворять технологическим, конструктивным, эксплуатационным и экономическим требованиям.

На основе экспериментальных данных, приведенных в главе 4, получена зависимость действительной быстроты действия от расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости и давления разрежения на входе в ЖВН в безразмерном виде

(34)

Данное уравнение позволяет уточнить значение коэффициента быстроты действия, что сокращает объем и стоимость экспериментальных работ и повышает точность работы ЖВН на стадии проектирования:

Л = 0<л<1. (35)

«г

По результатам, приведенных в главах 2, 4, были получены уравнения определения удельной мощности одноступенчатого ЖВН с неподвижным корпусом и двухступенчатого ЖВН модульного типа с последовательным включением ступеней соответственно

„ ^сж+^бл + ^к+Л^р

Nvп=--—> тш , (36)

УД 5Г0-Л)

•"уд =-2-=-2-->ГШП '

(37)

Исходными данными для оптимизации являются: у4 - быстрота действия, у5 - давление всасывания в первую ступень и у6 - давление нагнетания второй ступени, а также в зависимости от физических свойств рабочей жидкости: у\ -удельная вязкость, у2 - плотность жидкости и у} - удельный вес.

Введя вектор-функцию нормированных параметров ..., хп} и задав исходные данные у\ - у5, получим искомые параметры, используемые в функции цели, которые варьируются в пределах ограничений вида:

- для одноступенчатых ЖВН с неподвижным корпусом

<*;</,; г = 0,..., 8; (38)

— для двухступенчатых ЖВН модульного типа с последовательным включением ступеней

<*,■</,■, / = 1,..., 18, 19. (39)

На функцию цели наложены функциональные ограничения в виде условий постоянства быстроты действия и минимально возможной критической скорости рабочего колеса. Задача оптимизации математически определена в виде

п . (40)

Nya = Nya(xm-

Для получения минимума функции использованы методы штрафных функций и градиента с переменным шагом. Программы оптимизации выполнены на языках программирования С++ в среде программирования CodeGear RAD Studio 2007, Паскаль в среде программирования Delphi. Расчет произведен для опытных образцов ЖВН: одноступенчатого ЖВН 033(20) и двухступенчатого ЖВН ДМ 3(180).

На рисунках 21, 22, 23 приведены технические характеристики разработанных ЖВН с новыми конструктивными изменениями.

Ne

N.

м3/мин

7 6 5 i

V- / t

\

\

1 \ \

\

-— — — J

Ne, кВт

м /мин

0.5 OA

аз

0.2

/

/ —— V

\

■

\

Ne, кВт

1.3 11 0.9 0.7 0.5

О 10 20 30 W SO 60 70 80 90 100

О 10 20 30 И] 50 60 70 60 90 100 . ьокцмм. %

Рис. 21. Зависимости эффективной мощности, приведенной быстроты действия от значения вакуума для двухступенчатых ЖВН:

1 - ЖВН ДМ 5(300)М; 2 - ЖВН ДМ 3(180)

Так, для двухступенчатой конвективной вакуум-импульсной сушки ЖВН должны иметь диапазон остаточного давления от 10 до 1 кПа в зависимости от вида растительного материала. Это возможно за счет применения двухступенчатого ЖВН модульного типа с одновременным включением ступеней. С целью снижения энергетических затрат в технологический процесс вакуу-мирования включена новая конструкция ЖВН модульного типа с последовательным включением ступеней и одноступенчатый ЖВН с регулируемым нагнетательным окном (рис. 24).

—.?

Сгакуум %

Рис. 22. Зависимости эффективной мощности и быстроты действия, приведенной к давлению всасывания,

от значения вакуума для ЖВН с регулируемым нагнетательным окном: 1 - ЖВН 0,6(36)Р; 2 - ЖВН 0,26(16)Р

К 5П

м3/мин

о.ь ол аз 0.2 01 о

/ /

>

/ 1

/

К, кВт

гз 1.1 0.9 0.7 0.5

20 30 40 50 60 70 80 90 100 Вакуум. %

Рис. 23. Зависимости эффективной мощности и быстроты действия, приведенной к давлению всасывания, от значения вакуума для ЖВН 0,6(Э6)КЗ

Рис. 24. Двухступенчатая конвективная вакуум-импульсная сушилка с организацией рециркуляции рабочей жидкости:

1 - конвективная сушилка с закрученным слоем (первая ступень сушки); 2 — сушильный шкаф (вторая ступень сушки); 3 - двухступенчатый ЖВН с последовательным включением ступеней; 4 - одноступенчатый ЖВН с регулируемым нагнетательным окном; 5 - чиллер для охлаждения рабочей жидкости; 6 - водяной насос;

7- емкость для рециркуляции рабочей жидкости;

8 - система трубопроводов с приборами регулирования и контроля

Предложена методика расчета энергетических затрат ЖВН для двухступенчатой конвективной вакуум-импульсной сушки (рис. 25).

Одним из перспективных способов хранения готовой растительной продукции является вакуумное хранение с периодической обработкой озоном (рис. 26).

В данном процессе в зависимости от объема контейнера наиболее эффективно применять одноступенчатый ЖВН с кинематическим замыканием или одноступенчатый ЖВН с регулируемым нагнетательным окном.

Для процесса доения в зависимости от количества коров с целью снижения пульсации и энергозатрат рационально использовать одноступенчатый ЖВН с регулируемым нагнетательным окном или одноступенчатый ЖВН с кинематическим замыканием.

Обобщенный алгоритм проектирования ЖВН для процессов сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доения коров следующий.

Начало

I

Затраты электроэнергии на продувку

= Ne 2пх,

пр

Затраты электроэнергии на вакуумирование

нагнетательным окном

И/3 Л/епод. вак^под. вак

Общие затраты электроэнергии

'Затраты б денежном, эквиваленте

Конец

Рис. 25. Блок схема методики расчета энергетических затрат ЖВН для конвективной вакуум-импульсной сушки

Рис. 26. Установка для вакуумного хранения:

1 - контейнер вакуумный; 2 - озонатор; 3 - двухступенчатый ЖВН с последовательным включением ступеней; 4 - чиллер для охлаждения

рабочей жидкости; 5 - водяной насос; б- емкость для рециркуляции рабочей жидкости; 7- система трубопроводов с приборами регулирования и контроля

На первом этапе выбираются конструкции вакуум-насосов по остаточному давлению, влияющему на качество технологического процесса.

На втором этапе выбирается необходимая быстрота действия (производительность). Для двухступенчатой конвективной вакуум-импульсной сушки действительная быстрота действия определяется по формуле

)

^д=1>еупрод> (41)

м

где — площадь г'-го лотка, м2; е - порозность высушиваемого материала на лотках; Упрод - скорость продувки материала, м/с;7 - количество лотков, шт.

Действительная быстрота действия дополнительного вакуум-насоса - одноступенчатого с регулируемым нагнетательным окном определяется по формуле

£д=1ДКп, (42)

где Уп - объемный расход паров, м3/с.

При хранении быстрота действия насоса рассчитывается в зависимости от размера вакуум-контейнера, предельного остаточного давления и времени вакуу-мирования. На основании экспериментальных исследований диапазон времени вакуумирования находится в пределах 15...25 с в зависимости от физико-механических свойств сельхозпродукции, тогда действительная быстрота действия определяется как:

5 (43)

1 Рк

где ¥в_к - объем вакуум-контейнера, м3; р0 и рк - начальное и конечное давление в вакуум-контейнере, из которого откачивается воздух, Па.

Для процесса доения быстрота действия ЖВН определяется по формуле

5д=1,35УКкс2(1-^), (44)

где 1,35 - коэффициент несовершенства пульсатора и коллектора, допускающих утечки воздуха при переключении клапанов; V - частота пульсаций, с-1; Ук с -объем камер доильных стаканов и трубок одного доильного аппарата, м3; А - коэффициент, учитывающий утечки воздуха из вакуумной системы; 2 - количество доильных аппаратов, шт.

В шестой главе «Оценка эффективности внедрения технологий сушки овощного сырья, хранения готовой продукции и доения коров» в результате экспериментальных исследований установлено, что при сушке двухступенчатым способом время сушки сокращается до 1,5 ч и снижаются потери энергии до 50% (по сравнению с конвективным способом при атмосферном давлении).

Использование жидкостнокольцевого вакуум-насоса с регулируемым нагнетательным окном ЖВН 0,26(16)Р в минидоильной установке приводит к сокращению на 25% энергозатрат на процесс доения. Автоматическое управление предельного остаточного давления позволяет существенно повысить качество дойки.

Применение вакуумного хранения свежих и сушеных овощей с периодическим озонированием увеличивает в 1,5 раза срок хранения без потерь биологически активных веществ по сравнению с существующими способами. Для хранения 4 т овощей требуется помещение площадью 30 м2 при высоте 3,5 м. Основным техническим условием является положительная температура внутри помещения.

В приложениях представлены материалы, дополняющие выполненную работу.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ отечественных и зарубежных исследований показывает, что ЖВН нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Вместе с тем они имеют существенные недостатки: высокий расход дополнительной рабочей жидкости, снижение быстроты действия (производительности), непостоянство вакуума, что приводит при их использовании при сушке: к большим затратам электроэнергии и продолжительному времени процесса; при хранении - небольшом сроку хранения продукта, снижению потерь продукта и биологически активных веществ в процессе хранения; при доении - снижению надоя на 10...15% и заболеванию маститом.

2. Разработаны математические модели движения жидкости, учитывающие конструктивные особенности ЖВН и наличие газовой фазы, позволяющие определять основные гидродинамические параметры жидкостного кольца и использовать при проектировании одноступенчатых ЖВН (с неподвижным корпусом, кинематическим замыканием, регулируемым нагнетательным окном), двухступенчатых ЖВН модульного типа (с последовательным включением ступеней, одновременным включением ступеней), двухступенчатых жидкостно-пластинчатых вакуум-насосов, и изготавливать насосы нового поколения различных типоразмеров, обеспечивающих необходимые эксплуатационные характеристики для существующих технологий АПК.

Впервые предложена теория расчета новых двухступенчатого жидкостно-пластинчатого вакуум-насоса и одноступенчатого ЖВН с кинематическим замыканием.

3. Предложены впервые методики: расчета быстроты действия и эффективной мощности двухступенчатого ЖПВН; расчета проектирования эвольвентного профиля кинематического замыкания на долговечность по критериям износа и отсутствия заедания, а также усовершенствованные методики расчета быстроты действия (производительности) и эффективной мощности различных конструкций ЖВН.

4. Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния расхода дополнительной подаваемой рабочей жидкости, частоты враще-

ния рабочего колеса, физических свойств рабочей жидкости, давления разрежения на формирование жидкостного кольца, размера нагнетательного окна, на эксплуатационные характеристики ЖВН позволили определить основные направления совершенствования конструкций одноступенчатых ЖВН:

- применение регулируемого расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости на различных режимах работы ЖВН обеспечивает оптимальные параметры (производительность, предельный вакуум, мощность) его работы и позволяет снизить расход потребляемой жидкости на 50%;

- осуществление подачи дополнительно подаваемой рабочей жидкости непосредственно в зону отхода жидкостного кольца от ступицы рабочего колеса позволяет повысить действительную быстроту действия на 10... 15%, давление разрежения на 15...20% и коэффициент полезного действия на 12... 15%;

- включение в конструкцию одноступенчатых ЖВН механизма автоматического регулирования нагнетательного окна позволяет снизить энергозатраты на 15...20%, повысить действительную быстроту действия на 5... 10% и коэффициент полезного действия на 10... 15%.

5. Разработана программа для ЭВМ оптимизации конструктивных параметров (наименьшие зазоры между рабочими колесами и корпусами, радиусы рабочих колес, углы наклона лопаток рабочих колес, ширины корпусов, эксцентриситет) из условия минимума удельной мощности одноступенчатых и двухступенчатых ЖВН.

6. Созданы новые: экспериментальные установки для определения кинематических и динамических параметров движения жидкостной и газовой фаз и утечек газовой фазы в шарнирах двухступенчатых жидкостно-пластинчатых вакуум-насосов; экспериментальные стенды для испытаний ЖВН средней и малой быстроты действия всех предложенных конструкций, позволяющие повысить точность измерения и сократить время эксперимента, и снять основные эксплуатационные характеристики средней и малой быстроты действия всех предложенных и существующих конструкций ЖВН.

7. Изготовленные и испытанные опытные промышленные установки сушки растительного сырья производительностью 14 и 36 т/год по сухому продукту на базе двухступенчатого ЖВН модульного типа и одноступенчатого ЖВН с регулируемым нагнетательным окном позволяют: снизить энергетические потери на 50% по сравнению с конвективными сушилками и на 25% по сравнению с существующими вакуум-импульсными сушилками; повысить производительность в 2 раза и снизить общую металлоемкость оборудования.

Применение вакуумной установки, основу которой составляют новые разработанные насосы для хранения с периодическим озонированием, позволяет увеличить в 1,5 раза срок хранения плодов и овощей по сравнению с существующими способами и не приводит в течение всего периода хранения к потере биологически активных веществ.

Использование разработанных новых и усовершенствованных вакуум-насосов в минидоильной установке приводит к сокращению на 25% энергозатрат на процесс доения и снижению заболевания маститом.

Установлено, что в результате использования модернизированной двухступенчатой конвективной вакуум-импульсной сушки по сравнению с существующими растительные продукты сохраняют биологически активные вещества на

20...30% больше за счет увеличения интенсификации ведения процесса при щадящих режимах.

8. Результаты исследований, предложенные методики расчета используются малым инновационным предприятием ООО «Навакс» для разработки конструкций новых вакуумных насосов и оборудования для технологических процессов АПК с их использованием с общим оборотом 4,6 млн. р. (с учетом инвестиционных средств) и выходом к 2015 г. на объем реализации продукции в размере 20 млн. р.

Изготовление новых и усовершенствованных вакуумных насосов для использования в технологических процессах сушки, хранения и доения производится на: ООО «Тамбовполимермаш», ОАО «Мичуринский завод «Прогресс», ООО «Навакс».

Изготовленные установки на базе разработанных новых ЖВН внедрены на следующих предприятиях: при сушке - ИП Долгова, ООО «Здоровье и питание»; при хранении - МичГАУ; при доении - ГНУ ВНИИТиН. Общий годовой экономический эффект составил 2315 тыс. р.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых изданиях ВАК России:

1. Определение быстродействия двухступенчатых жидкостно-кольцевых вакуум-насосов модульного типа / Ю.В. Родионов [и др.] // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. - Т. 8, № 3. - С. 497 - 505.

2. Родионов, Ю.В. К вопросу оптимизации конструктивных параметров двухступенчатых жвдкостнокольцевых вакуумных насосов / Ю.В. Родионов, Ю.В. Воробьев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. -Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - Т. 6, № 2. - С. 274 - 280.

3. Влияние конфигурации жидкостного кольца на рабочие параметры жид-костнокодьцевого вакуум-насоса / Ю.В. Родионов [и др.] // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - Т. 12, № 1А. - С. 120 - 136.

4. Родионов, Ю.В. Liquid ring vane vacuum pumps. Trends in development of vacuum technology / Ю.В. Родионов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - Т. 12, № ЗБ. - С. 779-784.

5. Обеспечение длительного хранения плодово-овощной продукции вакуумным способом с предварительной обработкой озоном / Ю.В. Родионов [и др.] // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - Т. 13, № 2Б. - С. 598 - 604.

6. Перспективы развития консервной промышленности на предприятиях малого и среднего бизнеса / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - № 2(8). - С. 154 - 159.

7. Родионов, Ю.В. Влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность работы жидкостнокольцевых вакуум-насосов / Ю.В. Родионов, М.М. Свиридов, ДВ. Никитин // Изв. высших учеб. заведений. Химия и химическая технология. - 2007. - Т. 50, вып. 5. - С. 102 - 104.

8. Условия комбинированной конвективной вакуум-импульсной сушки растительных продуктов / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - № 4(14). - С. 21 - 25.

9. Родионов, Ю.В. Обоснование выбора вакуумных насосов для конвективной вакуумной ступени сушки растительных материалов / Ю.В. Родионов, И.В. Попова, В.Г. Однолько // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. - № 6(20). -С. 106-111.

10. Определение основных геометрических размеров жидкостно-пластин-чатых вакуум-насосов / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. - № 9(23). - С. 138 - 144.

11. Определение коэффициента быстроты действия жидкостнокольцевого вакуум-насоса / Ю.В. Родионов [и др.] // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. - Т. 16, № 1.-С. 140- 158.

12. Оптимизация конструктивных параметров жидкостнокольцевых вакуум-насосов / Ю.В. Родионов [и др.] // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. - Т. 16, № 2. -С. 397-404.

13. Исследование влияния расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости на рабочие характеристики жидкостнокольцевого вакуум-насоса / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. - № 1 - 3(28). - С. 243 - 252.

14. Повышение интенсивности процесса конвективной вакуум-импульсной сушки на примере активированного угля / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. - № 1 - 3(28). - С. 260 - 265.

15. Энергоэффективность двухступенчатой сушки растительного сырья / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. - № 3(34). -С. 361 -365.

16. Особенности расчета двухступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса модульного типа с последовательным включением ступеней / Ю.В. Родионов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - Т. 18, № 3. - С. 696 - 702.

17. Calculation of operating speed for two-stage liquid sliding vane vacuum pump / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. -№ 2(40). - С. 333 - 338.

18. Инновационные технологии сушки растительного сырья / Ю.В. Родионов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - № 3(41). - С. 371 - 376.

19. Родионов, Ю.В. Разработка двухступенчатого жидкостно-пластинчатого вакуумного насоса / Ю.В. Родионов, В.А. Талыков // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - № 43. - С. 47 - 50.

Публикации в других изданиях и материалах конференций'.

20. Родионов, Ю.В. Особенности деформационного поведения легированного поликарбоната при формовании в твердой фазе / Ю.В. Родионов, Г.С. Баро-нин, Г.Н. Самохвалов // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. — Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. - Вып. 3. - С. 182 - 186.

21. Родионов, Ю.В. Исследование в области упрочняющей технологии получения торцевых уплотнений водокольцевых вакуумных насосов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена / Ю.В. Родионов, Г.С Баронин // IV научная конференция : краткие тез. докл. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. - С. 105.

22. Родионов, Ю.В. Расчет двухступенчатых жидкостнокольцевых вакуум-насосов (ЖВН) по оптимальной удельной мощности / Ю.В. Родионов, М.М. Свиридов // Актуальные проблемы современной науки : тр. 4-й Междунар. конф. молодых ученых и студентов. - Ч. 12 - 16. - Самара, 2003. - С. 22 - 24.

23. Родионов, Ю.В. Разработка конструкции малорасходного двухступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса / Ю.В. Родионов, Ю.В. Воробьев, В.Е. Шестаков // VIII науч. конф. : пленарные докл. и краткие тез. - Ч. 1. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - С. 138.

24. Родионов, Ю.В. Определение числа лопаток роторов в двухступенчатом жидкостнокольцевом вакуум-насосе модульного типа / Ю.В. Родионов // VIII научная конференция : пленарные докл. и краткие тез. — Ч. 1. — Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - С. 139.

25. Родионов, Ю.В. Передвижная доильная установка на базе двухступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса / Ю.В. Родионов, С.М. Ведищев, В.В. Попов // Труды ТГТУ : сб. науч. статей молодых ученых и студентов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. - Вып. 15. - С. 43 - 45.

26. Родионов, Ю.В. К вопросу о размерах нагнетательного окна жидкостнокольцевого вакуум-насоса / Ю.В. Родионов, Д.В. Никитин // Составляющие научно-технического прогресса : Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - С. 181 - 183.

27. Родионов, Ю.В. Уравнение конфигурации жидкостного кольцевого кольца для жидкостнокольцевых вакуум-насосов / Ю.В. Родионов, Д.В. Никитин, A.B. Волков // Глобальный научный потенциал : Междунар. науч.-практ. конф. : сб. науч. ст. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - С. 21-22.

28. Двухступенчатый жидкостнокольцевой вакуум-насос с последовательным включением ступеней / Ю.В. Родионов [и др.] // Достижения ученых XXI века : Междунар. науч.-практ. конф. : сб. науч. ст. — Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - С. 145 - 148.

29. Обеспечение длительного хранения плодовоовощной продукции вакуумным способом (с использованием жидкостнокольцевого вакуум-насоса) / Ю.В. Родионов [и др.] // Достижения ученых XXI века : сб. материалов 2-й Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во Першина Р.В., 2006. - С. 113 - 115.

30. Родионов, Ю.В. Определение площади ячеек рабочей полости жидкостнокольцевого пластинчатого вакуум-насоса / Ю.В. Родионов, С.Б. Захаржевский, Л.И. Ткач // Труды ТГТУ. - Вып. 20. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007.-С. 97-101.

31. Родионов, Ю.В. Основы проектирования жидкостнокольцевых вакуум-насосов с автоматическим регулированием нагнетательного окна / Ю.В. Родионов, В.В. Попов, М.М. Свиридов // Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Изд-во ФГОУ ВПО МичГАУ, 2007. -Т. 2.-С. 285-291.

32. Родионов, Ю.В. Комплексный метод хранения и переработки плодоовощной продукции / Ю.В. Родионов, Ю.В. Воробьев, И.В. Попова // Глобальный научный потенциал : сб. материалов 3-й Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во ТАМБОВПРИНТ, 2007. - С. 116-117.

33. Родионов, Ю.В. Вакуумное направление в хранении продуктов растениеводства / Ю.В. Родионов, Ю.В. Воробьев, И.В. Попова // Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции. Т. 1 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Мичуринск : Изд-во ФГОУ ВПО МичГАУ, 2007. - С. 52 - 57.

34. Комбинированная конвективно-вакуум-импульсная сушка - качественная переработка сельскохозяйственной продукции / Ю.В. Родионов [и др.] // Качество науки - качество жизни : сб. материалов 4-й Междунар. науч.-практ. конф. -Тамбов : Изд-во ТАМБОВПРИНТ, 2008. - С. 156-157.

35. Development of liquid ring vacuum pumps / Ю.В. Родионов [и др.] // University of Aden Journal Of Natural and Applied Sciences. - Aden: Vol. 12, No. 1. -2008.-C. 103- 108.

36. Математическое моделирование комбинированной конвективной вакуум-импульсной сушки растительных продуктов / Ю.В. Родионов [и др.] // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск : Изд-во МичГАУ, 2008. - № 1. - С. 60 - 65.

37. Жидкостнокольцевой вакуум-насос с изменяющимися размерами нагнетательного окна / Ю.В. Родионов [и др.] // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск : Изд-во МичГАУ, 2008. - № 1. - С. 65 - 72.

38. Родионов, Ю.В. Особенности движения жидкости в жидкостнокольце-вом вакуум-насосе / Ю.В. Родионов, A.A. Пасько, Д.В. Никитин // Альманах современной науки и образования. - Тамбов, 2009. - № 11, ч. 1. - С. 68 - 73.

39. Родионов, Ю.В. Сравнительный анализ эффективности сублимационной и двухступенчатой конвективной вакуум-импульсной сушки / Ю.В. Родионов, И.В. Попова, Д.А. Шацкий // Труды международного техническго семинара. К 100-летию A.B. Лыкова. - Воронеж, 2010. - С. 160 - 167.

40. Влияние способа сушки овощного сырья на изменение коэффициента диффузии / Ю.В. Родионов [и др.] // Достижения науки и инновации в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции : материалы Межднар. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию Засл. работника высшей школы РФ профессора Ю.Г. Скрипникова. - Мичуринск : Изд-во Мичуринского госагроуниверсите-та, 2011.-С. 210-213.

41. Особенности применения жидкостнокольцевых вакуумных насосов в технологических процессах агропромышленного комплекса / Ю.В. Родионов // Достижения науки и инновации в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции : материалы Межднар. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию Засл. работника высшей школы РФ профессора Ю.Г. Скрипникова. - Мичуринск : Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2011. - С. 213 - 217.

42. Энергоэффективность применения жидкостнокольцевых вакуум-насосов в технологических процессах агропромышленного комплекса / Ю.В. Родионов [и др.] // Достижения науки и инновации в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции : материалы Межднар. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию Засл. работника высшей школы РФ профессора Ю.Г. Скрипникова. -Мичуринск : Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2011. - С. 226 - 230.

43. Родионов, Ю.В. Методика подбора жидкостнокольцевых вакуум-насосов для технологических процессов агропромышленного комплекса / Ю.В. Родионов, П.С. Платицин, В.А. Преображенский // Альманах современной науки и образования. - Тамбов, 2012. -№ 8(63). - С. 133 - 137.

44. Современные перспективы совершенствования и использования жидкостнокольцевых вакуум-насосов / Ю.В. Родионов [и др.] // Materialy VIII Mi^dzynaro-dowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka: teoría i praktzka - 2012» Volume 12. Techniczne nauki. - Przemysl. Nauka i studia, 2012. - C. 30 - 33.

45. Разработка линии двухступенчатой конвективно-импульсной вакуумной сушки растительного сырья / Ю.В. Родионов [и др.] // Материалы 64-й науч.-практ. конф. студентов и аспирантов (I раздел): - Мичуринск : Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2012. - С. 62-63.

В описаниях к изобретениям:

46. Пат. 2303166 Российская Федерация, МПК F 04 С 15/00. Жидкостно-кольцевая машина с автоматическим регулированием проходного сечения нагнетательного окна / Волков A.B., Воробьев Ю.В., Никитин Д.В., Попов В.В., Родионов Ю.В., Свиридов М.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. -№ 2005116616/06 ; заявл. 31.05.2005 ; опубл. 20.07.2007, Бюл. № 20. - 6 с.

47. Пат. 2307261 Российская Федерация, МПК F 04 С 15/00. Жидкостно-кольцевая машина / Родионов Ю.В., Букин А.А, Воробьев Ю.В., Дубовицкий P.A., Однолько В.Г., Свиридов М.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. -№ 2006105991/06 ; заявл. 26.02.2006 ; опубл. 27.09.2007, Бюл. № 27. - 5 с.

48. Пат. 2294456 Российская Федерация, МПК F 04 С 7/00, F 04 С 19/00. Жидкостно-кольцевая машина / Воробьев Ю.В., Попов В.В., Родионов Ю.В., Свиридов М.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. - № 2005117866/06 ; заявл. 09.06.2005 ; опубл. 27.02.07, Бюл. №6.-7 е.: 2 ил.

49. Пат. 2343316 Российская Федерация, МПК F 04 С 15/00. Двухступенчатая жидкостно-кольцевая машина / Родионов Ю.В., Воробьев Ю.В., Максимов В.А., Попов В.В., Свиридов М.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. -№ Х2007115026/06 ; заявл. 20.04.2007 ; опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1. - 5 с.

50. Пат. 2322613 Российская Федерация, МПК F 04 С 15/00. Жидкостно-кольцевой вакуумный насос / Родионов Ю.В., Воробьев Ю.В., Максимов М.М., Свиридов М.М., Селиванова П.И. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. - № 2006122088/06 ; заявл. 20.06.2006 ; опубл. 20.04.2008, Бюл. № 11. - 9 с.

51. Пат. 2411396 Российская Федерация, МПК F 04 С 7/00, F 04 С 19/00. Двухступенчатая жидкостно-кольцевая машина / Воробьев Ю.В., Захаржевский С.Б., Родионов Ю.В., Максимов В.А., Никитин Д.В., Букин A.A., Свиридов М.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ, ООО «Навакс». - № 2009119099/06 ; 20.05.2009 ; опубл. 10.02.2011, Бюл. №4.-6 с.

52. Пат. 2291320 Российская Федерация, МПК F 04 С 7/00, F 04 С 19/00. Двухступенчатая жидкостно-кольцевая машина / Воробьев Ю.В., Волков A.B., Максимов В.А., Попов В.В., Родионов Ю.В., Свиридов М.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. - № 2004130045/06 ; заявл. 11.10.2004 ; опубл.

10.01.2007, Бюл. № 1. - 5 с. : 1 ил.

53. Пат. 2322615 Российская Федерация, МПК F 04 С 19/00. Двухступенчатая жидкостно-кольцевая машина / Родионов Ю.В., Воробьев Ю.В., Максимов В.А., Попов В.В., Свиридов М.М., Захаржевский С.Б., Никитин Д.В. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. - № 2006126111/06 ; заявл. 18.07.2006 ; опубл.

20.04.2008, Бюл. № 11. - 5 с.

54. Пат. 2291987 Российская Федерация, МПК F 04 С 7/00, F 04 С 19/00. Жидкостно-кольцевая машина / Воробьев Ю.В., Максимов В.А., Попов В.В., Родионов Ю.В., Свиридов М.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. -№ 2004130046/06 ; заявл. 11.10.2004 ; опубл. 20.01.07, Бюл. № 2. - 5 с. : 2 ил.

55. Пат. 2361795 Российская Федерация, МПК В 65 D 81/24. Контейнер для пищевых продуктов со съемной крышкой / Букин A.A., Воробьев Ю.В., Гуте-нев М.Д., Митрохин М.А., Мищенко C.B., Однолько В.Г., Попова И.В., Родионов Ю.В., Скрипников Ю.Г., Щербаков С.А. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. - № 20071310624/12 ; заявл. 20.08.2007 ; опубл. 20.07.2009, Бюл. № 20. - 5 с.

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ

56. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ РФ. Программа оптимизации конструктивных параметров жидкостнокольцевого вакуум-насоса по удельной мощности / Максимов В.А., Никитин Д.В., Попов В.Ю., Родионов Ю.В. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ и ООО «На-вакс». - № 2010614414 ; заявл. 26.03.2010 ; зарег. 07.07.2010.

Подписано в печать 19.02.2013. Формат 60 х 84/16. 1,86 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 80

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТТТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

05201350613

На правах рукописи

Родионов Юрий Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ЖИДКОСТНОКОЛЬЦЕВЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АПК

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Заслуженный деятель науки и техники РФ,

академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Завражнов Анатолий Иванович

Тамбов 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................... 10

1 Постановка проблемы. Цель и задачи исследований.............................. 17

1.1 Классификация и анализ конструкций вакуумных насосов и установок............................................................................ 17

1.2 Анализ исследований использования вакуумных насосов в сельском хозяйстве............................................................................ 57

1.2.1 Анализ технологических процессов сушки плодоовощного сырья.............................................................................. 57

1.2.2 Анализ технологических процессов хранения готовой растительной продукции................................................... 65

1.2.3 Анализ технологических процессов доения коров.................... 67

1.3 Анализ теоретических исследований технологических процессов вакуумных насосов.............................................................. 72

1.4 Выводы, цель и задачи исследований........................................... 88

2 Теоретические исследования рабочих процессов жидкостнокольцевых вакуумных насосов.................................................................... 92

2.1 Особенности движения жидкости в жидкостнокольцевых вакуум-насосах............................................................................. 92

2.1.1 Особенности движения жидкости в жидкостнокольцевом вакуум-насосе с неподвижным корпусом............................................ 92

2.1.2 Особенности движения жидкости в жидкостнокольцевом вакуум-насосе с кинематическим замыканием..................................... 112

2.1.3 Особенности движения жидкости в жидкостно-пластинчатом вакуум-насосе.................................................................. 122

2.2 Теоретические исследования определения быстроты действия и мощности жидкостнокольцевых вакуум-насосов........................ 123

2.2.1 Определение быстроты действия одноступенчатого

жидкостнокольцевого вакуум-насоса с неподвижным корпусом..... 123

2.2.2 Определение быстроты действия двухступенчатого жидкостно-кольцевого вакуум-насоса модульного типа с одновременным включением ступеней.......................................................... 146

2.2.3 Определение быстроты действия двухступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса модульного типа с последовательным включением ступеней................................. 152

2.2.4 Определение быстроты действия одноступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса с кинематическим замыканием....................................................................... 158

2.2.5 Определение быстроты действия двухступенчатого жидкостно-пластинчатого вакуум-насоса.............................................. 161

2.2.6 Определение эффективной мощности одноступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса с неподвижным корпусом.. 173

2.2.7 Определение эффективной мощности двухступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса модульного типа с одновременным включением ступеней.................................... 181

2.2.8 Определение эффективной мощности двухступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса модульного типа с последовательным включением ступеней................................. 184

2.2.9 Определение эффективной мощности одноступенчатого жидкостнокольцевого вакуум-насоса с кинематическим замыканием....................................................................... 185

2.2.10 Определение эффективной мощности двухступенчатого жидкостно-пластинчатого вакуум-насоса.................................. 187

Выводы по главе....................................................................... 189

3 Программа и методика экспериментальных исследований............... 191

3.1 Программа экспериментальных исследований........................... 191

3.2 Методика экспериментальных исследований................................ 192

3.2.1 Описание устройства и работы экспериментальных установок.... 192

3.2.2 Методика проведения экспериментального исследования жидкостнокольцевых вакуум-насосов...................................... 217

3.2.3 Методика определения распределения скорости в рабочей полости жидкостнокольцевых вакуум-насосов...................................... 233

3.2.4 Методика обработки экспериментальных данных..................... 235

4 Результаты экспериментальных исследований жидкостнокольцевых

вакуумных насосов и технологических процессов сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доения коров........................................................................ 243

4.1 Исследование влияния расхода дополнительно подаваемой рабочей жидкости на эксплуатационные характеристики жидкостнокольцевых вакуум-насосов...................................................... 243

4.2 Исследование влияния давления всасывания и свойств рабочей жидкости на форму внутренней поверхности жидкостного кольца.............................................................................. 249

4.3 Исследование влияния размера нагнетательного окна на эксплуатационные характеристики жидкостнокольцевых вакуум-насосов............................................................................... 255

4.4 Исследование влияния частоты вращения рабочего колеса на форму внутренней поверхности жидкостного кольца.............................. 264

4.5 Результаты экспериментальных исследований жидкостно-пластинчатого вакуум-насоса................................................ 267

4.6 Результаты экспериментальных исследований жидкостно-кольцевого вакуум-насоса с кинематическим замыканием.............. 268

4.7 Результаты экспериментальных исследований жидкостнокольцевого вакуум-насоса с последовательным включением ступеней................... 269

4.8 Результаты экспериментальных исследований вакуумных насосов в технологических процессах: сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доения коров.......................... 270

4.8.1 Результаты экспериментальных исследований жидкостно-кольцевых вакуум-насосов в процессе двухступенчатой конвективной вакуум-импульсной сушки плодоовощного сырья..... 270

4.8.2 Результаты экспериментальных исследований жидкостно-кольцевых вакуум-насосов в процессе вакуумного хранения готовой растительной продукции......................................... 276

4.8.3 Результаты экспериментальных исследований жидкостно-кольцевых вакуум-насосов в процессе доения коров................. 276

Выводы по главе.......................................................................... 277

5 Методика расчета жидкостнокольцевых вакуум-насосов.................... 280

5.1 Постановка задачи и разработка методики определения коэффициента быстроты действия............................................. 280

5.2 Оптимизации конструктивных параметров одноступенчатых и двухступенчатых жидкостнокольцевых вакуум-насосов............... 290

5.3 Постановка задачи и разработка алгоритма расчета оптимальных параметров одноступенчатых жидкостнокольцевых вакуум-насосов.. 291

5.4 Результаты расчета программы оптимизации конструктивных параметров одноступенчатых жидкостнокольцевых вакуум-насосов............................................................................... 294

5.5 Постановка задачи и разработка алгоритма расчета оптимальных параметров двухступенчатых жидкостнокольцевых вакуум-насосов с одновременным включением ступеней............................................. 295

5.6 Результаты расчета программы оптимизации конструктивных параметров двухступенчатых жидкостнокольцевых вакуум-насосов с одновременным включением ступеней............................................. 298

5.7 Обоснование выбора жидкостнокольцевых вакуум-насосов для технологических процессов агропромышленного комплекса......... 300

5.7.1 Выбор жидкостнокольцевых вакуум-насосов для процесса сушки

плодоовощного сырья.......................................................... 301

5.7.2 Выбор жидкостнокольцевых вакуум-насосов для процесса хранения готовой растительной продукции............................ 308

5.7.3 Выбор жидкостнокольцевых вакуум-насосов для процесса доения коров............................................................................... 310

5.8 Определение технико-экономических показателей жидкостнокольцевых вакуум-насосов и исследование их рабочих параметров с новыми конструктивными изменениями и учетом технологических процессов агропромышленного комплекса.................................. 313

5.9 Методика выбора жидкостнокольцевых вакуум-насосов для технологических процессов агропромышленного комплекса......... 329

6 Оценка эффективности внедрения технологий сушки плодоовощного сырья, хранения готовой растительной продукции и доения коров...... 339

6.1 Оценка эффективности процессов сушки плодоовощного сырья..... 339

6.2 Оценка эффективности процессов хранения готовой растительной продукции................................................................................................... 341

6.3 Оценка эффективности процессов доения коров........................... 341

6.4 Реализация научных исследований.............................................. 342

Выводы по главе....................................................................... 342

Основные выводы и результаты...................................................... 343

Заключение и рекомендации производству............................................ 347

Список литературы............................................................................. 348

Приложение............................................................................... 382

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Геометрические величины

2

Т^н - площадь нагнетательного окна, м ;

- площадь рабочей ячейки в сечении Н-Н, м2;

- площадь, занимаемая лопатками, м2; ^р.п - площадь рабочей полости, м ;

V- рабочие объемы ступеней, м3;

Клах ~ объем максимальной ячейки, м3;

Ь0 - ширина рабочих колес, м;

Ъ/ - ширина корпусов, м;

г - число лопаток рабочих колес;

V - относительный радиус ступицы рабочего колеса;

г22 - радиус внутренней поверхности жидкостного кольца, м;

г2 - наружный радиус лопаток рабочих колес, м;

А - наименьший зазор между колесом и корпусом, м;

ср - угол поворота рабочего колеса, рад;

б - относительный эксцентриситет;

5 - толщина лопатки рабочего колеса, м;

е - эксцентриситет, м;

Кинематические величины ¿V - геометрическая быстрота действия, м3/с;

•з

£в - приведенная быстрота действия, м /с; 5"д - действительная быстрота действия, м7с;

л

5Т - теоретическая быстрота действия, м /с;

п - частота вращения рабочего колеса, мин"1;

и2 - окружная скорость лопаток рабочего колеса, м/с;

Упер - средняя скорость жидкости в безлопаточном пространстве сечения Н-П, м/с; со2 - угловая скорость вращения рабочего колеса, с"1;

g-ускорение свободного падения, м/с2;

Коэффициенты и относительные величины ЕиЛ1 - число Эйлера; Аг - число Архимеда; Рг - число Прантдля; Ле - число Рейнольдса; Си- число Гухмана;

Ыи№ №ик - число Нуссельта в зонах сжатия и всасывания соответственно; т - показатель политропы;

■2

ак — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К); Ап - коэффициент подачи; гв - внешняя степень сжатия;

Термо -, газо - и гидродинамические величины ут - турбулентная вязкость, м /с; рж - плотность жидкости, кг/м3; рг - плотность газа, кг/м3;

/ - теплосодержание влажного воздуха, кДж/кг сух.возд.; Ссм - теплоемкость влажного воздуха, Дж/кг °С; р - давление всасывания, Па; рр - давление разрежения, Па;

- эффективная мощность на валу, кВт;

7УСЖ - мощность, затрачиваемая на сжатие парогазовой смеси, кВт; 7УИЗ - мощность изотермического сжатия парогазовой смеси, кВт;

- мощность, затрачиваемая на трение в шарнирах, кВт;

7УКЗ - мощность затрачиваемая на кинематическое замыкание, кВт; /Усопр - мощность полезного сопротивления, кВт;

А^бл - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения при движении жидкости в безлопаточном пространстве, кВт;

Л^к - мощность, затрачиваемая на вращение жидкости в рабочем колесе ЖВН, кВт; ЛГг - мощность, затрачиваемая на перемещение жидкостного кольца, кВт; А^Тр - мощность, затрачиваемая на преодоление трения в сальниках и подшипниках, кВт;

Сокращения: ЖВН - жидкостнокольцевой вакуум-насос ВВН - водокольцевой вакуум-насос ЖПВН - жидкостно-пластинчатый вакуум-насос КВИС - конвективная вакуум-импульсная сушка

Параметр первой ступени имеет индекс - 1, второй ступени - 2, без индекса используются обозначения в одноступенчатом ЖВН.

10

ВВЕДЕНИЕ

Реальная необходимость удовлетворения растущей физиологической потребности населения в продуктах питания, в том числе молоке, овощах, фруктах и ягод высокого качества, получаемых в агропромышленном комплексе, объективно ставит задачу увеличения их производства.

Среди них особую роль имеют высушенные в сушилках с использованием вакуумных насосов плоды, потребность в которых значительно возрастает в связи с расширением сферы их использования, начиная от северных областей страны и заканчивая космосом (питание космонавтов).

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 25 октября 2010 г. №1873-р «Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года» установлено сформировать сбалансированный, устойчиво развивающийся сектор исследований и разработок, обеспечивающий расширенное воспроизводство знаний, конкурентоспособных на мировом рынке, прежде всего в области мобилизации биотехнологии, селекции и семеноводства, производства пищевых продуктов, обеспечивающих решение продовольственной безопасности страны.

Важное значение при этом приобретает эффективное использование потенциальных возможностей жидкостнокольцевых вакуумных насосов в технологиях сушки растительного сырья, доения коров и хранения готовой продукции.

На основании многолетних отечественных и зарубежных исследований и опыта использования вакуум-насосов в технологических процессах сушки, доения коров и хранения готовой продукции установлено, что в реальных условиях получают продукцию недостаточного качества и низкой конкурентоспособности. Необоснованное применение ЖВН при сушке приводит к получению продукции при больших затратах энергии и

длительности процесса, при доении коров из-за нестабильности вакуума - к заболеваниям животных маститом, снижению надоев молока.

Такое положение объясняется рядом объективных и субъективных причин, в т.ч. низкой технологической надежностью различных конструкций ЖВН, недостаточным обоснованием их параметров и нарушением режимов работы.

Изложенное позволяет констатировать, что разработка новых и совершенствование существующих методик расчета и создание на их базе ЖВН для технологических процессов сушки растительных материалов, хранения готовой продукции и доения коров, обеспечивающих теоретическое и практическое повышение эффективности указанных процессов, остается актуальной проблемой, решение которой внесет значительный вклад в развитие агропромышленного комплекса страны.

Цель работы - повышение производительности (быстроты действия), давления разрежения, КПД, снижение расхода жидкости и энергозатрат ЖВН при использовании их в технологических процессах сушки плодоовощного сырья, хранении готовой растительной продукции и доении коров.

Объект исследования - Технологические процессы создания вакуума при сушке растительного сырья, доении коров и хранении сельскохозяйственной продукции и средства, их обеспечивающие.

Предмет исследования - Закономерности движения жидкости и газа в ЖВН различных конструкций, влияние режимов вакуумирования на процессы сушки, хранения и доения.

Методика исследования. В методике исследований использовались общие закономерности об особенностях машинного производства и логика научного исследования.

В теоретических исследованиях использовались законы гидродинамики, теплотехники и аэродинамики. При экспериментальных исследованиях использовались общеизвестные методики, ГОСТы и ОСТы, методика планирования эксперимента, а также разработанные на их основе частные

методики. При этом использовались современные приборы и оборудование, а также новые разработанные экспериментальные установки.

Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием современных компьютерных математических программ.

Научная новизна:

1. Обоснованы конструктивно технологические схемы различных конструкций ЖВН, характеризующихся высокими удельной производительностью, надежностью, давлением разрежения, коэффициентом полезного действия и сниженными энергозатратами. Техническая новизна подтверждена 10 патентами РФ.

2. Новые адекватные физические и математические модели течения среды с учетом термодинамики газовой фазы в рабочей полости, динамики внешних процессов и конструктивных особенностей насосов для гидродинамических процессов, протекающих в безлопаточном и лопаточном пространствах ЖВН.

3. На основании разработанных моделей движения несжимаемой жидкости в зависимости от значения предельного остаточного давления и термодинамики внешних процессов предложены: методики расчета конструкций новых и модернизация существующих ЖВН.

4. Критерии и симплексы подобия оценки влияния