Теоретические и экспериментальные исследования производительности роторного кавитационного измельчителя-диспергатора кормов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические и экспериментальные исследования производительности роторного кавитационного измельчителя-диспергатора кормов

А.В. Червяков, П.Ю. Крупенин

(Поступила в редакцию 16.07.10)

Аннотация

кормовой смесь свиноводство диспергатор

В статье проведен анализ технологий приготовления жидких кормовых смесей в свиноводстве. Предложены пути снижения себестоимости кормов, повышения их качества и продуктивности животных. Получены теоретические зависимости производительности измельчителя-диспергатора от конструктивных и режимных параметров. В результате проведения экспериментальных исследований получены напорные характеристики. На основании экспериментальных данных проведен анализ влияния формы канала статора на подачу измельчителя-диспергатора.

Annotation

The article analyzes technologies of preparation of liquid fodder mixtures in pig-breeding. We have suggested ways of reducing cost price of fodder, increasing their quality and productivity of animals. We have obtained theoretical dependence of productivity of blender-disperser on constructive and operation mode parameters. On the basis of experimental data we have obtained pressure characteristics and analyzed the influence of the form of stator channel on feeding of blender-disperser.

Введение и анализ источников

Первостепенной задачей в развитии животноводства является повышение продуктивности и снижение себестоимости продукции [1]. Поставленная задача может быть выполнена посредством повышения усвояемости кормов и снижения затрат на их производство.

С целью поиска путей к снижению себестоимости кормов наше внимание было обращено на классическую технологию производства жидких кормовых смесей для свиней. В ее основе лежит технологический процесс приготовления мешанки из измельченного зернового сырья или комбикорма. В данном случае все фуражное зерно перед закладкой на хранение с последующим измельчением подвергается сушке. Операция сушки зерна является весьма энергозатратной: расход энергоносителей на 1 плановую тонну достигает 18 кг дизельного топлива или до 26 м³ природного газа [2, 3]. Таким образом, с целью экономии энергоресурсов целесообразно заменить сушку фуражного зерна на его консервирование с плющением [4].

Повышение усвояемости кормов возможно за счет их углубленной обработки, в результате которой за счет разрушения клеточных оболочек зерна и антипитательных веществ повышается доступность питательных веществ, а также происходит обеззараживание корма от патогенов и микотоксинов [5].

Вышесказанное подтверждается современными тенденциями в развитии кормоприготовительного оборудования, согласно которым интенсификация технологических процессов при приготовлении и обработке кормов должна быть направлена не только на физико-механическое преобразование материала, но и на его структурное изменение на клеточном уровне, раскрывающее природный потенциал корма.

Мировые тенденции в создании и проектировании современных машин и оборудования направлены на комбинирование нескольких технологических операций в одном устройстве [6].

В ходе анализа [7] конструкций машин и оборудования для приготовления дисперсных сред, обеспечивающих изменение как физико-механических, так и биохимических свойств материалов, было установлено, что роторные кавитационные диспергаторы являются эффективным устройством для комплексного воздействия на обрабатываемую среду. Данные устройства применяются для измельчения различных материалов в жидкости, приготовления высокодисперсных суспензий и эмульсий, интенсификации массообменных процессов, гомогенизации и обеззараживания жидкостей [6].

Основная часть

В процессе обработки зернового материала в роторных кавитационных диспергаторах обрабатываемая среда подвергается механическим, гидродинамическим и гидроакустическим воздействиям [7].

Общий вид роторного измельчителя-диспергатора кормов представлен на рис. 1.

Отличительной особенностью рабочего процесса роторного кавитационного диспергатора кормов является импульсная подача им жидкости (кормовой смеси). При вращении ротора каналы статора циклично сообщаются и разобщаются с полостью ротора.

Рис. 1. Общий вид кавитационного роторного измельчителя-диспергатора.

При совмещении каналов ротора с каналами статора (см. рис. 2) мгновенный расход жидкости через один канал определяется по зависимости [7]:

(1)

где м_имп - импульсный коэффициент расхода жидкости через канал статора; с - плотность жидкости, кг/м³; p_р^ст - статическое давление жидкости, развиваемое ротором, Па; p_о^ст - статическое давление жидкости в отводе диспергатора, Па;- площадь поперечного сечения сообщающейся части каналов ротора и статора, м².

Рис. 2. Схема к определению расхода жидкости через канал статора.

Величина определяется по зависимости:

м², (2)

Где h_c - высота канала статора (см. рисунок 1), м.

С учетом того, чтофункция расхода dQ/dt примет вид:

(3)

где щ - угловая скорость вращения ротора, с-¹; R₂ - наружный радиус ротора, м.

В результате интегрирования зависимости (3) получим:

(4)

где С₁ - постоянная интегрирования.

При перекрытии канала статора расход жидкости в нем обеспечивается за счет утечек в кольцевом зазоре между ротором и статором (см. рис. 2.1). Транзитный (минимальный) расход жидкости определяется из уравнения Бернулли для потока реальной жидкости с учетом местных гидравлических сопротивлений [7; 8]:

м³/с, (5)

где а_р, а_с - ширина каналов ротора и статора, м; h_p, h_c - глубина каналов ротора и статора, м; д - радиальный зазор между ротором и статором, м;- коэффициенты гидравлических сопротивлений соответственно на входе, двойном повороте и выходе из модулятора, [9].

Таким образом, начальными условиями при определении величины С₁ будут t₀ = 0, Q₀ = Q_min. Согласно обозначенным условиям величина С₁ = Q_min и зависимость расхода жидкости через один канал статора примет вид:

м³/с. (6)

Для определения средней подачи диспергатора необходимо определить объем жидкости V_ц, протекающей через канал статора за один рабочий цикл, состоящий из нескольких этапов: открытие V_ц1, закрытие V_ц2 и полное перекрытие канала статора V_ц3.

Объем жидкости V_ц1 и V_ц2, протекающий через канал статора при его открытии или закрытии, можно определить путем интегрирования выражения (6) по времени t:

м³, (7)

где С₂ - постоянная интегрирования.

При начальных условиях t₁ = 0, V₁ = 0 величина С₂ = 0, тогда

м³. (8)

Расход жидкости через канал статора увеличивается от Q_min при до Q_max при времени (полное открытие канала), а затем обратно снижается до Q_min при времени (полное закрытие канала).

Суммарный объем жидкости, проходящей за цикл через один канал статора, равен

м³, (9)

гдеV_ц1, V_ц2 - объем жидкости, проходящий через канал статора за время его открытия и закрытия соответственно, м³; V_ц3 - объем жидкости, протекающий по зазору между ротором и статором за отрезок времени, когда канал статора полностью перекрыт, м³.

Объемы жидкости V_ц1 и V_ц2, проходящие за этапы открытия и закрытия канала статора, определяются по зависимости:

м³. (10)

Объем жидкости V_ц3, протекающий по зазору между ротором и статором за отрезок времени, когда канал статора полностью перекрыт, определяется по зависимости:

м³, (11)

где t_пер - продолжительность полного перекрытия канала статора, с.

Величина t_пер определяется из общей продолжительности рабочего цикла t_ц канала статора:

с, (12)

где z_p - количество каналов в роторе.

С учетом того, что время открытия канала статора равно времени его закрытия и составляет , величина t_пер определится в виде:

с. (13)

С учетом зависимостей (10-13) суммарный цикловой объем жидкости, проходящий через один канал статора, определится в следующем виде:

м³. (14)

Зная объем жидкости, проходящий за один цикл через канал статора, а также количество каналов ротора и статора, можно определить среднюю подачу диспергатора:

м³/с, (15)

где f_ц - частота циклов открытия-закрытия каналов статора, с-¹; z_c - количество каналов статора.

В зависимость (14) входит величина статического давления жидкости, развиваемого ротором диспергатора р_р^ст. Абсолютное гидростатическое давление, развиваемое насосным колесом (в данном случае - ротором) с бесконечным числом лопастей, определяется по уравнению Эйлера [10]:

Па, (16)

где R₁ - внутренний радиус ротора, на котором расположены лопатки, м;- абсолютное гидростатическое давление в подводе диспергатора, Па; з_г - гидравлический к.п.д., учитывающий циркуляцию жидкости между областями нагнетания и всасывания, возникающую вследствие негерметичности торцевого уплотнения ротора. Для современных центробежных машин з_г = 0,80-0,96 [10]; k_л - поправочный коэффициент, учитывающий конечное число лопастей. В расчетах принимается k_л ? 0,8 [10].

Величина статического давления жидкости в отводе диспергатора р_о^ст, входящая в состав выражения (14), при работе диспергатора на бак определяется разницей высоты установки диспергатора и оборотной емкости, а также потерями давления на трение кормосмеси о стенки трубопровода и на преодоление местных гидравлических сопротивлений.

С целью определения правильности теоретических исследований и принятых допущений, проведены экспериментальные исследования влияния р_о^ст на подачу диспергатора Q_ср в зависимости от конструктивных (форма каналов статора) и режимных (частота вращения ротора) параметров. Теоретические и экспериментальные напорные характеристики диспергатора показаны на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость средней подачи диспергатора Q_ср от статического давления в отводе р_о^ст при расширяющимся на угол 24° канале статора (h_c = 0,06 м; a_c = 0,018 м; з_г = 0,9; k_л = 0,8; R₁ =0,045 м; R₂ =0,152 м; z_p=20; z_c= 1).

Как видно из графика на рис. 3, диспергатор имеет падающую зависимость подачи от противодавления, характерную для центробежных насосов, при этом максимальная подача достигается при минимуме противодавления.

Оценку влияния формы канала статора на среднюю подачу диспергатора можно провести по значению импульсного коэффициента расхода м_имп. Экспериментально полученные графические зависимости коэффициента м_имп от формы канала статора и продолжительности рабочего цикла t_ц представлены на рис. 4.

Рис. 4. Экспериментальная зависимость коэффициента расхода м_имп от формы канала статора и продолжительности рабочего цикла t_откр+t_закр.

Анализируя графические зависимости на рисунке 4, можно сделать следующие выводы: 1) коэффициент расхода для прямого и расширяющегося каналов статора увеличивается до t_откр+t_закр = 1,6 мс, а затем наступает его снижение, объясняемое переходом резонансной зоны; 2) коэффициент расхода для сужающегося канала статора увеличивается с увеличением продолжительности рабочего цикла (снижением частоты вращения ротора). На основании вышесказанного для оптимизации производительности диспергатора в интервале продолжительности рабочего цикла от 0,8 до 1,6 мс рекомендуется выполнять статор с расширяющимися в сторону корпуса каналами, при t_откр+t_закр от 1,6 до 2,1 мс - с прямыми каналами и при t_откр+t_закр > 2,1 мс - с сужающимися на угол 12° каналами статора.

Заключение

1. В результате анализа литературных источников установлено, что роторные кавитационные диспергаторы-измельчители обеспечивают комплексное воздействие на обрабатываемую среду, изменяя ее физико-механические и биохимические свойства.

2. В ходе теоретических исследований рабочего процесса кавитационного роторного измельчителя-диспергатора получены зависимости, связывающие производительность устройства с его конструктивно-режимными параметрами.

3. Экспериментальные исследования рабочего процесса кавитационного роторного диспергатора-измельчителя подтверждают адекватность полученной теоретической модели. На основании экспериментальных данных с целью повышения производительности устройства выработаны рекомендации по конструированию каналов статора в зависимости от продолжительности рабочего цикла.

Литература

1. Государственная программа возрождения и развития села на 2005-2010 годы: Указ Президента Респ. Беларусь, 25 марта 2005 г., №150 // Официальный интернет-портал Президента Республики Беларусь [Электронный ресурс]. 2005. Режим доступа: http://www.president.gov.by//press23870.html. Дата доступа: 05.02.2008.

2. Вальцовые мельницы Murska // Aimo Kortteen Konepaja [Электронный ресурс]. 2008. Режим доступа: http://www.murskabiopacker.fi/ru. Дата доступа: 20.03.2009.

3. Зерносушилки А1-ДСП-50, ДСП-25, ДСП-20, ДСП-10 // ЗАО «Агромаш» [Электронный ресурс]. 2004. Режим доступа: http:// www.agromash-nn.ru /prod/zerno_sush/stats / Дата доступа: 20.03.2009.

4. Червяков, А.В. Технологические исследования процесса приготовления диспергированных кормовых смесей на основе плющеной кукурузы / А.В. Червяков, П.Ю. Крупенин // Ресурсосберегающие технологии и инновационные проекты в АПК: материалы Междунар. научно-технической конф., Зерноград, 14-15 апреля 2009 г. / ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 2009. С. 83-97.

5. Шаршунов, В.А. Биохимические и биофизические предпосылки для внедрения технологий углубленной переработки сырья при производстве комбикормов / В.А. Шаршунов, А.В. Червяков, С.В. Курзенков [и др.] // Известия Академии аграрных наук Республики Беларусь. 1999. №2. С. 6-10.

6. Промтов, М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества / М.А. Промтов. М.: Издательство машиностроение-1, 2004. 136 с.

7. Червяков, А.В. Теоретические исследования процесса измельчения зерновой массы в насосах-диспергаторах кавитационного типа / А.В. Червяков, П.Ю. Крупенин, А.С. Циркунов // Инновационные технологии для АПК России: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Зерноград, 14-15 мая 2008 г. / ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 2008. С. 36-51.

8. Агроскин, И.И. Гидравлика / И.И. Агроскин, Г.Т. Дмитриев, Ф.И. Пикалов. Л.: Энергия, 1964. 352 с.

9. Чугаев, Р.Р. Гидравлика / Р.Р. Чугаев. Л.: Энергия, 1975. 600 с.

10. Черкасский, В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: учебник для теплоэнергетических специальностей вузов / В.М. Черкасский. М.: Энергоатомиздат, 1984. 416 с.

Размещено на Allbest.ru