Сельское хозяйство/Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции

к.т.н., профессор В.С. Парфенов, к.т.н., доцент А.В. Яшин,

к.т.н., доцент В.Н. Стригин, к.т.н., доцент В.П. Терюшков

ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия

Теоретическое обоснование конструктивных параметров направляющих лопастей маслоизготовителя

Одним из наиболее важных продуктов животноводства является молоко, из которого получают такой ценный товар, как сливочное масло, для выработки которого предлагается маслоизготовитель периодического действия (рисунок 1), в котором процесс образования масляного зерна осуществляется за счет воздействия лопастей вращающихся конусов на сливки, позволяющее эффективно разрушать белковые оболочки жировых частиц и их агрегацию. Поэтому данная статья посвящена обоснованию конструктивных параметров направляющих лопаток предложенного маслоизготовителя (рисунок 1).

Рисунок 1 – Маслоизготовитель периодического действия по пат. РФ №2186487: 1 – пульт управления; 2, 8 – болты крепежные; 3 – двигатель; 4 – шкив ведущий; 5 – рама; 6 – ремень клиновой; 7 – шкив ведомый; 9 – емкость неподвижная; 10 – узлы подшипниковые; 11 – окно; 12 – лопасти; 13 – два конуса сопряженных одной поверхностью; 14 – вал приводной; 15 – стойка

Частицы сливок участвуют одновременно в двух движениях: перемещаются вдоль лопастей с относительной скоростью с, направленной по касательной к траектории или к соответствующему элементу лопасти, и вращаются вместе с колесом с переносной скоростью u, равной окружной скорости вращения колеса, направленной по касательной к его окружности. Абсолютная скорость жидкости в колесе u равна геометрической сумме этих двух скоростей и определяется как диагональ параллелограмма скоростей (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема к определению скоростей на входе и выходе частиц сливок с лопастей

Из плана скоростей на входе и выходе (рисунок 2) имеем ; , а откуда , м/с, (1)

где a₁ и a₂ – углы между абсолютными и переносными скоростями соответственно на входе и выходе сливок с лопастей, град; u₂ – переносная (окружная) скорость на конце лопасти, м/с. u_2r – радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе, м/с; u_1u и u_2u – окружная составляющая абсолютной скорости соответственно на входе и выходе, м/с; – угол установки направляющей лопасти на выходе сливок с лопастей, град.

Тогда теоретический напор для бесконечного числа лопастей с учетом основного уравнения центробежного насоса , где g – ускорение свободного падения, м/с²; примет вид , м. (2)

Если ввести обозначение и , то теоретический напор определится , м. (3)

Зависимость Н_Т¥ от b₂ можно представить так: при b₂=0⁰ Н_Т¥= –¥; b₂=90⁰ Н_Т¥= ; b₂=180⁰ Н_Т¥= +¥.

Значение b₂ соответствующее Н_Т¥=0 в выражении (3), получится равным , а само выражение (3) представлено графически на рисунке 3 из которого видно, что теоретический напор существенно зависит от угла b₂, в особенности при малых и больших значениях, приближающихся к нулю или 180⁰. Очевидно, что лопастной угол b₂ является фактором, позволяющим варьировать различные значения напора. Выясним влияние угла b₂ на статическую и скоростную составляющие теоретического напора Н_Т¥.

Рассмотрим два варианта установки направляющих лопастей (рисунок 4). Для упрощения анализа предположим, что радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе равна абсолютной скорости на входе на направляющие лопасти. Так как теоретический напор есть сумма статического и скоростного напора, тогда , м. (4)

Рисунок 3 – График зависимости

На основании принятого условия u₁=u_2r: , м. (5)

Из тригонометрического соотношения (рисунок 2) следует ; , тогда

Подставив значение в выражение (5), получим

, м. (6)

По выражению (4) статический напор определяется как разность полного и скоростного теоретических напоров:

, м. (7)

а б

Рисунок 4 – Варианты установки направляющих лопастей: а – лопасти отогнутые назад; б – лопасти отогнутые вперед

Преобразовав выражение (7) и с учетом , получим:

, м. (8)

По выражениям (6) и (8) можно построить графики зависимости полного напора и его составляющих от угла b₂. На рисунке 5 представлены графики Н_Т¥=f(b₂) и (Н_СТ)_Т¥=f(b₂), которые наглядно показывают, что уменьшение угла b₂ приводит к снижению полного напора развиваемого механизмом сбивания.

Из выражения (8) видно, что (Н_СТ)_Т¥ становится равным нулю при условии , что возможно при и . Максимум (Н_СТ)_Т¥ будет при (или b₂=90⁰). Изменение теоретического скоростного напора на рисунке 5 представлено как изменение разности ординат кривых и . Наибольшее (Н_СК)_Т¥ в случае лопастей, отогнутых вперед, будет при . При уменьшении угла b₂ теоретический скоростной напор непрерывно уменьшается, достигая значения, равного нулю, при .

Рисунок 5 – Графики зависимости полного напора и его составляющих от угла установки направляющих лопастей

Из изложенного следует, что лопасти, отогнутые вперед, передадут потоку наибольшее количество энергии по сравнению с лопастями других форм. Однако в общем количестве энергии, передаваемой такими лопастями, преобладает скоростная энергия. Напротив, в полной энергии, передаваемой лопастями, отогнутыми назад, преобладает энергия потенциальная (статический напор). Таким образом, теоретическое выражения (8) позволяет определить геометрическое положение направляющих лопастей отогнутых назад, так как в этом случае возрастают силы давления лопастей на поток сливок, что способствует более быстрому разрушению белковых оболочек жировых шариков и их последующему слипанию, то есть интенсивность образования масляного зерна возрастает.

Литература:

1. Пат. 2269890 РФ, МКИ⁸ А 01 J 15/00, А 01 J 15/02, А 01 J 15/04. Маслоизготовитель периодического действия / В.С. Парфенов, В.П. Терюшков, В.В. Коновалов. – №2000131021/13; Заявлено 13.12.2000; Опубл. 10.08.2002, Бюл. №22.

2. Рабинович, Е.З. Гидравлика / Е.З. Рабинович. – М.: Недра, 1974. – 296 с.