Повышение эффективности рабочего процесса ва­куумного насоса доильной установки за счет оп­тимизации его конструктивных и технологических

На правах рукописи

Пяткин Дмитрий Борисович

Повышение эффективности рабочего процесса

ва­куумного насоса доильной установки за счет

оп­тимизации его конструктивных и

технологических параметров

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург-Пушкин

2007

Работа выполнена в Великолукской государственной сельскохозяйствен­ной академии на кафедре «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вагин Борис Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Керимов Мухтар Ахмиевич

кандидат технических наук, профессор

Хилков Николай Валентинович

Ведущая организация: ГНУ «Северо-Западный научно-

исследовательский институт

механизации и электрификации

сельского хозяйства»

Защита состоится «_24 »_апреля_2007 г. в _13 ч._30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 Санкт-Петербургского государственного аграрного университета по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, СПбГАУ, ауд. 2.719

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан «_19_»___марта___2007 года

Автореферат размещен на сайте http://spbgau.spb.ru/disser/news.shtml

«___» ___марта__ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Сковородин В.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Важным фактором при повышении эффективности работы доиль­ных машин и технологии доения в це­лом является поддержание постоян­ства ваку­умного режима в технологических линиях доильных установок различных мо­дификаций. Анализ научных работ отечественных и зару­бежных исследовате­лей показал, что в результате несоблюдения заданных параметров вакуумного режима в молочных линиях возрастает количество заболеваний коров масти­том, нарушается ра­бота аппаратов и других узлов доильных установок, снижа­ется производительность труда операторов и продуктив­ность животных. Ра­бота доильных аппаратов без нарушения нормальных физио­логических процессов у жи­вотных возможна только при определенном раз­режении, характерном для каждого из них. Согласно ус­тановленным зоо­техническим нормам, ве­личина разрежения в доильном аппарате должна находиться в пределах 42…53 кПа, колебания вакуум­метриче­ского давления в любой точке вакуум­провода не более 3 кПа.

Стабильность и величина рабочего разрежения, требуемый расход воздуха для работы современных доильных установок определяется рабо­чими параметрами вакуумного насоса и, в первую очередь, его объемной производительностью.

Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима, а также повышения эффективности процесса доения воз­никла потребность в дальнейшем совершенствовании вакуумных насосов и улучшении показа­телей их работы.

Цель настоящего исследования - повышение эффективности ва­ку­умного насоса за счет совершенствования конструк­тивно-технологической схемы и оптимизации его параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

• произвести анализ технических средств для создания разрежения в доильных установках;
• обосновать наиболее перспективную и рациональную конструктивно-технологическую схему насоса, применительно к насосным станциям современных доильных установок;
• выявить оптимальные параметры и режимы работы вакуумного насоса;
• установить основные теоретические зависимости для определения режимных и конструктивных параметров;
• провести экспериментальные исследования для изучения комплексного влияния основных факторов на выходные параметры
• дать технико-экономическую оценку процесса оптимизации конструктивно-технологических параметров насоса

Объект исследования - ротационный пластинчатый вакуумный на­сос доильной установки.

Предмет исследования - процесс работы ротационного вакуумного на­соса при различных конструктивно-технологических параметрах.

Методика исследования. В работе использованы аналитический, экс­периментальный и расчетно-конструктивный методы.

Аналитический метод включал изучение технологического про­цесса с применением методов аналогового моделирования, классической механики, термодинамики, системы программных средств ПК.

В экспериментальных исследованиях использовались методы физи­че­ского моделирования для проверки теоретических положений и выво­дов.

Результаты исследования обрабатывались с применением извест­ных ме­тодов математического анализа с использованием программных средств ПК.

Научная новизна. На основании аналитических исследований полу­чены расчетные зависимости для определения объемной подачи и по­требной мощности ротационного вакуумного насоса с учетом изменения коэффици­ента подачи и проводимости входного элемента. В результате исследований обосно­ваны основные конструктивные и режимные пара­метры вакуумного насоса и получены аналитические зависимости для оп­ределения степени влияния основ­ных факторов на показатели работы на­соса. Указаны пути уве­личения произво­дительности и снижения потреб­ной мощности привода си­ловых станций и обеспечения постоянства ваку­умного режима доильных ус­тановок. Построена математическая модель газодинамических процессов.

Практическую ценность представляют:

— Усовершенствованная методика расчета конструктивно-техноло­ги­ческих параметров ротационного вакуумного насоса;

— Математическая модель процесса откачки воздуха вакуумным на­со­сом;

— Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-технологической схемы;

— Обоснованная конструктивно-технологическая схема вакуум­ного на­соса;

— Результаты энергетической и экономической оценки исследуе­мого объекта.

Реализация результатов исследований.

Разработанные методы расчета и определения конструктивных и тех­но­логических параметров исследуемого вакуумного насоса использу­ются в учеб­ном процессе кафедры при подготовке лабораторных работ по дисцип­лине «Механизация животноводства».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены, обсуж­дены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподаватель­ского со­става, аспирантов и научных сотрудников СПбГАУ, (г. Санкт-Пе­тербург-Пуш­кин), Великолукской ГСХА (г. Великие Луки) и дру­гих ВУ­Зов в 2003 – 2007 г.

Публикация.

По материалам исследований опубликовано три печатные ра­боты, одна из которых в журнале "Сельский механиза­тор".

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка ис­поль­зуемой литературы и приложений, изложенных на 144 страницах ма­шинопис­ного текста, в том числе 38 рисунков и 32 таблиц. Список исполь­зуемой лите­ратуры включает 116 наименований, в том числе 6 – на ино­странных языках. Имеются 22 приложения на 22 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цель работы, ее краткая характеристика, новизна и значимость результатов для науки и практики.

В первой главе «Общая характеристика изучаемого вопроса» пред­ставлена краткая классификация вакуумных насосов, рассмотрены их ос­новные параметры и характеристики, выполнен анализ существующих схем вакуумных насосов, и анализ научных исследований по повышению эф­фектив­ности их работы, ставятся цель и задачи исследования.

Исследованию рабочего процесса ва­куумных насосов для создания методики расчета, обоснования конструктивных и технологи­ческих параметров, посвящены работы М.А. Ошерова, Б.С. Фотина, Ю.В. Пешти, В.И. Ардашева, П.В. Сидоренко, И.Н. Краснова, В.И. Квашенни­кова, Л.П. Карташова, Б.И. Королева, В.И. Кузнецова, Л.Н. Розанова, Е.С. Фролова, И.В. Автономова, С.Е. Захаренко, В.А. Румянцевой, А.Г. Голо­винцева, Б.В. Канторо­вича, В.Е. Лисичкина, В.И. Хлумского, Н.И. Мжель­ского, Н.А. Яковенко, А.И. Оберемченко, А.П. Гукова, И.Е. Волкова и дру­гих. В своих трудах учеными было отведено зна­чительное место принци­пам построения ва­куумных систем и их расчету, дано описание методов измерения потока разре­женных газов, а также даны рекомен­дации по при­менению насосов наиболее совершенной конструкции, по их пра­вильной эксплуатации и их прочностной расчет.

В результате анализа потенциальных возможностей методов и тех­ни­ческих средств создания разрежения установлено, что наиболее распро­стра­ненными и перспективными в настоящее время являются ротационные ваку­умные насосы пластинчатого типа. Насосы данного типа отличаются простотой конструкции и технического обслуживания, быстроходностью, хорошей уравно­вешенностью и плавностью работы. Между тем, широко известно, что боль­шинство этих машин недостаточно надежны в эксплуа­тации и зачастую работают с пониженной производительностью. К недос­таткам таких насосов можно отнести сравнительно низкий ме­ханический к.п.д., повышенную чувствительность к нарушению нормальных зазоров, несовершенность системы смазки, повышенный уровень шума, износ пла­стин из-за нагрева и трения.

Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима воз­никла потребность в дальнейшем совершенствовании пластинчатых ваку­умных насосов и улучшении показателей их работы.

Из всего сказанного следует, что в ходе исследований процесса соз­дания разрежения в современных доильных установках, разработок новых конструктивных схем и методик расчетов, остались нерешенными сле­дующие вопросы:

• Необходима более обоснованная методика расчета вакуумных систем, описы­вающая все процессы, происходящие при ее работе и учиты­вающая все необходимые параметры;
• Требуется дальнейшее изучение и совершенствование перспек­тивных конструктивно-технологических схем насосов.

В конце главы поставлена цель настоящего исследования и для ее решения определены основные задачи.

Во второй главе «Теоретическое исследование процесса создания разрежения вакуумным насосом» обоснованы предпосылки, положенные в основу исследований.

В главе изложены основные результаты теоретического исследова­ния влияния параметров воздухораспределения на механические и энерге­тические показатели. В качестве исследуемых факторов были вы­браны: площадь сечения впускных окон, форма впускных окон и частота вращения ротора насоса. За основные критерии оптимизации приняты: производительность, потребная мощность, разрежение в системе и коэф­фициент подачи насоса.

Расход сжатого воздуха зависит от формы и площади сечения впу­скного окна, однако здесь важна количественная сторона. Неверно вы­бранная фаза воздухораспределения, форма и сечение впуск­ных окон и патрубков отрицательно сказываются на рабочем процессе насоса, темпе­ратурном ре­жиме и избыточном давлении в выходном сечении насоса.

Основной характеристикой любого вакуумного насоса является его объ­емная производительность, которая зависит от коэффици­ента наполне­ния вса­сывающей камеры (по­дачи) и вычисляется по формуле

, (1)

где - коэффициент подачи насоса;

Vг – геометрическая производительность насоса, м3/ч.

Геометрическая производительность вакуумного насоса Vг зависит от конструктивных параметров и час­тоты вращения ротора. Ее можно оп­ределить из выражения

, (2)

где е – эксцентриситет насоса, м;

L – длина цилиндра, м;

D – диаметр цилиндра, м;

z – число пластин;

n – частота вращения ротора насоса, мин-1;

- толщина пластины, м.

Коэффициент наполнения (подачи) всасывающей камеры насоса за­висит от ее конструктивного исполнения и степени повыше­ния давления в выходном сечении. Согласно Н.И. Мжельскому его можно опреде­лить из уравне­ния среднего коэффициента подачи или по фор­муле

, (3)

где рн – давление нагнетания, кПа;

рвс. – давление всасывания, кПа;

K1=0,1 для машин малой производительности;

K1=0,05 для машин большой производительности.

В вакуумной технике, рассматривается не­сколько ре­жимов течения газа. В нашем случае состояние воздуха, определяемое критерием Кнуд­сена () соответствует низкому вакууму. Исходя из этого условия был рассмотрен вязкостный режим.

Основным параметром любого проводящего элемента вакуумной сис­темы является его проводимость U, зависящая от степени вакуума.

В первом случае, в качестве отверстия рассмотрен отрезок трубо­провода, при l 0,01d. Трубопровод расположен в стенке, разделяющей бесконечно большие объемы (рисунок 1 а).

Для данного случая на основании уравнения сохранения энергии получено окончательное выражение для определения проводимости Uо.вяз. в ус­ловных единицах массы Пам3/с

(4)

где Q – поток воздуха, м/с

p1 и p2 – давление воздуха до и после отверстия, Па;

n - показатель адиабаты (для воздуха n = 1,4);

A - площадь сечения отверстия м2;

R – универсальная газовая постоянная, R=8,31 кДж/(кмольК);

Т – температура воздуха, К.

Отношение (p2/p1) заранее неизвестно и расчет ведется методом по­следовательных приближений. При проектировочном рас­чете с большим запасом можно принять, в первом приближении, что Uо..вяз.=200А.

Рассмотрим второй случай истечения воздуха через впускное от­верстие между бесконечно большим и ограниченными объемами (рисунок 1б). Входной элемент в этом случае должен с точки зрения II закона тер­модинамики иметь одинаковую проводимость при течении воздуха в обоих направлениях. Проводимость отверстия определяется исходя из

. (5)

Вышеизложенная методика по определению проводимости впуск­ных отверстий вакуумных насосов, не учитывает их геометрическую форму.

Характер газодинамических процессов, происходящих при всасы­вании зависит не только от площади сечения впускного отверстия, но и от формы. Для этого ограничимся рас­смотрением впускного элемента ваку­умного насоса с круглым попе­речным сече­нием радиусом Rотв. и толщиной стенки l.

При стационарном потоке воздуха (м/с), образо­ван­ного на ра­диусе r прира­щением dr (рисунок 2) существует равновесие движущей силы называемой разностью давлений Fд1, а также силы внутреннего тре­ния Fтр.2.

На основании условия равновесия , где – ко­эффициент динамической вязкости (для воздуха ) можно вывести зависимость для определения проводимости данного эле­мента в следующем виде

. (6)

Впускной элемент вакуумного насоса можно отнести к короткому тру­бопроводу, длиной , где Re – число Рейнольдса. Проводи­мость такого элемента следует определять из выражения

. (7)

Проводимость некруглых элементов, сечение которых отличается от круглого, определяют по эмпирическим зависимостям.

Для элементов прямоугольного сечения, где стороны a b; сечения с равносторонним треугольником и эллиптического сечения можно запи­сать соответственно

, (8); , (9)

, (10)

где а и b - стороны прямоугольника, треугольника, меньшая и большая оси эллипса, м;

– эмпирический коэффициент, зависящий от a/b.

В ходе дальнейших теоретических исследований были получены выражения, по определению коэффициента подачи и производительности насоса в зависимости от проводимости впускного элемента

, (11); , (12)

где p1 – давление в доильном аппарате, кПа.

Для более детального изучения процессов воздухораспределения, введена промежуточная величина, характеризующая степень наполнения воздухом ячейки, ограниченной двумя соседними пластинами - коэффици­ент заполнения.

Данный параметр можно выразить, учитывая молярный объем из уравнения Ван-дер-Ваальса. Для сжатого воздуха с учетом содержания мелкодисперсной масляной пыли и углекислого газа значение коэффици­ента можно записать как

, (13)

где V - общий объем (объем межпластинчатой камеры), м3;

- число молей воздуха, кмоль;

b - наименьший объем до которого можно сжать газ (постоянная Ван-дер-Ваальса), см3/кг.

Число молей воздуха можно также выразить из уравнения Кла­пейрона .

Давление воздуха в ячейке в зависимости от угла поворота ротора pя можно определить из выражения

, (14)

где рсж. – давление газа в начале сжатия, принимается равным дав­лению вса­сывания, Па;

Sяч.max – максимальная площадь ячейки, м2;

Sяч. – площадь ячейки при угле поворота , м2;

S – отклонение площади (поправка);

– показатель политропы.

Максимальная площадь ячейки Fяч.max насоса УВД10.000 с танген­циаль­ным расположе­нием пластин определяется из условия

, (15)

где – текущий радиус вектор, м;

– угол поворота ротора, град;

– угол между двумя соседними

пластинами, рад;

r – радиус ротора, м.

Площадь Sн – поперечного сечения ячейки с наклонными пласти­нами, ограниченная площадью фигуры С1B1B2C2 (рисунок 3).

, (16)

где .

Площадь поперечного сечения ячейки F при угле поворота ротора может быть определена по формуле

, (17)

где - относительный эксцентриситет , м.

Максимальный объем ячейки (м3), ограниченной двумя пластинами найдем по формуле

. (18)

Быстроту действия вакуумного насоса можно также определить как

. (19)

Согласно выражениям (13), (18) и (19), можно получить зави­симость, свя­зывающую быстроту действия и коэффициент заполнения межпластинчатой камеры

. (20)

Из анализа полученных зависимостей видно, что эффективное функционирование ротационных ваку­умных насосов доильных установок, их динамика и энерге­тические показатели во многом зависят от парамет­ров и режимов воздухорас­пределения, в частности, от формы и сечения впускных окон.