книги из ГПНТБ / Масликов, В. А. Технологическое оборудование производства растительных масел учеб. пособие

вала и направленный вдоль винтового канала (Qi); второй— противоток, вызываемый градиентом давления, появляющимся в результате противодавления выходящей из пресса ракушки.

Второй поток может быть разделен на несколько потоков: противоток вдоль винтового канала, вызванный градиен­ том давления (Q2) ; противоток в зазор между вершиной нитки

ивнутренней поверхностью

Так как скорости вынужденного потока Vi и противотока v2 направлены вдоль винтового канала, то будем искать решение для суммарного одномерного потока Q1,2 .

Для нахождения поля скоростей этого потока воспользуемся уравнениями Навье—Стокса и применим метод, который исполь­ зуется при изучении экструдеров, т. е. обращенное движение вин­ та и зеера. При обращенном движении, т. е. когда рассматри­ вается неподвижный развернутый виток и движущийся над ним зеер, значительно упрощаются выкладки. Из-за малой скорости движения мезги пренебрегаем массовыми и инерционными си­ лами; поэтому уравнение Навье—Стокса упростится, и для од­ номерного потока оно может быть записано в виде

где Ц] 2 — скорость результирующего потока вдоль канала витка, м/с;

р— коэффициент динамической вязкости мезги, Па-с;

р— давление, Па;

х, у, z — текущие координаты.

Начало координат выберем так, как показано на рис. V—17. При течении мезги в канале скорость d1i2 в д о л ь о с и х изменя­ ется незначительно, и снижается эта скорость только у стенок ка­ нала, т.е. при х — 0 и x = b (b — ширина винтового канала). Та­

ким образом, уравнение Навье—Стокса принимает вид

221

Интегрируя это уравнение дважды по у, получаем

Подставляя постоянные интегрирования в уравнение (V—38) „ получаем распределение скорости результирующего потока мез­ ги по глубине канала

Величина результирующего потока (в м3/с)

где F — площадь поперечного сечения винтового канала, м2.

Для определения площади поперечного сечения канала при трапецеидальной форме нитки выделим в поперечном сечении его на расстоянии у от основания полоску шириной dy. Элемен­ тарная площадь этой полоски

dF = Wx (у) dy,

где W^y)— ширина канала на расстоянии у от его основания, равная [(f—&)+ + 2 tg Рг/] -ccs а, м;

t — шаг нитки витка, м;

b—ширина нитки витка у основания, м;

р —угол наклона грани нитки, град.

Обозначим (/—fr)cos а = W — ширина канала у основания, тогда

222

Так как площадь поперечного сечения канала есть функция от у, который изменяется от 0 до h, то уравнение (V—42) можно записать в таком виде:

В формуле (V—45) первые два слагаемых являются вынуж­ денным потоком, зависящим от конструктивных размеров прес­ са, что было обозначено как Qi. Два других слагаемых пред­ ставляют противоток, обозначенный как Q2 и зависящий от гра-

dp

диента давления — , изменяющегося в зависимости от положе- dl

ния регулировочного конуса. Следовательно,

Величину противотока в зазоре между ниткой витка и внут­ ренней поверхностью зеера для экструдеров исследовал Г. Шен­ кель [53] применительно к прессованию пластмасс. Шенкель рассматривает щель, образующуюся между ниткой витка и внут­ ренней поверхностью зеера, в которую под действием градиента

давления — течет вязкая жидкость. При использовании для dl

этого случая тех же уравнений Навье — Стокса и при рассмотре­ нии их как одномерной задачи Шенкелем получено расчетное уравнение для определения величины противотока

где б — ширина зазора между вершиной нитки и внутренней поверхностью зеера, м;

а — ширина верхней части нитки, м.

2 2 3

Как уже указывалось, шаг нитки на витке выполнен не пол­ ностью; поэтому образуется угол разрыва, в который проходит часть мезги, образуя еще один противоток. Исследования В. А. Масликова и П. И. Чечевицина [54] показали, что вели­ чина этого противотока

Таким образом, производительность пресса может быть оп­ ределена по формуле (V—35), или

Так как отношение суммы противотоков к вынужденному по­ току является коэффициентом возврата Кв, то производитель­ ность шнекового пресса

q — qi (1 — Кв).

Нетрудно заметить, что коэффициент возврата состоит из

Qi

где К2 = уг~— отношение противотока вдоль винтового канала к вынужден-

Qi

ному потоку;

Qs

К3 = —“ — отношение противотока через нитку к вынужденному потоку;

VI

„<?4

д4 = —— — отношение противотока в угол разрыва нитки к вынужденному

VI

потоку.

Таким образом, каждый из этих потоков—это отношение од­ ного из противотоков к вынужденному потоку.

Если подставить в эти равенства значения соответствующих потоков, то получим расчетные уравнения для вычисления со­ ставных частей коэффициента возврата

224

В настоящее время вычислить приведенные коэффициенты невозможно из-за отсутствия таких величин, как вязкость мезги и градиент давления; однако коэффициент возврата легко опре­ деляется экспериментально-расчетным путем.

И. II. Колпаков [45] определил производительность форпрес-

п, од/чин

са ФП, работающего на подсолнечных семенах, в зависимости от частоты вращения шнекового вала при неизменной ширине вы­ ходной щели. Обработав эти данные, мы получим зависимость Кв от частоты вращения шнекового вала:

Нанося эти данные на график (рис. V—18), получаем зави­ симость Кв от частоты вращения шнекового вала. Из графика видно, что эта зависимость является линейной, параллельной оси абсцисс. Это значит, что практически Кв не зависит от часто­ ты вращения шнекового вала. Поэтому коэффициент возврата является функцией одной переменной — степени зажатия конуса,,

т. е. K„= f(6).

При исследованиях было установлено, что коэффициент возв­ рата резко изменяется при изменении ширины выходной щели. Обработка данных А. М. Голдовского для хлопковых семян, И. П. Колпакова и автора для подсолнечных семян позволила найти эту зависимость. Оказалось, что данная зависимость кри­ волинейная и представляет собой убывающую кривую, асимпто­ тически приближающуюся к оси абсцисс (рис. V—19).

Коэффициент возврата изменяется от 0,725 до 0,506 при из­ менении ширины выходной щели от 6 до 12 мм. При математи-

ческой обработке полученных опытных данных получено эмпи­ рическое уравнение для вычисления коэффициента возврата для пресса ФП

где б — ширина выходной щели, мм.

По формуле (V—33) можно определить производительность пресса по поступающей мезге; если же в это уравнение ввести выход мезги из семян, то получим производительность пресса по семенам (в кг/ч)

4 7 1 0 D3 Ln (1 — Ф) р (1 — АГВ)

где Вм — выход мезги из семян, %.

Анализируя полученное уравнение (V—33) или (V—55), мож­ но сделать несколько полезных выводов.

1. Производительность пресса изменяется в зависимости от диаметра, причем очень резко, так как диаметр входит в урав­ нение в квадрате.

2. Производительность пресса увеличивается при повышении объемной массы поступающей мезги. Обычно объемная масса подсолнечной форпрессовой мезги составляет 450 кг/м3; при предварительной подпрессовке мезги в питателе объемную массу

ееможно увеличить, что и осуществляется в прессе МПЭ-1.

3.При уменьшении коэффициента возврата производитель­ ность пресса повышается. Это может быть достигнуто при ис­ правном состоянии витков и ножей и при уменьшении выход­ ного сопротивления за счет увеличения ширины выходной щели.

4.Увеличение частоты вращения шнекового вала также по­ вышает производительность пресса. Если величину

4 7 1 0 D 3 L (1 — 4 4 Р ( 1 — У в )

Вм

из формулы (V—55) обозначим 'через а, то формула Для опре­ деления производительности пресса примет вид

Q = ап.

На графике это уравнение даст прямую, проходящую НщнД начало координат. Следовательно, производительность пресса! линейно изменяется при изменении частоты вращения вала прес­ са. В такой же зависимости находится производительность прес­ са и от объемной массы мезги и от величины (1—Д о ­

определить производительность пресса в зависимости от ко­ эффициента возврата, который непосредственно замерить невоз­

можно, трудно.; поэтому удобней пользоваться зависимостью вида

Q = /(«)■

2 2 6

Такая зависимость для пресса ФП показана на рис. V—20, где кривые производительности нанесены при различных часто­ тах вращения шнекового вала. Этот график позволяет устано­ вить производительность пресса по мезге в зависимости от ши­ рины выходной щели и частоты вращения шнекового вала.

О,

n iiu мел ги

Рис. V—20. Производительность шнекового пресса типа ФП в зависимости от частоты вращения шне­ кового вала и ширины выходной щели пресса.

Для окончательного установления режима работы пресса нужно учесть и качественную сторону процесса, т. е. масличность получаемой ракушки.

Можно рекомендовать режимы, которые обеспечивают малую частоту вращения шнекового вала и большую толщину ракуш­ ки, так как при таких режимах расход энергии на работу прес­ са наименьший.

Вообще при эксплуатации прессов производительность их мо­ жет быть изменена только путем регулирования частоты враще­ ния вала и коэффициента возврата. Остальные переменные для данной конструкции пресса являются величинами постоянными. Регулировать производительность изменением частоты враще-

кия шнекового вала следует только в крайнем случае. Объясня­ ется это тем, что при увеличении скорости вала увеличивается мощность, необходимая для работы пресса, и уменьшается вре­ мя пребывания мезги в прессе, что повышает масличность ра­ кушки.

Для уменьшения производительности пресса выгоднее изме­ нять коэффициент возврата, т. е. ширину выходной щели В этом случае время пребывания мезги в зеере увеличивается, следовательно, масличность ракушки уменьшается.

УПРУГИЕ СВОЙСТВА МЕЗГИ И РАБОТА, ЗАТРАЧИВАЕМАЯ НА ЕЕ СЖАТИЕ

При прессовании в шнековых прессах очень важно знать уп­ ругие свойства мезги, так как это позволяет определить давле­ ние, которое создается в прессе. Эти свойства мезги позволяют также определить работу, затрачиваемую при ее прессовании Упругие свойства мезги изучают по диаграммам прессования, Координатами которых являются удельное давление — степень

•сжатия. Степень сжатия е — это отношение первоначального объема мезги к конечному. Это безразмерная величина, показы­ вающая, во сколько раз уменьшился объем мезги при действии определенного удельного давления.

Изучение подобных диаграмм прессования для подсолнечной мезги [76] показало, что зависимость между давлением, которое испытывает мезга, и степенью ее сжатия при определенной тем пературе и влажности описывается уравнением степенного вида

Из этих же диаграмм установлено, что между давлением и влажностью мезги существует зависимость показательного вида

Поэтому удельное давление, влажность и степень сжатия мез­ ги связаны между собой соотношением

Зависимость между действующим удельным давлением и температурой жарения и прессования очень сложная и мало при­ годная для практического применения. С другой стороны, поль­ зоваться уравнением с четырьмя переменными опытными коэф­ фициентами (а, т, п и k) также неудобно. В связи с этим опыт­ ные коэффициенты приняли постоянными, но ввели коэффициент Ь, зависящий от влажности мезги и ее температуры жарения. В этом случае эмпирическая зависимость будет описываться уравнением (удельное давление в МПа)

2 2 8

2,526е5-5

где Е— степень сжатия мезги; w — влажность мезги, %;

е— основание натуральных логарифмов;

b—эмпирический коэффициент, зависящий от влажности мезги и темпе­

ратуры ее жарения; значение этого коэффициента находят по таб­ лице.

Из формулы (V—59) можно сделать такой вывод: поскольку между действующим удельным давлением и влажностью мезги существует убывающая функциональная зависимость, то при повышении влажности мезги для сжатия ее до определенной степени потребуется меньшее удельное давление. Иными слова­ ми, с увеличением влажности мезги упругие свойства ее умень­ шаются, а пластические свойства повышаются.

Между удельным давлением и температурой жарения мезги существует более сложная зависимость, что можно проследить по изменению коэффициента Ь, принятого при определенной влажности. Так, например, при влажности мезги да = 3,5% коэф­ фициент Ь имеет следующие значения:

Из этих цифр видно, что вначале при повышении темпера­ туры жарения мезги упругие свойства ее растут и достигают своего максимума при t — 90° С; затем упругие свойства мезги начинают быстро уменьшаться.

Эта закономерность может быть объяснена следующим обра­ зом. Видимо, при ^ = 90° С происходит наиболее полная тепло­ вая денатурация белковой части подсолнечной мезги. В резуль­ тате этого мезга приобретает наиболее высокие упругие свойст­ ва. При дальнейшем повышении температуры происходит частичное плавление наиболее простой части денатурированно­ го белкового комплекса; это и приводит к снижению упругих

свойств мезги.

Из рассмотренного материала становится очевидным, что под­ солнечная мезга, подвергающаяся форпрессованию, должна жа­ риться при 90° С, так как при прочих равных условиях это обес­ печивает наибольшее давление внутри зеерного барабана пресса.

Уравнение, связывающее действующее удельное давление и степень сжатия мезги, позволяет найти удельную работу сжатия мезги при сжатии ее до заданной степени. Для этого достаточно проинтегрировать уравнение (V—59) в пределах от первона­ чальной степени сжатия е; до конечной ег, т. е. объемная работа сжатия

2 2 9

е2

Интегрируя и подставляя предел, получим

Полученное уравнение имеет размерность МН-см/(м2-см3) ; чтобы перейти к удельной массовой единице измерения (Н-м/кг), полученную работу нужно разделить на объемную массу мезги pv и перевести см3 в м3, тогда Rcж (в Дж/кг)

Из формул (V—59) и (V—62) следует, что для определения давления внутри зеера при его работе, а также для вычисления необходимой потребной работы нужно знать степень сжатия мез­ ги в прессе.

СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ МЕЗГИ В ПРЕССЕ

Как уже отмечалось, степень сжатия — это отношение перво­ начального объема мезги к конечному, обусловленному опреде­ ленным давлением. Также известно, что мезга в шнековом прес­ се находится в свободном объеме витка, который непрерывно уменьшается, чем и создается давление на мезгу. В прессах дру­ гого типа сжатие достигается в предконусной камере за счет противодавления.

Применительно к шнековому прессу степень сжатия мезги в нем — это отношение свободного объема предыдущего витка к свободному объему последующего. Для прессов ФП и ЛЦ рас­ считанные степени сжатия приведены в табл. V—2.

Характер изменения свободного объема витков по длине шне­ кового вала характеризует правильность его конструкции и пра­ вильность размеров витков и зеерного барабана, т. е. характери­ зует вал с качественной стороны. Степень сжатия мезги, созда­ ваемая шпеком, характеризует ее с количественной стороны.

2 3 0