книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

переменные величины, характеризующие работу установки

[97].

При испытании насосов на различных режимах работы в общем случае измеряются: геометрические размеры; массовый расход М(р, п)(кг/с); давление на выходе из насоса р (Па), частота вращения ротора насоса п, мощность на валу электро­ двигателя в рабочем режиме (кВт) по ваттметру с учетом к., п. д. двигателя при различной загрузке; мощность на валу двигателя на холостом ходу (кВт) при той же частоте вращения; мощность, теряемая в приводе к насосу (редуктор, шестерни и пр.), изме­ ряется отдельно при снятых соединительных муфтах к рабочим органам; ее вычитают из двух найденных выше и получают мощ­ ность рабочего /Vp.x и холостого Nx.x ходов на валу насоса (во всех формулах имеются в виду именно эти мощности).

Измеренные величины позволяют рассчитать следующие показатели: по геометрическим размерам — теоретическую про­ изводительность — /Итеор, по мощности рабочего и холостого хода — мощность на валу насоса, которая затрачивается на преодоление гидравлических потерь в насосе, обеспечение об­ ратного перепуска и создание напора продукта на выходе из насоса:

По давлению и производительности — мощность, передавае­

По полезной и затраченной мощности определяется полный к.п.д. насоса, который учитывает все потери и характеризует степень совершенства машин:

Частные к.п.д. характеризуют соответствующие стороны работы вытеснителя. Объемный к.п.д. учитывает обратный пе­ репуск продукта, утечки и пр.

Гидравлический к.п.д. учитывает потери давления (Ар) на трение, местные сопротивления и течение продукта внутри

170

вытеснителя; эти потери трансформируются в тепловую энер­ гию и могут быть измерены по перепаду температур до и после насоса:

Механический к.п.д. учитывает потери в сопряженных де­ талях вытеснителя: в подшипниках, между ротором и корпу­ сом и пр.

Иногда вводят понятие индикаторного к.п.д.: К1тд— KvKr, Вычисленные таким образом характеристики представле­ ны на соответствующих графиках и являются окончательными результатами экспериментов. Они пригодны как для анализа работы насосов, так и для их расчетов с помощью обычных за­

висимостей.

Следует отметить, что определение частных к.п.д. довольно затруднительно и они не имеют решающего значения. В прак­ тике испытания насосов обычно ограничиваются отысканием общего к.п.д. и его исследованием.

В соответствии с общими положениями, приведенными выше, были испытаны три типа насосов, распространенных в колбасного производстве: эксцентриково-лопастной, двухвинтовой и ротор­ но-поршневой (см. рис. 48).

Теоретическую производительность Л4теор (кг/с) рассчиты­ вают по геометрическим размерам [89]:

6 — толщина лопатки (0,007 м); Ь — ширина ротора, лопатки (0,124 м).

По действительному расходу, измеренному объемно-весо­ вым методом, определяется средняя скорость течения фарша по трубе. Графические зависимости р(1), являясь прямыми по длине трубы, позволили экстраполировать величины давлений к выходному отверстию из насоса, т. е. получить средние их значения на выходе из камеры нагнетания.

По экспериментальным данным определены зависимости между массовым расходом, мощностью, развиваемой при вытес­

171

нении фарша, и давлением на выходе из камеры нагнетания. С увеличением давления до некоторого предельного значения, которое зависит от величины зазора между лопаткой и корпу­ сом, М = 0;у исследованного насоса рпреА—‘5,96 -105 Па, /Упред = = 1,825 кВт. У того же насоса после смены лопаток (величины зазоров около 0,2 мм) рпред увеличилось до 12-105 Па.

При р .= 0 (1 = 0) расход достигает максимального значе­ ния: М0 « 1,2 кг/с при минимальной N0 = 0,34 кВт, Просачи­ вание фарша через зазоры практически отсутствует, а мощность расходуется на преодоление внутренних сопротивлений и созда­ ние скорости истечения. Разница в значениях между теорети­ ческим расходом Мтсор = 1,76 кг/с и расходом при р = 0 (Л40) дает представление о степени заполнения фаршем межлопа­ точных пространств, которая у исследуемого фаршенасоса около 0,68. Кратность величины М иМ 0 характеризует процент­ ное соотношение «перепуска» фарша из зоны нагнетания в зо­ ну всасывания.

Полезную мощность, развиваемую насосом, вычисляли с учетом полученных экспериментальных данных по формуле (I—146). Поскольку известна мощность на валу насоса, расчет общего к.п.д. выполнили по уравнению (I—147). Вычисление объ­ емного и механического к.п.д. также не представляет затруднений.

Анализ зависимостей экспериментальных данных показы­ вает, что оптимальный диапазон давления для вытеснителя око­ ло 2,8 • 105 Па. При работе с высокими давлениями понижается К, вытеснитель работает «на себя», что приводит к интенсивному перетиранию фарша и быстрому износу рабочих органов в первую очередь поверхности кулачок-лопатка. Оптимальному давлению соответствует оптимальная производительность око­ ло 0,95 кг/с. В таком режиме фаршенасос может перекачивать фарш на расстояние до 6 м. Максимальное значение К достигает 17,2 %, а /(„ид 27,5%. Величина Kv зависит от давления нагне­ тания и изменяется от 68% при свободном истечении фарша до 0, при р — до 6 • 105 Па. Все характеристики зависят от степе­ ни износа рабочих органов фаршевого насоса и меняются в про­ цессе работы в весьма значительном диапазоне. Известно, что «перепуск» внутри насоса прямо пропорционален величине зазора в третьей степени между ротором и корпусом и обратно пропорционален величине плоскости их сопряжения в первой степени. Сопряжение лопаток эксцентриково-лопастных насо­ сов с корпусом осуществляется по небольшим поверхностям при существенной величине зазора, что и обусловливает неудов­ летворительную работу в области высоких давлений. Для оцен­ ки влияния на к.п.д. величины зазоров предложен специальный критерий [144], который, однако, учитывает пульсацию и пере­ пуски только для ньютоновских жидкостей.

172

Перепуск фарша через зазоры влияет на его реологические свойства, которые были исследованы как функция этой величи­ ны для того же насоса после смены лопаток (зазоры уменьшены до 0,2 мм). С увеличением давления величины реологических свойств возрастают, что может быть обусловлено механической деструкцией тканей мяса. Следовательно, перетирание и пере­ пуск фарша обнаруживаются не только прямыми измерения­ ми по производительности, но и косвенными —-по изменению величины реологических свойств (рис. 49, /).

Рис. 49. Зависимость изменения структурно-механических свойств фарша от давления нагнетания, развиваемого:

Таким образом, проведенные испытания показали весьма низкие значения к.п.д. исследованного насоса (15—20%), испытания таких насосов в качестве шприцев также показали их неудовлетворительную работу. Оптимальный режим работы насоса данного типоразмера: производительность 0,7—1,0 кг/с,

[93 ].

Теоретическая производительность насоса определяется по его геометрическим размерам:

173!

^ т е о р — 240 = 3,9 • 10- 3/1, (1— 149)

Основные показатели работы насоса при различных числах оборотов приведены в табл. 49. Измерение и расчет мощности и к.п.д. были выполнены по приведенной выше методике. Полученные характеристики для двухвинтового фаршенасоса типичны для ротационных насосов.

Т а б л и ц а 49

Величина показателей при час­ тоте вращения ротора, об/мин

Зависимость секундной производительности от давления и частоты вращения ротора насоса представляет собой криволи­ нейную поверхность, ее пересечение с плоскостью р — п вы­ ражает зависимость предельного давления от частоты вращения ротора рПред (л), когда М — 0. Например, при п — 1110 и дав­ лении в камере нагнетания р = рпред = 14-105 Па вытеснитель практически начинает работать «на себя», т. е. весь фарш, захваченный винтами, просачивается из камеры нагнетания в зону всасывания через зазоры между рабочими органами. Предельному давлению соответствуют предельные значения мощности. При свободном истечении фарша производительность вытеснителя имеет максимальную величину при минимальной мощности. Однако понятие «свободное истечение» для этого насоса условно, поскольку торцовая крышка с.патрубком созда­ ет существенное сопротивление: расчет давления на конце вин-

.тов по мощности свободного истечения (см. табл. 49) дает вели­ чину около 20-105 Па для всех частот вращения ротора. Эта величина давления эффективная, она учитывает механическое трение, сопротивление структуры фарша, обратный перепуск и пр. В названном режиме объемный к.п.д. остается практически

174

•неизменным (см табл. 49). Низкое значение к.п.д. объясняется ■наличием зазоров до 1 мм между винтами и статором и между винтовыми поверхностями. Большие зазоры обусловлены как сложностью изготовления рабочих поверхностей, так и быстрым их износом. У торцовой крышки валы винтов помещены в кони­ ческие подшипники скольжения, большие распорные усилия между винтами при вытеснении «защемленного» объема способствуют быстрой «выработке» подшипников и, следователь­ но, износу винтов.

При увеличении частоты вращения при малых давлениях производительность растет быстрее, чем мощность. Когда дав­ ление приближается к предельному значению, темп нарастания мощности опережает увеличение производительности, что ока­ зывает влияние на к.п.д. вытеснителя, который резко умень­ шается, приближаясь к нулю.

Повышение давления в нагнетательной линии сопровождает­ ся мятием и перетиранием фарша. Эти процессы ведут к рас­ щеплению и «размочаливанию» волокон и частиц и возрастанию численных значений структурно-механических свойств. Более продолжительное и интенсивное механическое, а следователь­ но, и тепловое воздействие на фарш приводит к глубоким из­ менениям его структуры; при этом темп разрушения структуры увеличивается, а реологические свойства фарша уменьшаются. В данном случае критическим является давление 8-105 Па, при превышении которого процессы ослабления прочности струк­ туры становятся преобладающими. При испытании других на­

-В процессе работы он интенсивно мнет и перетирает фарш, из­ меняя его структуру и реологические свойства. В определенной мере целесообразно использовать насос для перекачки продук­ тов, которые требуется перетирать или пластифицировать. Оптимальный режим работы насоса данного типоразмера: производительность 1,3—1,6 кг/с, давление (5-^8) • 105 Па, частота вращения ротора п = 800-Ч-950, к.п.д. 0,12— 0,14.

Испытания роторно-поршневого насоса [3] были произведе­ ны в производственных условиях [90].

Испытания насоса на фарше вареных и копченых колбас (в том числе со шпиком) показали, что «мятие» и перетирание его практически отсутствуют (рис. 49, III).

Графо-аналитической обработкой экспериментальных дан­ ных были получены основные зависимости работы роторно­

.175

поршневого фаршевого насоса, развернутые в пространствен­ ных координатах по давлению и частоте вращения. На рис. 50, а представлена расходная характеристика, которая описывает­ ся уравнением

Линии Г —1", 2'—2 " и т. д. выражают зависимость М(р) при п = const, пересекающие их кривые дают зависимость М (п)

Рис. 50. Зависимость массовой производительности (а) и общего к. п. д. (б) роторно-поршневого насоса от час­ тоты вращения роторов и давления нагнетания.

176

при постоянном давлении на выходе из камеры нагнетания. Кривая М(п) при р 0 получена при свободном истечении фарша из насоса. Для этого случая уравнение (I—150) преоб­ разуется к виду:

При свободном истечении обратный перепуск фарша прак­ тически отсутствует, полезная энергия расходуется на создание скорости истечения, преодоление внутренних сопротивлений структуры фарша и внешнего трения между фаршем и корпу­ сом. Таким образом, экспериментальная линия Г —7' прибли­ жается к зависимости Л4теор (п).

Теоретическая производительность Мгеор равна произве­ дению объема между коаксиальными цилиндрами на частоту вращения ротора и плотность:

Ь— ширина поршня (0,2 м);

р— плотность фарша (1000 кг/м3).

Разность .Мтеор—М0 = 0,012 п при п = const характеризует степень заполнения рабочих полостей насоса. С увеличением п степень заполнения уменьшается, так как образующийся после прохождения поршня свод фарша не успевает оседать и целиком заполнять рабочую полость между поршнями. При р -> О коэффициент заполнения, исходя из зависимостей (I—150 а) и (I—151), будет определяться соотношением:

т. е. не зависит от п. Прямая по уравнению (1—150а) аппрокси­ мирует действительную кривую Г —Т по рис. 50, а, давая завы­ шенный на 2% результат при п = 60. При п = 80-1-100 и более аппроксимация кривой Г —7' неверна, так как в этой области зависимость М0 (п) криволинейна. Полученная максимальная ошибка в 2% для исследованной области частот вращения рото­ ра не имеет существенного значения, в то время как аппроксима­ ция значительно упрощает расчетные зависимости.

При увеличении давления производительность понижается, стремясь к нулю. При М = 0 в камере нагнетания создаются предельные давления рпред. С увеличением п возрастает рпред (см. рис. 50, а кривая 0—1 " —7")\ эта зависимость описывается уравнением (I—150) при М = 0 и р = рпред:

177

на холостом ходу в общем случае зависит от р и' п. Однако полу­ чить зависимость Мх.х (р) невозможно, поэтому для всех расче­ тов получена зависимость Мх.х (/г), которая имеет S-образный

При работе насоса «на себя», т. е. при закрытом кране на напорном трубопроводе, он развивает предельную мощность Мпред (кВт), которая выражается зависимостью, справедливой ПРИ Рпред-^ 26,4 • 105Па:

(1 -152а)

В совокупности расходная и мощностная характеристики позволяют с учетом мощности холостого хода рассчитать и по­ строить зависимость К0ыц{Р> п), показанную на рис. 50, б. Ко­ эффициент подачи автоматически учитывается объемным к. п. д. с тем, чтобы не отходить от общепринятых в теории насосов закономерностей. Здесь не выделены отдельно составляющие /(общ, так как в конечном итоге именно он является основным для технических расчетов. Наибольшее значение К0бщисследо­

равные к. п.д. эксцентриково-лопастного насоса в оптимальном режиме работы. Криволинейная поверхность /С0бщ(Р> п) описы­ вается зависимостью

К общ = 0,156 + 0,17 cos [7,5 (р • К П — 9)];- 0,4 • 10"’ (р • Ю"8)8 х

Прямые скобки показывают, что число берут по абсолютному значению; косинус определяют по числу в квадратной скобке в градусах.

Анализ уравнения (I—153) дает возможность найти опти­ мальные параметры работы фаршевого насоса. Необходимое давление на выходе зависит от диаметра и длины трубопровода, расхода и реологических свойств фарша. Для вычисленного по

178

этим показателям давления можно найти оптимальное п0 при экстремальном значении /(о6щ, т. е.

дКо(нП _ дп

Дифференцирование и решение уравнения относительно п дает расчетную формулу

Полную мощность, развиваемую на валу фаршевогонасоса, можно определить по зависимости (I—147) с учетом уравнения

(1—146):

где р, М, Кобщ— определяются по графикам или соответствующим ана­ литическим зависимостям. При этом для транспорти­ ровки фарша желательно выбирать оптимальный диа­ метр фаршепровода [37].

Все полученные аналитические зависимости для мощности и '/(общсправедливы в области р = (3-=-22)105 Па, а если п <(30, то при р -<0,85рПред. Общая ошибка аналитических зависимо­ стей не превосходит ± 15%, ошибки экспериментов уклады­ ваются в ±8% . Оптимальные параметры работы насоса данного типоразмера: к. п. д. 0,32—0,33; производительность2,3—3,5 кг/с при п соответственно 40—60; давление (7-4-12) 105 Па; мощность на валу насоса до 11 кВт. Эти характеристики получены для насоса, размеры которого приведены в пояснении к зависимо­ сти (I—151). Испытания насоса с другими рабочими размерами показали аналогичные результаты по оптимальной зоне давле­ ний, величинам к. п. д., частоте вращения ротора. Производи­ тельность была ниже и величина ее удовлетворительно опреде­ ляется по уравнению (I—151) с учетом коэффициента подачи.

Одновременно с основными испытаниями проводили реодо,- гические исследования фарша, взятого на выходе из насоса при различном давлении нагнетания. Величины свойств начинают

чинает уменьшаться (см. рис. 49, 50). Уменьшение к. п. д. свя­ зано с обратным перепуском; увеличение величин реологических свойств— с перетиранием фарша. Поскольку области переги­ ба кривых на этих двух графиках совпадают, то показатель изменения величин свойств может служить важной и даже ап­ риорной характеристикой работы насоса. График изменения численных значений свойств (см. рис. 49, III) показывает также,