Смирнов В.Л. Влияние вакуума в отверстиях зеерного цилиндра

ВЛИЯНИЕ ВАКУУМА В ОТВЕРСТИЯХ ЗЕЕРНОГО ЦИЛИНДРА
НА МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЕ РАСТЕНИЙ
Смирнов В. Л.
Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск, Россия
The problems of reducing the moisture source plant material in a mechanical
dewatering screw press in terms of "classical Hydraulics" are discussed in the article.
При заготовке кормов в сельском хозяйстве, достаточно часто приходится
снижать влажность исходного растительного сырья для снижения затрат и потерь
питательных веществ, при производстве различных видов кормов.
Снизить влажность исходного сырья, с минимальными потерями
питательных веществ, позволяет механическое обезвоживание зеленых растений в
шнековом прессе (рис. 1).
01.М9.024.01.000.ВО.
3
4
3
6
5
7
8
9
Справ. №
Перв. примен.
2
Инв. № подл.
Подп. и дата
Взам. инв. № Инв. №дубл.
Подп. и дата
1
10
10
Рисунок 1 – Шнековый пресс:
1 – рама; 2 – приводная станция; 3 – муфта; 4 – понижающий редуктор;
5 – приемная горловина; 6 – корпус; 7 – шнек; 8 – зеерный цилиндр; 9 – камера выгрузки;
10 – трубы для отвода сока.
01.М9.024.01.000.ВО.
Зеленые растения в процессе прессования можно рассматривать
как
Пресс шнековый
КГАУ
гр.
М- 53
гидромассу: состоящую из сухого вещества и жидкости, а сам процесс
сокоотделения, как истечение жидкости через отверстия зеерного цилиндра пресса.
В связи с высоким давлением прессования (2,0÷5,0 МПа), толщина стенки
дренирующего контура достаточно велика и при малых диаметрах отверстий, с
точки зрения «классической Гидравлики», сокоотделение осуществляется через
отверстия в толстой стенке (рис. 2 в). Но при определенном соотношении
длины и диаметра данное отверстие в «Гидравнике» может рассматриваться как
насадок (рис. 3 а).
Лит.
Изм. Лист №докум. Подп. Дата
Разраб. Табачных Л.А.
Пров.
Смирнов В.Л.
Т.контр.
Масса Масштаб
1:4
Лист
Листов
Н.контр. Чепелев Н.И.
Утв.
Ковальчук А.Н.
Копировал
Формат
A1
1
hп
d
р1
р0
0
аγ
d
dc
0
б
γ2
б
Н
d
вd
dc
dc
q
C
γ1
!
0
d
Q
0
!
C
а
б
б
б
в
Рис. 2 – Истечение жидкости через отверстие:
а – общий вид истечения; б – в тонкой стенке; в – в толстой стенке
hп
р0
Q
р1
0
аγ
0
γ2
C
Вакуум
Н
C
γ1
0
2
C
2
d
dc
Q
!
а
2
0
!
C
2
б
Рис. 3 – Истечение жидкости через цилиндрический насадок
Отверстие в тонкой стенке – толщина стенки не влияет на форму и
условия истечения струи, края отверстия имеют острую кромку (рис. 2 б) или
толщина стенки   0,5d (рис. 2 в).
Отверстие в толстой стенке – отверстие, в котором струя, прежде чем
получить свободное падение, движется вдоль стенки, имея местные потери и
потери по длине  > 0,5d (рис. 2 в).
Насадок – короткий патрубок, длина которого  равна 3 ÷ 4 его
диаметрам d (рис. 3 б).
Рассмотрим истечение жидкости из насадков.
Внешний цилиндрический насадок.
Это наиболее простой в изготовлении и наиболее распространенный тип
насадков (рис. 3).
При входе в насадок поток обтекает его кромки и струя сжимается
аналогично тому, как при истечении через отверстие. Протекающая струя
захватывает воздух, который в начале истечения находится в пространстве
между ней и стенками насадка, в результате чего в этом пространстве
образуется вакуум, который притягивает струю к стенкам и струя, расширяясь,
уже вытекает из насадка полным сечением без сжатия на выходе. Зона вокруг
сжатого сечения С–С под действием вакуума заполняется жидкостью, которая
находится во вращательном циркуляционном движении.
Скорость истечения из насадка и отверстия определяется по формуле
Лит.
Изм. Лист
Разраб.
Пров.
Т.контр.
№ докум.
Масса Масштаб
Подп. Дата
1:1
Лист
Н.контр.
Утв.
Копировал
Листов
Формат
Лит.
Изм. Лист
Разраб.
Пров.
Т.контр.
Н.контр.
Утв.
№ докум.
1
A0
Масса Масштаб
Подп. Дата
1:1
Лист
Копировал
Листов
Формат
A0
1

1
1 
2 gН 0   2 gН 0 ,
(1)
 – коэффициент скорости (насадка или отверстия);  – коэффициент
сопротивления (насадка или отверстия); Н0 – полный гидродинамический
где
напор.
Причем, для круглого отверстия в тонкой стенке   0,97  0,98 , а для
цилиндрического насадка   0,82 .
Расход определяется по следующей зависимости
Q   2 gН 0 ,
(2)
где  – коэффициент расхода (насадка или отверстия);  – площадь
поперечного сечения (насадка или отверстия).
При этом коэффициент расхода определяется по выражению
   ,
(3)
где  – коэффициент скорости;  – коэффициент струи.
Для
круглого
отверстия
в
тонкой
стенке
  0,62  0,64 ,
  0,60  0,63 , а для цилиндрического насадка   1 (ввиду отсутствия
сжатия струи на выходе из насадка),   0,82 , что на 30 ÷ 37 % больше чем
для отверстия, хотя скорость истечения через насадок примерно на 15 ÷ 17 %
меньше чем через отверстие.
Вакуум в насадке получается тем больше, чем больше скорость в нем и,
следовательно, чем больше напор Н перед входом в насадок. Т. к. вакуум имеет
предельное значение, то напор перед насадком также не может быть каким
угодно большим и предельное значение его можно определить из уравнения
Бернулли для сжатого сечения С–С и сечения на выходе из насадка 2–2
pс
с2
2g



2
 hw мС  2 .
(4)
2g
Допуская, что сжатие струи в сечении С–С аналогичное, как и при


pа
истечении из отверстия в тонкой стенке, т. е. коэффициент сжатия струи
  0,64 , с   , получим
2 2
2



.
2 g 2 g с2 2 g 2
с2
(5)
Местные потери напора между сечениями С–С и 2–2 с определенными
допущениями можно определить как потери на внезапное расширение по
формуле
hw мС  2


с

2g

2
 2  1 2

  1
2g  

(6)
2
Из выражения (1) следует, что
2g
  2 Н , тогда с учетом выше
изложенного определим из уравнения (4) вакуумметрическую высоту в насадке
2


1
1


hв ак 
  2 Н  2  1    1  



 

2


1
1


2
 0,82
1 
 1  Н  0,75 Н .
 0,642
 0,64  

pа  pс
(7)
Тогда для предельного напора можно записать
Н пр 
hвак пр
0,75
.
(8)
Теоретически предельный вакуум считают соответствующим давлению
парообразования рп, т. е. давлению при котором в частности вода переходит из
жидкого в газообразное состояние. В этом случае истечение воды по
рассматриваемой схеме прекратится. Например, при температуре t = 20 ºC
пьезометрическая высота, соответствующая давлению парообразования,
pп

 0,24 м.
С учетом этого из выражения (8) получаем
pа  pп
hв ак пр 

0,75

10,33  0,24
 13,45  13,5 м.
0,75
На практике обычно не допускают вакуум до величины, близкой к
предельной, т. к. в этом случае возможен срыв вакуума, т. е. прорыв наружного
воздуха в насадок.
Обычно рекомендуют принимать hвак  8 м, тогда предельный напор
составит
Н пр  10,7
м водного столба ( Н пр 
8
 10,67 ), что
0,75
соответствует давлению 0,1 МПа, но в шнековых прессах в процессе
прессования создается гораздо большее давление, значит в насадке
периодически будет происходить срыв вакуума и в этот момент истечение
жидкости будет осуществляться как из отверстия, т. е будет происходить
уменьшение выхода сока.
Но даже с учетом этого в целом выход сока будет больше чем через
отверстие в тонкой стенке. Кроме того срыв вакуума может способствовать
более эффективному процессу самоочищения отверстий зеерного цилиндра в
случае если в них будут образовываться пробки из жома. Изучение данных
явлений представляет определенный интерес с точки зрения исследования
выделения сока из зеленых растений в шнековом прессе.
Выводы.
1. Подбор продольного и поперечного размера отверстий зеерного
цилиндра удовлетворяющего соотношению   (3  4) d позволяет увеличить
относительное сокоотделение в процессе прессования, т. к. отверстие начинает
работать как насадок.
2. В связи с высоким давлением прессования периодически в насадке
может происходить срыв вакуума, но даже не смотря на это, относительное
сокоотделение будет выше чем через отверстие.
3. Периодический срыв вакуума насадке может способствовать более
эффективному процессу самоочищения отверстий зеерного цилиндра в случае
образования в них пробок.
4. Необходимо изучить принудительное создание вакуума снаружи
зеерного цилиндра с точки зрения увеличения относительного сокоотделения в
процессе прессования зеленых растений.
Литература
1. Антонов Н.М., Матюшев В.В., Смирнов В.Л. Энергетическая
эффективность производства кормов с включением, соломы. – Кормовые
культуры, 1990, №2, с. 42-44.
2. Антонов Н.М., Матюшев В.В., Смирнов В.Л. Шнековый пресс для
обезвоживания зеленой массы растений. Патент №2147992 Россия B 30 B 9/12;
Заявл. 31.12.1998; опубл.27.04.2000 Бюл.№12.
3. Антонов Н.М., Матюшев В.В., Смирнов В.Л. Шнековый пресс. Патент
№2149760 Россия B 30 B 9/12, 9/28; Заявл. 29.03.1999; опубл.27.05.2000
Бюл.№15.
4. Антонов Н.М., Матюшев В.В., Смирнов В.Л. Устройство для
прессования корма. Патент №2153244 Россия A 01 F 15/00, А 23 N 1/00, В 30 В
11/00; Заявл. 15.03.1999; опубл.27.07.2000 Бюл.№21.
5. Смирнов В.Л. Механическое обезвоживание растений при
производстве кормов // Прил. к Вестн. КрасГАУ. – Красноярск, 2010. – Вып. 6.
– с. 78-83.
6. Ковальчук А.Н. Нетрадиционные технологии заготовки кормов в
Сибири / А.Н. Ковальчук, В.В. Матюшев, А.П. Селиванов, В.Л. Смирнов, В.М.
Долбаненко; Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2010. – 343 с.
7. Ковальчук А.Н. Гидравлика и гидравлические машины: учеб. пособие /
А.Н. Ковальчук, В.В. Заболотный, В.Л. Смирнов, В.М. Долбаненко; Краснояр.
гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2011. – 332 с.