Ашуралиев Эмиль Себзалиевич. Обоснование параметров и повышение эффективности функционирования гидродинамического нагревателя жидкости сельскохозяйственного назначения

brief description

Ашуралиев Эмиль Себзалиевич. Обоснование параметров и повышение эффективности функционирования гидродинамического нагревателя жидкости сельскохозяйственного назначения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01.- Ростов-на-Дону, 2002.- 328 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/369-3

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ЖИДКОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского
хозяйства»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Хозяев И.А.
Ростов-на-Дону - 2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Потребление воды в сельскохозяйственном производстве 8
1.2. Установки для нагрева воды и получения пара, применяемые в сельском хозяйстве 14
1.3. Пастеризационные установки, применяемые в животноводстве 14
1.4. Аэро- и гидродинамические нагреватели 14
1.4.1. Принцип действия 14
1.4.2. Аэродинамические нагреватели 15
1.4.3. Классификация существующих конструкций гидродинамических нагревателей 17
1.4.4. Пастеризационные установки на основе гидродинамического нагревателя 22
1.5. Сравнительные характеристики рассмотренных нагревательных и пастеризационных установок 24
1.6. Теоретические исследования в данной области 25
1.6.1. Теоретические исследования гидродинамических нагревателей 25
1.6.2. Рабочая характеристика гидродинамической муфты 27
1.7. Цель и задачи исследований 27
1.8. Выводы 28
2. ТЕОРИЯ РАБОТЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ 29
2.1 Рабочий процесс в гидродинамическом нагревателе жидкости 29
2.2. Основные положения теории 30
2.3. Баланс энергии гидродинамического нагревателя 30
2.3.1. Баланс удельной энергии потока 31
2.3.2. Тепловыделение от трения в зазоре между корпусом и ротором 45
2.3.3. Уравнение баланса мощности гидродинамического нагревателя 50
2.4. Математическая модель функционирования гидродинамического нагревателя 52
2.5. Влияние геометрических параметров на рабочий процесс 56
2.6. Коэффициент полезного действия нагревателя 58
2.7 Кавитация в нагревателе 60
2.8. Выводы 62
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 63
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 63
3.2. Выбор отклика в экспериментах 64
3.3. Выбор факторов 65
3.4. Методика определения параметров косвенным путем 69
3.5. Планирование эксперимента 72
3.6. Описание экспериментальной установки и оборудования 75
3.7. Свойства применяемых жидкостей 78
3.8. Теоретическое определение возможных потерь тепла вследствие теплообмена с окружающей средой 79
3.9. Проведение экспериментов при регулировке подачи на выходе 79
3.9.1. Результаты экспериментов 79
3.9.2. Расчет ошибки измерений 98
3.9.3 Результаты опытов на гидродинамическом нагревателе с диаметром ротора 200 мм 98
3.9.4. Уточненная математическая модель функционирования нагревателя. 100
3.9.5. Проверка адекватности построенной модели 102
3.9.6. Расчет кавитационной устойчивости нагревателя 104
3.10. Эксперименты при регулировке подачи воды на входе в нагреватель. 105
3.11. Опыты на масле 109
3.12. Микробиологические и паразитологические исследования воды, прошедшей через гидродинамический нагреватель 113
3.13. Анализ результатов экспериментов 116
3.14. Выводы 117
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ 119
4.1. Конструкция и теоретический расчет характеристики нового нагревателя. 119
4.2. Проведение экспериментов 129
4.3. Сравнение характеристик базового и нового типа нагревателей 132
4.4. Выводы 133
5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.... 134
5.1. Применение гидродинамического нагревателя жидкости сельскохозяйственного назначения в животноводческих комплексах 134
5.2. Методика расчета гидродинамических нагревателей по формулам подобия 138
5.2.1. Методика расчета нагревателей типа ГДНЖ-1 139
5.2.2. Методика расчета гидродинамического нагревателя новой конструкции (ГДНЖ-2) 146
5.3. Примеры расчета гидродинамических нагревателей по формулам подобия 147
5.3.1. Пример расчета базового образца гидродинамического нагревателя (ГДНЖ-1) 147
5.3.2. Пример расчета ГДНЖ-2 по формулам подобия 150
5.4 Бизнес-план производства гидродинамических нагревателей 150
5.5. Внедрение результатов исследований 151
5.6. Выводы 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153
ЛИТЕРАТУРА 155
ВВЕДЕНИЕ
Вода - один из важнейших факторов, влияющих на здоровье и продуктив¬ность сельскохозяйственных животных. Она является одним из основных мате¬риалов клеток живого организма и участвует во многих биологических процес¬сах, протекающих в организме животных. Обмен веществ возможен только при условии, когда питательные вещества и продукты обмена растворены и нахо¬дятся в движении. Главным растворителем для них служит вода. С водой в раз¬личные части тела доставляются питательные вещества, и с ней же из организ¬ма животных уносятся ненужные и вредные для него продукты обмена. Значи¬тельное количество воды животные выделяют через легкие, через поры кожи в виде пота, через почки с мочой, через вымя с молоком. Вода участвует в термо¬регуляции организма и является составной частью молока, на образование 1 кг которого расходуется 3 кг воды. Недостаток воды в организме животного пере¬носится значительно труднее, чем голод. Животное при этом теряет аппетит, и даже при самых лучших кормовых рационах у него появляется слабость, сни¬жается масса и продуктивность.
Воду в животноводческих фермах используют для поения скота, приготов¬ления и транспортировки кормов, удаления навоза, мойки посуды и оборудова¬ния, подмывания животных, отопления помещений, удовлетворения санитарно¬гигиенических потребностей персонала и других целей. Все это обуславливает значительное потребление как холодной, так и горячей воды животноводче¬скими фермами. Особое внимание уделяется как качеству, так и температуре воды. Использование для поения животных и приготовления кормов недобро¬качественной воды вызывает заболевание животных и гибель молодняка вслед¬ствие отравления.
В настоящее время, для нагрева воды в сельском хозяйстве, в основном, ис-пользуются всевозможные котлы, теплообменники и электроводонагреватели. В большинстве своем - это аппараты косвенного нагрева. В них нагрев воды и других жидкостей происходит через промежуточный теплоноситель: нагретое тело, горячие газы, пар и пр. Такой способ нагрева имеет некоторые недостат¬ки, основными из которых являются пониженный КПД процесса нагрева, высо¬кая металлоемкость, образование накипи на греющей поверхности, сложность конструкции, потребность в дополнительном оборудовании (насосы, вытяжные системы, сложная автоматика и т.д.) ограниченные возможности по плавному регулированию тепловыделения, загрязнение окружающей среды, пожаро- и взрывоопасность и пр.
Разрешение этих вопросов возможно при применении аппаратов непосред-ственного нагрева жидкости. К таким аппаратам относится гидродинамический нагреватель жидкости. Нагрев жидкости в нем происходит за счет диссипации энергии при ее движении в рабочей полости нагревателя, благодаря чему он лишен перечисленных выше недостатков.
Гидродинамический нагреватель жидкости может работать в условиях ин¬тенсивной кавитации. При этом наблюдается значительное снижение микро¬флоры, находящейся в воде, т.е. он обладает обеззараживающим свойством, благодаря чему гидродинамический нагреватель можно использовать в целях нагрева и дополнительного обеззараживания воды при подаче ее для поения молодняка и приготовления кормов. Гидродинамический нагреватель жидкости показал хорошую работоспособность при коагуляции зеленого сока растений [79].
Сфера практического применения гидродинамического нагревателя очень широка, что является безусловным преимуществом для производителей гидро¬динамических нагревателей в современных рыночных условиях. Это предпри¬ятия пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности, домохозяйства и т.д.
Однако, несмотря на очевидные преимущества, гидродинамические нагре¬ватели до сих пор недостаточно сильно распространены в мире. Это связано с недостаточной изученностью данного типа оборудования.
Сотрудниками ДГТУ был разработан гидродинамический нагреватель жид¬кости первоначально для коагуляции зеленого сока растений [1]. Помимо этого, он показал хорошую работоспособность также и как нагреватель жидкости. Однако разработанный нагреватель не был исследован.
В данной работе приведены результаты исследований гидродинамического нагревателя. В результате исследований была построена математическая мо¬дель его функционирования, определена зависимость его рабочих характери¬стик от режимов работы, определено влияние гидродинамической кавитации на микрофлору, находящуюся в воде, прошедшей через нагреватель. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также изу¬чения аналогичных машин была предложена усовершенствованная конструк¬ция нагревателя, имеющего больший тепловой КПД и тепловыделение при той же массе.
На основе разработанной математической модели, результатов проведенных экспериментальных исследований и применения теории размерности и подобия была разработана методика расчета гидродинамических нагревателей базовой и усовершенствованной конструкций, позволяющая на практике определять гео¬метрические и кинематические параметры нагревателя при заданном требуе¬мом тепловыделении и перепаде напоров.
В работе предложены варианты использования гидродинамического нагре¬вателя жидкости не только в сельском хозяйстве, но и в линиях розлива пище¬вых жидкостей.
На основе проведенных исследований разработан бизнес-план производства гидродинамических нагревателей.