СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ РОТАЦИОННЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК Российский патент 2003 года по МПК A01J5/00 F04C29/04 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к охлаждению ротационных вакуумных насосов доильных установок.

Известен способ охлаждения пластинчато-роторных вакуумных насосов доильных установок за счет подачи эмульсионной смазки в рабочую полость насоса [1].

Недостатком данного способа является то, что значительная часть масла, приходя в соприкосновение с трущейся поверхностью статора, уносится с нагнетаемым воздухом. Распыленное в воздухе масло окисляется, увеличивается опасность его вспышки, загрязняется окружающая среда, утилизация теплоты от корпуса насоса отсутствует.

Известны золотниковые вращательные насосы, предназначенные для откачки больших объемов воздуха /газа/ при низком вакуумметрическом давлении с применением проточного водяного охлаждения [2].

Недостатком этих насосов является отсутствие в системе охлаждения замкнутой системы циркуляции воды. Водяная рубашка охватывает не всю нагреваемую поверхность корпуса. Насосы имеют функциональную направленность на вентиляцию помещений и не пригодны для осуществления процесса машинного доения с.-х. животных из-за низкого вакуумметрического давления.

Известно водяное отопление с естественной циркуляцией, характерное для зданий с индивидуальной котельной /змеевик, заделанный в очаг, дровяная колонка, газовый, электрический и другие водонагреватели/.

Нагретая в котле вода поднимается по главному стояку и далее через подающий трубопровод поступает в нагревательный прибор. Отдав ему часть своего тепла, охлажденная вода возвращается в котел через обратный трубопровод. Циркуляция в системе отопления происходит непрерывно за счет разности плотностей горячей и охлажденной воды. Если пренебречь теплоотдачей трубопроводов и считать, что вода, нагретая в котле, охлаждается только в нагревательном приборе, то значение циркуляционного давления /Па/ можно определить по формуле
P_a = 9,81(ρ₀-ρ_r)h,
где h - вертикальное расстояние между серединами высот котла и нагревательного прибора, (ρ₀-ρ_r) - разность плотностей охлажденной и горячей воды, кг/м³. Поскольку объем воды при нагревании увеличивается, то для предотвращения повышения давления и возможных аварий система отопления в самой высокой точке оборудована расширительным баком, предназначенным для удаления воздуха и подпитки системы и компенсации утечек воды. При схеме квартирного отопления, совмещенного с горячим водоснабжением, емкость расширительного бака увеличена, так как он одновременно служит аккумулятором горячей воды [3].

Представленные сведения объясняют работоспособность нагревателей с естественной циркуляцией, действующих за счет разности плотностей горячей и охлажденной воды в отопительных системах, и могут служить аналогом предлагаемого технического решения.

Известна система водяного охлаждения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) тракторов и автомобилей. Здесь вода (антифриз) при помощи центробежного водяного насоса принудительно циркулирует по контуру водяной рубашки блока двигателя, отводя теплоту от его нагретых деталей. Центробежный насос шлангами соединен с радиатором. Вода движется внутри трубок радиатора, а их наружная часть обдувается потоком воздуха, создаваемого вентилятором. Теплота рассеивается в окружающую среду [4].

Применительно к работе ротационных вакуумных насосов такая схема их охлаждения экономически не целесообразна. Дополнительно увеличиваются затраты электрической энергии на привод центробежного насоса и вентилятора, отсутствует возможность использования теплоты от нагрева корпуса вакуумного насоса в полезных целях.

Известен ротационный компрессор, содержащий корпус с всасывающим и нагнетательным патрубками и клапанами, разделительную пластину и взаимодействующий с ней эксцентричный ротор, установленный на приводном валу, охлаждающую рубашку с эластичной емкостью, гидравлически связанную с теплообменником [5].

Недостатком данного компрессора является то, что водяная рубашка, размещаемая в корпусе ротационного компрессора, охватывает не всю нагреваемую поверхность. Внедрение в корпус эластичной емкости, которая при взаимодействии с эксцентричным ротором представляет собой насос перистальтического типа, создает принудительную, а не естественную /термосифонную/ замкнутую циркуляцию охлаждающей жидкости через теплообменник. Т.е. затрачивается дополнительная энергия на привод ротора. Размещение эластичных емкостей в пазах статора ротационного вакуумного насоса не целесообразно. Трение о них лопаток приведет к быстрому износу и разрыву поверхности эластичных емкостей, неравномерному износу лопаток. Изобретение относится к компрессоростроению и не может быть применимо в представленном виде для охлаждения ротационных вакуумных насосов, предназначенных для машинного доения с.-х. животных.

Известны унифицированные вакуумные установки УВУ-60/45, комплектуемые вакуумными ротационными насосами /далее по тексту насосами/ в исполнении УВД 10.000А, УВА 12.000А, УВД 10.000А-01, УВА 12.000А-01 - прототип. Насосы предназначены для создания и поддержания вакуумметрического давления при доении коров. Насосы внедрены в комплектацию всех типов доильных установок, в том числе: АД-100А, ДАС-2Б /со сбором молока в ведра/; АДМ-100, АДМ-200 /доение в молокопровод/; доильные установки типа "тандем", "елочка", "карусель", УДС-3А. До внедрения насосов УВД, УВА в вакуумную установку УВУ-60/45 входили насосы РВН 60/45, которые имели воздушное охлаждение от вентилятора. Насосы УВД, УВА принудительной системы охлаждения не имеют [6, 7].

Недостатком конструкции насосов РВН -60/45 и УВД, УВА является повышение при их работе температуры корпуса статора и боковых крышек до 120^oС и выше. Воздушное охлаждение от вентилятора /насосы РВН-60/45/ не эффективно. Имеют место заклинивание ротора, обугливание пластин, снижается моторесурс, техническая и эксплуатационная надежность. Выделяемая насосами теплота не используется для совершения полезной работы и рассеивается в окружающей среде.

Задачей изобретения является оптимизация температурного режима ротационных вакуумных насосов доильных установок с повышением их моторесурса и использованием теплоты, образующейся от трения лопаток о статор, для нагрева воды с последующим ее использованием для промывки молокопровода и молочного оборудования.

Указанная задача достигается тем, что между гильзой статора по всей наружной нагреваемой поверхности и корпусом насоса размещена водяная рубашка, гидравлически связанная посредством трубопроводов с расширительным баком, размещенным выше корпуса насоса и обеспечивающим естественное /термосифонное/ циркуляционное движение охлаждающей жидкости.

На чертеже представлена схема охлаждения ротационных вакуумных насосов доильных установок.

Предложенное устройство включает ротор 1, лопатки 2, гильзу статора 3, корпус 4, воздушный баллон 5, регулятор разрежения 6, глушитель 7, расширительный бак 8, трубопровод 9, трубопровод 10, кран водопроводной воды 11, расходный кран горячей воды 12, водяную рубашку 13, каркас 14, теплоизоляцию 15, сливную пробку 16.

Охлаждение ротационного вакуумного насоса осуществляется следующим образом. При работе доильных установок воздух от доильных аппаратов /на схеме не указаны/ поступает в воздушный баллон 5 через регулятор разрежения 6 в воздушную камеру между ротором 1 и статором 3. При вращении ротора 1 воздух при помощи лопаток 2 откачивается в окружающую среду через глушитель 7. В результате трения лопаток 2 о статор 3 происходит его нагревание. Образовавшаяся теплота передается воде, заполняющей водяную рубашку 13, размещенную между гильзой статора 3 и корпусом 4. Нагретая вода по трубопроводу 10 от верхней части корпуса 4 поднимается в расширительный бак 8. Холодная вода от расширительного бака 8 по трубопроводу 9 подводится к нижней части корпуса 4. Таким образом осуществляется термосифонная циркуляция воды с ее нагревом в расширительном баке 8. Для исключения передачи тепла в окружающую среду он оборудован каркасом 14, заполненным теплоизоляцией 15.

После окончания доения и остановки ротационного вакуумного насоса нагретая в расширительном баке 8 вода при помощи расходного крана горячей воды 12 подается для промывки доильных аппаратов и молочного оборудования. Последующее заполнение расширительного бака 8 водой осуществляется краном водопроводной воды 11. В качестве расширительного бака 8, одновременно выполняющего функцию аккумулятора горячей воды, может быть использован емкостный водонагреватель ВЭТ-200 с вместимостью резервуара 200 л и мощностью электронагревателя 6 кВт, ВЭТ-400 - 400 л и 10,5 кВт, ВЭП-600 - 600 л и 10,5 кВт и другие. Водонагреватели входят в комплектацию доильных установок. Например, емкостный водонагреватель-термос ВЭТ-200 входит в комплектацию доильной установки АДИ-100 с одним ротационным вакуумным насосом. В процессе работы вакуумного насоса /процесс доения/, продолжающегося 2-3 часа, электронагреватель выключен. Известно, что КПД ротационных вакуумных насосов составляет 0,65-0,75. Следовательно, при мощности на их привод 4 кВт на нагрев корпуса насоса 4 в результате трения лопаток 2 о гильзу статора 3 затрачивается 1,4-1,0 кВт. При этом температура воды в водонагревателе /аккумуляторе/ ВЭТ-200 без учета теплоотдачи трубопроводов 9, 10 и корпуса 4 повысится на 20-30^oС. Нагрев воды в баке 8 /ВЭТ-200/ происходит при закрытых кранах 11, 12.

После окончания процесса доения /электродвигатель ротационного вакуумного насоса выключен/ включается электродвигатель, температура воды в баке 8 доводится до 90^oС, с последующим включением электронагревателя /на схеме не указан/. После этого открытием крана 12 горячая вода подается потребителю. Для исключения замерзания воды в водяной рубашке 13 в промежутках между доениями и при низкой температуре окружающей среды вода из трубопроводов 9, 10 и водяной рубашки 13 сливается при помощи сливной пробки 16. В зависимости от расположения трубопровода 9 относительно корпуса 4 сливная пробка 16 может быть расположена на трубопроводе 9. Вода из бака 8 /ВЭТ-200/ не сливается за счет закрытия кранов на трубопроводах 9, 10. Следует отметить, что слив воды водяной рубашки 13 и трубопроводов 9, 10 производится только при пониженных температурах в помещении, где расположена вакуумная установка. Проектно-строительными нормами температура воздуха в коровниках с привязным содержанием принимается 5-12^oС, а в доильных залах - 15^oС.

Так как оптимальная работа вакуумных насосов возможна при начальной температуре воздуха в помещении 5-15^oС, то при отрицательных температурах необходим подогрев корпуса насоса. Это вызвано тем, что вязкость масла, используемого для смазки трущихся поверхностей и герметизации зазора между лопатками 2 и гильзой статора 3, в значительной мере зависит от его температуры. При низких температурах вязкость масла высокая, ухудшаются условия подачи масла из масленки к трущимся парам, наблюдается "сухое" трение лопаток 2 о гильзу статора 3 и сопровождается их усиленным износом, резко уменьшаются подача воздуха из системы коммуникации доильной установки и доильных аппаратов и величина вакуумметрического давления.

Т. о. , оптимальные значения подачи и вакуумметрического давления не соответствуют условиям технологии машинного доения. Запуск вакуумных насосов при низких температурах и работа в "холостом" режиме сопровождаются резким снижением их моторесурса. Таким образом, функционирование системы охлаждения ротационных вакуумных насосов может осуществляться в 3 режимах:
1. Расширительный бак 8 /ВЭТ-200/ заполнен до нужного уровня и нет отвода нагретой и поступления холодной воды. Краны 11, 12 закрыты, а краны на трубопроводах 9, 10 открыты. За 2-3 часа работы насоса температура в расширительном баке поднимается на 20-30^oС выше ее первоначальной. При этом насос работает без перегрева с обеспечением оптимальных значений подачи и вакуумметрического давления.

2. Приток и отток воды происходит одновременно в течение всего времени работы доильной установки, краны 11, 12, а также краны на трубопроводах 9, 10 открыты. Работа насоса осуществляется без перегрева при оптимальных значениях подачи и вакуумметрического давления. Но этот режим не экономичен, т. к. происходит холостой сброс воды в систему канализации, утилизация теплоты от нагрева корпуса насоса не происходит.

3. При отрицательных температурах воздуха в помещении, где установлен насос, перед его запуском в работу при помощи ВЭТ-200 или другого нагревателя необходимо провести разогрев. Для этого закрывается кран расходной воды 12, а водопроводный край 11 открывается. Осуществляется заполнение расширительного бака 8 водой до нужного уровня. Если вода в расширительном баке 8 оставалась после предыдущего доения, то производится только ее добавление до нужного уровня. Краны на трубопроводах 9, 10 остаются закрытыми после предыдущего доения, а вода из них и водяной рубашки была слита при помощи сливной пробки 16. Замерзание воды в расширительном баке 8 /ВЭТ-200/ в промежутках между доениями не происходит, т.к. каркас 14 оборудован теплоизоляцией 15. После заполнения расширительного бака 8 водой кран водопроводной воды 11 закрывается, включается в работу электронагреватель, вмонтированный в ВЭТ-200. После нагрева воды до температуры 30-40^oС нагреватель отключается, открываются краны на трубопроводах 9, 10. После изливания через отверстие сливной пробки 16 теплой воды, что свидетельствует о том, что гильза статора 3 и корпус насоса 4 прогреты, отверстие перекрывается сливной пробкой 16, включается в работу насос с обеспечением оптимальных значений подачи и вакуумметрического давления.

После завершения процесса доения включается в работу нагреватель воды /ВЭТ-200/, закрываются краны на трубопроводах 9, 10 и при помощи сливной пробки 16 из них и водяной рубашки 13 осуществляется слив воды. Так обеспечиваются разогрев вакуумного насоса, его работа в процессе доения с утилизацией теплоты от нагрева гильзы статора 3 и корпуса 4. Порядок использования нагретой до 90^oС воды в технологических целях аналогичен первому режиму. После завершения процесса промывки молочного оборудования расходный кран горячей воды 12 закрывается, а расширительный бак 8 может быть заполнен водой до необходимого уровня, после чего кран водопроводной воды 11 закрывается.

Преимуществом предлагаемой схемы охлаждения вакуумных насосов доильных установок является использование теплоты, образующейся от трения лопаток 2 о статор 3, для нагрева воды, используемой для технологических целей. Экономия электрической энергии на нагрев воды в водонагревателе ВЭТ-200 с использованием предлагаемого технического решения составит 16-23%.

Источники информации
1. В. М. Хамеев. Термодинамические процессы и параметрические характеристики вакуумных насосов. "Наука", Новосибирск, 1986, с.75.

2. Дж. Ярвуд. Техника высокого вакуума. Теория, практика, применение в промышленности и свойства материалов. М.-Л., 1960, с.15.

3. А. А. Захаров. Применение тепла в сельском хозяйстве. М.: "Колос", 1974, с.91-118.

4. А.В. Николаенко. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. - М.: "Колос", 1984. - с.287-296.

5. А.С. СССР 1110935, F 04 С 18/356. Бюл. 32 от 30.08.84.

6. Насос вакуумный. Паспорт УВД 10.000А. ПС "Кургансельмаш", 1998. - 31 с. - прототип.

7. С.В. Мельников. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. Л., "Агропромиздат", 1985, - с.486-496.

Изобретение относится к устройствам для животноводства, в частности для охлаждения ротационных вакуумных насосов доильных установок. В вакуумном насосе между гильзой статора и корпусом насоса размещена водяная рубашка, соединенная двумя трубопроводами с расширительной емкостью. Снижение температуры статора и лопаток приведет к улучшению процесса смазки трущихся поверхностей, уменьшению степени износа поверхности лопаток и статора и повышению моторесурса работы ротационного вакуумного насоса. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Система охлаждения ротационных вакуумных насосов доильных установок, отличающаяся тем, что насос снабжен водяной рубашкой между его гильзой статора и корпусом и расширительной емкостью, которая снабжена термоизоляцией, расположена выше насоса, сообщена с водяной рубашкой посредством двух оборудованных кранами трубопроводов и имеет дополнительный трубопровод для подачи воды в молокопровод доильной установки. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе вакуумного насоса выполнено сливное отверстие.