CC BY
81
УДК 631.365
МЕТОДИКА РАСЧЁТА КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНОГО ОХЛАДИТЕЛЯ ПОЛНОЖИРНОЙ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ СОИ
В.В. БЛЕДНЫХ, академик Россельхозакадемии, профессор
Челябинская ГАА
А.В. ФОМИНЫХ, доктор технических наук, профессор
А.В. САВЕЛЬЕВ, аспирант
Курганская ГСХА им. Т.С. Мальцева
Резюме. Проведены теоретические и экспериментальные исследования конструкции устройства для охлаждения полножирной экструдированной сои. Предложена методика расчёта шахтного охладителя полножирной экструдированной сои, реализующего жалюзийную конструкцию боковых поверхностей. Экспериментальные исследования охлаждения продукта окружающим воздухом подтверждают результаты расчётов. Ключевые слова: корма, экструдирование, соя, охладитель, параметры
В полнорационных кормах целесообразно использовать сырьё, из которого не извлечены растительные масла [1]. Для этого разработана технология производства полножирной сои из соевых бобов. При ее реализации экструзия протекает менее 30 секунд, после выброса сои через сопло экструдера температура снижается в основном благодаря испарению свободной воды. Дальнейшее охлаждение продукта до уровня, не превышающего температуру окружающей среды на 10 0С, должно проводиться в специальных теплообменниках-охладителях [2].
Основное преимущество самых распространённых и выпускающихся серийно охладителей полножирной экструдированной сои барабанного типа - снижение температуры продукта при интенсивном перемешивании. Однако при этом невозможно регулировать влажность готового продукта и регенерировать тепловую энергию. Кроме того, охладители барабанного типа отличаются такими недостатками как трудоёмкость очистки и обеззараживания оборудования (или такие операции даже не предусматриваются), наличие вращающихся частей большой массы, необходимость установки отдельного охладителя к каждому экструдеру, что приводит к использованию большого числа приводов, увеличению металлоёмкости, энергозатрат и площади, занимаемой оборудованием.
Одно из перспективных направлений снижения энергозатрат при производстве полножирной экструдированной сои - использование охладителей шахтного типа с поперечной продувкой продукта воздухом.
В такой теплообменный аппарат можно подавать продукцию из нескольких экструдеров, он занимает малую площадь, отличается небольшой металлоёмкостью и имеет один привод для выгрузного устройства. Реализуя жалюзийную конструкцию боковых поверхностей можно обеспечить удобство его мойки и дезинфекции.
Цель наших исследований - определение рациональных технологических параметров такого устройства.
Условия, материалы и методы. Расчёты проводили на примере теплообменного аппарата шахтного типа, состоящего из двух охладительных бункеров с жалюзийными боковыми поверхностями (рис. 1).
Производственные испытания осуществляли на
охладителе (рис. 2), встроенном в разработанную и запатентованную технологическую схему производства
рис. 1. Расчётная схема охладителя шахтного типа: "=> - полножирная экструдированная соя; —► - охлаждающий воздух.
полножирной экструдированной сои с 5-ю экструдерами. Замеры температуры продукта проводили по секциям охладительного бункера.
результаты и обсуждение. Объёмный расход продукта через охладительный бункер QVc можно определить из выражения:
рис. 2. Схема шахтного охладителя полножирной экструдированной сои: 1 - секция охлаждения; 2 - выгрузное окно; 3 - электродвигатель; 4 - цепная передача; 5 - муфта; 6 - редуктор; 7 - окно для отвода горячего воздуха; 8 - воздуховод.
о^=н-в-,
(1)
где Н - толщина слоя полножирной экструдированной сои, м; В - длина секции охлаждения, м; h - высота охладительного бункера, м.
Процесс охлаждения исследуемого продукта потоком воздуха представляет собой конвективный теплообмен между частицами полножирной экструдированной сои и обтекающим потоком воздуха. Перепишем общее уравнение конвективного теплообмена в следующем виде [3]:
(2)
где dQ/dt - тепловой поток, Дж/с; F - площадь по-Достижения науки и техники АПК, №11-2011
верхности контакта, м2; Т - температура продукта, К; t - температура воздуха, К; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2^К).
Количество теплоты, отводимое от полножирной экструдированной сои можно определить из выражения:
О-М-с- \Т, (3)
где М - масса продукта, кг; с - теплоёмкость продукта, Дж/кг^К; АТ - изменение температуры продукта, К. Преобразовав уравнение (2), получим:
dT aF
dz ~ сМ '
(4)
Tl(z) = (T-25)ek!,+25, Т3(т ) = (Т-25
т,.х i-г 50 + Af,„ Тг(т)=(Т ——)е
\t)e*n+25+\t, 50 +Af
(6)
Анализ зависимостей изменения температуры продукта от времени охлаждения при скорости потока воздуха 0,45 м/с, построенных по результатам расчётных и экспериментальных исследований, показал, что крайняя часть слоя исследуемого продукта остывает до уровня, не превышающего температуру окружающей среды на 10°С, за 23 минуты (рис. 3).
По результатам производственной проверки использование шахтного охладителя полножирной экстру-
Это дифференциальное уравнение можно решить методом разделения переменных при t=const. При температуре окружающего воздуха 25°С получим зависимость изменения температуры продукта от времени:
Для точек Т1, Т2, Т3 (см. рис. 1) эта зависимость будет иметь вид:
2 2
где Af - изменение температуры воздуха при его прохождении через слой продукта различной толщины, К
Для определения коэффициента к, входящего в формулы (6), необходимо установить значение коэффициента теплоотдачи а.
В инженерной практике пользуются расчётными зависимостями, основанными на теории подобия. При малых размерах твёрдых частиц и высокой их теплопроводности интенсивность теплообмена между частицами и обтекающим потоком воздуха можно определить по выражению, приведённому в трудах Н.И. Гельперина [3]:
Nu=3,5- 10-3(ЯеЖ/е)15Ргжа33 при ЯеЖ/е<200, (7)
где Nux= а- 1/Х - критерий Нуссельта; ЯеЖ = w- d/v - критерий Рейнольдса; Prx=v/a=vpcp/X - критерий Прандтля; в - порозность слоя полножирной экструдированной сои.
Мощность потока воздуха, проходящего через слой продукта, находим по формуле:
N=p-QVB, (8)
где p - давление воздуха, Па; QVb - объёмный расход воздуха, м3/с.
Расход воздуха, проходящего через секцию охлаждения, можно определить из уравнения:
Qvвв=w-a-B, (9)
где w- скорость воздуха, м/с; a - расстояние между жалюзи секции, м.
Расстояние между соседними жалюзи равно: a=h/i- fg(90-a) - sin а, (10)
где а - угол наклона жалюзи секции охлаждения; i - количество секций.
Выразив B из формулы (1) и учитывая количество секций и охладительных бункеров, получим:
Определение величины давления воздуха рассмотрено ранее [4,5].
Достижения науки и техники АПК, №11-2011 ___
рис. 3. Теоретическая и экспериментальная зависимости изменения температуры полножирной экструдированной сои (в точке на глубине 10 мм от внешней поверхности) от времени охлаждения при скорости воздуха 0,45 м/с и ширине секции 0,3 м.
дированной сои обеспечивает равномерное снижение температуры экструдата до необходимого уровня (рис. 4). Активность уреазы готового продукта при этом составляет 0,19...0,21 pH, что не превышает нормативных значений.
рис. 4. Распределение температур по высоте охладителя при погружении термометра на 20 мм и 150 мм.
67
выводы. Таким образом, при расходе продукта, высоте охладительного бункера, состоящего из 10...12
подлежащего охлаждению, 5.7 т/ч рациональная секций длиной от 1,5 до 2,5 м, от 2,0 м мощность потока
ширина секции охладителя полножирной экструдиро- охлаждающего воздуха должна составлять 1,8...2,0 кВт.
ванной сои находится в пределах от 0,2 до 0,4 м. При
Литература.
1. Бортников С. Эффективность использования полножирной экструдированной сои // Комбикорма. - 2005. - №1. - С.51-52.
2. Dry Extrusion Applications in The Feed Industry [Электронный ресурс] / интернет-портал компании Insta-Pro International - Электрон. Дан - Режим доступа www.Insta-Pro.com. свободный - Загл. с экрана.
3. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. - М.: Химия, 1981 - 812 с.
4. Исследование процесса движения охлаждающего воздуха в теплообменном аппарате при производстве полножирной экструдированной сои/А.В. Фоминых, Д.Н. Овчинников, В.А. Савельев, А.В. Савельев// Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. - Т. 16. - №3. - С. 96-99
5. ФоминыхА.В., Овчинников Д.Н., Савельев А.В. Определение рациональной скорости воздуха в охладителе полножирной экструдированной сои шахтного типа //Аграрный вестник Урала. - 2011. - №6 (85). - С.45-46.
DESIGN PROCEDURE OF CONSTRUCTIVE AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF MINE COOLER FULL-FAT EXTRUDED SOY V.V. Blednykh, A.V. Fominykh, A.V. Savel'ev
Summary. In this article we present theoretical and experimental researches of a design of the device for cooling full-fat extruded soy. The design procedure of a mine cooler of full-fat extruded soy, realizing jalousie design of lateral surfaces is offered. Experimental researches of cooling of a product confirm results of calculations.
Key words: forage, extrusion, soy, cooler, parameters
УДК 539.2.
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРАЛОВ С ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕЙ
С.М. ШЕБАНОВ, кандидат технических наук, зав. лабораторией
Д.С. СТРЕБКОВ, академик РАСХН, директор Ю.А. КОЖЕВНИКОВ, аспирант М.С. ШЕБАНОВ, инженер ВИЭСХ Россельхозакадемии E-mail: shebanov_s@mail.ru
Резюме. В статье рассматриваются структура, прочностные, электрофизические и теплофизические свойства наноком-позиционных материалов. Приводятся примеры влияния химической модификации нанокомпонента и его содержания на свойства нанокомпозита в целом.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, нановолокна, наноглины нанокомпозит, механические и электрофизические свойства
Одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений, использующих достижения нанотехнологии, - материаловедение. Включение наноразмерных частиц в технологический процесс позволяет получать материалы с необычным комплексом свойств. В плане практического использования и коммерциализации научных разработок наиболее эффективны технологии, в которых базовый, распространённый материал модифицируется наночастицами. Это в первую очередь относится к керамическим материалам, сплавам и особенно полимерным материалам. Для решения практических проблем предприятий агропромышленного комплекса наибольший интерес представляют полимеры, модифицированные наночастицами различной природы - нанокомпозиты (НК). Их можно ис-
68 -------------------------------------------------
пользовать в машиностроении как конструкционные и антифрикционные материалы, в строительстве в качестве колонн и перекрытий. Эти материалы, в отличие от металлов, не подвержены коррозии, что чрезвычайно важно, учитывая агрессивность газовой атмосферы внутри зданий животноводческих и птицеводческих комплексов. Один из основных факторов, сдерживающих использование композиционных и нанокомпозици-онных материалов в сельском хозяйстве - отсутствие у технологов и конструкторов информации о их возможностях и свойствах. В представленной работе, мы предприняли попытку частично устранить указанный пробел. Для этого в начале сообщения кратко рассматриваются наиболее распространённые наночастицы, производство которых в промышленных масштабах уже налажено за рубежом. В заключительной части работы приводятся конкретные результаты модификации свойств разных полимеров наночастицами различной природы.
Ассортимент наночастиц, которые используют для модификации полимеров достаточно велик. Это углеродные наночастицы различной формы, нанопорошки металлов и оксидов металлов, карбида кремния, неуглеродные нанотрубки, диспергировнные до наноразмеров природные алюмосиликаты. Наночастицы различаются по своей форме. Например, для оксидов и сажи чаще характерна сферическая форма, для различных синтетических вискеров, нанотрубок и бемита - игольчатая струтура, для природных алюмос-ликатов, в частности глин, - пластинчатое строение. Механизм упрочнения и получаемые эффекты зависят
Достижения науки и техники АПК, №11-2011
