Расчёт энергетических характеристик шахтного охладителя полножирной экструдированной сои Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.365

А. В. Фоминых, А. В. Савельев, С. В. Фомина

РАСЧЁТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШАХТНОГО ОХЛАДИТЕЛЯ ПОЛНОЖИРНОЙ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ СОИ

ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т. С. Мальцева»

A. V. Fominyh, A. V. Saveliev, S. V. Fomina CALCULATION OF POWER CHARACTERISTICS OF THE MINE COOLER OF FULL-FAT EXTRUDED SOY Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Kurgan State Agricultural Academy by T. S. Maltsev»

В статье изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований конструкции устройства для охлаждения полножирной экструдированной сои. Приведена методика расчёта энергетических характеристик шахтного охладителя полножирной экструдированной сои, реализующего жалюзийную конструкцию боковых поверхностей. Проведённые экспериментальные исследования по снижению температуры продукта в охладителе подтверждают результаты расчётов.

Ключевые слова: корма, экструдирование, соя, охладитель, мощность воздушного потока.

In this article we offer the results of theoretical and experimental researches of a design of the device for cooling of full-fat extruded soy. We presents the design procedure of power characteristics of a mine cooler of full-fat extruded soy, realizing jalousie design of lateral surfaces. The spent experimental researches on decrease in temperature of a product in the cooler confirm results of calculations.

Keywords: forage, extrusion, soy, cooler, capacity of air stream.

Александр Васильевич Фоминых

Alexandr Vasiljevich Fominyh доктор технических наук, профессор Россия, 641300, Курганская область, Кетовский район, с. Лесниково, КГСХА E-mail: prof_fav@mail.ru

Светлана Владимировна Фомина

Svetlana Vladimirovna Fomina кандидат технических наук, доцент E-mail: cvetlana19-63@mail.ru

Алексей Викторович Савельев

Alexey Viktorovich Saveliev Старший преподаватель E-mail: sav121985@mail.ru

Введение. Современные тенденции развития животноводства, направленные на разведение высокопродуктивных пород животных и кроссов птицы, дающие быстрые результаты, предъявляют высокие требования к содержанию в комбикормах протеина и энергии. Белок - важнейший компонент корма животных, его недостаток вызывает физиологические и функциональные расстройства организма. Вследствие недостатка белка затраты кормов на единицу животноводческой продукции в 1,5 раза превышают физиологически обоснованные нормы [1]. Повысить эффективность использования кормов позво-

ляет применение соевых концентратов, так как они содержат высокую концентрацию белка и биологически активные вещества. Мировое производство семян сои растет. Технология переработки сои постоянно совершенствуется, открывая новые возможности использования данной культуры.

В типовых полнорационных кормах для птицы недостаток энергии в основном компенсируется вводом растительных масел. Одновременно с маслом в рационах используются соевые шроты или жмыхи. Иными словами, одни производители (маслоэкстракционные заводы) разделяют белок и масло, другие (производители комбикормов) опять их смешивают. Поэтому целесообразно использовать сырьё, из которого не извлечены растительные масла [2]. Разработана технология получения из соевых бобов полножирной сои. Такую сою с активностью уреазы 0,2-0,3 pH можно вводить в рационы птицы до 25 % [3]. Экструзия протекает менее 30 секунд. За это время сырьё успевает пройти стадии измельчения, смешивания, тепловой обработки, обеззараживания, обезвожива-

ния, стабилизации и увеличения объёма. Наряду с высоким уровнем энергетической ценности, соя, переработанная на экструдерах, характеризуется высокой переваримостью аминокислот, которая превышает перевариваемость, полученную при других способах тепловой обработки соевых бобов [4].

После выброса сои через сопло экструдера в атмосферу температура снижается в основном за счёт испарения свободной воды. Дальнейшее охлаждение до температуры, не превышающей температуру окружающей среды на 10 °С, должно производиться в специальных теплообменниках - охладителях.

Основное преимущество самых распространённых и выпускающихся серийно охладителей полножирной экструдированной сои барабанного типа [4] - снижение температуры продукта при интенсивном перемешивании. Но при этом линия охлаждения не обеспечивает требуемый режим охлаждения экструдированной сои. В таких линиях нет регулирования влажности готового продукта, нет регенерации тепловой энергии. Охладители барабанного типа обладают следующими недостатками: трудоёмкостью очистки и обеззараживания оборудования (или такие операции даже не предусматриваются); наличием вращающихся частей большой массы; устанавливается отдельный охладитель к каждому экструдеру, что приводит к высокой металлоёмкости, использованию большого количества приводов, большим энергозатратам и увеличению площади, занимаемой оборудованием.

Одним из перспективных путей повышения качества охлаждения полножирной экструдированной сои является использование охладителя шахтного типа с поперечной продувкой слоя продукта окружающим воздухом. Такой теплообменный аппарат позволяет охлаждать продукт, полученный от нескольких экструдеров, занимает малую площадь, имеет небольшую металлоёмкость и один привод для выгрузного устройства. Реализуя жалюзийную конструкцию боковых поверхностей можно добиться удобства при его мойке и дезинфикации. Для определения рациональных технологических параметров таких устройств и установления зависимостей между их значениями и свойствами продукта проведён ряд исследований.

Методика. Предлагается следующая расчётная схема теплообменного аппарата шахтного типа, состоящего из двух охладительных бункеров с жалю-зийными боковыми поверхностями (рисунок 1).

Объёмный расход продукта через охладительный бункер может быть определён из следующего

- нагретый воздух; экструдированная соя Рисунок 1 - Расчётная схема охладителя шахтного типа выражения:

С,

Vcou

2

о сои О * W

с еерт 5

(1)

где S - площадь поперечного сечения секции

охлаждения, м w - ск

сверт

ванной сои, м/с.

Wceepm - скорость движения потока экструдиро-

Площадь сечения определим из формулы:

Sc = H ■ B, (2)

где Н - толщина слоя полножирной экструдированной сои, м;

В - длина секции охлаждения, м.

Скорость движения продукта можно определить из следующего выражения:

ь

ппп ' 1

W =

еерт

(3)

где к - высота охладительного бункера, м;

- время охлаждения продукта до требуемой температуры, с.

Подставив выражения (3) и (2) в формулу (1) получим зависимость объёмного расхода продукта от габаритных размеров охладительного бункера и времени охлаждения:

(4)

Процесс охлаждения исследуемого продукта потоком воздуха представляет собой конвективный теплообмен между твёрдыми частицами полножирной экструдированной сои и обтекающим потоком возду-

Инженерно-техническое обеспечение ^ — Вестник Курганской ГСХА № 2, 2012 сельского хозяйства Ь5

ха. Перепишем общее уравнение конвективного теплообмена в следующем виде [5]:

с10

dz

= а(в - / >'

(5)

где ^ - площадь поверхности контакта, м2; в - температура этой поверхности, К; г - температура среды, К; т - время, с;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К). Преобразовав это уравнение, получим:

ат ар (Т-Г) = к(Т-Г), (6)

dr

С ТП ^ сои"1сои

где Т - температура продукта, °С;

г - температура окружающей среды, °С.

Решив данное дифференциальное уравнение, разделяя переменные, получим зависимость изменения температуры продукта от времени:

= Се'к1 +/,

Т(т)

теор

(7)

Мощность потока воздуха, проходящего через слой продукта, находим по формуле:

(8)

где р - потери давления при прохождении воздуха через слой продукта, Па;

0Гвозд - объёмный расход воздуха, м3/с.

Расход воздуха, проходящего через секцию охлаждения, может быть найден по формуле:

0W, =w€„d-Sei = weo3d ■ а - В

(9)

где wвозд - скорость воздуха, м/с;

а - расстояние между жалюзи секции, м. Определив из геометрических соотношений величину а и выразив В из формулы (1), получаем:

Qveosdi = w*03d ■ Ш90 - «) • Sin а)

Qv,

2-і- Н (10)

Так как количество окон для воздуха на 1 меньше, чем секций охлаждения, а конструкция теплообменника предусматривает 2 охладительных бункера, то формула примет вид:

Приняв скорость воздуха равной критической для слоя частиц полножирной экструдированной сои, мощность потока воздуха, проходящего через охла-

дитель, определится из выражения: N = P- *V„,(tg(00 - а) • sin a) Qv™

І-Н

(і- і;, (12)

Результаты. По результатам расчётных и экспериментальных исследований построены зависимости изменения температуры продукта от времени охлаждения при скорости охлаждающего воздуха 0,45 м/с (рисунок 2).

85л

ГС-

757/765> 60* 55 50' 454/7* 55 30• 25> 20

V

\

V

V

- кт о.

^ ^теор ^ +^-)

ч К

\ ^^

\ .77 і п/ -0,0009г 1 1 1

Пі 1

Рисунок 2 - Теоретическая и экспериментальная зависимости температуры сои от времени охлаждения (ширина секции - 0,3 м, точка - на глубине 10 мм от внешней поверхности, скорость воздуха - 0,45 м/с)

Анализ полученных данных показал, что при скорости воздуха 0,45 м/с крайняя часть слоя исследуемого продукта остывает до температуры, не превышающей температуру окружающей среды на 10 °С, за 23 минуты.

Расход полножирной экструдированной сои, нуждающейся в охлаждении, напрямую зависит от производительности и количества экструдеров. В соответствии с ранее проведёнными расчётными и экспериментальными исследованиями по определению потерь давления при прохождении воздуха через слой полножирной экструдированной сои [6] и полученными посредством выражения (12) данными построен график зависимости мощности воздушного потока (рисунок 3 а) и удельных затрат энергии (рисунок 3 б) от толщины слоя материала при различных объёмах поступающего в охладитель продукта.

Выводы. Из полученных графиков видно, что при увеличении мощности вентиляторной установки

и габаритных размеров охладителя можно добиться охлаждения неограниченного количества поступающего продукта. Но увеличение толщины слоя более 0,4 м приводит к повышению затрат энергии на процесс охлаждения и продолжительному времени нахождения продукта в охладителе. При толщине слоя менее 0,2 м охладитель будет иметь больше габаритные размеры, которые не позволят использовать данную конструкцию в существующих производственных помещениях.

Таким образом, рациональная ширина секции охладителя полножирной экструдированной сои находится в пределах от 0,2 до 0,4 м. При высоте охладительного бункера от 2 м, состоящего из 10 - 12 секций с размерами поперечного сечения от 0,2 до 0,4 м в ширину и от 1,5 до 2,5 м в длину удельный затраты энергии на охлаждение продукта составят 1,2 кДж/кг.

Список литературы

1 Спиридонов И. П., Мальцев А.Б., Давыдов В.М. Кормление сельскохозяйственной птицы от А до Я. - Омск: Областная типография, 2002. - 704 с.

2 Бортников С. Эффективность использования полножирной экструдированной сои. // Комбикорма.

- 2005. № 1. С.51 - 52.

3 Чернышев Н. И., Панин И. Г. Компоненты комбикормов. - М.: Проспект, 2005. - 140 с.

4 Линия по производству сои экструдированной полножирной [Электронный ресурс] / интернет-портал компании АгроСояКомплект - Электрон. Дан - Режим доступа www.soyya.ru. свободный

- Загл. с экрана.

5 Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. - М.: Химия, 1981 - 812 с.

6 Фоминых А. В. 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. - Курган: РИЦ КГУ, 2011. - Том 16, № 3. - 234 с., С. 96 - 99

а)

3,0

уд’

1,0

0,0

0,1 0,2 0,3 Н, м 0,

б)

Рисунок 3 - Зависимость мощности воздушного потока (а) и удельных затрат энергии (б) от толщины слоя и массового расхода продукта