CC BY
38
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.96.6.010
ИССЛЕДОВАНИЕ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ БАРАБАННОГО ТИПА С ИНФРАКРАСНЫМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА
Научная статья
Юнин В.А.1*, Зыков А.В.2, Захаров А.М.3, Перекопский А.Н.4
:ORCID: 0000-0002-8111-1727;
2 ORCID: 0000-0002-3435-7468;
3 ORCID: 0000-0003-3501-0543;
4 ORCID: 0000-0003-0998-2306;
1 2 3, 4 Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ
ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
*Корреспондирующий автор (vim_iaep[at]mail.ru)
Аннотация
Обоснование параметров и внедрение новых экологически безопасных операции и технических средств в технологиях заготовки кормов является актуальной проблемой, имеющей важное научно-производственное значение. Целью исследования являлось обоснование эффективных режимов работы барабанной сушильной установки с инфракрасным источником тепла для получения кормовой добавки из трав. В результате проведенного поискового эксперимента установлено, что сушильная установка способна обеспечить полноценную сушку измельченного растительного сырья при использовании инфракрасного источника тепла, являющимся эффективным при сушке травы для получения витаминных кормовых добавок, обеспечивая снижение стоимости сбалансированных кормовых рационов для высокопродуктивных животных, за счет снижения энергетических затрат на удаление влаги из травы и сохранение биологически активных ингредиентов в высушенной траве.
Ключевые слова: измельченное растительное сырье, сушилка барабанного типа, сушка, инфракрасное излучение.
RESEARCH OF DRUM INSTALLATION OF DRUM TYPE WITH INFRARED HEAT SOURCE
Research article
Yunin V.A.1*, Zykov A.V.2, Zakharov A.M.3, Perekopsky A.N.4
:ORCID: 0000-0002-8111-1727;
2 ORCID: 0000-0002-3435-7468;
3 ORCID: 0000-0003-3501-0543;
4 ORCID: 0000-0003-0998-2306;
1 2 3 4 Institute of Agro-engineering and Ecological Problems of Agricultural Production - Branch of the Federal State Budgetary Institution of Higher Vocational Education and Science, St. Petersburg, Russia
Correspondent author (vim_iaep[at]mail.ru)
Abstract
Justification of the parameters and the introduction of new environmentally friendly operations and technical means in the technologies of fodder storage is an urgent problem of great scientific and industrial importance. The aim of the study was to substantiate effective modes of operation of a drum dryer with an infrared heat source to obtain a feed additive from grass. As a result of the search experiment, it was found that the drying unit is capable of fully drying crushed vegetable raw materials using an infrared heat source, which is effective in drying grass to obtain vitamin feed additives, while reducing the cost of balanced feed rations for highly productive animals by means of reducing energy costs and removing moisture from grass and preserving biologically active ingredients in the dried grass.
Keywords: shredded vegetable resources, drum-type dryer, drying, infrared radiation.
Введение
На сушку различных продуктов, не только в отрасли АПК, в барабанных сушилках влияние оказывают конструктивные параметры и режимы работы самого барабана. Наиболее существенные из них - это диаметр барабана, его частота вращения, количество, размер и форма лопастей, участвующих в перемещении материала [1]. Ведутся исследования по применению новых источников тепла, работоспособность которых напрямую зависит от конструкций и принципов работы сушильного оборудования. Также при использовании различных приемов учитывается характеристика исходного материала, почвенно-климатические условия и требования к качеству конечного продукта.
Известна классификация способов обезвоживания продуктов, используемых в перерабатывающих отраслях АПК
Рис. 1 - Наиболее распространенные виды и способы обезвоживания
Тепловые способы, использующие конвекцию, кондукцию или электромагнитные излучения и реализуемые в различных конструктивных исполнениях сушильных установок, позволяют существенно интенсифицировать процессы сушки, но являются достаточно энергоемкими. Высокая энергоемкость процесса сушки требует совершенствования технологий, обеспечивающих энергосбережение при высоком качестве выпускаемой продукции и экологической чистоте производств. К основным задачам процесса сушки в перерабатывающих производствах АПК относятся: интенсификация сушки материалов; поддержание максимально допустимой и стабильной температуры; создание энергосберегающего сушильного оборудования и др.
Цель исследования: обосновать эффективные режимы работы экспериментальной барабанной сушильной установки с инфракрасным источником тепла для получения кормовой добавки из измельченного растительного сырья.
По мнению ряда исследователей, [3], [4] использование для сушки источника тепла с инфракрасными лучами, обладающего рядом преимуществ по сравнению с другими способами сушки, позволяет сократить продолжительность обработки. Однако, нагрев материала ИК (инфракрасным) излучением происходит более интенсивно по сравнению с конвекцией и теплопроводностью, поэтому при длительном использовании облучения влага из высушиваемых изделий будет удаляться очень быстро, что может привести при отсутствии регулирования температуры к нарушению целостности материала.
Общие сведения об ИК излучении и возможностях теплообмена с его участием изложены в работах [3], [5]. Важнейшим фактором при сушке является не только установленная мощность самого источника ИК излучения, но и потребляемый расход электроэнергии. Волновой характер ИК излучения и явления электромагнитного резонанса при взаимодействии излучения с веществом, могут многократно увеличивать воздействие излучения на расстояниях, кратных длине волны [6].
Для высушивания растительного сырья в сельскохозяйственной отрасли, помимо ленточных и лотковых сушилок используются барабанные сушилки. Исследования, проводимые в данном направлении, в основном касаются совершенствования отдельных элементов существующего способа и конструкции в зависимости от их пропускной способности. Так, в работе [7] на экспериментальной барабанной сушильной установке с помощью методов планирования эксперимента, исследовалось влияние режимов и параметров на удельные затраты энергии на испарение влаги из зерен ржи: скорости движения зерна в зоне сушки, скорости движения потока воздуха и средней температуры греющей поверхности. С конструктивно-технологических позиций используемое техническое решение для сушки не может считаться эффективным и энергосберегающим, поскольку имеет существенную металлоемкость и достаточно высокие тепловые потери.
По способу подвода тепла барабанные сушилки делятся на сушилки прямого действия конвективные, контактные и комбинированные. Сушильная камера представляет собой наклонный барабан, вращающийся со скоростью 0,5...8 мин-1. Внутри барабана установлены лопасти, обеспечивающие равномерное распределение высушиваемого материала по сечению барабана [8].
В настоящее время, как подчеркивается в работе [9] недостаточно внимания уделяется проектированию новых конструктивно-технологических схем сушильных аппаратов с вращающимся барабаном.
Методы и принципы исследования
По результатам анализа существующих технологий и технических средств, для получения кормовых добавок из трав разработана экспериментальная барабанная сушильная установка с инфракрасным источником тепла (рисунок 2).
Установка представляет собой барабан, находящийся под небольшим наклоном, цилиндрический формы с тремя бандажами для жесткости цилиндра. Центральный бандаж центрирует и предотвращает осевое смещение барабана за счет двух опорных роликов установленных на реме.
Через загрузочное окно измельченная масса попадает во внутрь барабана. Под воздействием направленного потока воздуха от вентилятора и вращения барабана измельченное сырье перемещается к выгрузному окну. Внутри барабана, по всей длине, установлена рампа с инфракрасными лампами, которая направлена на измельченную клеверо-
тимофеечную растительную массу под углом 225 градусов по направлению вращения барабана. Насыщенный воздух от измельченного сырья рекуперирует между барабаном и наружной стенкой сушилки к вентилятору, который установлен по ходу сушки. Время пребывания измельченного сырья в сушилке регулируется за счет скорости транспортировки массы которая зависит от наклона барабана, скоростей вращения барабана и вентилятора.
При планировании многофакторного эксперимента на основе аналитических исследований для лабораторной установки были выбраны следующие управляемые факторы: подача материала Уш (кг/мин); расход воздуха (м3/ч) и температура на выходе из камеры барабана (0С).). Выбранные факторы оказывают наиболее существенное влияние на качество технологического процесса сушки измельченного растительного сырья. Предельные значения этих факторов установлены из результатов ранее проведенных однофакторных поисковых исследований.
Уровни факторов, интервалы их варьирования и матрица эксперимента приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Интервалы и уровни ва рьирования факторов
Факторы Кодовое обозначен ие Интервал варьирова ния, Е Уровни варьирования
Нижний уровень Средний уровень Верхний уровень
Подача материала Уш (кг/мин) XI 1 1 2 3
Расход воздуха Vg (м3/ч) Х2 50 100 150 200
Температура (0С) Х3 30 40 70 100
Созданная с учетом этих требований экспериментальная установка показана на рисунке 2, в дальнейшем будет как один из элементов комплекса по приготовлению полнорационных сбалансированных добавок в рацион.
Рис. 2 - Экспериментальный образец барабанной сушилки с инфракрасным источником тепла
В данной установке, барабан является одновременно ворошителем и транспортером массы. Время пребывания массы травы в сушилке регулируется за счет скорости транспортировки массы с помощью наклона барабана, скорости вращения барабана и скорости воздуха от вентилятора.
Основные результаты
На данном этапе реализован поисковый эксперимент определения влияния основных факторов на ход процесса сушки, характеризуемый величиной удельной производительности кг/м2ч). В результате исследований оптимальными (для рассматриваемых значений факторов) параметрами и режимами сушки травы влажностью 75.. .85% являются: температура в барабане не более 100°С; температура измельченной растительной массы на выходе из барабана не более 56 °С; скорость воздуха У=3.. .5 м/с и удельная загрузка сушильной камеры до 1,88 кг с.в./м2(не более 3кг/мин).
При разработке барабанной сушилки исходили из требования повышения индекса гибкости конструкции по режимам тепловой обработки и виду продукции, что позволило создать универсальный агрегат, который можно будет использовать для сушки различных видов сельскохозяйственного сырья. За оценочные показатели энергозатрат в соответствии с ГОСТ Р 51380-99 приняты: абсолютное значение потребляемой мощности в зависимости от температуры сушки; удельная величина потребляемых энергетических ресурсов.
В ходе проведения исследовании сушки измельченного растительного сырья в барабанной сушилке удалось: контролировать два основных параметра сушки сырья: влажность и температура нагрева, установить оптимальные температурные режимы, при которых не допускается снижение качества сырья в процессе сушки (по органолептическому методу), проводить процесс с максимальной интенсивностью, анализировать полученные данные и контролировать процесс сушки в реальном времени.
В качестве источника излучения для использования в барабанной сушилке выбраны лампы типа ИКЗ (инфракрасные зеркальные) мощностью 250 Вт, обеспечивающие теплоподвод в широком диапазоне температур. Установлено, что изменение температуры в зависимости от потребляемой мощности излучателей носит линейный характер, при этом потребляемая мощность в диапазоне температур сушки в 2-2,5 раза меньше их установленной мощности [10].
Экспериментально определена величина рабочего зазора между источниками излучения и поверхностью конвейера сушилки, она равная 400 мм. Установлено, что при номинальной суммарной мощности нагревателя 10 кВт максимальная температура растительной массы на выходе 560С. Для достижения этой температуры требуемый расход электроэнергии составляет не более 10 кВтч, а на поддержание - 2,21 кВтч.
По результатам проведенных исследований разработан и изготовлен экспериментальный образец барабанной сушилки, обеспечивающий направленное инфракрасное излучение.
^ 120 g 1UU
I
§" во во w 20
О
О
Изменение meMnet оагпуры су ш. агента
• * ■ • % -. . y=-0.08S> — • • У' 91.7
4. ,_ - ■ ■--■Изменение h y=-0.19x+65 —ш - ■ Г % 5 ш
20
¿О
изо
120
ЮО
ж 80 ^
Î
во Ь
I 20
во во
Время сушки, / мин Рис.3 - Зависимости изменения температуры сушильного агента и влажности измельченной растительной массы.
О
%о
Обсуждение
Сушка растительных материалов представляет собой сложный комплекс явлений, развивающихся как внутри высушиваемых материалов, так и в среде сушильной камеры. Все эти явления развиваются не изолированно друг от друга, а в тесном взаимодействии. Анализ этих явлений и их взаимного влияния вскрывает механизм переноса тепла и влаги и позволяет установить аналитические закономерности процесса сушки.
Для экономного расходования электроэнергии на процесс удаления влаги должны широко внедряться установки с инфракрасным источником тепла, базирующиеся на обобщении практического опыта, результатов научных исследований и координации указанных работ в процессе рационального комплексного решения вопросов теории, технологии и экономики использования радиационных источников тепла для интенсификации процесса сушки.
Выводы
Главным достоинством процесса сушки с инфракрасным источником тепла является более высокая скорость удаления влаги в сравнении с конвективной сушкой. Преимуществом данной сушилки является то, что барабан является активным органом, растительная масса постоянно перемешивается, тем самым ИК - излучению подвергается не только верхний слой, а вся масса.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Юнин В. А. Процесс сушки измельченного растительного материала в барабанной сушилке / В. А. Юнин, А. М. Захаров, Н. Н. Кузнецов, А. В. Зыков // Известия НВ АУК. 2020. 1(57). C. 335-349. DOI: 10.32786/2071-9485-2020-01-33.
2. Авроров Г.В. Сокращение энергетических затрат сушки капиллярно--пористых материалов растительного происхождения за счет направленного подвода инфракрасного излучения: дис. ... кандидата технических наук: 05.20.01 защищена 17.10.14 / Авроров Глеб Валерьевич - Пенза: Пенз. гос. с.-х. акад., 2014. - 181 с.
3. Алтухов И. В. Технология обработки сельскохозяйственного сырья растительного происхождения тепловым излучением / Алтухов И. В., Федотов В. А., Очиров В. Д. // монография. Молодежный: Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, 2019. 144 с.
4. Повышение эффективности сушки продуктов растительного происхождения за счет инфракрасно-конвективного воздействия дис. ... кандидата технических наук: 05.20.02, защищена 24.12.10 / Лягина Людмила Александровна - Саратов, 2010. - 137 с.
4. Зыков А.В. Использование робототехнических средств в АПК / А.В. Зыков, В.А. Юнин, А.М. Захаров // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. № 3 (81). С. 8-11.
5. Авроров В. А. Модульная барабанная сушилка с ИК нагревом продукта / Авроров В. А., Смольянова А. П. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2017. № 02 (36)/03 (37). С. 8-14.
6. Алтухов И. В. Импульсные излучатели для сушки растительного сырья / И. В. Алтухов, Н. В. Цугленок // Актуальные вопросы аграрной науки. 2018. № 27. С. 5-12. DOI: 10.36718/1819-4036-2019-11-158-164.
7. Luthra K., Sadaka S., Atungulu G. Expérimental Study of Drying Rough Rice in a Fluidized Bed Exposed to Heating and Hold-up Duration. 2018.
8. Вобликова, Т. В. Процессы и аппараты пищевых производств : учебное пособие / Т. В. Вобликова, С. Н. Шлыков, А. В. Пермяков. - Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. - 212 с. - ISBN 978-5-9596-0958-0.
9. Rudobashta S. Mass Conductivity of Capillary-Porous Colloidal Materials Subjected to Convective Drying / S. Rudobashta, G. Zueva, E. Muravleva, V. Dmitriev // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. 91. P. 1-9. 10.1007/s10891-018-1808-x.
10. Buyanova I. V. Pulsed infrared radiation for drying raw materials of plant and animal origin / I. V. Buyanova, I. V. Altukhov, N. V. Tsuglenok, O. V. Krieger, E. V. Kashirskih // Foods and Raw Materials. 2019. Vol. 7. No. 1. P. 151-160.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Yunin V. A. Process sushki izmel'chennogo rastitel'nogo materiala v barabannoj sushilke [The process of drying the crushed plant material in a drum dryer] / V. A. Yunin, A. M. Zaxarov, N. N. Kuzneczov, A. V. Zy'kov // Izvestiya NV AUK. 2020. 1(57). P. 335-349. DOI: 10.32786/2071-9485-2020-01-33. [in Russian]
2. Avrorov G.V. Sokrashhenie e'nergeticheskix zatrat sushki kapillyarno-poristy'x materialov rastitel'nogo proisxozhdeniya za schet napravlennogo podvoda infrakrasnogo izlucheniya [Reducing the energy cost of drying capillary-porous materials of plant origin due to the directed supply of infrared radiation]: dis. ... kandidata texnicheskix nauk: 05.20.01 zashhishhena 17.10.14 / Avrorov Gleb Valer'evich - Penza: Penz. gos. s.-x. akad., 2014. - 181 p. [in Russian]
3. Altuhov I. V. Tehnologiya obrabotki sel'skohozyaj-stvennogo syr'ya rastitel'nogo proisxozhdeniya teplovym izlucheniem [The technology of processing agricultural raw materials of plant origin by thermal radiation] / I. V. Altuhov, V. A. Fedotov, V. D. Ochirov //: monografiya. Molodezhnyj: Irkutskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet im. A. A. Ezhevskogo, 2019. 144 p.
4. Zy'kov A.V. Ispol'zovanie robototexnicheskix sredstv v APK [The use of robotic tools in the agricultural sector] / A.V. Zy'kov, V.A. Yunin, A.M. Zaxarov // Mezhdunarodny'j nauchno-issledovatel'skij zhumal [International Research Joumal].2019. № 3 (81). P. 8-11. [in Russian]
5. Avrorov V. A. Modul'naya barabannaya sushilka s IK nagrevom produkta [A modular drum dryer with IR heating of the product]/ V. A. Avrorov, A. P. Smol'yanova // XXI vek: itogi proshlogo i problemy' nastoyashhego plyus. 2017. № 02 (36)/03 (37). S. 8-14. [in Russian]
6. Altuxov I. V. Impul' sny' e izluchateli dlya sushki rastitel'nogo sy'r'ya [Pulse emitters for drying plant materials] / I. V. Altuxov, N. V. Czuglenok // Aktual'ny'e voprosy' agrarnoj nauki. 2018. № 27. P. 5-12. DOI: 10.36718/1819-4036-2019-11-158-164. [in Russian]
7. Luthra K., Sadaka S., Atungulu G. Experimental Study of Drying Rough Rice in a Fluidized Bed Exposed to Heating and Holdup Duration. 2018.
8. Voblikova, T. V. Processy' i apparaty' pishhevy' x proizvodstv [Processes and Food Production Equipment]: uchebnoe posobie / T. V. Voblikova, S. N. Shly'kov, A. V. Permyakov. - Stavropol': AGRUS Stavropol'skogo gos. agrarnogo un-ta, 2013. - 212 p. [in Russian]
9. Mass Conductivity of Capillary-Porous Colloidal Materials Subjected to Convective Drying / S. Rudobashta, G. Zueva, E. Muravleva, V. Dmitriev // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. 91. P. 1-9. 10.1007/s10891-018-1808-x.
10. Buyanova I. V. Pulsed infrared radiation for drying raw materials of plant and animal origin / I. V. Buyanova, I. V. Altukhov, N. V. Tsuglenok, O. V. Krieger, E. V. Kashirskih // Foods and Raw Materials. 2019. Vol. 7. No. 1. P. 151-160.
