CC BY
38
^^^Аграрный вестник Урала №6 (85), 2011 г.~*^Щ£
Инженерия
еще с рядом оригинальных разработок в направлении использования альтернативной энергетики при выращивании, переработке и производстве продуктов питания на базе агропромышленного комплекса.
Выводы.
1. Принцип комплексного использования энергии Солнца, ветра, Земли, обеспечивая круглогодичное использование установки без затрат традиционных источников энергии, явно снижает
затраты на сушку зерна и обеспечивает возможность одновременно получить электрическую энергию и горячую воду для потребительских целей.
2. Модельный ряд рассматриваемой конструкции позволяет получить установки для сушки зерна, в необходимых объемах исходного материала и требуемой мощности, а также вариантов комплектации для сушки других видов сельскохозяйственных материалов.
3. Конструктивные элементы
зерносушилки не требуют специального технологического оборудования, и могут изготавливаться на любом машинострои -тельном предприятии.
4. Стоимость установки для параме -тров, рассмотренных в примере, при мел -косерийном производстве составляет от 300 тыс. руб.
5. Срок окупаемости установки 4-5 лет, при расчетном сроке службы 20 лет, при ежегодном техническом обслужи -вании и соответствующем ремонте срок службы может быть продлен до 30 лет и более.
литература
1. Толмачев В. Н., Орлов А. В., Булат В. А. Эффективное использование энергии ветра в системах автономного энергообеспечения / под общ. ред. докт. техн. наук А. В. Орлова. СПб., 2002. 203 с.
2. Агафонов А. Н., Сайданов В. О., Гудзь В. Н. Комбинированные энергоустановки объектов малой энергетики. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2005.
3. Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А. Процессы и аппараты пищевых производств. М. : КолосС, 2006. 760 с.
4. Машины и аппараты пищевых производств / С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков, В. А. Панфилов, О. А. Ураков. М. : Высшая школа, 2001. Т. 1-2. 1384 с.
5. Терентьев А. Б., Голощапов В. М., Баклин А. А. [и др.]. Автономная энергоэффективная установка для сушки зерна сыпучих материалов. Заявка на изобретение № 2010122992 (932712) от 04.06.2010.
6. Павлов К. Ф., Романов П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». Л. :
Химия, 1981. 560 с. --------- — — — — — — ------------
ИЗМЕНЕНИЕ ВяЗКОСТИ ЭКСТРУДАТА РАПСА В ПРОЦЕССЕ ОТжИМА МАСлА
Е. В. СЛАВНОВ,
доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией,
И. А. ПЕТРОВ,
аспирант, Институт механики сплошных сред УрО РАН
614013, г. Пермь, ул. Акад. Королёва, д. 1
Ключевые слова: экструдат рапса, вязкость, содержание масла, скорость сдвига, температура, отжим масла. Keywords: rape extrudate, viscosity, oil fraction, shear rate, temperature, oil extraction.
Ограниченность мировых запасов технических решений, определение наи-
мировых запасов органического топлива вызывает интерес к поиску других источников. Одним из заменителей может служить биотопливо, обладающее возможностью еже -годного воспроизводства за счет практически неиссякаемым поступлением на поверхность Земли солнечной энергии. За последние 10 лет произошел резкий подъем производства биоэтанола и био -дизеля [1]. Рост производства биодизеля в этот период был достигнут преимущественно за счет использования маслич-ных культур [2], в том числе рапса. Кроме того, рапсовое масло широко используется в пищевой промышленности. Наиболее современным способом получения масел является процесс отжима его на шнек-прессе.
В процессе шнек-прессовой экструзии происходит разрыв клеточной структуры семядоли, в результате чего жидкая фаза высвобождается из сферо-сомы в матрицу. Экструдат предлагается рассматривать как двухкомпонентную среду, представляющую смесь жидкости (масла), и деформируемую пори -стую основу, состоящую в основном из клетчатки. Отжим жидкой фазы изменяет структуру смеси и массовое соотношение между компонентами, в результате чего изменяются реологические и фильтрую -щие свойства смеси.
Создание конкурентноспособного оборудования, нахождение удачных
лучших технологических режимов связаны с моделированием процесса, вклю -чая адекватное описание изменения свойств перерабатываемого материала в процессе отжима.
Цель и методика исследования.
Целью представленной работы является определение зависимости вязких свойств рапса, подвергнутого предварительно экструзии, от скорости сдвига и температуры при различных массовых долях компонентов.
В качестве исходных образцов в эксперименте был использован экструдат семян рапса, полученный на лабораторном экструдере с диаметром шнека 32 мм, при частоте вращения 2 • П сек -1 (60 об./мин.), без внешнего нагрева.
Измерение вязких свойств образцов проводилось на установке, разработанной в Институте механики сплошных сред УрО РАН (г. Пермь) [3]. В измерительном узле установки использована схема ротационной вискозиметрии. Рабочая камера имеет боковые стенки и два диска. Диски имеют рифления для уменьшения эффекта скольжения исследуемого материала по их поверхностям. Установка позволяет задавать и контролировать в рабочей камере необходимое давление, температуру, скорость нижнего диска и измерять момент нагрузки на верхнем диске.
Для получения образцов с заданной
массовой долей компонентов, характеризующей остаточное количество масла, определялась начальная массовая доля масла (в нашем случае 0,446). Образец взвешивался, помещался в плунжерный пресс и отжимался. После отжима образец снова взвешивался и рассчитывалась массовая доля оставшегося в образце масла.
Образец с остаточным количеством масла помещался в рабочую камеру установки. Задавалось гидростатическое под-жатие образца в рабочей камере в пре -делах 0,05-0,1 МПа и скорость верхнего диска. В конце поджатия по прибору реги -стрировалась величина зазора между дисками. В режиме заданных оборотов нижнего диска регистрировались текущие параметры эксперимента: время, угловая скорость верхнего диска, силовой момент на нижнем диске, температура камеры. Затем устанавливали более высокие обороты нижнего диска, и процесс повторялся. Параметры эксперимента с дискретностью 0,8 секунды записывались в память компьютера и в дальнейшем обрабатывались.
Обработка заключалась в том, что по двадцати точкам каждого параметра в установившемся режиме определяется среднее значение и диспер-сия. Полученные значения служат исхо -дными данными для определения скорости сдвига и касательных напряже-ний на внешней окружности дисков [4].
• Аграрный вестник Урала №6 (85), 2011 г.~
Инженерия
16000
14000
12000
10000
8000
-С 0.34 ---А--- С 0.23 -
■ Т=25 сум
вяз_Л--Степенной (вяз_Л) ♦ С 0_______________________
Рисунок 2
Аппроксимирующие зависимости кривых аппроксимирующая зависимость,течения образцов экструдата рапса при Т описывающая кривую течения = 25°С и разных массовых долях масла
Рисунок 1
Экспериментальные точки и
—»—С 0.44 ■ С 0.34 А с 0.23 —X— Т=50 сум
Рисунок 3
Аппроксимирующие зависимости кривых течения образцов экструдата рапса при Т = 50°С и разных массовых долях масла
(Т = 25°С, С = 0,34)
В результате отношение касательных напряжений к скорости сдвига определяет вязкость образца для конкретных усло-вий нагружения. Набор значений вязкости образца при различных скоростях сдвига в выбранном диапазоне определяет кри -вую течения материала. Вязкие свойства всех исследованных экструдатов обла-дают сильной нелинейностью и с достаточной точностью описываются степен -ным уравнением Оствальда-де Виля. На рис. 1 для примера представлены экспе -риментальные значения вязкости одного из образцов, определенные при разных скоростях сдвига, и аппроксимирующая кривая, описывающая эти точки степен -ным уравнением. При изложении резуль -татов используются полученные подоб -ным образом аппроксимирующие зависимости.
В эксперименте использованы образцы экструдата с массовой долей масла 0,446, 0,347 и 0,234. Температурные режимы составляли 25°, 50° и 75°С. Изменения температурного режима в результате диссипативного разогрева не превышали 3-4°С по отношению к темпе -ратуре проведения эксперимента.
Результаты исследований.
Результаты обработки эксперимен-тальных данных, полученных на образ -цах с содержанием массовой доли масла 0,446, 0,347 и 0,234 при температуре 25°С, в виде аппроксимирующих кривых представлены на рис. 2. Как видно из гра -фиков, содержание масла в образцах незначительно влияет на характер полученных зависимостей. Предложено опи -сать их в выбранном диапазоне параметров одним уравнением вида
¡л = 70000 • 7-0’825 (Я •сек! м2)
где ¡Л — динамическая вязкость, у — скорость сдвига (на графике уравнение представлено кривой Т = 25 сум). При таком описании относительная ошибка составляет 5-7 % на низких скоростях сдвига (до 20 сек-1) и увеличивается с их возрастанием до 10-20 %. Такое пред -ставление экспериментальных данных является допустимым, имея в виду, что вязкость в этом диапазоне скоростей сдвига имеет малые значения и абсолютная ошибка составляет тот же порядок, что и на низких скоростях сдвига.
Подобная картина наблюдается и
Рисунок 4
Аппроксимирующие зависимости кривых течения образцов экструдата рапса при Т = 75°С и разных массовых долях масла
при обработке данных, полученных на образцах с тем же содержанием масла при температуре 50 градусов (рис. 3). Аппроксимирующая по всем зависимо -стям кривая течения может быть описана уравнением вида
ц = 38000 • у-°м\Н ■ сек/м2)
При температуре 75°С при сохране -нии нелинейного характера зависимости вязкости от скорости сдвига наблюдается отличие кривых течения при различном массовом содержании масла в образцах (рис. 4). В процессе эксперимента была определена вязкость отжатого масла. Полученные данные говорят о том, что рапсовое масло — линейная жидкость с вязкостью, зависящей от температуры, описываемая уравнением .
, , 1 Л'7 —0,0322-7"/ гг / 2\
цм — (л 127 • е (Н сек!м ) .
В соответствии с этим вязкость масла при температуре 25°С составляет 0,0575 н сек/м2 , при 50°С и 75°С ниже в 2,3 и 5,2 раза соответственно. Учитывая сильное снижение вязкости масла с ростом температуры и возможность при повы -шенных температурах выделения разного количества масла, не связанного смесью, можно предположить, что это приводит к наблюдаемой в эксперименте зависи -мости вязких свойств экструдата от массовой доли масла. Аппроксимирующие зависимости для кривых течения (рис. 4), определяющие характер изменение вязкости от скорости сдвига и массовой доли масла, имеют вид ,
/г = 11300-С~ом ■ у-п (Я • сек / м1)
где С — массовая доля масла, п — показатель нелинейности, имеющий значения 0,64, 0,67 и 0,69 при массовой доле 0,446, 0,347 и 0,234 соответственно.
Для сравнительного восприятия изме -нения вязкости от скорости сдвига, тем -пературы и массовой доли масла на рис. 5 представлены все аппроксимирую -щие зависимости полученных в экспери -менте кривых течения, описываемые при -веденными выше формулами.
Рассматривая полученные результаты с точки зрения шнек-прессового отжима, следует отметить, что для создания необ -ходимой напорности шнека процесс сле -дует вести в диапазоне низких скоростей сдвига, где вязкость перерабатываемого
Рисунок 5
Зависимость вязкости экструдата рапса от скорости сдвига, массовой доли масла и температуры
материала значительно выше. При работе на повышенных температурах необхо-димо обеспечить стабилизацию темпе-ратуры, т. к. ее «плавание» может приве -сти к соответствующим изменениям вяз -ких свойств материала и напорных характеристик шнека. Количественные оценки технологического процесса отжима могут быть получены в результате математиче -ского моделирования с использованием полученных данных.
Выводы.
Получены кривые течения экструдата рапса при разных массовых долях масла для температур 25°, 50° и 75°С. На осно -вании построенных аппроксимирующих зависимостей, описывающих эти кривые, можно заключить, что экструдат рапса является существенно нелинейной сре -дой — «жидкой смесью», зависимость вязкости которой от скорости сдвига можно описать степенным законом. При температурах 25° и 50°С массовая доля масла, лежащая в диапазоне 0,446-0,234, не оказывает существенного влияния на вязкие свойства экструдата. При темпе -ратуре 75°С при сохранении нелинейного характера зависимости вязкости от скоро -сти сдвига наблюдается отличие кривых течения при различном массовом содер -жании масла в образцах.
С точки зрения шнек-прессового отжима полученные результаты гово-рят о том, что для создания необходимой напорности шнека процесс следует вести в диапазоне низких скоростей сдвига,
0
C 0,44
C 0,34
C 0,23
