CC BY
25
УДК 620:631.365.22
МОДЕРНИЗАЦИЯ КОРМОЦЕХА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ
ХОЗЯЙСТВ
Д.А. Будников, кандидат технических наук
ФГБНУ Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
E-mail: [email protected]
Аннотация. Кормоцеха могут быть оснащены многоцелевым оборудованием, которое позволит проводить подсушку, обеззараживание, поджарку, запаривание и т.д. Это связано с тем, что зерно, поступающее в кормоцех, в некоторых случаях обладает повышенной влажностью и не может быть обработано в штатных дробилках. При этом корма, поступающие в кормоцех, по качеству должны соответствовать зооветеринарным и санитарным требованиям, стандартам на корма и другим нормативным документам. Комплектация оборудования каждого конкретного хозяйства может несколько отличаться и должна соответствовать условиям каждого региона и технологическим нормам. В данной работе представлены некоторые этапы разработки (моделирования) оборудования для СВЧ-конвективной тепловой обработки зерновых в программе мультифизического моделирования и результаты его испытания в кормоцехах. В зависимости от исходного качества зерна для снижения микробиологического показателя до нормативного значения (5105 КОЕ/г) может потребоваться повторная обработка зернового материала в модуле или использование агрегата из нескольких модулей с последовательным положением СВЧ-активных зон. В ходе работы сделаны следующие выводы: форма и расположение волноводов для подвода электромагнитного поля существенно влияют как на равномерность распространения электромагнитной волны в зоне СВЧ-конвективной обработки, так и на режим работы излучающего оборудования; принцип универсального модуля для СВЧ-конвективной обработки и сушки может быть успешно использован в технологических линиях по обработке зерна; выбор комплектации модулей должен осуществляться для каждого хозяйства индивидуально, так как производительность разработанных модулей отличается в различных технологических процессах.
Ключевые слова: микроволновое поле, тепловая обработка, зерно, напряженность поля, прямой нагрев, диэлектрик, моделирование ЭМ полей.
Введение. Корма, поступающие в кормоцех, по качеству должны соответствовать зооветеринарным и санитарным требованиям, стандартам на корма и другим нормативным документам [1]. При этом комплектация оборудования должна соответствовать условиям каждого региона.
Так, в некоторых случаях, свежеубранное зерно, поступающее с поля, обладает повышенной влажностью и не может быть обработано в дробилке. Для примера, дробилки ДКР допускают использование сыпучих материалов влажностью до 14%. Учитывая, что влажность свежеубранного зерна может существенно превышать этот показатель, его необходимо подвергать сушке. Кормоцеха могут быть оснащены многоцелевым оборудованием, которое позволит проводить подсушку, обеззараживание, поджарку, запаривание и т.д. Таким образом, разработка обо-
рудования для энергосберегающей сушки и обеззараживания зерна не теряет своей актуальности. Для ее качественной реализации целесообразно применение наиболее перспективных разработок в электротехнологиях, таких, как использование микроволнового излучения. Данная работа описывает результаты испытаний оборудования с применением поля СВЧ-обеззараживания во время послеуборочной обработки зерна и интенсификации сушки [2].
Методика исследования. Для разработки современного оборудования в настоящее время целесообразно использование программ математического моделирования и быстрого прототипирования технологического оборудования [3-6]. В качестве таких программ в нашем случае использовались CST Studio для мультифизического моделирования распространения электромагнитных
Journal of VNIIMZH №3(31)-2018
109
волн в слое обрабатываемого материала и МайаЬ для моделирования процессов тепло-влагопереноса при тепловой обработке. Данные о диэлектрических свойствах обрабатываемых продуктов брались как из зарубежных, так и из русскоязычных источников [7]. В процессе исследований было произведено моделирование распространения электромагнитной волны в продуктопроводе при различном расположении и форме волноводов для подвода электромагнитного поля. На рис. 1 приведен пример полученных результатов, показывающей влияние формы волноводов и их расположения на изменение равномерности распределения электромагнитного поля в слое ячменя влажностью 15,6%.
О
а) б)
Рис. 1. Распространение электромагнитного поля в продуктопроводе
Результаты моделирования свидетельствуют о существенном влиянии конструкции волновода не только на равномерность распространения электромагнитного поля в слое материала, а следовательно, и температурного поля, но и на условия работы излучающего оборудования [4, 5]. На основании результатов исследований было разработано и изготовлено несколько вариантов установки СВЧ-конвективной тепловой обработки зерна. Два из них представлены на рисунке 2.
Испытания. Первый этап испытаний производился совместно с сотрудниками Владимирской МИС. Место проведения испытаний - ООО «Куриловское СХУМЭС», Собинский район Владимирской области. Состав оборудования кормоцеха ООО «Ку-риловское СХУМЭС» представлен на рисунке 3. Испытываемый модуль (рис. 2а) с про-
дуктопроводом, соответствующем схеме, представленной на рисунке 1а, встраивался в существующую технологическую линию.
Оборудование, представляемое на испытания (рис. 2а), включает в себя: загрузочный бункер, СВЧ-модуль с электрическими щитами управления, выгрузной шнек, два вентилятора: обдува магнетронов и охлаждения зерна, воздуховоды. Принцип работы применяемого оборудования основан на воздействии на зерно полем СВЧ. Задавая различные режимы - управляя мощностью излучения и скоростью прохождения обрабатываемого продукта, а также скоростью агента сушки, возможно осуществлять сушку, обеззараживание и жарку зерна.
1 2
Рис. 2. Экспериментальные образцы СВЧ-модулей: 1 - загрузочный бункер; 2 - ПЧВ (преобразователь частоты векторный) с панелью управления; 3 - щит управления; 4 - воздуховоды охлаждения и сушки; 5 - СВЧ-модуль; 6 - выгрузной шнек с приводом; 7 - вентилятор охлаждения и сушки зерна
Данное оборудование может работать в обеих линиях кормоприготовления с целью подсушки и обеззараживания зерна. Электрооборудование модуля включает в себя три электродвигателя, модуль СВЧ-обработ-ки зерна с шестью магнетронами общей мощностью 5,4 кВт, а также элементы их управления. Обдув зерна и охлаждение магнетронов производится двумя радиальными вентиляторами, которые установлены на собственных рамах и соединены с СВЧ-мо-дулем гибкими воздуховодами. Привод вентиляторов осуществляется асинхронными электродвигателями мощностью 1,5 кВт каждый. Привод шнека выгрузки обработанного зерна производится асинхронным электродвигателем мощностью 0,18 кВт, который управляется преобразователем частоты, т.е. скорость движения зерна через установку может плавно регулироваться.
Рис. 3. Схема кормоцеха: 1 - кормосмеситель ССК-2,3-В; 2 - рукав подачи дробленого зерна в кормосмеситель; 3 - дробилка ДКР-1; 4 - рукав подачи зерна в дробилку; 5 - транспортер выгрузки комбикорма в кормораздатчик/тару; 6 - кормосмеситель; 7 -дробилка; 8 - транспортер подачи зерна в дробилку
На следующем этапе проводилось испытание СВЧ-модуля (рис. 2б) с продуктопро-водом, соответствующем схеме, представленной на рисунке 1б, в производственных условиях на базе аккредитованной испытательной лаборатории ТОО «Казахский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства». Испытания проведены на зерне пшеницы «Саратовская 26» в следующих значениях влаж-
ности: при обеззараживании - 13,34%; при поджарке - 13,45%; при сушке - 18,75%. Установлены оптимальные значения производительности универсального СВЧ-модуля при обработке зерна пшеницы на операциях: обеззараживание - 245,2 кг/ч; поджарка -140,0 кг/ч; сушка - 239,8 кг/ч.
Установлена температура зернового материала до и после обработки, соответственно, при обжарке - 19 и 43°С, при поджарке -19 и 47°С, при сушке - 16 и 25,1°С. При этом в обработанном материале не обнаружены поджаренные, распаренные и обугленные зерна, а также не происходило дробление зерен. Внутри СВЧ-камеры создавалась температура: при обеззараживании - 77°С, при поджарке - 110°С, при сушке - 50°С. Контроль за технологическим процессом выполнялся автоматическим измерением температуры зернового материала. Выявлено, что при сушке зерна снижение влажности за один пропуск составило 26,72%, при обеззараживании - 2,29% и при поджарке - 7,58%. При исходной влажности 18,75 % после сушки получена влажность 13,74%; при обеззараживании - 12,93% и при поджарке -13,45%. При этом по требованиям к кондиционному зерну необходимо снижение влажности до 13-14%. Из чего следует, что для доведения зерна до требуемой влажности хранения достаточно одного цикла СВЧ-обработки зерна. Установлены удельные расходы энергии на осуществление процесса СВЧ обработки: для обеззараживания - 46,87 кВт-ч/т; для поджарки - 83,3 кВт-ч/т; для сушки - 48,39 кВт-ч/т. Как видно, на сушку и обеззараживание зерна расходуется энергии в 1,7 раза меньше, чем на поджарку.
Заключение. Полученные закономерности распределения электромагнитного поля в обрабатываемом слое при заданном материале диапазоне влажностей позволяют определять конструктивные параметры зернового продуктопровода.
Значимость разработки заключается в:
- снижении неравномерности распределения электромагнитного поля в зерновой массе (увеличение равномерности нагрева обрабатываемого материала);
Лоигпа! оГ VNIIMZH №3(31)-2018
111
- обеспечении автоматизированного управления режимом работы установки по задаваемым критериям эффективности (максимальная производительность, минимальные энергозатраты, максимальная производительность при ограничении энергозатрат, минимальные энергозатраты при заданной производительности);
- создании масштабируемых моделей, позволяющих получить заданные параметры производительности путем параллельного и многоуровневого соединения зон;
- увеличении времени безопасного хранения обработанной зерновой массы при влаж-ностях выше кондиционной, без потери качества, что увеличивает доступное время послеуборочной обработки и снижает потери от порчи качества на 15-20%.
Вывод. Форма и расположение волноводов для подвода электромагнитного поля существенно влияют как на равномерность распространения электромагнитной волны в зоне СВЧ-конвективной обработки, так и на режим работы излучающего оборудования. Принцип универсального модуля для СВЧ-конвективной обработки и сушки может успешно использован в технологических линиях по обработке зерна. Комплексация модулей должна подбираться для каждого хозяйства индивидуально, т.к. производительность разработанных модулей различается в различных технологических процессах.
Литература:
1. НТП-АПК 1.10.16.001-02 Нормы технологического проектирования кормоцехов для животноводческих ферм и комплексов. М., 2002.
2. Васильев А.Н. Модульная установка для обработки зерна // С.-х. машины и технологии. 2014. №5. С. 27.
3. URL: http://dx.doi.org/10.1016/i.energy.2013.06.057.
4. Будников Д.А. Моделирование влияния конструктивных параметров зоны обработки на распределение поля СВЧ в электротехнологическом модуле для сушки и обработки зерна // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №4(9). С. 88-91.
5. Будников Д.А. Измерение напряженности СВЧ поля в зерновом слое // Вестник ВИЭСХ. 2015. №4(21).
6. Будников Д.А. Представление зернового слоя при моделировании электромагнитного воздействия // Вестник ВИЭСХ. 2016. №4(25). С. 50-54.
7. Stuart Nelson Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications. Academic Press, 2015.
Literatura:
1. NTP-APK 1.10.16.001-02 Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya kormocekhov dlya zhivotnovodcheskih ferm i kompleksov. M., 2002.
2. Vasil'ev A.N. Modul'naya ustanovka dlya obrabotki zerna // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2014. №5. S. 27.
3. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2013.06.057.
4. Budnikov D.A. Modelirovanie vliyaniya konstruktiv-nyh parametrov zony obrabotki na raspredelenie polya SVCH v ehlektrotekhnologicheskom module dlya sushki i obrabotki zerna // Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2014. №4(9). S. 88-91.
5. Budnikov D.A. Izmerenie napryazhennosti SVCH polya v zernovom sloe // Vestnik VIEHSKH. 2015. №4(21).
6. Budnikov D.A. Predstavlenie zernovogo sloya pri modelirovanii ehlektromagnitnogo vozdejstviya // Vestnik VIEHSKH. 2016. №4(25). S. 50-54.
7. Stuart Nelson Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications. Academic Press, 2015.
THE LIVESTOCK FARMS' FEED SHOP MODERNIZATION D.A. Budnikov, candidate of technical sciences FGBNY Federal research center of agricultural engineering VIM
Abstract. Feed shops can be equipped with multipurpose equipment that will enable the light drying, disinfection, frying, steaming, etc. Due to the fact that the grain supplying the feed shop, in some cases, has more high moisture content and cannot be processed in the normal crushers. At the same time feed coming into the feed shop, by it quality must comply with veterinary and sanitary requirements, feed standards and other regulatory documents. The equipment complete set of the each specific enterprises can differ a little and correspond to conditions of each region and other technological norms. This paper presents some stages of development (modeling) of equipment for grain SWCh-convective heat treatment at multiphysical modeling program and its testing in feed shops' results. Depending on the initial grain quality, to reduce the microbiological index till standard value (5*105 KOE/g), it can be necessary to re-proceeding of the grain material in the module or unit with several modules using at serial position ofSWCh-active zones. In the course of the work are made the following conclusions: shape and location of the waveguides for the electromagnetic field supply significantly affect both the uniformity of the electromagnetic wave propagation in the SWCh -convective processing zone and the regime of emitting equipment operation; the principle of a universal module for SWCh- convective processing and drying can be successfully used in grain processing technological lines; the modules' complete set choice should be carried out for each enterprise individually, since the developed modules performance differs in different technological processes.
Keywords: microwave field, heat treatment, grain, field strength, direct heating, dielectric, modeling of EM fields.
