CC BY
96
Оптимизация параметров шнека экструдера для получения рапсового масла
М.А. Корякина, соискатель, Оренбургский ГУ
Рапс является одной из наиболее ценных и перспективных культур в общем мировом производстве растительных масел. Вследствие значительного прогресса в селекции и в практике культивирования рапсовые семена — мировые лидеры источников растительных масел.
Биологическая ценность рапса как растительного сырья характеризуется совокупностью таких показателей, как суммарное содержание белка, его функциональный и аминокислотный состав, содержание и соотношение незаменимых аминокислот, атакуемость белков ферментами желудочно-кишечного тракта (перевариваемость белков).
В связи со значительной насыщенностью мирового рынка пищевыми жирами в последнее время вновь возрастает спрос на непищевое использование рапса в технических целях. Рапсовое масло уникально по своим свойствам и возможности широкого использования для производства непищевых продуктов из-за гомогенности состава, отсутствия примесей и биоразложения, что является преимуществом по сравнению с нефтяными маслами.
На современном этапе развития мирового топливно-энергетического производства стала актуальной и значимой проблема возобновляемости источников энергии, получаемых из растительного сырья. К ним относится биодизель — как вид биотоплива, с успехом используемый на практике в ряде стран, как альтернатива обыкновенной солярке.
Поиски новых биологических источников энергии обусловлены целым рядом причин, а именно: ограниченностью запасов природноископаемых источников энергии; желанием стран снизить национальную, экономическую, энергетическую зависимость, связанную с поставками энергоресурсов; парниковым эффектом, вызванным поступлением в атмосферу двуокиси углерода; экологическими проблемами; ценовой нестабильностью в нефтедобывающих странах.
Основными задачами и целями, стоящими перед биотопливной промышленностью, являются производство высококачественного растительного масла как базового компонента для биодизеля, создание и внедрение современных высокоэффективных видов технологического оборудования, которые на основе использования прогрессивных безотходных технологий повышают производительность, способствуют экономии
исходного сырья, топливно-энергетических и материальных ресурсов.
Переработка семян рапса с целью получения высококачественного масла связана с определёнными трудностями: семена рапса плохо отдают масло из-за маленького размера клеток; оболочка семени прочно срастается с маслосодержащим эндоспермом, что затрудняет его отделение. Поэтому такие бескожурные масличные семена перерабатываются вместе с оболочкой [1, 2]. Эту особенность и специфический химический состав учитывают при разработке технологий переработки рапса.
Взаимодействие рабочих органов приводит к существенным изменениям качественных характеристик обрабатываемого материала, под воздействием сил трения создаётся определенная температура технологического процесса, а это существенно влияет на реологические свойства сырья. В результате происходит отток рапсового масла, которое имеет определённые свойства. Нас интересуют в данном случае именно те свойства, которые характеризуют качество сырья для биотоплива. Жмых должен иметь хорошие потребительские свойства, чтобы использоваться в качестве полноценного корма. С учётом этих требований к результату процесса экструдиро-вания необходимо проводить векторную оптимизацию. Т.е. подобрать такие геометрические, конструктивные и кинематические параметры, чтобы параметры, оценивающие потребительские свойства готовой продукции, имели достаточные значения.
Векторную оптимизацию рабочих органов можно провести по методу рабочих характеристик [3].
Множество параметров Рк (где к — множество качеств и свойств технического объекта) может быть представлено в виде Рк = Рк(А,В,С...).
Ограничения параметров имеют вид
Рк ^ Рк, (1)
Р1 ^ Рк ^ Рк, (2)
Ркп ^ Рк, (3)
где Рк , Рк, Рк, Рк — возможные уровни ограниче-
ния параметров.
До начала оптимизации исследователь должен определить ограничения параметров в виде (1), (2) или (3). При построении рабочих характеристик первого, второго, третьего и так далее до к-го параметра необходимо включать эти ограничения в число определяемых значений, причем таким образом, чтобы в область допустимых значений
Рис. 1 - Схема прессующего механизма:
1 - загрузочное устройство; 2 - корпус; 3 - шнек; 4 - компрессионный затвор; 5 - головка экструдера; 6 - матрица; 7 - отверстия для оттока масла
попало достаточное число функциональных зависимостей рабочих характеристик.
Тогда в принятой системе координат функциональные зависимости на рабочей поверхности ограничат оптимальный участок, если таковой имеется. В случае необходимости оптимальный участок может быть ограничен значениями основных параметров в виде ю0 = const.
Прессующий механизм в общем случае состоит, как показано на рисунке 1, из шнека, компрессионного затвора, матрицы, загрузочного устройства и шнекового цилиндра (последний компрессионный затвор и матрица образуют головку экструдера).
Производительность и энергоёмкость экструдера зависят от скорости протекания технологического процесса и геометрических размеров
шнека. На основании вычислительного эксперимента проведём векторную оптимизацию шнека по кпд, т.к. этот параметр характеризует энергетические затраты машины [4].
Для проведения экспериментов были использованы геометрические параметры малогабаритного пресс-экструдера ПЭШ-30/4, модернизированного для получения растительного масла и жмыха. Использовали реологические параметры рапса сорта Ратник яровой при влажности сырья 7,49% (ГОСТ 10856-96) и масличности 42,92% (ГОСТ 10857-64).
Конструктивные исходные данные следующие: диаметр корпуса Dk = 0,0552 м; диаметр фильеры матрицы dф = 0,008 м; длина фильеры матрицы 1ф = 0,1 м; высота компрессионного затвора Ьк = 0,0041 м; ширина компресси-
График оптимальной области
I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I ' ' ' I
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 33 40 42
Q
Рис. 2 - Построение оптимальной области (■) при изменении шага лопасти шнека:
1 - первая конструкция; 2 - вторая конструкция; 3 - третья конструкция; 4 - четвёртая конструкция; 5 - пятая конструкция; 6 - ограничения по мощности 14 7 - ограничения по силе Р действующей на рабочие органы; 8 - коэффициент оттока жидкой фазы
й
Рис. 3 - Построение оптимальной области (■) при изменении толщины лопасти шнека ^:
1 - первая конструкция; 2 - вторая конструкция; 3 - третья конструкция; 4 - четвёртая конструкция; 5 - пятая конструкция; 6 - ограничения по мощности 14 7 - ограничения по силе Р действующей на рабочие органы; 8 - коэффициент оттока жидкой фазы
20 22 24 26. 28 30 32 34 36 38 *0 42 44 46
в
Рис. 4 - Построение оптимальной области (■) при изменении высоты лопасти шнека Ьл:
1 - первая конструкция; 2 - вторая конструкция; 3 - третья конструкция; 4 - четвёртая конструкция; 5 - пятая конструкция; 6 - ограничения по мощности 14 7 - ограничения по силе Р действующей на рабочие органы; 8 - коэффициент оттока жидкой фазы
онного затвора 1к = 0,05 м; высота зазора утечек Ьу = 0,0005 м; угол подъёма винтовой лопасти а = 13°; число заходов шнека равно 1.
Скорость вращения шнека принимала значения: 10, 13, 15, 20, 23 рад/с.
Введём ограничения: мощность N<5 кВт, сила R<10 кН, коэффициент оттока жидкой фазы к>0,3.
Приняли толщину лопасти шнека 1л = 0,009 м, высоту лопасти Ьл = 0,011 м, варьировали шагом
sm: 0,03; 0,035; 0,04; 0,045; 0,05 в м. Результаты оптимизации показаны на рисунке 2.
Слева и справа зависимости КПД = f(Q) ограничены значениями мощности N (6), и силой, действующей на рабочие органы R (7). Справа четвёртая и пятая конструкции не проходят по мощности. Коэффициент оттока жидкой фазы (8) принимает значения к>0,3 при скорости вращения шнека 13 < со < 20 для первой конструкции (1) с Sm = 0,035), для второй (2) с Sm = 0,04 м, для третьей (3) с sm = 0,03 м, четвертой (4) с sm = 0,045 м при со = 15 рад/сек., для пятой (5) с sm = 0,05 м при к>0,3, поэтому она не входит в оптимальную область.
По оптимальной области видно, что максимальное значение КПД — у первой конструкции, при всех введённых ограничениях. Зафиксировав шаг S,,, = 0,035 м, будем варьировать толщину лопасти шнека tn: 0,003; 0,005; 0,007; 0,009; 0,011 в м.
Результаты оптимизации представлены на рисунке 3.
Графики зависимости КПД = f(Q) имеют следующую идентификацию: первая зависимость (1) показана при t, = 0,003 м; вторая (2) — при 0,005 м; третья (3) — при 0,007 м; четвёртая (4) — при 0,009 м; пятая (5) — при 0,011 м. Все конструкции слева удовлетворяют ограничения по мощности (6) и силе (7), справа конструкции 2—5 не проходят по мощности при скорости вращения шнека со > 20 рад/сек. Также все конструкции имеют ограничения по коэффициенту оттока жидкой фазы (8). Ограничения оттока жидкой фазы удовлетворяют при скорости вращения шнека в интервале 13 < со < 20 для первой, второй и третьей конструкций, для четвёртой конструкции при со ~ 14—16 рад/сек., пятая конструкция не входит в оптимальную
область. Максимальное значение КПД у первой конструкции 1;л = 0,003.
Приняв вщ = 0,035 м и tj = 0,003 м, будем изменять высоту лопасти шнека Ьл: 0,01; 0,011; 0,012; 0,013; 0,014 в метрах.
Результаты оптимизации показаны на рисунке 4.
Первая (1) зависимость КПД = f(Q) показана при Ьл = 0,013 м; вторая (2) — при 0,012 м; третья (3) — при 0,014 м; четвёртая (4) — при
0.011.м; пятая (5) — при 0,01 м.
Все конструкции слева удовлетворяют ограничения по мощности (6) и силе (7), справа конструкции 4—5 не проходят по мощности при скорости вращения шнека со ~ 23 рад/сек. Первая, вторая и третья конструкции удовлетворяют ограничения по оттоку жидкой фазы (8) при 13 < со < 20 рад/сек; четвёртая и пятая конструкции — при скорости вращения шнека 15 < со < 16. Из рисунка 4 видно, что максимальное значение КПД у первой конструкции при Ьл = 0,13 м.
Таким образом, векторная оптимизация позволила получить конструкцию шнека, которая увеличивает КПД машины, снижает энергоёмкость, и при этом потребительские свойства масла и жмыха остаются в пределах нормы.
Литература
1. Калошин Ю.А. Технология и оборудование масложировых предприятий: учебник. М.: Академия, 2002.
2. Лисицын А.Н., Григорьева В.Н., Смирнова Е.Е. Возможные пути использования семян рапса // Масложировая промышленность. 2000. № 4. С. 14-15.
3. Карташов Л.П., Зубкова Т.М. Параметрический и структурный синтез технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 225 с.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614615. Программа для расчёта показателей качества экструдированных продуктов / заявители: Зубкова Т.М., Колобов А.Н., Корякина М.А. РОСПАТЕНТ - Заявка № 2009613523 - Заявлено 06.06.2009. Опубл. 28.08.2009.
