CC BY
23
УДК 664.7:658.26
Профессор Л.И. Лыткина, профессор А.А. Шевцов, доцент Е.С. Шенцова, соискатель О.А. Апалихина
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол. ) кафедра технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабатывающего производств, тел. (473) 255-38-51
Реализация энергоэффективной технологии комбикормов как системы тепловых и механических процессов
Предложена энергоэффекгивная технология комбикормов с применением пароком-прессионной холодильной машины. Для реализации технологии как системы тепловых и механических процессов разработан программно-логический алгоритм, позволяющий осуществлять оперативное управление технологическими параметрами.
Proposed energy-efficient technology fodder in applying the vapor compression chiller. To implement the tech-nology as a system of thermal and mechanical processes designed program-logic algorithm that allows us to exercise operational control of process parameters.
Ключевые слова: парокомпрессионная холодильная машина, энергосбережение, управление.
Создание энергоэффективных технологий комбикормов с заданным стабильным составом, отвечающих современным требованиям адекватного питания сельскохозяйственных животных и птицы, базируется на основных положениях системного подхода, посредством которого могут быть выявлены закономерности строения, функционирования и развития технологического потока кормопроизводства как системы тепловыхи механическихпроцессов [1, 2].
Показано, что уровень целостности технологической системы производства комбикормов по традиционной технологии [3, 4] лежит в области суммативных систем, в которых недостаточно реализованы возможности экономии теплоэнергетических ресурсов за счет рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам.
По результатам выполненных исследований перевод технологии комбикормов в область целостных систем стал возможен за счет управления технологическими параметрами и качеством продукции с применением холодильной техники [5, 6].
В частности, применение парокомпрес-сионной холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, позволило повысить энергетическое совершенство технологии ком -бикормов как системы тепловых и механических процессов (рисунок 1).
© Лыткина Л.И., Шевцов A.A., Шенцова Е.С., Апалихина O.A., 2013
Учитывая положительный эффект от формирования тепловых процессов в технологии комбикормов [6], составлен алгоритм управления технологическими параметрами, устанавливающий логическую последовательность подачи управляющих воздействий, ресурс действия которых определяется системой ограничений с возможностью оперативной коррекции технологических режимов работы оборудования в условиях случайных возмущений [7, 8].
Информация о ходе процесса приготовления комбикормов, подготовки воздуха и пара с помощью датчиков передается в микропроцессор, который по заложенному в него программно-логическому алгоритму осуществляет оперативное управление технологическими параметрами с учетом накладываемых на них двухсторонних ограничений, обусловленных как получением готового продукта высокого качества, так и экономической целесообразностью.
По текущим значениям расхода рассыпного комбикорма и горячих гранул перед их смешиванием микропроцессор устанавливает расход воздуха для охлаждения смеси горячих гранул и рассыпного комбикорма в линии рециркуляции воздействием на мощность регулируемого привода вентилятора.
Рисунок 1 - Технологическая схема способа производства и управления качеством комбикормовой продукции
с применением ПКХМ:
гравитационный смеситель 1; теплообменник 2; охладитель 3; измельчитель 4; просеивающую машину 5; пресс-гранулятор 6; смеситель 7; смеситель-экструдер 8; циклон 9; компрессор 10; конденсатор 11; секции испарителя 12, 13; сборник конденсата 14; парогенератор 15; вентилятор 16; насос 17; нагреватель жира 18; датчики: ЕЕ - расхода, ТЕ - температуры, РЕ - давления, МЕ - влажности и влагосодержания, пЕ - частоты вращения, НЕ - расстояния между валками измельчителя, аЕ - угла наклона сит, АЕ - амплитуды колебания сит, НЕ - уровня.
По информации датчиков о расходах смеси рассыпного комбикорма и гранул и крупной фракции в линии возврата на доизмельчение устанавливают производительность измельчителя, изменяя частоту вращения валков с помощью
датчика. По текущей влажности смеси гранул и рассыпного комбикорма оцениваются структурно-механические свойства продукта, подаваемого на измельчение, в зависимости от которых устанавливается расстояние между валками.
Микропроцессор непрерывно оценивает качество процесса сортирования полученных в просеивающей машине продуктов измельчения, осуществляя коррекцию режима просеивания при отклонении соотношения расходов крупной и средней фракций
По измеренным значениям влагосодер-жания воздуха до и после охлаждения смеси в охладителе 3 и его расходу определяется количество водяных паров в отработанном воздухе по формуле:
и = (хвие - хех) рсв V, (1)
где хвх, хвых - влагосодержание воздуха на входе и выходе из охладителя, кг/кг; рсе - плотность сухого воздуха, кг/м3; V - объемный расход воздуха, м3/ч, в соответствии с которым устанавливается расход хладагента в рабочую секцию 12 испарителя воздействием на мощность привода компрессора 10 холодильной машины.
Процесс охлаждения отработанного воздуха в рабочей секции испарителя 12 ПКХМ на поверхности ее охлаждающего элемента сопровождается конденсацией влаги из воздуха в «снеговую шубу». В результате снижается коэффициент теплопередачи от хладагента к воздуху через стенку охлаждающего элемента, а нарастающая во времени толщина «снеговой шубы» снижает интенсивность охлаждения воздуха, используемого для охлаждения смеси горячих гранул и рассыпного комбикорма.
Непрерывно вычисляется текущее значение коэффициента теплопередачи по формуле * = , (2) РК р
где Q = V с р (t1 — t 2 ) - количество теплоты, подаваемой отработанным воздухом в рабочую секцию испарителя холодильной машины, кДж/ч; с, р - средние значения теплоемкости, кДж/(кг-К), плотности, кг/м3, воздуха; V - объемный расход воздуха, м3/ч; Р - площадь поверхности охлаждающего элемента испаритеЛЯ, м2; д^р = (^ -12)/ 1п[(^ -1з)/(t2 - tз)] -среднелогарифмический температурный
напор, 0С; t1, t2 - температура воздуха на входе и выходе из рабочей секции охладителя, 0С; t3 - температура хладагента на входе в рабочую секцию испарителя, 0С
По сигналу отклонения текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного интервала значений воздействуют на соотношение
расходов «воздух - хладагент» путем изменения расхода хладагента в линии рециркуляции.
Если увеличение расхода хладагента не позволяет вывести текущее значение коэффи-циента теплопередачи на заданный интервал значений, то микропроцессор отключает рабочую секцию 12 из линии рециркуляции хладагента и подключает резервную секцию 13.
Одновременно осуществляется переключение направления движения потока воздуха в резервную секцию 13 испарителя ПКХМ, которая из режима регенерации переключается на рабочий режим конденсации (охлаждения воздуха).
Заданное давление насыщенного пара в парогенераторе 15 поддерживается в установившемся режиме воздействием на мощность электронагревательных элементов. При этом достигается заданная производительность парогенератора, контроль за которой обеспечивается датчиком расхода пара.
По текущей величине давления пара в прессе-грануляторе 8 устанавливается его расход в пресс-гранулятор с коррекцией по температуре горячих гранул в линии их отвода из пресса-гранулятора 8 в гравитационный смеситель 1. Таким образом, количество отводимой части насыщенного пара из общего потока зависит от его давления в прессе-грануляторе 8 и температуры горячих гранул.
Оставшаяся часть перегретого пара подается на размораживание резервной секции испарителя 13, работающей в режиме регенерации, которая отключается из контура рециркуляции хладагента парокомпрессионной холодильной машины с помощью исполнительных механизмов. Поток пара направляется в секцию испарителя ПКХМ, которая переключается с режима конденсации на режим регенерации.
В микропроцессор передается информа-ция о текущем значении уровня конденсата в парогенераторе 15. При изменении уровня конденсата осуществляется двухпозиционное регулирование приводом питающего насоса 17: питающий насос включается при достижении уровня конденсата в парогенераторе нижнего заданного значения и отключается при достижении верхнего заданного значения.
В случае технологических и аварийных сбоев в работе парогенератора, связанных с возможным увеличением давления насыщенного водяного пара в его рабочем объеме, предусмотрен предохранительный клапан.
Предлагаемый методологический подход в разрешении «узла» технических противоречий
в технологии комбикормов на основе структури-зации тепловых объектов позволил создать высокоэффективную технологию с расширенными функциональными возможностями.
Способ управления процессом приготовления комбикормов с применением ПКХМ реализован для поточной линии, установленной на Воронежском экспериментальном комбикормовом заводе для производства комби -кормов заданной крупности с различными кормовыми добавками производительностью по готовому продукту 12,9 ... 16,1 т/ч.
Линия состоит из гравитационного смесителя У21 - ДСП, контактного теплообменника, охладителя Б6 - ДГВ - II, валкового измельчителя Б6 - ДГВ - III, просеивающей машины У3 - ДМП, пресса-гранулятора Б6-ДГВ -I. Процесс осуществляется со следующими техническими характеристиками: Производительность
смесителя, т/ч 30.50
Расход охлаждающего
воздуха, м3/т 1300. 1500
Влажность смеси перед
измельчением, % 13,0...14,5
Частота вращения
валков, об/мин . 180..330
Расстояние между валками измельчителя, мм 1,0.. .1,5
Амплитуда колебаний
сит, об/мин 9.11
Частота колебаний сит, об/мин 420.450 Угол наклона сит к горизонту, град 8.10 Давление пара, кг/см2 (МПа) 0,2.0,5
Расход пара, кг/т 50.60
Влажность гранул после пресса-гранулятора, % 15.18
Номинальная мощность привода пресса-гранулятора, кВт 131,9
В технологической линии для повышения энергетической эффективности использовался компрессорно-конденсаторный агрегат, работающий в режиме теплового насоса, с характеристиками : Компрессор одноступенчатый
двухцилиндровый.......................ФВ - 4/4,5;
Хладагент (фреон-12)...........................R12;
Холодопроизводительность, кВ..........15.20;
Диапазон температур
кипения, 0С....................................-25.0;
Конденсатор воздушный,
ребристый, м2.............................................15;
Площадь охлаждающей поверхности испарителя, м2.......................................20;
Допустимые пределы изменения коэффициента
теплопередачи, Вт/м2-..................К.3,8.5,0;
Температура хладагента на входе в испаритель, К............................263.273.
Низкотемпературные режимы охлаждения смеси рассыпного комбикорма и горячих гранул с пониженным влагосодержанием воздуха приводят к интенсивной конденсации осмотически связанной влаги на поверхности частиц продукта в виде капельной жидкости или «тумана» и ее уносу из рабочей зоны охладителя с отработанным воздухом, быстро достигающим «точки росы».
Воздух после испарителя парокомпрес-сионной холодильной машины с влагосодержанием 0,005 кг/кг подается в охладитель на охлаждение смеси рассыпного комбикорма и горячих гранул, а на выходе из охладителя влагосодержание отработанного воздуха составляет 0,014 кг/кг.
Расход охлаждающего воздуха на 1 т продукта составляет 1500 м3. Значит, количество влаги, унесенной отработанным воздухом с поверхности частиц продукта из камеры охлаждения при производительности линии 16 т/ч, определяется следующим образом:
и = (х - х ) р О V = (0,014 -
V еых ех ■> г се кк 47
0,005)-1,0-16-1500 = 216 кг/ч, (3) где Окк - производительность поточной линии по исходному рассыпному комбикорму, т/ч; V -удельный расход охлаждающего воздуха, м3/т.
Это количество влаги необходимо скон-денсировать на поверхности охлаждающего элемента рабочей секции испарителя в виде «снеговой шубы», предельно допустимая толщина которой не должна превышать 15 мм. В процессе конденсации влаги отработанный воздух охлаждается до температуры 7 0С, что соответствует интервалу значений коэффициента теплопередачи от хладагента к воздуху через стенку охлаждающего элемента 3,8.5,0 Вт/м2К. Микропроцессор переключает рабочую секцию испарителя с режима конденсации на режим регенерации, а резервную секцию с режима регенерации на режим конденсации при снижении коэффициента теплопередачи ниже заданного интервала значений (ниже 3,8 Вт/м2К). Конденсат, образовавшийся при размораживании секции испарителя, работающей в режиме регенерации, используется для получения пара в парогенераторе.
На процесс гранулирования мелкой фракции в установившемся технологическом
режиме работы линии производства комбикормов в пресс-гранулятор подается насыщенный пар под давлением 0,2 МПа, что соответствует 120 0С и удельному объему пара 0,892 м3/кг. При норме удельного массового расхода пара 50 кг на 1 тонну мелкой фракции, составляющей 12 % от расхода рассыпного комбикорма, объемный расход пара составит 85,6 м3/ч.
Для размораживания секции испарителя, работающей в режиме регенерации, необходимо установить расход пара 100 м3/ч, тогда с учетом общего потребления пара на гранулирование в прессе-грануляторе и на размораживание резервной секции испарителя производительность парогенератора должна поддерживаться на уровне 190 м3/ч путем воздействия на мощность электронагревательных элементов парогенератора.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет не только обеспечить точность и надежность управления процессом приготовления комбикормов, но и создать условия для реализации безотходной технологии в непрерывном режиме эксплуатации основного и вспомогательного оборудования.
Дополнительные технологические приемы позволяют реализовать предлагаемую технологию как энергосберегающую и экологически безопасную. Обеспечивается охлаждение воздуха с применением парокомпрессионной холодильной машины в замкнутом контуре рециркуляции. При этом решается несколько задач: снижается окисление продукта кислородом воздуха (технологическая задача), устраняется выброс пылевидной фракции комбикорма с отработанным воздухом в атмосферу (экологическая задача), используется рекуперация теплоты конденсации хладагента в конденсаторе холодильной машины для нагрева жира или жировитаминной начинки (задача энергосбережения).
Реализация энергоэффективной технологии комбикормов как системы тепловых и механических процессов за счет точности и надежности управления технологическими параметрами позволяет повысить производительность линии на 15 % и стабилизировать температурный режим охлаждения смеси горячих гранул и рассыпного комбикорма в области заданных значений. При этом обеспечиваются необходимые структурно - механические показатели качества продукта перед измельчением; снижаются затраты электроэнергии на тонну вырабатываемого комбикорма выровненного грануломет-рического состава на 10... 15 %. Кроме этого
повышается питательность комбикорма, в частности, обменная энергия за счет ввода кормового жира; обеспечивается экологически чистая технология комбикорма выровненного гранулометрического состава.
ЛИТЕРАТУРА
1 Шевцов A.A. Совершенствование теп-лотехнологических процессов в производстве комбикормов / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, Е.С. Шенцова, P.M. Маджидов; Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2007. - 188 с.
2 Лыткина Л.И. Техника и технология тепловых и механических процессов в задачах энергосбережения на комбикормовых заводах/ Л.И. Лыткина, A.A. Шевцов, A.B. Дранников, А.И. Клейменов. - Воронеж: ВГТА, 2011. - 304 с.
3 Шевцов A.A. Экспериментально-статистическая оценка точности и устойчивости теплотехнологической системы производства комбикормов и подход к ее развитию [Текст] / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, P.M. Маджидов, A.B. Пономарев, Л.В.Бугакова // Известия вузов. Технологии производства продуктов питания, 2008. - № 2 - 3. - С. 87 - 91.
4 Панфилов, В. А. Технологические линии пищевых производств (теория технологического потока) [Текст] / В.А. Панфилов. -М.: Колос, 1993. - 288 с.
5 Шевцов, A.A. Эксергетический анализ технологии комбикормов выровненного гра-нулометрического состава [Текст] / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, A.B. Пономарёв, P.M. Маджидов// Изв. вузов. Пищевая технология. -2009. - № 3, - С. 83 - 88.
6 Шевцов A.A. Энергосберегающие технологии комбикормов и система управления качеством [Текст] / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, P.M. Маджидов, И.Б. Чайкин // Известия вузов. Пищевая технология, 2008. - № 1. - С. 94 - 97.
7 Пат. № 2352185 РФ, МПК7 А 23 N 17/00. Способ управления процессом приготовления комбикорма [Текст] / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, A.B. Дранников, Е.С. Шенцова, P.M. Маджидов; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - №2007143726 / 13; заявл. 26.11.2007; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11.
8 Пат. № 2363235 РФ, МПК7 А 23 K 1/00. Способ управления процессом приготовления комбикормов [Текст] / A.A. Шевцов, Е.С. Шенцова, A.B. Дранников, Л.И. Лыткина, A.B. Пономарев; - заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - № 2008114776/13; заявл. 15.04.2008; опубл. 10.08.2009, Бюл. № 22.
(RecmHU-KjBcpyWnt, №4, 201.1 REFERENCES
1 Shevtsov A.A. Improving teplotehnolog-icheskih processes in feed production / A. A. Shevtsov, L.I. Lytkina, E.S. Shentsova, R.M. Madjidov; Voronezh. State. tehnol. Acad. - Voronezh, 2007. - 188.
2 Lytkina L.I. Technique and technology of thermal and mechanical processes in problems of energy saving feed mills / L.I. Lytkina A.A. Shevtsov, A.V. Drannikov, A.I. Kleimenov. -Voronezh: VSTA 2011. - 304. ].
3 Shevtsov A.A. Experimental and statistical evaluation of the accuracy and stability of the system teplotehnologicheskoj feed production and the approach to its development [Text] / A.A. Shevtsov, L.I. Lytkina R.M. Majidov A.V. Ponomarev, L.V. Bugakova //Proceedings of the universities. Food Technology, 2008. - № 2 - 3. - S. 87 - 91.
4 Panfilov, V.A. Process lines of food production (theory of the process stream ) [Text] / V.A. Panfilov. - Moscow: Kolos, 1993 . - 288
5 Shevtsov, A.A. Exergy analysis technology fodder aligned particle size distribution [Text] /
A.A. Shevtsov, L.I. Lytkina, A.V. Ponomarev, R.M. Madjidov / / Math. universities. Food technology . - 2009 . - № 3 - S. 83 - 88.
6 Shevtsov A.A. Energy-saving technologies and fodder quality management system [Text] / A.A. Shevtsov, L.I. Lytkina, R.M. Majidov, I.B. Chaykin // Proceedings of the universities . Food Technology , 2008 . - № 1. - S. 94 - 97.
7 Pat . Number 2352185 RF MPK7 A 23 N 17/00 . Control method of the preparation of feed [Text] / A.A. Shevtsov, L.I. Lytkina, A.V. Drannikov, E.S. Shentsova, R.M. Madjidov; applicant and patentoobladatel Voronezh State. tehnol. Acad. - № 2007143726 /13; appl . 26.11.2007 , publ . 20.04.2009 , Bull . Number 11.
8 Pat. Number 2363235 RF MPK7 A 23 K 1/00 . Control method of the preparation of mixed fodders [Text] / A.A. Shevtsov, E.S. Shentsova, A.V. Drannikov, L.I. Lytkina, A.V. Ponomarev -applicant and patentee Voronezh. State. tehnol. Acad. - № 2008114776/13; appl. 15.04.2008, publ. 10.08.2009, Bull. Number 22.
