CC BY
9
УДК 631.017.3:621.181
ТЕПЛОПЕРЕНОС В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ СОИ
А.М. ^Нувалов, доктор технических наук, главный научный сотрудник А.Н. Машков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Д.С. Чернов, научный сотрудник
Всероссийский НИИ использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве E-mail: [email protected]
Аннотация. Одной из наиболее подходящих сельскохозяйственных культур с высоким содержанием легко растворимого протеина является соя. Однако возможность использования сои в качестве протеиновой добавки в корма животных ограничивается содержанием в ней антипитательных веществ, которые могут вызывать снижение роста и развития животных, вызывать аллергические реакции, снижать кормовую эффективность. Как показали исследования, основным способом удаления антипитательных веществ из сои стала термическая обработка с помощью инфракрасных источников теплоты. К основным преимуществам такого способа обработки относится быстрота разогрева зерна, к недостаткам -неравномерность прогрева, для компенсации которой приходится увеличивать среднюю температуру нагрева. Это ведет к увеличению расхода энергии и локальному перегреву зерна, что отрицательным образом сказывается на питательности зерна сои. Для увеличения эффективности тепловой обработки сои разработана установка для комбинированного нагрева сои, в которой подача теплоты к зерну происходит сверху инфракрасными излучателями и снизу от электронагревательной поверхности, что обеспечивает высокую равномерность прогрева. Проведенные расчеты, а также экспериментальные исследования показали, что применение двухстороннего нагрева сои позволяет равномерно прогревать весь объем зерна и, следовательно, удалять антипитательные вещества при сохранении высокого его качества. Двухсторонний нагрев сокращает время термической обработки и повышает производительность. Также анализ тепловых процессов показал, что величина соотношения тепловых потоков имеет важное значение при проектировании систем энергообеспечения процесса термической обработки сои. Ключевые слова: тепловой поток, соя, комбинированный нагрев, инфракрасное излучение.
Несмотря на высокие кормовые достоинства сои, присутствие в ней антипитательных веществ существенно снижает ее питательную ценность. Обосновано, что наиболее перспективным способом удаления из сои антипитательных веществ является комбинированный ее нагрев: сверху подачей теплоты излучением от инфракрасных источников (ИК-источники), снизу - от электронагревательной поверхности транспортирующего устройства. Такой способ нагрева сои для удаления антипитательных веществ позволяет более равномерно прогревать весь объем зерна, сокращать время нагрева до заданной температуры, увеличивать производительность труда и снижать расход электроэнергии [1-4]. Однако для реализации этого способа необходимо решить задачу определения тепловых потоков от ИК-источ-ников и от электронагревателей.
Следует отметить, что процесс переноса теплоты к зерну сои в рабочей зоне комбинированного нагрева сложный и включает перенос теплоты конвекцией от ИК-источни-ков и от электронагревательной поверхности (ЭНП), перенос теплопроводностью от ЭНП, перенос энергии инфракрасным излучением, отражением, поглощением и т.д.
В общем случае суммарный тепловой поток системы энергетического обеспечения процесса термической обработки сои с комбинированным нагревом описывается уравнением:
0 = 0к + 0л + 0тпэл.
где Q - суммарный тепловой поток, Вт; Qк - тепловой поток конвективного теплопе-реноса, Вт; Qл - тепловой поток лучеиспусканием, Вт; Qтпэл - тепловой поток теплопроводностью от ЭНП, Вт.
Рис. 1. Схема теплообмена в рабочей зоне нагрева зерна сои: 1 - источник инфракрасного излучения, 2 - электронагревательная поверхность
Конвективный тепловой поток включает две составляющие:
бк = Qкэл + Окик,
где Qкэл - конвективный тепловой поток от ЭНП, Вт; Qкик - конвективный тепловой поток от отражателей ИК-источников, Вт.
Тепловые потоки излучением:
= блик + бдзл,
где Qлик - лучистый тепловой поток от ИК-источника, Вт; Qдзд - лучистый тепловой поток от электронагревательной поверхности, Вт.
Тогда тепловые потоки, действующие на сою сверху и снизу:
б = бкик + блик + бтпзл + бкзл + блзл •
Согласно закону Ньютона-Рихмана количество теплоты, отдаваемой при конвективном теплообмене единицей поверхности тела в единицу времени, пропорционально разности температур поверхности тела и окружающей среды
чк = ак ' - tо ) '
где дк - плотность теплового потока (удельный тепловой поток), Вт/м2; ак - ко-зффициент теплоотдачи, Вт/м2-°С; ¿н - температура нагретой поверхности тела, °С; ¿о -температура окружающего воздуха в рабочей зоне нагрева, °С.
При естественной (не принудительной) конвекции величину ак можно определить по формуле [5]:
где а - опытный козффициент. Расчеты показывают, что плотность теплового потока от злектро-нагревательной поверхности в начале нагрева зерна сои в 1,8 раза больше, чем в конечной точке злектронагрева-тельной поверхности. Это следует учитывать при проектировании технологической линии термообработки сои.
Для решения задачи по переносу теплоты теплопроводностью от злектронагреватель-ной поверхности внутрь зерна сои воспользуемся законом Фурье, согласно которому поверхностная плотность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, выражается уравнением:
Я
= - (?зн - ^) =9 кВт/м2,
3
где X - удельная теплопроводность сои, Вт/м-°С; ё - толщина зерна сои, м; ¿зн - температура ЭНП, °С; ¿ц - температура в центре зерна сои, °С.
По известной плотности теплового потока теплопроводностью и с учетом поверхности, передающей теплоту сои, можно определить полный тепловой поток, который равен:
зл
бтп = Ч
тп ' ^зл = 7,605 кВт,
ак = а
где ^м - площадь ЭНП, м2.
Примем ее такой же, как у широко распространенного и серийно выпускаемого микронизатора УТЗ-4, равной 0,845 м2.
Определим полный тепловой поток конвекцией с учетом поверхности теплоотдачи и средней температуры нагрева сои (70°С).
бк = ^зп ' ак ' (^к - 1о) = 1,55 кВт.
Суммарная величина теплового потока, передаваемого конвекцией и теплопроводностью от злектронагревательной панели, составляет
= бтп + бк = 9,155 кВт.
Плотность теплового потока = 10,83 кВт/м2.
Лоигпа! оГ VNIIMZH №3(23)-2016
123
Общеизвестно, что излучаемая энергия зависит от длины волны и температуры тела. Зависимость спектральной плотности потока излучения от длины волны и температуры устанавливается законом Планка [6]:
Q
с
2ж
E,
0Л
1
1
c,
~1Át
\
-i
-1
E0 - C0
í т Л
4
, Вт/м2
V100 J
где Eo - плотность поступающего от ИК-лампы лучистого потока, Вт/м2; Со - излуча-тельная способность абсолютно черного тела, Вт/(м2-К4).
Полный поток излучения одной ИК-лам-пой составляет
лик - E0 • F - 0,72 кВт.
V У
где X - длина волны, м; С1 - первая константа излучения, Вт/м2; С2 - вторая константа излучения, м-К; Т - температура тела, К.
Из графического представления закона Планка в виде изотерм для различных температур следует, что при длине волны Х^-0 и Х^го плотность потока стремится к нулю.
У серийно выпускаемых ИК-ламп и используемых для нагрева сои температура излучающего тела 1200-1400°С, максимальная плотность потока достигается при Х=1-5 мкм. Тепловым излучением лучистая энергия обладает при Х=0,4-800 мкм (видимое и инфракрасное излучение). Со снижением температуры тела до 600°С и ниже спектральная плотность потока излучения минимальная и наблюдается в диапазоне длин волн Х=1,5-8 мкм. Такое излучение характерно для электронагревательной поверхности транспортирующего устройства сои, и его можно из-за малости в расчетах не учитывать. Отсюда следует, что основной тепловой поток излучением поступает от ИК-ламп в виде инфракрасных лучей.
Для ИК-ламп характерно полусферическое излучение; зависимость плотности потока интегрированного полусферического излучения от температуры установлена законом Стефана-Больцмана, которая для удобства практических расчетов имеет вид [6]:
В микронизаторах зерна типа УТЗ-4 применены три секции инфракрасного нагрева, в каждой секции 11 ИК-ламп.
Поток излучения от трех секций ИК-ламп
-Е = 23,76 кВт .
Следует отметить, что оболочка зерна сои серого цвета, то есть не только поглощает, но и частично отражает лучистую энергию и пропускает через массу тела.
Уравнение теплового баланса для лучистого теплообмена имеет вид [6]:
Е0 = Епогл + Еотр + Епроп 5
где £погл - плотность потока поглощающей лучистой энергии, Вт/м2; Еотр - плотность отраженного лучистого потока, Вт/м2; Епроп - плотность потока пропускаемого излучения в зерно сои, Вт/м2:
Е = Д ■ Е
Епроп Д Епад .
Для многих твердых тел принимается Д=0, так как они практически являются непрозрачными, для сои тоже можно принять Д=0, то есть плотность потока пропускаемого излучения ничтожно мала Епроп=0.
В рабочей зоне комбинированного нагрева сои ИК-лампы расположены на малом расстоянии (<3см) от поверхности сои. В этом случае отраженный от оболочки сои лучистый поток снова отразится от зеркальной поверхности отражателя ИК-источника и поглотится зерном сои.
Следовательно, для практических расчетов можно принять:
Е ~ Е = Е
Е0 ~ Епогл = Еик .
Тогда поверхностная плотность поступающего от ИК-ламп лучистого теплового потока составит: 0 ик
= = 28,1 кВт/м2.
ик
F
С учетом вышеизложенного можно определить соотношение плотностей тепловых потоков, поступающих для нагрева сои сверху от ИК-источников и снизу - от ЭНП транспортирующего устройства:
e
N =
ик
28,1
= 2,6
Чэн 10,83
Величина соотношения тепловых потоков N имеет важное значение при проектировании систем энергообеспечения процесса термической обработки сои. Она подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, отклонение составляет 11%, что вполне приемлемо для практических расчетов.
Литература:
1. Перспективы применения комбинированного электронагрева зерна сои для удаления антипитательных веществ / А.М. Шувалов и др. // Вестник ВИЭСХ. 2014. №3(16). С. 75-77.
2. Многоцелевой термоагрегат / А.М. Шувалов и др. // Сельский механизатор. 2014. №3(16). С. 10-11.
3. Рекомендации по заготовке и использованию высоковлажного фуражного зерна / Сыроватка В.И. и др. М., 2006.
4. Определение расхода электроэнергии инфракрасными излучателями на микронизацию сои / А.М. Шу-
валов и др. // Наука в центральной России. 2014. №1. С. 52-55.
5. Фильней М.И. Проектирование вентиляционных установок. М.: Высшая школа, 1976. 206 с.
6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Суколин А.С. Теплопередача. М.,1981.
Literatura:
1. Perspektivy primeneniya kombinirovannogo ehlektro-nagreva zerna soi dlya udaleniya antipitatel'nyh veshchestv / A.M. SHuvalov i dr. // Vestnik VIEHSKH. 2014. №3(16). S. 75-77.
2. Mnogocelevoj termoagregat / A.M. SHuvalov i dr. // Sel'skij mekhanizator. 2014. №3(16). S. 10-11.
3. Rekomendacii po zagotovke i ispol'zovaniyu vysoko-vlazhnogo furazhnogo zerna / Syrovatka V.I. i dr. M., 2006.
4. Opredelenie raskhoda ehlektroehnergii infrakras-nymi izluchatelyami na mikronizaciyu soi / A.M. SHuvalov i dr. // Nauka v central'noj Rossii. 2014. №1. S. 52-55.
5. Fil'nej M.I. Proektirovanie ventilyacionnyh ustanovok. M.: Vysshaya shkola, 1976. 206 s.
6. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukolin A.S. Teplopere-dacha. M.,1981.
THE HEAT TRANSFER IN THE WORKING CHAMBER FOR SOYBEANS' HEAT TREATMENT A.M. Shuvalov, doctor of technical sciences, general research worker A.N. Mashkov, candidate of technical sciences, senior research worker D.S. Chernov, research worker
All-Russian research institute of machinery and oil products in agriculture using
Abstract. One of the most agriculture suitable crops with easily soluble protein high content is soy. However, the soybean using possibility of as a protein supplement in animal feed is limited by the anti-nutritive substances content that can cause the animals growth and development, so as feed efficiency to reduce, allergic reactions to cause. Studies have shown that the soy anti-nutritional substances removal main method becomes a heat treatment with infrared heat sources using. This method main advantages are grain heating treatment rapidity, the disadvantages - non-uniform heating, to compensate of this it is necessary the average temperature to increase. This leads to energy consumption and grain local overheating increasing, that is a negative way of the soybean nutritional value. To increase the soybean heat treatment efficiency it has developed an installation for the soybeans combined heating in which the heat flow to the grains comes from the upper by the radiant heaters and from the bottom by the electric heating surface, which ensures a high heating uniformity. The performed calculations and experimental studies have shown that the soybeans double sided heating use allows to warm evenly the grain entire volume and consequently to remove anti-nutritional substances while its high quality to maintain. Double sided heating reduces the heat treatment time and improves the performance. The thermal processes analysis had showed that the heat flows ratio is important at energy power supply systems of soy heat treatment process's designing. Keywords: heat flow, soy, combined heating, infrared radiation.
Journal of VNIIMZH №3(23)-2016
125
