Тепловой баланс смесителя-ферментера кормов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 631.363.1:631.363.7

С. Ю. БУЛАТОВ, А. И. СВИСТУНОВ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СМЕСИТЕЛЯ-ФЕРМЕНТЕРА КОРМОВ

Ключевые слова: количество теплоты, конструктивно-технологические параметры, смеситель-ферментер, теоретические зависимости, тепловой баланс.

Аннотация. Проведены теоретические исследования и предложена зависимость, позволяющая определить температуру питательной среды, исходя из конструктивных параметров смесителя-ферментера кормов.

Нами разработан смеситель-ферментер кормов, который позволяет получить корма с высоким содержанием белка из малоценного сырья.

Особенностью технологии смешивания и ферментации кормов является необходимость поддержания оптимальной температуры питательной среды. Поэтому нами проведены теоретические исследования по влиянию конструктивных параметров смесителя-ферментера на температуру.

Для определения количества теплоты, необходимой для поддержания оптимальной температуры питательной среды в смесителе-ферментере на всем протяжении процесса ферментации, рассмотрим его конструктивные особенности. Смеситель (рис. 1) представляет из себя цилиндр с толщиной стенки ¿ст = Я2 - Яь который охвачен нагревательной рубашкой. Угол обхвата цилиндра рубашкой составляет ф. Для снижения потерь теплоты сверху нанесен слой изоляции толщиной диз = Я4 - Я3 = Я5 - Я2. Длина цилиндра равна Ь.

Элементарное количество теплоты dQнагр , выделившееся от нагревательного элемента, определится по выражению

^нар = (1)

где Р - мощность нагревательного элемента, Вт; йт- время нагрева воды, с.

© Булатов С. Ю., Свистунов А. И., 2014

Рисунок 1 - Схема к определению теплового потока

В то же время это количество теплоты расходуется на нагрев питательной среды и частично проходит через слой изоляции к наружному воздуху:

dQнaгp = + 2. (2)

Составляющие dQ1-3 и dQ1-2 находятся по формулам Фурье для цилиндрических стенок:

™ (3)

dQ = -Я- — ■ dS ■ с1т.

dr

Тогда составляющие dQl_ъ и dQ-i_2 при граничных условиях треть-

его рода:

dQl-з = к ■(Т1 -Т3)■„■ L■ ■ dт;

dQ12 = к ■(Т - Т )■*■ L ■360 ■ dт,

где к1, к2 - коэффициенты теплопередачи,

180

Вт м2 ■ К

(4)

(5)

к =_1_.

1 1 1 , Г 1 , г5 1 '

-+—1п — + — 1п — +-

аъГ3 Л Г3 К Г4 аизГ5

, __1_

к2 1 1 , г2 1 '

--1--1п — +--

а \ г а Г

- коэффициент теплопроводности металлической стенки, Вт ;

м ■ К

Хиз - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт •

м-К

Т3 - температура воздуха (принимаем Т3 = const), К; Ть Т2 - температуры воды в нагревательной рубашке и питательной среды соответственно (зависят от времени т. Т1 = Т1 (г), Т2 = Т2 (г)), К.

Элементарное количество теплоты dQ1-2 расходуется на нагрев питательной среды dQIlwI, а частично проходит через торцевые стенки

dQe™ и поверхность площадью I80 :

dQ1-2 =тп.с.'Сп.с. ' dT2 + k3 '(Т2 - Т3 )'Х' L dr + k4 '(Т2 - Т3 ) ' ^ '

(6)

где тПсС. - масса питательной среды, кг;

с„.с. - теплоемкость питательной среды, Дж ;

кг К

dT2 - изменение температуры питательной среды, К.

, _1_ k 1

k3 " 11, r,1. Т. 1 ' 4 1 + с + 1 ■

--1--ln — +--ln — +----1-----+ —--1--

«1Т1 Л Т1 К Т2 аиЛ а1 Л Лиз аиз

Но в процессе ферментации бактерии также выделяют тепло. Тогда выражение (4) примет вид:

dQ-2 =m„.c.-c„.c.-dT2 +{кз-(Т2 - Т3 у x-L-JL + k<- {Тг - Тъ )-xrx2 - Q^ Xdr. (7)

Составляем систему уравнений, подставляя выражения (4) и (5) в (2) с учетом (1) и (6):

Р-dz = k •(Т, - Т )-x-L-360 ~ — dz + L •(Т, - Т. )-x-L-360 - — • dz;

1 v 1 ъ) 18о г \ i г) 18о

к • (Т, -Т)• я-L-360—— • dz = г V 1 г) 180

(8)

= m„c-c„c-dT2 ¿3 • (Т г - Тъ — +k• (Тг - Тъ - Q6aK j-dz.

Сокращаем на dz, получим:

D 1 (т т\ г 360-р , , (rr . т 360-р Р =k• (Т1- Т3 )-ж-L- +k■ [Т1- Тг\х-L- ;

180 г 4 1 г/ 180

(9)

К(Т, -ТЛ-x-L-360 Р =m с ■ ^ + к . (т -Т ).x-L- —- + г ( 1 г) 180 ^^^^ ^^ 3 ( г 3) 180

+ К •(Тг -Т)•*• Г1г -Q,^-

Из первого уравнения системы (9) выразим температуру Ть Для начала сгруппируем члены уравнения при одинаковых температурах:

360— , 360-^ 360-^ 360 - —

Р = k я- L--—Т. - k п- L--— Т, + k - я- L--—Т. - К -я- L--—Т,;

1 180 1 1 180 3 г 180 1 г 180 г

Р = (k + К ^n^L^360~ — Т, -(kТ + КТ L^360. 11 ^ 180 1 v 1 3 г ^ 180

Отсюда выражаем искомую температуру:

Т1 =

Р + (к?ъ + КгТг L- 3600— j-180

(k + k Р ^(360-р) Проводим преобразования:

г Р + (кТ3 + к2Т 2 ) •л L •(360-Р) = 1 ( к + АТ2 Р-(360-/?)

__Р_ , ( ^3 + ^г )

(10)

(к +к)-я--р (360-/?) (к +к) Неизвестную температуру Т2 выражаем из второго уравнения системы (9), учитывая выражение (10).

Рк2 ккя-р 360ккя-р 360360

Т~--—т + -7---—:---Т + --—:---Т - к ■ Я ■ Р--Т =

(к + к) (к + к) 180 3 (к + к) 180 2 2 180 2

сТ в в (11)

= т ■с--- + к, ■я Р^-^—Р,, - к ■я Р^-^—^Т, + к ■я г,2 ■Т - к ■я г.2Т -

п.с. п.с. г 3 1 о/л 2 3 1 о/л 3 4 1 2 4 1 3

dт 180 180

Qбак .

Из уравнения (11) выражаем

ёТ2 ёт ■

dT2 ёт

-к ■

(36°-р) к р+к

(к + к) 2) 180 3 180 Ь кк 360-р р к ■г2I л-ь

Л ■ Ь

п.с. п.с.

+ 1 . 2 '--- + Ъ ■ -!— + -Т +

Ц к+ к) 180 3 180 Ь )тпхГспх. 3

+ [(к1+к2 )+ т„. с. ■ сп. с . .

Произведем замену и подставим в (12):

Ь =

--к -

кр 180кг2 К360-р)ль

(к + к) 2 360-р (360-р)ь) 180тсс,

с = 1 Кк 360-р + к р+к^ I ль Т +Г Рк

ч( к + к) 180

( к1 + к2 )

+ Qа

ёт

2 = ЬТ, + с

ЬТ2 + с

■ = ёт

тс'с"- (13)

(14)

(15)

Представим:

Ь Т + с = у

Ь ■ ёТ2 = dy

(16) (17)

Тогда: 1 ± = ёт.

Ь У

1п у = Ьт+ const У = У0*Ьт.

Ус = у|т=0 = У(Т2 = Т2„ач )

(18)

(19)

(20)

Уо =

(f k__k k p 180k r2 1(360 -P)xL

(k + k2) 2 360-p (360-p) L) 180шпссп

7UL

' Т2нач +

/ л (21)

2

kk 360-p , p k.-r,■

—---+ —L

(k + k) 180 3 180

-r, +

( T>U \

Pk.

-Q,

бак

1

(ki + k_ )

Подставляя (19) с учетом (21) и (13) в (16), можно получить температуру Т2.

Таким образом, зная конструктивные параметры смесителя-ферментера, можно определить искомую температуру питательной среды в заданный промежуток времени и количество энергозатрат, потребных для ее поддержания при заданных параметрах установки.

THERMAL BALANCE OF THE AMALGAMATOR-FERMENTER OF FORAGES

Keywords: quantity of heat, constructive-technological data, the amalgamator-fermenter, theoretical dependences, heat balance.

Annotation. Theoretical researches are carried out and the dependence, allowing defining temperature of a nutrient medium, proceeding from design data of the amalgamator-ферментера offorages is offered.

БУЛАТОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры «Тракторы и автомобили», Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Россия, Княги-нино (bulatov_sergey_urevich@mail.ru).

BULATOV SERGEI YUR'EVICH - the candidate of technical sciences, the senior lecturer of the chair «Tractors and automobiles», Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino (bulatov_sergey_urevich@mail.ru).

СВИСТУНОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ - аспирант, Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Россия, Княгинино (kng_almas@mail.ru).

SVISTUNOV ALEKSANDR IVANOVICH - the post-graduate student, Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knayginino (kng_almas@mail.ru).

+