CC BY
20
УДК: 631.362
А. В. Фоминых, С. В. Фомина, Н. С. Стрекаловских
УСТАНОВКА ПОВЫШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЖИДКИХ
КОРМОВЫХ ДОБАВОК
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
A. V. Fominykh, S. V. Fomina, N. S. Strekalovsky UNIT FOR INCREASING CONCENTRATION OF LIQUID FEED ADDITIVES FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV», KURGAN, RUSSIA
Александр Васильевич Фоминых
Alexander Vasilyevich Fominykh доктор технических наук, профессор prof_fav@mail.ru
Светлана Владимировна Фомина
Svetlana Vladimirovna Fomina кандидат технических наук, доцент cvetlana19-63@mail.ru
Николай Сергеевич Стрекаловских
Nikolai Sergeevich Strekalovsky prof_fav@mail.ru
Аннотация. Основным сырьем для производства препаратов на основе гуминовой кислоты выступает торф.
Исследования в области животноводства показали, что при использовании гуминового препарата в качестве прикорма для животных, наблюдается абсолютный прирост живой массы, повышается сохранность потомства до ста процентов, уменьшается расход корма до 16 %.
Создана вакуум-выпарная установка для удаления влаги из жидких кормовых добавок, повышения концентрации растворов при низких температурах кипения, которая состоит из котла с водяной рубашкой и теплоизоляцией, электрокотла, расширительного бака, системы удаления пара. Котел закрыт крышкой, в дно котла вварен патрубок для слива готового продукта.
Исходными данными расчета времени нагрева вакуум-выпарной установки являются: теплоёмкость воды с=4190 Дж/(кгК), стали, с=460 Дж/(кгК), масса раствора т=50 кг, масса воды в рубашке т = 20 кг, масса котла т=90 кг и электрокотла т = 8 кг. Начальная температура установки 10 оС, конечная температура котла и воды в рубашке 85 оС, раствора 70 оС. Потери энергии в окружающую среду не учитываются, так как котел и электрокотел имеют хорошую изоляцию и температура их поверхности близка к температуре окружающего воздуха.
Мощность нагревателя выбрана 6,0 кВт. По результатам расчёта, для нагрева потребуется кДж: раствора - 12570; воды в рубашке - 6285; котла - 2484; электрокотла - 276. Всего - 21615 кДж. Время нагрева составляет
3603 с, или 60 мин. Результаты расчетов подтверждены экспериментом.
Ключевые слова: гумат; вакуум-выпарная установка; кормовые добавки; расход энергии; время нагрева.
Abstract. Peat is the main raw material for production preparations on the basis of humic acid.
Researchers have shown that when using humic preparation as a feeding up for animals, live weight pure gain is observed, posterity safety increases to hundred percent, the forage expense decreases up to 16%.
Vacuum- evaporating unit for moisture removal from liquid feed additives and increase in concentration of solutions at low boiling temperatures is created. It consists of a boiler with water shirt and thermal isolation, electric boiler, broad tank, system of steam removal. The boiler is closed by a cover, in boiler bottom a branch pipe is welded for ready-made product unloading.
Basic data of calculation heating time of vacuum-evaporating unit are: water thermal capacity c=4190 J/(kgK), steel - c=460 J/(kgK), solution mass m=50 kg, water mass in a shirt m=20 kg, boiler mass m=90 kg and the electric boiler m = 8 kg. Unit's initial temperature is 10°C, the final temperature of a boiler and water in a shirt 85 °C, solution 70°C. Energy losses to the environment aren't considered as the boiler and electric boiler have good isolation and temperature of their surface is close to air temperature.
Heater power is 6.0 kW. By calculation results, heating will require kJ: solution - 12570; waters in a shirt - 6285; boiler- 2484; the electric boiler - 276. In total heating will require 21615 kJ. Heating time is 3603s, or 60 min. Calculations results are confirmed with experiment.
Keywords: humate; vacuum- evaporating unit; feed additives; power consumption; heating time.
Введение. Гуминовые кислоты - сложная смесь природных органических соединений, образующихся при разложении отмерших растений и их гумификации при участии микроорганизмов, влаги и кислорода атмосферы.
Гуминовые кислоты широко распространены в природе [1]. Они входят в состав органического вещества почв, торфов, ископаемых углей, некоторых сланцев и сапропе-лей. Основным сырьем для производства препаратов на основе гуминовой кислоты выступает торф.
Основные функции гуминовых кислот следующие.
Накопительная функция. В форме гуминовых кислот удерживаются большинство элементов питания растений. Так, 98 % почвенного азота связано с гуминовыми кислота-
ми, 50 % фосфора, а также калий, кальций, железо, магний и все другие микроэлементы.
Транспортная функция связана с тем, что гуминовые кислоты образуют водорастворимые органо-минеральные соединения и обеспечивают доступность для растений ионов из минеральных соединений. Они переводят конверсионное железо и множество других элементов в формы, более доступные для растений.
Регуляторная. Действуя как гормон роста, они ускоряют обмен веществ у растений, деление клеток и способствуют развитию мощной корневой системы
Протекторная. Обеспечивают защиту почвенной микрофлоры от переувлажнения, высушивания, связывают избыток
Научный журнал
Вестник Курганской ГСХА
удобрений. Попадая в почву, гуматы связывают в нерастворимые формы свинец, хром, ртуть, остатки ядохимикатов, радионуклиды и другие экологически опасные отходы. Они обладают свойством задерживать питательные вещества в зоне корней и выдавать их растениям по мере необходимости. Гуматы не заменяют удобрения, а усиливают их действие [2].
Исследования в области животноводства показали, что при использовании гуминового препарата в качестве прикорма для животных, наблюдается абсолютный прирост живой массы, повышается сохранность потомства до ста процентов, уменьшается расход корма до 16 %.
У новорожденных телят крупного рогатого скота, получающих гумат, выше прирост живого веса, по сравнению с приростом животных, вскармливаемых без гумата; значительно увеличивается скорость их привеса, повышается интенсивность роста, уменьшается заболеваемость респираторными инфекциями.
В свиноводстве - больший прирост молодняка, сдаточный вес увеличивается более 12 кг на одну голову, снижается заболеваемость и смертность, а значит, улучшается сохранность молодняка.
В птицеводстве увеличение живой массы бройлеров составляет 2,6-2,85 % при снижении затрат кормов на прирост на 2,3-6,4 %. При этом сохранность поголовья повышается на 5,72-8,57 %. [1-3]. Цыплята, утята и индюшата значительно увеличивают скорость привеса, энергичность, жизнестойкость, состояние здоровья. Куры-несушки увеличивают яйценоскость.
Методика. Создана вакуум-выпарная установка для удаления влаги из жидких кормовых добавок, повышения концентрации растворов при низких температурах кипения. Может быть использована для тепловой обработки и приготовления пищевых продуктов [4].
Вакуум-выпарная установка (рисунок) состоит из котла 8 с водяной рубашкой 7 и теплоизоляцией 5, электрокотла 10, расширительного бака 1, системы удаления пара 6. Котел закрыт крышкой 4, в дно котла вварен патрубок для слива готового продукта 9.
1 2 3
10
1 - расширительный бак; 2 - вакуумметр; 3 - термометр; 4 - крышка; 5 - теплоизоляция; 6 - патрубок для удаления пара; 7 - водяная рубашка; 8 - котел; 9 - патрубок для слива готового продукта; 10 - электрокотёл
Рисунок - Вакуум-выпарная установка для повышения концентрации жидких кормовых добавок
Принцип работы. Перед началом работы водяная рубашка котла и электрокотёл заполняются водой через расширительный бак до уровня воды в расширительном баке 50 мм. Котёл заполняется раствором, закрывается крышкой, в гнездо термометра наливается вода. Включается электрокотёл, и температура раствора доводится до 60 °С. Далее включается вакуумный насос для удаления пара из котла. Абсолютное давление в котле поддерживается в диапазоне 20-30 кПа, при этом температура кипения раствора поддерживается в диапазоне 60-68 °С.
По окончании выпаривания выключается электрокотел, через 2 минуты выключается вакуумный насос, после чего выравнивается давление в котле с атмосферным. Когда указанные выше операции выполнены, следует приступить к разгрузке котла.
Технические показатели разработанной нами вакуум-выпарной установки приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Техническая характеристика вакуум-выпарной установки
Показатели
Емкость котла, л 50
Продолжительность цикла не более, ч 10
Производительность по испаренной влаге, кг/ч 6
Максимальный вакуум, кПа 85
Минимальная температура кипения, °С 60
Мощность электрокотла, кВт 6
Емкость электрокотла и рубашки котла, л 20
Габаритные размеры: длина, мм ширина, мм высота, мм 000 ООО том
Мощность электродвигателя насоса, кВт 3
Масса, кг 130
После нагрева установки идет процесс выпаривания при абсолютном давлении в котле 30 кПа. Для создания вакуума и удаления пара из котла необходимо выбрать вакуумный насос. Для технологического вакуумного оборудования наибольшее применение получили пароструйные насосы, которые подразделяются на диффузионные, эжекторные и бустерные насосы. Эжектор - это струйный аппарат, в котором давление одного (пассивного) потока увеличивается за счет его смешения с другим (активным) потоком, имеющим более высокое давление.
Струйные эжекторы (насосы) разрабатываются для перекачивания сред в разных агрегатных состояниях. Струйные эжекторы изготавливаются: жидкостные, газовые и совмещённые. То есть, они могут работать: жидкость -газ, газ - жидкость.
Принцип действия струйного эжектора. Поток эжектиру-ющей жидкости, выходящий под давлением и с высокой скоростью через сопло, создаёт область низкого давления в камере разряжения. За счёт перепада внешнего и внутреннего давлений в камере разряжения, эжектируемая жидкость поступает в эжектор. Количество всасываемой эжектируемой среды зависит от степени разряжения в камере, технических параметров устройства (коэффициента эжекции). В камере смешения происходит смешивание двух потоков: эжектиру-емого и эжектирующего. Возникает общий результирующий поток, скорость течения которого выше, чем у всасывающей жидкости. После смешения, поток попадает в диффузор, где происходит преобразование скорости потока в статическое давление. Давление смеси на выходе струйного эжектора может превышать давление пассивной среды на входе в аппарат до определённых значений. Режим работы устрой-
ства зависит от входных, выходных параметров среды. При подключении устройства в систему в нерасчётном режиме может произойти отказ в работе, вплоть до полного запирания эжектора. Область применения струйных эжекторов: перекачивание растворов солей, кислот, щелочей, загрязненных жидкостей с растворенными агрессивными примесями, с взвешенными абразивными частицами; смешивание разных жидкостей, с разной плотностью и температурой; гидротранспорт сыпучих, абразивных материалов по трубопроводам; смешивание потоков, находящихся в разном агрегатном состоянии. Преимущества струйных эжекторов: отсутствие движущихся деталей, малые габаритные размеры и масса, простота обслуживания.
Результаты. Расчет времени нагрева вакуум-выпарной установки. Расход энергии (Дж) на нагрев определяется по формуле [3]:
W = ст( ^ - д, (1)
где с - теплоёмкость вещества, Дж/(кг К);
т - масса вещества, кг;
1, - начальная температура, оС;
12 - конечная температура, оС.
Исходными данными расчета времени нагрева вакуум-выпарной установки являются: теплоёмкость воды, с = 4190 Дж/(кгК), стали, с = 460 Дж/(кгК), масса раствора, т= 50 кг, масса воды в рубашке, т = 20 кг, масса котла т=90 кг и электрокотла т = 8 кг. Начальная температура установки 10 о С, конечная температура котла и воды в рубашке 85 оС, раствора 70 оС. Потери энергии в окружающую среду не учитываются, так как котел и электрокотел имеют хорошую изоляцию и температура их поверхности близка к температуре окружающего воздуха.
Мощность нагревателя выбрана 6,0 кВт. По результатам расчёта, для нагрева потребуется кДж: раствора - 12570; воды в рубашке - 6285; котла - 2484; электрокотла - 276. Всего - 21615 кДж.
Время нагрева установки до рабочей температуры определяется по формуле:
T=W/N, (2)
где N - мощность электрокотла, кВт.
Время нагрева составляет 3603 с, или 60 мин.
Эксперименты. Электрокотел содержит три медных ТЭНа по 2 кВт. Каждый ТЭН подключен через автоматический выключатель. ТЭНы автоматически отключаются при температуре воды в рубашке 85 оС. Температура раствора не должна превышать 70 оС. Из таблицы 2 видно, что на рабочий режим вакуум-выпарная установка выходит за 60 минут [5, 6].
Таблица 2 - Испытания на нагрев установки
Время, мин Температура воды в рубашке котла, оС Температура раствора в котле, оС
0 10 10
15 55 19
30 65 37
45 70 54
60 85 68
80 85 76
Для испарения одного килограмма воды необходимо затратить 2,3 МДж энергии. Нагреватель мощностью 1 кВт обеспечивает испарение 1,56 кг воды в час.
Нагреватель установки мощностью 6 кВт обеспечивает испарение 9,36 кг воды в час. При абсолютном давлении в котле 30 кПа из одного килограмма воды образуется 6,3 м3 пара. При работе всех нагревателей мощностью 6 кВт образуется 59,0 м3 пара.
Выводы. На основании теоретических и экспериментальных исследований определен расход энергии на нагрев вакуум-выпарной установки при выходе на рабочий режим - 21615 кДж. Время нагрева составляет 3603 с, или 60 мин.
На основании анализа преимуществ и недостатков устройств для создания вакуума обоснован выбор струйного насоса для создания вакуума и откачивания пара из вакуум-выпарной установки. Разработана методика расчёта вакуумного насоса.
Список литературы
1 Грехова И. В., Комиссаров И. Д. Эффект применения гуминового препарата Росток. Гуминовые вещества в биосфере : Труды 4-й Всеросс. конф. 19-21 декабря. М.; СПб., 2007. С. 419-423.
2 Фомина С.В., Стрекаловских Н.С. Повышение концентрации жидких кормовых добавок при низких температурах кипения. Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции: Материалы I Всероссийской научно-практической конференции. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2017, с. 131-135.
3 Фомина С.В., Стрекаловских Н.С. Система удаления пара в установке для повышения концентрации жидких кормовых добавок. Научное обеспечение реализации государственных программ АПК и сельских территорий: Материалы международной научно-практической конференции. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2017, с. 465-468.
4 Фоминых А. В., Овчинников Д. Н., Ездин Д. П. Линия производства гуминосодержащего препарата. Патент России № RU132071, 10.09.2013. Бюл. № 25.
5 Фоминых А. В., Овчинников Д. Н. Линия производства гуминосодержащего препарата. Главный зоотехник. 2016. № 12. С. 39-43.
6 Фоминых А. В., Овчинников Д. Н. Сравнительная оценка способов получения гуминового концентрата. Кормление сельскохозяйственных животных и кормопроизводство. 2015. № 7. С. 18-20.
Referenses
1 Grekova I.V., Komissarov I.D., Effect of the humic drug Rostock. Humic substances in the biosphere: Proceedings of the 4th All-Russia. Conf. December 19-21. Moscow; Saint Petersburg. 2007. pp. 419-423, (in Russ.).
2 Fomina S.V., Strekalovsky N.S. Increasing the concentration of liquid feed additives with low boiling points. Technical support of technologies of agricultural production: Materials of I all-Russian scientific-practical conference. Kurgan, 2017, pp. 131-135 (in Russ.).
3 Fomina S.V., Strekalovsky N.S. Removal system steam to install to increase the concentration of liquid feed additives. Scientific support for implementation of state programs of agricultural and rural territories: materials of the international scientific-practical conference. Kurgan, 2017, pp. 465-468 (in Russ.).
4 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N., Yezdin D.P. Production line for a humic-containing drug. Patent of Russia No. RU132071, 10.09.2013. Bul. № 25. (in Russ.).
5 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N. The production line for the humic-containing drug. Glavnyi zootekhnik (Chief livestock specialist). 2016. No. 12. Pp. 39-43 (in Russ.).
6 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N. Comparative evaluation of methods for obtaining humic concentrate. Kormlenie sel'skokhoziaistvennykh zhivotnykh i kormoproizvodstvo (Feeding of farm animals and forage production). 2015. No. 7. Pp. 18-20 (in Russ.).
